工業技術研究院 資訊與通訊研究所 趙永晟
聯網通訊與感測融合的智慧道路預警系統
前言
交通安全一直是全球關注的核心議題，而台灣特有車流密集、車種繁多的道路環境，降低交通事故更是刻不容緩。iRoadSafe智慧道路安全預警系統利用車聯網（Vehicle-to-Everything，V2X）技術，結合路側端感測元件，包含雷達、光達、攝影機等，提供即時安全警示給用路人。具備通訊設備的用路人可整合自車即時動態資訊，計算出屬於自己的警示；不具有通訊設備的用路人可藉由路側看板獲得潛在碰撞風險警示，本技術榮獲2019年智慧運輸系統世界大會（ITS World Congress）產業成就獎與美國愛迪生（Edison Awards）銀牌獎。本文將探討該系統後續開發與產業應用，在時間、空間、資訊三個面向研發技術升級，iRoadSafe利用中繼轉發，讓通訊範圍涵蓋更廣，提升駕駛反應時間；並將路側端感知融合的技術，擴充到車機端，克服車輛移動偵測的困難，讓異物偵測的範圍不再受限於空間；藉由行車透視，整合影像擷取與縫合，讓駕駛獲得事件端影像串流資訊，以做出更完善的反應。同時，此系統擴大應用於自駕車和消防車、救護車等優先緊急車輛以及國內大眾交通運輸工具（如台鐵公司）。最後介紹iRoadSafe管理平台擁有同步監控功能，可提供即時與事後分析處理服務。
精彩內容
1. 通訊中繼轉發技術提供駕駛更多反應時間
2. 環周感知與偵測比對技術讓異物無所遁形
3. 視野零遮蔽之行車透視技術
4. 智慧道路安全預警系統之後台管理與監控
5. 產業技術擴散普及與場域落地應用案例
|
通訊中繼轉發技術提供駕駛更多反應時間
在高速或彎道視線受阻的用路環境，當遇到突發狀況需緊急剎車時，有別於小客車較短的反應時間和剎車距離，對於台鐵、捷運等高速行駛、車輛重量較大之車輛，則需更多的反應時間及剎車距離。智慧道路安全預警系統開發中繼轉發的技術，可將車輛動態資訊及警示訊息傳到更遠的地方，以便高速交通工具有更多時間反應。車載設備（On Board Unit，OBU）與路側設備（Roadside Unit，RSU）通訊協定採用3GPP 蜂巢式車聯網（Cellular V2X，C-V2X）無線通訊標準，在軟體層部分，採用符合國際標準SAE J2735的訊息集來發送服務資訊，如RSU發布的RSA（Road Side Alert）服務資訊。
高速場域會在一定距離建置RSU，當場域內偵測到有警示事件後，如平交道柵欄放下後區域內有異物，源頭RSU會將警示訊息編碼並發送RSA封包，在標頭檔加入相關轉發資訊，藉由相鄰RSU向外雙向轉發，讓訊息可以中繼轉發到設定傳達的範圍。轉發資訊有轉發方向、源頭RSU編號、轉發區段起點RSU編號與轉發區段終點RSU編號。為了避免產生回聲現象，警示事件源頭RSU並不會轉發任何封包，其餘RSU，根據封包標頭檔內的指定轉發方向只轉發上游的警示訊息，如圖1所示。RSU3為警示事件源頭，只發送原始警示訊息，而RSU4、RSU5與RSU6只會依照標頭檔的轉發方向，往下游（右側）轉發，當收到下游（右側）RSU轉發回來的訊息則會被過濾，源頭RSU的另一邊，RSU1、RSU2也只會依照標頭檔的轉發方向，往下游（左側）轉發，當收到下游（左側）RSU轉發回來的訊息則會被過濾。本技術大幅擴展通訊涵蓋範圍，一偵測到警示事件後，如異物入侵行駛區域，源頭RSU第一時間廣播警示訊息，及早將該警示訊息傳遞到即將進入異物入侵區域的車輛，進而提升高速場域車輛行駛之安全性。
圖1 通訊中繼轉發流程示意圖
環周感知與偵測比對技術讓異物無所遁形
有別於以往由路側端偵測感知異物，智慧道路安全預警系統將偵測感知融合技術移植到車機端，讓偵測區域不再局限於路側端，進一步使環周感知與偵測比對的技術能隨車移動。一套完整的環周感知區域內異物入侵的系統架構，如圖2所示，主要組件包括：
- 光學雷達感測器：用於掃描並偵測軌道範圍內的異物。
- 5G路由器：提供快速的無線網路連接，以確保數據能即時傳輸。
- NVR監控攝影機：一台用於監控和錄製影片數據。
- NVR錄影主機：一台專門用來儲存和管理監控攝影機錄製的影片數據。
- 網路交換設備：一個五埠交換機（5-port Hub），用於連接系統中的各個網路裝置。
- OBU裝置含GPS功能：用於車載通信，可以透過GPS進行定位和數據交換。
圖2 環周感知異物入侵系統架構圖
車載版環周感知與偵測比對技術，使用雙光達的點雲資料作為輸入並進行坐標縫合，再進行點雲萃取與中心線分析，偵測障礙剖面區域和剖面內點雲，並分析剖面內障礙點雲，輸出障礙物尺寸與空間位置屬性。最後將GPS位置和NVR監控攝影機取得即時影像彙整後回傳管理平台。
該技術目前運用於台鐵平溪支線，現今全台鐵道全長1,760公里，由於鐵道沿線軌道旁均隨機存在樹木，有些樹木常因天候影響入侵軌道區域，不僅常常造成列車行駛危害，也可能造成列車毀損。對於會影響列車行駛的沿線樹木，過去台鐵皆依靠人力進行檢查，分為隨乘機車路線巡查及徒步巡查，由巡查員依現場情況判別是否需進行、修剪、砍伐、移除，採取手工記錄並排班委外處理，智慧道路安全預警系統可取代人工巡檢，由系統進行軌道影響木檢測並產出異物報告。
辨識影像資料會先在車端進行快篩點雲前處理、軌道關注區萃取、軌道障礙物幾何分析，綜合判斷障礙物存在與否，後過濾出可能的異常事件，並透過5G網路，結合影像與OBU的GPS資訊，將事件前後一段時間的感測資料，回傳至管理平台進行完整檢測分析，使用本系統將大幅減少徒步巡檢負擔與出巡意外發生的風險。
視野零遮蔽之行車透視技術
行車透視技術（V2X See Through）將車間通訊結合影像串流與縫合，讓接收端直接根據前車的影像作出反應，有別以往接收端僅能獲得有無危險的警告資訊，智慧道路安全預警系統利用行車透視技術，利用車間通訊和影像辨識技術，將前車的即時影像與相對位置傳出來，後車將該影像動態調整縫合參數，產生一個整體、連續的視覺畫面。為確保影像流暢度，系統僅保留畫面重要訊息，盡可能壓低傳輸量，減少影像卡頓，以便讓後車駕駛獲得順暢的前車視覺影像來擴展其視覺感知，解決後車視覺障礙的問題。
V2X See Through增強後車駕駛視覺感知的能力，大幅提高行車安全性和駕駛體驗，並獲得與前車同步的視覺資訊，降低前車做出反應後後車才能反應的時間，進而提升整體道路安全和減少交通事故的發生。以超車情境為例，如果沒有行車透視技術，超車前會需要切出車道以確認是否有來車，具有潛在碰撞風險；以防追撞情境為例，如圖3所示，無行車透視輔助時，前車前方若突然衝出行人，後車需等待前車緊急剎車才能反應，時間不夠，有可能追撞前車，若有行車透視技術，後車駕駛能更即時地應對潛在碰撞風險，有助於減少車禍和碰撞事件的發生，利用行車透視技術，後車駕駛者可以獲得與前車一致的視野，增加反應時間，以提升行車安全。
圖3 有無行車透視技術在防追撞情境的差異
另外，智慧道路安全預警系統針對還沒進入車間通訊範圍內的危險，會利用4G／5G通訊，回傳照片及影像串流。以台鐵鶯歌平交道為例，當平交道柵欄放下後，場域內攝影機偵測到異物入侵時，立即提供平交道安全預警資訊及即時影像給行駛於車間通訊範圍外，但即將進入場域內的列車，如圖4，左下方即為車內駕駛員視角，讓駕駛員更清楚前方狀況，並提升鐵道行駛安全。
圖4 影像串流技術應用導入智慧道路安全預警系統
智慧道路安全預警系統之後台管理與監控
為確保系統內各設備運作正常以及後續演算法調整，在智慧道路安全預警系統中開發具備下列功能之管理平台，以滿足管理開發方即時監控、錯誤處理、緊急通報等需求。
資料收集功能
資料收集類型包含OBU、RSU、智慧路口設備（雷達、光達、攝影機等），透過JSON等訊息交換格式，接收OBU車機資訊（GPS定位資訊、時間資訊、OBU設備狀態等）與場域（如：施工位置、平交道編號）架設之RSU資訊（GPS定位資訊、時間資訊、RSU設備狀態等）、智慧路口設備資訊（攝影機即時影像、光達物件辨識、設備狀態等）等資料。
資料處理功能
管理平台即時收集多元資料（RSU、OBU、智慧路口設備資訊）進行整合與分析、緊急通報。並考量平台運作效能與查詢速度將相關資料依據關聯性進行儲存，提供後續進行相關分析統計。
網頁監控功能
管理平台整合圖資與多元資料（RSU、OBU、智慧路口設備資訊），經由資料進行相關處理彙整後，並可於網頁介面進行呈現與監控，以提供後端管理使用。監控介面以網頁呈現路側設備狀況、原始資料數據、即時事件等相關結果。
系統運作監控功能與通報機制
針對不同應用場景與場域內之設備（例如：RSU、OBU、光達），與其運作狀態（如：連線狀態、CPU使用率、傳輸量、設備功率與資料傳輸率等）監控；並針對不同設備資料傳輸特性與頻率，設計背景監控機制，若設備中斷服務（可能因現場施工、異常斷電、網路問題等造成服務中斷），即時以簡訊或社群軟體或由網頁即時通報與警示監控人員，以台鐵智慧鐵道場域為例，監控功能如下：
1. 鐵道安全監控設備即時資訊
鐵道安全監控設備包含安裝於列車上OBU車機與場域（施工位置、平交道）架設之RSU資訊（GPS定位資訊、時間資訊、RSU設備狀態等）、智慧路口設備資訊（攝影機即時影像、光達物件辨識、設備狀態等），平台提供即時資訊呈現介面，滿足管理人員監控與管理需求，並提供管理開發者依需求進行切換，監控RSU／OBU即時狀態，並可點選需要監看細節的設備，即可如圖5呈現設備即時回報資訊細部資料。
圖5 RSU／OBU即時詳細資料
2. 異常事件與影像還原
管理者可透過管理平台網頁查詢車輛（OBU）過去發生軌跡、緊急事件與事件觸發之影像，進行緊急事件影像與資訊整合，可用作肇事釐清與判別之相關應用。
3. 智慧安全路口管理
為提供用路人更好的用路環境，管理平台提供整體監控畫面，讓管理者可於最短時間內了解場域動態。在路口設備發生異常時，系統可即時警示哪個路口設備有狀況，管理者點選特定路口後，就可同步由影像輔助，了解RSU、光達、路側看板運作是否有誤。
智慧路口針對緊急事件的判斷與警示，有賴於路口感測設備（光達）即時偵測與判斷，因此系統亦提供即時光達物件顯示功能，讓管理者可由系統畫面中檢視光達偵測物件資訊（物件類型、物件個數），如圖6路口光達資訊監控所呈現，人行道與左側車輛光達分別偵測出行人與車輛，可由系統畫面中即時檢視。而針對路口不同角度的光達，系統亦提供彈性化切換介面，讓管理者可即時切換至路口不同角度之光達，同時搭配攝影機檢視物件辨識的正確性。
圖6 路口設備資訊即時呈現
產業技術擴散普及與場域落地應用案例
台灣交通環境複雜，為解決視線死角問題及提升用路安全，資通所自主研發iRoadSafe智慧道路安全預警系統，藉由聯網通訊與感測融合，提供用路人警示訊息，是國內首套V2X完整系統解決方案，榮獲2019年智慧運輸系統世界大會（ITS World Congress）產業成就獎與美國愛迪生（Edison Awards）銀牌獎，如圖7所示。
圖7 iRoadSafe智慧道路安全預警系統獲獎照片
iRoadSafe智慧道路安全預警系統包含三部分，如圖8所示，一為車機端環周感知與偵測比對技術，實際運用於自駕車自動駕駛及台鐵行駛時偵測是否有影響運行的樹木；二為路側端針對場域即時動態狀況的反應，如路口異物偵測及消防車、救護車申請優先號誌通行權及路側看板警示危險；三為RSU、OBU與監控管理平台之間的聯網通訊，已落實台鐵鶯歌場域，當異物入侵平交道時，藉由RSU通訊中繼轉發，達成OBU行車影像串流。
圖8 智慧道路預警系統架構圖
自駕車－環周感知次系統
台灣交通環境複雜，人車混流、車種多樣、車流密度高，這些都對自駕車運行構成挑戰。工研院發展環周感知技術，達到Level 4的自動駕駛能力，將光達、計算前車車距之雷達、攝影機等感測器與GPS、慣性導航及V2X車間通訊技術相結合，應用於竹北高鐵自駕場域。透過深度學習影像辨識和多重感知融合技術，自駕車可以有效偵測道路物件，並提升整體行駛安全性，目前已完成新竹高鐵站與新竹縣國際AI智慧園區來回路線之日夜間自駕POC測試，包括定速巡航、車道維持、自適應性巡航、緊急煞車、預警式煞車、繞越路邊臨停車輛、車道變換、路口通行、左／右轉、號誌遵守，以及站點停靠。
自駕車結合攝影機即時影像與光達物件偵測優勢，實現全天候障礙物偵測。攝影機提供高解析度與色彩豐富的即時影像，能準確辨識各類道路使用者和物件，如行人、汽車、卡車、巴士、機車及腳踏車，並經由深度學習技術提升如三角錐等物件的偵測能力，確保遇到道路施工時能繞行。同時，利用光達較不受光影等天氣狀況影響的特性，輔助系統提供三維空間內精準的物件定位，結合這些技術，自駕車能有效提高障礙物繞行和煞停的可靠性。系統進一步融合多感測器數據，透過即時影像與光學雷達坐標系投影轉換矩陣進行即時的感知融合，經過交集聯集比（Intersection over Union，IoU）找出對應之物件，提升偵測準確度。利用深度學習影像辨識技術，系統能預測行人穿越或機車進入車道的時機，提供更即時的道路安全預警，擴大了自駕車的感測範圍和反應能力，進一步提升在複雜道路環境中的運行穩定性與安全性。
緊急救援車輛－優先號誌通行
除了以往雷達偵測橫向車流提醒安全預警之外，智慧道路安全預警系統於高雄消防局第三大隊鳳祥分隊周遭四個連續路口創新研發車輛優先號誌通行技術（Transit Signal Priority，TSP）。讓消防車、救護車能優先通過即將進入的十字路口，只讓救援車輛行駛方向綠燈通行，其餘方向都是紅燈，以提高救援效率與安全性。
當緊急救援車輛接近路口時，透過車載OBU設備經由V2X通訊網路廣播車輛之動態位置、行進路徑、車速等行車資訊給路口RSU設備，並提出優先號誌通行之需求。當RSU收到合法車輛的優先通行需求後，與號控設備連動，根據該行車資訊，執行綠燈延長或紅燈截斷等優先通行控制策略，動態調整與控制紅綠燈號誌的時相狀態，在車輛抵達號誌路口前將號誌調變為綠燈狀態，其餘方向皆為紅燈，讓車輛更加快速地通過號誌路口，藉由V2X優先號誌通行應用服務，可大幅度縮短救援車輛通行路口時間，並提升通行路口的安全。
台鐵－平交道異物偵測及工班人員警示
有鑑於軌道常有異物，造成人員傷亡，如北迴線太魯閣號列車出軌事故及中捷運行被建案吊臂砸中等事件，智慧道路安全預警系統協助台鐵於特定行駛路段建立鐵道列車追撞警示、鐵道列車與維修人員碰撞警示、平交道安全預警等功能，由於列車行駛速度較高，故需通訊端中繼轉送技術加入才能完成；平交道區域內異物偵測則需要整合光達偵測系統。
藉由列車OBU設備V2X通訊網路廣播車輛行進動態資訊，搭配鐵軌RSU設備中繼轉發，若場域內有同方向行駛列車且相距一公里內，及早發出防撞警示；且為避免工班軌道維修人員非預期進入軌道區，工班也需要配OBU通訊設備並廣播即時位置，同時藉由鐵軌RSU設備中繼轉發，當出現非預期進入軌道事件，提供列車與工班兩者碰撞警示訊息；於高危險區域，如平交道，建置光達偵測系統，整合場域相機影像偵測系統，提供平交道安全預警資訊及即時影像給行駛於場域內之列車，並提升鐵道行駛安全。
結論
智慧道路安全預警系統具備即時影像與光達深度學習物件偵測技術、車聯網通訊中繼轉發技術、行車透視與影像同步串流技術，提升整體道路安全。車聯網通訊中繼轉發技術讓訊息更無縫接軌，通訊範圍涵蓋更廣，目前運行於台鐵和桃捷場域；結合攝影機即時影像與光達物件的偵測技術，藉由環周感知與偵測比對讓異物無所遁形，再加上移植到車載端，使得偵測範圍隨車所及；行車透視與影像同步串流技術，讓接收端得以不受視線遮擋，獲得與傳送端同步對稱的視覺資訊，降低反應時間，有助於交通更安全。同時，系統也有監控管理平台供事後分析處理，可以針對新場域做參數調整及擴充；未來也可藉由人工智慧技術，透過機器學習模型預測交通流量與潛在事故發生地點，實現更主動的預警，並搭配5G／6G高速通訊，提升訊息傳輸效率，確保低延遲，打造更加安全、可靠的交通生態系統。
