中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

一、研究緣起
近年來，我國在消防救災方面，對於第一線人員的安全部分，一直希望有更進一步的防護，在執行勤務上，資訊不對等造成火場安全疑慮的情況，對於救難人員一直是無法跨越的門檻，因此我們期許在早期探知與避難監控的方面，規劃一套運用人工智慧技術並有助於消防救災應用之系統，使其整合物聯網平台，連結終端設備，達成即時性的資訊探知，完成數據監控與分析，並於必要時給予使用者警示，有效提升環境監控安全成效；結合藍牙室內定位技術、人工智慧演算法以及雲端系統資訊統合，強化系統運作效能，給予即時性的避難導引，並將期感測器部分之數值紀錄儲存至資料庫，後續提供大數據探討，便可透過人工智慧分析判讀事件發生情形，提供分析結果，給予使用者做為避難逃生甚至是救援行動的重要依據，也可提供智慧化避難協助，在不同地區、建材、樓層、起火範圍之情況下，分析各類型機器人對於各場域之搜查與救援能力，進行合適之機器人輔助運用。
二、研究方法及過程
本研究主要為研擬出一套複合式人工智慧避難引導系統，致力於早期室內環境特定氣體與溫度偵測，利用無人斥候方式透析火場資訊，本系統預計進行實際環境驗證方式，於室內空間進行燃燒實驗，透過火災初期的實際案例，蒐集記錄並且探討回傳之數值，分析偵測結果對於火勢延伸範圍或室內避難路線等影響，以及結合以下子系統完成系統初步建置，分別為：
環境感知：傳感模組、人流監控系統
雲端平台：資料庫系統、乙太通訊系統
避難逃生：數位電子看板、聲光避難引導系統
人工智慧：人工智慧模組、演算工程分析
本研究擬採用下列方式整合子系統且達成早期透析火場資訊，以增進救難人員救災安全性之目標：
1.資料技術分析法：
採用次級資料分析法，分析國內外相關文獻資料，提供與本研究主題相關領域知識，以剖析火場安全發展、避難逃生引導、即時監測系統、人工智慧輔助等資訊應用。
2.模組系統構建：
本研究系統分類成四類可獨立運作之子系統：(1) 透過環境感知蒐集現場環境資訊，取得人員數量位置；(2) 透過雲端平台記錄場域資訊和對外通訊等事項，以及提供聯網裝置必要之資源；(3) 避難流程結合數位電子看板以及聲光避難引導系統，提升避難人員注意力更為清楚避難路線及方向，避免空間迷航；(4)將資訊整合至人工智慧探勘系統，自動化偵測場域變化，統合已知資訊，透過智能分析演算，計算出最佳避難路線。
3.系統整合與實測：
結合各模組系統，解決相容問題，整合出一套複合式火災預警導引系統，並進行情境模擬，確保整合之系統運行正常，在透過實地演練觀察運行狀況，最後統整問題完成細部修正。
4.專家學者座談方式：
邀請相關議題之專家學者，對本研究過程與成果進行審視，給予技術改進方向與專業建議。
三、研究發現
本研究擬完成一套複合式人工智慧避難引導系統，為使此系統可以在實際場域中正常運作，並有基本的穩定性與正確率，過濾掉誤報等不正確因素；透過建築研究所之燃燒實驗，藉由燃燒實驗的實際場域模擬，蒐集可貴的實際火場數值變化，並利用系統中的物聯網平台，將這些燃燒實驗之數值變化情形，系統式的從終端感測設備利用zigbee2.4G將所有ZigBee RO端感測器資訊傳輸至資訊叢集協調端(CO端)，數據蒐集叢集系統組成為 Raspberry Pi 3B +、可連網之行動或無線網路、Arduino UNO R3、ZigBee 2.4G Module(AppsBee CO)，將回傳之資料運用Raspberry Pi中的Python方式進行資料上傳，將所有資訊傳回至IoTTalk 中，讓伺服器端能夠藉由平台將其資料進行數據儲存下載，並根據使用者需求，將所需資訊依照需求之不同，以不同單元的資訊性質分別下載。
物聯網平台IoTtalk整合構建時預期可達成之效益包含能以系統化方式來管理終端設備，快速建立一個甚至多個的設備模型(Device Model)，並可隨時依照需求建立設備之間的連接與移除，對於本次實地場域實驗之研究，將會運用眾多數目的感測器建置專案的情況而言，是相當便利的事情。
室內定位設備，經由藍牙裝置相互連線，構建出應用於室內環境定位之即時定位系統(Real-Time Location System,RTLS)，並透過行動網路或是可連網之裝置，抓取網域內的訊號資源，藉由蒐集訊號強度及其處理伺服器進行即時訊號處理，並利用最新藍牙技術，增進連線品質。
本研究擬完成一套複合式人工智慧避難引導系統，並針對坊間消防、救災機器人進行分類研究。坊間消防、救災機器人以多功能性為主，但同時也因為各種類機器人功能各有特性，因此分析其相對應的功能，便可大幅增加特定場域的執行效率運作效率。目前預期可將消防運用劃分為極早期偵蒐、燃燒前期、燃燒猛烈期、災後救援等四階段，並針對各階段選擇合適之機器人，後續對於消防單位進行救災演練時，也可對於各類型建築場所，採用合適之機器人，將機器人功能之使用發揮最大效益。
四、研究建議事項
本研究經過十一個月縝密的資料蒐集、研究與系統開發建置，對於本計畫提出下列建議：
建議一
辦理智慧物聯網平台及複合式火災感知系統技術應用研究：立即可行建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：中華大學
本計畫建議使用物聯網平台進行整合的方式，將多元感知模組收集到的實際數值進行分類整合並套入至系統，在進行傳輸、上傳與下載數據的過程中，數據都可即時且準確的寫入資料庫，對於未來更大量資料的即時收集，將具有實質的應用協助。
建議二
辦理人工智慧應用於消防安全科技推廣工作：立即可行建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：內政部消防署、中華大學、財團法人台灣建築中心、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
本所將於109年辦理之「108年度建築研究成果發表講習會」、「2020前瞻建築防火科技研討會」進行人工智慧與消防科技有關專題報告，以推廣應用。
建議三
申請早期火災人工智慧分析預警相關專利：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
人工智慧演算方式之成效，經由機器學習進行火災分析，預期可判斷起火區域，並經由火災場域資訊蒐集計算出火勢蔓延範圍，也可分析數值變化，將各式不同火災數據依照其分類法則進行分類，並可考量相關建材、建築結構設計，配合消防專業建議，故可考量對於新型火災預警技術之專利申請。
建議四
推動消防機器人應用於協助消防救災相關行動：中長期建議
主辦機關：內政部消防署
協辦機關：行政院災害防救辦公室、內政部建築研究所、中華大學
本研究對各類型機器人在各式場合可做出的貢獻進行探討，研究不同類型機器人適合提供的幫助成效，將各式機器人進行功能類別方面之區分，並將災害發生之時間軸加以分類，使各功能之機器人對於各時間點之貢獻程度加以評估，幫助消防救災人員對於消防機器人使用效益多一些瞭解，以利於後續增加機器人進行火場極早期探勘等工作，盡可能減少第一線人員面對危險的機會。