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想造安全智慧城市?別忘了優化救災第一線人員的通訊科技

2017 年 02 月 14 日

文/賴明豐|國研院科政中心

近年來,全球暖化跟氣候變遷造成的極端氣候,讓天然災害發生次數日益頻繁。根據聯合國國際減災策略組織 2015 年的報告顯示(CRED,2016),氣候變遷所誘發的天然災害造成的經濟損失及傷亡,不論是強度、頻率或是不可預期性都有逐年上升的趨勢。光近十年累積的經濟損失就將近 1.4 兆美元,有 17 億人受到影響,有 70 萬人因災害而死亡。其中傷亡人數最嚴重的一年是 2010 年,死亡人數超過 30 萬人;而經濟損失最嚴重的則是 2011 年(如圖 1 所示),日本 311 大地震就是發生在 2011 年且造成的經濟損失就超過 15 兆日元(維基百科,2016)。

圖 1,歷年全球天然災害累積經濟損失。圖片來源:科政中心

而任何新興技術的出現,都會成就新應用模式的創新,在公共安全領域亦是如此。作為社會公民,我們總是期待政府能夠對自然災害、突發事故等,公共安全事件做出更高效的反應與處理,而作為政府管理者,其必然也期待 ICT 廠商能推出更有效的公共安全管理系統,力圖降低經濟損失以及對人身安全可能造成的危害(Kapucu 與 Haupt,2016;Butun 等人,2016;Moura 等人,2016;Lee 等人,2015;Bartoli 等人,2015)。然而,該導入哪一種科技來提昇並改善應變處理的能力?這是近年來各國積極探勘的領域。尤其全球正興起推動建構智慧城市基礎建設與相關應用,如何讓公共安全也朝向智慧化機能發展逐漸形成一個熱門話題,也是各國極待強化急難救助資源運用與規劃效益的新契機。

安全智慧城市的未來發展與商機。圖片來源:pixabay

各國紛紛規劃在 4G-LTE 通訊技術上建構發展安全智慧城市

隨著雲端運算、大數據分析、智慧型手機、遠端影像傳輸,以及智慧城市這項新興發展方向的出現,讓整體災害應變運作效能的優化得到全新的發展,也是目前防災科技發展的新趨勢。但是,大量的、多元的、多人同時傳輸的資料、語音(如圖 2),甚至是影像資訊充斥在通訊網路上,可能會拖垮整個通訊網路的運作(Baldini 等人,2013)。因此,從傳輸速度、資料量與可以容許的延遲時間等等條件來看,要讓這些 ICT 技術或產品發生作用的關鍵基礎,就是現在全球各國力推的 4G-LTE 行動通訊網路。

防災 ICT 技術紛紛出籠支援關鍵任務執行需求。圖片來源:科政中心

但是,原本 4G-LTE 技術發展的目標是放在商業應用上而不是公共安全領域。為了符合第一線救難人員需要使用的通話聯繫機制,包括前端通報、救難協作聯繫機制,以及救難現場與管控決策中心間的溝通並即時回傳現地狀況等等,就必須對 4G-LTE 技術架構進行適度的調整與修改,才能在智慧城市運作平台的支撐下,實踐強化急難救援指揮調度的高效能,從過去以無線電互動模式,轉型以手機為平台就能即時迅速地讓救難人員與後端管理中心以資料、圖像、語音或影音方式溝通互動,並強調協調聯動的即時效能,達成提前預防、快速互動現場狀況,以減少危機發生的風險。

例如美國總統歐巴馬在 2014 年就撥款 2.63 億美元為執法人員採購並規定隨身佩戴攝影機,讓第一線訊息即時傳送到指揮中心,從而採取更適當的行動。新加坡政府也為該國警察裝備了具有相當多元功能的「連線背心」,包括心跳監測、拔槍後會直接回傳訊息給指揮中心、生物危害及爆炸物感測,以及地圖定位裝置等等,讓指揮中心能掌握第一線人員的生理狀況,明白他們身處的環境和形勢,並可派出支援人員(Huddleston,2015)。

因此,各國政府開始檢視 4G-LTE 技術標準內容。以美國為例,即由商務部負責蒐集整理 4G-LTE 技術規格欠缺的公共安全需要的運作機能,並積極在國際標準組織 3GPP 中提出新技術或新運作機制的建議;其他包括英國、歐盟、中國、韓國、澳洲等等多個國家也陸續跟進。為了加速推動速度,美國政府還特別在國家資通訊管理局下成立了 FirstNet 管理局,並已規劃了七十億美元的預算,用來推動國家級 4G-LTE-based 的公共安全通訊(Public Safety Communications,簡稱 PSC-LTE)網路,希望能在 2020 ~ 2022 年完成。

PSC-LTE 網路上首波推動的殺手級應用:MCPtT

以美國與英國目前規劃推動 PSC-LTE 的狀況來看,一致選定的首波殺手級應用就是「關鍵任務一按通服務」(Mission-critical Push-to-talk,簡稱 MCPtT),將傳統「隨按即說」(Push-to-Talk,簡稱 PtT)技術進一步突破創新後應用於急難救援這類關鍵任務使用情境中的多方通話機制。基本上,PtT 使用的傳輸技術屬於數據封包形式;因此,整個運作機制很像是網路電話(Voice over IP,即 VoIP),只要使用者按下手機上安裝的特定 App,就可以用免持聽筒的方式,像在操作傳統無線電對講機一樣,同時對著一個群組發話或多方對話。

其實早在 2004 ~ 2006 年台灣電信業者也有短暫推出相關服務,但受限於技術沒有標準化的原因,並沒有成功在市場上推展開來。最主要的問題有兩個,第一個不能跨機種,發話端與收話端使用的手機,除了必須支援隨按即說服務之外,還必須是相同廠牌的手機。因此,即便兩支手機都支援隨按即說服務,但因為是不同廠牌也不能互通。第二個則是不能跨電信業者,所以發話端與收話端用戶如果不是同一家電信業者,那兩端也不能使用隨按即說服務來通話。不過,未來經過 3GPP 把技術規格跟運作架構都標準化又內化到 4G-LTE 系統中之後,就不會再發生這些問題了。

進一步比較傳統無線電通訊與未來 MCPtT 這兩種技術上的差異(如表 1):第一,傳統的公共安全通訊標準主要包括美規的 APCO-25 以及歐規的 TETRA。但為了強化急難救助資源的運用與協作效能,有愈來愈多國家討論制定以 4G-LTE 技術框架為基礎進一步發展專屬於急難救助情境下使用的無線寬頻通訊技術與運作機制,打造急難救助協作平台。因此,為了催生普及化、支援寬頻傳輸的公共安全通訊標準,從 Release 11 開始在 4G-LTE 中考慮公共安全相關機能,逐步成為全球統一的標準化技術,而且使用者用的就是智慧型手機。

所以,只要有智慧型手機就可以直接使用政府提供的公共安全通訊服務,例如地震資訊的通報(洪免,2016)。第二,不論是 APCO-25 或是 TETRA 都需要由專業人員協助進行設備的設定才能使用,但如果轉換使用標準化後的 4G-LTE-based 的 MCPtT,一般民眾只需要下載相對應的 Apps 就能以市售的智慧型手持裝置使用 MCPtT 通訊服務,不需要專人協助進行特殊的設定。第三,MCPtT 除了語音通話,還能夠錄影及傳送影像資料,有利指揮中心更精確瞭解現場狀況,進而有效掌握救援進度。第四, APCO-25 或 TETRA 都屬於窄頻通訊機制,因此,在資料傳輸速度上,以 2MB 的圖片來說,傳統 TETRA 需要 14 分鐘,但架構在 4G-LTE 上的 MCPtT 則能將傳輸時間大幅縮減到 1.5 秒(鍾國晉,2016)。

表 1,傳統無線電通話與MCPtT技術間的比較。圖片來源:科政中心

基本上,使用 MCPtT 服務,只要行動基地台運作正常,第一線人員就不必受限使用時延問題大(例如各節點人員處理訊息的 Delay 狀況,或是技術本身在訊號傳輸或傳播上的 Delay 等等)的傳統無線電對講機,可以直接透過智慧型手機與其他人員或後端指揮中心完成即時溝通與通報對話的目的。對話的方式除了傳統語音模式之外,也能傳送圖像或使用影像通話機制,利用手機本身既有的攝(錄)影功能與連網機制,將現場資訊回傳給後方指揮中心。

圖 3,公共安全通訊網路首波殺手級應用聚焦在 MCPtT 服務。圖片來源:科政中心

除此之外,使用 MCPtT 服務的其他好處,第一,4G-LTE 在創建通訊通道時一定是個 reliable connection,也就是說會在確保手機收得到訊號的前提下通話,而且通話過程可能遭受到的干擾大小(或範圍)都己經被研究清楚了。所以通話品質可以說是被保證的。第二個就是打破距離上的限制,多遠的地方都可以收到,只要有基地台的地方就可以收到訊號。而且,就算基地台因災害破壞無法接取到核心網路,MCPtT 也可以透過與鄰近終端裝置間的直接通訊,增進救災效率。未來這套機制還可以進一步擴散使用到其他公用事業單位,包括水力、電力、或瓦斯等等與公共任務有關的工作人員,加強管理相關勤務狀況與工作進度。

市場在 MCPtT 技術上的發展動態

2012 年開始,因為美國力推的結果,全球多個國家開始針對自己需要的公共安全機能提出新的技術或運作機制的建議方案。同時,為了擴增上傳訊號的涵蓋面積,並減少基地台的佈建數目,3GPP 首先考慮終端裝置使用較一般智慧手持裝置更高的發射功率,然而過高的發射功率將會干擾其他終端裝置,因此仍需規範發射功率的上限值。以目前來看,終端裝置在 Band 14 的功率上限規範在 31dBm(1.25W),這是一般智慧手持裝置的功率上限 23dBm(0.2W)的 6 倍,如此可將上傳訊號的涵蓋面積擴增為 3 倍,使基地台的佈建數量能減少 66%(鍾國晉,2016)。

目前,重點發展的技術除了前述用戶終端傳輸功率的調控機制(Transmit Power Control,即 TPC 技術)之外,還有搜尋週遭裝置並對最近裝置進行直接通訊機制(Proximity-based Services,即 ProSe 技術)、一對多群呼通話機制(Single-cell Point-to-Multipoint,即 SC-PTM 技術),以及在無法接取到基地台的情況下如何與微波通訊機制進行協作(即 Resilient E-UTRAN 運作架構的設計)等等都是各家廠商正積極研擬佈局的新興技術議題。另外,定位精準與影像的處理與傳輸也是強化 MCPtT 急難救助工作成效的重要關鍵技術,尤其是對緊急醫療服務人員來說,出事地點跟傷患狀況這兩項資訊是必須要在第一時間立即確認並開始溝通互動的重要資訊。因此,可靠而且能夠進行高速連接並支援即時多媒體通訊的溝通機制,能夠讓第一線急救人員知悉病人的醫療歷史,而且將其生命跡象資訊傳遞到醫院醫生,或是可以直接透過影像對話方式,讓病人與醫生之間進行互動,將會大大提高急救人員搶救回傷患生命的機率。

許多廠商都已陸續在 3GPP 提出新技術方案(如圖 4),從提案數來看中國廠商相當積極,包括像華為、海思半導體與鼎橋通訊已組成研發聯盟共同提出新技術方案。以單一廠商來看,空中巴士(AirBus)則是最多的,其次才是黑莓與英特爾。以目前來看,有關於 MCPtT 技術規格的提案已整理在 TR123.779 中,相關技術會涉及到其他八份技術文件,包括 TS122.179、TS123.218、TS123.303、TS123.401、TR123.713、TS123.468、TS124.525,以及 TS133.203。綜整來看,內容分別針對無線射頻、實體層、L2/L3、核心網與相容檢測等五個部份進行設計,在無線射頻的部份會以無線資源管控運作機制的設計為主,實體層的重點是放在多媒體傳呼會談機制與 IP 服務接取安全機制為主,L2/L3的重點是放在 ProSe 機制,核心網的重點是放在 GPRS 接取 E-UTRAN 群組通訊系統促成因素上,而相容檢測這塊則是討論中繼的機制、架構與功能。

圖 4,各個廠商針對 MCPtT 提出的技術提案重點與方向。圖片來源:科政中心

為了瞭解目前廠商佈局 MCPtT 相關技術的狀況,本研究查找合作專利分類(即 CPC)並從中找出包括 H04L 65/4061、H04W 4/10 與 H04W 76/005 等 PtT 相關技術類項,再以美國線上公開/公告專利資料為主進行檢索。從專利佈局的狀況來看(如圖 5),目前市場上 MCPtT 相關技術的專利只有一千多篇,進一步收合屬於相同家族的專利之後,剩下 920 個專利家族。由此可以瞭解,目前市場已被佈局的技術大多是在 2008 年之間的舊技術,而且大多是芬蘭、美國跟加拿大的廠商,其中又以高通、摩托羅拉與摩托羅拉解決方案掌握的專利數最多。

台灣也有零星專利涉及到 MCPtT 所需技術,相關廠商是利匯科技、聯發科、英華達、工研院與威盛;再進一步單獨針對 ProSe 與 SC-PTM 這兩項對 MCPtT 服務必備的技術檢索美國線上公開專利資料庫可以發現(如圖 6),ProSe 技術從 1997 年開始就有廠商佈局專利,但熱潮是從 2010 年之後才開始。市場中積極佈局 ProSe 技術的 TOP 3 廠商是微軟(82 件)、 IBM 與樂金。而 SC-PTM 技術則是從 2007 年之後才陸續出現相關專利,到目前為止專利數量仍然很少,最積極佈局的廠商則是夏普(27 件),其他廠商專利都沒有超過 5 件。

一般來說,針對專利數量進行分析的目的在於評估公司從事該技術研發活動的程度。若公司擁有的專利量愈多,則表示該公司擁有愈多創新技術也較具競爭力(Acs 與 Audretsch,1988);但目前看來,市場中絕大多數競爭者掌握的 PtT、ProSe 或 SC-PTM 專利技術仍然不多,就科研創新進展來說,這些 MCPtT 技術仍處於初期發展階段。不過,要特別小心一些專利大鱷(即 PAE,指目前掌握最多 PtT、ProSe 或 SC-PTM 技術專利的廠商,例如高通、摩托羅拉、微軟或夏普),國內廠商需先瞭解這些技術競爭者在技術類項上的發展狀態,除了在主流技術類項上投入研發資源正面迎擊外,也可以考慮從互補性技術類項切入(陳郁勝,2010),找出專利數量相對較少的技術區塊,形成包繞式專利的佈局策略,以便增加以後談交互授權的籌碼。

圖 5,Push-to-Talk 相關技術專利申請狀況。圖片來源:USPTO 公開/公告專利資料庫
  • 註 1:台灣廠商及相關專利:(1)科匯科技(2014/0,221,039);(2)聯發科(2014/0,286,222);(3)英華達(2006/0,172,728,即 7,664,489);(4)工研院(2007/0,124,492,即 7,756,541);(5)威盛(2005/0,128,216;即 7,136,075)。
  • 註 2:摩托羅拉在 2011 年拆分成兩家獨立公司-摩托羅拉移動及摩托羅拉解決方案。同年,Google 收購摩托羅拉移動,隨後又在 2014 年由 Google 出售給聯想集團。而摩托羅拉解決方案(Motorola Solutions Inc.)則是在 2011 年與 2014 年陸續將行動手機基礎設施部門與企業服務部門分別出售給諾基亞與 Zebra 兩間公司。從專利來看,有部份以摩托羅拉為專利權人的專利並沒有在拆分動作完成後修改。因此,為了避免不當合併造成數據上的誤失,本研究在參酌美國專利讓渡書資料庫(即 Assignments Database)資訊後保留目前可查閱到的專利權人資訊,故在前二十家廠商中仍維持單獨分列三家公司的專利數量。
圖 6,ProSe 與 SC-PTM 技術專利申請狀況。 圖片來源:USPTO 公開專利資料庫
  • 註:針對 ProSe 與 SC-PTM 技術檢索的結果並沒有收合家族專利。檢索 ProSe 技術相關專利使用的關鍵字詞為 ”ProSe” 及 ”Proximity-based Service”;SC-PTM 使用的檢索字詞則是 ”SC-PTM”與”Single-cell point-to-Multipoint”。

智慧城市未來發展有哪些趨勢?

未來急難求助服務也將走向寬頻服務才能有效提高資訊傳輸的速度。綜上所述,智慧型手機上的 MCPtT 機制已被點名是必然發展並推動的服務項目,以滿足急難救災即時溝通互動現場狀況的需求,迅速獲取災害現場第一手影像資料,有利於後方決策單位即時參與並掌握現場狀況,動態進行救災資源的分配與協調。尤其,台灣位處地震與颱洪等災害發生極為激烈頻繁的地區。台灣政府應參考國際趨勢儘快規劃國家級 PSC-LTE 網路系統,強化急難救助執行運作效率。未來可再結合 IoT 應用加強保障第一線人員生命安全。

以美國為例,FirstNET 管理局粗估未來使用人數,PSC-LTE 將會有 400 ~ 1,600 萬的潛在用戶市場。其中,光是緊急任務的第一線人員就將近 540 萬名。而 MCPTtT 每年預期產生的服務收入會在 14 ~ 46 億美元左右,即能用來支應 PSC-LTE 網路的維護及使用費、FirstNet 日常營運支出、擴大推動偏遠地區佈署計畫,以及持續進行新技術的研發工作並規劃新服務模式,例如持續發展公共安全領域的 IoT 應用服務。未來可能的新興應用包括:(1)用生理感測器,監控第一線人員的狀態,身體狀態是否正常;(2)用氣體感測器,偵測第一線人員現場,是否有瓦斯爆炸或是危害人體氣體的風險;(3)將失火房子的 layout 資訊傳到第一線人員頭盔遮罩上,協助第一線人員執行救難工作;或是,(4)先以無人機進入災區勘查,以無線傳輸將現況實況傳回後端中心等等。

從整個大趨勢來看,智慧城市逐漸成為各國政府的重要政策之一。同時也相當看重公共安全機制的建構。根據國外研調機構預估(TechNavio,2015),2014 年全球國土安全及公共安全市場產值超過 3,300 億美元,2020 年全球市場預期產值可能會成長超過 5,000 億美元。以 MCPtT 服務的推動來看,就能帶動新一波通訊晶片、系統設備、手機裝置、應用軟體,以及安全管理等等相關裝置、設備或服務的研發創新活動。尤其,從市場各家廠商掌握的專利數量來看,MCPtT 相關技術仍處於初期發展階段。因此,在市場價值明確的前提下,建議國內產學研可以 TS122.179 與TR123.779 為基礎從第 12 版切入,持續追蹤國際標準組織規格制定動態,並重點式的針對 Power control、ProSe、SC-PTM 與 Resilient E-UTRAN 相關技術、架構與機制等相關議題進行合作研究(如圖 7),並同時搭配專利佈局策略,針對 PtT、ProSe 與 SC-PTM 相關技術解析其專利技術功效組合分佈的狀況,從中找出研發投入的機會區塊,期能在國際技術規格制定初期積累關鍵知識能量,並協助國內產業搶佈技術熱點。

圖 7,3GPP 公共安全技術標準制定時程規劃與建議研討之技術議題。圖片來源:科政中心

(本文授權改寫自:國研院科政中心 科技政策觀點網站聚焦安全智慧城市新商機:優化關鍵任務第一線人員溝通互動機制

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安全智慧城市的未來發展與商機。圖片來源:pixabay

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