科技部 GRB 編號：PG10402-0046
智慧型避難引導結合廣播及標示
系統之研究
受
委 託
者
中華大學
研 究 主 持 人
游坤明
協 同 主 持 人
鄭紹材
連振昌
研
究 助
理 李慶霖
徐煥博
內 政 部建 築研 究 所委 託研 究 報告
中華民國 104 年 12 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 研究方法與進度說明
... 3
第二章 文獻蒐集及分析
... 7
第一節 傳感器與無線感測網路
... 7
第二節 無線射頻技術
... 11
第三節 數位攝影機與人流監控技術
... 14
第四節 避難者心理分析與逃生導引規劃
... 16
第五節 視覺技術與聲音技術
... 20
第六節 智慧型手機與數位電子看板
... 27
第三章 系統架構與規劃
... 31
第一節 系統架構
... 31
第二節 多功能聲光避難指示模組
... 42
第四章 研究成果
... 45
第一節 環境資訊蒐集
... 45
II
第二節 中控系統監控
... 48
第三節 動態推播導引
... 51
第五章 結論與建議
... 62
第一節 結論
... 62
第二節 建議
... 63
附錄
... 66
參考書目
... 113
表次
表 1- 1 計畫進度規劃時程表
... 5
表 2- 1 可見光波長整理表
... 21
表 2- 2 聲音型別決定三要素與對應影響因子
... 23
表 2- 3 聲音特性差異表
... 23
表 2- 4 專利與本研究比較
... 27
表 3- 1 環境感測模組技術描述表
... 33
表 3- 2 人員輔助定位模組技術描述表
... 34
表 3- 3 數位人流監控模組技術描述表
... 35
表 3- 4 智慧型避難系統技術描述表
... 39
表 3- 5 智慧型手機模組技術描述表
... 41
表 3- 6 多功能聲光避難指示模組技術描述表
... 43
表 4- 1 人流監控演算法結果統計
... 48
圖次
圖 1- 1 計畫研究進度流程圖
... 4
圖 2- 1 ZigBee於智慧住宅中的應用
... 9
圖 2- 2 使用ZigBee傳輸的亮度感測器
... 9
圖 2- 3 星狀、網狀、樹狀拓樸結構
... 10
圖 2- 4 RFID 架構示意圖
... 12
圖 2- 5 遮蔽擁擠現象
... 16
圖 2- 6 人群移動特徵分析與追蹤
... 16
圖 2- 7 Pure Screen Alert 投影動態指示
... 25
圖 2- 8 MAR-LS12 閃滅及聲音導引消防緊急逃生出口燈
... 26
圖 2- 9 GCM 推播技術整體架構圖
... 28
圖 2- 10 數位電子看板應用
... 29
圖 3- 1 系統架構概念示意圖
... 31
圖 3- 2 數位人流監控模組執行流程圖
... 36
圖 3- 3 人群分析技術流程圖
... 36
圖 3- 4 資料庫整體概要(Schema)
... 37
圖 3- 5 聲光導引模組示意圖
... 43
圖 4- 1 系統整體結構圖
... 45
圖 4- 2 程式匯入影像實際圖
... 47
VI
圖 4- 3 實際計數程式執行畫面
... 47
圖 4- 4 數位人流演算法測試畫面 (台北捷運測試畫面)
... 48
圖 4- 5 智慧型避難系統之執行流程圖
... 49
圖 4- 6 模組化演算法錯誤修正示意圖
... 50
圖 4- 7 電子地圖與XML轉換方式
... 51
圖 4- 8 X-map 匯入演算法示意圖
... 51
圖 4- 9 數位電子看板模組板與裝置連線示意圖
... 52
圖 4- 10 數位看板系統微型模組
... 53
圖 4- 11 數位看板於環境安全無慮時之實際情境
... 54
圖 4- 12 數位電子看板之逃生情境
... 54
圖 4- 13 當原定路線無法逃生時，數位看板修正逃生方向
... 55
圖 4- 14 聲光避難模組指定避難方向
... 56
圖 4- 15 原先路徑無法逃生，聲光避難模組變換方向
... 56
圖 4- 16 情境模擬與聲光避難模組執行狀況
... 57
圖 4- 17 基隆皇冠四樓實際平面圖與轉換節點圖
... 58
圖 4- 18 個感測器與設備裝設位置
... 59
圖 4- 19 驗證規劃場所實際圖
... 60
圖 4- 20 驗證規劃場所實際圖(環景)
... 61
摘 要
關鍵字：逃生導引技術、影像辨識、視覺傳達、物聯網、聲音廣播一、研究緣起
城鎮都市化是近二十年來全球發展之趨勢，尤以各大都市為各種新技術聚集與空 開發表的最佳場所，大型展覽場、大型購物商場、百貨公司及地下商街等每當活動舉 辦時，場內人數導致容積超載，展場攤位設計導致動向混雜，導致出口逃生路線雜亂 無序，一旦發生火災，照明可能會無法正常運作，且煙霧會遮擋光源使得環境昏暗， 場內人員會因無法找到出口而產生心理障礙，甚至因為無法掌握環境資訊產生恐慌現 象，這些問題皆是造成逃生黃金時段錯過之原因。有鑑於此，本計畫擬利用環境感知 技術結合視覺與聲音導引建置一套智慧型聲光動態避難導引雛型系統，以利場所發生 火災時能持續導引避難者迅速離開現場。二、研究方法及過程
本計畫旨在研製一式整合物聯網技術(包含無線感測網路、無線射頻技術、數位監 控技術)、視覺傳達技術與聲音廣播技術之智慧型聲光避難導引之雛型示範系統。並將 整體系統以不同功與獨立運行方式製作模組並將模組以不同性質分類，其類別與子系 統區分為： 環境資訊蒐集：環境感測模組、數位人流監控模組、人員輔助定位模組。 中控系統監控：資料庫、智慧型避難系統、逃生導引演算法。 動態推播導引：多功能聲光避難指示模組、數位電子看板模組、智慧型手機模組。 結合先進技術與既有技術相互整合，並由各子模組相互結合，為能夠將系統完整 建置，本研究擬採用以下研究方法。VIII 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： 將系統分為三大類後並以個別工作建置子系統： 環境資訊蒐集：環境感測模組、數位人流監控模組、人員輔助定位模組。 中控系統監控：資料庫、智慧型避難系統、逃生導引演算法模組。 動態推播導引：多功能聲光避難指示模組、數位電子看板模組、智慧型手機模組 等多套子系統以同樣規格化建構。 3. 系統整合及驗證： 實際建構一套智慧型聲光避難導引雛型系統，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
本研究所提出之系統是整合建築研究所研究「結合行動通訊之智慧型主動預警及 避難導引系統研究」、「電子火災逃生指示地圖與避難引導系統研究」與「智慧型避難 導引系統結合影像技術之應用研究」之研究成果，將模組化系統技術整合多元逃生導 引技術使系統可提供更多避難者逃生導引資訊，並持續修正與改良研究成果使整體系 統更容易與不同環境整合建置，系統建置完成並歸納以下結論： 壹、聲光避難模組 雖數位電子看板能夠與多媒體技術整合，但在避難導引過程中，卻會因為部分問題使得導引系統有所缺陷，因此本研究提出運用聲光避難模組，在緊急避難過程中輔 助系統能夠持續提供避難者更多避難導引資源，在避難狀況下可以透過聲音技術吸引 避難者遵照方向進行逃難，使逃生過程中能夠更加順暢，並且運用分區段廣播技術可 對不同群體做分散避難，可以有效減少瓶頸問題；在煙霧持續升高時或針對低姿避難 者時，避難者無法如期或明確獲得數位看板之避難導引資訊，可透過設置於踢腳板上 方之動態導引模組指標進行導引，使避難者能在不同狀況下皆能夠獲得避難資訊以利 避難時提升避難效率；在環境中無法持續供應電力時，動態導引模組能夠提供短暫緊 急照明作為區域安全性照明，透過多方面之導引技術使原先系統更加完整且安全。 貳、避難導引系統改良修正 將原先系統整合強化，並持續修正並改良整體系統之應用，使整體系統能夠持續 與現實環境能更容易整合，透過 X-map 地圖抽換技術，能夠適應不同環境，可針對不 同場所做地圖性抽換設置，使得整體系統能夠應用於更多場合，也使整體系統更貼近 於應用層面；運用多元化模組整合式開發，可提供環境不同需求，在環境中無裝設智 慧性避難系統，也能夠提供不同應用與解決方案，使系統能夠針對場所建設系統有不 同之選擇而達到多樣性的應用；將原先數位模組開發版，功能獨立並且輕量化，並透 過 HDMI 介面輸出，使數位看板模組能夠更容易裝設於不同之數位看板中，並以智慧 型介入技術，使得數位看板能夠更容易的將緊急避難導引方將傳達給避難者，使避難 能夠更即時地獲得避難資訊，進而提升黃金救援時間的爭取；持續修正逃生導引演算 法，並將計算過程持續精緻化與速率化，讓計算過程能夠持續簡化，使得整體系統能 夠更加穩固建全。 參、多元避難導引技術應用整合 本避難導引系統透過多種傳感技術蒐集並分析環境之資訊，運用有效之即時資訊 與環境安全資訊並透過逃生導引演算法運算出避難環境較佳之安全避難路徑，並整合 各式不同多媒體與動態告示之導引技術作為逃生導引之重要依據，在環境安全無慮時， 可將系統視為環境安全監控系統，透過精準傳感裝置持續監控環境並以預警之模式持 續追蹤環境安危，在環境災害發生尚未蔓延時，能夠及早發現，並且即時性疏散避難
X 者，使得系統能夠將傷害降至最低，而系統也能夠透過不同多媒體傳播技術作為環境 資訊與廣告傳播資訊，藉由多媒體數位電子看板微型模組能夠以輕量方式完整與原先 環境中的數位電子看板整合，並取代原先模組板之不便性，並且透過 Android 多媒體 傳播技術，讓整體環境堤共不同之多媒體影音或資訊給予環境中的使用者，讓環境更 添增豐富度。 本系統已多次檢討建築究所相關應用計畫，並實際建置一套多元化智慧型避難導 引系統，讓智慧型避難技術能夠持續推廣於各種場所中，讓人員族群能夠在環境中更 加安全無慮，並在火災避難導引時能夠迅速掌握避難黃金時間，使災害影響之傷害降 至最低，讓場所更加安全。
四、主要建議事項
建議一 智慧型避難引導系統整合煙霧探測之研究：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：消防署、中華大學 當避難人群被空間中煙霧遮蔽而無法運用已完成之人流監控技術來進行有效之人 員疏散，可能造成人員恐慌而影響避難之進行。因此若能開發一套煙霧探測系統，配 合已開發完成之智慧型引導系統，當能使避難更趨完善。本建議擬利用室內環境感知 技術作為火災辨識之基礎，結合影像技術進行煙霧中之人員探測，並應用逃生導引演 算技術，開發可應用於煙霧中之智慧型避難引導之雛型系統。 本建議預計發展具煙霧探測能力之智慧型緊急避難導引雛型系統，運用影像辨識 技術進行避難者標示及計數，無線感測網路進行環境資料蒐集(如：溫度、照度、濕度 等)與狀態回報，並透過持續的自動監控系統對環境安全與否進行持續監視。若發生火 災事件時，針對環境中避難者分布情形以及環境狀態即時建構一個可有效且具人員分 流能力之智慧型緊急避難導引雛型系統，可將避難者快速導引往出口避難。建議二 申辦智慧型防火避難引導系統相關專利: 立即可行建議 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關:中華大學 將研究之無線感測網路、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、人流監控技術與聲光模組系統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。 建議三 推動「開發智慧型火災避難導引系統與實證研究」研究：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：消防署、財團法人台灣建築中心、縣(市)消防局、中華民國全國建築師公 會、中華民國消防設備師公會全聯會、捷運公司、中華大學 本建議是將逐年累積研究成果並不斷突破與創新，建置「智慧型火災避難導引系 統」之雛形，雖然皆有進行系統測試，但距離實際應用尚需一段實證研究，測試智慧 型系統與既有消防設備或是與避難計畫，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。
第一章 緒 論
第一節 研究緣起與背景
壹、研究緣起
近二十年來，全球趨勢已逐漸轉向科技與先進的大都市化，大型展覽場、購物商 場、百貨公司、地下商街內部設計與應用性皆是先進城市的代表性指標，指標性城市 會招攬各大科技與新技術廠商於大型展覽場展覽新興科技，每當活動舉行時，會場人 數時常會發生容積總量超載現象，展場內又會因為不同主題性之展覽時常變化展場內 部設計規劃，使出口路線雜亂無序。而先進大型建築則是強調功能性與未來性，使得 環境內部設計產生複雜化現象，這些情形一旦發生火災時，內部人員無法順利尋找到 出口而產生心理障礙，甚至會因資訊掌握不足而產生心理恐慌現象，如此問題皆會是 造成避難者錯過黃金時間之原因。 在火場之中也時常會發生斷電狀況且濃煙也可能會導致光源被阻擋使得環境呈現 昏暗的狀態，在逃生過程中，避難者可能會因為慣性問題而朝向危險區域方向移動或 與出口反方向之道路，這些問題也使得避難者無法在有效的時間中進行避難。 有鑑於此，內政部建築研究所於民國 101 年開始持續研究室內科技防火技術之研 究，如「結合行動通訊之智慧型主動預警及避難導引系統研究」是以感測器與無線感 測網路整合(Wireless Sensor Network, WSN)，並使用無線射頻技術(Radio Frequency Identification, RFID)搜集環境感知數據與精確人員定位，並透過運算伺服主機計算個人 導引路徑，以智慧型手機導引離開現場，但必須要配合手機應用程式安裝才能導引， 也使得研究無法全面顧及，而「電子火災逃生指示地圖與避難引導系統研究」透過相 同傳感技術與定位技術並加以改良，以室內辦公大樓與辦公場所為考量建構與研究， 以人群分流、出口乘載以及區域與避難者相互之間關係，以多方考量設計逃生導引規 劃，並運用數位電子看板導引避難者，雖能夠導引避難者進行避難但針對廣場類型場 所時，若是內人員並沒有配戴 RFID 電子標籤時，則無法明確辨別環境人員位置，使 得導引裝置無法給予正確減緩環境出口乘載，而「智慧型避難引導系統結合影像技術2 之應用研究」為解決室內人員無法正確定位，則採用數位攝影機與人流監控技術予以 計算環境中人數與分布位置，作為參考依據，並思考整體系統擴充性與維護問題，提 出以模組化技術與地圖資訊抽換技術，使得整體系統能應用於公眾場合與辦公大樓等 高相容性，並整合智慧型手機與數位看板相互配合推播通知與智慧導引，更使導引系 統推向實用性，但場域中濃煙過重或避難者以低身軀方式逃離場所，則數位電子看板 無法實際發揮效益 (游坤明, 鄭紹材, 周嘉奕, & 黃元劭, 2012) (游坤明, 鄭紹材, 徐煥 博, & 簡紹庭, 2013) (游坤明, 鄭紹材, 徐煥博, 簡紹庭, & 游景翔, 2014)。 因此本研究經過多次討論與研究，考量需要以多元與全方位指向導引，應將系統 導入於大型場域與公共場所，將歸納不同避難導引研究重點整合應用，結合發光二極 體與聲音技術結合於系統中而提出一套智慧型聲光避難導引系統，為能夠建置本系統， 必須整合無線感測網路、無線射頻技術以及數位攝影機等物聯網技術，配合逃生導引 技術運算公眾場所導引路徑，再透過智慧型手機、數位電子看板以及視覺與聲音導引 相互整合建構本系統。
貳、研究目的
本計畫「智慧型避難引導結合廣播及標示系統之研究」，是以整合資通訊技術 (Information and Communication Technology, ICT)與物聯網(Internet of Things, IoT)傳感 技術並結合多元化避難導引技術，實際建置一套完整的多元化避難導引系統。適用於 各場合、空間與各種內部建築套用，不僅能監控環境安危，還能提供一系列之聲光技 術提供場所宣傳、宣導、廣告等多媒體資訊，在火災發生時，更能成為一套全方位導 引規劃系統，帶領避難者以安全無慮方式逃離現場，考慮達成以上研究目的，本計畫 研究重點可以歸納為： 1. 探討智慧型導引系統中結合廣播系統之可行性與應用方式。 2. 運用視覺導引技術，開發可調整方向性之出口指示 LED 警示燈並鑲嵌於相關場所 中，如：踢腳板、出口逃生門，並配合智慧型避難導引系統依照環境危險程度修正導 引方向，導引避難者遠離危險。3. 配合導引系統以不同顏色標示，顯示該區域之安全狀況。
第二節 研究方法與進度說明
本計畫旨在研製一式整合物聯網技術(包含無線感測網路、無線射頻技術、數位監 控技術)即時蒐集環境資訊，透過人流演算技術、避難導引規劃運算環境安全逃生導引 路徑，並透過視覺傳達技術與聲音廣播技術整合智慧型手機與數位電子看板實際建置 一套具有環境感知、人群監控之全方位導引系統，並實際建置一套智慧型聲光避難導 引示範雛型系統，以驗證智慧型逃生技術之可行性與實用性，在研究過程中將依序建 構 ZigBee 環境感測子系統、數位人流監控子系統並配合不同場域需求建構 RFID 專業 人員定位子系統，透過智慧型避難系統分析與微觀設計概念之逃生導引演算法，運算 最佳導引安全路徑，並搭配聲光導引與動態推播導引設備導引人群離開現場，為求系 統研究嚴謹，則規劃一套研究流程作為整體研究之核心方法。壹、研究方法
本計畫主旨為擬定一套結合物聯網傳感技術與視覺、聲音、多媒體技術相互整合 之智慧型聲光避難導引示範雛型系統。其中包含十大子系統並以不同類型區分為三類， 並實際一一建置完成，為達以上目標，本研究擬採用多元研究方法： 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： 將系統分為三大類後並以個別工作建置子系統模組： 環境資訊蒐集：環境感測模組、數位人流監控模組、人員輔助定位模組。 中控系統監控：資料庫、智慧型避難系統、逃生導引演算法。4 動態推播導引：多功能聲光避難指示模組、數位電子看板模組、智慧型手機模組 等多套子系統以同樣規格化建購，並以相同技術規劃模式整合成模組型式子系統，並 以模組結合形式完成一套完整導引系統。 3. 系統整合及驗證： 實際建構一套智慧型聲光避難導引雛型系統，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
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如表 1- 1 計畫進度規劃時程表所示。「聲音動態子系統 建置」工作項目已持續進行驗證之步驟。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.環境蒐集相關 子系統建置 5.中控運算相關 子系統建置 6.資訊廣播子系 統建置 7.逃生導引演算 法建置與修正 8.期中報告 8.視覺動態導引 子系統建置 9.聲音動態子系 統建置 10.期末報告 10.系統驗證 11.成果報告 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 9 18 15 20 35 43 55 68 78 91 100 (資料來源：本計畫自行繪製)第二章 文獻蒐集及分析
本計畫將整合無線感測網路技術、無線射頻技術與人流識別技術作環境資訊蒐集 與監控，配合運用避難者在緊急環境中的心理影響與環境狀況計算出環境中逃生之最 佳狀況，並使用視覺導引技術、聲音傳導技術配合數位看板與智慧型手機相互應用， 建構出一套智慧型聲光避難導引系統，為實作本系統本章節將專業技術與應用分析。第一節 傳感器與無線感測網路
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。 (Alliance, n.d.) 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8 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。Bluetooth 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- 1 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 (資料來源：本計畫自行繪製)
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、 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，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- 1 ZigBee 於智慧住宅中的應用
(資料來源：ZigBee’ye Giriş, http://okul.selyam.net/docs/index-23892.html )
圖 2- 2 使用 ZigBee 傳輸的亮度感測器
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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，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。 (Yu, et al., 2010)( ：Coordinator ：Router ：End Device)
圖 2- 3 星狀、網狀、樹狀拓樸結構
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。
第二節 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。
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12 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- 4 所示 (廖建同, 2009)。 圖 2- 4 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) 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 RFID 訊號強度 資訊 SSI(Signal Strength Information)或發射功率(Power Level)的概念去判斷電子標籤 的距離 (Ni, Liu, Lau, & Patil, 2003)。
不過仔細研究 LANDMARC 的系統可發現，此系統的高定位 精準度是建立在以一 公尺的間隔就佈署一個主動式的電子標籤作為參考標籤的建置基礎上，就成本方面而 言仍是一大負擔，所以由賴武城等學者所提出虛擬訊號源為基礎的定位機制(Virtual Signal Location System, VSLS)，是一套優於 LANDMARC 的室內定位系統 (Lee, Yu, & Lai, 2010)。 VSLS 主要經過虛擬訊號源採樣、Middleware 程式進行訊號強度純化、資料庫系 統作為資料中心角色，最後將藉由 LANDMARC 系統中的追蹤點與參考點之訊號強度 相量集合，進而推估出追蹤點相對於考點的比重值，使用虛擬點替代指引點的方式來 讓定位精準度維持一定的精準度。由中介軟體的運算處理放置資料庫中，因此若有一 追蹤物進入，系統將可以取出 離線資料庫的訊號值進行訊號強度向量集合、比重運算、
14 座標定位的運算，讓整個虛擬化定位的技術進一步落實降低訊號回饋元件的數量，並 可以提升訊號樣本的精準度。
第三節 數位攝影機與人流監控技術
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，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持續普及，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 (Harwood, 2007)。 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，因此智慧型監控系統更 受到關注。 目前之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，因此非常沒 有效率，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、人流監控技術
在傳統 blob-based 物件偵測系統有一些提取移動中目標的方法，例如:背景相減法 (background subtraction) ， 光 流 法 (optical flow) ， 畫 面 差 異 分 析 法 (frame difference analyses)和編碼模型法(codebook model)。在背景相減法(background subtraction )在區域 中可以準確的抓取移動中的目標物，但是它對於照明的變化和不斷變化的動態背景過 於敏感。在光流法(optical flow)是用於獨立追蹤各別之目標，但是其計算量過於龐大。 應用畫面差異分析可以適應照明的變化，但當目標移動緩慢時，目標物的偵測會不完 整。在編碼法(codebook model)可以克服背景改變和照明變化的問題，但這個方法在擁 擠的人群中要發現和追蹤目標物是很困難的 (Lien, Lin, Ma, & Li, 2013)。
在一般的影像監控應用當中，具有挑戰性之一的問題就是在圖 2- 5 這種擁擠的鏡 頭中進行目標的追蹤。一般來說，嚴重的遮蔽現象會使傳統 blob-based 物件偵測/追蹤 的方法失敗。例如，追蹤的目標物在擁擠的車站或廣場，被追蹤的人有部分被其他人 遮住，只有部分區域可以被作為追蹤的線索。因此，在擁擠的人群中追蹤一個單獨的 目標我們可能會面臨兩個主要的問題: 1.當我們在監視較大空間中人群的移動，目標物 可能太小， 2.頻繁的遮蔽使得目標分割非常困難。因此，特徵點偵測及追蹤經過評估 後，認為適用於解決在人群中追蹤目標的問題。即使在擁擠的場面中，可能仍然有一 些區域的特徵點沒有被遮蔽。在圖 2- 6(b)的例子中為利用 blob-based 物件偵測的方法 偵測目標物的圖例。很明顯的，在前景區域幾個合併的目標難以被分割。相反的，在 圖 2- 6(c)中，顯示出特徵點(point-based)方法適用在人群中偵測與追蹤獨立目標的可能 性。根特徵點追蹤相同的概念，Brostow 跟 Cipolla 提出 Bayesian clustering algorithm 可以分割人群中每個獨立的個體與時空距離和軌跡的一致性。然而，執行效能並不高。 因此必須應用一個新的方法來偵測和追踪人群中的個別目標物。 (Kang, et al., 2008) (Lin, Lien, Kan, & Tan, 2010)
16 圖 2- 5 遮蔽擁擠現象 (資料來源：本研究自行繪製) 圖 2- 6 人群移動特徵分析與追蹤 (資料來源：本研究自行繪製) 為了在擁擠場景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，運用 兩個方法分別在擁擠環境中偵測、追蹤個別的目標物，以及將群體運動軌跡進行偵測 分類。第一個子系統所提出的方法是以 corner 特徵點為基礎，發展由粗糙至細緻的獨 立目標物切割演算法。在這個方法中，首先利用 C-Means 演算法將特徵點做粗略的分 群，接著透過時空最小生成樹(spatial-temporal shortest spanning tree)在每一個移動分群 內切割出更精確的個體，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。第二個子系統所提出的方法為應用 longest common subsequences 演算法自動估算 人群運動軌跡間之相似性，逐一地被分類到最適當的類別中。
第四節 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 (室崎, 1989)：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，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 (丁育群, 1987)： 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。
18 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綜合歸納 O`Connor、Proulx、Ramachandrn 等人的研究 (鄧 子正, 曾偉文, & 沈子勝, 2010)，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： 1. 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。 2. 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。
3. 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。 4. 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。 5. 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。 6. 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 初期滅火及良好規劃，可以防止延燒；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。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，20 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 (沈子勝, 1996) (歐銘寬, 2010)。 依照微觀方式設計演算法，於 2006 年學者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 (Tseng, Pan, & Tsai, 2006)。
而 2012 年學者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 (Zhou, et al., 2012)。
第五節 視覺技術與聲音技術
歐美、日本及中國已開發出具語音、聲光、可改變方向避難等避難標示燈，運用 於避難逃生障礙場所，避難標示的可視性與認知熟悉度，影響使用者的避難行為與避 難所需的時間，且內政部消防署於 2012 年 4 月訂定「老人福利機構防火安全指導綱領」， 針對有收容視覺或聽覺障礙者，應設置閃爍或音聲引導功能之出口標示燈，2012 年 5 月台北市議會也規定要求標示設備附加燈光閃滅及引導音響等設備，提供安全有效之 建築避難空間，依據調查發現，目前國內大型百貨商場中的標示設備，可能有同時有 新、舊標示設備同時使用的情況，其裝修擺設也有所不同，對標示設備亦造成若干的干擾。 (林裕昌 & 賴文忠, 2009) (謝宗榮 & 陳建民, 2012) (林慶元 & 吳慈葳, 2012)
壹、視覺影響
視覺是因生物需求而產生之官感，人在神精系統中要如何從蒐集之資訊尋找出重 要性，並建立先後順序，必須要依靠眼睛注視物體而接收，因此視覺元素所產生之引 導作用，使人接收之訊息後排序先後，故眼睛對於人與外界之資訊接收站有重要之地 位，在接收過程中 Deatherage 指出當訊息呈現狀況為(1)複雜；(2)冗長；(3)之後可能用 被引用；(4)具有空間性和方向性；(5)不要求即時行動；(6)聽覺系統負荷過重；(7)環 境吵雜；(8)訊息接收者的工作狀態允許停留在某個固定的位置時；以視覺方式呈現進 行較為適當，其汛期針對空間、位置、方向時，以視覺表現較具有優勢存在。故運用 視覺方式呈現空間、位置、方向上的引導作用具有其重要之影響，而適宜刺激人眼波 長為 370-740 奈米的電磁波，即可見光部分。 表 2- 1 可見光波長整理表 顏色 波長 頻率 紅色 約 625—740 nm 約 480—405 THz 橙色 約 590—625 nm 約 510—480 THz 黃色 約 565—590 nm 約 530—510 THz 綠色 約 500—565 nm 約 600—530 THz 青色 約 485—500 nm 約 620—600 THz 藍色 約 440—485 nm 約 680—620 THz 紫色 約 380—440 nm 約 790—680 THz (資料來源：本研究自行繪製) 發光二極體(Light-Emitting Diode，LED) 是一種特殊的二極體，由半導體晶片組 成，這些半導體材料會預先透過注入或攙雜等工藝以產生 p、n 架構。與其它二極體一 樣，發光二極體中電流可以輕易地從 p 極（陽極）流向 n 極（陰極），而相反方向則不 能。兩種不同的載流子：電洞和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向 p、n 架構。 當電洞和電子相遇而產生複合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的模式釋放出22 能量（光子即是常稱呼的光）。 LED 所用的材料都是直接帶隙型的，因此能量會以光子形式釋放，它所發射出的 光的波長（顏色）是由組成 p、n 架構的半導體物料的禁帶能量決定，這些禁帶能量對 應著近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。 此電子元件於 1962 年推出，早期 LED 只能夠發出紅光，其後發展出其他單色版 本之元件，至今夠發出的光已經遍及可見光，用途由初時的指示燈及顯示板等；隨著 白光發光二極體的出現，近年逐漸發展至被普遍用作照明用途，其優點在於： 1. 在低光度下能量轉換效率高，較為省電，非常適合在低光度需求中使用。 2. 反應時間短（以 ns 為單位），可以達到很高的閃爍頻率。 3. 使用壽命長，且不因連續閃爍而影響其壽命。 4. 耐震盪等機械衝擊。 5. 體積小。 6. 便於聚焦。 LED 設備可以透過電池供電、照明等，並且可以透過編碼技術轉換成組合語言即 可以透過 LED 顯示出所需要的文字訊息或符號，而 LED 可以裝置在各種場所如：地 板、牆面或掛至於出口上方，且裝設於煙或霧等低照度的狀況下，LED 的亮度依舊可 以顯示出避難指引之指標，若鋪於地板中則可以運用顏色方式顯示危險程度，如紅色 代表危險而綠色代表安全等方式。 (United States Patent No. US 6646545 B2, 2003)
在環境中也有許多應用實例如： 車燈應用：汽車用 LED 作轉向與剎車燈，主要好處是 LED 極高的開關速度，其亮起 時間比白熾燈快 0.5 秒之多，且 LED 燈在白天時與白熾燈炮相比亮度較高、 使用壽命長、點亮速度快，更可增加 6m 的煞車辨識距離，也可降低事故 發生。 交通號誌：在戶外環境的交通燈使用開關快速的 LED，此外 LED 壽命較長也減少壞
燈及影響交通的機會。
貳、聲音傳導
聲音是通過物體振動產生的聲波。是通過介質（空氣或固體、液體）傳播並能被 人或動物聽覺器官所感知的波動現象，在振動介質(空氣、液體或固體)中某一質點沿 主軸來回發生振動，並帶動周圍的質點也發生振動，逐漸向各方向擴展，這就是聲波。 聲波的傳播不是介質分子的直接位移，而是能量以波動形式的擴展。聲波的能量隨擴 展的距離逐漸消耗，最後聲音消失。連續振動的音叉，使周圍的空氣分子形成疏密相 間的連續波形。聲音的頻率一般會以赫茲表示，記為 Hz，指每秒鐘周期性變化的次數。 而分貝是用來表示聲音強度的單位，記為 dB。 「聲音」一詞在生理學及心理學上的定義是指大腦所接收到的聲音，和物理學的 定義略有差異，心理聲學中有許多心理學和聲學有關的研究。不過有時聲音只是指頻 率在人類或其他動物聽覺範圍內的振動，任何器官所接收的聲音頻率都有其範圍限制。 人類的耳朵一般只能聽到約在 20Hz 至 20,000 Hz（20kHz）範圍內的聲音，其上限會 隨年齡增加而降低，聲波的特性，與光波及電磁波有許多類似之處，同樣有反射、繞 射、穿透，以及能量消耗及轉換的問題，而決定聲音的三要素有：音色（Tone）、音高 （Pitch）、音量（Volume）。 表 2- 2 聲音型別決定三要素與對應影響因子 要素 影響因子 音色 (Tone) 波型 (Waveform) 音高 (Pitch) 頻率 (Frequency) 音量 (Volume) 振幅 (Amplitude) (資料來源：本研究自行繪製) 表 2- 3 聲音特性差異表24 固定因子 影響因子 特性 結果 相同頻率 振幅大 能量越強 聲音越大 相同頻率 振幅小 能量越弱 聲音越小 相同振幅 頻率高 高音 穿透力弱，傳播短 相同振幅 頻率低 低音 穿透力強，距離長 (資料來源：本研究自行繪製) 根據根據經建會人力規劃處統計台灣自 1993 年後高齡者人口已到達到 149 萬餘人， 所佔總人口 7.1%以上，根據經建會推估，直至西元 2025 年高齡者之人口數會佔台灣 總人口數的 20%，當火災發生時，高齡者聽覺對於室內避難行為與以往的觀念已有所 不同，經過實驗驗證，高齡者對於 4000Hz 及 500Hz 較容易產生察覺及反應，對於 4000Hz 以上之聲音有無重聽之患者都會快速形成陷落，而 4000Hz 以內之頻率則會因 為重聽程度而有所不同。 (曾威融, 雷明遠, & 劉時泳, 2013)
參、國內外視覺技術與聲音傳導技術應用
1. 視覺技術應用 日本也有將動態導引應用於各種商場表示之中，如遠藤工業開發出「Pure Screen Alert」，運用懸掛式強化玻璃，並且運用防煙投影技術，使得動態導引技術更為多元化， 當平時，可以做為一般商場廣告應用，並且也可以指示該區附近設施，使視覺動態導 引技術有不同變化，當緊急其況發生時，可以透過控制系統使得投影機更變為逃生導 引裝置，於發生緊急狀況時，運用監控系統變換投影內容，成為動態導引裝置，導引 人群離開，如圖 2- 7 所示。圖 2- 7 Pure Screen Alert 投影動態指示 (資料來源：台北市玻璃商業同業公會, 2013 230 期 玻璃世界) 2. 聲音傳導應用 美力生股份有限公司推出 MAR-LS12 閃滅及音聲引導功能，消防緊急逃生出口燈， 避難方向指示緊急逃生出口燈，面板採 LED 光源可節能減碳，標示面板以綠色為底， 白色表「緊急出口」字樣（包括文字與圖形）採印刷或雕刻製作，耐燃等級材料，不 易變形及變色。具閃滅警示，裝置採高亮度穿透力氙氣燈，具反光基座能讓光源集中 不會產生散光現象。 出口標示面板採用 LED 光源，達到節能減碳之要求，標示面板以綠色為底，用白 色表示「緊急出口」字樣（包括文字與圖形）採印刷或雕刻方式製作，使用耐燃等級 材料，不易變形及變色。當發生火災緊急狀況時，以閃滅及音聲引導警示動作，幫助 避難弱者往安全逃生出口疏散，亮燈時不會有影響辨識之眩光，閃滅裝置光源採用高 亮度高穿透力氙氣燈，模組化更換簡單，同時具有反光基座能讓光源集中不會產生散 光現象，其裝置如圖 2- 8 所示。
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圖 2- 8 MAR-LS12 閃滅及聲音導引消防緊急逃生出口燈
(資料來源：美力生股份有限公司, http://www.marrison.com.tw/) 3.國外相關專利
1. Color-coded evacuation signaling system (United States Patent No. US 6646545 B2,
2003)
運用 LED 裝置於建築物之地面並舖於透明走到之上，運用自動推送方式當環境中 發生火災時 LED 則會指引方向，在煙或霧的環境中，LED 依舊能夠顯示出逃生方向， 透過顏色之不同表示環境中的危險程度。
2. Intelligent directional fire alarm system (United States Patent No. US 7626507 B2, 2009)
智慧定指火災情報系統，能識別火災危險程度，並標示最近的建築物出口位置給 予環境與火災位置與逃生出口之相對安全路徑。
3. Emergency alarm and evacuation system (United States Patent No. US 3969720 A,
1976)
緊急季警報與疏散系統只會人員逃離出口，此系統包含一個警報器與多個指向出 口之指示單元，每一個警報器接包含有一個發光光源，以提供視覺與聽覺知避難導引 技術，此聲音裝置可能為人聲。
表 2- 4 專利與本研究比較 專利/研究名稱 聲音指示 動態導引指示 智慧型導引 無線傳輸 緊急備源 Emergency alarm and evacuation system 警 報 疏 散，可為人 聲 光源指示 多指向出口逃生 無 無 Color-coded evacuation signaling system 無 透明 走道 之中 LED 導引 推送導引 無 無 Intelligent directional fire alarm system 無 無 識別火災位置 給予相對安全路 徑 無 無 智慧型 避 難 引導 結合廣 播 及 標示 系統之研究 區 域 廣 播 分散導引 動態 LED 可透 過訊 號轉 換導 引 環境安全權重， 人群分流技術、 即時智慧運算 無線命令 接收與傳 輸 緊急基本 照明 (資料來源：本研究自行繪製)
第六節 智慧型手機與數位電子看板
壹、智慧型手機
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 2015 年台灣行動市場提出一份報告指出，全台有 1,800 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 21 億，由此可見得手機已成 為人們生活中的一環 (Vpon 威朋, 2015)。 不僅如此，智慧型手機功能也隨時代進步而增加，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。而 Android 系統背景喚醒機制(Google Cloud Messaging, GCM)讓手機的 App 可以 被外部事件主動觸發及啟動，運用 Google Cloud Messaging for Android API 使 APP
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Server 能將資訊推播至 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 傳送推播給指定 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，由圖 2- 9 推播技術整體架構圖了解 GCM 整體運 作方式 (Google, n.d.)。 圖 2- 9 GCM 推播技術整體架構圖 (資料來源：GOOGLE GCM)
貳、數位電子看板
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碌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，由圖 2- 10 舉例出數位電子看板應用 (陸佩芝, 2009)。 圖 2- 10 數位電子看板應用 (參考來源：本研究自行繪製) 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 (李瑞元, 2010)。
第三章 系統架構與規劃
第一節 系統架構
本智慧型聲光避難導引系統是將傳感技術(包含無線感測網路、無線射頻技術)、 人流辨識技術、智慧型避難系統、智慧型手機、數位電子看板、視覺動態導引技術與 聲音傳導技術相互整合，為達系統可擴充性與完整性，將整體系統以模組化技術開發， 並將系統切割為個別子系統模組，分別為：環境感測模組、數位人流監控模組、人員 輔助定位模組、智慧型避難系統與資料庫、多功能聲光避難指示模組、數位電子看板 與智慧型手機等，個別分工使各模組目標明確，整合整體逃生導引系統，其圖 3- 1 系 統架構概念示意圖，藉由此圖可了解整體系統運作模式。 (WSN) ZigBee protocol Database Internet Evacuation Path Computing Sever Data Collection Server Sensor Sensor Sensor Digital Signage Digital Signage DongleRFID Indoor Localization
IP Camera Crowd Counting Server Digital Signage Digital Signage Module TCP/IP WiFi GCM (Google Cloud Messaging)
GCM (Google Cloud Messaging)
Direction indication (Left) Direction indication (Right) Emergency Lighting Fire Warning Wireless Battery Voice Module Smartphone
Sound and light guidance system
圖 3- 1 系統架構概念示意圖
(資料來源：本研究自行繪製)
本研究將七大模組分為三種類型個別說明，分別為：環境資訊蒐集、中控系統監 控以及動態推播導引等，並以模組各自分工區分，使得整體系統更加明確，以下將分 成三種不同類型個別說明，切割並且介紹所有子系統模組之分配工作，以便使整體系
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壹、環境資訊蒐集
蒐集環境相關資訊，如環境感(如：溫度、濕度、照度等)、人員位置、人群分佈 等多項技術，用以蒐集環境數據並回傳與資料庫中，使得整體系統能做分析、運算、 路徑規劃等功能，而環境資訊蒐集類別包含：環境感測模組、人員輔助定位模組、數 位人流監控模組等三大模組，並分別作個別說明： 一、環境感測模組 環境感測模組為接收環境資訊之蒐集模組，安裝於環境內各區域位置，透過傳感 器蒐集環境資訊，必要時可以加裝 CO 或 CO2 傳感器以提升環境安全係數，蒐集之資 訊則以低速晶片 ZigBee TICC2530 作為通訊協定媒介回傳至控制單元，由模組接收控 制單元將蒐集資訊存回資料庫中儲存，在環境中可以透過唯一識別碼作為環境感測代 號，並且透過不同頻段切換為不同地區，以達到分區管理之效益。其完整功能性如下。 模組功能性 1. 單一接收器在場域空曠，能接收 100 公尺傳感器回傳之訊息。 2. 可藉由需求調整蒐集方式：固定時間回傳、詢問排成回傳等方式。 3. 可擴充傳感器元件提升環境安全係數指標。 4. 可依照需求切換頻率作為不同區域之傳感器所回傳之資料。 技術平台 傳感器透過 ZigBeeTICC2530 無線晶片核心接收與傳遞訊息，控制單元則是透過 接收晶片接收資訊，透過 Microsoft .Net Framework 所開發之監控程式控制環境感測模 組，在資料庫回存部分，則是透過 Microsoft LINQ Language 作為資料庫溝通語言， LINQ 語言具有完整兼容 Microsoft .NET Framework 平台，也可以作為陣列查詢語言， 透過統一式管理，會比起使用一般的資料庫語法更為安全且方便，表 3- 1 為環境感測 模組技術描述表。表 3- 1 環境感測模組技術描述表 環境感測模組
通訊協定 IEEE 802.15.4 ZigBee 通訊晶片 TI CC2530
感測器 三合一感測器(溫度、濕度、照度)、CO、CO2
開發語言 Microsoft .Net Framework Visual C# Microsoft LINQ 4.0
(資料來源：本研究自行繪製)
二、人員輔助定位模組
人員輔助定位模組是監控室內人員定位之模組，在場所四周裝置主動式 RFID 讀 取器，當環境人員配戴 RFID 主動式電子標籤(RFID Tag)時，能透過讀取器接收並計 算出 RFID Tag 之間的訊號強度，並以訊號強度與距離立方成反比之特性即可知道 RFID Tag 與讀取器之間的距離，透過 RFID 讀取器之座標並且搭配 VSLS 系統所設定 好之虛擬標籤位置，以虛擬標籤與 RFID Tag 之間的相對定位技術，提升 RFID Tag 在 環境中之精準位置。 但 RFID Tag 並非是公眾場所中會被攜帶之配件之一，因此在環境中室內人定位 與人數計算相對下降許多，繼而考慮將該模組轉向定位為專業人員位置定位，當火災 發生時，可以透過 RFID Tag 了解專業人員位置，並且告知該人員火災發生地區，前 往協助疏散，使得此模組有更大的效益存在。 模組功能性 1. 透過 RFID 技術定位室內人員位置。 2. 運用 RFID Tag 得知專業人員位置並通知協助疏散。 技術平台
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運用 RFID 讀取器與主動式 RFID Tag 相互配合，透過 VSLS 技術在環境中設置虛 擬標籤座標，當環境中有 RFID Tag 被讀取器收到後，會透過 VSLS 技術運用虛擬標 籤與 RFID Tag 做相對定位技術，使得 RFID Tag 能夠在短時間內計算出位置，而 VSLS 定位系統則是透過 Microsoft .Net Framework 開發，將位置接收後與虛擬標籤比對運算， 並運用 LINQ 語言存回資料庫中，其表 3- 2 為人員輔助定位模組技術描述表。 表 3- 2 人員輔助定位模組技術描述表 RFID 專業人員定位模組 讀取器型號 SY245-1N 網路型 標籤型號 SYTAG245-2C 主動式 中繼程式 Xtive Utility_v0260
開發語言 Microsoft .Net Framework Visual C# Microsoft LINQ 4.0 (參考來源：本研究自行繪製) 三、數位人流監控模組 人流監控模組是計算環境中人群位置與人群分佈，透過區域架設攝影機了解區域 目前人數狀況與人群分部並將資訊以人流監控演算法計算與判斷，運用 KTL 與 C-means 相互配合計算環境中人數，作為逃生導引演算法之區域人數指標，將人數與 人群分佈情形儲存於資料庫中，以備系統隨時調用，而管理人員也能從智慧型避難系 統中調閱環境監控模組歷史影像作為分析、管理使用。 模組功能性 1. 人群分部位置偵測。 2. 人群動向監控 3. 影像與人數儲存於資料庫中作為歷史備份。 人流識別技術
