IoT技術於工程管理之應用

— 工程事業群 中鼎 創研中心 助理總工程師 張泰源

資訊科技的導入，是CTCI中鼎集團發展iEPC智能化統包工程的關鍵，而物聯網（Internet of Things，以下簡稱IoT）環境的建構則是第一步。IoT的建構，係將各種內建感測器的「物體」，藉由無線或有線的方式串連起來，並透過網路來監控、處理並分析資訊，以打造安全舒適的職場生活環境。本文除說明IoT各項關鍵技術的原理與特性，也將分享CTCI創研中心如何透過IoT技術，逐步實現工地的智慧化管理。

物聯網組成架構

物聯網架構（如下圖）可分為三個階層，由下而上為感測層、網路層與應用層。感測層包含末端被感測的物體、感測器、感測區域網路及閘道器這4項組成要素；網路層大多是TCP/IP網路或行動通訊網路；第三層應用層則是企業因應不同的業務需求建置的應用系統。

上述各層功能各異，感測層的主要任務是獲得物體資訊，並通過網路層中適合的無線通訊網路技術，將資訊準確地傳送到資訊平台，經過分析運算後與應用層內各個應用領域的系統銜接，來控制物體下一步的行動，下列敘述是各層的關鍵技術說明。

一、感測層關鍵技術 

可分為「感測技術」與「辨識技術」，感測技術的應用是將感測器安裝於被感測的物件上，使被感測的物件具有感測環境變化或物體移動的能力，並將蒐集而來的資訊，經網路上傳至雲端平台。感測器的功能有如人體感覺器官般，即是偵測周遭環境的物理性變化，轉換成類比的電氣訊號，再將類比訊號轉數位訊號，以利後續電腦處理。主要感測器種類如下圖：

而辨識技術的應用，則有助於快速辨識物品的身份。如品項名稱、生產國別、製造日期及製造廠商。主要的辨識技術種類如下圖：

藉由感知層的感測與辨識兩大關鍵技術，即能蒐集被偵測物件在實體世界的重要資訊，如事件（Event）、時間（Time）與地點（Place）及狀態（Status）...等。

二、網路層的關鍵技術

包含各種不同通訊範圍及傳輸速率的無線通訊網路，可以區分為「短距離無線通訊網路」與「長距離無線通訊網路」，但無論何種通訊，其目的都是要連網路上雲端，下圖所示為無線通訊協定分類。

短距離無線通訊網路，亦可稱為區域網路，較具代表性的通訊技術有ZigBee、Bluetooth與Wi-Fi。這類技術的通訊速度快，一般而言Wi-Fi傳輸距離約100m、ZigBee為30m及Bluetooth 4.2 / 5.0分別為20m / 50m，由於傳輸範圍是屬於100m內，相當適合應用於工廠這類空間有限、存在大量須被控制裝置的場域。短距離無線通訊網路的優點是頻段穩定及通訊速度快，缺點是裝置消耗功率大，不過近年來裝置的電源設計上皆朝向低耗能的發展趨勢。而UWB（超寬頻技術）則因在室內/戶外場域使用時，須廣布指向性天線且須拉設乙太網路供電線（Power Over Ethernet，POE），其訊號傳輸易受金屬屏蔽物影響而導致訊號微弱，不適用於建造中之工地使用，在此不予討論。下圖是短距離無線通訊協定比較。

長距離無線通訊網路，亦可稱為外網，較具代表性的通訊技術有3G、4G LTE與近幾年在物聯網世界備受矚目的LPWA。先說明電信網路通訊技術，3G/4G LTE應該是大家耳熟能詳，是由基地台與手持設備所組成，使用者只要位於基地台通訊含蓋範圍內，便可進行語音或資料傳輸，其架構由底層至上層可分為三個階層（如下圖），行動電話→基地台→電信機房內之交換機。

而近年盛行的5G（第五代通訊技術） 為下一代行動通訊網路技術，特性是低延遲（URLLC）、大頻寬（eMBB）與廣連結（mMTC），而衍生出的Open RAN技術，則可推廣至「企業專網」應用，而這是另一面向的討論，故本文就不深入探究電信網路通訊技術的演進，將重點放在對LPWA的認知。

因應物聯網市場持續地擴大，各種低耗能廣域網路（Low Power Wide Area, LPWA）陸續被開發出來，如LoRa、Sigfox與NB-IoT…等，共同的特色是通訊範圍可達數百公尺以上之長距離，具有高覆蓋（Deep/Wide Coverage）、低耗能（Low Power Consumption）和大連接（Massive Connections）等特性，下圖是長/短距離無線通訊距離與電池消耗之關聯。

物聯網最重要的關鍵，是以低耗能長距離且持續傳輸少量數據，因此適合用在需大範圍監測環境、追蹤人/物位置、公用事業的智慧水/電錶資訊蒐集…等，下圖針對LoRa、Sigfox與NB-IoT…等通訊技術，進行比較整理。

物聯網遭遇到的瓶頸是不同網路通訊技術之間無法溝通的問題，因此必須藉由異質網路（如上圖、長/短距離無線通訊距離與電池消耗之關聯）的整合技術，藉助異質閘道器的協助，整合多種無線通訊之協定，讓不同的無線通訊協定彼此溝通。舉例來說，在實際監測環境中所應用的短距離無線技術網路，如Wi-Fi、藍牙（Bluetooth）及ZigBee…等，須與長距離無線技術網路，如LoRa、Sigfox及NB-IoT…等彼此溝通，目前市面上的閘道器，多數會相容幾種的通訊技術（如Wi-Fi、Bluetooth及ZigBee），以確保彼此溝通無礙。

三、應用層的關鍵技術

應用層有兩種協定是在低耗能廣域網路（Low Power Wide Area, LPWA）中，逐漸成為主流，第一種是訊息佇列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport, MQTT），在TCP/IP協定上運作，是要確保能成功建立與接收端裝置的連接，傳輸協定（Transmission Control Protocol, TCP）可以提供穩定的控制，讓數據封包正確的依序傳送且到達目的地亦能重新組合，並能同時修正錯誤，接收完成後，順利的關閉連接，缺點是傳輸端與伺服器間交換大量數據封包，耗能增加。物聯網技術供應商多數皆採用此協定。

第二種是使用者資料包協定（User Datagram Protocol, UDP），不事先建立連接，也不確保數據封包是否能正確的依序傳送及成功被接收，因此，無法保證所有數據封包都被成功傳送與被完整接收，亦無法恢復丟失數據封包與偵測出重複數據封包，但好處是不須傳輸端與伺服器間交換大量數據封包，耗能降低。

而物聯網平台的建置，藉由感測層蒐集的資訊，透過網路層無線傳輸的技術，上傳至應用層的雲端平台，進行數據統計、分析且提供建議，以協助使用者做出正確的決策，平台型式可約略分為三類：雲端型、網路型與硬體型。

以上是對物聯網關鍵技術的基本觀念介紹，有助於理解下節說明的CTCI實際在工地導入物聯網（Internet of Things, IoT）技術的應用與實際的進展。

實現工地智慧化管理

建造工地的現場施工作業中，人員進出、分佈及工作性質差異性頗大，現場工地人員的狀況需要隨時掌控，避免產生工安問題而延誤工期。工地人員定位系統利用人員隨身佩帶之定位識別證，配合定點藍牙信標發送之訊號為定位基準，透過無線電回傳定位資訊，可掌握人員的動態定位、建立電子圍籬、即時找尋特定人員、智慧考勤人數統計、工時統計、行為監測、發送求救訊號、歷史軌跡播放等管理功能，進而提高工地現場管理效能，維持工地現場人員秩序，使得現場施工能井然有序進行，真正達成智慧化管理。

為了實現工地智慧化管理，CTCI中鼎集團創研中心採用LPWA中LoRa的方案（長距離無線通訊網路）並搭配藍牙技術（短距離無線通訊網路），同時也建立了雲端平台，使用者可由平台上所提供之服務，獲取需要的資訊，以利管理工作之進行，並將此系統命名為Location Mapping System，以下簡稱為LMS。而本解決方案獲得公司的支持，已於工地進行平行測試，茲就測試內容說明如下。

本次平行測試是在欲進行人員定位的場域中，以間隔10米的方式布置藍牙信標，信標會不斷傳送包含信標編號的藍牙訊號。透過人員隨身攜帶的定位識別證，收集藍牙訊號的信標編號與其強度資訊（RSSI） ，並以LoRa （Long Range） 訊號傳送至在安裝在廠區中的基地台（Gateway）。基地台以4G方式將資料送到後台的定位系統伺服器，後台伺服器根據信標安裝時輸入的地理資料，得知信標位置（如下圖：系統架構）。藍牙訊號強度則用於推算藍牙信標與定位識別證可能的距離，知道多組信標位置與可能距離後，可根據三點定位法求出定位識別證在地圖上的位置（如下圖：定位原理）。

需要開發的相關應用程式則包括：

a)	透過後台資料API，擷取人員出入時間報表之程式
b)	將後台警報API發送之警報訊號，轉送為LINE 訊息之程式
c)	人員定位系統架構與定位原理如下圖。

上述解決方案布置於工地後，經後續的測試、觀察、調校與驗證，已確定能即時掌握人員於場域中的位置，以科技實現區域管理及人員管理。根據系統提供之人員位置軌跡資料與工作區位置，可以建立出比打卡資料更精準的人員上下班時間表，避免忘記打卡造成的爭議。人員軌跡紀錄將提供未來大數據分析使用，進行工程進度與人力調度的最佳化，改善工程進度與人員工作效率。警報資訊可藉由手機LINE APP或網頁上的平台獲得，以符合工地現場實際運作需求。本次平行測試計畫，雲端服務平台的虛擬機器做為人員定位的後台伺服器，在其進行定位計算、軌跡紀錄、資料統計、網頁介面顯示等功能，網頁介面、人員定位系統使用介面可顯示各人員的即時位置，如下圖。

人員定位平台可查詢人員的歷史軌跡並顯示於網頁，方便分析人員工作狀況與行為安全評估，如下圖。

下圖頁面顯示藉由在特定區域設定數位圍籬，可在人員出現或離開該區時發出警示，以達成安全區或危險區人員管理。

下圖頁面則顯示可設定靜止警報的觸發時間，若靜止不動超過觸發時間後，即觸發警報，確保人員發生意外昏迷後仍能發出警報求救。

警報資訊可藉由手機LINE APP或網頁上的平台獲得，以符合工地現場實際運作需求，如下圖。

藉助上述各項功能，我們在工地建立危險區域警戒範圍，可確保人員不會誤入而造成意外，提升工作安全性。而人員靜止警報與即時位置資訊功能，可在人員發生危險失去意識時，第一時間得知並前往其所在地進行緊急處置；若尚有意識，則可直接透過求救按鈕發出警報求救。目前此系統仍持續由本創研中心維運中，完善後將移交至各專案工地進行後續運用。

物聯網於工地可能之應用

工地存在許多具危險性的設施，往往因人員的分心、疏忽而導致工安事件發生；這些不幸的意外，不論是當事者、家屬或公司而言皆不樂見。因此，將LMS導入到工地安全管理，應有其必要性。下圖是與建造部門人員討論後，所探討出的可行作法，例如：在工區地面有坑洞之處或正進行重件吊裝區域，布置藍牙信標於外圍，透過後端平台進行安全距離設定，形成有如電子圍籬般的管制區域；工地的人員則須配戴定位識別證，一旦闖入管制區域，即觸發管制區現場之告警聲光裝置，並將此觸發事件的相關訊息，發送至後端平台及管理人員行動裝置上。  

結語

物聯網的無線網路之環境，具有著複雜性與多樣性，擁有不同的傳輸技術、異質無線通訊網路的互聯及感測器電池效能...等，相對於建造工地環境而言，亦有著高度的複雜性。這也意味著若要將IoT導入建造工地時，初期的整體無線通訊網路架構、工地環境的限制條件與使用單位需求功能，三者皆須進行通盤考量與縝密規畫，方能成功匹配，而現地的調查更是不可或缺的。

此外，本文只談到了典型的IoT作法，但近幾年IoT逐漸朝向5G + AIoT發展，即以典型IoT結合5G、AI、Edge及Cloud應用。典型的IoT是藉由感測器蒐集被監測人或物的變化，並初步運算轉成電氣訊號（Edge），利用無線電技術回傳後端平台（Local），比對標準值或行為模式，進行演算後再發送正確參數，修正該人或物的運作模式，呈現最適宜之行為，但尚缺少了AI、Edge與5G因子。而AIoT則是融入AI、Edge與5G後，便開始能獨立思考運算，甚至能低延遲地自行創造出解決問題的能力，自駕車技術便是一例。或許在不久的將來，不論是典型的IoT或AIoT技術皆能全面落實於工地的管理上，使現有在管理的滯礙難行之處，都能迎刃而解。