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車聯網V2X技術加持自駕車行車安全再上層樓

2017-03-27

徐志偉

在自駕車浪潮的帶動下，如何於車輛行駛過程中具有安全防護，主動判斷決策避免衝撞載人的巴士或是汽機車，以維護道路安全，將是自駕車技術發展過程中的重要議題。美國聯邦政府已針對無人駕駛車輛制定安全標準，有些法規也納入諸如Tesla汽車的先進駕駛輔助系統，即使自動化等級很高也會要求駕駛座有人監督。

再者，美國政府希望與Uber、Alphabet等科技巨擘在內的開發商攜手合作，而非限制其發展，無人駕駛車所關注的要點包括：車輛感知與反應功能、車輛處理技術與故障情況排除的能力、數據記錄和資訊分享能力、使用者隱私、防駭等。

本文將探討如何提升自駕車的行車安全與緊急事故通報，所採取的關鍵技術即為V2X，自駕車與車聯網V2X技術，兩者間的關係日益密切，自動化駕駛主要應用於降低人為錯誤所導致的交通事故；而車聯網V2X技術則是應用車間、道路與基礎建設資料傳輸，提升行車安全自動化的解決方案。V2X關鍵技術為串聯人、車、路與平台，強化行車安全。

回顧車聯網V2X技術發展演進，第一代為獨立運作之系統，如娛樂、獨立導航系統，缺乏或僅有少部分無線通訊功能；第二代透過手機向駕駛傳遞應用服務，以GPS(Global Positioning System)為基礎提供駕駛行車安全及Vehicle Centric Support應用服務，如GM OnStar、KDDI G-Book；第三代其關鍵技術為V2X整合V2V(Vehicle-to-Vehicle)、V2R(Vehicle-to-Roadside)、V2I(Vehicle-to-Infrastructure)與V2P(Vehicle-to-Pedestrian)，提供自駕車行車安全、便捷與舒適，可運用無線寬頻多樣性應用服務，讓自駕車達到聯網的功能。

自駕車行車安全 V2X技術來幫忙

自駕車發展與車聯網V2X系統的布建尤以美國最為積極，有鑑於交通事故傷亡造成人員、家庭損失，因車禍死亡每年損失的GDP達3%，美國已在2016年底宣布啟動立法程序，預計自2020年起，強制要求所有新出廠的小型車輛、包含輕型貨車必須安裝V2V(Vehicle-to-Vehicle)車間通訊設備。

由於美國堪稱是全球車市指標之一，一旦立法完成，將加速技術開發並帶動產業動能，促成智慧化運輸環境成形，全面引爆車聯網商機。研究機構ABI Research的調查指出，超過80%業者相信，美國將在2020年完成所有新車強制裝機法規上路。2024年時，全美預計將有一億輛新車安裝V2V設備。未來10年，歐美市場車間通訊相關產值保守估計可達170億美元，若再加上舊車後裝市場、路側建置、應用服務等市場，預估可帶來的產值將更可觀。

為搶攻2020年強制裝機商機，全球各大車廠已提前開跑。2014年9月，美國通用汽車(GM)於底特律舉行的ITS年會開幕典禮上，宣布2017年生產的Cadillac CTS系列將具備V2V通訊技術；日本豐田汽車(Toyota)亦在官網上宣布，2016年銷往美國與日本新車將全面導入車聯網，預估一年將有400萬輛商機。

自駕車結合V2X行車安全技術有很多應用情境，有些是現在已經看到的，有些是預測的。毋庸置疑，提高交通安全是最主要的應用，其中包括：(1)自駕車當偵測到有危險臨近，例如前方有障礙物時，能夠及時提醒其他車輛；(2)自駕車能夠告知其他車輛自己所行進的方向，以幫助其他車輛做更準確的判斷；(3)靠近交叉路口時，向其他車輛提醒；(4)駛離高速公路時，向其他車輛提示；(5)臨時/突然停車的預警；(6)自駕車變換車道時的提醒；(7)緊急事故通報。

針對自駕車緊急狀況警示及避免，重點在於如何運用感測、通訊、軟體技術，讓自駕車可以掌握車子周圍的各種狀況，尤其是偵測範圍以外的危險，並在最短時間內協助車輛反應，進而提高行車安全。於是自駕車結合V2X行車安全警示就變得相當重要，自駕車透過V2X行車安全輔助，其系統可分為三部分：路側端 (Roadside Unit, RSU)結合雷達等偵測設備、自駕車端(OBU)以及後台端系統 (Backend Server)，其系統軟體架構，如圖1所示。

圖1 自駕車結合V2X行車安全警示系統軟體架構圖

圖1軟體架構中，自駕車上的OBU可提供路徑預測(Path Prediction)軟體演算法、應用警告判斷(Threat Arbitrator)軟體演算法，已能即時於事件發生前提出預警，並做車輛煞停動作。自駕車整合V2X技術，可具備十字路口防碰撞警示(Intersection Movement Assist, IMA)、電子煞車燈警示(Extended Electronic Brake Light, EEBL)、左轉防碰撞警示(Left Turn Assist, LTA)、前車碰撞警示(Forwarding Collision Warning, FCW)等四種安全應用。

IMA、LTA、EEBL、FCW四種V2X安全警示應用，其應用設計原則如下：

・IMA十字路口防碰撞警示

提升直行車輛與橫向車道左右來車行車安全，其警示條件設計如下。

Phase 1–HV(Host Vehicle)在路口停止時，RV(Remote Vehicle)於橫向車道逼近路口，HV UI(User Interface)顯示IMA畫面來車。

Phase 2–RV與HV於前方交會，且兩車碰撞時間TTC(Time-to-Collision)<5sec及差距低於3sec，HV UI以IMA畫面和聲音警告，如圖2所示。

圖2 十字路口防碰撞警示畫面(左側來車情況)

降低與前方及前方相鄰車道車輛緊急煞車造成碰撞的風險，其警示條件設計如下。

Phase 1–RV在HV前方或相鄰左右車道且HV擷取到RV煞車燈號，HV UI顯示前方煞車警示。

Phase 2–滿足上述且減速度>0.5g，HV UI以EEBL緊急煞車畫面和聲音警告駕駛，如圖3所示。

圖3 電子煞車燈警示畫面

提升左轉車輛與對向來車行車安全，其警示條件設計如下。

Phase 1–HV於路口處準備左轉且打左轉燈，此時對向車道有來車，HV UI顯示LTA畫面。

Phase 2–HV於路口左轉且與對向來車兩車TTC<5sec及差距低於3sec，HV UI以LTA畫面和聲音警告，如圖4所示。

圖4 左轉防碰撞警示畫面

降低與前方車輛距離過近造成碰撞的風險，其警示條件設計如下。

RV在HV前方同向並且停止、緩慢前進或煞車，TTC<5sec，HV UI以FCW畫面和聲音警告駕駛，如圖5所示。

圖5 前車碰撞警示畫面

圖6為系統硬體架構圖，透過RSU路側單元轉換雷達掃描路口之周遭車輛資訊及具備短距無線通訊(Dedicated Short Range Communication, DSRC)通訊功能之車輛，將車載資訊封裝於基本安全訊息中(Basic Safety Message, SAE J2735 BSM)，透過DSRC專屬短距通訊技術定期廣播，當自駕車OBU收到此訊息並解析後，與本身車子的資訊經由安全防撞系統演算法判斷是否會產生碰撞來做車輛自動煞停的動作，換言之，即當有裝機自駕車輛通過路口時，其自駕車OBU端能接收到所有車輛之動態(包含位置、速度、方向等)。

圖6 自駕車結合V2X行車安全警示系統硬體架構圖

圖7為自駕車結合V2X後端系統示意圖，其包含幾項服務：

路口設備控制服務(Devices Control Service)

後台自動化地透過SSH的方式，可以監控以及協助排除大部分路口設施(網路攝影機、RSU、IP POWER、警示看板、雷達)的突發問題，縮短或免除監控人員於各路口的檢修流程。

Web網頁服務(Web Service)

透過視覺化介面，同步呈現場域路口之道路雷達偵測物件動態(位置與車速)、路口攝影機影像、路口交通號誌狀態(燈號與倒數秒數)，並可將V2X車路訊息(包含看板警示狀態，對行經裝機自駕車輛之OBU警示狀態)即時顯示在此一整合介面上。

圖7 自駕車結合V2X後端系統功能示意圖

自動化統計分析服務(Statistics Service)

透過關聯式資料庫的存取，提供使用者客製化的統計圖表；同時系統也會自動化地批次分析路口回傳之資料進行資料比對跟驗證，提供開發人員一可靠之驗證平台。更可利用大量的資料分析協助RSU進行一些參數上的動態修正。

自駕車事故處理 V2X緊急通報技術

當自駕車事故發生求援及協助：如何整合資通訊、緊急救援、車輛拖吊、保修維護等跨域服務，提供自駕車發生緊急事件或車輛故障拋錨時，能夠獲得即時、迅速的通報及協助？從自駕車事故發生求援的需求來看，歐盟支持的eCall技術，已於2015年4月立法通過，並確定將於2018年3月後上市的車種，強制全面導入標配，未來美國有望跟進。

自駕車結合V2X緊急通報技術之情境，可簡要表示如圖8之流程，當自駕車輛於行駛中發生緊急事故時，自駕車緊急事故通報車載機(eCall On Board Unit)將主動偵測到車輛異常碰撞事件，即時標記與封裝事故關鍵資訊(步驟一)，並即時通報至雲端服務平台(步驟二)，當平台端收到事故資訊後，立即進行事故重建並產生派遣規劃(步驟三)，同時通報相關救援單位，進行緊急救援(步驟四)，透過系統自動化的方式完成通報、救援規劃、與任務派遣，可有效縮短人工處理時間，挽救寶貴生命。

圖8 自駕車結合V2X緊急通報應用情境示意圖

為了能實現自駕車結合V2X緊急通報應用情境，即規劃設計完整相對應之整體服務系統架構，可區分為通訊層與雲服務層。

通訊層

發展自駕車緊急事故通報車載機，基於內置之GPS、OBD-II、IMU等感測器，透過車輛動態感測與駕駛行為感測演算法，自動演算推估並記錄即時車輛動態，如：加減速程度、側向偏移程度、轉向程度、車道變換頻率、行駛里程與行駛區域等，據此主動計算車輛行駛風險以做為即時行車安全輔助之基礎。此外，亦將透過DSRC車載短距通訊技術與路側端進行即時路口危險資訊交換，並透過行動電信基地台與後台系統取得前方即時路況資訊，藉此擴大自駕車載裝置之感測範圍，並即時回報車輛狀況。

雲服務層

透過雲端平台即時匯集自駕車車載端感測資訊，並接收緊急事故通報事件，快速重建事故資訊，並透過高速訊息交換機制，即時通報道路救援業者、警消救護單位、保險業者，以及交通管理中心，協調緊急處理程序。

自駕車結合V2X緊急通報技術可歸納為以下要點：

事故感測

透過車輛感測動態資訊，可判斷出車輛異常碰撞事件，包括對撞、追撞與側撞。

事故廣播

訂定符合SAE-J2735國際標準之緊急事故通報通訊協定，透過DSRC OBU進行事故訊息廣播，廣播範圍為半徑300公尺，收到廣播訊息之車輛或路側設備，立即進行事故數據封存，事故訊息廣播可藉由DSRC進行V2V或來傳遞。

事故關鍵資訊標記

標記資訊符合EN 15722:2015歐洲eCall訊息標準(eCall Minimum Set of Data)，其中Vehicle Identification Number(VIN)符合ISO 3779國際車輛識別碼標準，Vehicle Location符合ISO 6709國際標準之地理位置表示法。

事故數據封存

事件觸發後，系統於10秒內完成影像資訊、車輛動態資訊與MSD(Minimum Set of Data)封存。

事故數據回傳

事件觸發後，系統於4秒內將車輛動態資訊與MSD回傳至服務中心平台，並取得確認資訊，此外回傳封包安全性符合國際加密標準(如：SHA-512⋯等)。

雲端事故重建

如圖9所示，自駕車自動完成車載端事故訊息匯集與重建，包括車輛位置、路側位置、連續移動軌跡與影像資訊。此外建立事故還原瀏覽器，以3D-VR重播事故現場資訊，包括各車輛移動軌跡、肇事車輛駕駛狀態、以及各設備影像資訊。

新服務創造設備需求台灣業者有望切入

在無線通訊技術(如：DSRC、4G/LTE)的發展下，帶動自駕車結合通訊相關的應用與發展(V2V、V2I相關應用)。因應新服務的發展，既有自駕車輛與路側設施將產生通訊模組或設備之需求，因此相關通訊晶片、模組與產品的設計、製造即成為我國業者發展的機會點所在。

且針對V2V Safety等之應用，需整合包含車載機、路邊裝置等，以提供一定品質之車載服務，將帶動一連串含系統整合業者等廠商參與。