應用擴增實境與無線定位技術建構消防安全設備檢測系統之研究

國立高雄大學建築學系

碩士論文

應用擴增實境與無線定位技術建構消防安全設備檢測系統

之研究

Applying AR and iBeacon to Develop an Inspection

System for Fire Safety Equipment

研究生：林彥瀚撰

指導教授：陳怡兆

I

應用擴增實境與無線定位技術建構消防安全設備檢測系統

之研究

指導教授：陳怡兆 博士 國立高雄大學建築學系 學生：林彥瀚 國立高雄大學建築學系 碩士班 摘要 檢測人員進行消防安全設備檢測的過程中，必須使用平面圖紙檢查現場的設備，過 程要查閱相關的文件和圖紙來確認設備位置與相關資訊，因為紙本作業的模式，在檢測 流程中辨識、紀錄和整理相關的檢測資訊是非常耗時的。為了解決上述問題，本研究實 際開發一消防安全設備檢測系統：AR-FSE，使用建築資訊模型（Building Information Model, BIM）來建立消防安全設備元件，接著利用無線定位技術使檢測人員可以即時辨 識所在的檢測位置，並且作為擴增實境（Augmented Reality, AR）畫面的觸發工具，最 後經由擴增實境顯示所對應的元件資訊，提供檢測人員檢測與維護使用。

本研究分析建築生命週期中所需的各種檢測資訊，這些資訊包括導入擴增實境和無 線定位技術後，各元件在 BIM 和系統裡所需新增的欄位，再利用 COBie（Construction Operations Building Information Exchange）將這些資訊整合成 3D 參數化模型，並將之儲 存於雲端資料庫，以便利用手持裝置進行即時的消防安全設備檢測作業。本研究以實際 案例做模擬應用，說明藉由整合擴增實境和無線定位技術於以 BIM 為基礎的消防安全 設備檢測流程中，可以克服傳統紙本作業模式在消防安全設備檢測流程中的限制。 關鍵字：消防安全設備，建築資訊模型，無線定位技術，擴增實境，COBie

II

Applying AR and iBeacon to Develop an Inspection

System for Fire Safety Equipment

Advisor: Dr. Yi-Jao Chen Department of Architecture National University of Kaohsiung

Student: Yen-Han Lin Department of Architecture National University of Kaohsiung

ABSTRACT

During the inspection process of fire safety equipment, the inspectors must use the plan paper to check the equipment of the building. They have to check the relevant documents and drawings to confirm the position and related information of the equipment. Because of using the method of paper operation, identifying, documenting, and collating relevant inspection information is time consuming. In order to solve the above problems, this research developed a fire-safety-equipment inspection system: AR-FSE. Using the Building Information Model (BIM) to establish fire-safety-equipment components, and then using wireless positioning technology to enable the inspectors to identify the inspection area, and as the role to trigger the augmented reality (AR) that display the corresponding components’ information to provide the inspection service for the inspectors.

This research analyzed the required information of inspection during the building life cycle. Including the use of augmented reality and wireless positioning technology, the additional attributes required for each component in BIM model and system, and then using COBie to integrate the information into a 3D parametric. The model was stored in a cloud database for real time fire-safety-equipment inspection that can be used for handheld devices. This research used a real case for simulation, which showed that applying augmented reality and wireless positioning technology for BIM-based fire-safety-equipment inspection could

III

overcome the limitations of the paper operation method in the traditional fire-safety-equipment inspection process.

Keywords: Fire Safety Equipment, Building Information Model, Wireless Positioning

IV

謝誌

在高雄大學研讀碩士的時光，藉由建築系老師們的用心教學與提供的學習資源，在 這裡學習到許多知識，也培養了更清晰的邏輯思考能力，才可以順利完成論文。同時， 也非常感謝 林祐正教授、王裕仁教授、陳怡兆教授等口試委員，於百忙之中為學生審 閱研究論文，並給予許多寶貴的意見，使論文可以進行更嚴謹的修正。 接著，特別感謝恩師 陳怡兆教授，在此致以誠摯的謝意和崇高的敬意，不僅在論 文的寫作與研究上給予我無私的建議與提點，還時常撥空留在學校陪大家做研究，並且 提供一個很棒的研究氛圍與環境，總是鼓勵我在做研究時要堅持創新，應用資訊背景的 能力，不設限地進行多方的嘗試與實驗，盡情發揮創意在我的研究論文上，讓我受益良 多。除此之外，在面對工作以及生活上的態度，更是學生們的楷模。 另外，也非常感謝建築資訊模型研究室的同學又綺與寶緯，在我的研究遇到困難或 需要幫助時，謝謝你們幫助我解決各種問題。還有惠儀學姐、桂芬學姊、嘉宏學長，感 謝你們分享論文寫作的經驗。還要感謝承洲、俊誠以及系上的同學，謝謝你們協助我進 行論文的驗證實驗。另外也要感謝杏珍，從入學到畢業，一直協助我處理許多行政上的 業務。 最後真的非常感謝我的父母親與家人，謝謝您們一直以來的全力支持和栽培，讓我 可以繼續研讀碩士。也非常感謝我的老婆怡晴，在工作、課業和生活上，一直給我鼓勵 和信心，陪伴我朝目標前進！ 林彥瀚 2019/07/31 於高雄大學

V

目錄

摘要 ... I ABSTRACT ... II 謝誌 ... IV 目錄 ... V 圖目錄 ... VIII 表目錄 ... XI 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究動機 ... 1 1.2 研究目的 ... 2 1.3 研究範圍與限制 ... 3 1.4 研究流程 ... 3 第二章 文獻回顧 ... 6 2.1 消防安全設備檢測之現況 ... 6 2.1.1 檢測流程 ... 6 2.1.2 檢修項目與紀錄 ... 8 2.2 BIM 之相關案例研究 ... 9 2.2.1 BIM 於設施維護管理之應用案例 ... 9 2.2.2 BIM 於消防安全管理之應用案例 ... 12 2.2.3 BIM 與 COBie 架構 ... 14 2.3 無線定位技術 ... 16 2.3.1 室內無線定位技術 ... 16 2.3.2 BIM + 無線定位技術 ... 17

VI 2.4 擴增實境 ... 19 2.4.1 擴增實境 + BIM ... 19 2.4.2 擴增實境 + 無線定位技術 ... 21 2.5 小結 ... 22 第三章 研究方法 ... 23 3.1 專家訪談 ... 23 3.2 研究工具 ... 24 3.2.1 Autodesk Revit 2016 ... 24 (1) OBJ Expoter ... 25 (2) COBie Extension ... 25 3.2.2 iOS App ... 25 (1) Xcode ... 25 (2) ARkit ... 26 (3) Scenekit ... 28 3.2.3 iBeacon ... 28 3.2.4 Firebase ... 31 第四章 系統分析和實作 ... 33 4.1 資訊需求分析 ... 34 4.1.1 模型之資訊需求分析 ... 34 4.1.2 系統之資訊需求分析 ... 38 4.2 系統實作 ... 40 4.2.1 系統架構 ... 40 4.2.2 系統開發 ... 41

(1) 新增 iOS Augmented Reality App 專案 ... 41

VII

(3) iOS App 連接 Firebase 資料庫 ... 44

第五章 案例模擬應用 ... 48 5.1 模式應用結果 ... 49 5.2 專家問卷 ... 53 5.2.1 問卷調查題目 ... 53 5.2.2 問卷統計結果 ... 55 5.3 小結 ... 59 第六章 結論與建議 ... 60 6.1 結論 ... 60 6.2 建議 ... 61 參考文獻 ... 62 附錄 A ... 67 A-1. 檢修報告書 ... 67 A-2. 消防安全設備改善計畫書 ... 68 A-3. 滅火器檢查表(上) ... 69 A-4. 滅火器檢查表(下) ... 70 附錄 B ... 71 B-1. 訪談一... 71 B-2. 訪談二... 72

VIII

圖目錄

圖 1-1 研究流程圖 ... 4 圖 2-1 消防安全設備之檢測流程圖 ... 7 圖 2-2 BIM-FIIM 資訊整合與管理平台概念示意圖 ... 10 圖 2-3 BIM-BASED 設施管理行動裝置系統 ... 11 圖 2-4 BIM 整合設施管理系統流程圖 ... 12 圖 2-5 消防安全設備維護之示意圖 ... 13

圖 2-6 MOBILE DEVICE 和 BIM-BASED SYTEM 的連結示意圖 ... 14

圖 2-7 COBIE 之內容 ... 14 圖 2-8 COBIE 資訊架構與 BIM 之關係圖 ... 15 圖 2-9 EASBL 之定位流程 ... 18 圖 2-10 擴增實境最有應用潛力的項目 ... 19 圖 2-11 BIM2MAR 之架構 ... 20 圖 2-12 系統架構圖(張庭瑜之研究) ... 21 圖 3-1 SWIFT4.0 程式語言基本架構 ... 26 圖 3-2 ARKIT 程式碼基本架構 ... 27 圖 3-3 SCENEKIT 之操作畫面 ... 28 圖 3-4 IBEACON 資料傳輸架構... 29 圖 3-5 本研究使用之 IBEACON 設備... 30 圖 3-6 FIREBASE 之應用架構 ... 31

圖 3-7 FIREBASE 操作介面（REALTIME DATABASE） ... 32

圖 4-1 系統分析步驟 ... 33

圖 4-2 IBEACON 識別碼資訊... 35

圖 4-3 BIM 模型中的檢測點族群類型 ... 36

IX 圖 4-5 BIM 元件屬性欄位之關聯圖 ... 37 圖 4-6 擴充 COBIE 表單之屬性欄位 ... 38 圖 4-7 系統功能之資訊交換流程圖 ... 39 圖 4-8 AR-FSE 系統開發架構圖 ... 40 圖 4-9 新增 XCODE 專案之操作畫面 ... 41

圖 4-10 選擇 AUGMENTED REALITY APP 之操作畫面 ... 42

圖 4-11 XCODE 專案資料夾之操作畫面 ... 42

圖 4-12 MAIN.STORYBOARD 使用介面設計之操作畫面 ... 43

圖 4-13 IOS APP 連接 IBEACON 部分程式碼之操作畫面 ... 43

圖 4-14 新增 FIREBASE 專案之操作畫面 ... 44 圖 4-15 設定 FIREBASE 專案名稱與位置之操作畫面 ... 44 圖 4-16 註冊 IOS 應用程式至 FIREBASE 專案之操作畫面 ... 45 圖 4-17 將 GOOGLESERVICE-INFO.PLIST 放置 XCODE 專案之操作畫面 ... 45 圖 4-18 終端機之操作畫面 ... 46 圖 4-19 完成連接 FIREBASE 專案資料夾之操作畫面 ... 46

圖 4-20 IOS APP 連接 FIREBASE 資料庫之程式基本架構 ... 47

圖 5-1 AR-FSE 系統操作流程圖 ... 48 圖 5-2 國立高雄大學人文學院 B1F 消防安全設備平面圖 ... 49 圖 5-3 檢測區域規劃圖 ... 50 圖 5-4 檢測區域與對應之 IBEACON... 50 圖 5-5 系統登入畫面 ... 51 圖 5-6 開始檢測功能 ... 51 圖 5-7 檢測功能畫面 ... 52 圖 5-8 資料庫更新之紀錄 ... 53 圖 5-9 問卷結果: 性別分布圖 ... 55 圖 5-10 問卷結果: 年齡分布圖 ... 56

X 圖 5-11 問卷結果: 工作年資分布圖 ... 56 圖 5-12 問卷結果: 職務分布圖 ... 56 圖 5-13 問卷結果: 較常使用的資訊格式(複選) ... 57 圖 5-14 問卷結果: 較常使用的工具 (複選) ... 57 圖 5-15 問卷結果: 平常消防檢測資訊擷取的難易程度 ... 58

XI

表目錄

表 2-1 消防安全設備之檢修項目 ... 8 表 2-2 常見無線定位技術之比較表 ... 16 表 2-3 傳統藍芽與低功耗藍芽之比較表 ... 17 表 3-1 檢修項目與內容 ... 24 表 3-2 IBEACON 識別碼內容... 29 表 3-3 IBEACON 識別碼與 BIM 空間資訊關聯表 ... 30 表 5-1 問卷調查題目 ... 54 表 5-2 問卷結果: AR-FSE 系統之優缺點 ... 58

1

第一章 緒論

本章節說明本篇研究之動機、目的、範圍、限制與研究流程。

1.1 研究動機

建築生命週期中有三個主要階段，分別是設計、施工和營運維護階段，其中在維護 階段的營運管理在建築生命週期裡佔了最長的時間與比例。營運維護階段在建築生命週 期中不僅所佔時間最長，總成本更是最多的一個階段【蘇瑛敏、張詠翔，2015】。隨著 時代的進步，建築物內的設施設備也趨向複雜化，建築物內搭載了許多包括消防設備、 網路、節能設備、或智慧型建築的感測裝置等。這些設備需要被良好的檢修與維護才能 維持正常運作，提供建築物應有的機能【陳威帆，2011】。其中設施的維護和管理（Facility maintainence and management, FMM）大部分還是利用紙本圖說來輔助進行，但隨著建 築物的規模變得越來越大，設施設備的項目也越來越多，僅藉由紙本文件來判斷龐雜的 建築物設備資訊，已不再能夠滿足建築物所有者對設施維護管理的要求。因為大量的紙 本文件不僅難以保存，提供維護人員所需的資訊效率也較低【East E.W. et al.，2013】。

隨著 BIM 的發展，相關研究也針對導入 BIM 於建築生命週期之應用進行探討，期 望能解決因傳統 2D 圖紙作業模式所導致效率低落與容易發生錯誤之問題。其中，在 AEC（Architecture Engineering Consultants）資訊整合技術的發展上，BIM 已具備有資 訊整合、傳遞與展示的能力【陳怡兆，2009】。為了提高 BIM 於設施維護管理的應用， 一些研究表明，BIM 若能整合知識管理功能與應用視覺化技術於建築生命週期中，將 有利於設施維護管理提升效率及降低維護成本，改善以紙本紀錄圖面、設備維護紀錄所 導致的資料容易遺失的問題，於設備發生狀況時，維護人員也不易因資訊取得不即時而 影響問題的判斷與決策，進而影響維護管理工作效率【吳翌禎、謝尚賢，2015】。 應用視覺化技術於建築生命週期的部分，陳怡兆與賴永山於 2018 年所提出之「應 用 BIM 模型建構消防安全設備擴增實境檢測模式之研究」中，利用擴增實境來提高消

2 防安全設備檢測作業之資訊調閱能力。該研究係利用多款 APP 應用程式作為研究方式， 因此該研究指出若能整合於單一 APP 應用程式將會更為便利，也提到如果未來消防設 備廠商能開發出透過感測器、藍芽定位技術並透過網際網路進行整合之消防設備，日後 應用於 BIM 的擴增實境 3D 模型定位與消防檢測將可能達到即時資訊呈現之能力【陳 怡兆、賴永山，2018】。 因此，為了提高即時擷取資訊的能力與系統完整性，本研究整合無線定位技術 iBeacon 於消防安全設備檢測中，以 iBeacon 來辨別檢測空間資訊，來啟動擴增實境之 畫面，取代以往以標籤、QR Code 和圖片來啟動擴增實境的方式，不僅落實無紙化管理， 也能夠讓檢測人員可以更即時地取得資訊。另外再透過 iOS App 將擴增實境、iBeacon、 資料庫系統和消防安全設備檢測知識管理功能整合於單一的應用程式，系統在使用時即 可不用切換至不同的 App，讓系統使用更為便利，提高消防安全設備檢測流程在擷取檢 測資訊的效率與完整性。

1.2 研究目的

本研究中以 BIM 為基礎的設施維護管理為例，針對消防安全設備之檢測模式進行 研究，探討擴增實境和無線定位技術的整合應用。本研究的目的可概括如下： (1) 解決現有消防安全設備檢測的圖紙作業模式中，擷取檢測資訊時所面臨資訊不 完整、不即時之問題，並且改善檢測資訊轉換的效率。 (2) 整合擴增實境和藍芽定位技術於以 BIM 為基礎的消防安全設備檢測系統，並分 析其資訊需求。 (3) 實際開發以 BIM 為基礎之消防安全設備檢測系統：AR-FSE。 (4) 以實例模擬(3)所開發的系統，並進行專家問卷調查。 (5) 針對本研究所開發之 AR-FSE 系統應用模式提出結論與建議。

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1.3 研究範圍與限制

在 BIM 建築生命週期中，主要分為設計階段、施工階段和營運維護階段，其中建 築生命週期的營運維護階段是本研究的重點，並且以消防安全設備的檢測作業作為研究 模擬案例。由於建築類型的不同，適用的作業流程也會不相同，而本研究之建築類型案 例，以學校建築空間的消防安全設備項目做案例分析，例如：滅火器、消防栓箱和緊急 照明燈，並針對其中較重要的檢測基準，進行相關法規與實務的探討，作為建立設備元 件的模型屬性架構與系統功能的基礎。本研究以 BIM 為基礎，整合擴增實境和無線定 位技術，建立消防安全設備檢測系統，因此主要相關文獻回顧會聚焦於 BIM、擴增實 境和無線定位技術等議題應用於設施維護、消防安全管理的做法，但其中無線定位技術 於建築空間中的部屬方式、成本與定位演算法尚未考量於本研究中。

1.4 研究流程

本節說明本論文之研究流程架構，本研究流程如圖 1-1 所示。

4 圖 1-1 研究流程圖 Step 1. 說明研究之重要性與必要性： 於本研究之第一章開始探討建築生命週期之營運維護階段的重要性，並且 分析現有消防安全設備檢測模式的問題，說明整合 BIM 和擴增實境、無線定 位技術在營運維護階段的應用以及潛力。 Step 2. 探討 BIM、擴增實境和無線定位技術於消防安全設備檢測之應用： 於本研究之第二章進行文獻回顧，透過相關文獻探討消防安全設備檢測之 法規規定與制式表單，分析消防安全設備檢測作業流程所需的資訊。同時根據 相關研究，探討 BIM 於維護管理階段之應用、無線定位技術之發展和應用， 以及擴增實境之發展和應用，從中分析整合 BIM、擴增實境和無線定位技術 來解決現有作業模式之問題。

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Step 3. 分析 BIM 模型和 AR-FSE 系統之資訊需求：

本研究之第三章，根據文獻回顧之探討，再進一步的進行專家訪談，依據 專家的實務經驗，提出系統開發之建議。分析 BIM 模型之建模需求，定義開 發 BIM 模型的流程，建立建築資訊模型，提出以 BIM 為基礎結合擴增實境和 無線定位技術之系統架構，並且建構系統功能。 Step 4. AR-FSE 系統開發： 在本研究之第四章，根據第三章所提出之系統架構與資訊分析，實際開發 AR-FSE 消防安全設備檢測系統。說明以 iOS App 為系統平台，實作 iOS App 之 AR-FSE 消防安全設備檢測系統之方式，並且說明串接 Firebase 資料庫、擴 增實境、無線定位等技術之步驟。 Step 5. 模式模擬應用： 系統完成後，在本研究之第五章，針對實際案例模擬本研究所提出之模 式，說明 AR-FSE 檢測模式之操作步驟。實際案例以國立高雄大學人文學院 B1F 為模擬地點。 Step 6. 問卷調查： 在本研究之第五章，向消防安全設備檢測之相關專家展示開發結果，並請 專家填寫問卷調查，以分析本研究所開發之 AR-FSE 系統之解決模式是否可以 改善現有紙本作業模式之困境，最後於第六章提出本研究之結論與建議，以供 未來後續研究參考。

6

第二章 文獻回顧

本章說明消防安全設備檢測之現況與相關法規，並且蒐集相關研究領域之參考文 獻，探討 BIM、擴增實境和無線定位技術於建築生命週期之維護管理階段的應用，作 為本研究之參考依據。

2.1 消防安全設備檢測之現況

本節說明消防安全設備之相關法規，以及實際檢測之流程說明。消防安全設備之現 況分為檢測流程、檢測項目與紀錄兩個主要的部份進行探討。透過相關法規的文獻蒐集 與討論，歸納檢測流程的順序，並透過制式表單之內容解析，整理出檢測項目與紀錄的 內容。

2.1.1 檢測流程

本研究從消防安全設備檢測的流程和資訊要求開始探討，分析消防安全設備檢測所 需的流程和資訊需求。依據「消防安全設備檢修及申報辦法」之規定，消防安全設備之 檢修方式包括：外觀檢查，性能檢查和綜合檢查。外觀檢查是為了確保消防安全設備是 否損壞，以及其配置是否合適。性能檢查是藉由實際操作來確保消防安全設備的性能是 否正常。綜合檢查是基於消防安全設備的整體操作或使用來確保其功能，消防安全設備 之檢測流程如圖 2-1 所示。

7 圖 2-1 消防安全設備之檢測流程圖 消防設備師、消防設備士（以下簡稱檢修人員）或消防安全設備檢修專業機構（以 下簡稱檢修機構）至檢測場所進行檢測作業，傳統作法是以平面圖紙來比對現場的消防 安全設備位置，檢測人員會直接將檢測內容：外觀檢查、性能檢查和綜合檢查等項目紀 錄註記在平面圖紙上，完成檢測後，檢修機構將彙整好之檢測紀錄，整理成制式表格， 提供給相關單位存查。 完成外觀、性能和綜合檢查後，檢修機構須將檢修報告書（如附錄 A-1）、各該消 防安全設備之種類及數量表、配置平面圖（圖面標註尺寸及面積）、檢修人員或檢修機 構證明文件影本等資訊交付檢測場所管理權人，檢修報告書所附各種設備檢查表應註明 檢修項目之種類、有效期限及相關檢測基本資訊。若有消防安全設備不符檢測規定者， 應清楚載明其不良狀況情形、位置及處置措施。 接著，管理權人應填具消防安全設備檢修申報表，並檢附檢修報告書及文件、依前 條檢修結果有消防安全設備不符規定，立即改善有困難者，應加、填消防安全設備改善 計畫書（如附錄 A-2）等資訊，再以 PDF 的形式上傳當地消防大隊申報備查，大隊則 會進行抽查，若未通過，則限期改善，原則上以一個月為主，最多可展延至三個月，若 複檢不過，則進行罰款。

8

2.1.2 檢修項目與紀錄

依據內政部消防署消防法之「消防安全設備檢修及申報作業基準」，消防安全設備 之檢修項目包括：滅火設備、警報設備、避難逃生設備、消防搶救上必要之設備和其他 經中央主管機關認定之消防安全設備或必要檢修項目，各類場所消防安全設備之檢修項 目如表 2-1 所示。 因各種設備項目之檢測內容不同，因此本節之檢修紀錄探討以滅火器為例，其檢測 內容如附錄 A-3、A-4 所示，內容包括滅火器設置狀況的確認、標示的檢查和性能檢測。 檢測人員必須要紀錄人員與日期相關資訊，再依照檢測作業判定檢測結果、紀錄不良狀 況及處置措施，並且必須紀錄檢測設備項目之數量、合格數量與要修理數量等資訊，以 供後續維修單位進行修繕。 表 2-1 消防安全設備之檢修項目 1 滅火器 10 火警自動警報設備 19 無線電通信輔助設備 2 室內消防栓設備 11 瓦斯漏氣火警 自動警報設備 20 緊急電源插座 3 室外消防栓設備 12 緊急廣播設備 21 鹵化烴滅火設備 4 自動灑水設備 13 標示設備 22 惰性氣體滅火設備 5 水霧滅火設備 14 避難器具 23 冷卻撒水設備 6 泡沫滅火設備 15 緊急照明設備 24 射水設備 7 二氧化碳滅火設備 16 連結送水管 25 簡易自動滅火設備 8 乾粉滅火設備 17 消防專用蓄水池 26 配線 9 海龍滅火設備 18 排煙設備 27 其他經中央主管機關 認定之消防安全設備 進行檢測作業時，設備檢測標示通常位於設備之外觀或貼紙上，若有標示不清楚的 情形，則無法提供檢測人員正確的設備資訊，各種不同的設備項目也有不同的資訊需要 紀錄，所以容易導致檢測資訊紀錄不完整或產生遺漏，造成檢測流程無法確實紀錄。而 上述龐雜的檢測內容都必須紀錄於檢測人員之圖紙上，再從圖紙上整理為制式表格，導 致檢測作業流程效率降低。

9 消防安全設備檢測，本節歸納出需要紀錄於附錄 A-3、A-4 的資訊，包括：檢測人 員資訊、設備基本資料、檢測紀錄和位置確認等資訊，用於建立本研究之消防安全設備 檢測 BIM 模型與系統的基礎。

2.2 BIM 之相關案例研究

本研究利用 BIM 模型可以運用為核心資料來源的特色，使用 BIM 建置建築資訊模 型，建立消防安全設備 BIM 元件，其所建立的屬性資料數據再進一步轉換為 COBie 格 式，並儲存至雲端資料庫，提供本研究開發的消防安全設備檢測系統可以即時地使用。 由於本研究所探討的議題為建築生命週期之營運維護階段的消防安全設備檢測作業，因 此，本節探討應用 BIM、COBie 於設施維護與消防管理之相關研究案例，說明其研究 之概念與方法。

2.2.1 BIM 於設施維護管理之應用案例

BIM 在 AEC 產業的設施維護管理階段已逐漸受到重視與應用。例如美國的馬里蘭 綜合醫院，運用 BIM 於設施維護管理，建置建築、機電、結構等模型，並導入設備管 理系統，協助醫院進行設施維護管理，提升擷取設備資訊的效率【Eastman et al.，2011】。 蘇郁智等人【蘇郁智、陳彥貝、林祐正，2014】也提出 BIM 技術於設施維護管理 階段之整合方法，建置設施資訊整合與管理(BIM-based Facility Information Interation and Management, BIM-FIIM)平台，如圖 2-2 所示。該研究利用 Navisworks 作為 BIM 模型展 示的平台，透過 SDK 開發 Navisworks API，由 ADO.NET 連結至 Microsoft SQL Server， 在 BIM-FIIM 平台即可進行編輯資料庫之功能，整合外部資料庫之相關維護資料，並且 利用 BIM 之 3D 視覺化功能，提高了執行的效率。

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圖 2-2 BIM-FIIM 資訊整合與管理平台概念示意圖

資料來源：【蘇郁智等人，2014】

韓國的Kim等人【Kim, Hyoungkwan., Lim, Hynsu., Kim, Hongjo., and Kim, Hyoungkwan., 2013】也開發了iOS系統的設施維護管理系統，系統分為Planning, Inspection, Assessment, Repair和3D Visualization五個功能模組。該研究利用AutoCAD Inventor Publisher MobileViewer在行動裝置上展示BIM的3D模型，元件維護資訊則利用 SQLite儲存，系統畫面如圖2-3所示，於Inspection檢測功能的部分，該研究將檢測內容 設計為檢測清單，檢測人員可以在系統上做勾選確認，並且搭配3D虛擬的畫面來輔助 設施維護的管理。該系統透過案例驗證說明導入BIM於改善傳統設施維護管理具有相當 大的潛力。

11 圖 2-3 BIM-based 設施管理行動裝置系統 資料來源：【Kim et al.，2013】 上述之文獻皆指出，整合 BIM 於設施維護管理階段可以有效提升維護管理的效 益，並且提出方法架構，也開發出相關的系統來應用。由於現代建築物規模越來越大， 設施也變得更複雜，設施維護管理階段所需之資訊需求也跟著增加，設施維護管理系統 也無法有效地將設備元件資訊做連結。因此，蘇瑛敏、張詠翔之研究提出需透過設計階 段整合製作 BIM 模型、竣工階段整合交付管理基礎資訊、營運管理階段選擇設施管理 系統【蘇瑛敏、張詠翔，2015】，才能確保各階段之資訊完整導入營運管理應用，如圖 2-4 所示，在建築設計階段就將建築模型整合於 BIM 中，後續營造階段再利用 COBie 擷取所需要的資訊，最後的設施管理系統即可依據擷取的資訊進行相關系統的開發。該 研究也指出運用設施管理系統進行營運維護作業時，可以運用無線射頻辨識（Radio Frequency Identification, RFID）、QR Code 或標籤等技術，連結各項設備與 BIM 模型資 訊，輔助設備之追蹤管理。但目前 RFID 等技術目前尚有物理條件上的限制因素，未來 仍必須找出替代方法，才能有效使營運維護管理系統有效連結設備的資訊。

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圖 2-4 BIM 整合設施管理系統流程圖

資料來源：【蘇瑛敏、張詠翔，2015】

2.2.2 BIM 於消防安全管理之應用案例

在建築防災的研究議題上，也有相關研究導入 BIM 的應用。其中一個研究案例， 為 Wang 等人【Wang, Shih-Hsu, Wang Wei-Chih, Wang Kun-Chi, and Shih Shih-Yu，2015】

之研究，導入 BIM 於建築物的消防安全管理中。該研究利用 BIM 的 3D 可視化和資訊 存取的特色，建立建築物的行動裝置消防安全管理系統。該管理系統功能主要為疏散評 估、逃生路線規劃，安全教育和設備維護。其中在設備維護的部分，該系統可以提供消 防安全設備的資訊，例如設備名稱、製造商和維護單位…等資料。該系統的概念方法是 將 Revit 的屬性資料先利用 DBlink API 傳送到 Microsoft Access 資料庫，接著在利用 Structured Query Language(SQL)去資料庫擷取資料。模型.DWF 檔案則是利用 IE 網頁瀏 覽器顯示，同時在平板電腦上安裝 TeamViewer 的軟體，來同步平板電腦和桌上型電腦 的畫面，藉此方式來顯示模型於平板電腦上，其概念架構如圖 2-5 所示。對於改善目前 建築物的消防安全管理的層面上，該研究證明了 BIM 的導入可以扮演相當重要的角色。

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圖 2-5 消防安全設備維護之示意圖

資料來源：【Wang, et al.，2015】

另一個與消防安全管理有關的研究案例是 Cheng 等人【Cheng, et al.，2017】之研

究，該研究建置一個基於 BIM 的行動 App 智慧防災系統，整合了個人位置、藍牙技術

和 3D 即時資訊，其藍芽技術用來傳送偵煙感測器資訊，接著利用 Mobile App 來連結 BIM-based system，其系統連結示意如圖 2-6 所示。該系統的應用結果證明它可以有效 地進行火災的評估，提供檢測、警報通知以及計算疏散路線，提供疏散/救援路線以提 高整體建築安全和災害應變的能力。

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圖 2-6 Mobile device 和 BIM-based sytem 的連結示意圖

資料來源：【Cheng, et al.，2017】

2.2.3 BIM 與 COBie 架構

COBie 是一種設備維護資訊的標準，可以提供維護、操作和管理設施所需的空間和 設備之資訊，COBie 表單的內容主要分為：設計（Design）、施工（Construction）與共 同部分（Common）【East，2013】，如圖 2-7 所示。 圖 2-7 COBie 之內容 資料來源：【賴永山，2017】

15 為了有效管理設施維護設備之資訊，COBie 在設計階段將空間資訊與設備元件資訊 做整合，讓空間、元件設備具有關聯性。其中設施（Facility）可分為空間與設備。空間 的部分為樓層（Floor）、空間（Space）、區域（Zone），設備則為型式（Type）、元件 （Component）、系統（System）【黃正翰、古嘉豪，2017】，空間和設備都可與 BIM 建 模工具 Revit 之資料相對應，如圖 2-8 所示。 圖 2-8 COBie 資訊架構與 BIM 之關係圖 資料來源：【黃正翰、古嘉豪，2017】 黃正翰、古嘉豪之研究提出若能導入足夠資訊之 BIM 模型與 COBie 表單於設施維 護管理系統中，將可提供 3D 視覺化之設施維護管理功能，視覺化的設施維護管理系統 可提升操作與維護工作之效益，進而改善營運維護之成效【黃正翰、古嘉豪，2017】。 在本研究中，利用 COBie 作為消防安全設備檢測資訊架構的基礎，擴充 COBie 表 單內容後，建築物空間和消防安全設備之資訊即可從 BIM 模型匯出到 COBie 表單。

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2.3 無線定位技術

本研究所探討之消防安全設備檢測環境大多位於室內，已被廣泛應用於商業系統之 全球衛星定位系統(GPS)等戶外定位技術無法有效穿透建築物之建材，因此本節探討之 相關文獻聚焦於室內無線定位的技術。

2.3.1 室內無線定位技術

常見的室內無線定位技術包括藍芽技術（Bluetooth）、無線射頻辨識、Wi-Fi、ZigBee 等，各有其特色與優缺點。 在上述無線定位技術之中，藍牙技術在建置成本、實際應用等表現優於其他室內定 位技術【黃濟寰，2014】，常見無線定位技術之比較如表 2-2 所示。藍芽技術具有較高 的精準度與較低的耗電量，藍芽技術也因為功耗較低與行動裝置藍芽設備的普及，建置 成本相對較低，與行動裝置軟體整合度也較高。 表 2-2 常見無線定位技術之比較表

RFID ZigBee Wi-Fi Bluetooth 傳輸速度 106kbps 250kbps 300Mbps 1Mbps 傳輸距離(m) 1.5 50-300 100-300 1-50 耗電能力(mA) 0 5 10-50 <15 建置成本 中 中 高 低 優點 應用性廣泛 低耗電、低成 本，可程式性 速度快、普及性 高 低耗電、低成 本、整合性高 實際應用 電子付款、商品 追蹤 工業與工程的 應用 無線上網 容易和行動裝 置做整合 資料來源：【黃濟寰，2014】

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而低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy, BLE）是藍牙技術聯盟（Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth SIG）推出的技術，相較於傳統藍牙技術（Bluetooth），低功耗 藍牙更提升了傳輸效率並且降低耗能【黃濟寰，2014】，與傳統藍芽之比較如表 2-3 所 示。相較於其他無線定位技術，低功耗藍牙技術在設施部署方面也具有更佳的能源效率 和彈性【Park, J.W., Marks, E., Cho, Y.K., and Suryanto, W.，2016】【Park, J.W., Chen, J., and Cho, Y.K.，2017】。 表 2-3 傳統藍芽與低功耗藍芽之比較表 傳統藍芽 低耗電藍芽 頻率 2.4 GHz 2.4 GHz 傳輸速率 1=3Mbps 1 Mbps 最小傳輸距離(m) 10 60 耗電(mA) 30 <15 休眠模式 不支援 支援 資料來源：【黃濟寰，2014】 根據本節所歸納之無線定位技術之探討，首先考量本研究之消防安全設備主要位於 室內，因此以室內無線定位技術為主要考量的類別，接著針對常見之室內無線定位技術 進行比較分析，可以發現低功耗藍芽技術相較於傳統藍芽技術、RFID、ZigBee 和 Wi-Fi， 擁有較佳的效能，因此本研究使用低功耗藍芽技術作為本研究應用之工具。

2.3.2 BIM + 無線定位技術

在 2.2 節探討整合 BIM 於設施維護與消防安全管理中，有相關文獻提出未來若能 再利用無線感測等技術導入 BIM 設施維護管理的應用，將可以使設施設備與 BIM 模型 資訊做連結，後續開發之營運維護管理系統才能有效連結設備的資訊。因此，本節說明

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應用無線定位技術於 BIM 設施維護管理之相關案例。

Aaron Costin 之研究整合 RFID 定位追蹤技術與 BIM 模型，該研究在建築物內建置 RFID 設備，利用 RFID 讀取設備感應做定位追蹤，來顯示對應的 BIM 模型於電腦上 【Aaron, Costin.，2013】。

本研究所使用的低功耗藍芽之無線定位技術也有和 BIM 整合的相關文獻案例，Li 等人【Li, Nan., Becerik-Gerber, Burcin., Krishnamachari, Bhaskar., and Soibelman, Lucio.， 2014】提出以 BIM 為基礎，在建築空間部屬低功耗藍芽技術 Beacon，提出 EASBL 部 屬演算法，計算出以最少之 Beacon 數量，達到最佳之空間定位能力，在建物發生災難 時，可以提供定位給予需要的人員。研究結果顯示當 54%的 Beacon 損壞時，空間定位 之準確度還是能維持在 80%以上，在火災發生之緊急情況之下，若能夠快速定位人員之 位置，可以有效將降低傷亡發生的機會，EASBL 之定位流程如圖 2-9 所示。 圖 2-9 EASBL 之定位流程 資料來源：【Li et al.，2014】

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2.4 擴增實境

真實和虛擬同時存在、即時互動性和存在於三維空間為擴增實境的三個要素 【Azuma, R.T.，1997】，其中擴增實境已經被使用作為設施維護管理的輔助工具，使他 們能夠可視化，並且在真實環境中添加互動式數據【Irizarry, J., Gheisari, M., Williams, G., Walker, B.N.，2013】。另一方面，在營造階段中，擴增實境用於辨識、定位建築元件的 位置，是相當有潛力的領域【Sebastjan Meža., Turk, Žiga., and Dolenc, Matevž.，2015】， 如圖 2-10 所示。 圖 2-10 擴增實境最有應用潛力的項目 資料來源：【Sebastjan et al.，2015】

2.4.1 擴增實境 + BIM

本研究為基於 BIM 模型，開發消防安全設備檢測系統，因此先探討 BIM 在設施維 護與消防安全管理的文獻，並且分析無線定位技術的應用之後，在本節說明整合擴增實 境於 BIM 相關的文獻。

Chu 等人【Chu, Michael., Matthews, Jane., and Love, Peter E.D.，2018】的研究透過 行動雲端 BIM AR 系統的開發，並透過實驗來比較與傳統 2D 圖紙作業模式的差異。其

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研究結果顯示，整合 BIM 和擴增實境可以有效提高效率。

另外，也有研究基於 BIM 模型，提出轉換模型資料到行動裝置上顯示以擴增實境 畫面的流程架構。Williams 等人【Williams, G., Gheisari, M., Chen, P. J., and Irizarry, J.， 2014】指出在 BIM 和擴增實境應用的過程裡，BIM 元件的定位應該被視為一個主要的 研究議題，該研究也將 BIM 有效率地和行動裝置與擴增實境技術作整合，並提出 「BIM2MAR」的資訊轉換架構，首先由 BIM 產生 3D 模型和 IFC 屬性資料，經過 GPS 定位系統、加速器和陀螺儀的計算，將資料轉換到行動平台，最後經由使用者互動介面， 將擴增實境畫面顯示於行動裝置上，有效地將 BIM 的模型幾何資訊轉換為行動裝置的 擴增實境畫面，如圖 2-11 所示。

圖 2-11 BIM2MAR 之架構

資料來源：【Williams et al.，2014】

Wang 等人【Wang et al.，2013】之研究也提出了一個將 BIM 與擴增實境結合的概 念架構。為了使每個建築空間與環境都能夠即時可視化，結合 BIM 和擴增實境的架構 應包含 Digital、Physical 和 Mixed 三個階層:

(1) Digital 層：BIM 模型和相關屬性資料。 (2) Physical 層：擴增實境內容之標籤/感測器。

21 (3) Mixed 層：擴增實境之可視化與互動性。 其中擴增實境內容之標籤/感測器為擴增實境可視化之主要關鍵，若未來要使擴增 實境可以應用更廣泛，該研究建議可以結合感測技術之應用，例如 RFID 等技術【Wang et al.，2013】。

2.4.2 擴增實境 + 無線定位技術

行動裝置、BIM 與擴增實境的應用雖然可以提高資訊的可視化，但如何進一步提 高資訊擷取的即時性與資料完整性，根據文獻探討，尚需另外整合其他感測器技術的應 用，根據在 2.3 節的文獻指出，若能整合無線定位技術於 BIM 應用，可以連結元件和 BIM 模型的資訊，後續開發之維護管理系統才能有效連結元件之屬性資料，因此，本 節會探討整合擴增實境和無線定位技術的案例。 張庭瑜在 2013 年之研究提出了以擴增實境整合 Wifi 室內定位技術之 BIM 資訊現 地呈現模式，其系統架構如圖 2-12 所示【張庭瑜，2013】。 圖 2-12 系統架構圖(張庭瑜之研究) 資料來源：【張庭瑜，2013】

22 該研究建立的 BIM 建物元件屬性參數，可以透過擴增實境設備和現地影像疊加， 直接以 3D 畫面呈現 BIM 模型元件在現地中，輔以文字顯示 BIM 元件之屬性參數，並 且可以即時回饋給使用者，達成虛擬的 BIM 元件與現地所見情景間的虛實整合。根據 研究顯示，應用無線定位技術可以即時讓 BIM 模型和資料，以擴增實境的畫面疊加於 現地的影像，可以提高模型資訊擷取的即時性與資料的完整性。

2.5 小結

本章節回顧了消防安全設備檢測之現況，建立了本研究之 BIM 模型與系統之資訊 參考基礎。並透過 BIM、無線定位技術和擴增實境的文獻探討，說明這些技術在設施 維護與消防安全管理的相關應用與概念。因此，針對本研究和過去研究之差別，歸納以 下幾點說明: (1) 針對文獻建議未來可以利用無線感測和定位技術，提升 BIM 模型和擴增實境的 資訊擷取效益。本研究使用低功耗藍芽技術 iBeacon 作為研究裡的無線定位技術工 具，分析 iBeacon 於 BIM 和擴增實境整合於消防安全設備檢測系統的資訊需求與 架構。 (2) 本研究整合 iBeacon 和 BIM 模型的空間資訊，做為辨識檢測空間的方法，即可 利用 iBeacon 來啟動擴增實境的畫面，取代文獻回顧中利用 QR code 或標籤等啟動 方式，提升無紙化的應用。 (3) 本研究整合消防安全設備檢測法規、實務經驗、BIM、iBeacon 無線定位技術、 擴增實境和資料庫系統於一獨立 App 應用系統，提高了系統的完整性。

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第三章

研究方法

本研究首先確認研究之動機與目的，再透過文獻回顧探討消防安全設備檢測之現 況，分析無線定位技術的特色，並參考相關研究所使用的 BIM 與擴增實境研究架構。此 外，為了後續系統的規劃與應用，需要在 BIM 模型和系統架構中加入更多知識基礎的概 念，系統才能有效地產生所需的資訊。因此本章將說明研究之方法，包括專家訪談，以 及研究中所使用的工具，以對應實務操作方式。

3.1 專家訪談

本研究論文之最終目的為開發一基於 BIM、並且應用擴增實境與無線定位技術於 消防安全設備之檢測系統與模式，在研究過程中，除了相關法規與資料等文獻蒐集外， 對於研究成果最終是否能符合實務的要求，還必須要了解現行消防安全設備檢測的相關 實務作業，所以要尋求相關專家的經驗與分享。因此，本研究論文向兩位消防安全設備 檢測相關單位之專業人員進行實際訪談，一位是消防安全設備士，另一位是消防安全檢 測廠商之總經理，內容請參閱附錄 B-1.和 B-2.。 訪談中提到每一種檢修項目都有各自的檢修基準，以滅火器為例，滅火器之檢測作 業必須檢查是否有置放在正確的位置與適當的間距，並且必須設置適當的滅火器種類於 對應之建築空間，因檢測內容種類龐雜，故本研究根據專家訪談，針對本研究開發之 AR-FSE 系統架構，建議以具代表性之檢修項目與內容，如表 3-1 所示，作為後續 BIM 建模與系統模擬之檢測項目和內容的參考基礎。

24 表 3-1 檢修項目與內容 設備 項 次 檢查內容 提示/動作 滅 火 器 1 檢查是否有在正確位置 以目視法檢測 /若未通過，請註記說明 2 檢查噴管是否有破損 以目視法檢測 /若未通過，請註記說明 3 檢查外觀是否有鏽蝕 以目視法檢測 /若未通過，請註記說明 4 檢查藥劑是否過期 以目視法檢測 /若未通過，請註記說明 5 檢查是否為乾粉滅火器 以目視法檢測 /若未通過，請註記說明 消 防 栓 箱 1 檢查外觀是否有鏽蝕 以目視法檢測 /若未通過，請註記說明 2 檢查放水壓力是否大於 1.7Kg 以比托計檢測 / 若未通過，請註記說明 3 檢查水帶是否需要更換 以目視法檢測 /若未通過，請註記說明 緊 急 照 明 燈 1 檢查外觀是否有毀損 以目視法檢測 / 若未通過，請註記說明 2 檢查照度是否大於 2.0Lux 以照度計檢測 / 若未通過，請註記說明

3.2 研究工具

本節將說明在本研究中所使用之相關軟硬體工具，並且描述這些工具在本研究中所 扮演的功能為何。

3.2.1 Autodesk Revit 2016

Revit 2016 是由 Autodesk 公司所開發的軟體，可以建立 BIM 模型所需的圖面與資 訊，連結模型內元件之間的關係與屬性，使專案人員可以更有效率地得到模型的相關資 訊。因此，本研究之建築空間及消防安全設備之建立，即為利用 Revit 來進行建構，並 且將消防安全設備之屬性資料儲存於 BIM 模型之中。

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Space（空間）、Room（房間）、Area（區域）等屬性，將建築物的檢測場地以 BIM 的 空間資訊做劃分。

另外，本研究使用下列兩個 API 插件，將消防安全設備之模型與資訊從 BIM 模型 轉換為本研究之擴增實境系統可以使用的格式。

(1) OBJ Expoter

OBJ Expoter 為 Revit 之 API 外掛程式，可以協助本研究將建立完成之建築與 消防安全設備 BIM 模型，匯出成為元件 3D 模型.OBJ 檔和.MTL 檔。

(2) COBie Extension

COBie Extension 為 Revit 之 API 外掛程式，可以協助本研究將 BIM 模型之消 防安全設備檢測資訊，以 COBie 表單匯出，提供資料給開發之應用程式使用。

3.2.2 iOS App

iOS APP 可以在 iOS 作業系統上執行，若要執行 ARkit 功能，iOS 作業系統的版本 則必須要在 iOS 11.3 以上【Apple Developer Documentation, 2019】，而本研究使用的 iPAD，其作業系統為 iOS11.3.1。以下將說明本研究之 iOS App 之開發工具。

(1) Xcode

Xcode 是美國蘋果公司提供的免費開發平台環境，用於開發 macOS、iOS、 WatchOS 和 tvOS 的應用程式。本研究開發平台之作業系統版本為 macOS 10.13.6， 透過 Xcode 9.0 撰寫 Swift 4.0 程式語言之 iOS app 應用程式，將擴增實境與無線藍 芽技術 iBeacon 整合於系統之中，建置消防安全設備檢測之系統，如圖 3-1 為 Swfit 4.0 程式語言基本架構。

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圖 3-1 Swift4.0 程式語言基本架構

(2) ARkit

ARkit 同樣為美國蘋果公司所開發的 Xcode 套件，提供程式開發人員可以在 Xcode 平台上建立擴增實境之 iOS 應用程式。ARkit 程式碼基本架構如圖 3-2 所示。

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(3) Scenekit

Scenekit 為 Xcode 裡的工具，可以調整元件的材質、透明度、位置…等擴增實 境屬性資料，也可以將.OBJ 檔和.MTL 檔轉換成.SCN 檔，此時的.SCN 檔才可以擴 增實境之畫面呈現於 iOS app 中，如圖 3-3 所示。 圖 3-3 Scenekit 之操作畫面

3.2.3 iBeacon

美國蘋果公司所提出之 iBeacon 為一款利用低功耗藍芽技術來進行數據傳輸的工 具，行動裝置支援 Bluetooth 4.0 即可進行運用，其資料傳輸架構如圖 3-4 所示。只要行 動裝置開啟藍芽裝置之後，使用者進入 iBeacon 的偵測範圍，即可接收推播訊號，讀取 iBeacon 識別碼（UUID、Major、Minor 等資訊），如表 3-2 所示，來進行相關系統應用。

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圖 3-4 iBeacon 資料傳輸架構

表 3-2 iBeacon 識別碼內容

內容 大小 描述

UUID 16 bytes 可以用來表示 App 或建物的專案空間資訊 Major 2 bytes 可以用來表示專案空間下一層之空間 Minor 2 bytes 可以用來細分 Major 空間至更小的區域

資料來源：【Getting Started with iBeacon, 2014】

常見擴增實境之觸發方式為利用標籤、QR Code 和圖片，但是這些方式使用者都必 須使用鏡頭掃描圖紙才能夠讀取擴增實境的內容，使用圖紙不僅不環保、容易損毀，也 不能有系統性地管理。已有相關研究將擴增實境和 GPS 定位系統整合於行動裝置上 【Geiger et al.，2014】，因此，本研究結合 iBeacon 識別碼和 BIM 空間屬性，利用 iBeacon 的 UUID 來表示 Building 資訊、Major 來表示 Floor 資訊、Minor 則用來表示 Space 資訊， 如表 3-3 所示，並且透過 iBeacon 適用於室內無線定位之特點來做為擴增實境系統的啟 動媒介，以取代常見的 QR Code、標籤和圖片等方式，使得擴增實境的資訊擷取可以達 到即時性與無紙化，並且可以判別檢測空間的位置資訊，與 BIM 的空間資訊作整合， 將擴增實境與無線定位技術導入 BIM 建築生命週期裡。

30 表 3-3 iBeacon 識別碼與 BIM 空間資訊關聯表 iBeacon 識別碼 BIM 空間資訊 UUID Building Major Floor Minor Space

本研究實際所使用的 iBeacon 設備為太和光（THLight）公司的 THLight USBeacon B4022T 產品，經過美國蘋果公司 iBeacon 認證，符合 iBeacon 協定的推播與定位功能。 大小為 71.0 ╳ 71.0 ╳ 18.0 mm，重量 41g，有效傳輸距離可達 100 公尺，電力來源則

為 3 號電池【太和光，2018】，如圖 3-5 所示。

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3.2.4 Firebase

Firebase 隸屬於美國 Google 公司，為 App 應用程式之後端服務平臺 BaaS（Backend as a Services，BaaS），其資料以 JSON 的格式儲存。可以同時支援 Android、iOS 及網 頁的 App 雲端開發平台，協助 App 開發人員快速建置資料庫，提供即時資料更新，讓 開發者不需要考量效能需求與功能驗證，可以縮短 app 開發的時間【申潤五，2018】。 Firebase 為部分功能免費，而本研究所使用到的 Firebase 功能有 Authentication 與 Realtime Database，分別用來作系統帳號的管理與消防安全設備檢測資料的即時存取，Firebase 之應用架構如圖 3-6 所示。 圖 3-6 Firebase 之應用架構 資料來源：【申潤五，2018】 開發人員可以透過網路瀏覽器至 https://firebase.google.com/的雲端資料庫，註冊一 個 Firebase 帳號，即可開始使用。而本研究透過 Firebase 雲端資料庫，將消防安全檢測 系統之相關資訊與檢測人員之登錄帳號建立於此資料庫平台，提供本研究所開發之 iOS app 系統使用。Firebase 實際操作介面如圖 3-7 所示。

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第四章 系統分析和實作

本研究從研究動機和目的開始探討，分析相關文獻之作法與結論，再經過專家訪談 以及了解相關研究工具，確立本研究開發之系統以 BIM 模型為基礎，並且應用擴增實 境與無線定位技術 iBeacon 於消防安全檢測作業，本研究將此系統命名為 AR-FSE 系 統。在本章節分析與實作 AR-FSE 系統，其中 BIM 模型和系統的資訊需求，必須以符 合本研究目的之原則建立。圖 4-1 為本研究之系統分析步驟： 圖 4-1 系統分析步驟 (1) 模型之資訊需求分析  建立 BIM 模型之建模規則與需求。 (2) 系統之資訊需求分析  建立系統之功能與資料流程需求。

34 (3) 建立系統架構  建立系統之整體開發與運作架構。 (4) 系統實作  利用工具實際進行開發。

4.1 資訊需求分析

因本研究為基於 BIM 模型開發 AR-FSE 消防安全檢測之系統，因此資訊需求分析 分為模型與系統兩個部分，在此章節分別說明個別的資訊需求為何。

4.1.1 模型之資訊需求分析

此研究當中，BIM 團隊必須先建立建築空間與消防安全設備元件，接著，於 BIM 模型中依據消防安全設備之配置及相關規定劃分檢測區域，每一個檢測區域會安裝一個 iBeacon 設備，將 iBeacon 辨識碼和該區域之 BIM 空間資訊做整合，圖 4-2 為利用太和 光所提供之免費 App：USBeacon Config 所讀取到之 iBeacon 識別碼資訊。每一組 iBeacon 識別碼資料分別代表建築物內的某一個檢測區域，因此，同一個檢測區域內的消防安全 設備元件會擁有相同之 iBeacon 識別資料。

35 圖 4-2 iBeacon 識別碼資訊 在檢測區域完成規劃，並且建立建築空間與消防安全設備元件後，在各檢測區域中 還需要建立檢測點元件與 iBeacon 元件。BIM 模型之各元件資訊需求說明如下： (1) iBeacon 元件： 主要的目的為連結 BIM 的空間資料，提供設施管理者管理 iBeacon 設備。 iBeacon 座標則必須配合檢測點元件，要設置於該檢測點可讀取的範圍之內。 屬性資料為該檢測區域的 iBeacon 辨識碼資料與 iBeacon 座標。 (2) 檢測點元件： 主要的目的是用來作為檢測作業的起始點，檢測人員必須在此檢測點啟動 擴增實境的畫面，才可以確保後續擴增實境系統中各設備元件定位的精度以及 資料的正確性，檢測點元件的座標則透過 3D 模型模擬檢測點的位置，避免檢 測時的限制與障礙。主要的屬性資料為檢測點元件座標及對應的 iBeacon 辨識 碼，如圖 4-3 所示。

36 圖 4-3 BIM 模型中的檢測點族群類型 (3) 消防安全設備元件： 必須依照消防安全設備平面圖繪製。主要的屬性資料為設備元件座標、對 應的 iBeacon 辨識碼、設備基本資料、維護紀錄和 3D 模型資料。其中每個消 防安全設備元件之座標，為透過 Revit API 來計算消防安全設備元件與檢測點 元件之相對距離的方式而來，如圖 4-4 所示。 圖 4-4 BIM 模型中的消防安全設備元件

37 模型中的每一個 iBeacon 元件會對應一個檢測區域和檢測點元件，而一個檢測區域 內會包含多個設備元件，因此，一個 iBeacon 元件和檢測點元件會對應多個設備元件。 本研究之 BIM 模型之元件關聯性如圖 4-5 所示。註：圖 4-5 僅利用關聯圖說明元件間之 資料架構與關係，非實際資料庫的格式。 圖 4-5 BIM 元件屬性欄位之關聯圖

完成上述所分析之 BIM 模型資訊需求後，BIM 團隊必須根據需求分析建立 BIM 模 型，除了必須檢查每個元件是否是根據其實際形狀建立，還要擴充 COBie 表單，確保 模型之屬性內容符合 COBie 格式的要求，進而完成建構 BIM 模型的資訊交付流程。本 研究之 BIM 模型整合了無線定位技術 iBeacon，將 iBeacon 識別碼和 BIM 模型之空間資 訊做結合，UUID 代表建築物、Major 代表 Floor、Minor 代表 Space，其中 Floor 和 Space 等空間資訊為 COBie 原本就擁有的屬性，因此，只要新增 UUID 於 COBie 表格中。

另一方面，因為本研究利用 iBeacon 來啟動擴增實境的畫面，所以必須在 COBie 表單中擴增消防安全設備元件的座標屬性（X、Y、Z），才可以使系統在啟動擴增實境 功能時，各元件可以在 3D 畫面裡出現在正確的位置上，以提供檢測設備位置的輔助功 能。

38 藉由以上歸納，COBie 之屬性資料必須擴充 UUID 和設備元件座標的屬性，如圖 4-6 所示，再將資料上傳至資料庫，此時，模型相關資料才可以完整交付至系統應用上。 圖 4-6 擴充 COBie 表單之屬性欄位 BIM 團隊和營運團隊在消防安全設備檢測作業中，這些由 BIM 建立之資訊將被匯 入於 AR-FSE 系統之雲端資料庫中，確保資訊交換的完整性和正確性，使實際檢測階段 可以得到有效的管理。除此之外，BIM 的 3D 模型會轉換為擴增實境模型的檔案格式， 以擴增實境畫面實現消防安全設備元件的可視化，完成以 BIM 為基礎的資訊交付架構 模式。

4.1.2 系統之資訊需求分析

本研究之目的為開發一基於 BIM、並且應用擴增實境與 iBeacon 無線定位技術於消 防安全設備之檢測系統，除了 4.1.1 小節所分析之模型資訊需求之外，還要根據 2.1 節 所探討之消防安全設備檢測現況以及附錄 B 所紀錄之專家訪談，進行系統之功能與資 訊流程解析，以確保系統架構之正確性。 根據文獻回顧，消防安全設備檢測作業內容可以分為： (1) 實際檢測作業 (2) 紙本資料彙整 因此，本研究必須建立滿足消防安全設備檢測作業所需要的系統功能，除了參考制

39 式紙本資料的內容，還要提供檢測人員檢測和管理消防安全設備所需的資訊。因此，本 研究開發之 AR-FSE 系統可提供的功能與資訊應包括: (1) 利用 iBeacon 來觸發擴增實境畫面，協助檢測人員進行消防安全設備之位置確 認和外觀檢查。 (2) 利用 iBeacon 識別碼至資料庫系統索引檢測紀錄資訊。 (3) 利用 iBeacon 識別碼至資料庫系統索引設備基本資訊。 (4) 將檢測結果新增到資料庫系統。 以上功能之資訊交換流程如圖 4-7 所示。 圖 4-7 系統功能之資訊交換流程圖

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4.2 系統實作

4.2.1 系統架構

本研究目的為開發 iOS 應用程式，提供消防安全設備檢測人員使用。為了確定檢測 人員的位置，並可在消防安全設備檢測過程中提供正確的資訊，本研究採用了低功耗藍 牙的 iBeacon 技術，透過整合 iBeacon 識別碼和 BIM 的空間屬性，作為本研究用來劃分 實驗場地檢測區域的依據，接著將不同的 iBeacon 設備安裝於各別的檢測區域中，當檢 測人員進入某一檢測區域之檢測位置後，檢測人員之行動裝置即可接收 iBeacon 識別 碼，啟動檢測系統之擴增實境畫面，並且以 iBeacon 識別碼作為索引值至雲端資料庫為 檢測人員帶出正確的擴增實境元件模型和檢測資訊。 根據以上 BIM 模型與系統的資訊分析，本研究開發之 AR-FSE 消防安全設備檢測 系統開發架構如圖 4-8 所示。 圖 4-8 AR-FSE 系統開發架構圖 以下為系統建置流程。

(1) 於檢測場域，以空間為單位建置 iBeacon 設備，將 iBeacon 識別碼與 BIM 空間 資訊做連結。

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(3) 利用 COBie Extension 將消防安全設備資料從 Revit 匯出為 COBie 表單。 利用 OBJ Exporter 將消防安全設備元件之模型從 Revit 匯出為 3D 模型之.OBJ 和.MTL 檔。

(4) 利用 Scenekit 將.OBJ 和.MTL 轉為 ARkit 模型.SCN 檔。 (5) 將 COBie 表單資料與擴增實境模型儲存於 Firebase 資料庫。 (6) 利用 Xcode 開發擴增實境 iOS App，並串聯 iBeacon 與 Firebase。

4.2.2 系統開發

本小節說明 iOS 系統之開發方式，主要介紹如何新增 iOS Augmented Reality App 專案，以及 iOS 系統和 iBeacon、Firebase 資料庫連接之方式。

(1) 新增 iOS Augmented Reality App 專案

Step1：打開 Xcode 開發平台之後，新增一個專案內容，如圖 4-9 所示。

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Step2：選擇 Augmented Reality App，如圖 4-10 所示。

圖 4-10 選擇 Augmented Reality App 之操作畫面

Step3：開啟.xcodeproj 即可開始撰寫 iOS 應用程式，如圖 4-11 所示。

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Step4：iOS 應用程式之使用者介面設計，如圖 4-12 所示。

圖 4-12 Main.storyboard 使用介面設計之操作畫面

(2) iOS App 連接 iBeacon

將太和光提供的 iBeacon SDK 檔案添加至專案資料夾中，接著在程式中引用 SDK 的方法，如圖 4-13 所示，即可讀取 iBeacon 的推播訊號。本研究利用讀取到 的 iBeacon 識別碼，來啟動擴增實境的畫面。

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(3) iOS App 連接 Firebase 資料庫

以下說明之方法參考來源為【Firebase, 2019】。 Step1：開發人員在 https://firebase.google.com/註冊並且登入後，即可開始新增 Firebase 專案，如圖 4-14 所示。 圖 4-14 新增 Firebase 專案之操作畫面 Step2：輸入專案名稱以及數據分析位置，如圖 4-15 所示。 圖 4-15 設定 Firebase 專案名稱與位置之操作畫面

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Step3：將 Xcode 專案之 Bundle Identifier 內容複製到 Firebase 的 iOS 軟體包 ID 欄 位，以註冊 iOS 應用程式至 Firebase 專案，如圖 4-16 所示。

圖 4-16 註冊 iOS 應用程式至 Firebase 專案之操作畫面

Step4：從 Firebase 下載 GoogleService-Info.plist 的檔案，將此檔案放置於 Xcode 專 案中的根目錄中，如圖 4-17 所示。

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Step5：在 Mac 開發作業系統上打開 Terminal 終端機，如圖 4-18 所示，前往 Xcode 的專案資料夾路徑，並依序輸入下列代碼: (1) $pod init  建立 podfile 檔案。 (2) Pod ‘Firebase/Analytics’  開啟 podfile，並新增指令。 (3) $pod install  儲存檔案，並執行安裝。 圖 4-18 終端機之操作畫面

Step6：打開 Xcode 之 iOS App 之專案資料夾，即可開啟.xcworkspace 開始撰寫 iOS App 連接 Firebase 資料庫之應用程式，如圖 4-19 所示。

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Step7：若要在啟動程式時即連線至 Firebase 資料庫，必須將圖 4-20 所示之程式碼 加入 AppDelegate 的類別。

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第五章 案例模擬應用

本研究之案例模擬測試地點為本校人文學院 B1F，實際建立 BIM 建築空間與消防 安全設備模型。本研究應用第四章所開發之 AR-FSE 系統來模擬消防安全設備檢測之作 業，AR-FSE 系統操作流程如圖 5-1 所示，本章節即以此應用模式來進行實際案例模擬 與專家問卷調查前之系統展示。 圖 5-1 AR-FSE 系統操作流程圖

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5.1 模式應用結果

AR-FSE 系統建置完成後，本研究模擬消防安全設備檢測參與人員（管理部門、設 備管理人員、檢測人員、消防設備規劃工程師等）檢測之方式，工具由圖紙改為利用 AR-FSE 系統，進行本校人文學院 B1F 之檢測作業，平面圖如圖 5-2 所示。 圖 5-2 國立高雄大學人文學院 B1F 消防安全設備平面圖 資料來源：【國立高雄大學，2018】 首先，本研究將人文學院 B1F 劃分為五個檢測區域: FSE–Zone01、FSE–Zone02、 FSE–Zone03、FSE–Zone04、FSE–Zone05，根據 4.1.1 小節所分析之模型資訊需求建立 BIM 模型，檢測區域規劃必須在 BIM 建立模型時就要考量進來。建模時也要建立 iBeacon 與檢測點元件，並且整合 iBeacon 之識別碼。在此案例中，設置了五個 iBeacon，分別 代表五個檢測區域，另外，在每一個檢測區域也都有一個檢測點，檢測人員必須要在此 檢測點開啟擴增實境畫面，以擷取該檢測區域所對應之檢測元件資訊，如圖 5-3 所示。

50 圖 5-3 檢測區域規劃圖 接著即可開始 AR-FSE 系統模擬消防安全設備檢測之流程，以實際案例模擬 AR-FSE 系統模式的操作，此模擬的操作如下所述： (1) 進入檢測區域: 人文學院 B1 停車場的 FSE–Zone01 檢測區域（圖 5-4）。 登入 AR-FSE 系統（圖 5-5）。 圖 5-4 檢測區域與對應之 iBeacon

51 圖 5-5 系統登入畫面 (2) 開啟檢測功能： 檢測人員在檢測點上開啟檢測功能，AR-FSE 系統即開啟 AR 畫面。AR-FSE 系統則會根據該檢測點所感測到的 iBeacon 訊號，使用該 iBeacon 識別碼，藉由無 線網路從資料庫擷取出相對應的消防安全設備元件模型與資訊，檢測人員即可藉由 擴增實境畫面對設備進行檢測，判斷設備是否有位於正確位置上，以取代圖紙辨別 空間與設備的功能（圖 5-6）。 圖 5-6 開始檢測功能

52 (3) 檢測消防安全設備 檢測人員可以靠近消防安全設備，同時 AR-FSE 系統上的擴增實境畫面也 會跟著移動。此時點擊螢幕上的“滅火器”元件，即可連結到該元件之檢測功 能畫面（圖 5-7）。在檢測功能畫面上，AR-FSE 系統根據 4.1.2 小節之系統功 能架構和資訊分析進行開發。AR-FSE 會以清單之顯示方式來呈現該元件之檢 測項目，讓檢測人員可以依照清單之檢測項目，逐步完成該設備的檢測作業， 即可確保檢測內容不會產生遺漏的情形，確保檢測作業的確實性。AR-FSE 系 統也提供設備基本資訊、檢測歷史紀錄、設備元件檢測標準作業流程之資訊以 及設備管理單位等資料，藉由提供較完整的資訊來輔助檢測作業的進行。在檢 測畫面下方也提供輸入欄位提供檢測人員新增紀錄至資料庫，紀錄設備損壞的 原因，即可整合制式表單，讓原本在檢測完成後，還需要將紙本資料轉換為 PDF 制式表單的流程，可以變得更加有效率。 圖 5-7 檢測功能畫面

53 (4) 資料庫紀錄 如果檢測人員發現消防安全設備有缺失，則必須新增檢測紀錄。同時， Firebase 資料庫也會新增此筆檢測紀錄（圖 5-8）。檢測完成後，消防安全設備 檢測之單位可以從資料庫匯出檢測紀錄。 圖 5-8 資料庫更新之紀錄

5.2 專家問卷

完成 AR-FSE 系統的案例模擬之後，本研究拜訪九位消防安全設備檢測廠商的相關 專業人員，向他們展示本研究所開發之 AR-FSE 系統，在說明應用流程之後，提供問卷 請這九位專業人員填寫。本節將說明問卷調查之題目以及統計結果。

5.2.1 問卷調查題目

本研究之問卷題目主要內容為調查專業人員之基本背景、平常的作業習慣以及對於 AR-FSE 系統的心得，問卷之目的是希望能從專業人員的角度，了解他們對於 AR-FSE 系統與應用模式的看法。問卷調查題目如表 5-1 所示。

54 表 5-1 問卷調查題目 --- Question 1: 請問您的性別是？ 男性 / 女性 / 其他 Question 2: 請問您的年齡是？ □ 20~30 歲 □ 31~40 歲 □ 41~50 歲 □ 50 歲以上 Question 3: 請問您從事消防安全設備檢測相關行業的時間有多久？ □ 0~5 年 □ 5~10 年 □ 10~20 年 □ 20 年以上 Question 4: 請問您的職稱為何？ Question 5: 請問您最常使用的資訊存取格式為何？(複選) □ 2D CAD □ BIM □ 紙本 Question 6: 請問您平常在檢測消防安全設備時，主要使用的工具為？ □ 紙本 □ 平板電腦 □ 智慧型手機 □ 筆記型電腦

55 □ 桌上型電腦 Question 7: 請說明在平常的消防安全設備檢測作業中，設備資訊擷取的難易 程度是？ 困難 / 普通 / 容易 / 無法回答 Question 8: 請說明 AR-FSE 系統有何優缺點？ ---

5.2.2 問卷統計結果

本小節針對問卷調查之結果，整理最終所得到之數據，並作比較分析，以供後續的 結論與建議進行討論。本問卷調查之參與人數共 9 人，結果如下所示。 參與問卷調查之專業人員個人相關背景資料如圖 5-9、5-10、5-11 和 5-12 所示。共 有女性 3 人、男性 6 人，大部分的年齡層為 20~30 歲，工作年資介於 0~5 年較多，工作 職稱分別為設備工程師、設計助理和內勤人員各三人。由上述資料顯示，本次參與問卷 調查之消防安全設備檢測之相關專業人員較年輕，並且擁有消防安全設備檢測中各個職 務領域之實務經驗。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 女性 男性 其他 人數 圖 5-9 問卷結果: 性別分布圖

56 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 20~30歲 31~40歲 41~50歲 50歲以上 人數 圖 5-10 問卷結果: 年齡分布圖 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0~5年 6~10年 11~20年 20年以上 人數 圖 5-11 問卷結果: 工作年資分布圖 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 設備工程師 設計助理 內勤人員 人數 圖 5-12 問卷結果: 職務分布圖

57 根據圖 5-13 所示，消防安全設備的相關專業人員較常使用的資料格式為 2D CAD 圖檔，BIM 圖檔並沒有作為現行主要使用的資料格式，代表目前消防安全設備之檢測 流程並沒有將檢測資訊和設備元件資訊做整合。因此，當消防安全設備的種類變得更複 雜，數量更多時，就會使得檢測資訊無法被有效的管理，檢測資訊會容易造成資訊不完 整與不正確的情形，降低檢測作業的品質。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2D CAD BIM 紙本 人數 圖 5-13 問卷結果: 較常使用的資訊格式(複選) 根據圖 5-14 所示，檢測人員較常使用的工具則以紙本或桌上型電腦為主要的方式。 此原因之探討可以回應至文獻回顧之消防安全設備檢測之現況，檢測人員會攜帶消防安 全設備平面圖紙至檢測區域，比對現場設備元件之位置，並將檢測結果註記於紙本上， 完成檢測作業後，檢測單位須將檢測人員註記於紙本上之檢測資訊，彙整成 PDF 制式 表單，再交付與建物所有權人或是消防單位。即可說明紙本與桌上型電腦為消防檢測人 員主要使用工具，其原因與文獻回顧之檢測現況相互呼應。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 紙本 平板電腦 智慧型手機 筆記型電腦 桌上型電腦 人數 圖 5-14 問卷結果: 較常使用的工具 (複選)

58 根據圖 5-15 所示，專業人員普遍認為消防安全檢測於資訊擷取的部分是普通的， 可分析為尚可接受，但沒有專業人員認為檢測資訊的擷取是容易的，因此，消防安全設 備檢測中資訊擷取的功能改善是有其必要性。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 困難 普通 容易 無法回答 人數 圖 5-15 問卷結果: 平常消防檢測資訊擷取的難易程度 向專業人員展示本研究所開發之 AR-FSE 消防安全設備檢測系統之後，專業人員於 問卷調查結果中指出 AR-FSE 系統之優缺點，本研究整理如表 5-2 所示。優點的部分， 專業人員認為 AR-FSE 系統結合擴增實境的應用，可以改善原本使用 2D 圖紙辨識設備 位置的不正確性，資料的擷取也可以更即時與完整，並且整合後續的維護作業，提高檢 測流程的效率。缺點的部分，專業人員認為軟硬體設備的限制需要改善，例如：攜帶平 板電腦較不方便、系統的使用者介面設計不夠友善等問題，並且提出 iBeacon 設備之可 能的物理限制因素。 表 5-2 問卷結果: AR-FSE 系統之優缺點 優點 (1) AR 畫面有助於在檢測時尋找消防設備方位，減少在不同的場所 需熟悉 2D 圖紙的不正確性。 (2) 可以依照檢測流程進行檢測作業。 (3) 整合設備維護資訊，檢測完成後可以自動整理成表格。 (4) 可以即時了解檢測標準 SOP 與檢測基準。 (5) 資料更加明確與完整。 缺點 (1) 平板攜帶不便。 (2) iBeacon 設備電量之續航力。 (3) 使用者介面有待改善。