智慧型避難引導系統結合影像技術之應用研究

本部計畫編號：103301070000G031

智慧型避難引導系統結合影像技術之

應用研究

(期 末 報 告 )

受

委 託

者

中華大學

研 究 主 持 人

游坤明

協 同 主 持 人

鄭紹材

研

究 助

理 徐煥博

游景翔

紀詩詩

建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 103 年 10 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目次

目次 ... I

表次 ... III

圖次 ... V

摘 要 ... VII

第一章 緒 論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

第二節 研究方法與進度 ... 6

第二章 蒐集之資料、文獻分析 ... 9

第一節 避難者心理分析與逃生導引規劃 ... 9

第二節 人流計數技術 ... 13

第三節 智慧型行動裝置 ... 19

第四節 數位電子看板 ... 21

第五節 無線感測網路 ... 23

第六節 無線射頻技術 ... 28

第七節 模組化開發與管理 ... 30

第三章 系統架構與規劃 ... 33

第一節 系統架構 ... 33

第二節 圖資管理與模組化開發 ... 40

第三節 逃生演算法 ... 42

第四節 人流監控技術 ... 47

第四章 研究成果與實地測試 ... 49

第一節 研究成果 ... 49

第二節 實地場所測試規劃 ... 56

第五章 結論與建議 ... 57

第一節 結論 ... 57

第二節 建議 ... 59

參考資料 ... 61

附錄一 採購評選會議紀錄審查意見及回應表 ... 61

附錄二 議價會議審查意見及回應一覽表 ... 63

附錄三 歷次工作會議記錄 ... 65

附錄四 期中報告會議紀錄與審查意見回查表 ... 72

附錄五 已發表之論文 ... 79

參考書目 ... 99

表次

表 1- 1 計畫進度規劃時程表 ... 8

表 2- 1 不同廣告形式的比較 ... 22

表 2- 2 不同通訊協定間的比較 ... 24

表 3- 1 ZigBee 規格表 ... 35

表 3- 2 網路攝影機與監控技術規格表 ... 36

表 3- 3 RFID 讀取器及 RFID 控制模組軟硬體平台 ... 36

表 3- 4 中央監控模組及資料庫模組軟硬體平台 ... 37

表 3- 5 數位電子看板規格表 ... 39

表 3- 6 單一 XML 標籤意義 ... 41

圖次

圖 1- 1 計畫研究進度流程圖 ... 7

圖 2- 1 人群影像說明 ... 15

圖 2- 2 技術辨識比較 ... 15

圖 2- 3 智慧型交通信號燈 ... 18

圖 2- 4 背景喚醒機制(GCM)示意圖 ... 20

圖 2- 5 ZigBee 於智慧住宅中的應用 ... 25

圖 2- 6 使用 ZigBee 傳輸的亮度感測器 ... 26

圖 2- 7 星狀、網狀、樹狀拓樸結構 ... 27

圖 2- 8 RFID 架構示意圖... 29

圖 2- 9 演算法模組化概念圖 ... 31

圖 3- 1 系統架構圖 ... 33

圖 3- 2 整體系統流程架構圖 ... 34

圖 3- 3 數位電子看板架構示意圖 ... 39

圖 3- 4 以 XML 方式將圖資導入演算法概念圖 ... 41

圖 3- 5 傳統方法與模組化比較 ... 42

圖 3- 6 內政部建築研究所 13 樓平面圖 ... 43

圖 3- 7 轉換後之內政部建築研究所 13 樓連通圖 ... 43

圖 3- 8 情境展示: 平常狀態與火源發生時 ... 45

圖 3- 9 情境展示: 設定容納人數並轉換為區域高度 ... 45

圖 3- 10 將問題區域修正並解決死結問題 ... 46

圖 3- 11 情境展示: 測偵危險區域 ... 46

圖 4- 1 程式匯入影像實際圖 ... 51

圖 4- 2 實際計數程式執行畫面 ... 51

圖 4- 3 智慧導引資料庫綱要(Data Schema) ... 52

圖 4- 4 模組化管理概念圖 ... 53

圖 4- 5XML 圖資轉換器 ... 54

圖 4- 6 數位電子看板運作與執行流程圖 ... 55

摘 要

關鍵字：無線感測網路、電子逃生引導、電子看板、影像辨識 一、研究緣起 人們對於環境的需求隨著時代演進有所不同，在都市中人們皆希望能提升生活水 平，導致都市必須擴增居住容積，使得建築物的發展趨向高層化以及複雜化，超高層 建築物(建築物高度達 25 層或 90 公尺以上者)、大型購物商場或地下街商場等特殊建 築物，日益增多，以超高層建築為例，除面積廣闊、使用性複雜、開口通道眾多等內 部使用因素外，一旦發生火災，易造成延燒快速、高溫、高熱與濃煙聚積等危險，皆 考驗著消防部門的應變能力。本研究擬利用室內環境感知技術作為火災辨識基礎，結 合影像識別技術與逃生導引演算技術，開發可應用於大型空間之智慧型避難引導雛型 系統。 二、研究方法及過程 本計畫旨在研製結合無線感測網路、無線射頻辨識系統、人流監控系統之智慧型 結合影像技術避難引導雛型示範系統。其中包含無線感測網路、無線射頻辨識系統、 人群監控系統、中央控制系統、以及逃生路徑演算法等多套子系統，並結合前二年智 慧型避難引導系統。為達成以上目標，擬採用以下研究方法： 1.相關文獻資料分析法： 採用次級資料分析法，蒐集國內外相關研究主題之文獻資料，並分析與本研究之 相關性，提供所需之工具與領域知識。擬回顧之文獻，包括國內外性能式防火設計之 經驗、國內外 ICT 技術之發展、國內外智慧型防火防災技術之發展等文獻。 2. 子系統功能建構：

電子火災逃生引導系統、人流監控系統、中央控制系統、逃生路徑演算法等各子 系統之分別功能建構。 3. 系統整合及驗證： 實際建構一套智慧型結合影像技術避難引導雛型示範系統，並進行相關驗證確保 系統可正常運行。 4. 專家學者座談法： 邀請國內專家學者進行座談會議，以議題討論方式，進行研究內容審視及改進。 三、重要發現及成果 本研究經過文獻資料分析以及系統實際建構，研究重要發現及成果歸納如下： (一)本系統整合建築研究所前兩年完成之「結合行動通訊之智慧型主動預警及避難導 引系統研究」與「電子火災逃生指示地圖與避難引導系統研究」之研究成果，並進行 原逃生指示與避難引導系統之改良，同時研發數位攝影機之人群辨識機制並將所獲得 之空間內人群資訊整合至系統中，並完成演算法擴充性問題之修正，有效提升系統之 執行彈性與擴充性。 (二)本研究將所提出之人群避難逃生導引演算法以多層架構實作出一套環境監控人群 避難導系統之雛型系統。各部份之實作成果如下： 壹、人流監控系統 本研究針對系統所應用的環境進行多次觀察，發現開放式的公共環境僅有少數人 會配戴識別證(電子標籤)，因此運用電子標籤作為人員識別與定位並非是一個優良選 擇，若環境中大多數人員並無配戴電子標籤，將使得原系統無法順利運作，因此本研 究運用數位攝影機進行空間區域人數計數，將原系統中之 RFID 室內定位機制轉變為 輔助性質之子系統。 人流監控技術是利用了 KLT 分流法和模糊 C-means 分群法來處理人形辨識。本研 究在不同場域中進行多次的人形辨識測試，並且針對辨識誤差進行相關參數之調整， 能提高辨識率。系統中可利用攝影機所拍攝的畫面，計算出該畫面之人數，也能夠針

對一定時間內有多少人從此處經過作計數。同時，人流監控系統將所辨識之人數即時 回傳至伺服主機，並提供給逃生演算法進行逃生路線之運算。 貳、逃生演算法 在本次的演算法設計使用集中式的運算方式，將整體環境資料做統一整理之後再 運算每位使用者的逃生路徑，此做法好處是在於運算時可以完整掌握環境中的情況， 使逃生路徑演算時擁有最全面的運算資料。 演算法的設計中，不論是宏觀的路線規劃方式、或是微觀的人群心理影響，都是 在逃生時影響成功與否很重要的因素，所以經過不斷的推演之後將兩種不同的看法做 適當的結合，把微觀的心理因素帶入宏觀的路徑規劃方式裡，考慮火源以及環境中若 照明不足對於人群心裡可能產生的不良影響，並以人流對於出口及環境的相對關係做 出路線規劃，之後為了減輕逃生時路徑及出口的負擔將人群做分群導引的動作，再將 人流分別導引經由不同的路徑及出口以安全的路線逃離火場。最後，因為火場狀況瞬 息萬變，且人群心理較難完全掌握，本研究針對這兩問題特別設計一個檢查的機制， 偵測火場中是否有逃生路線阻斷等等的突發因素或是人群在逃生時心理及生理是否受 到過多次刺激而無法順利往出口移動等突發狀況，並做出更改逃生路線等相對應的緊 急應變機制，以確保可以針對火場中所發生的各種狀況做出即時的應變，並給予使用 者適合的逃生路線。 参、智慧型行動裝置 智慧型手機與數位電子看板皆運用 Android 系統作為嵌入式系統，智慧型行動裝 置可運用 Android 系統背景喚醒機制(GCM)讓手機的 App 可以被外部事件主動觸發及 啟動，因此當系統運算察覺環境可能發生緊急危難事件時，將運用 GCM 方式推播到各 個目前位於環境中的人員，並給予告知環境中發生緊急危難地區與目前環境資訊，並 且提醒人員注意數位電子看板緊急逃生指示逃生。 肆、數位電子看板 由本研究所開發之數位電子看板，在平時能將環境與周遭資訊顯示於數位電子看 板上，使該地區人員能從看板中了解環境狀況，而在緊急逃生狀況下可切換為逃生路

線之引導與指示。本看板在運作時分為兩個模式: 1.廣播模式 可將環境資訊提供給人員參考，監控人員可由中控系統動態更換數位看板上之相 關資訊，如：廣告、宣導、宣傳影片等，使得數位看板能針對環境需求作相對應之廣 播。 2.緊急逃生模式 當緊急事件發生時，數位看板會強制轉換為緊急逃生模式，使人員能夠清楚明確 目前適當逃生方向。 伍、無線感測網路 本研究在 ZigBee 的部分針對系統的需求以及軟、硬體的負荷能力，以毫秒為單 位進行了多次不同的測試，並且針對數據蒐集方式做調整盡可能的降低系統負荷。研 究後發現在同一空間中若是部署過多的 ZigBee 感測器 雖然可以偵測到每一個角 落，但因為有過多的訊號在感測器以及 controller 之間流動，長時間運作容易造成 硬體負荷過重，不符合系統必須長時間運作的要求，所以在實做中本研究針對不同的 空間以涵蓋全區為目標用最少的感測器數量涵蓋最大的感測範圍，達到監控環境同時 也保持系統穩定的目標。 陸、RFID 輔助定位系統 在 LANDMARC 機制驗證中得知電子標籤之間隔距離與定位精準度成立方反比的關 係，與標籤硬體部署數量與定位精準度成正比的關係，基於這兩個問題往往使 LANDMARC 在實際環境中部署指引標籤的數量限制，失去該理論的理想定位效果，所 以本計畫使用 VSLS 虛擬標籤機制進行定位，此種方式將可以有效改善 LANDMARC 定 位機制下的指引標籤之間隔距離與定位精準度成立方反比與標籤硬體部署數量與定位 精準度成正比之兩個缺點。但在本研究上因考量到大型場域或公共場所上人員並不會 隨身攜帶主動式 RFID 標籤，因此本研究將 RFID 定位技術轉變為輔助性質之子系統。 (三)本系統提供管理者監控各地區環境資訊之管理介面，並且運用攝影機節錄之畫面

作為環境監控與區域人員安危資訊之提供，使得環境更為安全，於數位看板上也提供 看板對應位置與編號使管理人員能方便進行地區廣告更換，也提供訊傳遞之功能其中 包含廣告或公告之資訊提供、火災事件發生之資訊提供、系統資訊管理介面三種模 式，對於火災發生之初期，針對建築物內部情況之分析及消防搶救行動之決定皆有實 質助益。 四、主要建議事項 本研究在結合影像技術進行人流監控之智慧型避難引導系統中，提出下列具體建 議。 建議一 賡續辦理智慧型避難引導系統相關研討推廣活動：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：財團法人台灣建築中心、中華民國消防設備師公會全國聯合會 透過成果發表會之方式，將智慧型避難導引系統開發之成果推廣至建築師或消防設備 師(士)公會等團體，提供各界參採應用;亦可將本研究之影像辨識技術結合智慧型火災 避難導引系統之相關成果，運用於使用單位之消防自衛編組避難演練，以強化人員防 火避難行動之能力。 建議二 賡續辦理「智慧型火災避難引導系統結合聲音及指示設備之應用研究」：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國全國建築師公會、中華民國消防設備師公會全國聯合會 於火災現場避難人員之周遭環境，處於漆黑且方向指示與路徑標示皆不明之狀況，更 增加避難者的恐懼，進而嚴重影響避難之進行。建議可繼續發展智慧型避難引導系統 並結合聲響與視覺相關之技術，配合環境場域不同之變化，強化避難路徑上之指引與

指標功能:配合逃生演算法指示避難人員避難方向，更能迅速且有效導引人員之避難。 建議三 推動「智慧型火災避難引導系統與實證研究」研究：中長期建議 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關: 內政部消防署、中華民國全國建築師公會、中華民國消防設備師公會全國 聯合會 本研究「智慧型避難引導系統結合影像技術之應用研究」是繼「結合行動通訊之智慧 型主動預警及避難導引系統」與「電子火災逃生指示地圖與避難引導系統研究」研究 案，逐年累積之研究成果，同時並不斷突破與創新所建置之「智慧型火災避難導引系 統」雛形，本研究是應用 KLT 光流法和模糊 C-means 分群法（fuzzy C-means clustering）， 簡稱 FCM)，可讀取從攝影機中所拍攝之影像，並將影像匯入系統中。利用影片中時間 域上的變化及相鄰幀度之間的相關性找到彼此之間存在的對應關係，從而計算出相鄰 幀之間物體的運動資訊。從影像之數位資訊中，利用時間域上的變化及相鄰幀之間的 亮度遮罩，計算此物體中時域變化。當物體在影片中隨時間的變化到一定的距離即可 判定是人形的移動，而明確地辨識出攝影機拍攝到的畫面為人形，進而獲得人群之數 量資訊，雖然已進行相關系統之測試，但距離實際應用尚缺相關之實證研究，來測試 智慧型系統與既有消防設備或是原避難計畫，有無適配問題，藉由實證研究更能找到 解決方案，使此一「智慧型火災避難導引系統」能持續複製並擴大創新應用的成果， 當建築物發生火災時，透過本智慧型導引系統可提供即時且動態的逃生路徑，確保並 降低罹難傷亡率，使其環境更具安全性，生活更具智慧化。 建議四 申辦智慧型防火避難引導系統相關專利: 中長期建議 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關:中華大學 將本研究所發展之無線感測網路、無線射頻辨識系統、中央控制系統、逃生路徑演算

法，數位電子看板系統以及人流監控技術等各子系統之整合成果，整理成具有新穎性、 進步性、產業利用性等之智慧財，並研議新型專利申請書，向智慧財產局申請，共同 推動研究成果。

第一章 緒 論

第一節 研究緣起與背景

壹、研究緣起

人們對於環境的需求隨著時代演進有所不同，在都市中人們皆希望能提升生活水 平，導致都市必須擴增居住容積，使得建築物趨向高層化，超高層建築物(建築物高度 達 25 層或 90 公尺以上者)[17]、大型購物商場或地下街商場等特殊建築物，日益增多， 為了使建築物容積提升，內部的設計也趨向了複雜化的趨勢，樓層間的逃生也變得更 為複雜，以超高層建築為例，除面積廣闊、使用性複雜、開口通道眾多等內部使用因 素外，一旦發生火災，易造成延燒快速、高溫、高熱與濃煙聚積等危險，皆考驗著消 防部門的應變能力，且當火災發生時，濃煙密布、光線昏暗且四處人影竄動，導致避 難者恐慌不安，且因室內設計動向複雜，逃生時往往只能依靠固定式逃生標示作為逃 生依據，若火勢或囤積物堵塞了出口，避難者不僅失去了逃生的黃金時間，也有可能 會造成更多的人員傷亡。 有鑑於此，內政部建築研究所在民國 101 年「結合行動通訊之智慧型主動預警及 避難導引系統研究」之研究，利用無線感測器網路的特性開發一室內安全監控以及緊 急逃生系統，運用無線感測網路提供環境資訊 (如溫度、濕度、照度等)，結合無線射 頻系統進行室內人員定位標示。透過持續監控環境資訊，偵測是否有火災事件發生， 並標定火源及危險區域。當火災事件發生時，即時主動將火災警報傳送至手持行動裝 置 App，並且利用發展成功的分流逃生演算技術，依不同人員的位置規劃逃生導引路 線，傳遞至人員的行動手持裝置上，導引人員避難。 但考量手機關機、遺落或其他無法使用智慧型行動裝置等問題，內政部建築研究 所在民國 102 年「電子火災逃生指示地圖與避難引導系統研究」之研究，延續 101 年 的計畫加以改良，將導引模式由智慧型手機轉移至電子看板，延續運用無線方式感測 環境與無線射頻技術進行人員定位與環境感知，並提升導引規劃演算法，能依照人群

多寡、出口擁擠程度與出口狀況做判斷，運用分流概念將人群以不同出口作導引來降 低出口負擔。 但鑒於多次專家學者提出的建議與研究，發現運用無線射頻技術定位人員位置， 並非為最佳選擇，原因在於人員不會主動配戴，且考量到百貨與商場，要求消費者入 場配戴，不僅花費成本，也無法被大眾所接受，因此，本研究將既有的成果做整合外， 並加入與以往不同的閉路監控系統作為室內人流定位基礎並結合逃生引導規劃演算法， 在緊急時刻運用數位電子看板與智慧型手機導引來建置一套智慧型結合影像技術避難 引導系統。 一、閉路監控系統 閉路監控系統(Closed-Circuit Television; CCTV)[2] 是指在特定地區進行視訊傳輸， 常運用於監控人員出入、固定區域監控、環境安全或人群流量控管等，目前已有許多 大樓與百貨公司會在環境中架設攝影機並與系統連線做環境監控與維安控管，將錄製 之資訊以影片檔案之方式(如：avi、wmv、mp4…等)儲存，以利後續方便調閱查證。 人流計數上有許多應用，例如常常在百貨公司或賣場外面所看到的容留管制系統， 容留管制系統會在出入口裝設計數器，經由計算進出的人數，統計出目前館內人數， 以便做空間人數容留控管，其目的是為了維護館內的服務品質及顧客安全，並了解在 何時才會為百貨最大收入來源。有鑑於此，本研究希望能將監控人群之數據納入逃生 演算法之計算數據之一，運用閉路數位攝影機之特性，針對固定區域中所拍攝的影像 計算建築物中各區域內的人數，不僅解決人群不會在非特定場合攜帶電子標籤，也能 夠了解環境中相對應狀況，以立在火災發生時能夠全權掌握環境內所有資訊。 若於百貨商場運用此方法不僅能將資訊提供給業者作為該區域的業績考量，也能 使業者自行了解百貨商場內哪些區域須是顧客最喜歡的，哪些區域須要改進，使得商 場之營運更為成長。 二、智慧型行動裝置 智慧型行動裝置(Smartphone)，隨著時代的進步，已在人們的生活中開始普及，其 功能上從單一的話筒功能發展至今，早已成為一台個人化的智慧型微電腦，不僅能運

用智慧型手機查詢相關資訊、還能隨時隨地接收從各地傳來的訊息。

目前市面上的智慧手機所運作的嵌入系統為 iOS 與 Android 系統為主，其 Android 開發性又高於 iOS，且應用軟體開發費用又遠比 iOS 低上許多，若想製作個人化或自 行開發應用程式，也不須透過複雜手續及可測試，因此智慧型手機的功能也相對得越 來越多，使得現在的智慧型手機早已超越了多年前的家庭主機，且台灣 Vpon 也針對 2013 年台灣行動市場提出一份報告指出[18]，全台有 1,270 萬隻不同的智慧型手機連 線到 Vpon 行動廣告，且每個月遞送廣告量高達 15 億，由此可見得手機已成為人們生 活中的一環。 三、數位電子看板 數位電子看板(Digital Signage)[23]已逐漸與建築物融為一體，在一般住宅大樓中， 管理員已運用數位電子看板將公告資訊傳遞給住戶，不僅大量減少紙張的開銷，也無 須擔心資訊過期或資訊錯誤無法更換的問題，在百貨上也有許多商家將電子看板運用 在廣告上面，不僅能夠運用亮麗生動的畫面吸引消費者，也可以隨著季節變換或是新 產品的推出更換廣告內容，不須再運用傳統的人形立板作為奪目的標誌，也大大減少 耗材的開銷，且根據研究機構 iSuppli 預估，全球數位電子看板市場從 2005 年至 2010 年，平均每年得成長幅度達到三成的高成長幅度，到 2011 年時，數位電子看板市場規 模已達到 146 億美元，而用於室內設施的數位電子看板全球市場規模占 75 億美元。 但市面上大多得數位電子看板皆以封閉式的方式運作，所以擴充性與實用性並未 想像中的大，大多數商家都是額外連接撥放器或電腦做撥放的動作，而本研究所提出 的數位電子看板是結合開發度與高彈性的 Android 嵌入式系統，並搭配無線網路 (Wireless Netwrok) 使電子看板能夠做無線溝通提升可用彈性。 四、無線感測網路

無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)，是由許多分散於環境中的自動感測 節點所組成的一種無線通訊計算機網路，經常被使用於監控、感測環境改變或是物理 狀態(如：溫度、照度、濕度、壓力、二氧化碳、汙染物等)，在造價上比起其他無線感 測器相對便宜，因此在一般企業也有許多運用將 WSN 納入其中。

無線感測網路最初起源於戰場上的監測等軍事方面的應用，用於偵測敵方環境資 訊，於天空大量釋放，將感測器布滿敵軍領地，即可獲得敵軍環境資訊，經過多年發 展應用後，現今已被普遍使用於許多不同的領域，在生活上例如：環境及生態監控、 智慧住宅、安全照護…等，在環境感測上也有許多應用，就如同偵測敵方技術一樣如： 地質偵測、環境變化感知、橋梁位移偵測，水位偵測等。 WSN 可分為獨立型電源與外接式電源兩種，獨立式電源為使用水銀電池做為電力 來源，多為運用偵測大環境感知，或需要埋於土中等等，可透過靭體撰寫使得 WSN 可 以分批被喚醒，如此可使環境感知時間拉長；外接式電源多為感測某個特定地點如： 公共場所環境等，因不需要特別去移動，其原因在於希望 WSN 能長時間監控環境。 五、無線射頻輔助定位技術 無線射頻技術(Radio-frequency identification;RFID)，是一種透過無線電頻率的電磁 場與相同頻率的標籤做溝通，運用在人們的生活中也不計其數，如：悠遊卡、門禁卡、 物流監控….等。 在室內中運用可自供給電源之 RFID 主動式標籤，使環境中部分人群能由監控系 統了解人員所在狀況，運用訊號強弱方式定位出人員所在之位置，只需透過讀取器、 主動式標籤、中介軟體等並搭配適當之演算法即可定位出較為精確的定位結果，其應 用上可做為室內人員監控、人員控管與避難逃生等，在室內定位優於 GPS 定位之精準 度，在環境中能使工作人員或服務人員配帶，在中央監控時即可給予該配帶主動式標 籤之工作人員協助其他人員逃離。 六、避難引導規劃演算法 當大型建築物發生緊急危難事件需要進行人員疏散時，如何讓人群以最快的時間 並且安全有效率的逃離災害現場，大幅減少人員傷亡是本計畫首要解決的問題。演算 法的目的在有效且及時的將大樓內部的人往逃生出口導引，以人員安全為最優先考量， 並使用分群的概念將避難者分為不同的群體並分開導引在遠離火源的同時以最有效率 的路徑前進以漸少逃生時出口及路徑的負擔。以安全且有效率的路徑將人員往出口導 引，讓人群可以在最短時間內安全的離開火場。

本避難逃生演算法延續去年「電子火災逃生指示地圖與避難引導系統研究」所提 出之逃生演算法，以結合宏觀 (Macroscopic) 以及微觀 (Microscopic) 兩種概念的方式， 導引人群避開火源的同時也考慮人群之間可能造成的推擠、踐踏等問題。於演算法設 計中考慮了溫度、人群密度、逃生路徑是否有足夠的光源及距離火源遠近等條件作為 逃生路線規劃時的判斷條件，在演算法運算時首先考慮各區域中人群的密度避免區域 的人群密度過高造成危險以及依照不同的判斷條件做出相對應的路徑更改，並將同一 區域的人群給予多個疏散方向的導引以舒緩單一逃生路徑上的人數，讓人群在進行逃 生疏散時擁有較為順暢的路線並且不易造成推擠、踐踏等其他的傷害。 七、模組化管理與開發 一個完整的系統上最大問題在於無法便利進行系統的維護與修正，一般的工程師 針對程式撰寫時皆以直覺性之開發，並非去考量到往後維護問題，使得系統若出了問 題不知道該從何下手，進行相關的修正與維護，為了能使本系統能夠順利維護並且安 全性運行，本研究將運用模組化與可擴充性化開發，使的本研究更能展現系統之完整 性與高彈性。

貳、研究目的

本計畫「智慧型避難引導系統結合影像技術之研究」，結合影像處理辨識、數位電 子看板、智慧型行動裝置、環境感知等技術，建置一套完整的避難導引系統。適用於 建築物室內環境，不僅能隨時監控環境資訊與空間中的維安，在環境安全無慮下能提 供廣告、政令宣導、訊息廣播等應用，在緊急時刻發生時，更能成為一套導引規劃系 統，提供避難者最佳安全路徑。使其成為一套多實用性的數位逃生導引系統。 考慮以上相關目的及應用，本計畫研究重點可以歸納為： 1. 運用視訊監控人群流動，且運用無線射頻系統輔助監控人員位置，並整合無線 感測網路環境感知，建置智慧型結合影像技術避難引導雛型系統。 2. 建置一個具即時環境資訊之電子火災逃生地圖，可結合大樓逃生避難基本圖資， 規劃出安全逃生路線。

3. 火災發生時，藉由無線感測網路提供環境資訊警示人員避難。 4. 避難過程中，，由中央監控系統將正確之避難資訊傳至數位電子看板與智慧型 行動裝置，以提供使用者更多資訊與安全的逃生路線與方向。

第二節 研究方法與進度

本研究計畫目標為整合建築研究所過去相關研究之成果加以改良並結合影像人流 辨識技術，研製一套具有環境監控感知、人群監控與人流監控之整題環境感知之室內 火災逃生導引系統，並且實際建立一套數位電子地圖結合影像處理人群分流導引示範 雛型系統，以驗證數位化與整體技術之可行性。在研究過程中，依序建構 ZigBee 無線 感測網路子系統、RFID 人員輔助定位子系統、人群監控子系統及中央監控主系統，並 搭配過去之演算法進行適度修改使其符合本計畫運用電子看板與智慧型行動裝置導引 之需求。

壹、研究方法

本計畫旨在結合無線感測網路、無線射頻辨識系統、監控人流系統之數位電子地 圖結合影像處理人群分流導引示範雛型系統。其中包含無線感測網路、無線射頻辨識 系統、監控人流系統、中央控制系統、以及逃生路徑演算法等多套子系統，並結合前 二年智慧型行動裝置避難引導系統。為達成以上目標，擬採用以下研究方法： 1.相關文獻資料分析法： 採用次級資料分析法，蒐集國內外相關研究主題之文獻資料，並分析與本研究之 相關性，提供所需之工具與領域知識。擬回顧之文獻，包括國內外性能式防火設計之 經驗、國內外 ICT 技術之發展、國內外智慧型防火防災技術之發展等文獻。 2. 子系統功能建構： 電子火災逃生引導系統、人群監控系統、中央控制系統、逃生路徑演算法等各子 系統之分別功能建構。

3. 系統整合及驗證： 實際建構一套智慧型結合影像技術避難引導系統，並進行相關驗證確保系統可正 常運行。 4. 專家學者座談法： 邀請國內專家學者進行座談會議，以議題討論方式，進行研究內容審視及改進。

貳、研究進度流程表

本計畫之研究流程步驟如圖 1-1 圖 1- 1 計畫研究進度流程圖 (資料來源：本研究自行繪製)

參、進度說明

本計畫依照規劃時程已完成淺色之工作項目，灰色之工作項目亦依照預定時程進 行中。計畫執行進度及工作項目符合預定進度。 表 1- 1 計畫進度規劃時程表 月次 工作項目 第 1 個 月 第 2 個 月 第 3 個 月 第 4 個 月 第 5 個 月 第 6 個 月 第 7 個 月 第 8 個 月 第 9 個 月 第 10 個 月 第 11 個 月 備 註 1.蒐集國內外 相關研究資 料 2.相關資料研 究分析 3.系統架構設 計 4.無線感測網 路建置 5.無線射頻辨 識系統建置 6.主控端系統 建置 7.逃生導引系 統建置 8.行動裝置與 電子看板建 置 9.監控人流系 統建置 10.系統驗證 11.成果報告 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 9 18 22 26 35 48 65 78 87 91 100 說明：１工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起 訖日期。 ２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每 1 小 格粗組線為 1 分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積 得分(與之前各月加總)除以總分，即為各月份之預定進度。 ３科技計畫請註明查核點，作為每 1 季所預定完成工作項目之查核依據。 (資料來源：本研究自行繪製)

第二章 蒐集之資料、文獻分析

第一節 避難者心理分析與逃生導引規劃

壹、避難心理與行為

在設計逃生避難演算法上，必須要考量到避難者的心理因素，才能夠妥善的設計 出避難引導逃生演算法。日本學者室崎益輝[21]認為:人類在緊急時刻會因為害怕而產 生異於常人的表現，在災害時反應如下： 1.迴避性:人類具有迴避危險的本能。例如躲避墜落物品、或逃避煙霧地點之特性。 2.習慣性:對日常行動養成習慣。以頭腦強記或藉由訓練，均很難成為習慣性動作。 3.追隨性:遵從周圍人員行動的依附性。如附和順從群眾行動等屬之，因此常形成 團體行動。 4.激動性:當處於恐怖感覺的情況下，所採取的行動往往欠缺審慎、理性的判斷， 如衝動或短視行動等屬之。 5.僵直性:一般容易出現用力過猛、操作使力過重或身體因緊張而僵直等現象。 室崎益輝亦指出，規劃避難路徑時需考慮避難者的行動特性[21]，例如: 1. 歸原性:一般人有循原路逃離的傾向，如採行原到達的使用工具或方向避難。 2. 日常動線慣性:例如會以平常使用的樓梯、熟悉的通路進行避難。 3. 向光性:循光亮方向避難。 4. 開放性:傾向朝寬敞地方、較寬的樓梯或寬廣的門廳避難。 5. 容易辨識性:一般人會朝首先看到或容易辨識的路徑、樓梯等處避難逃生。 6. 近距離性:一般人會選擇最接近的樓梯、最靠近的通路避難。 7. 直進性:傾向於選擇直線路徑避難。 8. 危險迴避性:迴避危險的本性，例如會迴避發生煙霧處。

9. 安全傾向性:避難者會朝自認安全的路徑避難。 10. 追隨性:會朝人多的方向逃生避難，一窩蜂擠向人多處避難，而且混亂程度越 大越容易追隨他人的行動。 國內學者丁育群提出人類的避難行為本能 ，歸納出五項類型[22]： 1.回巢本能：當人們遇到意外災害時，為求保護身體，會本能地折返原來的途徑， 或依日常慣用的途徑以求逃脫，因為避難逃生途徑大多靠近常用的 走廊、樓梯或電梯附近，以利安全逃到安全梯或出口。 2.躲避本能：當人們察覺到有異狀時會直覺地避開。例如，建築物發生火災時，煙 及火焰在建築物的中心地區上昇時，人們會向外圍方向疏散；反之， 煙與火焰從建築物之外圍部位上昇，人們則會退避到中央地區。 3.向光本能：火災發生後濃煙將四處流竄，並多半會停電，此時，人們為求良好的 視線，會向四周有光線的地方逃跑，因此依規定及實際需要設置避 難方向指示燈及出口標示燈，可以正確引導避難方向。 4.左轉本能：一般人多較慣於使用右手，所以右手、右腳較為發達，而在黑暗步行 時，採左轉型態比較有利，比較能保護身體。避難者若能預先想好 路徑，並以左轉型態往下的方法逃難，將減少混亂而會有更高的存 活希望。 5.追隨本能：當建築物發生緊急狀況時，群眾會追隨一位領導人以求生存，這位領 導人之避難行動是否正確，充份影響眾人性命之安危。因此，對於 不特定對象多數人使用之旅館、百貨公司、商業大樓、超級市場、 醫院等建築物，適當的引導是很需要的。因此，平時就要對這些引 導者做好養成與訓練的工作。

國內學者鄧子正等人[1]綜合歸納 O`Connor[5]、Proulx[6]、Ramachandrn[7]等人的 研究，火災中影響人類避難行為的因子約可分為心理因素、住民特性、建築特性、火 災特性、避難策略與程序等五類因子，說明如下： （一）心理因素 心理因素係指持續的訊息蒐集、解讀及下決定，人員在避難過程中會不斷接收到 不同時間的訊息，對於訊息之解讀將影響其避難至安全處之決定，另外，在避難過程 中遭遇之濃煙或人員之間的討論等情形，亦會影響其避難行動時間。 （二）住民特性 包括建築物內人員概況、人員本身對於建築物熟悉度及火災知識與經驗的多寡、 事件發生當時情形、人員本身人格特質以及在所屬建築物內所扮演的角色。 （三）建築特性 包括建築物的型態與使用用途、建築本體結構配置情形、區劃空間、內部活動狀 況、照明及標示設備、緊急資訊系統、消防設備等消防安全因子。 （四）火災訊息 係指火災發生時足以作為讓人員察覺異狀之感官訊息，包括視覺、嗅覺、聽覺等， 如濃煙或有毒氣體、溫度、能見度、持續時間等。 （五）避難策略與程序 火災時人類行為之所以難以預測，主要係在火災發生時各因子間相互影響的複雜 性。因此尚包括避難策略與程序，例如全數或部分人員避難之訓練與演練、特殊人員 之需求、訓練或演練次數等。 （六）求證心態 人員接收到火災訊息，無論是來自火煙或警鈴，在進行避難動作前，會先試著瞭 解原因並求證，若發現是誤報，人員會選擇「不應變（nonresponse）」 一旦火災發生時，若能儘早探知，以進行避難逃生，則可增加避難可用時間；有

初期滅火及良好區劃，可以防阻延燒；若有良好的避難路徑及適時的避難誘導，則可 縮短人員避難行動所需時間，儘早到達安全地點[21]。若能再加上 ICT 技術，則可提 供最即時的火災警報資訊與正確的導引方向，借助智慧型手持裝置，由系統提供給避 難需求者即時且正確的避難方向等資訊，本節前述的避難者行為特性，將大為改善， 提升避難者的安全性。

貳、避難引導規劃

目前的學者針對逃生演算法的設計方式可分為兩大類別：宏觀逃生演算法與微觀 逃生演算法，宏觀的演算法設計上並不會去考慮人群因害怕或其他因緊張產生的心理 因素以及人與人之間的相互關係，而是將避難者看作為流水般，由火源區域往出口遵 循避難指示有秩序的進行移動，微觀演算法是從人群的角度出發進行逃生路線的演算， 首先考慮人群的心理狀態、人與人之間的相互關係，以及人群與路徑的負荷能力與可 能衍生的特殊狀況等，例如：距離火源的遠近所造成心理的慌亂、路徑上光源是否充 足對人員心裡的影響、相同的一群朋友或是親戚會想要一同逃生導致路徑的擁擠、以 及路徑是否有足夠的負荷能力容納人群的通過等。並且考慮所可能衍生的特殊情況後， 從避難者的角度為出發點判斷路徑是否適合人群逃生，再推算到整個平面上路徑分配 出適合所有人的逃生路線。 依照微觀方式設計演算法，於 2006 年 Tseng 等學者[8]便提出了避開危險區域往 出口移動的逃生導引方式，在既有的導引方法上增加了危險區域的概念，使整體環境 區分為火源附近的危險區域、以及距離火源較遠的安全區域，並在導引方式上也做出 了不同的區分，將危險區域內的避難者優先往最近的逃生出口進行引導，而不在危險 區域內的避難者則以優先避開為先區域的方式進行引導，先確定避難者所處區域的安 全，再將之導引往最接近的出口移動。避免避難者於逃生過程中接近或穿越災害發生 點，造成不必要的傷害。 而 2012 年 Zhou 等學者[9]也提出了一套依循環境變化與火源及避難者位置而演算 的個人化逃生指引演算法，該演算法將微觀的人群概念帶入宏觀的路徑規劃方式中， 以避難者位於過於擁擠的環境進行逃生時可能造成的推擠、逃生速率下降等問題為出

發點，同時考慮逃生過程中環境亮度對於避難者可能造成的心理與生理上的逃生影響， 並且以避開危險區域的方式，給予每位使用者單一的逃生避難指引。該演算法同時也 是前年度建築研究所「結合行動通訊之智慧型主動預警及避難導引系統研究」研究成 果的其中一部份，該研究最後以行動式手持裝置做為導引時系統與使用者之間的溝通 管道，並於去年度建築研究所「電子火災逃生指示地圖與避難引導系統研究」終將其 演算法修改並套用於數位電子看板上使用。

第二節 人流計數技術

壹、閉路監控發展

閉路電視(Closed-Circuit Television；CCTV)為針對特定地區進行視訊的傳輸，緣起為 1913 年英國對被監禁的婦女參政權論者進行秘密攝影開始[18]，到 1961 年倫敦運輸 火車站第一次公開安裝視頻監控系統，因此英國不但是 CCTV 應用的發源地，也是監 控產業最發達的國家，英國人已經對於街道上、商舖中的攝影機不以為意，並習以為 常。 隨著科技的進步，使得智慧型監控系統越來越普及化，一組快速而且計算量低的 即時人形辨識偵測系統，其用途為在影像監視系統中提供人與非人物體之判別，我們 結合背景建構及動態自動調適的更新方式來分割視訊物件，再依照各個物件的區域位 置，預測其移動範圍，建立各個物件的完整移動路徑，再將此路徑加以追蹤，判定在 整個影像序列中是否發生了滯留事件，且利用截取出之視訊物件輪廓，計算其最小距 離轉換值，以建立一多元搜尋樹，並建構成人形資料庫。 近年來，數位監視錄影系統漸漸取代傳統的監視器，不但提升錄影品質增加遠端 監看及保全等功能，更方便歷史資料查詢及管理，並已進入新的應用領域。由於全球 寬頻網路的建設更趨完善，且數位儲存媒體之技術大幅改進，而智慧型監控系統受到 十分之關注。 現今影像監視系統大多使用單一階層系統，它必須維持工作狀態，因此它非常沒

有工作效率，隨時隨地的在消耗功率。而期望之後應用無線感測網路(Wireless Senor Network , WSN)在影像監視系統中，一個含影像攝影鏡頭它必需隨時攝影而為了將影 像傳至主機端，影像必須經過壓縮程序才能達到省時或節省頻寬，壓縮過程必須經過 複雜計算而消耗功率。

貳、人群辨識分析

現今社會科技非常發達，可將一截取到的影片作定格，使一連續動作分隔為數張 圖片，然後對於變動較小背景物，會因為圖片的相減而被忽略，而當有物體經過圖片 相減必會出現有差異部份。 人形辨識通常依據影片中人物活動時外形的可能範圍，然後從此範圍內獲取規律 性之資訊，這些資訊可以指出這張影像中人的姿態。這個方法的優點為其可以處理其 色彩分成不明顯之人形。人形偵測的問題可以被視為在一個二維資料的特徵空間資料 搜尋的問題。 本研究運用物體移動之慣性特性，將前一張影像所取得之物件加上個別物件之運 動向量，即可預估在目前影像畫面上各物件所應出現之位置，再依靠各預估位置尋找 與原質心最小距離之物件，若物件實際的質心位置與預估位置十分靠近則視為匹配成 功，又因物件有可能相互遮蔽，所以遺失之視訊物件必須額外加以追蹤。 一個新的人形追蹤演算法，並且以此演算法配合一主動式攝影機，發展出一套即 時的人型追蹤系統。人形辨識可區分為兩部分：人形偵測辨識以及人形追蹤。在人形 偵測辨識部分，可使用時間差異（Temporal Differencing Method）在場景中切割出移動 的物件，然後根據移動物件的外型以及膚色等特徵，來判斷所偵測到移動物件是否為 人型。而在多人環境部分，再藉由顏色的特徵來進行多人的辨識，此一部份所採用的 技術是根據人體的比例，擷取出人體中軀幹的部位，把上半身的色彩資訊記錄下來， 並將其當成特徵，用來區隔出不同的人，假設當有兩個以上的人出現在鏡頭中時，即 可以利用這個特徵，來區別出不同的人，以便系統可以鎖定某一個特定的人來進行追 蹤。在人形追蹤部分，本研究使用了卡曼濾波器(Kalman filter)，配合攝影機的動作控 制，包含了上下、左右移動，來對人物進行追蹤，並且控制鏡頭的倍率，取得人臉的

特寫照片。 此人形辨識系統有以下優點：(1)改良了傳統式的監視系統，讓監視系統智慧化， 不需有人員在現場監控。(2)進行人形偵測辨識動作，只對人形進行紀錄，避免不必要 的背景干擾。(3)使用主動式攝影機，會跟隨著人形來追蹤，並將臉部特寫照片儲存下 來。(4)可使用於複雜的環境，像是多人環境或者是戶外環境，都可正常動作。 人形計數的部份，是利用上述所建之資料庫，先辨識物件是否為人形，之後再加 以統計。實際監視系統測試，人形辨識的正確辨識率達 89%，誤判率低於 8% ，其識 別技術比較如圖 2-1 與圖 2-2。 圖 2- 1 人群影像說明 （a）走道間入口影像（b）在中華大學的擁擠場景（c）測試視訊檔中之人群遮蔽景象 (資料來源： 本研究自行繪製) 圖 2- 2 技術辨識比較

（a）測試視訊檔中人群遮蔽景象（b）blob-based background subtraction 方法的前 景偵測（c）採用 point-based 目標偵測和追踪，每種顏色代表個別目標

在本研究中，為了在建築物各區域中偵測個別的目標物以及分析群體移動所產生 的軌跡資訊，本研究規劃透過在擁擠環境中偵測、追蹤個別的目標物，以及將群體運 動軌跡進行偵測分類。本研究提出的方法為利用 corner 特徵點為基礎發展一項從粗糙 到細緻的目標物分割技術以解決在人群中的目標偵測及追蹤技術。在此演算法中，首 先利用 Kanade-Lucas-Ttomasi (KLT)演算法尋找 corner 特徵點，再利用 C-Means 演算 法將特徵點做粗略的分群，最後運用 corner 特徵點繼承的概念來追蹤所有移動個體目 標物，在以下針對 KLT 光流法與模糊 C-means 分群法作介紹： 1. KLT(Kanade-Lucas-Tomasi) 光流法[15] KLT(Kanade-Lucas-Tomasi) 光流法是對向量 x 做的一個正交變換 y=Φx，目的是 變換到 y 後除去數據相關性。Φ是 x 特徵向量組成的矩陣，滿足 ΦT_{Φ=I，當 x 都是實} 數時，Φ就是正交矩陣。 光流的概念是 Gibson 在 1950 年首先提出來的[13]。它是空間運動物體在觀察成 像平面上的圖元運動的瞬時速度，是利用圖像序列中圖元在時間域上的變化，以及相 鄰幀之間的相關性來找到上一幀跟當前幀之間存在的對應關係，從而計算出相鄰幀之 間物體的運動資訊的一種方法。一般而言，光流是由於場景中前景目標本身的移動、 相機的運動，或者兩者的共同運動所產生的。其計算方法可以分為三類： （1）基於區域或者基於特徵的匹配方法； （2）基於頻域的方法； （3）基於梯度的方法； 簡單來說，光流的研究是利用圖像序列中的圖元強度資料時域變化和相關性，來 確定各自圖元位置的“運動”。研究光流場的目的就是為了從圖片序列中，近似得到 不能直接得到的運動場。 光流法的前提假設： （1）相鄰幀之間的亮度恆定； （2）相鄰視頻幀的取幀時間連續，或者，相鄰幀之間物體的運動比較“微小”；

（3）保持空間一致性；即，同一子圖像的圖元點具有相同的運動

由此可見，做了 KLT 變換之後，Σy 成為對角陣，也就是對於任意 i≠j，有 cov(yi,yj)=0，而 i=j，有 cov(yi,yj)=λi，所以說除去了數據相關性。最後，yi 的方差與

x 協方差矩陣的第 i 個特徵值相等，即𝜎_𝑖2 _{= 𝜆} 𝑖。

2. 模糊 C-means 分群法[16]

模糊 C-means 分群法（fuzzy C-means clustering）簡稱 FCM，乃是一種根據 C-means algorithm 衍生而來的分群法，Bezdek 在 1973 年首先提出該方法[14]，透過模糊邏輯的 概念，希望能進一步提升分群的效果。 FCM 與 C-means 最大的差異在於加入了模糊的概念，資料點 x 將不再絕對地屬於 任何群聚，而是以一個介於 0-1 之間的數字來表示 x 隸屬於某個群聚的程度。假設預 期的分群數目為 c（c₁, c₂, …, c_c），整組資料包含 n 點（x₁, x₂, …, x_n），則可以以一個 c×n 的矩陣 U 來表示每個資料點隸屬於每個群聚的程度。倘若針對其中一點 x_j而言， 他隸屬於各個群聚的程度總和應該正好等於 1。 整個模糊 C-means 分群法可以定義出目標函數 J：

J(𝑈, 𝐶

₁

, 𝐶

₂

, … , 𝐶

_𝑐

) = ∑ 𝐽

_𝑖 𝐶 𝑖=1

= ∑ ∑(𝑢

_𝑖𝑗

)

𝑚

𝑑𝑖𝑠𝑡(𝐶

_𝑖

, 𝑋

_𝑗

)

2

𝑛 𝑗=1 𝐶 𝑖=1

假如 Jnow已經小於某個標準，或者這次的分群改良效果（Jpre-Jnow）已經過小，則

結束本演算法。 為了求得最佳化，針對各傳入參數分別進行微分，便可歸納出下列結論公式：

𝐶

_𝑖

=

∑

(𝑢

𝑖𝑗

)

𝑚

𝑋

_𝑗 𝑛 𝑗=1

∑

𝑛

(𝑢

_𝑖𝑗

)

𝑚 𝑗=1

叁、技術應用實例

2014 年 3 月 13 日中國安防展覽網 國際新聞：根據人流調整綠燈時間，行人信號 燈也智能。倫敦市市長 Boris Johnson 公開宣佈這種智慧交通信號燈可以通過攝影機來

監測人行橫道上的行人數量，當系統檢測到目前有許多人正在十字路口等待準備穿過 馬路，該智慧信號燈就會自動調整延長綠燈的時間，讓更多的行人有更加充足的時間 安全穿過馬路，如圖 2-3。 圖 2- 3 智慧型交通信號燈 (資料來源：http://3smarket-info.blogspot.tw/2014/03/blog-post_800.html) 國外大型商場超市安防監控防盜技術探討：人流監控，每天的下班時間和週末往 往是大型超市人流比較多的時候，超市必須根據超市內人流情況，做出適當的安排並 進行人流的疏導，以避免因為人潮而發生不必要的意外。利用遠端視頻監看系統，能 使超市管理部門即時瞭解顧客數量與分佈的情況，並據此進行疏導等必要的工作。 在國內，便利商店的數量逐漸增高，工研院設計了一款便利商店智慧型空調省電 控制器:人流監控，提高空調設定溫度是超商節能容易施行的方法之一，然而，提高溫 度有降低舒適度的隱憂，尤其是原本就較高的室溫，在大量人潮湧入時，溫度勢必再 提升，使室內溫度舒適程度大為降低。因此，SPSC 強調在不違反舒適度前提下，依據 超商外溫及人流多寡，動態調整冷氣設定溫度，於尖峰時段提供高舒適度；於離峰時 段，執行省能模式，經實際驗證，可節省夏季 20%以上之冷氣耗能。依據超商外溫及 人流多寡，動態調整冷氣設定溫度。應用於便利商店、電影院、餐廳、飯店等需要冷 氣空調之場所。尖峰時段提供高舒適度；離峰時段，執行省能模式。 人流偵測監控即時完成其從人流計數所獲取的偵測資料，資訊供給商業智能，有 效管理智慧，可依使用者的需求以天或週為單位錄影，匯出數據至後端整合系統作進 一步分析，作為相關產業的商業智能(Business Intelligence)參考之用，亦能結合滿景資 訊的智慧型性別偵測功能，即時就人臉特徵判別，瞭解顧客的消費結構，適用於零售 業及娛樂場所，如零售業者可善用此資訊，來瞭解顧客的消費行為，進而提升顧客的

服務滿意度，或規劃商場的動線安排等，達到加乘的行銷效果。

第三節 智慧型行動裝置

壹、發展概要

行動電話於 1990 年以前造價非常昂貴，且形狀上也較不平易近人，只有幾少部分 經濟實力較佳的人才買的起，於 1990 年以後價格大幅降低，早已成為現代人不可或缺 的科技產品之一；現今，智慧型行動裝置不僅能撥打電話，還能夠隨時隨地掌握資訊， 現今正一步一步取代行動電話的存在。 現今，智慧型行動裝置(Smartphone;又稱智慧型手機)，指具有獨立的行動作業系 統，可以透過安裝應用程式來擴充手機功能，運算能力及功能，均優於傳統行動電話 一類的行動電話，起初智慧型手機功能並不多，後來陸續增加行動媒體撥放器、數位 相機、GPS 等功能，如今只需要由網路商城或行動商城即可擴智慧型手機功能，且根 據台灣 Vpon 也對於 2013 年台灣行動市場提出一份報告指出，全台有 1,270 萬隻不同 的智慧型手機連線到 Vpon 行動廣告，且每個月遞送廣告量高達 15 億，由此可見得手 機已成為人們生活中的一環。 不僅如此，智慧型手機功能也隨時代進步增加，只需要依靠適當之應用軟體平台 即可下載最新且功能最齊全之應用軟體，人們也能運用智慧型手機製作文建、閱讀書 籍、觀賞電影，甚至監控居家安全等多種具全功能，此便利之工具使人們更無法脫離 智慧型手機的時代。

貳、智慧型手機系統比較

目前市場上智慧型手機所搭載的嵌入式系統著名的為，由 Google 公司所推出的 Android 系統、Apple 公司所推出的 iOS、Microsoft 所推出的 Windows Phoen ，根據 IDC 統計[15]，指出去年第三季全球智慧型手機出貨量高達 2.1 億支，比前年同期成長 了 39.9%，另一方面智慧型手機的平均單價下滑了 12.5%為 317 美金，Android 平台在 去年第三季創下了 81%的市占率，iOS 市占率為 12.9%，Windows Phone 市占率僅有 3.6%，且並根據市場研究機構 Strategy Analytics 發表於 2014 年 Q1 平板市場報告中，

出貨量高達到 5,760 萬台，與去年同期的 4,830 台相比，成長 19%。分析各作業系統所 占的比例中 Android 市占率也高達 65.8% 由此可見，嵌入式 Android 系統早已成為智 慧型手機上不可或缺的重要系統。

參、推播背景喚醒機制

Android 系統背景喚醒機制(GCM)[4]讓手機的 App 可以被外部事件主動觸發及啟 動，如圖 2-4，基本上包含註冊 API Key、Android 客戶端裝置註冊 GCM、App Server 推播訊息給 Android 裝置三個階段。

圖 2- 4 背景喚醒機制(GCM)示意圖

(資料來源：MagicLen.Org http://magiclen.org/android-push-notification/)

運用 Google Cloud Messaging for Android API 使 APP Server 能將資訊推波智 Android APP 中，為了使 GCM 辨別要傳到那些裝置上，必須先讓這些裝置向 GCM 做 註冊，因此 Android 裝置必須提供 Sender ID 給 GCM 來要求使用 GCM 功能(提供 Sender ID 是為了要讓 GCM 知道是由哪個上個部份提到的 Console 專案所發出的通知 訊息)。如果 GCM 同意讓 Android 裝置使用它的功能，會回傳一個獨特的，代表這個 Android 裝置的 Registration ID。這個 Registration ID 應該要交由 App Server 來儲存， 讓 App Server 知道底下有哪些 Android 裝置能夠進行訊息推播，當 APP Server 有了 API Key 與 Registration ID 即可使用 GCM 傳送推波給指定 Android 裝置的訊息。GCM

接收到 App Server 傳來訊息後會去判斷傳入的 Registration ID 對應到裝置並將訊息推 送出去。

第四節 數位電子看板

壹、介紹與應用

數位電子看板在這個科技化的時代中已融入至每個人的日常生活當中，不論是在 捷運大廳、車站中和路邊的廣告看板或者是在便利商店中的銷售系統等，可見電子看 板已經被大量的廣泛應用於我們的生活中在應用上也更為廣泛，如：在百貨公司有許 多商家皆會在樓梯間或梁柱中放置數位看板連續播放百或資訊促進人群消費能力，火 車站將看板運用於通道間使得忙錄無時間對照牆上火車時刻表之旅客能一目了然火車 資訊，在捷運上也能使旅客了解乘車資訊與捷運內部相關資訊等種種例子也顯現出數 位看板在生活商也變的越來越重要，以下將針對電子看板的背景及特性做相關介紹。

貳、技術原理

數位電子看板代表即時、動態改變以及數位化的多媒體影音內容之創新傳送型態， 以在單店內的多區或多定點同時設置各種型態的平面顯示器作為系統對外內容傳遞介 面，目的在於適時地提供資訊、娛樂和廣告為主的內容來吸引關鍵消費族群的注意力， 並且通常透過網路設備的連線功能由控制中心做遠端統一控制。 傳統數位電子看板多為封閉性市場環境，相關產品解決方案偏於垂直整合應用， 甚至是特殊場所應用為多，早期數位看板僅用於簡單的訊息傳遞，例如單純的圖卡內 容展示，或單純的圖片更換、輪播，即使以影音動畫為展示重點的廣宣應用，大多數 僅有預錄影片的單純播放設計，在雲端的應用僅止於遠端利用網路傳送資訊性內容並 透過大型主機或中央伺服器傳輸資料，而數位看板本身無法自主性控制或調整，純粹 只是一種大型螢幕提供服務閱聽眾的傳統動態告示板，而無法作更開放式的互動。 而整合數位電子看板的問題在於各軟/硬體供應商資源難以整合，即使採工業標準 架構進行開發設計，實際因應數位電子看板特殊應用需求時，系統開發者仍須花大量 時間進行相關系統的介接與整合，系統整合商往往須花上更多時間，進行尋找相關解

決方案、元件、裝置，而專案開發後期的功能驗證與反覆修改，也限制了相關業者投 資數位電子看板的意願。 以目前數位電子看板相關應用發展，軟/硬體趨向尋求更開放的系統架構與解決方 案，因應不再僅是單傳訊息傳遞與展示的使用型態，新的應用觀念以朝系統化整合應 用進行相關功能開發，為集廣告(Advertising)、資訊(Information)、娛樂(Entertainment) 的 Adfotainment 整合應用平台。數位看板已發展至可結合 LCD、LED 戶外監視器或公 眾監視器，與資訊系統整合的資訊架構，為提供各種即時訊息與廣告的資訊服務介面。 近年數位電子看板逐漸侵蝕印刷式海報與燈箱看板等廣宣模式，成廣告商行銷利器。

参、規格比較

現今在無線網路及嵌入式系統的蓬勃發展之下，數位電子看板的技術也日漸成熟， 並且在液晶面板大尺寸化與成本降低下，已經有越來越多商家願意將傳統的平面廣告 替換成數位電子看板。且數位電子看板能夠達到傳統平面廣告所不能達到的功能，如 表 2-1 所示。 表 2- 1 不同廣告形式的比較 招牌告示 印刷廣告 DM 電視廣告 數位電子看板 廣告載體 _{   } 具大螢幕尺寸 _{  } 網路連線功能 _ 遠程控制能力 _{ } 隨時修改內容 _ 節省人力時間 _ (資料來源：張芬瑜，民國 94 年 數位顯訊器之產業結構與競爭動態分析)[22] 而目前市面上各家數位電子看板業者也紛紛推出其數位電子看板整合方案及數位 電子看板管理系統，下面列出目前數位電子看板存在的幾項問題： 1.管理者的時間及人力成本昂貴： 在宣導與廣告上，抽換都必須透過外在儲存裝置才能順利更換其版面與宣導內容，

若該地區有許多數位看板，管理者必須要花費額外人力費用請工作人員一一更換， 不僅麻煩也非常封閉。 2.眾多數位電子看板非複合式： 目前市面上的數位電子看板較多為單純傳播廣告與宣導，並無結合其他應用整合， 使得數位看板無法如期活用，功能性上相對較無用處。

第五節 無線感測網路

壹、技術原理

無線感測網路(Wireless Sensor Network)，是由許多空間的自動裝置組成的一種無 線通訊網路，這些裝置使用感測器協作監控不同位置的物理或環境狀況，ZigBee 為 WSN 的其中一種被廣泛使用的協定。 ZigBee 是一種低速短距離傳輸的無線網路協定，底層是採用 IEEE 802.15.4 標準 規範的媒體存取層與實體層。主要特色有低傳輸速率(250kbps)、短距離(一般約為 50-100 m，依耗電量之不同，可提昇至 300m)、低消耗功率、低成本、支援大量網路節點、 支援多種網路拓撲、低複雜度、快速、可靠、安全。ZigBee 協定層從下到上分別為實 體層（PHY）、媒體存取層（MAC）、網路層（NWK）、應用層（APL）等。網路裝置 的角色可分為 ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee End Device 等三種。

ZigBee 可支援主從式以及點對點的運作方式，最高可擴充至 65536 個節點，擁有 非常高靈活的擴充特性。目前已被廣泛使用於環境監測、安全控制、電子設備自動化、 醫療照護、置換住宅等方面，已是無線感測網路內所共同認可的短距離無線通訊技術 之一。

貳、規格比較

與目前所熟知的高頻寬系統一樣，為了獲得最佳性能，使用者可以將低速率網路 安排為多重配置。例如，用一條橋接兩個端點的點對點無線鏈路簡單地替換一條通信

纜線。為了消除串接在一起的纜線，使用者可以用一條點對點無線鏈路將遙控面板連 接到一台可移動設備（例如機器人）上。許多低資料速率點對點鏈路在各端都含有低 成本收發器，可用來轉換通用的通信協定，例如：RS-232 。另一種無線網路形式：點 對多點，包括一個中央基地台和多個以星形或中心輻射（hub-and-spoke）模型安排的 無線節點。儘管 Bluetooth 和 IEEE 802.11 被認為是高頻寬網路，但它們的各種衍生 產品都是以點對多點模型為基礎。 Bluetooth 採用跳頻展頻來抵抗干擾，並且以大約 720 kbps 的峰值速率傳送資料； ZigBee 的最大速率為 128 kbps。基本的 Bluetooth 協定要求複雜的通信協定棧，消耗多 達 250 kbytes 的系統記憶體資源，而 ZigBee 控制器要求少於 32 kbytes（8 位元控制 器）。ZigBee 設備可以快速連接，交換資訊、分離，然後再回到深度睡眠狀態，以便獲 得長久的電池壽命。Bluetoot 模型假定了類似蜂窩電話的週期性電池充電。Bluetooth 網 路增加一個新的從屬節點需要超過 3 秒的時間；ZigBee 則只需要 30 毫秒。最後， Bluetooth 受限於 7 個使用者端；ZigBee 則可以處理成千上萬個使用者端。 表 2- 2 不同通訊協定間的比較 802.11b Bluetooth ZigBee 傳輸距離 100m 10m 70~300m 開發複雜度 高 普通 低 可容納節點數 視硬體能力而定 8 65536 資料傳輸率 11Mbps 1Mbps 25Kbps

安全性 SSID / WEP 64/128 bit 128 bit / key define

可否搭配感測器 否 可 可

生命週期單位 小時 天 年

參、應用發展

ZigBee 發展至今已廣泛的應用於本研究的日常生活中，如：智慧型住宅的控制(圖 2-5)、安全門禁系統的控制、醫學監測、環境監控等。在 2010 年 Yu 等學者[10]發表的 論文中，作者建立了一種使用 Octopus X 平台為基礎並以 Zigbee 為傳輸方式的環境感 測器，實作溫度、濕度、照度、一氧化碳、二氧化碳等多種不同功能之環境監控感測 器(圖 2-6)，並佈署於建築物中，再依據感測到的環境資訊調整建築物內相關的電器， 更利用所開發的系統介面將感測到的環境資訊統整後供管理者查看，落實感測網路於 一般民生領域之應用等。 ZigBee 技術提供了以標準為基礎的無線連結能力，使用起來既簡單又方便，應用 範圍無遠弗屆。大樓的所有人若充分利用具備 ZigBee 功能的產品，就可以享有許多 好處，例如加強控制、減少成本、增加便利性，還能提高設施裡外的安全防護。而 ZigBee 的感應器耗電量低，於非使用狀態時會進入睡眠模式，減省不必要的能量耗損。但 ZigBee 的設計又非常適合分秒必爭的情況，處於睡眠模式的 ZigBee 感應器會在收到 訊號的 15 毫秒之內立即回應，並且即時回到網路上運作。即在整個網路上引發一連 串的動作：打開大燈，通 知警方或緊急救援單位，監視錄影系統會鎖定可疑的區域， 各個鎖也會即時因應通知而進行運作。 圖 2- 5 ZigBee 於智慧住宅中的應用

圖 2- 6 使用 ZigBee 傳輸的亮度感測器 (資料來源：Yu, 2010 CALE)

肆、網路架構

一個典型的感測器網路的體系結構由感測器節點、路由器節點、網際網路(Internet) 和用戶介面等組成。在這個網路中，感測器節點通過多跳中繼的方式將數據傳到路由 器上，最後由路由器將所收集的整個網路的資料透過網際網路或者其他傳輸方式傳到 控制中心進行集中的處理。 ZigBee 傳輸協定支援的網路拓樸結構包括星狀 (Star Topology)、網狀(Mesh Topology)、以及樹狀(Tree Topology)型態的網路拓樸(如圖 2-7)， 每一種結構都有各自的優點且可應用在多種不同的情況下。其中星狀結構的構造最簡 單，是由一個 Coordinator 連接多個 End Device 所組成，其優點為結構簡單、維護容 易、低延遲；但是由於單一 Coordinator 所能服務的 End Device 數量有限，所以較不易 進行網路的擴充。網狀結構是由一個 Coordinator、多個 Router 以及多個 End Device 所 組成，Router 之間可彼此互相溝通與傳遞資訊，網狀結構可提高較高程度的可靠性， 資訊也可通過不同的傳輸路徑進行傳遞，擁有多點跳躍、網路形成彈性、低延遲等優 點，但是路由成本較高且必需搭配路由表的儲存。樹狀結構也是由多個 Router 以及多 個 End Device 所組成，從結構的本質看來可說是網狀結構與星狀結構的綜合體，但與 網狀結構不同的地方是樹狀結構的網路型態有如樹木一樣以 Coordinator 為中心延伸 出許多不同組的枝葉，而且每一枝葉之間並不會互相溝通，樹狀結構的路由成本較低、 在資料傳輸上允許多點跳躍；但其延遲時間較長，且路由重建成本較大。

( ：Coordinator ：Router ：End Device) 圖 2- 7 星狀、網狀、樹狀拓樸結構 (資料來源：本研究自行繪製) 基於安全與便利的考量上，若使用網狀網路拓樸設計網路的範圍就可以輕鬆擴展 到建物之外，增強周邊的防護。ZigBee 網路就像籃球架上的籃網每條線都彼此相連一 樣，將許多連結至其他區塊的點串聯起來，這些連結會形成堅固的多次跳躍式網狀網 路 (Multi-hop Mesh Network)，如此一來，單一裝置無法傳輸資料時，就有其他傳輸數 據方式可供使用。在網路上增添新裝置的方式是向主裝置或個人區域網路 (PAN) 的協 調元件簡單提出要求即可。網路協調元件一收到要求訊號之後，就會將新的裝置納入 運作的網路之中。如果要讓裝置在原本網路周邊範圍以外運作，使用者可以添置無線 訊號增幅器 (Range Extender)。 ZigBee 網路可以輕鬆擴充，進而使單一網路可容納多達六萬五千個裝置。在設施 中採用大樓自動化的開發商與建築師可以充份運用 ZigBee 來建置無線監控網路，以 便集中管理建物內部的照明、暖氣、冷氣、保全系統。建物開發人員與設施管理人員 使用 ZigBee 產品之後，就無需佈設監控與管理各場地所需要的線路。以 ZigBee 為 基礎的無線網路同時具備彈性，使設施管理人員得以快速重新設定系統，以適應個人 或租戶在建物內所做的改變，包括因應公司擴建、縮編、或是想要改變現有的工作空 間而進行的改變，如此就能減少裝設與重新改建的成本。

第六節 無線射頻技術

無線射頻辨識技術(Radio Frequency IDentification，簡稱 RFID)，是透過無線頻率 (電磁感應、微波…等)方式與標籤進行無線資料傳輸、辨識和交換，傳輸過程中無須建 立接觸式傳遞路徑。其標籤又分為被動式、主動式以及半被動式，最大的差別在於標 籤是否為自主性供電，被動式標籤必須透過積體電路藉由接收 RFID 讀取器所發送的 電磁波進行驅動，因無法自行發送訊號，在傳輸距離上有了相當大的限制，而被動式 標籤在本研究現實生活中也時常用到，如：門禁系統、悠遊卡、甚至是身分識別卡等… 運用廣泛。

壹、技術原理

RFID 是一種以 RF 無線電波辨識物件的自動辨識技術，RFID 系統最重要的優點 是非接觸識別，它能穿透與、雪、霧、冰、塗料和灰塵等惡劣的環境讀取並辨識標簽， 並且讀取速度極快，大多數情況下不到 100 毫秒。其主要工作原理是利用 RFID 讀取 器發送無線電波訊號，當電子標籤進入讀取器的訊號範圍之中，就能藉由感應電流所 獲得的能量發送出存儲在晶元的產品信息或某一頻率的信號，以進行無線資料辨識及 擷取的工作。RFID 組成元件主要包括讀取器、電子標籤、RFID 應用程式、以及電子 標籤內或外加於讀取器的天線。當應用程式欲進行電子標籤之辨識工作時，電腦上之 應用程式可透過有線或無線的方式下達控制命令給讀取器，讀取器接收到控制命令後， 其內部之控制器會透過內建的 RF 收發器(Transceiver)發送出某一頻率之無線電波能量， 當電子標籤內的天線感應到無線電波能量時，會將此能量轉成電源，並以無線電波傳 回相關識別資料給讀取器，最後再傳回電腦內以進行物件之識別與管理，RFID 的架構 如圖 2-9 所示。

圖 2- 8 RFID 架構示意圖 (資料來源：廖建同 2009 , 設計與建置以 RFID 為基礎的無塵室即時定位系統 ,本研 究自重繪) 識別標籤的外形尺寸主要由天線決定，而天線又取決於工作頻率和對作用距離的 要求，在室內定位的應用主要在於超高頻或微波這兩種頻帶。

貳、系統架構

RFID 整體架構是由讀取器（Reader）、電子標籤（Tag）與中介軟體（Middleware） 三種元件所組成的架構，其中讀取器與中介軟體傳輸介面可經由 RS232、RS285、 TCP/IP 與 PCMCIA 等方式傳輸，在傳輸方式中目前以 TCP/IP 最廣泛的被使用。比較 重要的是讀取器的架設，架設的方法能有效的減少讀取器的使用並節省成本卻不失其 準確度。

參、定位技術

由於 GPS 在室內定位人有準確度的問題，所以 RFID 為基礎的室內定位技術漸漸 開 始 受 到 矚 目 ， 著 名 的 RFID 室 內 定 位 技 術 主 要 有 LANDMARC 系 統 ， LANDMARC(Location Identification based on Dynamic Active RFID Calibration)[13] 主 要的做法是藉由額外固定位置的電子標籤，建立參考點協助運算並幫助定位，可利用