近年來，智慧型運輸系統(ITS)的重要發展方向為鏈結汽車、道路與後端基礎建設，以提升交通運輸「安全」、「效率」、「便捷」此三大要素。於2010年後，IntelliDrive接續車輛基礎設施整合(Vehicle Infrastructure Integration, VII)計畫成為美國ITS建置的主要計畫。
有別於VII強調單純使用專用短距通訊(DSRC)技術實現所有車載相關應用，IntelliDrive更著重於運用現有的通訊技術，如第三代行動通訊系統(3G)、無線區域網路(Wi-Fi)、全球微波存取互通介面(WiMAX)等，搭配DSRC以提供更全面的車載應用通訊需求。
由於筆者現今亦參與美國密西根交通局(MDOT)所提出的Multi-Path SPAT/GID Communication System交通建置先導應用計畫，藉由雙模通訊技術實現車輛無線通訊(Vehicle to Infrastructure, V2I)，進而提升號誌化路口的安全與效率。本文將主要針對車路通訊技術於號誌化路口之應用情境與未來可能的發展進行介紹。
判斷號誌化路口過/停時機
號誌化路口的時制設計目的，乃是為了提供用路人兼具安全與效率的行車環境。然而，在號誌轉換的當下，往往須要駕駛者即時反應加速通過路口，或是即時剎車減速停止於停止線前。依據個別駕駛者反應時間的不同，接受到資訊的快慢不同，其最終的反應也會有所不同。因此，絕大多數的碰撞事故都是發生在路口號誌轉換的情況。此交通狀況在交通運輸專業領域中被歸類為猶豫區間(Dilemma Zone)問題(圖1)。而處於Dilemma Zone的駕駛者可能面臨以下兩種的狀況：
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| 圖1 Dilemma Zone示意圖 |
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在橫向街道衝突車流開通前，太過接近停止線而來不及反應，無法安全停下。
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在橫向街道衝突車流開通前，無足夠時間順利且安全地通過路口。
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如何避免駕駛者落入此種Dilemma Zone狀況，將有賴車路無線通訊技術的協助。
車路無線通訊提高道路安全
在車輛行駛過程中，如何取得前方路口號誌資訊，將有賴於車路無線通訊架構(圖2)。在此一架構中，路側端須設置一個資訊擷取裝置，以取得號誌控制器的資訊，並透過雙模無線通訊技術如DSRC、3G分別將資訊由不同傳輸媒介傳送到接近的車輛。同樣地，在車輛和機車上也須配置雙模通訊設備以接收來自於路側端的號誌資訊。
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| 圖2 車路雙模無線通訊示意圖 |
由於3G通訊系統在一般狀況下並不具備廣播功能，因此必須實作一號誌資訊服務(SPAT LBS)，讓車輛與機車藉由SPAB LBS取得號誌資訊。透過此一架構，雙模通訊的車載設備將可同時獲取長距與短距資訊。除了可增加資訊傳輸的可靠度外，未來亦可避免部分路口未裝設DSRC設備而產生的問題。
提前安全警示避免發生危險
如上述，Dilemma Zone指的是駕駛者在遭遇黃燈時，不但無法安全地剎停於停止線前，亦無法在全紅時段結束前離開路口的狀況。本文以運動學模式為基礎，並參考先前文獻進行Dilemma Zone分析，則Dilemma Zone乃指當黃燈始亮時，車輛停車距離大於黃燈清道距離時兩者的距離差(圖3)。
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| 圖3 Dilemma Zone計算公式 |
由此可知黃燈始亮時，車輛停車距離與黃燈清道距離為決定Dilemma Zone的關鍵。根據運動學定律推導出停車距離(Sstop)如公式1：
............................(1)
其中Vo是黃燈始亮時速度(m/s)，τ為駕駛者反應時間(s)，Dmax為剎車時之最大減速度(m/s2)，此乃假設車輛瞬間達到最大減速度。然而，車輛實際煞停時，尚須考慮減速至最大減速度所需時間，Jmax為加速度的變化率(m/s3)，第二與第三項分別代表從初始減速能力到最大減速能力的行駛距離，以及由最大減速能力到停止的行駛距離。
當駕駛者發現燈號轉換為黃燈時，若駕駛者欲安全通過路口，則必須要有足夠的綠燈轉換時間，才能於全紅時段結束前離開路口清道完畢。換言之，駕駛者於綠燈轉換時間所行駛的距離，必須大於或等於黃燈始亮時車輛與停止線間的距離、路口寬度及車輛長度之總合。而黃燈清道距離(Scle)即代表安全通過路口條件下，黃燈始亮時車輛與停止線之最大距離，其計算方式如公式2：
............................(2)
其中，IG為綠燈轉換時間(s)，包括黃燈與全紅；W與L分別為路口寬度與車輛長度(m)；apass為車輛通過路口之加速度(m/s2)，其餘參數如前所述。
當車輛接收到號誌資訊時，即可根據上述公式預測到達路口前是否可能落入Dilemma Zone，並從而可以提供駕駛者適當建議，例如無法通過路口則請減速慢行，以避免產生不必要的危險。
提升行車效率有效利用能源
除了提前預警可能發生的Dilemma Zone情況外，車路無線通訊技術亦可運用於提升駕駛者的行車效率。
想像在道路上行駛時，當駕駛者以時速50公里行駛於道路上，在第一個路口遇到紅燈而停止；而綠燈亮後又以最高速限的車速行駛，於第二個路口又遇到紅燈而停止。如此的駕駛行為雖然可能最快到達目的地，但對於能源的使用率與行車的舒暢度而言，卻是極為不利。
當車輛與機車可以透過車路無線通訊技術接收到下兩個路口的號誌資訊時(圖4)，紅色區段代表紅/黃燈區間，空白部分則代表綠燈區間(汽車可順利通行)。車輛與機車上的運算單元，將可透過相關資訊的融合計算，判斷以何種速度將能順利的連續通過路口，並提供給駕駛者適當的行駛建議。
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資料來源：University of Michigan Transportation Research Institute
圖4 Green Light Pass Through示意圖 |
實際環境還須納入其他考量
筆者藉由實際參與美國ITS交通示範建置計畫的經驗，介紹車路無線通訊技術於號誌化路口實現安全與效率化的兩項應用情境。然而，在現實環境中實現這些應用情境，將不單純只是以學理分析即能解決，更須納入人性、法規、環境面等各項因素的考量，方能完善的解決交通問題。透過本文的介紹，除了期望能夠讓讀者對於現今ITS結合通訊技術的發展趨勢有初步的了解外，並希望未來能結合國內外相關研究成果，協助我國健全車載資通訊領域相關技術的發展。
(本文作者任職於資策會新興智慧技術研究所)