空間資訊：地球的電子神經系統–全球感測網
96/08/07
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梁鴻翎｜
加拿大卡加利大學空間資訊學系
有一個手機大廠的廣告詞說得好，「科技始於人性」。影響我們生活最深遠的科技，往往是已經在不知不覺中融入我們每天生活中的科技。這些科技已經成為生活的一部分，甚至很難察覺到它們的存在。
全球資訊網（world wide web, WWW）就是一個典型的例子，現在它已經成為我們每天生活中不可或缺的一部分了。事實上，還有許許多多的科技正逐漸加入全球資訊網的行列，在不知不覺中滲透到我們的日常生活中。直到有一天，因為我們是如此深深地仰賴它們，反而忘記了它們的存在。在這些科技中，有一個就是本文所要介紹的「全球感測網」（world-wide sensor web, WSW）。
地球的電子皮膚
葛羅斯（Neil Gross）於1999年8月30日刊行的《商業週刊》（Business Week）雜誌上，在21世紀的21項新概念中，說明其中一項網際網路的概念時，為全球感測網提供了一個很生動的敘述：
「在下一個世紀，地球將披上一層電子皮膚。這一層電子皮膚會以網際網路為骨架，並使用它來傳達感覺。這層皮膚也正被縫合在一起，它是由上百萬個電子感測器所組成，包含溫度計、壓力計、空氣污染偵測器、照相機、麥克風、葡萄糖感測器、心電圖感測器、腦波感測器等。這些感測器無時無刻地觀察與監控城市、瀕臨絕種的動物、大氣層、船舶、高速公路上的交通、載貨的卡車車隊、我們的日常對話、身體狀況，甚至是我們的夢。」
全球感測網的研究已經吸引了許多學界與業界的注意。《自然》（Nature）期刊形容全球感測網會是2020年的電腦平臺，它由許多微小的電腦所組成，無間斷地監測地球的生態系統、建築、甚至我們的身體狀況。有一篇美國國家科學基金會的報告指出：「全球感測網會成為世界第1個電子神經系統。」這篇報告甚至預測，全球感測網將成為繼80年代的個人電腦和90年代的網際網路之後的下一波電腦革命。
全球感測網將廣泛地應用在軍事、農業、生態保育、國土安全、交通、醫學、甚至星球的探測上。許多的大規模全球感測網的研究，也如雨後春筍般地出現。像是英特爾（Intel）以出自荷馬的史詩《伊利雅德》，代表天上諸神信使的彩虹女神為代號的「彩虹女神」（IRIS Project）計畫，連結了一群網路攝影機，並結合影像處理科技，來即時監控城市中的停車位。
微軟的「感測地圖」（Sensor Map）計畫，則提供了一個即時空間資訊平台，讓全世界各地的科學家可以使用網路電子地圖為介面，發布、搜索與查詢為數眾多的即時感測器觀測的資訊。
另一方面，美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室的感測網計畫（Sensor Web Project），則是以探測火星上的生命跡象為目標。加拿大維多利亞大學的海神計畫（NEPTUNE Project），則是不間斷地監測海底的狀態。除此之外，全世界的科學家也正廣泛地探索全球感測網的應用。相信在不久的將來，還會研發出更多、更創新的全球感測網的應用。
什麼是全球感測網
在介紹什麼是全球感測網之前，必須先了解兩個重要的科技概念－感測器與感測器網路。
感測器 在這裡定義的感測器，是一個有能力偵測某種現象，並對所偵測的現象輸出一個估計值的裝置。舉例來說，小到房間裡的溫度計，大到衛星上的照相機，都是感測器的一種。因為現今感測科技的突飛猛進，已經可以使用感測器來偵測數百種的物理、化學和生物現象。也就是因為如此，才可以實現為地球建造一個神經系統的願景。
事實上，在我們每天的生活中，已經隨處可見各式各樣的感測器。舉例來說，空調系統中都有溫度計，房間裡都有煙霧偵測器，有些行動電腦隨機附有視訊攝影機，新款的行動電話中也有照相機，高速公路有雷達測速儀與車流監控攝影機，汽車也有全球定位系統接受器，河流有水位監測儀，甚至北美的大都市鬧區有化學毒氣偵測儀等。這些感測器隱藏在我們的日常生活中，不間斷地執行感測任務，使我們的生活更為便利。
現今科技的進步，使得感測器可以變得更小、更輕、更省電。例如微機電科技的進步，讓我們可以製造微米，甚至奈米尺寸的感測器。因為這些感測器體積的縮小，使得感測器的製造成本降低與應用增加。我們也會看到無數的感測器更廣泛地應用在我們生活中。
感測器網路 過去因為通訊科技的不發達，科學家在布設感測器之後，都要定期地到感測器所在的監測站，抄寫或下載感測器的觀測資料。科學家把下載的資料帶回實驗室後，才可以對感測器的觀測量進行分析與研究。
而在今天，因為網路通訊技術的迅速發展，無論感測器布設在地球上的任何一個角落，我們都可以把這些感測器連結起來，即時地把偵測到的大量資料傳輸到實驗室或資訊中心。因此，科學家或決策分析者可以迅速地獲得資訊，並藉由這些資訊做出即時分析，甚至利用這些資訊做出即時的事件預測。我們把這樣的一個互相連結的感測器網路系統，稱作感測器網路（sensor network）。
不同於在室內享受空調的電腦與伺服器，感測器是布設在野外或事件的現地，忍受風吹雨打呢！而且，因為感測器種類的不同，所處的環境不同，或者是應用需求的不同，不同的感測器網路往往使用不同的網路傳輸技術與協定。
目前，可以用在建構感測器網路的通訊技術，包含了網格網路（grid network）、微波通訊、第2代或第3代的手機通訊、甚至衛星通訊。舉例來說，在加拿大一些冰天雪地、渺無人跡的地方，只有衛星通訊能讓感測器與外界溝通。又像是布設在海底監視海床的高畫質攝影機，只有使用有線的海底線路才可以傳輸即時的高畫質影像回實驗室。而在各式各樣的感測器網路中，以無線感測器網路（wireless sensor network）最受人注目。
無線感測器網路是由許許多多、體積微小的無線感測器組成的，除了感測器本身以外，每一個無線感測器主要是由一個無線微波通訊模組、一個微控制器與一個電池所組成。這些無線感測器的體積，大約從一個火柴盒到一個10元硬幣的大小。它最大的特色之一，是科學家們可以像播種一般，把眾多的無線感測器灑在感測環境中。然後，這些被播下的無線感測器，會自動地以動態的方式連結在一起，彼此合作，即時地傳回感測資料。
別看這些無線感測器是如此地微小，甚至是小到不起眼。在裡面的微控制器，可以讓科學家或工程師使用專門的程式語言編寫軟體，甚至安裝微型的資料庫系統。如此一來，科學家坐在實驗室中就可以遙控這些無線感測器網路，執行感測的任務。美國國家航空暨太空總署的噴射推進實驗室，也計劃把這些無線感測器網路送到火星上，探測火星上的環境。無線感測器網路的研究，現在是電腦科學中最熱門的研究方向之一。
全球規模的感測器
由以上的介紹，我們知道世界上已經有許許多多不同種類的感測器，布設在地球上的各個角落。也有越來越多的感測器，彼此以感測器網路連結，可以大量地傳遞即時觀測資料回實驗室，做為實驗或決策分析之用。
但是，當這兩樣科技逐漸成熟以後，科學家們卻發現一個新的問題。那就是這些不同的感測器網路之間，並沒有互相連結在一起，也就是說，在不同的感測器網路之間，無法使用與分享彼此的觀測資料與運算資源。
舉例來說，當有重大的緊急災害發生時，像是遭遇大規模的恐怖攻擊，警察局無法即時監控交通局在各大路口布設的交通路況攝影機，也無法監控捷運局在捷運沿線車站所布設的監視器。此外，消防隊也無法查詢即時的化學毒氣偵測資料，因為化學毒氣感測器網路不屬於消防隊，而是屬於國土安全部。簡單地說，今天的情形就像是我們空有眾多的感測器網路分布在各個角落，卻無法使用它們。
造成以上問題的原因，主要是我們不知道有哪些可用的感測器網路的存在。即使知道它們的存在，也無法與這些感測器網路溝通或傳輸資料，因為不同的感測器網路，往往使用不同的網路傳輸協定與架構。即使我們能夠遵守特定的網路協定，連結到某幾個特定的感測器網路，仍然無法使用它們的資料，因為每一個個別的感測器網路都使用不同的資訊模型與資料格式，來描述感測器本身和它們所觀測的現象與觀測資訊。
現今的一個個感測器網路，就好像一個個孤立的資訊島嶼般，不知道彼此的存在，無法分享彼此的觀測資料，無法分享彼此的運算資源，更無法共同合作執行智能化的觀測任務。以比較準確的科學術語來說，這些異質性的感測器網路之間缺乏相互操作性。
或許，有些讀者覺得以上所描述的問題有一點點似曾相識。今天發生在這些感測器網路之間的情形，很類似十幾年前發生在全球資訊網誕生以前的電腦系統之間的情形。在當年，電腦系統與電腦系統之間，無法分享彼此所儲存的資料或彼此所擁有的運算資源。
但是由於全球資訊網的出現，我們今天可以在旅遊網站上購買機票，在部落格（Blog）上發表我們的心情故事，去洋基網站投王建民一票，可以使用線上即時訊息系統與朋友們保持聯絡，可以在社群網站上分享影片，甚至也可以把我們家用電腦的剩餘運算資源分享出來，幫助去氧核醣核酸（DNA）解碼，或是參與SETI@home計畫尋找外星人。
全球資訊網的概念很簡單，就是藉由一系列的國際標準協定，來建構一個電腦的全球資訊基礎建設，讓分布在世界各地的電腦系統可以分享資料與運算資源。這個連結與分享的概念雖然簡單，卻澈底地改變了我們的日常生活。
全球感測網之於感測器，就像是全球資訊網之於電腦系統。全球感測網是一個專門為感測器設計的全球資訊基礎建設，不同的感測器可以在這個全球感測網裡，交換觀測資料、運算資源與其他相關的資訊。全球感測網的用戶可以在世界上的任何一個角落，發布、搜尋、查詢、甚至操縱在遠端的各種不同種類的感測器。
對於用戶來說，全球感測網就像是一個全球規模的感測器，可以進行各式各樣的感測任務，感測各式各樣的現象，甚至預測未來可能發生的事件。全球觀測網讓用戶可以監控世界的實況，並且可以任意組合這些觀測資訊與感測資源，來創造各式各樣的應用。
地理資訊系統
感測是一個發生在空間中的過程，因此感測器在空間中必然占有「位置」。同樣地，被感測的對象在空間中也必然占有「位置」。換句話說，空間資訊對於全球感測網而言占有舉足輕重的地位。如果不知道感測器所感測的現象的空間位置，即使有觀測的結果，這個觀測的結果是不具有任何意義的。
舉例來說，如果從全球感測網得到一個溫度計的觀測量是攝氏15度，卻不知道這溫度計所感測現象的空間資訊。也就是說，如果這個攝氏15度沒有關聯到一個空間位置，這一個資訊不但不完整，且無法使用。因為空間資訊在全球感測網中占有如此關鍵的地位，所以全球感測網也可以視為一個針對感測器所設計的空間資訊的基礎建設。
如果從空間資訊系統的角度來看，可以把地理資訊系統（geographical information system, GIS）當作是全球感測網的瀏覽器，就像是使用網頁瀏覽器瀏覽全球資訊網上的訊息一般。我們可以使用專為感測器設計的地理資訊系統，來搜尋、查詢、瀏覽、管理與分析全球感測網中，大量的感測器資訊、觀測資訊與相關的空間資訊。全球感測網加上地理資訊系統，就像是童話故事中的水晶球一般，讓我們坐在家裡就可以透過這個水晶球瀏覽真實的世界。
微軟的感測網路研究計畫，就是使用地理資訊系統做為全球感測網的瀏覽器。感測網路是在微軟的「虛擬地球」（Virtual Earth）的基礎上，加上專為全球感測網設計的軟體模組，讓用戶可以透過微軟的虛擬地球平台，瀏覽、查詢由感測器網路所蒐集到各種實質世界的資訊。目前，在微軟感測網路上，可以查詢到即時的高速公路路況及影像、溫度狀況，與可用停車位的統計。
全球感測網的例子
加拿大的智能化地球觀測網研究計畫（ISIES Project），使用全球感測網的國際標準，連接了地面下的土壤水分感測器，地表的氣象站與太空中的雷達衛星。這一項研究計畫的目的，在於使用全球感測網結合數學模型，進行即時性的預測，預估當年度穀物的收成。
因此，每當有暴風雪或異常的降雨量發生時，政府、農夫與保險公司就可以馬上透過全球感測網，了解這一個災害對「每一塊農地」的當年收成造成了多少損害。加拿大的國土廣大，有幾個省分的經濟與人民生活仰賴農業甚深，這樣的一個全球感測網穀物收成預測系統，必然會對這些省分的經濟造成很大的影響。
美國國家航空暨太空總署、美國空軍與美國空間資訊情報局，也在進行全球感測網的研究。他們在2005與2006年中，各資助了一次原型系統的試驗。在2005年，他們藉由演練一個化學工廠大火的救災行動，證明了全球感測網的重要性與可行性。
在這次演練中，災害應變中心的專家們接到了一個連線到全球感測網的火災警報器所發出的火災警報。這一個感測器發出警告，表示在聖地牙哥附近的山區，可能發生了化學工廠大火。於是，專家們馬上使用全球感測網的地理資訊系統，連結到全球感測網，並且找到了災區附近的氣象站。專家們使用氣象站的即時風向和風速的觀測資料，輸入到一個數學模型中，計算出化學毒氣可能飄散的路徑。當地的警察便可以依據預測的結果，儘快疏散毒氣可能會影響到的地方的居民。
專家們又可以通過全球感測網，發現失火化學工廠內部有幾座沒有被大火波及的監視攝影機，在工廠外部仍然有幾個化學毒氣偵測器。透過連線到這些偵測器，災害應變中心的專家可以指揮現場救災人員，迴避大火與毒氣的位置以減少傷亡。
另外一群救災專家則使用全球感測網，命令一架無人飛機對當地執行熱源掃描任務，以便監視火災的範圍與擴散速度。以上的敘述似乎是好萊塢電影裡的虛構情節，然而它卻是一個真實的研究計畫。雖然這只是原型系統，但很快地，全球感測網會像很多電影中所描述的，在不久的未來進入到我們的生活中。
全球資訊網早已經在不知不覺中滲透到我們的日常生活中，它對我們的生活帶來極大的改變。同樣地，全球感測網也正逐漸地演變中，它也會融入我們的生活中。在可見的未來，我們必然會深深地仰賴全球感測網。甚至，因為它們在我們的日常生活中是如此普遍地存在，我們會因此而忘了它的存在。
不過，如果要實現本文所列的全球感測網的願景，仍然要克服許多的研究難題和挑戰，以下便是目前全球感測網所面對的主要挑戰。
可擴充性的挑戰：全球感測網必須在容納大量感測器的同時，整個全球感測網系統的執行效能不會有顯著的下降。
全球性的統一標準：全球感測網需要一系列可行、簡單、學界與業界都願意接受的國際標準。
高效率的搜尋引擎：全球感測網將會連接數以百萬計不同的感測器，開發一個高效率的全球感測網搜尋引擎會是很大的挑戰。
隱私權的保障：全球感測網將是個兩面刃，雖然可以大大增進我們的生活品質，但是被不當使用，也會危害到我們的安全與隱私權。
今天的全球感測網就像是15年前的全球資訊網一般，仍然還在它的嬰兒襁褓期，還有許多的研究課題要克服，也有許多潛在的應用有待發現。但相信在不久的將來，全球感測網會加入全球資訊網的行列，無形地融入我們的生活中。它會是如此的必要與方便，甚至到我們不會察覺到它的存在的地步。
