必然有效的省電宣導與老舊設備汰換，能征服一年用電降2%的艱鉅挑戰嗎？─節電台南市篇

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！

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）。

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？

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。

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。

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。

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）。

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！

用「資料科學」研究「空污」

大陸霾害何時來？台灣工廠排放的空污如何擴散？以前只能用自己的呼吸道偵測，現在「空氣盒子」為你即時追查 PM2.5 濃度變化。這不只是中研院資訊科學所陳伶志副研究員的計畫，更是一位技術宅父親對氣喘過敏兒的愛。

想像一下，若是大雄所居住的城市，充滿空氣污染。關心大雄的哆啦 A 夢，會拿出什麼道具來相救？也許哆啦 A 夢沒辦法把整個城市的空氣變乾淨，但可能會拿出「任意電視」，找出附近誰在亂燒垃圾，即時阻止對方。或是透過「預知天線」，提醒大雄今天戶外 PM2.5 濃度過高，出門要戴著口罩，否則吸多了會氣喘。

事實上，透過「開放資料」和「數據分析」，空氣盒子真的能即時追查空污真兇，並幫助預測空污擴散趨勢。推動空氣盒子這個想像實現的人正是陳伶志，以及其帶領的研究團隊、 LASS 社群 （Location Aware Sensing System）、政府單位和廣大鄉民，一起從下而上努力改變空污問題。

參與式感測：自己的環境自己救

陳伶志與團隊的主要研究領域為「參與式感測系統」，簡單而言，就是以某種裝置或網絡，偵測生活中的某個問題現象，透過群眾一起觀察所得的數據進行分析，找出問題的解決方法。生活中有許多問題，例如空污、塞車、路不平，若被動地等待政府解決往往緩不濟急。並非因為政府效率太差，而是因為不知道問題真兇藏在哪裡，例如眼前的空污是霾害？還是有工廠偷偷排放廢氣？

「參與式感測系統」最重要的目的，是以「自己的環境自己救」的概念出發，透過群眾自主觀察所得的大量數據，由專家分析找出問題癥結點，推動政府或相關單位採取行動、對症下藥。

關在倉庫測一氧化碳，用命拼研究

要研發出「高準確性」和「低成本」兼具的感測裝置，以供群眾使用，並非容易的事。以觀測空氣為題，從 2013 年開始，陳伶志與團隊嘗試過不同氣體的量測，例如：一氧化碳、二氧化碳、臭氧、二氧化氮等等，但因為氣體感測器誤差過大、校正過程太複雜，皆忍痛放棄。當時，為了在擬真的環境中，校正一氧化碳感測器的準確性，及比對低濃度和高濃度的數值，學生甚至將自家倉庫改造成實驗室待在裡頭，只留一個小縫、往裡面排送機車廢氣。「實在很擔心學生中毒」陳伶志回想。

2014 年底由於空氣污染加劇，大眾逐漸重視 PM2.5 濃度，加上兩歲的兒子因為氣喘成為醫院常客，陳伶志擔憂空污會讓氣喘跟著兒子一輩子，決定專攻「PM2.5 即時濃度感測」，嘗試透過研究找出空污變化模式、解決空污問題。可以即時追查 PM2.5 濃度的「空氣盒子」，因需求而誕生，更因父愛而堅持。

拉拔一個小孩長大成材，需要付出大量的時間與金錢；茁壯空氣盒子這個小孩，也付出了難以計算的心力與學費。陳伶志與團隊耗時三年，經歷失敗、崩潰、接受事實、再失敗的無數次迴圈，終於開發出品質穩定的空氣盒子原型。但這時候，困難才真正開始。

與社群合作 讓空氣盒子遍地開花

開發出可以普及使用的空氣盒子之後，初期面臨沒有民眾願意裝在自己家裡的窘境。「會不會耗電？會不會危險？有問題怎麼維修？」因為這些考量，初期只能將空氣盒子安裝在親朋好友圈，即時觀察到的 PM2.5 濃度數據非常侷限，缺少應用價值。

但就像《牧羊少年奇幻之旅》這本書的啟發：「當你真心渴望某件事，整個宇宙都會聯合起來幫助你完成。」努力找出路的陳伶志與研究團隊，經過朋友的朋友介紹，與認同「參與式感測」精神的 LASS 社群一拍即合。 LASS 社群由一群喜歡動手做的創客（Maker）組成，遍布台灣各地。了解空氣盒子程式碼、安裝步驟後，秉持創客精神，從「想」到「做」如星火燎原般，讓空氣盒子的身影在台灣各地出現， PM2.5 即時濃度觀測的時間與空間資料因而大幅擴展。觀測得到的數據變多、變廣，就能進一步分析空污變化的路徑。

開放資料 x 數據分析 空污真兇莫狡辯

以前總是呼吸道感染了，才知道空氣污染正在肆虐，很難阻止後續擴散或再發生，或是附近的工廠偷偷排放空污，卻沒有證據繩之以法。但現在透過分析各個空氣盒子感測到的 PM2.5 濃度數據，就能推算空污的原因、發生時間點，找出製造空污的真兇。陳伶志舉兩個觀測模式說明：

像是在 2015/12/20 這天，陳伶志注意到北部有一些空氣盒子觀測站，都出現 PM2.5 即時濃度「瞬間飆升」的情形（如上圖黃色箭頭所指），代表該地突然出現空氣污染源，常見的原因是燒東西、工廠排放廢氣等等。陳伶志將發生「PM2.5 即時濃度瞬間飆升」的空氣盒子觀測站 GPS 座標列在地圖上，並依瞬間飆升的時間排序（如上圖紅色打卡標所示）。搭配氣象資料指出，當時正吹著西南西風，可以看見空氣污染源是從西南方（ 15:36 開始）依序往東北方（ 18:18 抵達）擴散。

這種來自北部盆地西南方的空氣污染源，會是霾害嗎？
不太可能，應是台灣自造的空氣污染。

由於當時觀測到此現象時，空氣盒子觀測站尚未廣佈龜山、桃園、新竹一帶，也未與政府單位合作。若能進一步追查台北西南側的各個空氣盒子，找出 PM2.5 即時濃度瞬間飆升的「起始點」，應能通報相關單位前往該區，即時開罰空污排放源頭。

為了找出空污變化的模式，陳伶志每 5 分鐘記錄各地空氣盒子 PM2.5 即時濃度，並將異常數據歸納為以下三種，判斷哪區有持續性污染源、或找出哪邊突然產生空污：

1. 時間點異常（上圖藍色打卡標所示）：從時間軸來看，某個時間 PM2.5 濃度「瞬間飆升」，代表當地空氣污染是正在進行式。
2. 空間點異常（上圖紅色打卡標所示）：以區域來看，若某個區域 PM2.5 濃度與鄰近的空氣盒子相比更高，代表空氣污染源於「當地」產生，或是受到「他處」飄來的空污影響。
3. 空間與時間點異常（紫色打卡標所示）：上述兩種情況都發生，當地有空氣污染源的「可能性極高」。

舉個實例，陳伶志觀察到台北龍山寺該區的空氣盒子，「白天」持續顯示 PM2.5 濃度「空間點異常」，代表當地與鄰近區域相比，有持續性的空氣污染來源。將此觀察數據，搭配龍山寺的地理位置比對，燒香、燒紙錢造成的 PM2.5 高濃度影響，透過觀測數據顯而易見。

民間高手，讓空氣盒子能有更多應用

空氣盒子是採用開放資料（ Open Data），因此這不僅只有中研院資科所能用於研究計畫，無論學生科展、大學報告、民間團體等，都能依照陳伶志的空氣盒子架構，依照自己的需求改裝不同版本的空氣盒子，發揮各式各樣的靈活運用。

由於台中空氣品質很糟，努力守護家鄉環境的《台中市原鄉文化協會》，在空氣盒子推出初期，自掏腰包買了 100 台空氣盒子並發起認養活動，將空氣盒子廣佈台中各地，由民眾自主監督空氣污染來源。台中創客（ Maker ）還將空氣盒子改造成方便攜帶的行動版本，發現台中哪一區空氣品質不對勁，一群關心台中環境的市民，就彼此號召拿著行動版空氣盒子前往該區追查空污排放源頭。

國立交通大學資訊工程學系，由彭文志老師帶領的資料探勘（Data Mining）課程，也將開放資料的空氣盒子做為報告題目之一，讓學生自行發想如何應用空氣盒子的感測資料。例如將 PM2.5 觀測資料與實價登錄地圖結合，找出理想的乾淨空氣居住環境；或是找出 PM2.5 濃度變化的時間與地區模式，做出自動監控紫爆現況、預測空污擴散路徑的功能。

不只台灣需要！ 空氣盒子遍布世界

2016 年 2 月，零時政府 g0v 主動介接空氣盒子的開放資料，擴大觀測數據的影響力。 2016 年 3 月開始，台北市、新北市、台中市、台南市、高雄市政府也陸續加入空氣盒子計畫，由民間企業捐贈數百台空氣盒子，並佈建在各區域的小學校園，透過環境教育學習如何觀察 PM2.5 即時濃度變化，監督改善該區域的空污問題。

空氣盒子成功發展嚴謹的研究理論（感測器比對報告、空污模式演算法等），並建立與 LASS 、政府、民間企業的跨領域合作模式，形成領先全球的 PM2.5 即時感測網，吸引世界各國來台學習空氣盒子的經驗。 2016 年 9 月，陳伶志受邀到泰國演講，與東南亞合作觀測 PM2.5 濃度。例如印尼火耕霾害，鄰近的馬來西亞、新加坡，都會大受影響，惟有建立跨國的空氣盒子監測網，才能即時通報、協力找出對策。「因為空氣是流通的，空污不會只發生在一個國家的上空」陳伶志說。

談到未來目標，陳伶志希望推動空氣盒子成為智慧城市的物聯網一環，例如當戶外 PM2.5 濃度過高，室內的空氣清淨機就會自動打開，這功能不只有小孩的家庭需要，有呼吸照護需求的家庭與醫療照護機構更需要。

現在提到智慧城市，大家都會想到阿姆斯特丹、芝加哥，
未來希望國際也能透過「空氣盒子」想到台灣。

──中研院資訊所　陳伶志

延伸閱讀與參考資料

• 陳伶志的個人網頁
• LASS-開源公益環境感測網路
• PM2.5 開放資料：社群協同分析平台
• 自己的空氣品質自己量：談參與式環境感測的機會與挑戰
• 空氣盒子地圖
• 揪心安計畫

• 執行編輯｜林婷嫻    美術編輯｜張語辰