车载资通信于行车安全的先进应用

随着无线通信技术的成熟发展，汽车网络已经跳脱以往仅局限于车内的限制，逐渐向车外发展。藉由新兴的车内通信、车间通信、车路通信以及车外通信，相关单位纷纷着手于车载资通信 (Telematics)在先进行车安全应用的研发，期待能大幅提升现有行车安全系统的功能，以降低驾驶人/用路人生命与财产的损失。

第一次重大的汽车安全改革出现在60年代，像是安全带 (seat belt)，属于被动式安全 (passive safety)，主要强调减缓事故发生的伤害程度；而在剎车防死锁系统 (Antilock Brake System，ABS)于80年代起逐渐成为汽车的标准配备后，预防事故发生的主动式安全系统 (active safety system)开始发迹。时至今日，不管在被动式或是主动式安全的领域中，重要的控制系统，如安全气囊(airbag)、ABS、电子车身稳定系统 (Electronic Stability Control，ESC)、全方位底盘控制 (Global Chassis Control，GCC)等，均已全面电子化且成为标准配备 (如图 1所示)。

然而，这些系统大多仍是独立运作-被动式安全、主动式安全仍是行车安全中两个各自发展的系统；为了发挥最佳的行车防护效果，将此二者做有效的串接、整合是一个必然的趋势；另外，随着通信技术的成熟发展，车载资通信已经可以藉由车内 (In-Vehicle)、车间 (Vehicle to Vehicle，V2V)、车路 (Vehicle to Roadside，V2R) 以及车外 (Vehicle to Infrastructure，V2I)等通信机制，收集到更多与行车有关的信息，如车辆状态、交通环境信息等，并进一步将这些信息做有效的汇整，形成先进的行车安全应用。本文将介绍一些较著名的计划 “1”，并藉此一窥车载资通信于行车安全的发展未来。

VSC(Vehicle Safety Communications)计划

2002年，7家汽车制造商：BMW、DaimlerChrysler、Ford、GM、Nissan、Toyota以及VW，与美国运输部 (U.S. Department of Transportation，USDOT)合作，共同评估通信机制-尤其是“专用短距离通信”(Dedicated Short Range Communication，DSRC)，亦称为“车用环境无线接取”(Wireless Access in Vehicular Environments，WAVE)，对于行车安全效能的帮助与提升。这些单位共组“车辆安全通信联盟”(Vehicle Safety Communications Consortium，VSCC)来执行为期2.5年(2002.5~2004.12) 的VSC计划，针对行车安全的应用情境及系统功能定义进行研究与评估 (测试系统之建置如图 2所示)。其主要目的为：

● 评估以通信为基础的行车安全应用对于车辆事故降低能带来的效益

● 对于选定之行车安全应用，明确地定义出其通信需求

● 与相关标准发展组织合作，确认DSRC是否能符合行车安全应用的需求

● 研究影响DSRC于行车安全应用的技术议题

● 评估以通信为基础的行车安全应用，于布建时的可行性

● 评估DSRC是否能符合安全应用的需求

该计划特别针对“哪些行车安全应用可藉由车辆与外界的通信来达成或加强”这个议题，进行了详尽的研究 “2”，并从超过75的应用提案中，汇整出34个与行车安全有关、11个与行车安全无关的应用，其中与行车安全有关的应用情境描述如表 1所示。

该计划并以美国境内的轻型交通工具 (light-duty vehicles)为对象，以“预估实施时间”、“预估实施效益”、“预估市场普及率”以及“通信模式”等原则，对表 1中的应用情境做进一步评估，以找出“哪些以通信为基础的行车安全应用具有最高的可能效益”，如表 2所示。

对这3个近程 (near-term)及5个中程 (mid-term)的行车安全应用，该计划进一步以“通信类型”、“传输模式”、“更新速率”、“允许延迟”、“传送/接收数据”、“最大通信范围”等项目做为指针，进行通信需求分析(如表3所示)。

针对上述8项行车安全应用，该计划得到以下初步的分析结果：

● 传递信息的封包非常精简，大小约在200～500 bytes左右 (不考虑数据安全机制所带来的额外负担)

● 最大通信范围介于50-300m

● 大部分的应用采用单向 (one-way)、单点对多点 (point-to-multipoint)的广播 (broadcast)机制 (除了Pre-Crash Sensing以外)

● 大部分的应用采用周期性 (periodic)的数据传输模式 (除了Emergency Electronic Brake Lights与Pre-Crash Sensing以外)

● 大部分的应用允许100m/sec左右的延迟时间 (除了Pre-Crash Sensing以外)

这计划同时检视多种无线通信技术，评估它们是否能满足这些行车安全应用的通信需求。这些通信技术除了5.9GHz DSRC之外，还包括2.5G～3G数字式蜂巢系统 (Digital Cellular System)、蓝牙 (Bluetooth)、数字电视 (Digital Television，DTV)、高空平台 (High Altitude Platforms)、IEEE 802.11 无线局域网络 (Wireless LAN，WLAN)、全国差分卫星定位系统 (Nationwide Differential Global Positioning System，NDGPS)、雷达 (Radar)、免钥匙遥控入车 (Remote Keyless Entry，RKE)、卫星数字音频传输系统 (Satellite Digital Audio Radio Systems，SDARS)、地面数字广播 (Terrestrial Digital Radio)、双向卫星 (Two-Way Satellite)与超宽带 (Ultra-wideband，UWB)。结果显示：只有DSRC能够满足指定行车安全应用的所有需求。

另外，对于通信的数据安全性，行车安全应用一样要确保两件事：(1) 所接收到的数据是未经过篡改的 (unaltered)，而且(2) 是来自于可信任的来源 (trusted source)；同时，为了确保数据的隐密性，其间的通信应该是要匿名的(anonymous)这点与一般的数据安全应用不同。为此，这计划做了以下的提案，使其更适用于低计算能力的车载环境：

● 所有的车载单元 (On-board Unit，OBU)以及路侧单元 (Roadside Unit，RSU)都被给予特殊且精简的凭证 (certificate)，而OBU可以有多数个凭证

● RSU的凭证要包含授权 (authorization)信息，如该单元被允许的运作区域以及该单元被允许广播的信息种类

● OBU的凭证不包含永久的车辆识别数据

● 所有的信息都要经过数字签名 (digitally signed)；任何有可能危及整体信息安全的单元，其信息都会记录于撤销列表 (revocation list)中，而此清单将会被发布给其他所有单元

VSC计划的详细研究报告“3”，引发各界对于以通信为基础的行车安全应用的重视，也成为日后众多相关研究的发展基础。

EEBL (Emergency Electronic Brake Lights)计划

基于VSC计划的研究结果，VSCC中的6个成员：BMW、DaimlerChrysler、Ford、GM、Nissan以及Toyota，决定自行发展并评估一个以通信为基础的行车安全应用。他们选择EEBL做为目标，原因是EEBL是一个近程可以实现的V2V应用。

在整个计划的期间 (2005.6~2006.3)，EEBL计划的主要重点在于：

● 发展该应用的使用概念、系统与通信需求

● 建立一个通用的EEBL信息集 (message set)以展示应用的互操作性 (interoperability)

● 执行共通的工程测试 (engineering tests)

● 提供研究成果供业界参考

● 做为日后V2V行车安全应用的发展参考

为此，EEBL计划着重于发展此应用所需的信息协议 (message protocol)何时传送信息，与信息内容 (message content)信息中必要的信息。其中，三种信息协议被用来进行评估：周期性信息 (10Hz)、事件驱动性信息 (如触动煞车时所引发的信息)以及结合两者的混合性信息；另外，一种共通的信息格式也被制定出来 (如表4所示)。

在EEBL计划中，他们成功地实作出“路径预测”(path prediction)的应用决定传送信息车辆 (transmitting vehicle)是否与接收信息车辆 (receiving vehicle)位于同样的路径上。这功能与“适应行驶控制”(Adaptive Cruise Control，ACC)所需的路径预测机能类似，但藉由V2V通信可将此信息整合至传输信息之中，能更有效地提升路径预测的准确性 (参考图 3)。这是第一个开发成功的V2V应用，并且在参与厂商的车辆上获得互操作性的实证。之后，相关研究成果也转移至“自动车工程师学会”(Society of Automotive Engineers，SAE)，做为发展DSRC Message Set Dictionary (J2735) “4”的基础。

CICAS-V (Cooperative Intersection Collision Avoidance System-Violations)与VSC-A (Vehicle Safety Communications-Applications)计划

美国的“汽车基础设施整合联盟”(Vehicle Infrastructure Integration-VII，现已更名为IntelliDrive) “5, 6”采用基于IEEE 802.11p/1609标准之WAVE/DSRC技术为其主要平台，透过V2V与V2I之信息交换，来达到安全、效率、节能的目标。为了发展与测试VII的行车安全应用，“车辆安全通信联盟2” (Vehicle Safety Communications 2 Consortium，VSC 2)于2006年成立，在USDOT的赞助下着手两个相关计划：CICAS-V“7”与VSC-A“8”。

CICAS计划是美国一个主要的政府与业界合作提案，目的在于发展与布建“协同式”(cooperative)的V2I系统，用以提升路口的行车安全。它是USDOT于VII计划中的一项提案，主要进行三种提升行车安全的研究：

● CICAS-Violation (CICAS-V)当驾驶人可能违反路口交通号志时，藉由车内装置警告驾驶人的一种系统

● CICAS-Stop Sign Assist (CICAS-SSA)一种动态信息号志 (Dynamic Message Sign)系统，当主要道路的车流间距过小，提醒次要道路的驾驶人于进入交会处要小心

● CICAS-Signalized Left Turn Assist (CICAS-SLTA)一种动态信息号志系统或车内装置，提醒驾驶人于号志路口左转时要小心

CICAS-V系统由VSC 2中的5位成员：DaimlerChrysler、Ford、GM、Honda以及Toyota，共同开发，从2005.5起将为期4年，它的基本概念叙述如后。车辆与路口皆配置有DSRC，当车辆接近路口时，车辆可以得知前方路口是具有CICAS-V功能，并自DSRC一服务频道取得路口图资、定位校正等信息；接着车辆便可将自己定位于所取得的路口图资之上 (可以精准定位到车道)并取得前方路口号志的状态。根据所得到的号志状态，车辆可以提供警示给驾驶人；而车辆本身以可以提供信息给路口，如果有违反交通号志情事发生的话。CICAS-V的通信基本概念如图4所示。

在2006，VSC 2中的5位成员：Mercedes-Benz、Ford、GM、Honda以及Toyota，向USDOT提出一个为期3年 (2006.12~2009.11)的VSC-A计划 (时程表如图 5所示)，其目的在于：发展与测试以通信为基础的行车安全应用，来决定5.9 GHz DSRC结合车辆定位是否能提升自主性的车辆安全系统 (autonomous vehicle-based safety systems)并创造新的行车安全应用。

其中，VSC-A计划除了初步锁定在发展与评估以下的行车安全应用外，更将积极推动相关标准的制定 (参考图6)与验证系统的设计 (参考图7与图8)。

● Emergency Electronic Brake Lights (EEBL)

● Stopped Vehicle Ahead Warning (SVA)

● Blind Spot and Lane Change Warning (BSW+LCW)

● Forward Collision Warning (FCW)

● Pre-Crash Sensing and Collision Mitigation (PCS & CM)

● Curve Speed Warning (CSW)

● Do-Not-Pass Warning (DNPW)

● Intersection Movement Assist (IMA)

● Control Loss Warning (CLW)

未来的展望

如图9所示，先进车辆安全应用技术是属于“智能型运输系统” (Intelligent Transportation System，ITS)的一支，其重点在于发展智能型辆(Smart Car)。在汽车电子技术的长年发展下，在被动式安全、主动式安全等领域已经有许多很好的成果；而随着无线通信技术的成熟发展，各国纷纷致力于车载资通信相关技术研发 “9”，期以多元化的车辆通信机制，带动更多先进行车安全应用，来提升现有行车安全系统的功能，并改善整体的交通运输环境。

在可预见的将来，车载资通信系统将会更有效地结合各式感测机能、车辆通信网络(V2V、V2R、V2I等)以及后端平台与应用(如导航、车队管理、远程诊断等)，创造更具有智慧的车辆与行车环境，以提供用路人(包括驾驶、乘客与行人)一个优质的V2X愿景 (如图10所示)。

参考文献

“1” Michael Shulman, Richard Deering, Vehicle Safety Communications in the United States, web site: www-d.nhtsa.dot.gov/pdf/esv/esv20/07-0010-O.pdf

“2” Vehicle Safety Communications Project Task 3 Final Report - Identify Intelligent Vehicle Safety Applications Enabled by DSRC, Vehicle Safety Communications Consortium, 2005, web site: /itsschemas/DSRC/DSRC-03-00-29/

“5” IntelliDrive, formerly known as Vehicle Infrastructure Integration (VII), web site: http://www.intellidriveusa.org/

“6” VII National System Requirements Version 1.3.1, USDOT Research and Innovative Technology Administration (RITA), April 2008, web site: http://www.intellidriveusa.org/library/program-documents/technical/system-requirements-041508.pdf

“7” Intersection Collision Avoidance - Violation Project: Final Project Report, USDOT National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), April 2007, web site: http://www.intellidriveusa.org/applications/cicas/final-report-04-2007.pdf

“8” Vehicle Safety Communications - Applications (VSC-A) First Annual Report: December 7, 2006 through December 31, 2007, USDOT National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), January 2009, web site: http://www.nhtsa.gov/staticfiles/DOT/NHTSA/NRD/Multimedia/PDFs/Crash%20Avoidance/2009/811073.pdf

“9” 陈柏全、柯亮宇, 智慧安全车辆与车载无线通信国际发展趋势简介, 财团法人车辆研究测试中心, web site: www.car-safety.org.tw/uploads/先进安全车辆/智慧安全车辆与车载无线通信国际发展趋势简介.pdf