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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,也是科技產業最大的挑戰與商機。另一方面,車聯網(V2X)將使汽車能夠真正與各種實體環境設施與網路應用服務連結,讓汽車加入物聯網與智慧城市的生態圈。

圖1 資策會MIC研究總監施雅茹表示,攝影機、毫米波雷達、光學雷達、超音波是主要的車用感測系統。
在自駕車與車聯網應用需求不斷出現的趨勢之下,相關科技的研發與產業競爭在近年亦急遽加速。美國交通部的立法提案通知(NPRM)指出,將在2023年強制美國所有輕型車輛配備車用專屬短距離通訊(DSRC)V2V技術,而車廠若要符合強制法規,2019年就要展開技術部署。另一方面V2X的另一競爭技術C-V2X在時延、傳輸速率、可靠性、部署成本等方面的優勢亦逐漸攀升,各類V2X技術之發展與競爭,值得關注。本活動從自駕車與車聯網未來整體產業發展趨勢出發,再帶出自駕車/ADAS系統以及汽車聯網技術兩大領域的發展趨勢。

自駕系統從L2往L3邁進

自駕車的發展,大致上是以美國汽車工程師學會(SAE)定義的架構為主,目前自駕車發展介於L2到L3之間,資策會MIC研究總監施雅茹(圖1)表示,目前自駕平台以Mobileye與NVIDIA為主要供應商,大部分車廠目前皆採用這兩家廠商的解決方案,Audi與Tesla車輛已導入L3等級的自駕系統。2017~2019年是感知融合技術發展時期,高解析度雷達開始導入高階車款;2018~2020年部分發展中國家高解析地圖覆蓋率開始增加,同時低價的固態光達技術可望商品化,16-beam的產品有機會從8,000美元降到4,000美元。

而到2020~2022年,預計處理器晶片技術可以獲得突破性的發展,包括先進製程與演算法,SAE L4的車款有機會商業化;到了2021~2023年V2X標準將會接近成熟,實際應用朝向落地發展。施雅茹進一步指出,攝影機(Camera)、毫米波雷達(mmWave Radar)、光學雷達(Light Detection and Ranging, LiDAR)、超音波是主要的車用感測系統(圖2),攝影機與毫米波雷達發展商機台灣有機會掌握,未來十年這幾個重點領域的年複合成長率皆超過20%。

圖2 主要車用感測系統發展趨勢

另外,自駕車中包括環景、車道偏移(Lane Departure Warning, LDW)、前方碰撞警視(Forward Collision Warning, FCW)、自動緊急煞車(Autonomous Emergency Braking System, AEB)等系統都將大量導入各類晶片,吸引傳統半導體大廠、傳統車電廠與新興IC設計業者,大舉投入開發具備運算、控制、AI能力的晶片。幾年內,自駕車定點或固定動線的慢速商用服務可望商用化,不過商業模式仍待釐清。

光達/毫米波雷達潛力十足

自動駕駛車輛的運行主要動作分為「感知」、「決策」、「控制」三個程序,感知是透過感知系統蒐集行車狀況、車輛定位與鄰近車輛的環境資訊,再將行車環境資訊與動態地圖進行比對,由自動化系統決策車輛駕駛行為及路徑,最後將自動化系統決策指令,轉換成車輛轉向、煞車、加速等車輛控制行為。

圖3 資策會智慧所智慧運輸系統中心副主任朱柏嘉說明,採用半導體製程的固態光達成本可下降到100~300美元之間。
車輛上的感知系統是自駕車發展的關鍵技術,光達與毫米波雷達近來備受市場矚目,資策會智慧所智慧運輸系統中心副主任朱柏嘉(圖3)說明,光達是透過射出與接收雷射,利用反射光建構出立體影像,由此判斷自駕車所在位置與檢測周遭障礙物,傳統機械式光達採用機械式旋轉,以達成360度偵測四周環境,價格與體積是發展的主要瓶頸。固態光達則是採用光學相控陣列技術,透過調節發射陣列中每個發射單元的相位差來改變雷射的出射角度。

2016年一家名為Quanergy的廠商已經發表固態光達產品,並於2017年投入量產,與機械式光達相較,固態光達掃描的頻率可以調整,不用受限於機械光達機構旋轉的速率,同時重量較輕,設計可與車身融合,不過偵測範圍較小,大概涵蓋水平與垂直各60~120度的範圍,手工打造的機械光達成本300~8萬美元,採用半導體製程的固態光達成本可下降到100~300美元之間。

毫米波雷達則是利用高頻電磁波運作,與雷射光相比,在與被測物體接觸時,無線電波的吸收較少,因此毫米波雷達有效的工作距離可以達數百公尺,朱柏嘉指出,雷達通過天線發射和接收電磁波,其並非是各向均勻的球面波,而是具有指向性且在各方向上具有不同強度的波束。目前車載雷達中比較常見的是平面天線陣列雷達,在體積成本上都較有優勢。

DSRC/C-V2X分進合擊

車聯網相關標準已發展多年,美國以政策推動車聯網的應用,美國州公路及運輸協會(AASHTO)於2016年12月啟動國家級SPaT(Signal Phase & Timing)建置,工研院資通所車載資通訊與控制系統組長蔣村杰(圖4)解釋,該機制就是將車輛前方路口號誌透過車聯網技術,提前傳送到車內,提供駕駛人行車參考,美國將採用DSRC技術,目標為2020年國內五十州,每個州至少有20個SPaT智慧時相路口,並發布SPaT Implementation Guidance,鼓勵各州投入智慧時相路口建置。
圖4 工研院資通所車載資通訊與控制系統組長蔣村杰解釋,SPaT就是將車輛前方路口號誌傳送到車內,供駕駛人參考。

而在歐洲部分,歐盟2016年11月於比利時布魯塞爾宣布C-ITS Strategy正式啟動,初期目標希望2019年歐盟道路車輛與交通基礎設施都能彼此通訊,運用ETSI ITS G5與Cellular通訊技術,並結合C-ROADS與C-ITS Platform成果。另外,歐盟2017年6月出版C-ITS安全與憑證政策,預計2018年將C-ITS服務納入歐盟層級之法規框架。

車聯網的技術需求與特性包括低延遲(Low Latency)、高可靠度(High Reliability)、高可用性(High Availability)、高移動性(High Mobility),由IEEE主導的WAVE/DSRC和3GPP主導的4G C-V2X初期將在不同地區各自發展,到5G的R15與R16版本技術之後,將整合於5G eV2X架構中。蔣村杰說明,現階段DSRC因為技術較成熟,在關鍵的時間延遲性上表現較好,而車聯網終端模組市場需求逐年成長(圖5),2017~2021年複合成長率高達52%,終端模組數量2021年達7,500萬套,市場規模達新台幣2,250億元。

圖5 車聯網終端模組發展趨勢

3GPP C-V2X被看好是未來車聯網的主要標準,從4G時代的R14開始發展相關標準,2016年9月已完成PC5裝置對裝置的車對車通訊標準化,第二階段2017年3月完成4G C-V2X完整標準,包括車對車(V2V)、車對路(V2I)、車對人(V2P)通訊,第三階段還在工作小組處理中。

R15版本規範中,針對車聯網將定義自動跟車(Platooning)、先進駕駛(Advanced Driving)、遠程遙控車輛(Remote Driving)、感測器輔助(Extended Sensor)等。

圖6 為昇科技資深副總陳正夫說,DSRC與C-V2X將會持續發展,在各有優點的狀況下,除各自發展也有合作兼容的趨勢。
5G C-V2X標準於2018年6月將發布第一版,並於2019年7月前完成定稿,最終提案將在R16版本完成,時間約是2020年2月。展望未來DSRC與C-V2X在標準制定上,雖底層(L1~L3)不同,但兩大標準的上層App可共用,亦可透過閘道器連接與串聯兩大系統,C-V2X R16版本有可能與DSRC共用5.9GHz的頻段,但兩者調變機制不同,既可共存又可獨立運作,而台灣具備優異的IC設計與通訊模組/設備製造能力,可早期布局相關產業鏈,並藉機彌補C-V2X關鍵技術與相關安全應用、整合經驗。

而在車聯網應用主要分成幾類,為昇科技資深副總陳正夫(圖6)說,車間通訊是以提升行車安全為目的,傳輸車輛狀態如車速、加減速、煞車狀態、轉向等資訊,並傳輸車輛位置及前車距離與相對速度等資訊,讀取鄰近車輛的傳輸資訊,可超越視線(Line of Sight)的限制,依讀取的資訊配合本車的車內感測資訊,進行對駕駛的警示或對車輛的介入操作,提升一般駕駛的安全性及ADAS的可靠性。

針對車聯網的技術,陳正夫認為,DSRC與C-V2X將會持續發展,讓技術更為成熟、穩定,未來幾年這兩個技術在各有優點的狀況下,將各自在市場上發展,也有互相合作兼容的趨勢。行車安全與自動駕駛將是V2X的主要應用,應用端的標準比通訊技術的標準更重要,整體產業商機龐大,但需有創新的營運模式才能持續保持競爭力。

車聯網發展帶動產業變革

車聯網的導入,除了相關的零組件、模組與系統製造商之外,也會對周邊產業帶來影響,包括許多產業應用與商業活動的變革,資策會MIC產業創新研究組長鄭兆倫(圖7)表示,車聯網保險、車輛共享、都市交通規畫與管理,都是新興的車聯網應用,由於車聯網可以詳細紀錄行車資訊與駕駛行為,透過通用的OBD2(On Board Diagnostic 2)介面安裝追蹤裝置,如果用車頻率不高、駕駛行為長期安全,就可以享有更低的保費。
圖7 資策會MIC產業創新研究組長鄭兆倫表示,車聯網保險、車輛共享、都市交通規劃與管理,都是新興的車聯網應用。

而車輛具備高度自駕能力之後,也會改變消費者用車的模式,需要用車的時候再呼叫車輛,司機人力成本降低,車輛閒置時段降低、使用率提高,消費者車輛整體使用成本也會下降,大部分人不再買車,不僅改變生活型態,也對城市交通產生根本的變化。鄭兆倫進一步指出,車聯網將產生大量的交通數據,可以進行都市的交通規畫與管理,Uber就善用資料經濟,最佳化車輛配置,讓車隊總收入達到最高,越多人搭車的地方費率越高,除了吸引更多司機來載客,也減少叫不到車與顧客的抱怨。

台灣廠商面臨未來幾年的發展趨勢,鄭兆倫說明,車聯網競爭門檻變高,包括大型高科技廠商為求卡位,發動不少併購活動;車聯網系統軟硬體都相當重要,甚至需要導入人工智慧演算技術;研發成本大幅提高,啟動商業模式門檻規模也隨之擴大。同時帶動了新的機會,車聯網與智慧化趨勢,增加對包括台灣在內的高科技供應鏈的需求;同時車廠去中間化,降低跨越漫長供應鏈體系的時間。

圖8 資策會智慧系統研究所經理高建雄建議,目前已有車輛導入OBD2介面,協助讀取車輛資訊,並進行車況的診斷。
再深入觀察車聯網的架構與關鍵元件,部分車輛已經導入標準化的OBD2介面,協助讀取車輛資訊包括排氣控制、緊急救援、里程保險、故障診斷、車隊管理、引擎調校、環保駕駛、事故還原、故障診斷等。並可發展即時交通資訊、車輛導引導航、車輛維修保養服務、車輛里程保險(UBI)服務、車隊物流管理、能源消耗管理、駕駛行為管理。 車聯網系統的發展,分為前裝與後裝,資策會智慧系統研究所經理高建雄(圖8)建議,前裝市場還是由車廠主導,台灣廠商要開創相關商機,應以零組件為主、系統為輔,OEM為主、ODM為輔,爭取Tier 2廠商為主,扶植車用IC為主、軟體為輔。而後裝市場商用車的導入時程會較快,同時相較乘用車數量也較少,以發展整合性平台,滿足各類商用車特殊需求為主。

車規測試驗證需求嚴謹

最早期的車聯網服務應該是討論已久的eCall(Emergency Call),為了提高道路安全、縮短事故救援時間,歐盟委員會宣布,從2018年4月開始,所有在歐盟販售的新車,都強制加裝eCall緊急通報按鈕,其可以手動按壓,也可以自動撥號向救援中心求助,預計可將救援反應時間縮減40~50%,在這個功能生效之後,更能將在馬路上重傷或死亡的人數,降低10%。

圖9 安立知業務暨技術支援部專案副理陳世昌說明,未來各國都會導入eCall,車輛要進入區域市場,都要通過驗證。
未來幾年世界各國都會逐步導入eCall規範,強制汽車安裝相關機制,政府則需要建置緊急救援機制,所以車輛上市前都需要進行功能驗證,安立知業務暨技術支援部專案副理陳世昌(圖9)說明,除歐盟之外,聯合國、俄羅斯、亞太地區都有提出類似的規範,車輛要進入區域市場販售,都要通過相關功能與技術的驗證,目前也有組織發起討論下一代的NG eCall,在2G/3G頻段回收後,使用4G/5G網路的eCall架構。

eCall架構可以說是簡化版的V2X,功能較為單純,不過兩者在產品驗證程序上差異不大,陳世昌解釋,在產品出貨前大概分成研發階段、一致性測試(Conformance Test)、品質控管與製造等階段,每個階段都要進行不同的測試,確保產品可以順利量產出貨,包括研發階段的功能性測試、基本訊號檢查、射頻整合測試等,一致性測試則包括RF一致性、訊號一致性,品質控管則包括故障隔離(Fault Isolation)、基本訊號檢查、實際測試,量產階段則包括校準、射頻參數測試等。

車用產品對於安全性的要求高,所以產品測試驗證的嚴謹度與重要性較一般消費性電子產品高出許多,也是廠商非常需要關注的部分。

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