在荷蘭,儘管有數千名訓練精良的救生專業人員,以及志工傾注心力,平均每年仍有60人在泳池中因溺水受傷,並有2人慘遭溺斃,而孩童最容易遭遇溺水意外的族群。

志工Anja de Brouwer長年在「恩荷芬救援志工服務組織(Eindhovense Reddingsbrigade)」服務,負責模擬真實意外遇難者,她說:「孩童溺水時,通常不會如我們想像的那樣大聲喊叫或揮舞雙手。過程異常安靜,在你發現到之前,就已經失去了遇難者的蹤影。」

責任重大的角色

Brouwer與其他許多志工,在「彼得范登霍根班德游泳館(Pieter van den Hoogenband Swimming Stadium)」參與一項大規模活動,這項活動由救援服務組織所主辦,目的是協助「Blue Jay Eindhoven」團隊開發無人機,以幫助救生員執行三大關鍵任務,分別是:監視擁擠泳池中的活動、偵測遇難的游泳者,以及適時作出回應。

20180710NT02P1 圖1 荷芬理工大學學生及其開發的無人機。

當晚,八部攝影機持續不間斷拍攝志工模擬溺水遇難者的情形。Blue Jay團隊經理Liza Boormans解釋:「要讓無人機學習偵測哪一些動作代表一個人遇難而不是純粹在玩耍,就必須向無人機展示非常多的溺水遇難者影像。無人機有了充足的資料後,就可以開始自主判別和偵測溺水行為。」由於(也幸好)真正溺水遇難的影片資料不多,因此需要拍攝LOTUS志工角色扮演模擬遇難者的影像。

20180710NT02P2 圖2 恩荷芬游泳池。

不是玩水,而是溺水

偵測溺水遇難者的過程,是這個救生員助手計畫中真正創新之處,同時也是最為困難的地方。IBM物聯網(IoT)顧問Arjen van de Wetering表示:「市場中已經有偵測方法可以辨認是否有人已經溺水,但是Blue Jay團隊要嘗試更複雜的挑戰,開發一架無人機,偵測是否有人將要溺水,以及時展開救援。這是一個更為複雜的挑戰。」在數個月前IBM成為此計畫的主要合作夥伴後,這名顧問就一直協助著Blue Jay團隊。

Wetering解釋:「利用傳統分析方法來辨識遊玩和遇難之間的差異相當困難,因此團隊利用IBM的Watson技術來實作人工智慧(AI)。團隊將使用相同的溺水模擬影片來訓練系統,並測試系統是否可以分辨溺水和玩水間的差異,之後能否在實際情況中作出有效判斷。」

偵測流程並不簡單。系統從整個泳池的空拍角度分辨出各個人員後,必須使用約2秒的連續影片畫面,來判定人員的水中移動模式。在2秒連續畫面的歷史記錄中,最早的影片畫面會刪除,新的畫面會接續取代,因此系統持續以2秒時間範圍來繼續分析人群的動作。判斷游泳者動作是在遊玩或是溺水的計算,需要相當大量的運算能力,在第一次試驗設定中,所有影片都是直接從攝影機即時串流到雲端,並透過IBM的Watson AI主機來執行計算,接著由Watson來「決定」游泳者的動作,並在數毫秒內將結果回傳給無人機,無人機依據資料做出回應,這是相當典型的IoT解決方案運作模式。不過在最終版本的系統中,由於團隊不想要依賴不可靠的網路連線,因此系統可能包含內部部署,且經過訓練的Watson應用程式,不過這個決定還尚未被敲定。

國際化且跨學科的計畫內容

「Blue Jay Eindhoven」計畫現正進行中,而最終目標是開發一架可以協助醫療保健專業人員的無人機。計畫團隊成員由恩荷芬理工大學學生所組成,這些學生自學習中抽空參與Blue Jay團隊計畫,時間為期一年。Boormans表示:「因為參與Blue Jay計畫既拿不到選修學分,也沒有財務上的支援,因此只有真正投入於團隊目標並且擁有相同願景的同學,才會加入團隊。」Boormans擔任團隊經理的職責將在9月結束,屆時她將回歸學業,攻讀全日制的醫療科學與技術研究所。

目前的團隊共由18名來自世界各國、跨9個不同學術部門的學生所組成。由於Blue Jay團隊人事幾乎每學年都會完全換血,計畫永續性透過顧問委員會來落實,委員會中包含部分前一學年的學生,這些學生可支援下一學年的團隊。Boormans表示:「委員會可以確保團隊遵循Blue Jay長遠願景來運作,同時也給後繼而來的學生足夠的自由度,可以將自己的見解分析及創新能量注入計畫中。」

2017年團隊致力開發的無人機,是為恩荷芬附近的Máxima醫學中心提供協助,計畫進展頗豐,例如,無人機可以陪兒童患者玩遊戲。但現今仍有一個未克服的阻礙,那就是噪音,無人機運作時仍然相當吵雜,很顯然這在醫院環境中會造成困擾。

20180710NT02P3 圖3 恩荷芬游泳池。

完美設定

諷刺的是,當團隊在腦力激盪,絞盡腦汁思考如何解決噪音問題時,卻聽聞一名9歲難民女童在雷嫩泳池中溺斃的不幸消息。他們立即從中看到應用潛力,Blue Jay無人機可以協助預防這類悲劇。Boormans解釋道:「泳池是一個完美的環境,噪音不再是問題,還能展示無人機的龐大潛力與價值,這可說是最理想的概念驗證。」

不過團隊計畫經理Mike van Sighem指出,泳池無人機自身亦有需要克服的挑戰。「除了溺水偵測外,這架無人機還必須能夠在建築物間自主導航飛行、通知相關人員,並協助將笨重的物體運往意外現場。」

Blue Jay的機械工程師Pim van Dommelen則認為,攜帶笨重物體是救生員無人機所面臨的最大機械挑戰。「重量必須夠輕,否則每幾分鐘就得換電池,如果一架無人機不能長時間待在空中,那就無法勝任救生員助手的任務,但是這架無人機性能又必須足夠強大,才能抓取救生圈、去顫器或急救箱等相對笨重的物體。」

合作夥伴締造完美組合

恩智浦是第二個主要的計畫合作夥伴,協助團隊打造堅固且擁有足夠回應能力完成任務的無人機。恩智浦主系統工程師Gino Knubben在計畫中與Blue Jay展開密切合作,並提供不少支援。他解釋:「2017年我們幫助Blue Jay團隊開發地面站台與無人機之間的穩固通訊頻道,今年他們使用相同技術,但經過些微升級的版本,而我們的任務專注於無人機,主要著眼在兩個主要系統。首先是飛行控制系統,此系統主掌無人機的移動、方向、平衡,以及遠端控制,團隊在今年選擇改用飛行控制器『NXPhlite』。第二個是應用程式處理器,此系統處理顯示及互動。」

在這項計畫中,功能性是一大關鍵,而Blue Jay團隊與恩智浦、IBM及第三個主要贊助商Fourtress等世界級企業合作能獲得一個優勢,就是Blue Jay團隊可以取得消費性產品中尚未採用的先進技術。Knubben解釋:「與一般的手機用Wi-Fi相比,我們的連線解決方案符合汽車業標準,在穩定性、RF反射、耗電量,以及每秒可執行的臨機操作連線次數都更加出色。」穩定的連線能力,來自於汽車產業所採用的802.11p技術,可以輕鬆處理無人機的快速移動以及臨機操作通訊。Knubben笑說:「在兩年前,要開始測試或展示的時候,所有人都必須記得先把手機上的Wi-Fi關閉才行。現在透過802.11p技術,排除了這個特定的干擾問題。」

一站式服務

恩智浦做為此計畫合作夥伴的另一項優勢,是可以提供各式各樣的元件,是其他許多半導體製造商所辦不到的。Knubben表示:「我們提供相當多他們開發無人機時所需要的電子元件,不僅是無線連結元件,還有高效能微控制器、經實證並搭載所有組裝元件的公板,甚至還有搭載支援作業系統的完整子系統。團隊接著增添自己的周邊設備、顯示器、感測器、應用程式、圖形使用者介面等。」

不過Knubben也首先提到合作其實是雙向進行。「Blue Jay團隊也等同在為我們的部分技術進行beta測試,他們的意見相當可貴。舉例來說,關於飛行管理單元(FMU)的開發:除了其他所有涉及此元件開發的合作夥伴外,這些學生也會提供意見、進行測試。這些都脫離了學習層面的舒適圈,這其實也不是他們的職責範圍,所以看到學生的殷切投入,感覺非常棒。他們也會定時造訪恩智浦,過程也相當有趣。」

另外,前輩也能從學生身上學到東西。「舉例來說,他們擁有相當豐富的無人機整體知識,例如調校和設定無人機的方法,還有相當熟練的無人機駕駛技術!另外一個例子是硬體組裝經驗。恩智浦一直以來都有組裝無人機的作業,組裝過程須耗費相當多時間。後來有一天,Blue Jay電機工程師Jari van Ewijk出現,在不到90分鐘內就組好一架無人機。我問他為什麼有辦法這麼快就組裝好,他回答:『你猜我到現在組裝過多少架原型機?因為我們也摔過好幾架…』我覺得他矇著眼也能裝好一架無人機!隔天他們就讓那架恩智浦無人機套件進行首次飛行,把拍下的照片和短片都寄給了我們!」

另外一項Blue Jay附屬計畫,就是除了救護及醫院等相當狹隘(不過相當重要)的應用領域之外,這些應用中涉及的技術也可以使用在其他領域。Knubben表示:「例如,FMU技術和無人機在倉儲物流等領域擁有相當大的潛力。因此beta測試能讓這個技術應用成為經驗證的解決方案,恩智浦則可以在相同環境參數適用的其他場域或產業提供這個解決方案。」

無價的專業技術

Fourtress為技術系統提供軟體解決方案。該公司現場經理Douwe Gerritsen表示:「我們從第一屆Blue Ja 團隊就開始參與。起初我們只提供技術知識,但由於我們有具備豐富無人機經驗的工程師團隊,過去兩年來,我們沒有提供財務支援,而是選擇將一名工程師借給團隊使用3個月。」

這帶來了雙贏,因為工程師也能從中獲得有趣的經驗。這名工程師過去從事低階系統、光達、障礙物偵測、無人機內部構造、超寬頻以及資料通訊系統等工作。Fourtress也提供一名學生駐點實習的機會,這名學生可以在Fourtress內部進行Blue Jay行動應用程式,以及無人機應用程式介面(API)開發,並作為論文專題的成果。

Gerritsen表示:「開發應用程式遭遇到的最大挑戰,是Blue Jay團隊計畫是很靈活的計畫。團隊會設下相當宏大有野心的目標,這當然非常鼓舞人心,但這也代表技術實作往往得隨著團隊遭遇問題的過程來進行改變。我們會試圖跟著這個型態來走,盡量不要讓自己成為阻礙,不過有時候,我們就需要幫他們設定界限,也就是確定在時間表內可能實現的實際目標。

「此外,要在人潮眾多的環境中操控無人機,也是一大技術性挑戰,我們想要一架完全自動的無人機,但同時要能由人員操控,在此遇到了矛盾難題。」意思是指,必須要有人使用應用程式向無人機下達命令,之後讓無人機自行試圖理解如何執行任務。有時候無人機需要自主判斷,例如走哪一條路線,或是任務的優先順序,另外應用程式介面也要能讓操控人員輕易設定新的任務,取得清楚的總覽資訊,操控人員就可以獲取最新資訊,即時了解每一架無人機的狀況。

「應用程式就是無人機的管理員。應用程式為無人機下達任務,但由無人機自行判斷如何執行任務。優先順序的部分則耐人尋味,使用者可以排定哪些任務稍後執行,哪些任務立即執行,這點相當重要。使用者也要能取得反饋,進而了解無人機實際完成任務的時間有多快。因為緊急狀況突發時,其優先順序絕對優於其他所有事物。各種任務也讓情況變得更加複雜。」

另一項挑戰則是通知。「棘手的地方在於,使用者不僅透過手機來控制無人機,還會用手機來上網、打電話等。技術上來說,這表示即使應用程式未運行,也必須在背景執行服務,才可以在無人機應用程式未運行時傳送通知給使用者,例如意外突發狀況或是任務完成。

Gerritsen認為對Fourtress而言,與Blue Jay的合作關係尤為珍貴。「我們與Blue Jay互動、合作的模式,有點類似我們與客戶的互動關係。也就是如果你雇用一名Fourtress人員,Fourtress就能為你提供後盾,我們所握有的龐大知識,都能為你所用。」

專業熱情的粉絲

Blue Jay讓學生走出書堆,與企業組織合作,共同解決真實世界的需求,因此當社會做出相當正面的回應時,無疑振奮人心。Sighem回想說道:「救援隊(Reddingsbrigade)從一開始就非常熱心踴躍,他們都很樂意採用新技術,這點很酷。我們有相同的目標,能透過合作協助彼此,以更出色更快速的方式來達成這些目標。」

IBM的Wetering已經成為這群學生的鐵粉,因此非常投入他們的工作。「這項計畫是引領技術潮流,就像我自己的工作一樣。我把我的經驗帶到計畫中,不過這群年輕人有不同的見解,並提出非常新奇的想法,我們絕對從彼此身上學到很多。」Gerritsen則代表Fourtress呼應認同這個看法,「因為在Blue Jay計畫中,可以和如此有熱忱、無比專注的同學合作,過程也變得相當有趣。」

Blue Jay團隊善用合作夥伴專業及職能的最大價值,且團隊運作過程相當成熟,恩智浦的Knubben對此特別感到印象深刻。「他們從我們這邊獲得無人機技術、從IBM獲得雲端支援,並從其他合作夥伴取得機械架構的協助,他們運作起來就像是一家效率超高的小公司,每一個人都有各自的負責領域。團隊共有18名成員,我個人只有指導2~3位硬體工程、電子和軟體學生,他們都很年輕,經驗雖然還不足夠,表現卻非常出色。」

LOTUS的Brouwer從計畫中獲得動手做的實務經驗,對於無人機的偌大潛力也感到相當興奮。「這架無人機就像另一雙眼睛。即便是最優秀的救生員也都會感到疲憊,但無人機不會。無人機可以隨時隨地保持警覺,這表示在這架機器投入全面運作後,將有助於確保群眾的安全。」

在全面投入運作前,還有很長的一段路要走,目前,這計畫還在概念驗證的階段。即使如此,這個團隊也將繼續努力,開發能在緊急狀況提供急救的無人機。因為就如Wetering所說:「如果有一天,我們開發的無人機真的拯救了一個生命,那這一切就值得了。」人命關天,這句話並不需要AI來驗證真實性。

若要深入了解 Blue Jay Eindhoven,請造訪:https://www.bluejayeindhoven.nl/