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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

304期2017年02月號

出版日期:2017/02/15

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迎向AI+IoT智慧新時代

撰文/劉麗惠 圖片提供/工研院、法新社

人工智慧(AI)+物聯網(IoT)智慧時代來臨,整合人工智慧的智能系統可以創造產品差異化價值,以及協助產業從製造到服務,成為臺灣產業轉型進而提升的最佳方向,而工研院於美國消費性電子展(CES)展出的「智慧視覺系統機器人」與「無人機隊ICT解決方案」,就是臺灣產業邁向「AI+IoT」時代的具體展現。

美國時間2017年1月5日,在全球最大的消費性電子展CES的會場中,一位展示人員正以雲端無人機隊管理系統,下達起飛的指令,遠在地球彼端的臺灣,一群可用來巡邏的無人機隊隨即揚空飛起;與此同時,在美國CES的會場上,可見到一台智慧機器人,輕巧平穩地與參訪者下西洋棋,並且能為賓客倒咖啡;不管是全球首創的可遠端操控無人機隊,或是擁有人類視覺般的智慧視覺機器人,都驚豔來自全球的參觀者,而這些技術全都來自臺灣的工研院,綻放臺灣以軟硬整合創新系統解決方案的實力。

AI+IoT為主軸 跨出傳統領域

深入造訪現場的工研院研究團隊發現,在軟硬體資料運算效能大幅提升,人工智慧科技加速進展之下,不同於過去幾年CES主要聚焦在物聯網(IoT)領域,2017 CES則以「AI+IoT」(人工智慧+物聯網)為主軸,包括虛擬實境、機器人、智慧汽車、無人機等都是焦點所在。

工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)研究經理葉恆芬分析,語音辨識(Speech Recognition;SR)、整體學習(Ensemble Learning)等AI相關技術逐漸成熟,並且將於兩年內可普及應用,預期AI將進入快速發展階段,包括智慧家庭、無人駕駛、機器人等領域,未來都將以AI為基礎,持續快速擴散。以機器人領域為例,隨著機器視覺技術愈來愈成熟,機器人在協助生活上的應用趨於成型,根據國際機器人協會(IER)預估,2015到2018年全球服務型機器人市場將達到196億美元,其中居家服務機器人市場占有率約74%,因此今年CES展可見許多業者推出居家機器人,多數業者以臉部、影像辨識為核心,提供陪伴、教育與娛樂、居家監控等服務,甚至可以透過辨識物體,執行物品協尋任務。

由於AI+IoT已成趨勢,葉恆芬認為,未來產業的競爭將走向以生活體驗引領產品發展的階段,數位轉型(Digital Transformation)時代已正式來臨,ICT也因此正逐步跨出傳統電子業領域,朝向發展更多智慧型應用的路途邁進,在此大趨勢之下,軟硬融合的整合式創新,將是產業下一波競爭重點,而以AI優先促進的軟硬整合,更是其中重要關鍵。

創新系統解決方案 找出新價值

有鑑於2017 CES的大趨勢,工研院今年也以AI+IoT的軟硬整合產品,於CES電子展中進行展出,包括「智慧視覺系統機器人」(Intelligent Vision System for Companion Robots)、「無人機隊ICT解決方案」等,都是整合人工智慧、大數據所打造的系統解決方案,為臺灣迎向全球科技產業趨勢的大浪潮,奠定基礎實力。

「工研院過去幾年積極以軟硬整合策略,發展出各式各樣的系統解決方案,剛好與大趨勢不謀而合。」工研院副院長劉軍廷指出,近年來工研院因應全球產業與科技的變化,積極推動軟硬整合,逐漸從技術研發走向智能系統創新之路,幾年下來已經展現具體成果,並在2015年及2016年的臺北國際電腦展(Computex)展出各種智能系統,國內練兵有成之後,已到走向國際的時間點,因此決定前往2017 CES參展。

「藉由這次的展出,工研院讓全世界看到臺灣產業已經從單一應用衍生到跨業整合,從製造衍生到服務,因此臺灣產業可以為全球市場提供新的價值;臺灣具有發展智能系統的爆發力,具備以人工智慧、大數據打造軟硬整合系統的強大實力。」劉軍廷強調,讓全球市場了解臺灣產業的新樣貌,進而對臺灣產品與服務,給予新的定位,是工研院參加2017 CES的主要目標。也希望讓全世界知道,臺灣產業正快速轉型,已經不再只是提供零組件或為國際大廠代工的角色,而是有能力提供跨域整合的系統與解決方案。

劉軍廷進一步從經濟學中的供需市場價值機制談到,過去手機產品從技術成熟到完成開發,時間可能長達二年,如今在技術不斷加速發展之下,業者新推出的手機,可能在短短半年內就遭到複製,這對採取快速生產策略的臺灣而言,帶來很大的挑戰,隨著臺灣過去獨有的價值式微,臺灣必須找出新的策略方程式,才能持續迎戰市場,而開發智能系統提高產品附加價值,正是臺灣未來可以走的新方向,臺灣產學研各界應該攜手並進,建立臺灣在全世界供應鏈體系中的新角色。

無人機隊綻放臺灣創新能量

「無人機隊ICT解決方案」內建工研院全球首創的「無人機雲端機隊操控管理系統」,此系統透過LTE,可讓操控者儘管人遠在美國拉斯維加斯,也能對臺灣的無人機隊進行遠距操控,搭配三模影像即時串流等技術應用,無人機隊也可於夜間高空進行監視。
「無人機隊ICT解決方案」內建工研院全球首創的「無人機雲端機隊操控管理系統」,此系統透過LTE,可讓操控者儘管人遠在美國拉斯維加斯,也能對臺灣的無人機隊進行遠距操控,搭配三模影像即時串流等技術應用,無人機隊也可於夜間高空進行監視。

運用以系統創新為新科技研發找到解決出口,工研院本次在CES所展出的無人機,即是一個典型的案例。隨著無人機應用越來越成熟,工研院整合資通訊、感測器、影像串流、電池材料等各領域科技的「無人機隊ICT解決方案」,以跨領域的軟硬整合、創新之姿,在2017 CES上受到各國媒體的報導,以及國際業者的矚目,成功讓世界看到臺灣在無人機領域的創新研發,為臺灣搶進無人機應用市場,創造許多可能性。

工研院資訊與通訊研究所所長闕志克指出,「無人機隊ICT解決方案」內建工研院全球首創的「無人機雲端機隊操控管理系統」,此系統透過LTE,可讓操控者儘管人遠在美國拉斯維加斯,也能對臺灣的無人機隊進行遠距操控;另外,搭配三模影像即時串流等技術應用,無人機隊可於夜間高空進行監視,精彩的無人機創新應用,驚豔來自全球的參觀者,也綻放臺灣以軟硬整合創新系統解決方案的實力。

搶攻全球無人機市場 臺灣應聚焦應用領域

過去幾年無人機在全球市場快速發展,其硬體技術已經發展到相當程度,臺灣儘管也有業者在硬體上多所著墨,但是硬體設備實力,稍落後於全球市場;但是,闕志克指出,臺灣在無人機領域也並非完全沒有機會,未來臺灣可採取軟硬整合的策略,在無人機上整合人工智慧、大數據、光學、影像等新科技,開發軟硬整合的應用系統解決方案,仍有搶攻全球無人機應用服務商機的機會。

掌握臺灣未來在無人機可以發展的方向,一年多前工研院組成無人機創新應用研發團隊,先透過發掘無人機發展創新應用時所面臨的既有問題,再從缺口切入目前市場上沒有的系統解決方案。

闕志克說,研究團隊深入就無人機產業的現有技術與應用發展進行了解之後,發現無人機產業的發展存在著三個技術瓶頸,第一、無人機尚且無法遠端操控,現行產品都必須在目視的狀況下進行操控;第二、無人機續航力不佳;第三、不同應用要有不同的感測器。這部分技術上的問題,導致無人機在商務應用創新上,受到很大限制,因此工研院研發團隊聚焦無人機商務應用領域,開始進行創新。

首先,在實現「非目視」操作的目標上,研發團隊積極就行動通訊技術進行相關技術研發;再者,就電池續航力問題,研發團隊攜手另一材料研發團隊合作,就高容量密度電池進行創新研發,嘗試讓一般無人機電池續航力可再向上提升;最後,研發團隊利用熱成像感測技術,追求無人機更強大的感測應用,使無人機可以進行多元化的應用,例如在夜間偵蒐可疑人士,或是進行建物及橋梁的結構檢測。

無人機隊展現臺灣軟硬整合實力

工研院的「無人機隊ICT解決方案」能讓作業人員遠從美國操控地球另一端的無人機隊,背後整合許多技術,主要包涵三大部分。第一,研究團隊透過「無人機隊雲端監控與快速部署技術」,克服並減緩 LET訊號延遲的問題,讓作業人員可以LTE進行跨洲操控,實現無人機飛行不需目視的目標,同時,此系統可透過斷線復原、緊急自主降落等功能,允許使用者切換選擇所控制的無人機,並在地圖上顯示無人機的位置與機體狀況。

第二,研究團隊以創新研發的「無人機三模影像即時串流」技術,整合三種攝影鏡頭,建立LTE行動網路即時影像串流機制,以攝影鏡頭為「第一人稱視角」(First Person View;FPV),可大幅降低影像串流的延遲;另一種作法則是鏡頭用高解析度的30倍光學變焦鏡頭,可讓無人機具備縮放影像的功能,如此一來,當無人機看到下面有人,可以放大清楚看到人臉,辨識能力極佳;還有一種是熱成像攝影鏡頭,可讓無人機在高空或夜間進行監控、偵察等任務。

第三,工研院以自主研發的「無人機自主式充電系統」,解決電池續航力的問題。闕志克說,研發團隊透過將燃料電池與一般電池進行混搭,尋找提高電池續航力的方法,目前此研究在技術上,已經有一定程度的突破,研究團隊同時以創新系統的概念,發展出「無人機自主式充電系統」,此系統內建自動穩定降落臺與充電安全性監控子系統;同時也支援市電、車電、外部電源型燃料電池發電系統或其他發電機等多種電源,讓未來自主式充電系統的建置,更為容易;除此之外,研發團隊也開發充電站的智能系統,讓整個充電站可以全年自主運作。

「當無人機在電力不足時,可以飛到充電站充電,維持續航力,如此一來,許多商務應用可以採用無人機隊,執行任務。」闕志克提到,目前工研院已經為警政署布署無人機隊,用於巡邏,應用於夜間治安巡邏,如此一來可以減少警察人力在夜間出勤,展現具體效益,未來,包括環境(空污)監測、海上巡邏、國土保育、急難搜救、氣象觀測和通訊中繼等,都可利用「無人機自主式充電系統」的無人機隊,進行任務執行。

催化臺灣無人機應用創新能量

CES上許多參觀者對於無人機相當感興趣。
CES上許多參觀者對於無人機相當感興趣。

面對無人機市場的加速起飛,臺灣不能繼續停留在打硬體戰的思維,因為在硬體的競爭上,最後終將會走上削價競爭一途,臺灣難以與資本雄厚的世界大廠爭高下,臺灣應該轉型提供整合型智能系統的方向,讓臺灣無人機產業在全球市場嶄露頭角,闕志克說,這次在CES上,工研院成功讓世界看到:臺灣有解決訊號延遲問題的能力,有整合各種攝影技術,發展先端影像串流應用的能量,呈現出臺灣整合創新的堅強實力。

闕志克也提到,目前工研院「無人機隊ICT解決方案」距離可正式商用化的階段,尚有一段距離,預估2017年第三、四季,會有較具體的成果展現,未來一段時間,工研院研發團隊將繼續就電池續航力、即時性、智能化飛控軟體等,為此方案進行更大的創新,這一切都需要更多研發人才與創新資源的加入,呼籲具備潛力且對無人機產業抱持信心的人才與企業,未來可以就無人機軟硬整合創新應用上,投入更大的心力,也可與工研院進行跨界合作,集眾人之力,催化出臺灣在無人機領域上,更大的創新能量。

智慧視覺機器人 讓世界看見臺灣

工研院在此次CES展出的另一大亮點是「智慧視覺系統機器人」(Intelligent Vision System for Companion Robots),造型可愛、擁有靈活手指頭的機器人,在現場與來賓一起下西洋棋,還能清楚目視賓客杯子裡的咖啡量,在有需要時為賓客倒咖啡,精準辨識西洋棋每一顆棋子、取棋放棋,以及靈巧倒咖啡的智慧功能,不僅獲得e-Times、CNET等國際科技媒體的報導,美國知名媒體USA Today等,也都報導工研院的智慧視覺系統機器人,將臺灣在智慧型服務機器人領域的創新能量,綻放在全球市場的眼前。

打造領先市場的智慧機器人

過去,智慧機器人多應用於工業領域,服務型機器人在技術與應用還不夠成熟之下,市場較小,不過近年來由於老齡化、少子化與人力資源不足等趨勢顯著,服務型機器人需求將不斷湧現,再加上服務型機器人相關技術愈來愈成熟,市場正快速起飛之中,根據工研院IEK預估,全球服務型機器人的市場規模將從2011年的36億美元,成長至2021年的178億美元,大幅成長的主因在於庶務人力短缺以及智能家居、醫療照護所衍生的應用需求。

工研院電子與光電系統所所長吳志毅指出,迎合服務型機器人市場快速成長的趨勢,近年來工研院不斷投入資源,研發智慧機器人所需的相關技術與創新應用,這次在2017 CES展示的「智慧視覺系統機器人」,就是工研院整合電光系統、巨量資訊科技、機械與機電系統研等跨領域技術,共同發展出來的智慧創新產品。

深入了解「智慧視覺系統機器人」整合的技術與創新研發所在,主要包含三大部分,第一是由工研院花費多年時間開發的「智慧視覺技術」(Intelligent Vision System;IVS),此技術可以依據多變的環境分辨不同物體,進而做出接近人類雙眼的即時反應,在此之前工研院已經利用此技術發展出可攜式投影互動裝置、無線行動3D掃描器、手持式3D掃描器、精密自動光學量測系統等創新應用,並於國內重要科技展覽上,獲得熱烈迴響。第二是整合院內巨資資訊的機器學習與大數據分析科技;第三是由工研院機械所與清華大學共同開發的機器手臂。

「智慧視覺系統機器人」三大特色

吳志毅進一步指出,工研院跨不同研發團隊整合打造出來的「智慧視覺系統機器人」,具備許多現行機器人無法辦得的能力。

首先,透過IVS,機器人可以線上精準校正機器手臂,並以深度視覺感測器及3D掃描技術,快速辨識西洋棋棋子與空間位置。吳志毅解釋,一般應用於工廠的機器人,看起來好像具備辨識物品位置的能力,其實不然,由於這類機器人都是利用感測器指示位置,對機器人被指示要從哪裡抓取物品、要把物品放置於何處,因此只能抓取固定位置的物品,但是工研院的IVS不同,它是利用三維(3D)對物件做完整的辨識與認知辨識,凡是位於三度空間內的物品,就算隨便移動,也可以即時偵測然後進行抓取,讓機器人彷彿擁有人的雙眼。

以在2017 CES展出的應用為例,下棋時,棋子的位置會不斷變化的西洋棋,工研院的智慧機器人可以根據變化,找出要抓的棋子以及要放置的位置;又或者,隨意擺放位置的咖啡杯,機器人也能找到杯子的位置然後精準倒咖啡;甚至還能夠依照咖啡杯中的水位高低,判斷是否要倒入咖啡。

其次,利用人工智慧,工研院「智慧視覺系統機器人」手眼更協調,動作更快速,吳志毅強調,目前智慧型機器人的發展面臨最大的技術瓶頸,就是整合上的問題,即機器人的手歸手、眼睛歸眼睛,兩者是分開的硬體,這次工研院透過機器學習技術,讓機器人只要辨識到棋子十分之一的形狀,就可分析運算出所辨識的棋子是國王、皇后或其他棋,接著快速命令機器手臂快速完成移動棋子或吃子的動作,這讓機器人辨識西洋棋的速度,較現行其他智慧型機器人快了20倍,也讓機器人具備「手眼協調」的能力。

此外,透過人工智慧,智慧機器人也可以對移動與夾取的過程,進行判斷,然後控制手臂移動達到避開障礙的功能,調整到最佳夾取位置與方式。吳志毅舉例,西洋棋旁邊有一高一低的棋子,此時智慧機器人可以判斷分析之後,轉動手臂避開其他棋子,順利夾取,又或者,移動棋子時到達目的地的路徑上,如果沒有其他棋子,智慧機器人就知道可以平移即可,展現猶如人在下棋的靈活應用。

再者,「智慧視覺系統機器人」的手指,是由工研院與清華大學教授利用多年的開發成果,它可以適應不同形狀與軟硬度的物體,並按照要抓取的東西,調整彎曲度與力道,然後穩固抓起,吳志毅說,因為適用於不同形狀與軟硬度的物品,可以應用的領域變得廣泛,相較於目前市面上的機器人手指頭,只能抓取固定物質的物品,應用較為單一,具備競爭優勢。

與人連結 智慧機器人未來發展空間無限

工研院整合IVS、人工智慧、靈巧機械手指的「智慧視覺系統機器人」,展現臺灣在技術創新的基礎上,已經大步邁開,走向跨界系統整合的創新之路上,因此可以打造出具備高附加價值的智慧型產品,端向國際舞台時,不僅絲毫不遜於國際上的創新研發,有些創新甚至有更勝一籌的姿態。

吳志毅指出,「智慧視覺系統機器人」可以應用的環節相當多,在工業領域,隨機取樣、產線組裝拆解、無人搬運車(AGV)系統等都需要智慧視覺系統的協助,目前也已經廣泛應用於一些工業領域,至於在服務型機器人市場,未來尚有發展空間,尤其隨著老人照護需求增加,可智慧倒咖啡、陪下棋的機器人,具備很大的市場潛力。

展望未來,吳志毅語帶興奮地說,工研院研發團隊目前已經就未來幾年的智慧機器人研究路線,進行清楚的規畫,最終的目標是要使智慧機器人與人類之間,達到更深的互動與連結。他也期待,未來智慧機器人將可以觀察人的喜怒哀樂、與人無障礙對話,也為世界的智慧化發展,帶來無限的想像空間。

儘管CES展上,各國研發團隊精銳盡出,但透過這次工研院展出的無人機和智慧視覺機器人,可以讓全球看到臺灣已經具備智能系統,例如人工智慧或大數據等的開發能量,劉軍廷指出,這代表臺灣產業研發已從過去的代工思維快速轉型,有能力提供給客戶更加貼近市場的高價值系統解決方案,而工研院也期許藉由參與像是CES等級的國際大展,能率先發聲,讓全世界看到臺灣創新的爆發力!

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