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未來城市 – 無人駕駛美夢如何成真?

李柏昱
・2015/12/02 ・2487字 ・閱讀時間約 5 分鐘
Google-Self Driving Cars
眾多汽車與科技大廠相繼投入無人駕駛技術的發展,未來道路或許將會更加安全。圖為Google研發的無人駕駛車輛。Source: flickr

自動駕駛,減少交通事故的福星?

從客觀的統計數據來看,人們實在稱不上是好駕駛。美國每年平均有三萬人死於車禍事件,而台灣每年則約有三千多人死於交通事故。與人類相比,機器至少不會酒駕、不會邊開車邊講電話,也能在短時間內處理更多的訊息並作出反應。Google 在 2008 年提出發展無人駕駛車輛的構想,以過去 6 年實際上路測試的統計數據來看,一共發生過 11 起事故,不過全部都是人類駕駛開車去撞無人駕駛車,諸如追撞或闖紅燈撞上等。

「自主學習」的車輛,從經驗中學習如何應變

車輛的中央運算系統必須即時處理各項觀測儀器回傳的資料,並分析周遭各種移動物體,例如其他汽車、行人等等。在程式撰寫上,有些程式指令是寫死在軟體中,例如看到紅燈就一定要停車。不過道路上情況瞬息萬變,光靠程式設計師要把所有的情形都納入並不實際,因此程式設計師賦予車輛「自主學習」的能力,從之前的駕駛經驗中學習該如何反應。舉例而言,Google的車輛已經學會辨認以及回應下列幾種情況:

  • 右線道有台烏龜車,它後方的車輛有高度可能性會超車。
  • 路上的坑洞或障礙物代表其他汽車駕駛有高度可能性會繞過它。
  • 左線道壅塞時,駕駛有高度可能性會切換到右側車道。

隨著駕駛里程累計,車輛會試著在面對各種情形中,測試可行的解決方案,此外所有車輛的資訊與經驗也會交流,最終車輛會學會遇到特定狀況最佳的反應方式,甚至學習在偵測特定狀況發生的徵兆時,進一步去避免它。

Google 無人駕駛車,用到了哪些技術?

實際上,Google 無人駕駛車輛使用的技術大部分都在既有的車輛、或其他的應用領域中十分常見,這些技術我們多半並不陌生,且已通過實際測試,讓 Google 的無人駕駛車顯得更為可行。Google 無人駕駛所使用到的技術包括了以下幾種:

  1. 光達(LIDAR)判逼近物體:光達(Laser Illuminating Detection and Ranging, LIDAR)主要用於建構3D的立體地圖,讓車輛探測周遭環境並能趁早發現潛在的威脅。光達會發射雷射光束,並藉由量測光束反射回來的時間,判斷車輛本體和周遭物體的遠近。
  2. 雷達加強判定逼近物體的「速度」:縱使光達已經能偵測周遭物體距離,然而光達卻無法即時準確衡量周圍物體的移動速度與方向,在道路上車輛皆為高速移動的情形下十分危險。因此 Google 在汽車的前後保險桿上各安裝了兩台雷達,讓車輛得以避開可能的撞擊。
  3. 高畫質攝影機提供立體視覺:目前市面上許多車輛都已經裝配有攝影機且功能各異,在 Google 車上,攝影機則是用來提供周圍影像,透過多台攝影機稍微不同的拍攝角度差異,能提供諸如景深以及物體的各種角度等影像,此功能就像人類左眼右眼的視差所造成的立體視覺。
  4. 聲納創造更多交叉比對資料:聲納與前述幾項技術目的相同,都是用於偵測周遭環境以防止碰撞,不過聲納限制較多,像是較窄的探測範圍與較短的有效距離。然而聲納與其他系統合作,能提供更完整的資料交叉比對。
  5. 定位系統:不過即便有各種防撞的安全機制,如果無人駕駛車不知道自己在哪裡也是徒然。Google 使用自己的地圖系統、GPS 衛星、慣性感測器等設備來監測車輛的實際移動速度,同時結合前述的攝影機,車輛能透過拍攝周圍的環境與 GPS 資料作比對。藉由上述技術的合作,Google 車輛定位系統的誤差能縮小到幾公分之內。

未來挑戰:如何讓無人駕駛真正安全?

在無人駕駛車真正「大行其道」前,仍然有許多障礙有待跨越。

在技術上,感測元件在豪大雨、下雪等天候不佳時,可能會運作失常,例如光學元件無法正確判讀紅綠燈等狀況,就必須在天候異常時避免開車上路。另外,由於車輛會將偵測到的物體像素化,車輛雖然會避開一個過馬路的小孩,但一團飛過道路的報紙也會有同樣的結果。因此無人駕駛車接下來的首要瓶頸,會是如何提升其各種觀測儀器的運轉穩定性與偵測準確性。

在系統上,各種不同的觀測系統的整合會是一大挑戰。正如 Google 試著讓車輛能夠自主學習,車商必須克服系統間相互干擾的問題,車輛之間的通訊是否真能如上述所說能順暢交流各自的道路經驗也備受考驗。

在環境上,目前的圖資精確度還無法滿足無人駕駛車的需求。Google 無人駕駛車輛使用的地圖相當精細-細到連路肩的高度、車道的寬度都必須仔細記錄,才能讓車輛辨識自己的位置而不至於開到人行道上。為了進行測試,Google 已經繪製約 3200 公里的詳細道路地圖,測試期間優良的安全紀錄絕大部分歸功於這份過於精細的圖資。不過,要繪製如此精細的國家尺度道路地圖實際上並不容易,美國全國公路長達六百萬公里,即便是台灣公路長度也有四萬公里,皆遠超過現有的圖資規模。

在市場上,「價格」也就是最根本和最現實的問題。以 Google 自動駕駛車為例,各項額外設備總價達 7 萬美元(約新台幣 210 萬),如此天價無法使無人駕駛車輛普及大眾化,反將淪為少規模生產的炫耀性財貨。話雖如此,無人駕駛車仍然是值得期待的科技,一旦各項觀測元件與整合技術發展成熟,隨著生產成本降低,無人駕駛車有朝一日仍可能走向商品化,讓原本只存在於科幻電影中的夢幻車輛實際駛入生活當中。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所
審校:陳妤寧

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:

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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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「數」養生活就從今天開始!談談數學教育的跨領域思維 ft. 數感實驗室賴以威老師【科科聊聊 EP.58】

PanSci_96
・2021/09/24 ・2816字 ・閱讀時間約 5 分鐘

賴以威老師近年來不餘遺力的推廣數學教育,他與數感實驗室的團隊前進校園,設計好玩好學的國小實驗課、以身作則的舉辦教師研習、還配合國中課業需求推出必修課與題本,業務早已超過數感實驗室剛成立時的規模。一路走來雖然秉持一貫的教育理念,但在教育現場實現了多少?改變了什麼?本集泛泛泛科學邀請賴以威老師談談數學教育的探究、實作與跨領域思維!

不餘遺力地推廣數學教育的賴以威老師。圖/賴以威 提供
  • 02:03 數感實驗室的數學教育

數感實驗室」一開始是賴以威老師與太太 Stacy 於 2016 年成立的粉專,主要刊登數學文章,不過後來發現都是大人在看,粉專並沒有適合小朋友的數學教育,夫妻倆便著手開發好用、好學、好玩的數學課程,從知識切入,跨領域整合數學、科學、歷史、人文、藝術等領域。

延伸閱讀:數學風箏│巨大化,正四面體風箏!在家防疫DIY【數學實驗課】國小數學實驗課 秋季視訊班

開發好玩又好學的數學課程。圖/賴以威 提供
  • 05:50 以威老師如何做到跨域整合?

以威老師表示最原始的動力當然是興趣使然,除此之外還跟他在博士班培養出來的能力有關:研究方法、定義問題、找資料、實現概念,這些能力不僅限於研究,更一路演變成他後來從事科普的技能。下關鍵字、判別可信度、延伸搜尋、產生內容…這些都需要經驗累積。「只講科學不講故事很可惜」,他認為科普內容都要帶出科學背後的意義,所有科學事件都是一個故事,可以多面向探討,自然而然的做到跨領域。

  • 11:20 108 課綱期望學生達到的素養是否太強人所難?

以威老師坦承 108 課綱講求的探究活用精神是他到研究所才掌握的能力,這樣要求國高中生似乎其困難。但是以前的教學觀念不一定要蕭規曹隨,小孩能否學會什麼都是可以討論的,「探究活用」是看待知識的態度,的確有可能在國高中階段就學會。

延伸閱讀:數感盃

  • 16:12 我們該以什麼態度看待新課綱?

如果我們把新課綱定義為培養好奇心,為了滿足好奇心,學生必須主動探究知識,而不是被動學習。好奇心就是這個時代學習的重要因素。當課堂不再是知識的唯一管道,老師不一定得擔任教學角色,當老師必須做的事變少了,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。

老師不一定得擔任教學角色,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。圖/賴以威 提供
  • 18:21 實務上有這麼理想嗎?

在數感實驗室舉辦的教師研習中,團隊遇過非常積極的老師、也遇過只習慣過去教法而否定新教法的老師,賴以威覺得這都在所難免,數感只能做更多研習,讓更多老師認同教學理念,並提供材料幫助老師無痛轉換。而家長與孩童方面,偶而也會有人反應都沒算到數學題目,對新教法不甚理解,這些都需要慢慢溝通。參與新課綱的人很多:老師、家長、學生、政府、大學、民間團體…我們都需要勾勒出共同的理想。

  • 23:55 何謂「數感」?

團隊認為數感分成「察覺關聯」與「應用數學分析決策」兩個層次。對不熟悉的人來說還是要輔以大量舉例才有機會了解,對孩童來說得花更多時間領會。所以團隊鼓勵大家來參加數感實驗室的活動,從機器人輸入輸出的參數體會函數概念、蓋紙房子學習錐體柱體與建蔽率、還有這次的四面體風箏與曲線刺繡都是數感的一種!

追蹤:數感活動

孩童正製作的四面體風箏也是數感的一種!圖/賴以威 提供
  • 28:10 人人有數感

Uber 饗食方案划算嗎?集點卡可以省多少錢?股票會賺嗎?人們平日的決策過程都是數感的表現,但是很多人卻把自己會的數學當作常識,自己不會的數學當做數學。其實,只要有算就是數學,意識到更多生活方面都可以應用數學還可以幫助我們過更好的生活。當你不排斥其他領域,就能夠處理更多知識、解決更多問題。

  • 31:57 教學理念與升學表現的平衡

一昧在教學中強調好奇心又太過理想化,尤其國中生有升學壓力必須顧及學業表現。數感團隊也在拿捏,從強調好奇心的數學課向升學的方向靠攏。像是數感的國中課程就有許多建立數學情境的素養題目:講求平均值的區間測速、二十進位的瑪雅數字、正負數計算高鐵票價,這樣同時培養了探究實作的素養也搭配學校課程幫助課業表現。

延伸閱讀:不需要測速照相機就能抓超速?區間測速原理大解析- PanSci 泛科學

  • 38:13 數感實驗室的課程設計

數感實驗室目前堆出的課程有國小與國中兩種,國小數學實驗課以引發好奇心為主,國中必修課與生活情境連結幫助課業提升。

其中九年級非選實戰題考驗著把文字轉換為數學問題的能力,是學生最缺乏也最難教的,甚至很多高中生都還再學習。從這點來看,有老師認為七年級題本也可以給高中生做。當然數感也希望盡快開發出對應完整學程的課程讓所有學生直接使用。

另外題本也可視為科普文章,大人也可以寫喔。y 編回憶起學生時代的題目才發現都沒搞懂,因為以前的教學沒有連續的思維養成,希望現在的題本可以整合以前學習的片段知識。

  • 43:12 更多關於數感的資訊

追蹤數感實驗室官網,獲取精選文章、影片、課程與活動資訊、題本、還有賴以威老師親簽書籍喔!

節目的最後,以威老師也分享疫情期間的線上課程其實比較辛苦,但有些功能如軟體模擬、分組、Jamboard、延伸閱讀等等也是實體課程做不到的。另外線上課程不限地點皆可參加,連家人都可旁聽,這些特性都必須好好把握的。


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