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十九世纪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；而在车防死锁系统(Antilock Brake System，ABS)于1980年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，V21)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，并藉此一窥车载资通信于行车安全的发展未来。

VSC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(Vehicle Safety Communications)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，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200～500bytes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50m～300m

·大部分的应用采用单向(one-way)、单点对多点(poInt-to-multipomt)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100 msec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2.5-3G数字式蜂巢系统(Digital Cellular System)、蓝芽(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)一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，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)一何时传送信息，与信息内容(message content)一信息中必要的信息。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 DT Automotive Engineers，SAE)，做为发展DSRCMessage Set Dictionary(J2735)的基础。

CICAS-V与VSC-A计划

美国的“汽车基础设施整合联盟”(Vehicle Infrastructure Integration-Ⅷ，现已更名为IntelliDrive)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V2l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(Cooperative Intersection Collision Avoidance System-Violations)与VSC-A(Vehicle Safety Communications-Applications)。

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V21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3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年5月起将为期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—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：Mercedea-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车辆(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，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)。

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