佈署 IoT Edge 和霧運算技術以開發智慧建築服務

2021年2月19日 星期五

《3S MARKET》這篇報導把物聯網的架構與實作，描寫的非常詳細，雖然在建築的細節上描述不多，但報導中也提及這是個實際驗證，可適用在很多的場域。不知道，有多少人真正看得懂？當然，連這篇都看不懂的人，就別說他真正了解物聯網、Edge 與 Cloud。

事實上這篇報導的描述不難了解，真正物聯網與邊緣運算的挑戰，是在實作。實作真正面臨的，是這些數據處理、融合、分析上的完整度，還有 —— 找到實作的場景！

摘要

基於 SoC 架構的嵌入式系統的進步，使許多商業設備的開發變得足夠強大，足以運行操作系統和複雜的算法。這些設備整合了一組具有連通性、運算能力和成本降低的不同感測器。在這種情況下，物聯網（IoT）的潛力不斷增加，並帶來了其他發展可能性：「事物」現在可以增加數據源附近的運算量；因此，可以在本地系統上，佈署不同的物聯網服務。

這種範例稱為「邊緣運算」，它整合了物聯網技術和雲端運算系統。邊緣運算可以減少感測器與中央數據中心之間，所需的通信頻寬。此方法需要管理感測器、執行器、嵌入式設備，和可能不連續連接到網路的其他資源（例如智慧手機）。這種趨勢對於智慧建築設計非常有吸引力，在智慧建築設計中，必須整合不同的子系統（能源、氣候控制、安全性、舒適性、使用者服務、維護和營運成本）以開發智慧設施。在這項工作中，分析和提出了一種基於邊緣運算範例的智慧服務設計方法。

這種新穎的方法，克服了現有設計中與服務的互操作性，和可伸縮性有關的一些缺點。描述了基於嵌入式設備的實驗架構。能源管理、安全系統、氣候控制和資訊服務，是實施新智慧設施的子系統。

1. 簡介

建築自動化系統使用開放式通信標準和介面，可以整合多種不同的建築控制規則，例如供暖、通風、空調、照明和百葉窗、安全功能和設備。但是，現有建築物通常不具有這些系統。

通常，每種安裝類型都提供特定的服務：供暖通風和空調（HVAC）控制氣候服務，攝影機和感測器提供安全服務等。僅當設計能源管理系統時，不同的子系統相關，但僅透過以下方式，連接建築物的能源管理系統。能源管理服務，集中在專用軟體中。

對於使用者和維護技術人員來說，提供不同服務的不同製造商，發現很難整合新的服務和功能。自動化建築將用於控制和數據採集的軟體，與工業協議和介面整合在一起。此外，將新服務整合到這種解決方案中並不容易，這取決於已安裝軟體的開發。

這些工業發展還為能源管理，提供了雲端連接解決方案和智慧服務。這些服務，也在集中式電腦系統中開發。數據被傳輸到這些系統或雲端進行分析。本文提出使用佈署在物聯網（IoT）技術中的邊緣和霧運算範例，主要有兩個目的：

A. 在自動化和非自動化建築物中，促進新的智慧和可互操作服務的整合（整合）。

B. 允許在建築物的所有子系統之間，分配智慧服務（互操作性）。

透過該建議，可以促進建築物子系統之間的關係。它還促進創建新的智慧服務（例如，新的分佈式智慧控制算法；使用電源管理捕獲的數據，來檢測人類活動；捕獲設備連接的模式辨識，運算可再生電力預測，在安全服務中使用電力數據等）。在這項工作中，我們設計了一個中間軟體的體系結構，該體系結構具有兩個主要層，這些層基於嵌入式設備、IoT 通信協議和硬體支援，來開發人工智慧算法（圖1）。

為了實現這一目標，我們在建築物的設施中添加了兩個概念等級：邊緣節點和霧節點。每個等級都有不同種類的設備和功能。我們佈署並實現了基於層的中間軟體的體系結構，以對模式進行實驗。

本文的組織結構如下：第 2 節回顧了智慧建築技術，建築物中的 IoT 佈署以及邊緣運算範例。第 3 節提出了一種在建築物（自動與否）中佈署邊緣和霧運算範例的方法。第 4 節介紹了進行的實驗。最後，第 5 節介紹了結論和未來的工作。

2. 相關工作

本節介紹與這項工作相關的主要研究領域。首先，我們在分析雲端運算層之後，回顧了基於邊緣運算範例的資源和服務供應。最後，我們研究了實現智慧建築的技術，並在最後的小節中，總結了先前研究的貢獻。

2.1. 邊緣運算資源和服務供應

最近，網路在兩端被標記為「邊緣」和「核心」，以查明處理發生的位置。邊緣端靠近數據源和使用者，核心端由雲端伺服器組成。透過這種方式，邊緣運算範例將運算推送到 IoT 網路的邊緣，以減少數據處理延遲，和發送到雲端的數據數量。基於雲端的後端，可以處理對時間不太敏感，或源設備本身不需要結果的處理請求（例如，物聯網網路狀態下的大數據分析）。

在邊緣運算資源供應方面，正在進行的 Horizo​​n 2020 RECAP 項目，提出了一種整合的雲端 - 邊緣 - 霧端架構，目的在解決應用放置、基礎架構管理和容量供應。雲端/邊緣基礎架構監控功能豐富了應用，基礎架構和工作負載模型，這些模型又被回饋到優化系統中，該系統可以協調應用並持續配置基礎架構。

徐等人進行的研究。 提出了一種用於邊緣運算的實用感知資源分配方法，稱為 Zenith。借助 Zenith，服務提供商可以與邊緣基礎設施提供商，建立資源共享合同，從而允許延遲感知資源調配算法，以滿足其延遲需求的方式，來調度邊緣任務。

邊緣節點資源管理（簡稱 ENORM），是管理邊緣/霧節點資源的框架，可透過監控應用需求，來自動擴展邊緣節點。可以透過靜態優先等級分配，來確定特定應用的優先等級。供應和自動縮放機制，是基於線性搜索的相對簡單的實現。

當源本身是可行動的時，邊緣雲範例也是可行的。 Chen 等人研究了行動設備向邊緣節點（特別是在無線電接入網路邊緣）的智慧運算分流。在這項工作中，作者提供了任務卸載算法，將分佈式運算卸載決策表述，為多使用者運算卸載功能。在同一項工作中，Wang 等人研究了聯合協調卸載任務，到多個邊緣節點的問題，並提出在邊緣等級引入及准入控制，以及兩階段調度方法，與傳統的最近邊緣選擇方法相比，改進了卸載性能。

2.2. 雲端運算服務配置

就社會和行業採用資訊技術而言，雲端運算範例是最具創新性的策略之一。提供的優勢提高了效率，並降低了成本，同時提供了可透過 Internet，普遍存取訪問的按需 IT 資源和服務。

當前，雲端運算服務種類繁多，甚至如何提供，這是一個受到廣泛研究的主題，正在提出許多的方案。甚至有評論總結了雲端運算範例的相關研究。

本小節介紹了有關以下問題的先前工作，這些問題與本手稿的主題有關：（i）安全性； （ii）服務品質（QoS）； （iii）提供邊緣服務。

（i）安全是雲端運算中一個具有挑戰性的問題。雲端服務位於應用環境之外，並且超出了防火牆的保護範圍，因此，需要附加的安全層。另外，邊緣和霧運算應用的行動性和異構性，使得難以定義單個過程。因此，需要一種分佈式安全策略。

此外，必須有一個標準化的環境，才能正確解決此問題，並指定霧運算和邊緣設備，如何相互協作。網路邊緣上的多個霧節點之間的敏感數據通信，需要資源受限的事物的輕量級解決方案。另一個與安全性相關的問題是數據位置。在雲端中運行數據分析是很常見的。因此，關於數據安全或隱私的公有雲與私有雲的爭論就出現了。

（ii）分配給雲端應用的資源，通常是根據合同規定的服務水準協議（SLA）所設置的。但是，實際上，由於偶爾執行大量事務，而導致分配的基礎結構飽和，可能會出現瓶頸。為了解決此問題，可以在資源可用時，動態擴展雲端基礎架構。當前，最具創新性的趨勢，目的在建構自動 SLA 合同合規系統。在 Faniyi 和 Bahsoon，以及 Singh 和 Chana 進行的研究中，可以找到與品質服務管理相關建議的詳盡綜述。考慮到這一點，提出了幾種策略來預測，應用的資源需求和 QoS 的要求。最近的工作試圖將安全性和 QoS 問題結合起來，以提供全面的性能指標。

（iii）最後，濫用雲端服務，是該領域的另一個問題。物聯網環境是霧和邊緣設備不斷加入或離開，動態的執行前後關聯。因此必須在網路邊緣提供彈性的服務。為此，在網路的可用設備之間，共享應用工作負載，可以為高階運算應用提供靈活性。提出了可靠的服務供應方法，來為系統提供更高的彈性，並提供靈活和優化的雲端服務。

在本主題中，將雲端框架和中間軟體技術，設置為與雲端層，以及具有不同介面操作系統，和體系結構的設備之間，進行通信的平台。

2.3. 物聯網在建築服務工程中

物聯網開發為在建築物上，開發數位服務提供了新資源。建築物中常見的物聯網應用，包括節能的過程環節、維護改進、雜務自動化和增強安全性。由於全球變暖，建築物的節能是一個重要的課題。

物聯網技術引入智慧建築，不僅可以減少本地溫室氣體排放，還可以將減少溫室效應擴大到更大的領域。目前，物聯網還被用於建築領域，以協助設施管理。物聯網使營運系統能夠提供更準確和更有用的資訊，從而改善營運，並為房客租戶提供最佳體驗。有基於物聯網的建議，這些建議顯示建築系統，如何與雲端進行通信，並分析所獲取的數據，以開發新的業務見解，從而能夠推動真正的增值和更高的績效。

實驗研究顯示，物聯網平台不僅可以改善，工業能源管理系統中實體的互連性，而且可以降低工業設施的能源成本。 FacilitiesNet 表示，建築物聯網（BIoT）正在推動我們獲取資訊，彼此互動和做出決策的方式發生重大轉變。BIoT 不僅與連接性或設備數量有關，而且還與交付實際和相關結果有關。當前，有很多基於物聯網的智慧家庭應用的例子。

然而，智慧設備或「物」，僅僅是連接到網路的設備或嵌入式系統。增值來自設計協調系統，和提供智慧服務，以提供實際收益的能力。這些特徵基本上，取決於對不同類型連接事物的異質性，及其互操作性的管理，並取決於數據處理提供的情報潛力。

Tolga 和 Esra 進行的研究得出的結論是，就智慧家庭系統中的軟體和硬體而言，物聯網技術尚未變得穩定。原因之一，有可能是物聯網技術仍處於發展階段。McEIhannon 所撰寫有關物聯網應用的邊緣雲和邊緣運算的未來，其評論得出了類似的結論。這篇評論提到概念和發展，目前還處於早期階段，從學術和行業的角度來看，許多挑戰都需要解決。

物聯網帶來了新的機會，但許多企業仍在尋求了解和分析，其將如何影響，並與現有的 IT 結構和管理策略整合。為此，必須創建專門的使用模式和技術，來彌合這一差距。

2.4. 發現

以下結論闡明了這項研究建議的新穎之處：

雲端運算作為「實用」的一般概念，非常適合智慧家庭應用的常規需求。但是，在某些情況下，將所有運算都移到雲端中，是不切實際的。

邊緣計算作為一種計算範例而出現，可以在物聯網設備生成的數據附近執行計算。這種範例可能有助於滿足最新應用的安全性和 QoS 的要求。

當前，控制子系統的高級建築設施，通常使用 Internet、IoT 協議和 Web 服務。專有系統是使用標準的 Internet 通信協議設計的，用於管制和監控。先前的工作顯示，基於無線感測器網路、Web 介面和工業控制模式，用於氣候控制、電源管理或安全性的控制系統，使用不同的監視和控制技術。監控應用分析，得自監控和數據採集系統中的這些子系統。對於不同的子系統，有不同的解決方案。考慮到上述情況，本工作中提出的模式，引入了以下新穎元素：

A. 介紹了一種分層架構（整合了邊緣和霧端等級），以及提供子系統之間互操作性，以及在建築物控制中開發智慧服務的方法，該方法使用了邊緣和霧端範例，這些範例將 IoT 協議整合在一起，並在本地 Intranet 中操作 AI 技術，讓雲端服務的通信層，完善了該層的架構。

B. 介紹了一種基於使用者為中心的方法，用於在互操作性需求下設計、驗證和改進新服務。

C. 該提案允許使用可以在已建的建築物中，實施的非專有硬體和軟體系統。

3. 計算模式設計

建築物中的設施子系統分為有照明、氣候、能源、安全、警報、電梯等。在自動化建築中，這些子系統由專門的控制技術控制和監控。在非自動化建築物中，不存在這些服務，並且子系統透過電子和電氣方式進行控制。在這兩種情況下，所有子系統都為建築營運，提供必要的服務。

從邏輯上講，每個子系統都在其場景中起作用，並且不能與其他子系統互操作。嵌入式電子控制器和連接的不同感測器，可以使每個子系統自動化。這些服務都是基於直接反應性控制規則。除了嵌入式控制系統和感測器之外，通信技術（基於 Internet 協議）和新的行動設備還為開發管制、監控和數據訪問服務，提供了新的可能性。

在智慧型動設備上開發，並連接到 Web 伺服器的人機介面和專用應用，是近年來已實現的服務的範例。每個子系統中的專家（氣候、安全性、電源等），都具有可以轉換為專家規則的知識。這些規則被轉換為用於管理、維護、控制、優化和其他活動的控制算法。這些規則是可以，在可程式設備上編程和實現的。但是，它們是靜態的，不會在出現新情況時發生變化，並且不能互操作，也無法適應每個安裝的特性。

例如，氣候或安全專家決定，如何使用標準啟動條件，來配置每個子系統。每個控制規則僅在一個子系統（此範例中為氣候或安全性）中工作，因此，這些子系統之間沒有互操作性。考慮到這種情況，提出的模式有助於並允許，基於不同子系統的互操作性，來整合新的數位服務，並將人工智慧（AI）技術的新服務，引入當前設施。

例如，諸如電梯控制的設施，可以用於安全服務或建築能源管理服務。氣候控制設施，可以與安全子系統整合在一起。整合到模式中的天氣預報軟體系統，可以由能源管理服務，或建築物空調服務使用。

目的是讓每個子系統中的專家，參與設計整合服務，並將所有子系統轉換為可互操作的系統。該模式會開發自動規則，並允許在考慮安裝行為本身的情況下進行決策。該模式基於一個過程，該過程包括四個開發階段（圖2）和分為不同級別的硬體 - 軟體體系結構（圖3）。該體系結構的主要等級，是邊緣等級和霧等級。這兩個層次介紹了在建築物中，應用物聯網技術的新穎性。下面介紹了模式的各個階段（分析、設計、實施和啟動）。

．分析：在此階段確定了不同的專家使用者（氣候、安全、電力、水、能源、管理人員，以及資訊和通信技術（ICT）技術人員）。諮詢專家使用者，以指定需要控制的主要過程。資訊通信技術專家作為整合環節，參與了這一過程。第一種方法產生了設計控制規則，和潛在服務所需的事物（對象）。在此階段，使用以使用者為中心的方法，並捕獲子系統的需求。

．設計：我們提出了一個三層架構（邊緣、霧端和雲端），如圖 3 所示。

．實施和數據分析：在此階段中已安裝和整合了子系統。服務基於每個子系統中的規則，分析事物（對象）生成的數據，以設計基於機器學習的服務。

．啟動：最初，在每個子系統的監督下制訂專家規則。然後，使用回饋過程安裝規則。最後，透過人工智慧技術，可以推斷出自動的和經過調整的規則。

3.1. 分析與設計

專家使用者對此過程，進行不同的審查。以使用者為中心的技術，用於設計整合流程。目的是獲得所需的所有事物（對象），它們之間的關係，以及潛在的服務。一旦指定了事物（對象）和服務，就必須關聯通信協議和控制技術。選擇了物聯網協議和嵌入式控制器；提出了人機介面；指定了邊緣層和霧層及其功能；分析專家規則和智慧服務。最後，提出了維護和操作方法。所有這些任務在專家技術人員，和資訊技術專家之間共享。

結果是事物的定義，它們之間的關係，以及與邊緣和霧層的交互作用。該過程中代表了建築物的所有子系統，數據感測器、執行器、控制器、規則和過程經過設計，可以整合所有子系統。數據集、對象和設備，由物聯網概念表示。事物由具有狀態和配置數據的實體，和前後關聯組成。事物數據位於霧和邊緣節點中，儲存的不同配置中的關聯性。

事物以數據向量表示：[ID、類型、節點、前後關聯情境]。

– ID是辨識碼。

– 類型可以是感測器、執行器、變量、過程、設備、介面、數據儲存，或可以在 IoT 生態系統中寫入、處理、通信、儲存或讀取數據的任何對象。

– 節點指定建築物子系統、功能描述、層類型（邊緣、霧端、通信或雲端）、IoT 協議和時程存取訪問。

– 前後關聯表示在 IoT 生態系統中，用於發布或讀取數據的時間、日期、位置，與其他事物的關係、狀態和訪問頻率。

表 1 是由事物（[ID、類型、節點]）。所有事物都可以訪問配置文件（CF），以了解如何使用可用數據，以及如何使用適當的訪問權限配置新數據。前後關聯數據位於內建記憶體，或是靜態儲存。使用定義的事物，設計不同的控制規則。這些控制規則是分佈在連接到網路的不同嵌入式系統中，控制過程的一部分。事物表示佈署在安裝的不同子系統中，所有的可用資源。在此等級上，設計師對所有事物進行分析、指定和關聯。基本控制算法是使用此資訊實現的。配置關聯性允許層和設備之間，所有事物的互操作性。

在此階段的另一級設計，必須提出物聯網管理中，使用的節點要求和規範。設計的流程和服務，將在邊緣或模糊節點中實施。必須指定每個節點，以確定其內部功能、通信及其服務。在獲取數據的地方，開發了智慧和處理能力。邊緣和霧層的節點，位於數據感測器、執行器和控制器附近。本文提出的方法，使用具有兩個功能的兩層（邊緣和霧端）。每一層都可以佈署互連節點的網路，以促進互操作性。

邊緣和霧層的功能是：

邊緣層功能：在連接感測器/執行器的嵌入式設備上，開發的控制軟體。某些 AI 算法可以安裝在邊緣節點上。中央處理器（CPU）和計算資源有限。安裝了通信介面，以允許在本地網路中進行整合。

霧層功能：局域網級別的通信、AI 範例、儲存、配置關聯性和監控活動。霧節點透過處理、通信和儲存，來處理 IoT 的Gateway、伺服器設備，或其他設備中的數據。在此等級實施本地、全球的整合服務。利用這些節點的硬體、軟體和通信功能，開發了基於機器學習範例的算法。霧層設備還可以在很少單位的設施或服務中，執行邊緣節點功能。

透過這兩個等級，可以優化建築設施，以獲得不同子系統之間的整合和互操作性。

表 1 顯示了每件事與關聯性配置，和節點規範的關係。節點標識其所屬的子系統（控制、能源、氣候等），層（霧端、邊緣、通信和雲端）及其執行的功能。

3.2. 架構設計

在分析和設計階段，獲得對象（事物）及其關係。規範和要求用於實現每個層。實施取決於提供所需功能的設計，和現有技術（硬體、通信和軟體）。在此階段，開發了一種適合現有設施的體系結構。物聯網協議提供互操作性，而 AI 範例則提供了適應性和優化性。邊緣運算節點用於控制設備，霧運算節點安裝在本地網路節點上。這些等級為配置、安裝和運行新流程，提供了強大的資源。

物聯網協議，傳達所有子系統數據。每個子系統由對象/事物（虛擬等級）組成，安裝為可連接的感測器/執行器/控制器設備（硬體等級）。

物聯網通信中，針對建築場景建立的要求是：標準協議、低功耗、易於存取訪問和維護、支援整合新模組，非專有硬體或軟體，以及低成本設備。

MQTT 協議，是目的在用於提供整合和互操作性資源，異構通信場景的主要物聯網協議之一。該協議被提議作為感測器、執行器、控制器、通信設備，和子系統之間的通信範例。

MQTT 協議的一些主要功能，在不同的著作中有所顯示，這使其特別適合於這項研究。他們之中有一些是：

．它是針對資源受限的場景開發的發布 - 訂閱消息協議。

．它具有低頻寬要求。

．這是一個非常節能的協議。

．編程資源非常簡單，使其特別適合於嵌入式設備。

．具有三個 QoS 等級，它提供了可靠和安全的通信。

MQTT 開發了無所不在的網路，該網路支持 n-m 節點通信模式。任何節點都可以查詢其他節點，並對其進行查詢。在這些情況下，任何節點都可以充當基地台的角色，能夠將其資訊傳輸到遠端處理位置。無處不在的感測器網路（USN）中的節點，可以處理本地數據。如果使用 Gateway，則它們具有全局可訪問性；他們可以提供擴展服務。

節點（邊緣或霧），可以具有本地和全局存取訪問權限。這些設施具有不同的可能性和益處。本地數據處理，對於基本過程控制是必需的，而全局處理則可用於模式檢測和資訊生成。從這個意義上講，擬議的平台使用了組合功能：連接到 IoT 雲端服務，本地網路區域上不同的 USN。在這種情況下，運算層（邊緣或模糊等級）將用作控制流程和雲端服務之間的介面。該層可以在與雲端進行通信之前，進行處理數據。

實現邊緣和霧端運算節點需要執行三個操作：

．連接和通信服務：所有設備必須在同一網路中，並且可以互操作。所有感測器和執行器都可用於開發服務。此活動的一個示例，是在 Internet 上遠端讀取建築物的電源參數、環境條件和開放的天氣預報數據。此活動中應實現其他功能，例如連接的安全性、可靠性和互操作性。

．嵌入式設備（邊緣運算層）中的控制算法和數據處理：在此活動中，這些設備中實現的基本控制規則和數據分析服務，可以開發新功能。此階段可以應用於數據過濾、運算氣候數據或分析功耗、直接反應控製，或使用模式辨識技術檢測事件。

．Gateway 節點（霧運算層）上的高階服務：此等級使用和管理 AI 範例，和 IoT 通信協議。霧運算節點對數據執行智慧分析，對其進行儲存，過濾並將其傳遞到不同等級，以糾正較低級別的新控制措施，或者生成雲端中服務感興趣的資訊。此階段的應用示例，包括分析新模式、預測用水量，或功耗、智慧檢測和其他預測服務。

3.3. 測試與回饋

在測試階段使用標準方法，邊緣和霧層提供不同的功能。提出了針對不同子系統的機器學習模式，並且可以將其安裝在邊緣或霧節點上。必須執行以下操作，來測試機器學習應用：

A. 定義和捕獲數據集：必須辨識、捕獲和儲存主要變量。在不同的建築子系統中，過程數據集是由連接到邊緣層的感測器捕獲的數據。使用通信協議監控和儲存數據集。一個案例是電表，該電表在配電盤中連接到嵌入式設備（邊緣節點），該嵌入式設備傳送電力數據，以在霧節點設備中儲存和處理。

B. 訓練數據集和形式辨識模式。先前數據集的一個子集，用於訓練不同的模式。評估針對從未用於訓練的數據測試模式，此過程的結果已由專家使用者驗證。目的是獲得一組代表性的結果，以了解模式在現實世界中的表現。

C. 實際場景中的驗證：必須在邊緣和霧節點上，實施新的服務和控制算法。這些模式具有用於分析數據，實施特定模式，並使用結果開發最佳參數的算法。在此階段，可以修改或進行改善模式。

D. 用統計術語和模式演變，得出測試結果：基於 AI 算法的模式而將產生近似值，而不是精確的結果。分析應用結果以確定置信度，並允許模式演化。該活動支持開發新的 AI 服務，或對已實現的算法進行修改。有監督的自動更改，是維護和改進系統的過程。此階段的過程，包括所有模式層。

建議對使用邊緣和霧，任何的安裝進行這些活動。如前所述，該模式既可以安裝在既有舊的建築物中，也可以安裝在新建築物中。對於新建築設計，基於建議模式的安裝更易於整合。此外，可以提供的服務的潛力，也使其對於既有建築物具有吸引力。

4.在建築子系統中，實施智慧服務

該模式在預先存在的住宅建築物上，進行了測試。設計和實施電源管理、管制和監控服務。物聯網協議（MQTT 和 HTTP）和 ML 範例，用於建議的層體系結構。基於 KNN 的機器學習方法，和樹決策算法用於管理功耗（家用電器），和可再生能源發電（風能和太陽能）。使用房屋中的霧節點，在雲端平台上實現監控和統計數據。該節點連接到控制可再生，和家用電器子系統的不同邊緣節點。

在圖 6 中，邊緣節點，整合在先前安裝的可再生子系統中。透過邊緣層上的這種新設備、電源管理、安全控制和操作流程得以整合，並且可以與其他子系統互操作。可以設計新的智慧服務。邊緣節點將數據傳輸到霧節點 Gateway，該 Gateway 管理功耗和發電，並控製家用電器。該節點中的輸入，是可再生能源發電的數據。輸出控件是 ON-OFF 開關，用於優化發電、安全性和操作。

4.1. 分析與設計

分析了住宅建築，以設計電源管理，安全和控制服務。 在第一種方法中，所需的主要事物（對象），它們之間的關係和不同的服務，如表 2 所示。

4.2. 執行

分析房屋中的建築子系統，以整合這個執行模式層：邊緣控制、霧服務，與雲端的通信和雲端服務。 選擇了本實驗工作中使用的感測器、執行器和控制過程（事物）。 表 3 列出了使用的嵌入式設備。

家庭服務中的控制過程，需要反應時間和互操作性。人機介面、數據存取訪問和分析服務，是本地和雲端運算上的服務。上面提到的兩個需求，都使用不同的協議處理：控制/通信上的 MQTT，和雲端服務上的 HTTP（RESTful API）是用於整合，並使所有子系統互操作的 IoT 協議。在提出的該層模式中，還使用 MQTT 協議、控制、數據處理，以及使用 RESTful 協議，到雲端的數據通信，來開發機器對機器（M2M）應用。

MQTT 使用開放的消息協議，該協議可以將遙測樣式的數據（即在遠端位置收集的測量結果），以消息的形式，從設備和感測器，沿著不可靠或受約束的網路傳輸，到伺服器（BROKER）。消息是簡單、緊湊的二進制數據包，有效載荷（壓縮的標頭，比超連結傳輸協議（HTTP）少得多的詳細資訊），並且非常適合推送簡單的消息傳遞方案，例如溫度更新或移動通知。例如，消息也可以很好地用於，將受約束的或更小的設備，和感測器連接到 Web 服務。

MQTT 通信協議，使所有對象可以互操作。透過此協議實現的發布者和訂閱者模式，可以互連所有設備和事物。該通信層由安裝在霧節點上的代理設備管理。不同的發布者和訂閱者，在不同的節點上實現。安裝了一個 Gateway 設備（霧節點）和兩個嵌入式控制器（邊緣節點），來控製家用電器和電源管理。事物和流程佈署在所有節點上。

邊緣節點控制子系統，霧節點根據決策樹，以及專家定義的規則，實現 AI 範例。霧設備將數據傳輸到雲端平台，以開發儀表板螢幕，來監看子系統的狀態。

可以開發新的雲端平台服務：事件檢測、機器學習處理、統計分析等。專家使用者設計基本的控制算法。在學習和訓練過程之後，將根據專家系統的結果，對這些算法進行調整和修改。在這項工作中，目標是在不損失生產力的情況下優化資源（控制和能源）。在邊緣或霧節點中，執行不同的控製過程；分類過程和決策樹在霧節點中實現。算法以 Python 語言實現。此語言的開源庫用於不同的應用。

4.3. 佈署與測試

對於現有建築物，邊緣節點交錯插入已安裝的控制器、配電板，以及感測器和執行器中。如果在分析階段指定了新的東西（電錶、氣候和控制器），則會安裝一些新的感測器/執行器。這項工作中佈署的邊緣節點具有以下優點：

．請勿干擾先前的安裝操作。

．他們使用新的專家規則和自動規則，引入新控件。

．他們測試和重新配置，在分析、學習和測試驗證中，設計更新的專家規則。


圖 7. 佈署在配電盤中的節點。 使用 IoT 協議通信，在不同節點中開發數據捕獲、控制算法、數據分析、儲存和通信服務

在電力管理過程中，專家使用者根據電力消耗、發電量、消耗負荷曲線、氣候數據和氣候預測數據，對具有選定流程的時間表，進行可程式處理。邊緣節點捕獲數據，並將其發送到霧節點。

霧節點處理室內和室外環境的日記數據，以及天氣狀況。霧節點還可以捕獲其他感測器數據。對房屋中的這些數據消耗和生成方式，進行檢測和分類。消費和發電結果，作為數據添加，以便與儲存的數據一起進行分析。可以使用機器學習方法開發，作為家用電器或人類活動檢測的智慧服務（圖8）。

4.3.1. 機器學習：數據捕獲過程（邊緣節點）和家用電器分類（霧節點）

連接在主配電盤中的電表，用於捕獲數據，並使用標準的 K 近似值，最近鄰（KNN）分類算法，來開發形式辨識模式。 KNN 是機器學習系統中最常見的方法之一。電表捕獲電流；如果連接了新的家用電器，則電流數據會更改。不同的家用電器具有不同的變化等級。

用於辨識家用電器的不同模式的主要變量，是連接時的電流水準差異。數據捕獲過程流程圖（圖9），顯示了在邊緣節點中實現的算法，以捕獲預處理並傳遞電力數據。

在此過程中，監督階段使用訓練數據集。接下來，真實場景中的驗證，將測試分類模式。家用分類設備將用於不同的服務：人類活動的辨識、負載控制、可再生能源管理、空調、安全性等。在訓練階段，已捕獲了不同的家用電器開機，以獲得一組形式。每個家庭都有一個矩心向量，將用於分類過程中的檢測。如上面所示的算法所示，分類器處理將產生連接時的電流數據作為輸入。KNN 分類過程流程圖（圖10）描述了 KNN 方法，它在霧節點中實現。

4.3.2. 可再生電源管理。控制電力自耗的決策樹

每個建築物都有不同的需求曲線，以及在接入電網方面的特定情況。為此，整合和可互操作的設施，可以實施適用於每種情況的不同解決方案，從而提供對太陽風資源的最佳管理，優化電源效率，簡化管理流程，並實現最高的成本節省。當可再生能源超過消耗的能源時，在使用 AC 耦合到電網的設施中，會出現問題。

在實驗工作中，太陽能在一天的中央時段的能量，大於所消耗的能量（圖11）。但是，在分析了消耗曲線之後，可以在這段時間內連接負載，以避免注入電網。可以透過設計一種算法，來滿足這一要求，該算法可以預測，何時發生此事件，以自動連接不同的負載。利用所有感測器和執行器的整合，和互操作通信，已經開發了在不同節點中，所實現的算法（圖12）。

13. 在電源管理子系統上開發的決策樹。 它由專業使用者設計，並整合在邊緣節點上。該決策樹的目的，在優化可再生能源的使用。

4.3.3. 基於 Edge 和 Fog 節點的 Control Home

圖 14 顯示了安裝在住宅房間中的邊緣節點。 該節點可以控制四個設備（設備），並捕獲感測器數據（功耗、發電量、溫度、濕度等）。該設備可以使用 MQTT 協議進行通信。該協議允許設備之間，進行其他類型的通信：智慧手機、新邊緣節點等。圖 7 和圖 14 顯示了可以在其他建築物中，佈署的標準實現。在所有系統中，都有配電板，這些配電盤佈署了霧節點和邊緣節點，如圖所示。

4.3.4. 使用物聯網協議的雲端服務

雲端服務可以監控，透過霧節點或人機介面（HMI）訪問的數據。 IoT 協議（MQTT）從任何已連接 Internet 的設備推送數據。事件檢測、儲存統計分析等其他服務，完善了該資源的功能。提供類似服務的不同平台，顯示了商用物聯網技術的狀態：Amazon IoT、Microsoft Azure、Ubidots 和 Thingspeak，是提供 IoT 平台的公司一些案例。提供了資源以及客戶端，和 IoT 平台之間的應用程式介面（API）通信，以便可以使用它們。

用於設計儀表板監控和管制的 HMI 資源，是這些平台上的主要實用功能之一。霧節點使用雲端 API 傳達數據和資訊，可以實施其他控制服務。在這些雲端平台上，預先建構了用於監控數據的儀表板設計。使用 API​​ 實用功能，霧節點中的過程處理，會將數據發送到每個儀表板。API 文件指定了在設備、IoT 平台和 Mobile-Alerts Cloud 之間，交換數據的結構，以及用於加速項目的代碼案例和形成資料庫。

圖 15 顯示了在 Ubidots 雲平台上，設計的儀表板。Ubidots是本實驗工作中使用的物聯網平台。該模式可以在實現這些協議的層，和平台中使用不同的標準協議。圖 16 顯示了在雲端平台中，IF 變量 THEN 動作的事件配置。大多數物聯網平台，都提供此功能。

5. 結論

為了設計物聯網系統，越來越多地提出邊緣霧模式。但是，每個範例都提供特定應用領域的解決方案。不同子系統之間的整合和互操作性，可以改善這種情況，並提供更好的服務。這項工作的主要目的，是透過提出一種基於邊緣層和霧層，兩層體系結構的運算模式，來解決這個問題。透過這兩層，可以基於使用邊緣或霧節點中，嵌入式的設備捕獲數據所產生的新型有用資訊，來設計和開發新服務。這些節點使用雲端平台和 IoT 協議（例如 MQTT）。

MQTT 是作為不同層（霧 – 邊緣 – 雲）之間提出的通信協議，並進行實驗的。雲端平台用於開發儀表板的面板資訊和 Internet 上的新服務，例如控制、儲存和通信事件。該平台可用於透過 API，交付不同的服務。

該模式可以在現有建築物和新建築物中，開發這些服務。在這種情況下，要求每個子系統中的專家和專業人員，參與新服務的設計。

為了測試該模式的功能，並顯示如何在實際設施中，實現該模式，在住宅中進行了一項實驗性工作。在此霧和邊緣節點前後關聯中，描述了實現的幾個範例。開發了模式辨識和決策樹方法，以展示人工智慧在設計 IoT 解決方案中的潛力。已安裝服務的結果顯示，邊緣和霧節點佈署，產生了預期中整合和互操作性的好處。

提出的工作演示了，如何將邊緣和霧範例，整合到可以增強其優勢的新架構中，從而擴展了應用領域。該體系結構的主要科學貢獻，是整合、技術的互操作性，及其為開發 AI 服務提供的設施的範例。所有這些改進，都在已開發的實驗的不同示例中顯示。具體的優化和改進，將在以後的工作中進行。此外，使用機器學習平台，和 AI 範例的新控制規則，將確保可以創建和改進新的智慧服務。

附圖：圖1.自動建構子系統和資訊技術環境。
圖2.基於使用者為中心關係的模式。
圖3.通信架構。 每個等級都有不同的功能。 提出了兩個通信等級：IoT（使用消息隊列遙測傳輸（MQTT））和 Web（使用代表性狀態傳輸（REST）協議）。這些協議的層，涵蓋了已建立的整合和互操作性要求。
圖4. 在建築物的現有設施上實施的邊緣霧架構示例：邊緣節點是較低的層次，必須與安裝的設備進行新連接。互連所有子系統的霧節點，是透過整合連接到邊緣節點的新設備來實現的。邊緣和霧節點，可以佈署在所有建築物子系統中。
圖5. 住宅建築中的第一個實驗工作。
圖6. 整合在先前安裝的可再生子系統中，邊緣節點的示例。 該節點可以使用新算法控制 ON-OFF 開關，以管理發電過程，以及通信和監控電源數據。
表1.事物示例描述。寫入 ID、類型和節點數據，以配置 XML 文件。配置關聯性儲存在霧節點中。
表 2. 實驗工作中的分析和設計要求。
表 3. 實驗室內使用的嵌入式設備。
圖 7 顯示了分佈在配電板上的節點（邊緣和霧狀）。在此節點中，設計並安裝了功率計、ON-OFF 開關控件和 AI 服務。
圖 8. 佈署的智慧電源功能。在霧節點中實施的分類過程，可用於檢測電連接和人類活動。可以使用 IoT 通信實現其他服務
圖9. 邊緣節點中捕獲，並預處理的用電量數據；MQTT 協議用於通信數據。另外，其他節點可以使用捕獲的數據，來提供其他智慧服務，佈署了整合和互操作性。
圖10. 分類過程。處理捕獲的電數據以檢測家用電器連接。可以使用 IoT 協議整合，來設計其他智慧服務。
圖11. 該圖顯示了實驗工作中的消耗和生產數據。 在自儲存的電力自備設施中，沒有儲存並且沒有注入電網，所產生的能量必須即時使用，並且不得超過所消耗的能量。 能源經理必須預測此事件，並提前連接電荷。
圖 12. 用電自耗設施中的可再生電源管理。
圖 13 是在電源管理子系統中，開發的算法的示例。 可以在邊緣節點上安裝此過程。該節點獲取氣候數據預測，並預測系統是否可以在不儲存的情況下，使用可再生能源。
圖14. 佈署的邊緣節點。該節點可以使用新算法，控制 ON-OFF 開關，並可以在每個房間或建築物中，通信和監控感測器數據。
圖 15. 在雲平台上配置的儀表板。顯示了風力發電數據和預測風力。
圖 16. 在雲端平台上配置事件的儀表板：IF 事件 THEN 動作。 該服務顯示了，如何使用雲端訪問來控制設施。與霧節點的 Internet 通信，可以控制建築物中的不同子系統，並使用電子郵件，SMS 或其他 Internet 服務來通報事件。

資料來源：https://3smarket-info.blogspot.com/2021/02/iot-edge.html?m=1&fbclid=IwAR0uijX5WdNrfzmGjVsakFGaEsWivPgyH1zumxVr7fwvvgqtdFFTI6jJXS8

大家好，分享一篇文章，讓大家認識環保材質
由中技社與永循會發行的永續循環經濟觀念一書～循環經濟與 PLA 綠色創新產品開發
（寀呈股份有限公司 李佳燕 董事長）
（文長注意😊）

摘要
人類物質生活大幅提昇，卻是建構在大量耗用能源、剝削勞工、剷平山林、動植 物滅絕消失、環境嚴重污染、與有毒廢棄物四處流竄的基礎之上。我們不能 忽視這些作為對於地球生態系與未來世代所造成的影響。地球公民希望台灣能藉由 產業轉型，走向生態的、永續的、低碳的綠色經濟，尊重環境資源的限制，揮別過 去高污染、高耗能、高耗水、高工時的產業與生活型態。本文共分為三個部分，第 一部分從全球循環經濟的趨勢入手，第二部分探討生質材料與循環經濟，第三部分 PLA在循環經濟的運用，最終提出本文的結論。

1、 前言
為了兼顧經濟成長與環境永續，聯合國於 2009 年提出「全球綠色新政」倡議， 希望透過公共投資帶動經濟復甦、創造綠色就業機會，2011 年再度提出「綠色經濟 轉型」，建議各國政府至少要提撥 2％的 GDP 用於綠色投資，建構一個低碳社會的典 範，並成為國家與企業長期競爭力的來源，目前美國、歐盟及日本等國家已紛紛響 應，積極擴大綠色投資，加速發展循環經濟。循環經濟的理念，正是要想要改變過 去「Take-Make-Use」的線性經濟，重新建構一套「從搖籃到搖籃」的嶄新經濟模式，讓大自然裡沒有廢棄物。同樣的，我們可以把所有廢棄物和污染當作是「資源錯置」 的結果，由於經濟模式與產品設計不良，使得資源不能被充分利用和回收，才會產 生廢棄物。如果可以重新規劃原料開採、產品設計、製程、使用、回收等一系列流 程，讓資源的生命週期延長，甚至不斷循環，才能徹底解決廢棄物與污染的問題。
二、全球循環經濟的趨勢
（一）循環經濟的內涵
全球工業發展歷經工業革命至今，經濟發展的基礎往往為「線性經濟」的發展 模式，線性經濟係指在工業生產與消費系統中，資源從開採、製造、使用、最後到 廢棄，呈現從搖籃一路到墳墓的線性流動，而此一線性流動往往造成許多資源，僅 經一次性的使用後便流入廢棄端。其追溯源頭則歸因於早期全球資源蘊藏遠大於需 求量，資源供給足以負擔開發的需求量，因此經濟發展上僅針對產量提升與刺激消 費量，最終形成了線性經濟 ；相較於前者，循環經濟強調自然資源的使用與消費應 發揮最佳性的使用，換而言的便是應革新傳統的生產供應模式，並創造新型消費型 態，將過去線性工業系統，重新設計與升級，創造更高的產業價值，而在轉型循環經 濟的過程中，應檢視過去線性經濟模式所開採的資源，以利將搖籃至墳墓的概念轉 型為搖籃至搖籃。自資源有限的概念中，資源分為已確認存在、高機率、低機率及 尚未發現的地表儲備量，而其中前三者多已因線性經濟的需求進行開採，而分佈至 人類生活圈的各個角落，但未來為因應轉型循環經濟，必須將已視為廢棄的資源再 次進入源頭成為資源儲存，因此為了高效率轉型為循環經濟，現已遭開採的資源又 以資源再生分為高、中及低三者，在考量機會成本情況下，高經濟價值資源的再生 將成為未來發展循環經濟的重點。
上世紀六○年代美國經濟學家肯尼斯． 波爾丁（Kenneth Boulding）提出循環經 濟（Circular Economy）一詞，認為人類在追求經濟發展的同時，大量開採自然資源 並排放污染及廢棄物，但地球就像一艘飛行於宇宙中的太空船，當資源耗盡時終將 毀滅，唯一能使地球持續發展的方式，就是將這些汙染及廢棄物轉換成可再利用的 資源。七○年代起，環境資源已開始受世人重視，聯合國於 1972 年 6 月 5 日召開人 類環境會議，會後發表「聯合國人類環境宣言」，該宣言強調地球生產非常重要的再生資源的能力必須得到保持，而且在實際可能的情況下加以恢復或改善。以目前地 球的承載力已經超飽和的情況下，如何讓過去「開採→製造→消費→丟棄」的直線 經濟，轉變成「開採→製造→消費→再生→製造→消費→再生…」的循環經濟，以 舒緩地球的承載壓力，這是人類發展的重要課題！
基於上述背景，工業先進國家已陸續將這理念落實於政策及法規的推動，例如 美國於 1976 年頒布《環境保護與回收法》、德國於 1978 年推出全球第一個環境標 章「藍天使標章」、日本於 2000 年公布《推進形成循環型社會基本法》及一系列相 關法規等。產業界也努力開發易拆解可回收的產品，或是強調使用再生原料的產品， 例如電子產品的塑膠外殼宣告添加再生塑膠原料、運動服裝標榜使用寶特瓶再生的 環保紗、紙製產品標示採用再生紙漿等，循環經濟甚至也是近期歐美青年創業的趨 勢，例如「在地循環農場」（Local Loop Farms）。
（二）循環經濟的發展
循環經濟和線性經濟最大的不同，具有可回復性和可再生性，其特性是透過新 的設計，從一條完整價值鏈與跨不同價值鏈的系統，檢討各式各樣的經濟活動，建 立資源循環圈。循環經濟不同於傳統的「廢棄物減量」，其更強調在新面向產生變革 性的設計，以改善傳統經濟體系價值結構鏈，其層面包含技術、組織及社會面的創 新。鑒於國際環境保育意識提升，許多國家已發覺循環經濟的趨勢，並且逐步投入 資源來加速循環經濟的體現，包括英國、荷蘭、歐盟、中國、日本等主要經濟體， 並已在政府策略及產業創新出現許多新的研究成果。而循環經濟對於臺灣永續發展 產業邁向國際經濟潮流上有其發展的重要性，臺灣未來若要於此發展趨勢中，延續 並展示環保產業及經濟發展的競爭力，應積極整合政府與民間產業以創造新的思維 與作為。
回顧人類發展歷程中，隨著人口數逐年增加，相對產生的資源匱乏問題也日益 增加，世界人口變化與資源管理的歷程中便整理出了自西元 1800 年至 2010 年的發 展歷程，而從中可見人口自十億暴漲至六十億人口的過程中，資源 ( 糧食、水源、材 料 ) 管理逐漸成形，能源重心也漸漸從化石能源調整為再生能源，然而面對近年氣候 變遷、資源短缺、消費者持續消費行為的問題，仍須提出創新的作為以利改善世代 所面臨的瓶頸，第一波循環經濟的發展於 2000 年已悄然成形，源頭減量及清潔生產的理念也隨國際潮流引進臺灣，而面對即將來臨的循環經濟第三波發展，則能有效 結合舊有的產源減量、清潔生產及環保材料及近年推行的環境影響評估 (EIA)、生命 週期評估 (LCA)、碳足跡及搖籃至搖籃的理念，成功建立新的資源循環圈。
（三）臺灣循環經濟的發展
從臺灣循環經濟的發展脈絡來看，從早先的議題較侷限於廢棄物的去向管理， 國內需要有足夠的最終處理設施，然而，新掩埋場難以再取得，焚化爐興建也常遭 民眾抗爭，所以透過廢棄物減量以及資源回收再利用，減少處理廢棄物的負擔，成 為施政的主要手段。在這 20 年以來，臺灣的廢棄物量已經大幅減少，並且導致焚化 廠還有多餘的處理容量。這期間環保署與經濟部分別推廣「3R」以及「清潔生產」， 帶動許多製造業的升級，也讓國內資源回收再利用業者數量逐年增加，可以視為臺 灣循環經濟的第一波發展。
循環經濟第一波至第二波發展期間，環保產業隨之蓬勃發展，根據作者觀察， 全球環保市場，包括「環保服務業」、「環保設備業」及「環保資訊業」，三者市場皆 逐年增加。其中，環保設備業每年市場規模變化不大，環保資源業則是三大類中成 長最快速的行業，而環保服務業的規模維持在 3,500 億美元以上，每年仍持續成長， 並且在三大類的環保規模中常年居冠。
隨著第一波與第二波的循環經濟發展到一定程度，將很難再有大幅的突破，因 為在一個局部系統中，能掌握的機會已經幾近都運用了。舉例來說，當特定產業已 經將生產效率，在具經濟可行性下做到最好，清潔生產就少有再提升的空間 ；民眾 依既有的廢棄物已經依法規分類回收，回收率也就難再提升 ；但工業區內各廠商的 廢熱、廢水以及副產品已盡量互相整合再利用，其他的廢棄物質仍需要負擔清除處 理的成本。要產生第三波循環經濟的發展，需要在更大系統性中發掘更多的機會。
第三波突破性的循環經濟需要有更大的系統視野，循環經濟不只看處理廢棄物 的問題，而更考慮跨整個供應鏈的整合，包括原料來源的選用、設計製造、產品服 務的提供、消費模式、及產品廢棄後如何導入循環。另一種說法，循環經濟轉型是 對過去的線性經濟，做生產供應鏈系統的重新設計，連同消費的型態也一同改變。 在更大的系統視野中，循環經濟產生可在效益層面的產生大跳躍，不像過去只鎖定 廢棄物的預防與減量，新的循環經濟還更能在跨產業鏈、跨區域、新的循環體系上，產生更多的價值與新型態的效益。
三、生質材料與循環經濟
（一）生質塑膠的發展
循環經濟概念當道，在追求永續發展主流意識下，循環經濟成為全球致力發展 的新趨勢。塑膠發明至今已逾百年，提供民眾便利的生活，但是難以處理的廢棄塑 膠也造成環境危害。不過，截至目前為止，全球塑膠回收率仍低於 15%，而且塑膠 幾乎無法分解，只能裂解成為塑膠微粒。更令人擔憂的是，全球 83% 的飲用水都具 有塑膠微粒，就像是水中的 PM2.5。近年塑膠使用衍生的海洋汙染、塑膠微粒危害 等問題日益受到重視，突顯發展「環境友善塑膠材料」的必要性與急迫性。近期七 大工業國組織峰會達成共識，目標 2030 年塑膠材料得以 100% 循環再利用或能資源 化等方式為最終處置。顯示出未來全球塑膠產業勢必將與循環經濟扣合，生質塑膠 已被視為推動塑膠循環經濟的必要選項之一。
生質塑膠是可以在自然界降解的塑膠材質，在有足夠的溼度、氧氣與適當微生 物存在的自然掩埋或堆肥環境中，可被微生物所代謝分解產生水和二氧化碳或甲 烷，對環境危害較小，所以在日本又稱為綠色塑膠。實際上，生質塑膠並不是什麼 新概念，由樟腦和硝化纖維製成的賽璐珞 (Celluloid Nitrate)1 ，早在 1850 年代就被發 明出來作為象牙撞球的替代品。但就像其他早期發明的可循環塑膠一樣、賽璐珞缺 乏合成塑膠的可撓性和發展性，因此現在多半只能拿來做領口襯料和桌球。
生質塑膠（Biomass Plastics）就是利用玉米、小麥、馬鈴薯等所富含的澱粉、 纖維素為原料，並運用生化科技，經過精煉、發酵、合成等程序聚合形成生物可分 解的材質，以「聚乳酸」(Polylactide, 以下簡稱 PLA)) 最為典型，且是生產量最大的 一種。初期 PLA 在導入食品接觸容器時，多運用於冷飲容器及生鮮低溫儲藏的包裝 盒，其原始材質的耐熱溫度 60℃ 左右，確實足以確保使用的安全。但由於環保政 策於多年前的支持使用，其材質開始製作成各類食品容器具及包裝材料。但因生產 廠家眾多，逐漸由原始的冷飲容器及生鮮低溫儲藏的包裝盒轉向製作成高溫使用的 碗、筷、杯、匙等家庭用品，而耐熱溫度則成為 PLA 材質的主要問題來源。

1 賽璐珞（Celluloid Nitrate）是一種合成樹脂的名稱。 是歷史上最早發明的熱可塑性樹脂。 以硝化纖維和樟腦等原料 合成。 代表性製品為桌球、人偶等。
（二）環境友善塑膠材料
塑膠發明至今已逾百年，提供人們便利的生活，然而處理傳統石化來源的廢棄 塑膠卻是相當棘手的問題。傳統塑膠不易分解，進而造成環境污染以及危害地球物 種的生存（全球每年超過 150 萬個海洋生物，因廢棄塑膠而喪命）；焚化燃燒處理， 則有廢毒氣產生等問題 ；不恰當的回收策略，仍會產生一定比例無法回收再利用的 塑膠廢棄物，繼續對全球環境造成危害。為了解決傳統塑膠廢棄物的問題，開發「環 境友善塑膠材料」成為重要課題。環境友善塑膠材料是指塑膠材料在大自然環境的 條件下，輔以足夠的溼度與氧氣，在自然掩埋或堆肥環境中，可被微生物分解成水 和二氧化碳 ；或是在工業堆肥的條件下可分解 ；又或者是具有生物質含量但不可分 解的特性，在廢棄回收後進行燃燒，不會產生有毒氣體 ；以及其他與綠色環保概念 有關的塑膠材料。
發展環境友善塑膠材料最主要的是環保因素。由於循環經濟概念當道，在追求 永續發展的主流意識下，強調資源可持續回復的循環經濟，遂成為全球致力發展的 新趨勢。投入資源開發生質塑膠、可回收塑膠等環境友善塑膠材料自然地成為一門 非常重要課題。亞洲地區已成為全球塑膠產品最主要消費市場，塑膠發展的議題在 此區域更顯重要，也再次合理解釋「環境友善塑膠材料」得以擠進亞洲前十大重點 技術的原因。
生質塑膠屬於環境友善塑膠材料一種，原料從天然資源而來，例如由玉米、木 薯、小麥、馬鈴薯、纖維素、棕櫚油等所製成之一種塑膠材料。環境友善塑膠材料 是指塑膠材料在大自然環境的條件下，輔以足夠的溼度與氧氣，在自然掩埋或堆肥 環境中，可被微生物分解成水和二氧化碳 ；或是在工業堆肥的條件下可分解 ；又 或是具有生物質含量但不可分解的特性，在廢棄回收後進行燃燒，不會產生有毒氣 體 ；以及其他與綠色環保概念有關的塑膠材料。
（三）生質材料在各國的運用
目前生質塑膠原材料仍以農業作物為主，如蔗糖、澱粉、植物油等。泰國為全 球最大的木薯產品出口國，印尼亦是重要出口國。泰國為確立發展生質塑膠未來市 場潛力及規模，該國企業及國際企業持續增加投資。為加強發展生質塑膠，泰國政 府設定十年目標，選定以甘蔗和木薯為發展生質能源與生質化學品的經濟作物來源。
目前許多亞洲國家已限制使用一次性塑膠，但生質塑膠、回收塑膠等「環境友 善塑膠材料」並不在限制名單內，有助於推廣生質塑膠的使用。為了加速塑膠材料 綠色概念的發展，印度政府甚至訂下「2020 年前全面棄絕一次性的塑膠製品」的嚴 苛目標政策，此政策勢必加速印度開發與推廣使用生質塑膠。目前生質塑膠已使用 在各個國家，在政府與企業持續投資資源開發，以及人民環保意識持續增加，可預 見 2030 年，生質塑膠將成為亞洲最普遍應用的技術。
臺灣生質塑膠產業受限於原料（農作物）供應不足，因此主要進口生質塑膠材 料 ( 農作物經過加工後的初級品 ) 進行改質和混練、加工或接受委託代工製成塑膠產 品，再交由下游應用端進行銷售。若要強化臺灣生質塑膠產業發展，掌握充足料源 則是關鍵因素之一。建議原料端的部分可配合新南向政策，透過國際合作，掌握東 南亞料源，建立自主量產能力，並以現有研發能量，開發高階的高值應用，有助提 升臺灣生質塑膠產業競爭力。
四、PLA在循環經濟的運用
（一）PLA的優點
PLA 是一種新型的生物可降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提出 的澱粉原料製成。澱粉原料經由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌種發酵製 成高純度的乳酸，再通過化學合成方法合成一定分子量的 PLA。其具有良好的生物 可降解性，使用後能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染 環境，這對保護環境非常有利，是公認的環境友好材料。世界二氧化碳排放量據新 聞報導在 2030 年全球溫度將升至 60℃，普通塑膠的處理方法依然是焚燒火化，造成 大量溫室氣體排入空氣中，而 PLA 塑膠則是掩埋在土壤裡降解，產生的二氧化碳直 接進入土壤有機質或被植物吸收，不會排入空氣中，不會造成溫室效應。
在生物分解性塑膠中，PLA 因為產量的關係，最常被使用到容器及包裝類產品。 目前的主要使用於包裝盒、蛋盒、冷飲容器、生鮮托盤 ；以及使用於電子類產品的 外包裝。外包裝在回收的過程中可以視同為紙類回收物，後續處理方式相對單純。
第一，機械性能及物理性能良好。PLA 適用於吹塑、熱塑等各種加工方法，加 工方便，應用十分廣泛。可用於加工從工業到民用的各種塑膠製品、包裝食品、速 201 循環經濟與 PLA 綠色創新產品開發食飯盒、無紡布、工業及民用布。進而加工成農用織物、保健織物、抹布、衛生用 品、室外防紫外線織物、帳篷布、地墊面等等，市場前景十分看好。
第二，相容性與可降解性良好。PLA 在醫藥領域應用也非常廣泛，如可生產一 次性輸液用具、免拆型手術縫合線等，低分子 PLA 作藥物緩釋包裝劑等。PLA 除了 有生物可降解塑膠的基本的特性外，還具備有自己獨特的特性。傳統生物可降解塑 膠的強度、透明度及對氣候變化的抵抗能力皆不如一般的塑膠。
第三，PLA 和石化合成塑膠的基本物性類似，也就是說，它可以廣泛地用來製 造各種應用產品。PLA 也擁有良好的光澤性和透明度，和利用聚苯乙烯所制的薄膜 相當，是其他生物可降解產品無法提供的。
第四，PLA 具有最良好的抗拉強度及延展度，PLA 也可以各種普通加工方式生 產，例如 ：熔化擠出成型，射出成型，吹膜成型，發泡成型及真空成型，與廣泛使 用的聚合物有類似的成形條件，此外它也具有與傳統薄膜相同的印刷性能。如此， PLA 就可以應各不同業界的需求，製成各式各樣的應用產品。
第五，PLA 可以循環使用。PLA 的循環使用與其他聚合物不太相同的是，廢舊 的 PLA 塑膠會被收集在特殊的容器中，通過熱解、水解等方法降解成為小分子單 體，再通過生產商將單體乳酸合成為具有一定性能的 PLA 原材料，再次進入市場使 用。
第六，PLA 薄膜具有良好的透氣性、透氧性及透二氧二碳性，它也具有隔離氣 味的特性。病毒及黴菌易依附在生物可降解塑膠的表面，故有安全及衛生的疑慮， 然而，PLA 是唯一具有優良抑菌及抗黴特性的生物可降解塑膠。
第七，當焚燒 PLA 時，其燃燒熱值與焚化紙類相同，是焚化傳統塑膠（如聚乙 烯）之一半，而且焚化 PLA 絕對不會釋放出氮化物、硫化物等有毒氣體。人體也含 有以單體形態存在的乳酸，這就表示這種分解性產品具有的安全性。
（二）PLA在行業應用
PAL 現階段研究狀況聚焦於利用農業剩餘物資，如稻桿、蔗渣以及垃圾廢棄物 等為原料，將其轉化為 PLA 成為技術開發的焦點。在各項研究開發上，利用稻桿等 含有木質纖維素的農業廢棄物進行發酵聚合，為國際發展趨勢，被看好是下一階段 生質塑膠原料的供給來源。能否供應充足的原材料，是發展生質塑膠的關鍵。
PLA 的熱穩定性好，加工溫度 170 ～ 230℃，有好的抗溶劑性，可用多種方式 進行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸，注射吹塑。由 PLA 製成的產品除能生物降解 外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，光華偉業開發的 PLA 還具有 一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分廣泛，例如 ：
1. 一次性用品領域
PLA 對人體絕對無害的特性使得 PLA 在一次性餐具、食品包裝材料等一次性用 品領域具有獨特的優勢。其能夠完全生物降解也符合世界各國，特別是歐盟、美國 及日本對於環保的高要求。但，採用 PLA 原料所加工之一次性餐具存在著不耐溫、 耐油等缺陷。這樣就造成其的功能作用大打折扣，以及在運輸途中餐具變形、材質 變脆，造成大量次品。不過，經過技術發展，市場已有經過 PLA 改性後的材料，可 以有效克服原粒的缺點，有的甚至耐熱溫度高達 120 度以上，可以用作微波爐用具 材料。
2. 汽車領域
日本東麗公司結合 PLA 樹脂改性技術、纖維製造技術和染色加工技術，開發了 以高性能 PLA 纖維為主要成份的車用腳墊和備用輪胎箱蓋。備用輪胎箱蓋已經在豐 田汽車公司 2003 年推出的全面改進小型車「Raum」上使用。在繼腳墊和備用輪胎箱 蓋開發以後，東麗公司有開發了適用於車門、輪圈、車座、天棚材料的其他汽車部 件的 PLA 產品。
3. 電子領域
為了節省石油資源同時減少地球溫室效應，進一步拓展由可再生的生物資源製 造而來的 PLA 的應用領域，日本許多公司對 PLA 在電子電器領域的應用進行深入研 究並取得了卓越的成效。
4. 生物醫藥領域
生物醫藥行業是 PLA 最早開展應用的領域。PLA 對人體有高度安全性並可被組 織吸收，加上其優良的物理機械性能，還可應用在生物醫藥領域，如一次性輸液工 具、免拆型手術縫合線、藥物緩解包裝劑、人造骨折內固定材料、組織修復材料、 人造皮膚等。高分子量的 PLA 有非常高的力學性能，在歐美等國已被用來替代不銹 鋼，作為新型的骨科內固定材料如骨釘、骨板而被大量使用，其可被人體吸收代謝的特性使病人免收了二次開刀的苦。其技術附加值高，是醫療行業發展前景的高分 子材料。
（三）PLA發展問題
玉米同為人類的食物來源之一，因氣候變遷，全球糧食不足的情況下，造成玉 米價格上漲，使用玉米去製造 PLA 的食品原料，也同樣成為各界挑戰的議題。另 外，國內地狹人稠，寸土寸金，所有的掩埋場因空間不足的緣故，無法接受掩埋這 類廢棄物，而 PLA 材質的使用與推廣，則難以展現與達成其原開發的目的與素求。 過去生質塑膠時常被認為來源為糧食作物，存在與民爭糧的疑慮。故現階段研究狀 況，聚焦於利用農業剩餘物資，如稻桿、蔗渣以及垃圾廢棄物等作為原料，將其轉 化為生質塑膠成為技術開發的焦點。在各項的研究開發上，利用稻桿等含有木質纖 維素的農業廢棄物進行發酵聚合，為國際上的發展趨勢，並且被看好是下一階段生 質塑膠原料的供給來源。凝聚國際共識 2030 完成 100% 循環再利用技術在七大工業 國組織（G7）峰會已達成共識，目標 2030 年塑膠材料得以 100% 循環再利用或能資 源化等方式為最終處置。此舉顯示未來全球塑膠產業勢必將與循環經濟扣合，生質 塑膠已被視為推動塑膠循環經濟的必要選項之一。
初期 PLA 在導入食品接觸容器時，多運用於冷飲容器及生鮮低溫儲藏的包裝 盒，其原始材質的耐熱溫度 60℃ 左右，確實足以確保使用的安全。但由於環保政 策於多年前的支持使用，其材質開始製作成各類食品容器具及包裝材料。但因生產 廠家眾多，逐漸由原始的冷飲容器及生鮮低溫儲藏的包裝盒轉向製作成高溫使用的 碗、筷、杯、匙等家庭用品，而耐熱溫度則成為 PLA 材質的主要問題來源。
玉米同為人類的食物來源之一，因氣候變遷，全球糧食不足的情況下，造成玉 米價格上漲，使用玉米去製造 PLA 的食品接觸物件，也同樣成為各界挑戰的議題。 另外，國內地狹人稠，寸土寸金，所有的掩埋場因空間不足的緣故，無法接受掩埋 這類廢棄物，而 PLA 材質的使用與推廣，則難以展現與達成其原開發的目的與素 求。
PLA 材質屬於熱塑性高分子材質並非是均質材料，目前單純的原始材質及經改 質強化彈性及耐熱性的不同類型皆同時使用中，而耐熱特性的表現仍將是最主要的 考量因素。綜合以上說明，以非專業人士要在無明確資訊下有效確定材質之耐熱溫度是不可能的。但可以藉由材質的判定與標示規定資訊來判別適用性。當然，若能 確定使用場合與方式，就變得比較容易。
（四）企業的應用情況
寀呈股份有限公司的策略定位在綠色創新、傳統再生、天然好物與在地生產， 為了掌握關鍵的綠色原料改質技術。2014 年 7 月寀呈開始以綠色概念推出「S•S• E • 」系列產品，使用看似塑膠卻不是塑膠、來自玉米的純植物原料 PLA 製造，包 括 Breere 會呼吸的保鮮盒、tefee cup、twins spoon 好心情湯匙等產品 ；設計理念是 簡化過多與不必要的配件，達到與傳統保鮮盒相同的保鮮、防漏等效果，相對來說 減少藏汙納垢的縫槽，清洗時也能減少清潔劑與水資源的使用。創業過程因為與前 一代經營區塊不同，要投入綠色產業的前置資金與時間是很長的，除了內部溝通也 要尋求其他資源的協助，此外因為談到綠色產品多數都是貴又叫好不叫座，在完成 開發正式上市後也費了許多心力在與消費者溝通，要讓消費者瞭解產品的理念與設 計特色，才能獲得在各大通路上架販售的機會。
重視食安，寀呈公司多年投入環保材質 PLA 研究，開發保鮮盒與水杯等無毒生 活產品，並自創品牌「SEE」，目前已成功上市且成功獲得歐美訂單，希望未來提高 臺灣品牌國際市場能見度。寀呈公司已成功開發環保材質 PLA 生活用品，也取得生 物可分解材質國際認證。看準綠色經濟當道，寀呈積極投入食品容器安全性的研究， PLA 保鮮盒與水杯是以植物為基底的材料，耐熱溫度超過 110 度，且不會釋出雙酚 A、塑化劑等有毒物質，目前在臺已上市，希望能攻下保鮮盒與水杯市場。未來還規 劃將保鮮盒等產品 LOGO 或其餘標示增設感溫變色功能。
五、結論
最近循環經濟在台灣正流行！自從小英總統在 520 就職演說上提到「要讓台灣 走向循環經濟的時代」以後，這個詞彙就在台灣流行了起來。在國內已有多家業者 大量製造 PLA 的相關食品接觸物件，進而外銷至歐美國家，其產能也不斷在擴充的 中，若 PLA 材質的食品接觸物件符合食品安全衛生標準，再加上材質還能在自然環 境中完全分解，自然會由消費大眾所採用。但整體來說，塑料材質在高溫下較易產 生高風險，自 2008 年將原本 PLA「不耐熱」及「材質脆」的兩大問題，透過提高結晶性及合膠方式加以解決。目前，臺灣創新研發能量充足，PLA 是臺灣目前應用 最廣泛的生質塑膠，生鮮蔬果盒及冷飲杯的應用佔需求量 90% 左右，PLA 製成品約 70% 外銷歐美日等國為主。
不過，臺灣生質塑膠產業受限於原料（農作物）供應不足，因此主要進口塑膠 材料（農作物經過加工後的初級品）進行改質和混煉、加工或接受委託代工製成塑 膠產品，再交由下游應用端進行銷售。若要強化臺灣 PLA 產業發展，能否掌握充足 料源為關鍵因素之一。原料端的部分可配合新南向政策，透過國際合作，掌握東南 亞料源，建立自主量產能力，並以現有研發能量，進而開發高階的高值應用，將能 提升臺灣生質塑膠產業競爭力。

大家好，分享一篇文章，讓大家認識環保材質
由中技社與永循會發行的永續循環經濟觀念一書～循環經濟與 PLA 綠色創新產品開發
（寀呈股份有限公司 李佳燕 董事長）
（文長注意😊）

摘要
人類物質生活大幅提昇，卻是建構在大量耗用能源、剝削勞工、剷平山林、動植 物滅絕消失、環境嚴重污染、與有毒廢棄物四處流竄的基礎之上。我們不能 忽視這些作為對於地球生態系與未來世代所造成的影響。地球公民希望台灣能藉由 產業轉型，走向生態的、永續的、低碳的綠色經濟，尊重環境資源的限制，揮別過 去高污染、高耗能、高耗水、高工時的產業與生活型態。本文共分為三個部分，第 一部分從全球循環經濟的趨勢入手，第二部分探討生質材料與循環經濟，第三部分 PLA在循環經濟的運用，最終提出本文的結論。

1、 前言
為了兼顧經濟成長與環境永續，聯合國於 2009 年提出「全球綠色新政」倡議， 希望透過公共投資帶動經濟復甦、創造綠色就業機會，2011 年再度提出「綠色經濟 轉型」，建議各國政府至少要提撥 2％的 GDP 用於綠色投資，建構一個低碳社會的典 範，並成為國家與企業長期競爭力的來源，目前美國、歐盟及日本等國家已紛紛響 應，積極擴大綠色投資，加速發展循環經濟。循環經濟的理念，正是要想要改變過 去「Take-Make-Use」的線性經濟，重新建構一套「從搖籃到搖籃」的嶄新經濟模式，讓大自然裡沒有廢棄物。同樣的，我們可以把所有廢棄物和污染當作是「資源錯置」 的結果，由於經濟模式與產品設計不良，使得資源不能被充分利用和回收，才會產 生廢棄物。如果可以重新規劃原料開採、產品設計、製程、使用、回收等一系列流 程，讓資源的生命週期延長，甚至不斷循環，才能徹底解決廢棄物與污染的問題。
二、全球循環經濟的趨勢
（一）循環經濟的內涵
全球工業發展歷經工業革命至今，經濟發展的基礎往往為「線性經濟」的發展 模式，線性經濟係指在工業生產與消費系統中，資源從開採、製造、使用、最後到 廢棄，呈現從搖籃一路到墳墓的線性流動，而此一線性流動往往造成許多資源，僅 經一次性的使用後便流入廢棄端。其追溯源頭則歸因於早期全球資源蘊藏遠大於需 求量，資源供給足以負擔開發的需求量，因此經濟發展上僅針對產量提升與刺激消 費量，最終形成了線性經濟 ；相較於前者，循環經濟強調自然資源的使用與消費應 發揮最佳性的使用，換而言的便是應革新傳統的生產供應模式，並創造新型消費型 態，將過去線性工業系統，重新設計與升級，創造更高的產業價值，而在轉型循環經 濟的過程中，應檢視過去線性經濟模式所開採的資源，以利將搖籃至墳墓的概念轉 型為搖籃至搖籃。自資源有限的概念中，資源分為已確認存在、高機率、低機率及 尚未發現的地表儲備量，而其中前三者多已因線性經濟的需求進行開採，而分佈至 人類生活圈的各個角落，但未來為因應轉型循環經濟，必須將已視為廢棄的資源再 次進入源頭成為資源儲存，因此為了高效率轉型為循環經濟，現已遭開採的資源又 以資源再生分為高、中及低三者，在考量機會成本情況下，高經濟價值資源的再生 將成為未來發展循環經濟的重點。
上世紀六○年代美國經濟學家肯尼斯． 波爾丁（Kenneth Boulding）提出循環經 濟（Circular Economy）一詞，認為人類在追求經濟發展的同時，大量開採自然資源 並排放污染及廢棄物，但地球就像一艘飛行於宇宙中的太空船，當資源耗盡時終將 毀滅，唯一能使地球持續發展的方式，就是將這些汙染及廢棄物轉換成可再利用的 資源。七○年代起，環境資源已開始受世人重視，聯合國於 1972 年 6 月 5 日召開人 類環境會議，會後發表「聯合國人類環境宣言」，該宣言強調地球生產非常重要的再生資源的能力必須得到保持，而且在實際可能的情況下加以恢復或改善。以目前地 球的承載力已經超飽和的情況下，如何讓過去「開採→製造→消費→丟棄」的直線 經濟，轉變成「開採→製造→消費→再生→製造→消費→再生…」的循環經濟，以 舒緩地球的承載壓力，這是人類發展的重要課題！
基於上述背景，工業先進國家已陸續將這理念落實於政策及法規的推動，例如 美國於 1976 年頒布《環境保護與回收法》、德國於 1978 年推出全球第一個環境標 章「藍天使標章」、日本於 2000 年公布《推進形成循環型社會基本法》及一系列相 關法規等。產業界也努力開發易拆解可回收的產品，或是強調使用再生原料的產品， 例如電子產品的塑膠外殼宣告添加再生塑膠原料、運動服裝標榜使用寶特瓶再生的 環保紗、紙製產品標示採用再生紙漿等，循環經濟甚至也是近期歐美青年創業的趨 勢，例如「在地循環農場」（Local Loop Farms）。
（二）循環經濟的發展
循環經濟和線性經濟最大的不同，具有可回復性和可再生性，其特性是透過新 的設計，從一條完整價值鏈與跨不同價值鏈的系統，檢討各式各樣的經濟活動，建 立資源循環圈。循環經濟不同於傳統的「廢棄物減量」，其更強調在新面向產生變革 性的設計，以改善傳統經濟體系價值結構鏈，其層面包含技術、組織及社會面的創 新。鑒於國際環境保育意識提升，許多國家已發覺循環經濟的趨勢，並且逐步投入 資源來加速循環經濟的體現，包括英國、荷蘭、歐盟、中國、日本等主要經濟體， 並已在政府策略及產業創新出現許多新的研究成果。而循環經濟對於臺灣永續發展 產業邁向國際經濟潮流上有其發展的重要性，臺灣未來若要於此發展趨勢中，延續 並展示環保產業及經濟發展的競爭力，應積極整合政府與民間產業以創造新的思維 與作為。
回顧人類發展歷程中，隨著人口數逐年增加，相對產生的資源匱乏問題也日益 增加，世界人口變化與資源管理的歷程中便整理出了自西元 1800 年至 2010 年的發 展歷程，而從中可見人口自十億暴漲至六十億人口的過程中，資源 ( 糧食、水源、材 料 ) 管理逐漸成形，能源重心也漸漸從化石能源調整為再生能源，然而面對近年氣候 變遷、資源短缺、消費者持續消費行為的問題，仍須提出創新的作為以利改善世代 所面臨的瓶頸，第一波循環經濟的發展於 2000 年已悄然成形，源頭減量及清潔生產的理念也隨國際潮流引進臺灣，而面對即將來臨的循環經濟第三波發展，則能有效 結合舊有的產源減量、清潔生產及環保材料及近年推行的環境影響評估 (EIA)、生命 週期評估 (LCA)、碳足跡及搖籃至搖籃的理念，成功建立新的資源循環圈。
（三）臺灣循環經濟的發展
從臺灣循環經濟的發展脈絡來看，從早先的議題較侷限於廢棄物的去向管理， 國內需要有足夠的最終處理設施，然而，新掩埋場難以再取得，焚化爐興建也常遭 民眾抗爭，所以透過廢棄物減量以及資源回收再利用，減少處理廢棄物的負擔，成 為施政的主要手段。在這 20 年以來，臺灣的廢棄物量已經大幅減少，並且導致焚化 廠還有多餘的處理容量。這期間環保署與經濟部分別推廣「3R」以及「清潔生產」， 帶動許多製造業的升級，也讓國內資源回收再利用業者數量逐年增加，可以視為臺 灣循環經濟的第一波發展。
循環經濟第一波至第二波發展期間，環保產業隨之蓬勃發展，根據作者觀察， 全球環保市場，包括「環保服務業」、「環保設備業」及「環保資訊業」，三者市場皆 逐年增加。其中，環保設備業每年市場規模變化不大，環保資源業則是三大類中成 長最快速的行業，而環保服務業的規模維持在 3,500 億美元以上，每年仍持續成長， 並且在三大類的環保規模中常年居冠。
隨著第一波與第二波的循環經濟發展到一定程度，將很難再有大幅的突破，因 為在一個局部系統中，能掌握的機會已經幾近都運用了。舉例來說，當特定產業已 經將生產效率，在具經濟可行性下做到最好，清潔生產就少有再提升的空間 ；民眾 依既有的廢棄物已經依法規分類回收，回收率也就難再提升 ；但工業區內各廠商的 廢熱、廢水以及副產品已盡量互相整合再利用，其他的廢棄物質仍需要負擔清除處 理的成本。要產生第三波循環經濟的發展，需要在更大系統性中發掘更多的機會。
第三波突破性的循環經濟需要有更大的系統視野，循環經濟不只看處理廢棄物 的問題，而更考慮跨整個供應鏈的整合，包括原料來源的選用、設計製造、產品服 務的提供、消費模式、及產品廢棄後如何導入循環。另一種說法，循環經濟轉型是 對過去的線性經濟，做生產供應鏈系統的重新設計，連同消費的型態也一同改變。 在更大的系統視野中，循環經濟產生可在效益層面的產生大跳躍，不像過去只鎖定 廢棄物的預防與減量，新的循環經濟還更能在跨產業鏈、跨區域、新的循環體系上，產生更多的價值與新型態的效益。
三、生質材料與循環經濟
（一）生質塑膠的發展
循環經濟概念當道，在追求永續發展主流意識下，循環經濟成為全球致力發展 的新趨勢。塑膠發明至今已逾百年，提供民眾便利的生活，但是難以處理的廢棄塑 膠也造成環境危害。不過，截至目前為止，全球塑膠回收率仍低於 15%，而且塑膠 幾乎無法分解，只能裂解成為塑膠微粒。更令人擔憂的是，全球 83% 的飲用水都具 有塑膠微粒，就像是水中的 PM2.5。近年塑膠使用衍生的海洋汙染、塑膠微粒危害 等問題日益受到重視，突顯發展「環境友善塑膠材料」的必要性與急迫性。近期七 大工業國組織峰會達成共識，目標 2030 年塑膠材料得以 100% 循環再利用或能資源 化等方式為最終處置。顯示出未來全球塑膠產業勢必將與循環經濟扣合，生質塑膠 已被視為推動塑膠循環經濟的必要選項之一。
生質塑膠是可以在自然界降解的塑膠材質，在有足夠的溼度、氧氣與適當微生 物存在的自然掩埋或堆肥環境中，可被微生物所代謝分解產生水和二氧化碳或甲 烷，對環境危害較小，所以在日本又稱為綠色塑膠。實際上，生質塑膠並不是什麼 新概念，由樟腦和硝化纖維製成的賽璐珞 (Celluloid Nitrate)1 ，早在 1850 年代就被發 明出來作為象牙撞球的替代品。但就像其他早期發明的可循環塑膠一樣、賽璐珞缺 乏合成塑膠的可撓性和發展性，因此現在多半只能拿來做領口襯料和桌球。
生質塑膠（Biomass Plastics）就是利用玉米、小麥、馬鈴薯等所富含的澱粉、 纖維素為原料，並運用生化科技，經過精煉、發酵、合成等程序聚合形成生物可分 解的材質，以「聚乳酸」(Polylactide, 以下簡稱 PLA)) 最為典型，且是生產量最大的 一種。初期 PLA 在導入食品接觸容器時，多運用於冷飲容器及生鮮低溫儲藏的包裝 盒，其原始材質的耐熱溫度 60℃ 左右，確實足以確保使用的安全。但由於環保政 策於多年前的支持使用，其材質開始製作成各類食品容器具及包裝材料。但因生產 廠家眾多，逐漸由原始的冷飲容器及生鮮低溫儲藏的包裝盒轉向製作成高溫使用的 碗、筷、杯、匙等家庭用品，而耐熱溫度則成為 PLA 材質的主要問題來源。

1 賽璐珞（Celluloid Nitrate）是一種合成樹脂的名稱。 是歷史上最早發明的熱可塑性樹脂。 以硝化纖維和樟腦等原料 合成。 代表性製品為桌球、人偶等。
（二）環境友善塑膠材料
塑膠發明至今已逾百年，提供人們便利的生活，然而處理傳統石化來源的廢棄 塑膠卻是相當棘手的問題。傳統塑膠不易分解，進而造成環境污染以及危害地球物 種的生存（全球每年超過 150 萬個海洋生物，因廢棄塑膠而喪命）；焚化燃燒處理， 則有廢毒氣產生等問題 ；不恰當的回收策略，仍會產生一定比例無法回收再利用的 塑膠廢棄物，繼續對全球環境造成危害。為了解決傳統塑膠廢棄物的問題，開發「環 境友善塑膠材料」成為重要課題。環境友善塑膠材料是指塑膠材料在大自然環境的 條件下，輔以足夠的溼度與氧氣，在自然掩埋或堆肥環境中，可被微生物分解成水 和二氧化碳 ；或是在工業堆肥的條件下可分解 ；又或者是具有生物質含量但不可分 解的特性，在廢棄回收後進行燃燒，不會產生有毒氣體 ；以及其他與綠色環保概念 有關的塑膠材料。
發展環境友善塑膠材料最主要的是環保因素。由於循環經濟概念當道，在追求 永續發展的主流意識下，強調資源可持續回復的循環經濟，遂成為全球致力發展的 新趨勢。投入資源開發生質塑膠、可回收塑膠等環境友善塑膠材料自然地成為一門 非常重要課題。亞洲地區已成為全球塑膠產品最主要消費市場，塑膠發展的議題在 此區域更顯重要，也再次合理解釋「環境友善塑膠材料」得以擠進亞洲前十大重點 技術的原因。
生質塑膠屬於環境友善塑膠材料一種，原料從天然資源而來，例如由玉米、木 薯、小麥、馬鈴薯、纖維素、棕櫚油等所製成之一種塑膠材料。環境友善塑膠材料 是指塑膠材料在大自然環境的條件下，輔以足夠的溼度與氧氣，在自然掩埋或堆肥 環境中，可被微生物分解成水和二氧化碳 ；或是在工業堆肥的條件下可分解 ；又 或是具有生物質含量但不可分解的特性，在廢棄回收後進行燃燒，不會產生有毒氣 體 ；以及其他與綠色環保概念有關的塑膠材料。
（三）生質材料在各國的運用
目前生質塑膠原材料仍以農業作物為主，如蔗糖、澱粉、植物油等。泰國為全 球最大的木薯產品出口國，印尼亦是重要出口國。泰國為確立發展生質塑膠未來市 場潛力及規模，該國企業及國際企業持續增加投資。為加強發展生質塑膠，泰國政 府設定十年目標，選定以甘蔗和木薯為發展生質能源與生質化學品的經濟作物來源。
目前許多亞洲國家已限制使用一次性塑膠，但生質塑膠、回收塑膠等「環境友 善塑膠材料」並不在限制名單內，有助於推廣生質塑膠的使用。為了加速塑膠材料 綠色概念的發展，印度政府甚至訂下「2020 年前全面棄絕一次性的塑膠製品」的嚴 苛目標政策，此政策勢必加速印度開發與推廣使用生質塑膠。目前生質塑膠已使用 在各個國家，在政府與企業持續投資資源開發，以及人民環保意識持續增加，可預 見 2030 年，生質塑膠將成為亞洲最普遍應用的技術。
臺灣生質塑膠產業受限於原料（農作物）供應不足，因此主要進口生質塑膠材 料 ( 農作物經過加工後的初級品 ) 進行改質和混練、加工或接受委託代工製成塑膠產 品，再交由下游應用端進行銷售。若要強化臺灣生質塑膠產業發展，掌握充足料源 則是關鍵因素之一。建議原料端的部分可配合新南向政策，透過國際合作，掌握東 南亞料源，建立自主量產能力，並以現有研發能量，開發高階的高值應用，有助提 升臺灣生質塑膠產業競爭力。
四、PLA在循環經濟的運用
（一）PLA的優點
PLA 是一種新型的生物可降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提出 的澱粉原料製成。澱粉原料經由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌種發酵製 成高純度的乳酸，再通過化學合成方法合成一定分子量的 PLA。其具有良好的生物 可降解性，使用後能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染 環境，這對保護環境非常有利，是公認的環境友好材料。世界二氧化碳排放量據新 聞報導在 2030 年全球溫度將升至 60℃，普通塑膠的處理方法依然是焚燒火化，造成 大量溫室氣體排入空氣中，而 PLA 塑膠則是掩埋在土壤裡降解，產生的二氧化碳直 接進入土壤有機質或被植物吸收，不會排入空氣中，不會造成溫室效應。
在生物分解性塑膠中，PLA 因為產量的關係，最常被使用到容器及包裝類產品。 目前的主要使用於包裝盒、蛋盒、冷飲容器、生鮮托盤 ；以及使用於電子類產品的 外包裝。外包裝在回收的過程中可以視同為紙類回收物，後續處理方式相對單純。
第一，機械性能及物理性能良好。PLA 適用於吹塑、熱塑等各種加工方法，加 工方便，應用十分廣泛。可用於加工從工業到民用的各種塑膠製品、包裝食品、速 201 循環經濟與 PLA 綠色創新產品開發食飯盒、無紡布、工業及民用布。進而加工成農用織物、保健織物、抹布、衛生用 品、室外防紫外線織物、帳篷布、地墊面等等，市場前景十分看好。
第二，相容性與可降解性良好。PLA 在醫藥領域應用也非常廣泛，如可生產一 次性輸液用具、免拆型手術縫合線等，低分子 PLA 作藥物緩釋包裝劑等。PLA 除了 有生物可降解塑膠的基本的特性外，還具備有自己獨特的特性。傳統生物可降解塑 膠的強度、透明度及對氣候變化的抵抗能力皆不如一般的塑膠。
第三，PLA 和石化合成塑膠的基本物性類似，也就是說，它可以廣泛地用來製 造各種應用產品。PLA 也擁有良好的光澤性和透明度，和利用聚苯乙烯所制的薄膜 相當，是其他生物可降解產品無法提供的。
第四，PLA 具有最良好的抗拉強度及延展度，PLA 也可以各種普通加工方式生 產，例如 ：熔化擠出成型，射出成型，吹膜成型，發泡成型及真空成型，與廣泛使 用的聚合物有類似的成形條件，此外它也具有與傳統薄膜相同的印刷性能。如此， PLA 就可以應各不同業界的需求，製成各式各樣的應用產品。
第五，PLA 可以循環使用。PLA 的循環使用與其他聚合物不太相同的是，廢舊 的 PLA 塑膠會被收集在特殊的容器中，通過熱解、水解等方法降解成為小分子單 體，再通過生產商將單體乳酸合成為具有一定性能的 PLA 原材料，再次進入市場使 用。
第六，PLA 薄膜具有良好的透氣性、透氧性及透二氧二碳性，它也具有隔離氣 味的特性。病毒及黴菌易依附在生物可降解塑膠的表面，故有安全及衛生的疑慮， 然而，PLA 是唯一具有優良抑菌及抗黴特性的生物可降解塑膠。
第七，當焚燒 PLA 時，其燃燒熱值與焚化紙類相同，是焚化傳統塑膠（如聚乙 烯）之一半，而且焚化 PLA 絕對不會釋放出氮化物、硫化物等有毒氣體。人體也含 有以單體形態存在的乳酸，這就表示這種分解性產品具有的安全性。
（二）PLA在行業應用
PAL 現階段研究狀況聚焦於利用農業剩餘物資，如稻桿、蔗渣以及垃圾廢棄物 等為原料，將其轉化為 PLA 成為技術開發的焦點。在各項研究開發上，利用稻桿等 含有木質纖維素的農業廢棄物進行發酵聚合，為國際發展趨勢，被看好是下一階段 生質塑膠原料的供給來源。能否供應充足的原材料，是發展生質塑膠的關鍵。
PLA 的熱穩定性好，加工溫度 170 ～ 230℃，有好的抗溶劑性，可用多種方式 進行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸，注射吹塑。由 PLA 製成的產品除能生物降解 外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，光華偉業開發的 PLA 還具有 一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分廣泛，例如 ：
1. 一次性用品領域
PLA 對人體絕對無害的特性使得 PLA 在一次性餐具、食品包裝材料等一次性用 品領域具有獨特的優勢。其能夠完全生物降解也符合世界各國，特別是歐盟、美國 及日本對於環保的高要求。但，採用 PLA 原料所加工之一次性餐具存在著不耐溫、 耐油等缺陷。這樣就造成其的功能作用大打折扣，以及在運輸途中餐具變形、材質 變脆，造成大量次品。不過，經過技術發展，市場已有經過 PLA 改性後的材料，可 以有效克服原粒的缺點，有的甚至耐熱溫度高達 120 度以上，可以用作微波爐用具 材料。
2. 汽車領域
日本東麗公司結合 PLA 樹脂改性技術、纖維製造技術和染色加工技術，開發了 以高性能 PLA 纖維為主要成份的車用腳墊和備用輪胎箱蓋。備用輪胎箱蓋已經在豐 田汽車公司 2003 年推出的全面改進小型車「Raum」上使用。在繼腳墊和備用輪胎箱 蓋開發以後，東麗公司有開發了適用於車門、輪圈、車座、天棚材料的其他汽車部 件的 PLA 產品。
3. 電子領域
為了節省石油資源同時減少地球溫室效應，進一步拓展由可再生的生物資源製 造而來的 PLA 的應用領域，日本許多公司對 PLA 在電子電器領域的應用進行深入研 究並取得了卓越的成效。
4. 生物醫藥領域
生物醫藥行業是 PLA 最早開展應用的領域。PLA 對人體有高度安全性並可被組 織吸收，加上其優良的物理機械性能，還可應用在生物醫藥領域，如一次性輸液工 具、免拆型手術縫合線、藥物緩解包裝劑、人造骨折內固定材料、組織修復材料、 人造皮膚等。高分子量的 PLA 有非常高的力學性能，在歐美等國已被用來替代不銹 鋼，作為新型的骨科內固定材料如骨釘、骨板而被大量使用，其可被人體吸收代謝的特性使病人免收了二次開刀的苦。其技術附加值高，是醫療行業發展前景的高分 子材料。
（三）PLA發展問題
玉米同為人類的食物來源之一，因氣候變遷，全球糧食不足的情況下，造成玉 米價格上漲，使用玉米去製造 PLA 的食品原料，也同樣成為各界挑戰的議題。另 外，國內地狹人稠，寸土寸金，所有的掩埋場因空間不足的緣故，無法接受掩埋這 類廢棄物，而 PLA 材質的使用與推廣，則難以展現與達成其原開發的目的與素求。 過去生質塑膠時常被認為來源為糧食作物，存在與民爭糧的疑慮。故現階段研究狀 況，聚焦於利用農業剩餘物資，如稻桿、蔗渣以及垃圾廢棄物等作為原料，將其轉 化為生質塑膠成為技術開發的焦點。在各項的研究開發上，利用稻桿等含有木質纖 維素的農業廢棄物進行發酵聚合，為國際上的發展趨勢，並且被看好是下一階段生 質塑膠原料的供給來源。凝聚國際共識 2030 完成 100% 循環再利用技術在七大工業 國組織（G7）峰會已達成共識，目標 2030 年塑膠材料得以 100% 循環再利用或能資 源化等方式為最終處置。此舉顯示未來全球塑膠產業勢必將與循環經濟扣合，生質 塑膠已被視為推動塑膠循環經濟的必要選項之一。
初期 PLA 在導入食品接觸容器時，多運用於冷飲容器及生鮮低溫儲藏的包裝 盒，其原始材質的耐熱溫度 60℃ 左右，確實足以確保使用的安全。但由於環保政 策於多年前的支持使用，其材質開始製作成各類食品容器具及包裝材料。但因生產 廠家眾多，逐漸由原始的冷飲容器及生鮮低溫儲藏的包裝盒轉向製作成高溫使用的 碗、筷、杯、匙等家庭用品，而耐熱溫度則成為 PLA 材質的主要問題來源。
玉米同為人類的食物來源之一，因氣候變遷，全球糧食不足的情況下，造成玉 米價格上漲，使用玉米去製造 PLA 的食品接觸物件，也同樣成為各界挑戰的議題。 另外，國內地狹人稠，寸土寸金，所有的掩埋場因空間不足的緣故，無法接受掩埋 這類廢棄物，而 PLA 材質的使用與推廣，則難以展現與達成其原開發的目的與素 求。
PLA 材質屬於熱塑性高分子材質並非是均質材料，目前單純的原始材質及經改 質強化彈性及耐熱性的不同類型皆同時使用中，而耐熱特性的表現仍將是最主要的 考量因素。綜合以上說明，以非專業人士要在無明確資訊下有效確定材質之耐熱溫度是不可能的。但可以藉由材質的判定與標示規定資訊來判別適用性。當然，若能 確定使用場合與方式，就變得比較容易。
（四）企業的應用情況
寀呈股份有限公司的策略定位在綠色創新、傳統再生、天然好物與在地生產， 為了掌握關鍵的綠色原料改質技術。2014 年 7 月寀呈開始以綠色概念推出「S•S• E • 」系列產品，使用看似塑膠卻不是塑膠、來自玉米的純植物原料 PLA 製造，包 括 Breere 會呼吸的保鮮盒、tefee cup、twins spoon 好心情湯匙等產品 ；設計理念是 簡化過多與不必要的配件，達到與傳統保鮮盒相同的保鮮、防漏等效果，相對來說 減少藏汙納垢的縫槽，清洗時也能減少清潔劑與水資源的使用。創業過程因為與前 一代經營區塊不同，要投入綠色產業的前置資金與時間是很長的，除了內部溝通也 要尋求其他資源的協助，此外因為談到綠色產品多數都是貴又叫好不叫座，在完成 開發正式上市後也費了許多心力在與消費者溝通，要讓消費者瞭解產品的理念與設 計特色，才能獲得在各大通路上架販售的機會。
重視食安，寀呈公司多年投入環保材質 PLA 研究，開發保鮮盒與水杯等無毒生 活產品，並自創品牌「SEE」，目前已成功上市且成功獲得歐美訂單，希望未來提高 臺灣品牌國際市場能見度。寀呈公司已成功開發環保材質 PLA 生活用品，也取得生 物可分解材質國際認證。看準綠色經濟當道，寀呈積極投入食品容器安全性的研究， PLA 保鮮盒與水杯是以植物為基底的材料，耐熱溫度超過 110 度，且不會釋出雙酚 A、塑化劑等有毒物質，目前在臺已上市，希望能攻下保鮮盒與水杯市場。未來還規 劃將保鮮盒等產品 LOGO 或其餘標示增設感溫變色功能。
五、結論
最近循環經濟在台灣正流行！自從小英總統在 520 就職演說上提到「要讓台灣 走向循環經濟的時代」以後，這個詞彙就在台灣流行了起來。在國內已有多家業者 大量製造 PLA 的相關食品接觸物件，進而外銷至歐美國家，其產能也不斷在擴充的 中，若 PLA 材質的食品接觸物件符合食品安全衛生標準，再加上材質還能在自然環 境中完全分解，自然會由消費大眾所採用。但整體來說，塑料材質在高溫下較易產 生高風險，自 2008 年將原本 PLA「不耐熱」及「材質脆」的兩大問題，透過提高結晶性及合膠方式加以解決。目前，臺灣創新研發能量充足，PLA 是臺灣目前應用 最廣泛的生質塑膠，生鮮蔬果盒及冷飲杯的應用佔需求量 90% 左右，PLA 製成品約 70% 外銷歐美日等國為主。
不過，臺灣生質塑膠產業受限於原料（農作物）供應不足，因此主要進口塑膠 材料（農作物經過加工後的初級品）進行改質和混煉、加工或接受委託代工製成塑 膠產品，再交由下游應用端進行銷售。若要強化臺灣 PLA 產業發展，能否掌握充足 料源為關鍵因素之一。原料端的部分可配合新南向政策，透過國際合作，掌握東南 亞料源，建立自主量產能力，並以現有研發能量，進而開發高階的高值應用，將能 提升臺灣生質塑膠產業競爭力。