X-By-Wire(エックスバイワイヤ)技術が拡げる自動運転技術の可能性

統合電子制御システム開発にまつわるエンジニアの技術的リテラシー

この20年で自動車には数多くの統合電子制御システムが搭載されるようになってきました。その背景には、Bosch社による車載用通信プロトコルCAN(Controller Area Network)の普及があります。様々な電子制御が通信によって繋がることで、これまで実現が難しかった機能が数多く実現できるようになりました。

その代表格はインテリジェントクルーズコントロールではないでしょうか。エンジン、ブレーキ、カメラ、レーダー、それぞれの電子デバイスをネットワークで繋ぎ、統合制御することで前車との距離を適切に保つ機能を実現することが可能になりました。

このような電子制御の組み合わせは、時として絶大な恩恵をドライバーにもたらしますが、統合電子制御システムの開発はエンジニアにとっては大仕事を意味します。そのシステムを世の中に出すに当たり、膨大な安全性・信頼性開発が待ち受けているためです。

安全性・信頼性開発ではFMEA(Failure Mode and Effect Analysis)や、FTA(Fault Tree Analysis)などを活用し、システム故障時のフェールセーフをシステムに織り込みます。このフェールセーフに関する詳細については別途、紹介することにしますが、今世の中を走っている最新のクルマには膨大な数のフェールセーフが織り込まれており、ユーザーの安全を確保しています。さらにはISO26262(車載用電子制御システムの安全性・信頼性に関する国際規格)の適用が本格化するなど、安全性・信頼性を担保するために莫大な工数が必要となっています。

このように、安全性・信頼性開発は自動車開発のエンジニアにとって最もシビアかつ重要なタスクですが、統合する電子制御システムの数が増える程、その重要性は指数関数的に高まることになります。

しかし、クルマに乗るお客様の命を預かる以上、その仕事に抜け目があることは許されません。まさにエンジニアにとって安全性・信頼性開発のスキルは身に着けなくてはならない重要な技術的リテラシーです。一般的に電子制御システムの機能開発よりも、むしろその機能の安全性・信頼性を担保することの方が圧倒的に難易度は高く、このような技術的リテラシーを持つエンジニアは一流と呼べる実力の持ち主と言っても過言ではありません。

もちろん、この技術的リテラシーは自動運転技術に携わるエンジニアにとっても重要であり、少なくともIT企業出身のエンジニアにこのリテラシーを身に着けたエンジニアがいるかと言えば、非常に限られているのではないかと思います。このような状況こそが、まさに自動運転技術の開発に挑むIT企業にとって大きな課題となっているのではないかと考えられます。

「エックスバイワイヤ(X-By-Wire)技術」とは？

明確な定義があるわけではありませんが、一般的には「制御対象を、電子信号を経由して狙い通りに制御すること」です。

この技術の輸送用機器への最初の適用事例としては航空機が最初で、当初はFly-By-Wireと呼ばれていました。Fly-By-Wire技術では、パイロットの操縦桿の動きをストロークセンサで検知、電子信号に置き換え、ラダーやエルロンを電子制御式の油圧アクチュエータなどで作動させます。

なぜ、Fly-By-Wire技術が開発されたのでしょうか？その理由は航空機の大型化・高速化です。第二次世界大戦の頃、航空機には自動車と同じレシプロエンジンが採用されていました。パイロットの操縦は機械式が採用されており、パイロットの手足の動きが機械的にエンジンスロットル、ラダーに伝わり、機体の動きを制御していたのです。

しかし、ジェットエンジンの登場で航空機の速度が著しく増加したことで人力による制御が困難になります。この課題を解決するため、より大きな力で、かつ正確な位置制御が可能なFly-By-Wire技術が開発されました。現在では様々な分野にFly-By-Wire技術は適用されていますが、制御対象が航空機だけでなくなったことから、X-By-Wire技術と呼ばれるようになったのです。

自動車において、X-By-Wire技術は、エンジンスロットル、ブレーキにも採用され、現在では一般的な技術として広く普及しています。また、これまでに適用が難しいとされていたステアリングシステムについても、日産自動車が実用化に成功しています。このように、現在の自動車はドライバーの運転操作が全て電子信号に置き換えられて走行することが可能となっているのです。

自動運転とX-By-Wire技術の関係

自動車におけるX-By-Wire技術は先にも述べたように、ドライバーの運転操作を信号に置き換えて自動車を走行させることを目的としています。しかし、航空機と異なり、人の力でも十分に自動車の運転操作は可能であるにも関わらず、導入に至ったのはなぜでしょうか？

その理由は、ドライバーの運転操作が必ずしも正しいとは限らないことにあります。例えば、ドライバーが不適切なアクセル操作を操作すれば燃費の悪化に繋がりますし、ドライバーの意図通りの加速が得られないこともあるでしょう。

しかし、X-By-Wire技術を応用すればドライバーの運転操作の情報に基づき、最も適切な運転操作を算出して修正することが可能となります。現在ではドライバーの運転操作には何らかの修正が加えられることは、もはや当たり前となっています。

このように、ドライバーの運転動作は何らかの形で電子制御によって介入を受けていますが、エンジンスロットル、ブレーキ、ステアリングそれぞれの電子制御への介入の割合が100%となること、これがまさに自動運転です。つまり、X-By-Wire技術そのものが自動運転の土台になっているのです。

現在、全ての運転操作にX-By-Wire技術の適用が実用化されていることから、もはや自動運転の実現は時間の問題と言っても良いかも知れません。

それでもなぜ、自動運転技術の実現が難しいのか？

X-By-Wire技術はドライバー操作への介入が可能です。しかし、その介入は安全性を考慮した上で限られた条件下でのみ、作動されるように設計されています。この限られた条件を外すことが自動運転を実現することを意味しますが、この地球上に存在するすべてのドライバー、すべての道路、すべての環境条件においてドライバーの安全を担保して初めて自動運転が実現したと言えます。

しかしながら、現実的にすべての走行条件を考慮することはほぼ不可能と言っても良いかも知れません。走行条件の数は天文学的な数にのぼる上に、そのすべてに対応する必要があるからです。しかし、だからと言って自動運転の実現が不可能かと言うとそうでもありません。不確定な条件を一つ除外すれば短時間での実現は十分に可能です。

その不確定な条件とは「人による運転操作」です。全ての運転操作を電子制御の判断に置き換えれば、不確定な条件を確実に取り除くことができます。

ドライバーの体調、気分、性格は運転操作に大きな影響を与える一方、電子制御システムは常に同じ判断を短時間で正確に下すことが可能です。技術的な観点で極論を言えば、ドライバーの運転動作への関与を除外する(つまりドライバーレス)ことで技術的なハードルは各段に下がります。

もちろん、ドライバーレスをいきなり実現できるほど簡単ではないのが自動運転の技術開発であり、10年単位での時間が必要でしょう。ドライバーレスに関しては賛否両論ありますが、この圧倒的に困難な技術開発に対して有効な技術的パラダイムシフトの誕生に期待しつつ、自動運転の技術開発の進化には今後も目が離せません。

まとめ

自動運転を実現するには、X-By-Wire技術の動作シーンの圧倒的な拡大が必要であり、その拡大には困難を伴うことは明らかです。

自動車メーカー、IT企業それぞれ単独での開発ではユーザーにとって真に価値のある完全自動運転(Level 4)の実現は困難ですので、双方の強みと技術アセットを、会社の枠組みを超えて融合させていくことこそが、自動運転の実現のキーポイントになるのではないかと思います。また、その流れはすでにAlphabet（Google）が子会社化したWaymoの動向にも顕著に現れていますね。今後がますます楽しみです。

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ライター情報
神野 研一
自動車工学エンジニア

国内自動車メーカーにて10年以上の開発経験を持つ。
専門は車両運動CAE、走行系制御開発、電子信頼性開発、実験技術など。
現在は英国に在住し、F1チームでVehicle Science Engineerとして活躍中。