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
因應不同地形與地區特性的建築形式皆有所不同，在都市環境中空間緊密且多型態的建築物類型，其室內規劃方式更因不同年代之建築工法演進有各式種類的變化。環境的佈置以及設計會依據建築應用的特性有所差異，讓消防救災的救災訓練逐漸增加困難。在發生火災時，錯綜複雜的室內環境與瞬息萬變的火場變化往往會讓消防救災人員因現場資訊不足容易陷入危機，倘若消防救災人員能夠在救災前進行室內環境的初步了解與探知，不僅能夠提升救災避難的效率，也能夠降低消防救災人員的危險性。隨著消防設備技術的日新月異，在消防場域中，如何使用機器人以輔助消防專業人員成為一個新興之議題。近年各國已經針對火災提出許多的消防救災機器人，但救災機器人種類繁多也沒有一定的應用準則，因此在各消防單位在挑選購買及使用消防機器人時，因功能不足或不適當而造成選購成本浪費。因此，本研究預計進行目前市場或研究領域上最新的消防救災機器人文獻探討與分析，以作為智慧型消防機器人核心功能加值模組之先期研究，並且提出一套可應用於室內環境無線定位之定位系統雛形，以提供火場環境的資訊傳輸以及室內定位之方法，其可作為提供消防救災時取得火場室內環境情況與輔助性研判資訊，以有效協助消防專業人員進行救災避難行動之參考應用。
本研究針對消防機器人的蒐集以及文獻分類以作為消防選擇之參考依據及智能型消防機器人核心功能之前期研究，並提供室內資訊以及定位之傳輸雛型架構，以提升輔助消防救災資訊傳遞之有效性，其研究目的如下：
1.蒐集消防用無線感知設備、物聯網整合平台、影像監視資料及人員定位技術資訊及相關問題，並蒐集瞭解建築物無線電屏蔽效應及可能需克服之技術問題。
2.探討消防機器人在消防救災各階段所需具備的核心功能，包含:偵蒐階段、滅火階段及救援階段所需之各項資訊與需求。
3.進一步詳細盤點目前消防機器人之實際應用性，包含消防機器人之操控方式、應用場域、應用時機、應用功能及其限制項目。
4.檢討如何透過模組化技術，將本所既有研究成果--多元異質(溫度、照度、影像以及特定氣體濃度等資料)人工智慧極早期火災預測即時運算系統及煙霧中人員搜尋LiDAR應用技術等，提供現有消防機器人功能加值之可行性研究。
為完成智慧型消防機器人核心功能加值模組之先期研究及提出室內環境探知與無線定位雛型系統，本研究將進行廣域文獻蒐集，透過現今消防相關之應用技術以及消防機器人進行文獻探討，並參考108年「早期火災探測預警人工智慧技術與消防救災結合應用研究」之機器人分類做進一步更新及核心功能之研究，以完善智慧型消防機器人之核心功能分類規劃。本研究亦導入先期火災研究規劃物聯網技術、室內感知以及LiDAR探知等技術，提出可應用於室內環境的環境資訊探知與無線定位之雛型系統，以輔助提升消防救災效率，並期減少傷亡。
二、研究方法及過程
本計畫為智慧消防機器人核心功能加值模組之先期研究，運用人工智慧物聯網技術，將所接收之即時環境感知及影像資料(包含一般及LiDAR圖像)進行演算並傳輸至指揮平台，提供火場環境情況輔助性研判的功能，以有效協助消防專業人員進行救災避難行動之參考應用，因此將採用下列步驟進行研究：
1.相關文獻資料分析法
採用次級資料分析法，相關消防應用之物聯網技術、消防機器人以及消防階段相關文獻以及相關安案例進行資料分析與整理，以明確研究目標，並蒐集相關LiDAR技術以及室內掃描之相關文獻。
2.文獻整理分類
將分類相關搜尋文獻，並且條列分類機器人相對應之應用方式，並加入先期研究「早期火災探測預警人工智慧技術與消防救災結合應用研究」所整理之消防機器人分類加以延伸深入探討機器人之消防應用技術。
3.室內資訊傳輸與定位技術
延續建築研究所成果—多元異質(溫度、照度、影像以及特定氣體濃度等資料)人工智慧極早期火災預測即時運算系統及煙霧中人員搜尋LiDAR應用技術等並提出一套應用於室內環境無線探知以及室內定位之雛型系統。
4.雛型系統測試與評估驗證
應用於室內環境探知與室內定位之雛型系統驗證，並測試可行性與應用性，以確保室內危險環境時的通訊狀況以及障礙物干擾的傳輸狀況進行分析與評估，並改善系統資料傳遞之問題以提高系統之可行性。
5.研究探討及驗證
探討研究分類內容是否與建築研究所需知內容相符合，並針對差異之文獻或分類進行探討以及規劃修正，以避免分類偏離研究。
6.邀請領域專業研究學者研究與探討
邀請國內相關研究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、研究發現
本研究是以分析消防應用物聯網技術、機器人分類進行探討，並檢討考量模組化技術結合多元異質、極早期火災預測以及LiDAR技術之加值可行性規劃，並有以下研究發現：
1.經實務資料收集與專家交流得知，不同建築物之特性與室內格局是救災現場重要資訊之一，建築物內部配置情況、起火點位置、是否有危險之易燃物(如：酒精類)、是否有受困人員等實際場域環境資訊為消防隊進行火災搶救時最關切之資訊。本研究透過現今消防相關之應用技術、現有之消防機器人、建築物特性來進行廣域文獻蒐集及其文獻探討，以作為智慧型消防機器人核心功能加值模組之先期研究。
2.在消防人員火場定位技術上，現階段室內定位科技技術之困難點為建築物材質導致訊號被屏蔽之屏蔽效應、不同遮蔽物造成訊號衰減以及複雜多變化的室內環境造成訊號多路徑效應。本研究蒐集消防用無線感知設備、人員定位技術資訊及相關問題，初步鎖定不易受環境影響的毫米波雷達技術及其訊號傳輸方式，以進一步進行室內定位技術之驗證。
3.在毫米波雷達雛形系統中，透過毫米波雷達偵僅能偵測物體對於雷達的相對位置，若想得知其室內準確之絕對位置，需導入建築平面圖，目前市售的毫米波雷達偵測範圍為廣角120°、仰角30°、俯角30°，若物件位於範圍內移動，系統會顯示偵測物件紅點位置，若於較大場域則需架設多台毫米波雷達，並整合於相同伺服器進行計算。
4.在智慧型雛型機器人研究中，本研究開發了一個簡單的雛型機器人，並且針對物件追蹤、自動避障、人臉追隨、顏色追隨等功能進行實驗，其中物件追蹤、自動避障經判斷後將兩者結合是較適合適用於火場災後探勘救援階段的使用。本研究也針對火場可能發生之閃燃、爆燃或是危害氣體進行資料收集，並且使用Arduino UNO、Arduino Mega 2560開發板搭配溫溼度感測器及各種氣體感測器安裝於智慧型雛型機器人上，並且透過遠端使用Jupyter進行偵測數值接收。
四、研究建議事項
本計畫經過十二個月縝密的資料蒐集整理與開發研究，提出下列建議：
建議一
消防機關可選配射頻型救命器(RF PASS)：立即可行建議
主辦機關：各直轄市、縣(市)消防局
協辦機關：內政部建築研究所、內政部消防署
本研究發現，依據美國NFPA1982標準，射頻型救命器(RF PASS)中具內建射頻RF收發器，使救命器(PASS) 能夠自動發送警報信號並通過 RF信號接收疏散警報，並以聲音和視覺信號反應疏散警報。此功能應可強化目前我國消防人員火場之救災安全，建議消防機關選配救命器時，可增加此射頻型式(RF PASS)。
建議二
研發毫米波雷達技術於消防安全科技應用：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、中華大學學校財團法人中華大學
由本研究建置之毫米波雷達雛型定位系統之實驗結果得知，毫米波雷達位系統僅可偵測出室內環境中移動人員位置，若欲正確地判斷出人員在室內環境中之絕對位置，則需要配合該建築樓層之平面圖配合始能達成，建議使用於火災初期。
建議三
整合偵蒐階段及滅火階段之智慧消防機器人影像偵測功能模組： 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、中華民國消防工程器材商業公會全國聯合會、中華大學學校財團法人中華大學
目前絕大部分之市售的救災機器人皆由救災人員遙控，而在火場內遙控機器人很容易因為室內環境的訊號遮蔽，或者距離過遠時，機器人會失去接受遙控能力而導致停擺，若能結合本研究提出之智慧消防機器人影像偵測功能模組及人工智慧技術，將可賦予救災機器人之自主行動與偵測能力。
建議四
研發智慧消防機器人之環境偵蒐及預測加值模組：中長期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：中華民國消防工程器材商業公會全國聯合會、中華大學學校財團法人中華大學
台灣近年火災發生率較高為住宅式建築，且住宅建築可能使人員產生危害之較常見氣體為一氧化碳、氰化物、二氧化碳等，因此可知一氧化碳、二氧化碳、溫度等數值具重要的參考價值，所以建議於環境偵蒐及預測型消防機器人安裝一氧化碳、二氧化碳、氧濃度、溫度等感測器，並且利用人工智慧深度學習技術進行場域可能發生閃燃、閃焰、爆燃等現象之預測。