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          交通法規總動員　無線通訊決戰車用網路 交通法規總動員　無線通訊決戰車用網路新通訊 2008 年 4 月號 86 期文．楊中舜在車輛產業發展近百年之後，通訊廠商試圖把現有成功的無線應用導入車輛中，開闢另一片市場商機；車廠也希望將逐漸成為傳統產業的車輛產業加入現代化通訊科技，除了能提供更多便利服務，繼而達成汽車的智慧化，提供消費者更安全、更舒適的駕駛環境，創造出更強的市場競爭力，以形成蓬勃發展的汽車電子工業。近年通訊技術的成熟發展為行動裝置與個人通訊提供相當大的便利，並衍生出許多相關產業與商機；在行動通訊技術逐漸成熟與普及化下，無線通訊科技在車輛上的應用逐漸成為目前最熱門的發展方向。綜觀全球，結合通訊科技與車輛產業似乎已經成為汽車電子產業發展的必要戰略手段，然而經過幾年的發展，無線通訊在車輛上的應用普及率似乎並未如想像中的快速。 車用電子領域隔行如隔山 國內外業者在學習的過程中體會到，要開發出一套成功的車用無線產品與服務並不容易，包括產品穩定性須達到車規的標準，商業服務模式的建立、跨產業及跨領域間的整合、市場需求與經濟規模是否足夠等，都必須花費大量資源及時間才能加以建構。探究其中主要原因來自於三方面：‧車規產品生命週期較長 通訊產業與車輛產業雙方對於彼此領域的特性及產品從設計到製造的學習曲線尚未完全掌握，故為數眾多生產資通訊(ICT)產品的廠商，一直無法順利找到有效切入車規產品市場，成為車廠的一階(Tier-1)或二階(Tier-2)解決方案提供者，尤其是國內廠商。‧車廠與ICT廠存在歧見 車廠開發出具備更為先進資通訊功能與應用服務的汽車，其最終目的不外乎提高消費者購買意願，藉此提高汽車銷售量，並且提供駕駛與乘客更為安全、舒適的駕駛及乘坐環境。顯而易見，車廠的目的在於希望藉由ICT技術建立更為緊密的客戶關係；而資通訊廠商則希望利用最短時間，創造出另一塊高利潤的產品市場。雙方的觀 西裝點與目的似乎存在明顯差異性。‧公部門另有想法 越是發達的國家或地區，其重要都會區的交通運輸網路基礎建設越複雜，其目的在於利用便捷的交通網路創造並支撐起更有效率的經濟環境。由於個人購買力的增加，擁有汽車的數量也將隨之成長，於是衍生出許多的交通事故，因而造成不必要的人員傷亡與資源的浪費。據美國運輸部(U.S. Department of Transportation, DoT)的統計資料顯示，每年美國於公路事故上的死亡人數超過四萬三千人，受傷人數約為三百二十萬人，因交通事故所消耗的成本高達1,500億美元；日本車輛資訊及通訊系統(Vehicle Information and Communication System, VICS)的資料則指出，日本人每年平均處於交通擁塞狀況的時間約為42小時，換算為現金，則等於每年浪費12兆日圓。此外，美國一項研究更指出，在擁塞的都會區路段，有40％的汽油是被駕駛人消耗在尋找停車位置上。因此，政府相關單位將著眼於改善交通環境、增進交通運輸的安全與效率，進而達到節能、環保的目標。 車載無線通訊成全球共識 綜觀以上，可見交通事故與傷亡以及日益嚴重的交通擁擠現象已造成一定規模的經濟傷害；因此，各國政府無不積極思考如何解決上述問題。其中，解決交通問題的傳統辦法是修建或擴建道路。但是，隨著人口的增長，城市人平均居住面積日益減少，可供修建道路的空間也越來越少；同時，交通系統是一個複雜的綜合性系統，單獨從道路或車輛的角度來思考，都將很難解決交通問題。在這種背景下，把車輛和道路整合起來，以各種資訊、通訊及控制等技術系統性地解決交通問題的想法油然而生，便形成了智慧型運輸系統(Intelligent Transportation System, ITS)。 然而，由於各國國情不同，所要解決的交通問題也有所差異，因此使用的各種ICT技術、以及車廠因市場需求不同所運用的汽車電子元件與技術也造成了區域性的差異，但 信用貸款是以無線通訊技術提升汽車駕駛安全，卻是全球共同的首要目標。為解決上述問題，車載資通訊技術的標準化程式是其中非常重要的一環。 歐、美、日等先進國家發展智慧型運輸系統的起步時間較早，且同樣皆以公部門的力量主導，分別開啟國家級研究計畫(圖1)，陸續與車廠、電信業者、及相關的資通訊廠商有步驟的密切配合，例如日本的VICS計畫以及邁入下階段的智慧型道路(SmartWay)、歐盟的救護功能(e-Call)以及下階段的行車安全(e-Safety)、美國的車輛基礎設施整合(Vehicle Infrastructure Integration, VII)計畫等，目前多已獲得顯著的成效。以下分別針對個別計畫進行概要的敘述。 資料來源：工研院資通所整理圖1　1998～2000年美、歐、日推動計畫沿革 美國的汽車與道路設施整合系統：VII計畫 美國聯邦公路局試圖透過先進的車與車及車與周邊道路網路系統，計畫自2010年開始在全美國二十萬至三十萬個主要的十字路口導入VII汽車與道路設施整合系統，目標是2011年減少15%的交通事故並挽救五千至七千人的生命；初步評估顯示，藉由VII計畫也希望能提高道路吞吐量和通行能力，每年可節省約200億美元開支。這項計畫被譽為「汽車歷史上最重要的交通管理技術革命」。 汽車工業歷經了百年發展，汽車的型態與功能已經過了多次變革，然而道路交通管理系統的進展卻十分有限。二十世紀後半，全球居住在都市人口比率由1800年的2%，增為2003年的48.3%(約三十億人)，已開發國家甚至高達74.5%。隨著新興國家車輛保有數目高速成長，汽車性能也逐漸提升，但車禍意外的傷亡情形也暴增。透過網通技術提升行車安全、降低交通意外傷亡、提升交通運輸系統運行管理水準和運輸效率便成為首要任務。 實現車輛間/車與路側設施互通 過去數十年美國所有駕駛人因交通情況惡化而每年在通勤時所耽誤的時間增加了428%(由7億小時增加至37億小時)，所消耗的燃 節能燈具油成本更是天文數字(由125億美元激增至631億美元)。不少交通專家因而提出智慧交通概念，透過VII計畫，美國聯邦公路局、AASHTO各州運輸部、汽車工業聯盟、美國ITS協會(ITS-America)等組成的特殊統合機構便聯手推動，透過電腦、通訊和感測器技術的升級與整合，目標是實現車與車、車輛與路側設施的即時互通，核心技術包括車內駕駛資訊/行車導航設備、車輛故障診斷與預警設施、輔助駕駛與意外發生自動介入的主動式行車安全，所有設備將與安裝在沿線交通設施上的其他輔助裝置協同工作。 2006年開始，ITS-America就開始協助廠商針對遠端存取(Remote Access)、中心平台(Centers)以及無線廣域、有線、短距無線(Dedicated Short Range Communications, DSRC)與車輛間的通訊技術進行研發。2007年則開始進入評估/電腦模型模擬過程(至2008年底為止)，主要針對實驗車輛(Probe Vehicle)持續不斷的道路測試，以及所獲取的即時交通資訊該如何最有效進行處理及分析研究。 VII系統架構同時仰賴短距/遠距通訊技術 其基本架構由後端的應用伺服器、標誌伺服器(Signage Server)與路側設備(RSE)進行訊息傳輸，然後透過DSRC短距離通訊技術傳送給車內接收設備。其他包括語音廣播、交通導航、停車指引、天氣預報、電子書下載等服務則透過遠距離通訊技術傳送(圖2)。 資料來源：美國交通部-ITS、拓墣產業研究所圖2　VII系統架構 其中車輛內部還包括安裝一個5.9GHz的短距離無線通訊設備，以方便使用者在駕駛途中與周圍車輛的駕駛人對話；即時交通路況資訊的功能亦規畫在內，交通資料的收集來源有二：路側多功能車輛影像偵測器、以及具有雙向互動功能的流動感應車輛(Floating Car)，透過車上的全球衛星定位系統(GPS)即可取得速度、方向、定位等資料，以便控制中心準確掌握，在進行資訊融合後有效判斷塞車地點。各種通訊設備例如車輛、路側單元、後端伺服器之間則需要應用軟 賣屋體、中介軟體、處理器及有線、無線寬頻網路完成順暢的資訊交換。 車內通訊網路賦予主動式行車安全 在VII系統的架構中，每輛車不但是分散系統內最小的單元，更是主動式安全系統的工作平台，包括私人轎車、計程車、公共車輛(巴士、軌道車輛)、貨運車輛與公共安全車輛(救護車、消防車、警車等。 新一代車載電子裝置、車輛自動/輔助駕駛設備、自動介入的安全設備、駕駛人駕駛能力和精神狀態自動檢測裝置的先期預警，皆透過若干汽車電子技術加以完成。其中主動式行車安全系統，例如車上診斷系統(On Board Diagnostics, OBD)、胎壓檢測裝置、車道偏離警示系統(LDW)與後方碰撞預警系統、駕駛人狀況監測裝置都將透過車內網路彼此連結。各類即時道路交通、天氣與行車娛樂資訊則由車載影音娛樂系統整合統一控制呈現，提供駕駛人與乘客所需的完整資訊；將現有功能涵蓋在同一介面下，不但成本更低、系統元件數目亦將大幅減少(圖3)。 資料來源：US DOT VII、拓墣產業研究所圖3　VII系統之車內資訊網路 車外通訊網路結合短距離無線技術 VII主要設計目的是為補足車輛與道路間的通訊。位於路側之多功能影像交通搜集系統，將涵蓋區域的每車道交通流量、每車平均行駛速度、每車平均車輛間距、車道占用率、非正常交通事件警示等訊息，都會以數位訊號傳回系統控制中心，控制中心在收到資訊後進行最佳化處理。 資料來源：US DOT VII、拓墣產業研究所圖4　VII系統之車外通訊網路 車道路面則設有辨認即時位置的RFID訊號發送裝置、及配合主動式汽車安全裝置如行車距離感測器等。遠程目標包括汽車與道路自動化系統(Cooperative Vehicle Highway Automation Systems, CVHAS)提供駕駛的輔助控制或全自動控制，將車輛安全從互動式朝向代理主動方式。美國聯邦通訊委員會(FCC)已將5.9GHz的頻帶指定分配給ITS-America，以便讓該協會開始測試各種將出現於VII系統的特定DSRC短距離通訊 借貸應用。 VII技術面臨短距無線傳輸的干擾問題 VII系統的成敗取決於行駛車輛與其他車輛(V2V)或是道路旁設施(V2I)連結通訊的品質好壞，藉由與鄰近車輛間的交流、即時獲取周邊路況，可顯著改善行車安全，但行車狀況將造成可靠性的損失；而流動管理影響則降低訊息封包傳遞速率。再加上短距離傳輸的RFID技術目前仍有辨識準確率須提升的要求，封包傳遞速率的降低與傳遞時間上的延遲成為目前VII計畫最須解決的兩大挑戰。 VII計畫由美國聯邦公路局、AASHTO各州運輸部、汽車工業聯盟、ITS America等組成的特殊統合機構聯手推動，透過「無間隙地」(Seamlessly)整合「車與車」及「車與人」的訊息交換，以提高交通運輸系統的輸送能力。 過去數年的研究成果與進展使得VII系統的單一核心技術接近實用化，2007年則開始進入評估電腦模型模擬過程(至2008年底為止)。預計2025年之前達成80%滲透率會是高難度的挑戰，除了法規強制新車加載之外，為數不少的現有車輛亦須透過車後市場加裝VII相關設備的方案。僅保守估計2015年出廠新車的60%加載VII接收機的產值就超過20億美元，其他基礎建設的商機不言可喻。 日本引導亞洲ITS發展方向 早在80年代，日本意識到交通系統是一個複雜的綜合性系統，單純從道路或車輛的角度來考慮，很難解決交通問題。1991年日本政府組織了員警廳、通產省、運輸省、郵政省和建設省，分別負責交通安全、電子、產業政策、汽車、通訊和系統監督以及道路，集中了建設省主持開發的「路車間資訊系統」(RACS)和員警廳主持開發的「先進的車輛交通資訊與通訊系統」(AMTICS)的成果。同時，員警廳也於1991年，在AMTICS的基礎上，獨自開發了「新交通管理系統」(UTMS)。 1994年1月日本成立了由五個部門支持的「道路交通車輛智慧化推進協會」(VERTIS)，目的是促進日本在ITS領域中的技術、產品的研究開發及推廣應用工作的開展。1996年7月制定了「日本ITS框架體系」，該框架體系 房屋貸款由九個系統構成，包括：先進的車輛導航系統、自動收費、安全駕駛、交通組織優化、高效的道路路政管理、公共交通資訊系統、專業運輸車輛的管理、行人輔助系統、緊急車輛運行系統，下設二十一個專案、五十六個專題、一百七十二個子專題。日本第一階段ITS研究與應用開發工作主要圍繞在三方面：即時交通資訊系統(VICS)、電子收費系統(ETC)、及先進道路支援系統(AHS)，如圖5所示。 資料來源：資策會產支處整理圖5　ITS Japan發展藍圖與策略 其中由員警廳、郵政省和建設省主持的VICS系統以向駕駛員提供即時道路交通資訊、使道路交通安全流暢為目的，目前已經進入應用成熟的階段，日本在全國已經建立了近乎完整的VICS服務系統，而日本境內裝載有接收此類交通資訊設施和車載路徑導航裝置的車輛於2007底年已經超過兩千萬輛(圖6)。 資料來源：VICS圖6　1996～2007年VICS系統銷售量 VICS首要強化交通運輸服務效率與品質 VICS中心將由員警部門和高速公路管理部門提供的交通堵塞、駕駛所需時間、交通事故、道路施工、車速及路線限制、以及停車場空位等資訊編輯處理後及時傳輸給用路人，特別是在汽車導航車載機上以文字、圖形顯示交通資訊。VICS是從四方面進行資訊應用，包括資訊收集、處理及編輯、提供及利用(車載機資訊的顯示方式)。 VICS系統收集資訊的來源是日本都、道、府、縣員警部門和高速公路管理部門。來自員警部門的交通訊息主要是交通管制資訊、一般城市道路的交通訊息等；來自高速公路管理部門的資訊主要是城市高速公路的交通訊息。接著，VICS資訊中心再將從上述部門收集到的交通訊息編輯、處理成為調頻廣播、電波訊標、光訊標等便於發布、車載設備接收和駕駛員使用的資訊。最後，VICS根據不同的車載機，以三種不同的型式：文字顯示、簡易圖形顯示及地圖顯示，即時提供道路交通訊息(圖7)。 資料來源：VICS圖7　VICS基本運作架構 SmartWay注重多元化ITS應用整合 為了繼續推廣應用IT 買房子S的相關研究成果，引進先進技術，實現ITS的多元化，發揮先進資通技術的優越化，日本還先後制定了智慧型道路計畫(SmartWay)和先進安全車輛(Advanced Safety Vehicle, Smartcar ASV)計畫。其中SmartWay計畫自1999年由產官學結合的「推進委員會」開始運作，2000年為正式引進先進道路支援系統AHS進行實驗驗證；2001年完成有關智慧型道路標準，2002年將智慧型道路在全國主要道路上引進。 為了能將第二階段所開發ITS之技術開發加以實用化，2004年日本正式進入第三階段的ITS計畫規畫，其中SmartWay成為發展主軸之一，並將與VICS及ETC之功能進行系統整合，其中通訊技術則強調同時結合車對車(V2V)與車輛對路側設備(V2I)之多元通訊架構，試圖同時達成交通路況紓解智慧化與駕駛安全的全面性整合(圖8)。 資料來源：VICS & SmartWay官方網站，工研院資通所整理圖8　從VICS進化至SmartWay 在SmartWay計畫中，主要欲解決下列駕駛安全之問題：‧前方路段(含彎曲路段及分岔路口)障礙物及路況資訊提供 於彎曲路段鋪設感測器，當車輛行駛至此路段時，藉由路側之通訊設備可以聲音或影像告知駕駛人前方路段有障礙物等相關路況資訊，致使車速減低；再將路況資訊由2.5 GHz(提供聲音)或5.8GHz(同時提供聲音與影像)之DSRC通道獲得(圖9)。 資料來源：SmartWay官方網站，工研院資通所整理圖9　前方路段(含彎曲路段及分岔路口)障礙物及路況資訊提供‧分岔路口切入輔助(Merging Assistance) 當位於分岔路口前方之車輛欲進入主要幹道時，藉由路側通訊單元偵測得知後，當此訊息傳送至位於主要幹道上的車流，藉此避免分岔路口處因為駕駛的視線死角造成的車輛擦撞等事故發生，而通訊通道將使用5.8GHz之DSRC通訊設備(圖10)。 資料來源：SmartWay官方網站，工研院資通所整理圖10　分岔路口切入輔助說明‧駕駛安全警告訊息與車載導航地圖的整合 位於郊區、或是較少交通事故發生之路段，為防止駕駛人降低注意力，將提供周邊區域之交通警示訊息，並 售屋網即時顯示於車載導航地圖上，顯示的訊息包含：該路段旅行時間、彎曲路段的區度與轉角以限制車速、該路段交通事故頻仍等警告訊息(圖11)。 資料來源：日本國土交通省道路局ITS圖11　駕駛安全告警訊息與車載導航地圖的整合歐盟eSafety計畫：結合救護與駕駛安全的延伸應用 整體言之，歐盟希望從社會經濟的觀點，來探討歐盟境內對交通需求增加的嚴重議題。特別是解決持續惡化的塞車問題、降低能源消費、降低污染排放、以及減少因交通而造成的傷亡。若歐盟不盡早面對此一挑戰，其預估到2010年，其人均交通哩程，會有26%的成長，而貨物交通，則有38%的成長，不採取任何措施加以抑制，預估歐盟會損失高達4%的國民生產毛額(GDP)。 過去資訊通訊科技於交通部門的研究中，「歐盟道路交通研究諮詢委員會所發表的重點研究項目(The Strategic Research Agendas of the ERTRAC European Technology Platform)、及「電子交通安全論壇」(eSafety Forum)這兩個研究案，基本上就是要解決交通的挑戰，並進而將救護功能與駕駛及交通安全整合為單一解決方案。 歐盟發展eCall的背景 對於年產量超過一千七百萬輛、路上有超過兩億輛汽車的歐洲大陸來說，現今的汽車技術和基礎建設已不能維持道路交通安全的基本要求。基於對生命價值的尊重，歐盟二十五個成員國持續推展各項計畫以提升道路安全，但每年仍至少發生一百四十萬起道路交通事故，造成1,600億歐元的經濟損失。根據歐盟於2001年頒布的交通政策白皮書中，宣示在2010年時要將交通事故死亡人數降低50%，也就是降到兩萬五千人以下。 歐洲盟組織近年來陸續推動跨國之eCall、eSafety以及智能車輛系統計畫(Intelligent Car initiative)等Telematics/ITS計畫。eCall旨在強化交通事故現場的緊急救援效率，eSafety則強調運用ICT技術來增強自動駕駛、警告及輔助系統、反向保護系統等預防性/主動式安全，以及被動式安全；而智慧型車輛則以「安全」(預防並降低意外事故的衝擊)、「聰明」(改善效率及安 酒店工作全性)與「乾淨」(減少污染)為目標，如圖12所示。 資料來源：eSafety、CALM官方網站，工研院資通所整理圖12　前方路段(含彎曲路段及分岔路口)障礙物及路況資訊提供 同時歐盟組織於2001年曾設定目標，期望於2010年時因公路交通事故死亡的人數能夠減半。為了加速行車安全相關的技術發展及應用，歐盟議會召集包含各國政府、車廠、汽車零組件廠、電信業者、科技廠商、服務提供者、金融保險業者、研究機構等在內約一百五十個會員，於2002年4月成立的eSafety。透過研究與開發，eSafety期盼注入更多新穎且成熟的技術至汽車上，讓汽車更智慧化，進一步提升行車安全。 特別注重安全的歐系車廠，或多或少已朝智慧車的方向前進。不同的車用電子系統只能改善或提升某方面的不足，所以eSafety研發範圍是全面性，從避免車禍發生的主動式安全系統、到車禍發生時保護駕乘者的被動式安全系統。除了汽車本身的保護機制外，碰撞後的救援服務，也是傷者生存與否的重要關鍵。 無線通訊是下一波車網競爭主軸 由上述美、日、歐各國發展經驗可知，車路協同運作系統(包含車路與車間通訊)的安全技術中樞就是無線通訊，也將會是下一波競爭的主軸。 美國VII計畫規畫以符合IEEE802.11p標準之DSRC為主要通訊技術，同時實現車路與車間的互相通訊，除可達成交通紓解智慧化、有效提高駕駛安全之外，亦可實現諸如ETC、行動電子商務等公領域及私領域各項應用服務，歐盟與日本目前對於DSRC技術也在進行系統性的評估。 再者，若能與全球微波存取互通介面(WiMAX)廣域無線寬頻技術結合，勢將創造出更多具備創新性、多元性的加值服務，這也會是台灣廠商切入汽車安全市場、以及汽車電子安全技術的最佳機會。短期來看，還是須以高可靠度以及高品質的策略，才有機會切入全球汽車供應鏈體系市場。 (本文作者任職於工研院資訊與通訊工業研究所) .msgcontent .wsharing ul li { text-indent: 0; } 分享 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