英國智慧城市案例｜應用物聯網增強人對環境的感知—倫敦奧林匹克公園中的九個案例
倫敦奧林匹克公園
從東倫敦的Stratford地鐵站出來以後，大批人潮隨即推湧進入大型購物中心，如果是第一次來的人，或許難以想像在穿越這個購物中心以後，映入眼簾的會是如此寬廣、遼闊的奧林匹克公園。
奧林匹克公園(Queen Elizabeth Olympic Park)是2012年倫敦奧運的主會場，其中包含了幾處較知名的場館，如倫敦體育場(現為英超球隊主場)、倫敦水上運動中心(Zaha Hadid所設計的流線型建築)和倫敦室內自由車館。
在倫敦奧運結束十年後的今日，奧林匹克公園仍是倫敦人心目中的驕傲，原因不外乎是公園內豐富的生態環境，滿足了人類休閒和野生動物棲息與復育的需求，同時他也是倫敦最大的濕地公園，生活在其中的鳥類就有60幾種、超過十萬顆的樹木。除此之外，負責管理公園的倫敦奧運遺產開發公司(The London Legacy Development Corporation, LLDC)不斷強調奧運公園對東倫敦再生的重要性，現在也持續進行園區內的住宅、學校與商業建築的開發，使開放空間的比例由當初的90%變為今日(2022年)的70%，同時也加速了倫敦的東擴。
特別的是，也因為有不同於其他倫敦公園的專責單位，奧林匹克公園成為許多倫敦新創以及產、官、學的研發基地。在短近的未來裡，將能看到多所學校的創新與跨領域學程、世界級舞蹈中心以及英國廣播公司(BBC)的大樓興建完成。而我所就讀的UCL MSc Connected Enviroments也將進駐於即將完工的智慧大樓中，將奧林匹克公園作為學生專案的實驗場域。
物聯網應用
本文想要介紹的公園內的物聯網應用，有部分是由我碩士課程的老師與企業合作建置與維運，在我們整個學習過程中，經常透過實際的部署來理解在戶外建置物聯網應用的挑戰；更重要的是理解到，不是所有的專案都如同我們想像中的美好，有些部分會成功，有些則會失敗，但值得肯定的是，因為有了奧林匹克公園，研發與創新的能量有了發揮的地方。本文除了介紹各個專案的內容以外，會盡量說明各個專案選擇特定技術的原因、目前的困境，或是不同利益關係人的想法。
對於物聯網來說，它存在的目的無非是為了加速決策的速度與品質，倚靠的則是有意義的資料搜集、分析與後續的人機應用。對於位於大型公園的物聯網系統來說，則是幫助不同的利益關係人更加深度理解動植物的生態與棲地、人流的變化、共享運具的即時資訊、不可見的通訊強度分佈等。在接下來的部分，將介紹九個倫敦奧林匹克公園內的物聯網案例，也許你也能從中找到一些靈感，或是更好的改進作法，幫助我們有系統的認識自然與建成環境，並解決過往因為洞察不足而無法行動的課題。
｜ 目錄 ｜1. 數位孿生平台– ViLo (Digital Twin- ViLo)2. 建築營建的基地現場控制中心 (Site Biometrics & AEC Production Control Room)3. 以園區WiFi熱點計算人流 (Wifi Spark AP’s and People Count)4. 天氣觀測站 (Weather Station)5. 微氣候感測器 (ENO Microclimate Sensors)6. 蝙蝠偵測箱 (Bat Boxes)7. 河川品質監測 (Water Quality Monitoring)8. 數位玩偶 (Gnomes in the Park)9. ORBIT LoRaWAN
1. 數位孿生平台– ViLo (Digital Twin- ViLo)
這項專案是由UCL Connected Environments Lab(學術夥伴)與Future Cities Catapult(業界夥伴)合作進行。ViLo是一個虛擬的3D互動與即時資料視覺化的平台，最早是用於2012年奧林匹克公園的參與式規劃基礎。
ViLo可以支援桌機、AR、VR三種不同的媒介使用，以獲得不一樣的互動效果。ViLo展現的是以3D的建築環境為基礎，再加上即時的交通資訊、天氣資訊、園區路線規劃，甚至是WiFi熱點使用情況等資料的視覺化。
有趣的是，所有的資料皆是使用公開資料或是免費API。例如建築物是利用OpenStreetMap與Mapbox API的資料，並且每個建築物皆保留原先在OpenStreetMap的語意編碼，後續若有更多的分析需求，可以依循編碼檢索不同的資料屬性；另外，交通資訊，像是共享自行車站的位置與可用數量、公車與地鐵的站點位置與即時班次，都是運用倫敦運輸局(TFL, Transport for London)的API，這個API也是公共交通與地圖服務商 — — citymapper在倫敦發跡時所使用的；天氣資訊則是使用Wunderground’s API；園區路線規劃使用MapBox API。
先前提到，ViLo支援三種不同的使用模式，提供了不一樣的分析功能，例如使用VR模式進行3D的可視性分析，使用者更能身歷其境的感受視覺上的差異；使用AR則讓使用者更方便的在不同地方，甚至是實際場景中，模擬不同方案帶來的感受差異。
ViLo平台持續優化至2017年，儘管今日再回去看當時的成果，仍是非常驚訝於平台的完整度，這不禁讓我思考：為什麼在2012年的時候，就能夠有這樣的應用？我相信很重要的原因是資料的透明度，在整合與公開資料的當下，我們或許不知道能有怎樣的應用，但是透過業界與學術界的動能，常常會有意想不到的創意產生。
2. 建築營建的基地現場控制中心 (Site Biometrics & AEC Production Control Room)
這項專案是由UCL Connected Environments Lab(學術夥伴)、Imperial College London (學術夥伴)、Mace(業界夥伴)、3DRepo(業界夥伴)合作進行。我們可以想像，在一個大型的營建基地中，每天會出入許多不同的設備機具，這些機具(例如起重機)可能來自不同的承包廠商；同樣的，整個營建基地的人員管理也很複雜，因為每天都有不同承包商的現場作業人員進出。因此在管理層面上，不論是人員或是硬體設備的管理，都對於安全、有效的作業至關重要。
除此之外，營建案的專案管理能力也是另一個重要議題，工程延宕與超支是對整體成本管控影響最大的。儘管在建築規劃與設計階段，皆仰賴數位工具，甚至是建築資訊模型(Building Information Model, BIM)來整合資訊、提前發現問題，但在營建基地的現場，仍是處於資訊不對等的狀態，負責人須依據更多現場的即時資訊，例如天氣、風向、建材進場狀況等監測，來決定是否調整施工計畫或人員調度。
因此，這項計畫所進行的基地現場控制中心(Control Room)，整合BIM的3D建築模型資訊以及即時的營建基地狀況。這個資訊平台共有三個主要畫面區，第一個是呈現建築設計內容，屬於過去已發生的資訊，第二是目前正發生、待解決的議題，屬於當前的資訊，第三是依照歷史資料所預判的未來情況。除此之外，在人員管制上，則是利用生物臉部特徵，作為進出管制。
比較可惜的是，我並沒有詢問到這項專案的使用者反饋，或是運作的侷限以及改進方向。
3. 以園區WiFi熱點計算人流 (Wifi Spark AP’s and People Count)
園區內總共設置有30至40個WiFi熱點，使用者需要註冊會員，提供信箱、名字和郵遞區號以使用WiFi。在英國很特別的是，常見的郵遞區號是由五到六個英文字母與數字所組成，郵遞區號可以精確的指出至個別的建築物，若是比較熟悉郵遞區號的組成的人，甚至可以看前二至三個號碼就知道大概位置。
因為每個信箱代表一個註冊的會員，園區會使用WiFi的熱點連結數來計算人流。有些人也許會好奇：並不是所有人都會連上園區WiFi，這樣數據準確嗎？這樣的考量的確沒錯，因此園區搜集了人流數量後，主要觀察的是固定時間內的人流變化，例如一日中或是一星期內的人流變化，就能更妥善安排公園的清潔與活動規劃。至於郵遞區號，則是讓園區掌握使用者從何而來，作為倫敦大型的運動公園、濕地公園，園區希望更了解真正的使用者為何，是否有達到規劃時的預期，若沒有，是否是其他因素，例如交通、設施差異性等的影響。
市面上有許多計算人流的工具，像是百貨公司及商場常見的攝影機及影像辨識應用，然而在公園因為空間太寬闊了，攝影機的鏡頭範圍無法很有效的覆蓋，因此園區才選擇以WiFi觀察。
先前，正好有機會訪問到管理公園的倫敦奧運遺產開發公司，其中一個負責公園內所有「改變與創新」的經理提到，目前園區蒐集到的人流等數據，皆是自己使用為主，每個月會製作一個data report，但並未提供給其他機構使用。經理也說到，他認為了解「使用者在公園內所從事的活動」對他們來說非常重要，目前他們僅能從人流數據加以猜測，但未來若有某種服務能側面提供「活動相關」數據，則能幫助他們了解公園的規劃設計與營運管理。
4. 天氣觀測站 (Weather Station)
園區內共有三處天氣感測站，天氣感測想必是大家較為熟悉的主題，常見的數據包含溫度、濕度、風向、風速、降雨量、紫外線量等。雖然這些感測器是相對常見的，但是對物聯網產品的生命週期而言，實施(deployment)與維護(maintenance)是重要的階段，若沒有經過妥善的思考，可能會搜集到不準確的數據，甚至是無法正常運作。
以天氣感測站為例，較好的高度是距離地面4英尺（1.22公尺），並且設置在空曠的空間，也利於管理者靠近維修。至於感測器外殼，須設計防水等功能，戶外的設備常使用Ingress Protection Rating (IP Rating)，來表示外殼對於固體與液體侵入的抵抗程度，詳細的等級說明，可以點此連結了解。
天氣感測站目前的管理者為UCL Connected Environments Lab，老師提到這類設備應該每年健檢、維修保養一次，但是從2017年至今，只有維修過一次，目前以蒐集到的數據來看，設備仍在正常運行中，但仍應該規劃定期的檢測。
5. 微氣候感測器 (ENO Microclimate Sensors)
這項專案是將20個溫、濕度感測器安裝於公園濕地的樹木上，以取得濕地微氣候的資訊。感測器蒐集到數據以後，會以Mesh network的形式將數據送至Gateway，意味著每個感測器可以彼此連接，並透過網狀網路將訊息層層傳至Gateway，網狀網路是具有高度可擴展性的拓墣設計，傳統上類似的應用會直接採用端到端的傳輸，因此僅需確認所需能源，並設計相應的電池容量與太陽能板。
專案中有兩種不同的利益關係人，第一是園區管理單位，他們對於濕地的設計對降低環境溫度的效果很感興趣，因此關注的是感測器的數據；第二是負責IoT裝置研發的Imperial College London(學術夥伴)，他們希望了解：是否能在考量環境變化與電池衰退的情況下，優化並延長裝置運作時間？因此，每個裝置皆能夠監測自身的電池容量，並利用AI計算剩餘容量可以支援多少的訊息傳輸，以優化20個裝置的整體運作時間。
讓我覺得有趣的是，兩個利益關係人的目的顯然不同，一個關心數據本身對園區規劃與生態的影響，另一個專注物聯網通訊與電池設計的優化，反而對搜集的資料沒有特別要求。儘管如此，我們仍能可以看見一個雙贏的結果，這也讓我對英國公私部門的合作有了深刻印象。如果對於這項研究有興趣，可以再參考連結一、連結二。
6. 蝙蝠偵測箱 (Bat Boxes)
蝙蝠偵測箱目前也是由UCL Connected Environments Lab管理，然而整個案子是由Bat Conservation Trust(領域夥伴)、London Wildlife Trust(領域夥伴)以及Arup(業界夥伴)共同參與。目前園區內共有13個蝙蝠箱，每個蝙蝠箱中都配有樹莓派(Raspberry Pi)、麥克風及其他所需裝置。其中，麥克風用來搜集蝙蝠的聲音，蒐集到的聲音則會利用部署在樹莓派的深度學習演算法，判斷是否為蝙蝠，以及蝙蝠的種類，這邊使用的模型訓練資料庫是一個全球的蝙蝠聲音開放資料庫。此外，因為蝙蝠主要在夜間出沒，一般來說較難觀察到，而蝙蝠偵測箱能夠24小時運作，彌補了一般常見的觀察法的不足。
蝙蝠是一個很好的環境指標，蝙蝠的出現通常意味著較好的生物多樣性。目前這13個蝙蝠箱遍佈在園區內不同的環境中，有的在樹林中，有的靠近河流，有的靠近濕地，有的靠近人為設施，目的是要了解不同環境對蝙蝠選擇棲地的影響。
至於蝙蝠箱的實施與維護方面，蝙蝠箱是直接架設於路燈之上，因此解決了24小時的供電問題，電源可以直接從路燈中連接，並且使用園區的WiFi以維持固定時間區間的資料上傳至雲端。
負責管理蝙蝠偵測箱的老師提到，當初為了害怕人群破壞蝙蝠箱，刻意將設備放在路燈的高處，後來發現非常難以維修，幾乎無法一人完成。除此之外，通常為了維護公園的安全，晚上都會讓照明亮一點，但這對蝙蝠的活動其實不太好，因此他們有計劃向民眾事前說明要進行實驗，民眾可能就能接受部分時段和地點，讓電燈稍微變暗一點。
有趣的是，這個專案在2017年開始時，其中一個位於河流橋下的感測器在當時一個晚上會搜集到20,000筆資料，但後來因為河濱的大型開發案，現在卻發現蝙蝠都不見了，雖然原因仍需進一步觀察，但可以推測人為活動影響了蝙蝠的生活範圍。
有了這次蝙蝠箱的經驗，系上有了更多類似的研究，例如偵測鳥類出沒與品種的感測器等，同樣的這樣的應用皆是立基於開放的資料庫上。對於AIoT的應用來說，動物的資料庫通常較不涉及隱私問題，因此相關應用很多，但若是涉及人與運具的資料，就較難以搜集與開放使用，這也是為什麼AIoT的研究在都市與人的場域中較不常見的原因，通常僅限於一些特定情境，像是嬰兒動作判斷與老人跌倒偵測等。
7. 河川品質監測 (Water Quality Monitoring)
這項專案我僅聽到老師口頭說明，以前倫敦奧林匹克公園所在的Stratford地區是作為工業區使用，如今雖已轉型為商業區及住宅區，但在河川上游仍保有部分工廠。有相關的人員發現，河川內的魚大量死亡，為了釐清原因是水溫產生變化還是上游的污染，因此設計了水質檢測的感測器，進行24小時的監控，然而感測器僅運作了一週就被破壞了，經調查很有可能是人為所致，對於戶外感測器的實施來說，人為或是動物的破壞是常見的議題。這項專案後來是由我的碩士同學進行後續研究，分別在河川不同區域放置漂流型感測器，以分析不同時間、環境下的水質變化。
8. 數位玩偶 (Gnomes in the Park)
看了前面這麼多物聯網相關的應用，應該有些人會想到許多關於隱私權、資料所有權的議題，因此，就來介紹一個由UCL Connected Environments Lab在園區所進行的專案。這項專案有趣之處在於，放置於公園內的數位玩偶，會向遊客說明人們對過往東倫敦與園區的共同記憶，並且像是聊天一樣，和遊客討論關於物聯網信任基礎的問題，像是「物聯網對隱私的影響是什麼？」、「日漸流行的物聯網對社會更廣泛的影響是什麼？」、「我們如何讓物聯網設備變得更可以信任？」，希望透過輕鬆的方式，讓人們了解週遭的技術正在進行什麼、為什麼要做、會不會以任何形式影響到你。
更特別的是，數位玩偶們會記得每個人和他交談的內容，所以當下一次遊客與數位玩偶見面時，會有像是遇到老朋友般的問候。這麼做的原因是，研究團隊也想深入了解人如何與物聯網設備互動，並且提醒人們，我們常在不知不覺中暴露過多的個人資訊，給看似無害且有用的科技產品。
這些數位玩偶是由3D列印製成，並且透過社區參與，讓小朋友們參與製作、著色，而數位玩偶採用的是Physical Web技術，利用Beacon來偵測是否有使用者靠近，並自動開始對話。
9. ORBIT LoRaWAN
最後，能夠看到這裡真的很不容易，所以來點輕鬆的！ORBIT是位於公園內的一個娛樂設施，他是世界上最長、最高的隧道溜滑梯，但許多人不知道的是，他在頂端也設置有物聯網重要傳輸網絡LoRaWAN的Gateway，下次造訪倫敦奧林匹克公園時，不妨也上去ORBIT體驗隧道溜滑梯看看，也感受一下高塔作為Gateway是不是一個好選擇呢？
結語
看完了這些在倫敦奧林匹克公園的物聯網應用以後，我還想再跟大家說一個小故事。那天我在公園現場聽著老師介紹時，覺得一切聽起來都那麼自然與好想像，然而我不知道的是，當我回到實驗室開始研發產品、當我開始與公園管理單位協調合作、當我實際去現場部署物聯網設備的時候，才發現一切都不是水到渠成的。製作一個單一且在實驗室或家中運行的設備相對容易，但是要製作並管理數百個同樣的感測器，並且部署在公共空間中，才是對物聯網服務最大的挑戰。
我們在奧林匹克公園看到的，也許只是未來城市的一小部分，想像政府的公園管理單位未來要管理所有公園的鳥類辨識感測器，每隔幾個月要派人至現場檢查設備，要有人處理與分析數據，或是為每一個重要建設製作數位孿生，並納入民眾參與的流程。到時候該如何規模化的管理上百個、甚至上千個物聯網產品的生命週期，需要的也許是更多的數位基礎建設，以及不一樣專長的人員與組織單位，但我們還是要記得創新是一小步一小步的，當下那一步看來也許這麼自然、這麼好想像，但是在他變成所有人日常的那一天前，還有很多努力要走。
