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《數學X網路X友情》——2018數感盃 / 高中組專題報導類佳作

數感實驗室_96
・2018/04/12 ・2774字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。

本文為 2018數感盃青少年寫作競賽 / 高中組專題報導類佳作 之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

圖/pxhere
  • 作者:林哲宇、陳景熙、李澤/成功高中

「欸,網路借一下。」
「開一下啦。」
這些令人苦惱的問題,總是充斥在擁有行動網路的同學之間,深深困擾著他們。

在學校,只有少數的學生,手機擁有無線網路,他們經常受人覬覦,總是受到沒有網路的人的苦苦哀求和情感的勒索,要求他們開啟網路分享。但是這些擁有網路的學生,並不是每個人都擁有「吃到飽」的網路,也就是沒有使用流量限制的網路,他們往往只有學生專案裡僅僅 5G、3G,乃至於僅 1G 的數據流量,他們縮衣節食般的小心使用,深怕會超過他們的數據限制,而被迫支付超額使用的高價費用,於此同時,他們必須適度分享他們的網路給沒有網路的同學,以維持他們和同學之間的友誼關係。

友誼的定義曾經是如此單純,但是在這科技化的年代,友情,已經從午餐的雞腿,演變成了行動網路。為了拯救這些深陷水火之中,徬徨面對人生的十字路口,在友情和行動網路流量之間做著無限掙扎的同學們,只有透過找出最合適的網路使用,才能夠挽回同儕間的友誼,找回當初最純粹而美好的情誼。

莎士比亞:「有很多良友,勝於有很多財富。」友誼像清晨的霧一樣純潔,金錢並不能得到友誼,唯有最真摯的行動網路,可以贏得友情。

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古人有云:「知己知彼,百戰百勝」,在進入這場屬於數據的戰爭前,我們必須先了解敵我,掌握有利情報,才有機會打贏戰爭,成為箇中佼佼者。

根據國立成功大學、亞洲大學所執行的「學生網路使用情形調查報告」,在平日,學生每天平均會使用 75.2 分鐘,假日則平均使用 266.1 分鐘,由此來看,學生每個月的網路使用時間約在 72.5X20+266.1X10=4165 分鐘,又根據高苑科技大學通識教育中心所執行的「大學生網路使用行為與網路影響之研究」,學生上網時,花費在遊戲的時間佔 25.67%,傳輸訊息的時間佔 26.26%,上社群軟體的時間佔 11.34%,查資料的時間佔 16.42%,看影片的時間佔 6.87%,網路購物的時間佔 6.57%,下載檔案的時間佔 5.97%,值得一提的是,看成人影片的時間佔 0.9%。

進一步,我們實際測量了每項活動所使用的大約流量,得出玩遊戲使用 960k/m,傳訊息使用 18k/m,社群軟體使用 2007k/m,查資料使用 683.89k/m,看影片使用 30000k/m,購物使用 18000k/m,下載檔案使用 42000k/m。

由此,我們可以得出學生每個月約使用 4165X(25.67X960+26.26X18+11.34X2007+16.42X683.89+7.77X30000+6.57X18000+5.97X42000)kb,大約等於33.644 Gb。

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再者,報告中也提到,學生使用網路的場所,在家裡使用的時間約佔 90%,在家裡以外的地方使用的時間約佔 10%,假設學生在家裡會選擇使用家裡的 wifi 網路,則學生每月手機行動網路的使用流量約為 3.36G。

孟子曾經說過:「人之相識,貴在相知,人之相知,貴在知心。」,想要真正的了解周遭的同學朋友,就要了解他們和你借網路的時候,會使用多少的流量,才能做到相知,甚至知心。會被同學們借網路的場所,多在學校和補習班,佔據他們網路使用時間約5%,每月使用流量約為 33.644X5%,約為 1.68G。

雖然友情無法估計,但是借網路給朋友的使用流量,和雞腿的價值,卻是可以衡量的。每個人每月1.68G的流量,不禁讓我們開始懷疑:友情,從過去到現在,從午餐的雞腿到行動網路,究竟改變了多少呢?

電信業者每月 5G 的方案,需要月繳 587 元,代表 1.68G 的流量,價值 197 元,然而一支單點的炸雞腿,大概要花 50 元,假設同學一口可以吃掉約 1/10 的雞腿,代表一個月吃掉的雞腿價值 50X30X1/10=150元。

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友情,真的漲價了。不過,就像白米漲價了,飯還是要吃一樣,就算友情漲價了,依然還是我們的生活必需品。

要想得到別人的友誼,就得先向別人表示友好,網路,便是友好最佳的代名詞,但是,縱使桃花潭水深千尺,還是不及汪倫所使用的網路流量。我們都希望朋友能夠盡情使用網路,但是有限的網路,卻總是讓人在友情和流量之間,做著痛苦的掙扎,究竟在這困難的選擇當中,要如何取捨呢?

假設同學每個月自己使用網路的流量,呈現常態分布,期望值設在 3.4,標準差是 1.7,而同學使用別人分享的網路的流量也呈常態分布,期望值設在1.7,並設標準差為1.7。

魯迅曾說:「人生得一知己足矣,斯世當以同懷視之。」如果今天只有借給一個好同學,在 5G 的方案之下,以常態分布的曲線來看,就有 52.3% 的機率會超過流量限制

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這意味著如果你的目標只是結交一位知己的話,在友情和流量間的取捨,幾乎是對半的機率。如果想要組成三人偶像小團體的話,以常態分布曲線來看,約有 14.5% 的機率,還能夠維持在流量限制下。

以此來看,有5G流量的同學們能夠順利的從友情和流量中的掙扎中走出,但是他們只能專一的結交一至二位朋友,勉強可以度過擁有同儕陪伴和朋友情誼的美好學生生活。

至於辦置10G流量的同學,以常態分布圖來看,他們在和一位同學分享的情形下,超出流量的機率幾乎趨近於 0%

可以達到最理想的狀態,和同學間產生最完美、純真、單純的友誼。如果和兩位同學分享的話,有 97% 的機率可以維持在流量限制裡;

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如果是分享給三位同學的話,維持在限制的機率是81.1%;

分享給四位同學的話,則有45.4%的機率維持流量;

五位同學分享的情況下,則是 13.2%。

由此可見,有 10G 流量的同學至多只能考慮和 5 位同學分享,而且他們無法避免在友情和流量間掙扎抉擇的命運,是否要冒那 86.8%超過限制的機率分享網路給第 5 位同學呢?那是屬於他的人生分界點,他的高中生活,將在這個決定中,在兩個平行宇宙中,分成兩個不同的故事。

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友情和流量,永遠都是兩個難分難解的問題,而這些問題,永遠也沒有正確答案。人生處處有著風險,而只有最能評估、計算風險機率,正確做出決定的人,才能順利過著快樂的學生生活──除非你有吃到飽網路。

文豪泰歌爾曾經說過:「我的朋友,你的網路飄蕩在我的心裏,像那海水的低吟之聲,繚繞在靜聽著的松林之間。」也許過了許多年,同學們都已經成年,在社會的各個角落使用著他們自己辦的行動網路的時候,他們會突然想起曾經有個同學,大方不吝嗇的借給他們行動網路,那些還停留在心裡的低吟之聲會再次響起,那些學生時代的青春回憶會再次冉冉升起。對了,那個借我網路同學叫什麼名字呢?有點想不起來。

更多2018數感盃青少年寫作競賽內容,歡迎參考 2018數感盃特輯、數感實驗室官網粉絲頁喔。

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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解密 Wi-Fi、WLAN、802.11:網路通信的差異與演進
數感實驗室_96
・2024/06/21 ・774字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

在現代社會,如果我們到咖啡廳或其他公共場所,打開筆電坐下來後,通常的第一句話都是「請問這裡有 Wi-Fi 嗎?」。

沒除了 4G、5G 行動通信以外,Wi-Fi 是我們日常生活中常用的上網方式。那麼,Wi-Fi 到底有什麼特點呢?

首先,來解釋一下幾個常見的名詞:Wi-Fi、WLAN、802.11。

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你或許都聽過這些詞,特別是 Wi-Fi,但它們之間有什麼差別呢?

LAN 是 Local Area Network,區域網路的意思。通常指的是像一間網咖這樣的範圍。而 WLAN 就是 Wireless LAN,無線區域網路,這是現在的主流用法。而 802.11,則是專門針對區域網路中無線部分的技術標準。而 Wi-Fi 呢,則可以看作是 802.11 這個技術標準的口語化說法。而 Wi-Fi 的 logo 一黑一白,與太極圖非常相似並非巧合,其 logo 衍生自太極圖,就是想取其相容於任何設備、平台,不管在哪裡都能順利連上網的意象。

有人說 Wi-Fi 在現代已經像空氣、陽光、水和電一樣,成為不可或缺的基本需求。

除了 Wi-Fi 我們還介紹 MIMO 這個關鍵技術,如果對更多技術細節感興趣,或是想聽聽像 Bluetooth 是以國王名字命名的科技小故事,都歡迎在留言告訴我們,期待與你們繼續分享更多有趣的科技知識!

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參考資料

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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電磁波全揭秘:了解頻帶、頻寬、頻率和通信技術的基礎知識
數感實驗室_96
・2024/06/13 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在,我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信,顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞,它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在,從微波爐、手機到基地台,這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置,電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢?答案就是:當我們白天走到戶外,看到的光,它其實也是電磁波的一種。

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希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後,未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語,以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術,都能更有概念地理解。

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