全球智慧城市發展趨勢與創新應用

智慧城市的發展與物聯網息息相關,台灣應提供更開放式創新研發環境,提高商業模式成功率。

智慧城市發展下的商機

城市伴隨著經濟與科技發展歷經多次變革,現今所談論的智慧城市內涵相較於早期資訊城市(Information City)、數位城市(Digital City)及無所不在城市(Ubiquitous City)的概念早已大不相同。演進過程可以分為三個階段。第一階段是「傳統城市」:強調投入生產要素(如:人力、土地、廠房等)把城市資源運用的效率極大化。第二階段強調「資訊城市」:強調網際網路或行動網路建設普及率,並開發各種應用程式來提高政府資訊化能力。第三階段則邁入「智慧城市」:強調廣泛使用資訊與通訊技術,包含:感測技術、有線網路、行動網路、雲端運算與資料分析等,以達到城市永續發展、改善人民生活品質與創造經濟發展。推動智慧城市發展的驅動力,包含:

  1. 健康城市:根據聯合國預估2025年全世界將有29個人口超過千萬的巨型城市(Megacity)。城市面臨交通、經濟、安全及醫療等資源調配與管理問題,因此如何提高城市基礎設施的運用效率,以達到更好生活品質成為世界各國規畫智慧城市政策的目標之一。
  2. 永續城市:隨著人口集中於都市也開始帶來各種城市汙染,包含:能源的過度消耗、碳排放的升高、過度使用汽機車帶來的空氣汙染。2015年「巴黎氣候峰會」(Paris Climate Summit)。近200個締約國一致同意通過巴黎氣候協議,目標希望減少溫室氣體排放,有效降低全球平均氣溫,使得進入2100年時全球氣溫不會上升超過1.5°C。
  3. 經濟城市:根據世界銀行估算,一個百萬人口以上的智慧城市建設,若實際應用程度達85%時,在城市投入GDP不變之情形下,財富可增加2-2.5倍。面對國際城市的競爭下,如何擴大城市就業、提升企業創新與促進企業投資是提升競爭力是各國政府重要工作也是重大挑戰。

綜上所述,智慧城市需要整合與分享各種資料,主要來自於基礎設施、使用者與車輛等資料來提供洞察力,並且提供人民無所不在的網路、改善政府效率、抵禦天然災害或優化能源經濟活動等。根據Frost & Sullivan調查智慧城市預計到2025年智慧城市將創造巨大的商機,預估市場規模將達2.1兆美元,預計市場發展以亞太地區為主,包括:智慧行動應用(如:先進交通管理、停車管理、智慧大眾運輸等)、智慧安全應用(如:城市監控、生物識別、模擬建模和犯罪保護等)、智慧建築應用(如:建築自動化、自動化空調、照明)。

圖1 2017-2025全球智慧城市市場規模(資料來源:Frost & Sullivan(2017);工研院產科國際所整理)

他山之石:從各國發展經驗看智慧城市發展趨勢

趨勢ㄧ:投資物聯網基礎建設實現城市物聯網應用

智慧城市與物聯網(IoT)兩者有密不可分之關係,許多城市的智慧化功能需要倚賴各種感測與通訊技術來協助資料傳輸,觀察國際智慧城市經驗逐漸朝向整合不同IoT技術,例如:5G技術之ㄧ的低功耗廣域網路技術(Low Power Wide Area Network;簡稱LPWAN),提供低功耗、長距離、易佈建與低成本的最佳化的解決方案,被視為城市物聯網不可或缺的技術之ㄧ。以德國漢堡市為例,德國電信於2017年底在東北部的Wandsbek區的停車位安裝具備100個NB-IoT協定的感測器。藉由NB-IoT感測器可以傳送停車位使用資訊來縮短漢堡市市民尋找停車位時間、道路壅塞與廢氣排放。市民可透過德國電信提供的行動應用程式進行停車位搜尋功能,並經導航前往目的地,同時亦整合App進行停車費用支付。

此外,隨著連網終端數量不斷成長,資料量也越來越大,投資5G網路基礎建設成為國際熱門議題之ㄧ,芬蘭坦佩雷市曾統計當地行動數據流量發現,2016年網路流量較2015年成長了60%,隨時間推演下舊有基礎設施將不敷使用,於是2017年芬蘭坦佩雷市發起Digital Tampere – Vision 2025欲投資5G基礎建設實現城市物聯網應用,坦佩雷市的電信商Elisa更於2018年3月宣布坦佩雷市推出全球首個5G網路,該市亦設立智慧運輸、無人機室內應用等5G實測場域。

趨勢二:建立城市資料市集與民眾共創價值

城市資料市集指的是透過一個具備安全控管及交易、交換機制的平台,使用者可於該平台交易各式包含商用及開放的資料,同時藉由平台提供的巨量運算技術,協助使用者進行資料集(Dataset)間之分析與應用,以創造出更多創新的應用服務與決策建議。資料市集效益可以突破單一領域資料的局限性,以資料為核心進行資料的跨領域交換,包含:政府對政府、政府對企業與企業之間促進開放分享,利害關係人中有統一的標準介面(如:Software Development Kit;簡稱SDK與Application Programming Interfaces簡稱APIs)可以大幅減少新創業者的開發成本。例如:英國Milton Keynes智慧城市計畫2015年4月發表資料市集平台,並定義167 個資料集,橫跨教育、運輸、企業、能源、水資源等統計資料,10種資料格式,且可重複提供一個便利性、大眾化、同質化的方法給資料密集使用的應用開發者。上述功能足以提供不同層次細節資訊,進而實現智慧規劃和整個城市系統資源使用。

值得注意的是當資料愈多,監管的責任愈重,因此英國Milton Keynes資料市集管理者開始重視建立一致性的資料存取所有權、使用權與使用資料的責任與義務,此舉將資料的使用制度化,給予新創企業更多的保障,他們依循資料市集技術標準、監管機制能方便連接城市感測器、蒐集資料並開發創新應用,加速城市資料分析與跨領域整合。

趨勢三:加速物聯網與AI結合,實現AIoT智慧生活

城市先進分析平台最大的特色是提供機器學習和巨量資料分析服務兩大功能。使用深度學習的AI架構將非結構化影像和圖像資料轉換為結構化數據,並發展出強大的AI演算法,再進行關聯和分類等分析工作。以中國貴州省貴陽市為例,該城市已導入2萬支具備人工智慧(AI)人臉辨識功能的攝影機來強化治安。城市利用監視系統可以連結到全國臉部資料庫平台進行巨量資料分析比對,分析出特定人的年齡、姓名、種族、家庭成員,以及行走路徑、待過的地方、接觸過的人等資訊。未來中國計畫2021年可以擴大在城市治理應用,提升監控系統的人臉辨識準確率達90%,可在2~7分鐘內抓到嫌疑犯。

趨勢四:建立智慧城市聯盟,促進公私民合作夥伴關係

英國的高等教育基金委員會(Higher Education Funding Council for England; HEFCE)出資1600萬英鎊創立了「MK:Smart」合作專案計劃,並交由Open University領導。此計畫的宗旨希望運用此基金而提升高等教育對經濟成長有所貢獻,「MK:Smart」專案運作是透過民間力量推廣智慧城市實驗場域,同時吸引了產業界(英國電信BT、衛星應用公司Catapult、水資源公司Anglian Water Services公司、資料分析公司Graymatter、能源公司Playground Energy、顧問公司Fronesys)、民間法人與社群團體(Open University、HR Wallingford土木工程相關協會、Milton Keynes Council地方議會、自願性公民社群Community Action:MK、University of Bedfordshire、University of Cambridge)等利害關係人形成豐沛的創新能量。此計畫最終希望可以育成90家中小企業,橫跨運輸、能源、水管理、家庭與教育解決方案提供商。

特別的是英國MK:Smart計畫運作模式跟過去熟悉的BOT(Build-Operate-Transfer)模式不同,英國MK:Smart專案採用PPPP模式(Public-Private-People Partnership)。PPPP模式下由民間資本、社會資金進入計畫之中,不再完全仰賴政府資金。同時專案主題制定也將由公民團體(如:Our:MK)、法人團體(如:HR Wallingford)、地方議會(Milton Keynes Council)等民間代表參與,與產業、政府共同訂定,避免單方面集中於政府造成財政壓力、缺乏多元觀點和政府業務負荷。授權由民間主導,可結合技術研發、育成服務、新創資源,配合Milton Keynes實際場域可以有效擴大市民參與,進而形成完整智慧城市系統整合生態圈,對於解決方案創新較能夠貼近市場需求。

創新應用:物聯網開啟智慧城市應用嶄新的商業模式

模式一:購買功能不斷更新的設備(Pay per Product)

英國2017年發起無人駕駛創新競賽UK Autodrive希望打造英國作為發展無人駕駛車技術的全球樞紐,並透過英國的城市進行實地測試,將無人駕駛車技術整合到現有的城市環境中。而自駕車領域的領先者Tesla公司則將自駕車與整合物聯網平台,藉此改進工廠系統,串接到業務應用程式,讓資料流可以互通實現跨部門合作。產品開發團隊可獲取第一手生產線數據進行設計製造減少錯誤,不用再透過第三者傳遞資訊。當設備或產品提供給客戶之後,工程師可以透過平台知道某個功能被使用的次數、何時使用、使用的頻率是多少、常在哪裡使用等,可以依據客戶習慣修改功能,並加快上市速度。

此外,系統可以OTA方式逐步改善產品功能,讓產品連網可使製造商所開發產品基本功能不斷的透過韌體更新方式增加更高階的功能。例如:每一台特斯拉都有預備自動駕駛能力。只要法規就緒,特斯拉只要透過OTA方式就可立即提供該功能。

模式二:依據使用設備量付費(Pay per Use)

愛爾蘭新創公司Solo Energy在其智慧電表上裝設偵測、溫度的感測器,依據感測器所紀錄的用電量對客戶進行收費,協助客戶有效利用預算。而實現這樣服務的背後乃是採用雲端服務平台分析,可預測各地分散式電表使用情況,能為客戶創造價值的是把採用新能源的電轉賣給別人而不是單單記錄用電數量,在電表發生故障前就主動進行維修,以減少電表運作成本,支持公司以新商業模式獲利。

模式三:依據平台所創造的結果收費(Pay per Outcome)

歐洲跨國能源服務集團E.On在美國擁有多個風力發電廠,他們希望藉由物聯網平台的導入提高年度能源生產力,因此找上GE合作將風機連接到後端軟體分析平台,對風場上萬個數據點進行即時分析,對照風場即時功率性能數據,即時指揮調度風機運轉(風機之速度、扭力、動力…),以每40ms最佳化渦輪機葉片間距,提高電力輸出量。渦輪機資料也會傳輸到發電廠營運中心,進行發電量預估報告以及建構渦輪機關聯性預測模型,改善發電廠整體營運流程。然而GE對E.On提出合約保證模式,先收少許頭期款(建置及工時),針對平台的分析與預測性服務的進行利潤分享,也就是說若GE於合約期間達到設定之效益指標,如:每台風機可拿到增加的電力效益之0.1%價值為服務報酬。

智慧城市需要從解決市民的問題思考,台灣的機會在於把握場域試驗,透過實際的建置經驗改善城市營運議題,並且把整體解決方案輸出國際,不僅帶動服務輸出也帶動國內供應鏈出口商機。應用創新的選擇可以優先考量與台灣國情相同的國家進行標竿研究,觀察國際上智慧城市創新應用許多來源是中、小型或新創公司所提出,以解決城市發展問題或滿足在地民眾需求,因此創新創業項目在國際上已納入智慧城市發展重要環節。台灣於智慧城市營運上可結合公民參與、企業與政府共同創新生態基礎上,提供更開放式創新研發環境,不僅可以滿足城市治理願景目標,同時兼具企業創新能力,提高商業模式成功率。

實現智慧城市創新服務打造創新生態環境至關重要,基礎建設完善仍需倚賴城市級的物聯實驗網、驗證實驗室,協助國內產業鏈業者投入低成本、廣覆蓋與大規模佈署之網路架構,淬練智慧城市相關使用情境、新技術研發與服務驗證,協助產業建構服務整廠輸出的產業生態鏈。創新服務的落實則需要跨領域應用的資料市集,以及一套完整的資料監管機制,前者可解決跨領域、跨平台之資料互通(Interoperability)問題;此外,也可以提升資料集之曝光度,使其更容易被搜尋(Discoverability)與整合(Integration),以活化資料應用價值。後者則把資料流向透明化與控制權將是箇中關鍵,定時定期調整資料權限才能避免個體戶爭議。

未來台灣智慧城市有機會朝向服務驅動產業發展,台灣資通訊製造供應鏈為台灣最大優勢,下一階段持續加強軟硬體系統的深度與廣度於全球市場上仍有很大的揮灑空間,在地驗證結合系統整合輸出才能加速台灣企業形成使用者應用生態圈厚植國內企業整廠服務輸出能力。

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊