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高速公路何時何地塞最大?多的是,ETC數據知道的事!

活躍星系核_96
・2017/09/19 ・3301字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

文 / Louis|畢業於台大土木所交通組,高考交通技術及格,交通工程技師及格

source:BY WiNG @ Wikimedia commons

在《塞車:看不見的時間小偷》一文中,我們已經討論過交通壅塞的基本觀念,本文將用實際數據來描繪交通壅塞的情形。另外,在交通管理的工作中,會使用一些圖形工具來觀察時間、空間以及交通量之間的關係,這些工具相當直覺易懂,也將於本文中一併介紹。

那我們就開始囉!

所以說那個「交通車流數據」呢?

source: Wikimedia

自 2014 年起高速公路改採計程電子收費,除使車流更順暢外,其附加價值是產生大量的交通資料,供政府單位交通管理、學術單位研究或是民間介接使用。有關高速公路局交通資料蒐集支援系統(Traffic Data Collection System,TDCS)所提供之交通資料,可至交通資料庫或是政府資料開放平臺免費下載使用。

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順帶一提,為能妥適應用由 ETC 所蒐集的交通資料,高速公路局透過創意競賽的手段並結合民間共同參與,以期激盪出 ETC 資料在交通管理之創意發想與應用。目前該競賽正舉辦第三屆,主題為「資料視覺化應用」,歡迎對交通科學或是資料科學有興趣的讀者朋友可以嘗試挑戰。

目前所有縱向高速公路佈設的 ETC 偵測站超過 300 座,且高速公路車輛使用 ETC 的比率達 92%,所蒐集之交通資料相當綿密,並有很好的品質,相當適合用來進行資料探勘。而本文所有數據、圖形也皆是以ETC交通資料分析繪製。

塞車,總是在不斷地重現歷史?

由於高速公路肩負中長程運輸的重要任務,根據經驗,整體而言高速公路最壅塞的時間會發生在連續假期第一天的南下方向。圖一是以今年 228 連續假期第 1 日(106 年 2 月 25日)國道 1 號南下方向的資料繪製,橫軸編號代表國道 1 號由北至南各路段,縱軸代表的是時間(0-24時),而每一個格子的顏色深淺,代表該路段-時段的平均速率,顏色越深代表速率越低,這張圖我們稱之為「時空圖」。

我們在此將高速公路交通壅塞的發生,定義為速率低於每小時 40 公里以下且持續超過 2 個小時以上的路段。藉由圖一的觀察,106 年 2 月 25 日首先發生壅塞現象為湖口-竹北路段(橫軸編號 24),時間大致從早上 7 點開始,下午 5 點結束。

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圖一、106 年 2 月 25 日國道 1 號南下時空圖。圖/作者提供。

回顧一下去年228連續假期第 1 日(105 年 2 月 25 日,如圖二)以及今年一般假日星期六(106 年 2 月 18日,如圖三)國道 1 號南下的交通情形。可以發現,今年 228 連續假期第 1 日的車流狀況與去年 228 第 1 日較為相似,而與一般假日(如星期六)有很大的差異。我們可以知道,時間絕對是分析交通壅塞現象的重要變數,而交通壅塞現象仍是不斷的重現。

圖二、105 年 2 月 27 日國道 1 號南下時空圖。圖/作者提供。
圖三、106 年 2 月 18 日國道 1 號南下時空圖。圖/作者提供。

塞車發生的又快又急:交通量與速率的關係

為方便分析,以下分析交通量,均先將 5 分鐘交通量換算成 1 小時的流率。既然壅塞是由湖口-竹北路段開始發生,便進一步針對該路段做分析。圖四為 106 年 2 月 25 日每 5 分鐘的平均速率與交通量(5 分鐘交通量換算成 1 小時)所繪之雙軸圖,從上午 6 時 40 分(虛線部份)平均速率開始快速下降,不到 60 分鐘的時間便由時速 94 公里降至低於 40 公里,隨後則是長達 5 小時的低速率。而在 6 點 40 分至 7 時 20 分之間,路段卻維持相當大的交通量(5,500~6,000 輛)。

圖四、106 年 2 月 25 日湖口-竹北路段每 5 分鐘速率。圖/作者提供。

若將前述資料以散佈圖呈現,橫軸為交通量,縱軸為平均速率,其分佈會近似於二次式線型(如圖五)。我們將 6 點 40 分至 7 點 20 分之間的樣本特別以紅色標記,可以發現這些樣本約略是線型的極值,也就是該路段經常能夠通過的最大交通量,又稱之為「容量」。

若路段交通量能夠一直接近容量,將會達到相當大的效率。但事與願違,交通量接近容量時,路段上的車間距已經達到臨界值,其狀況相當不穩定,一點擾動就會造成壅塞開始發生,因此無法長時間的維持,相關內容請參閱前文《塞車:看不見的時間小偷》。

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圖五、106 年 2 月 25 日湖口-竹北路段交通量-速率流圖。圖/作者提供。

是哪裡來的車被塞在路上?

車輛被塞在路上的同時,本身也是塞車的成因,這便是所謂的外部成本。以下分析關鍵的 106 年 2 月 25 日 6 點 40 分至 7 點 20 分通過湖口-竹北路段交通量的組成,究竟這些車輛是從哪裡來,往哪裡去,並且是從何時出發的呢?

圖六橫軸代表車輛由該縣市進入高速公路(起點),縱軸代表車輛離開高速公路(迄點),方格顏色代表旅次數量(起點至迄點的車輛數),顏色越深代表旅次數量越多,這張圖在交通管理的應用中,稱為「旅次起迄表」(O-D table)。由圖六可以知道,最多的旅次為桃園市至台中市(11%),其次為新北市至台中市(7%),再來則是新竹縣至新竹市及新竹縣縣內旅次(5.3%、5.1%)。

圖六、旅次起迄表。圖/作者提供。

圖七橫軸代表車輛由該縣市進入高速公路(僅列旅次數量前 3 名,新北市、桃園市及新竹縣),縱軸為車輛進入高速公路的時間,格子顏色越深代表旅次數量越多。我們藉此觀察早上 6 點 40 分至 7 點 20 通過湖口-竹北路段的車輛進入高速公路的時間。從新北市進入高速公路的時間集中分佈於6:00–6:40、桃園市分佈於6:15–7:00,新竹縣分佈於6:30–7:15。

圖七、起點縣市與出發時間。圖/作者提供。

若將觀察維度由縣市更進一步至交流道,最多車輛由五股交流道(13.7%)進入,第 2 名為湖口交流道(13.6%),第 3 名為機場系統交流道(9.6%),第 4 名為林口交流道(7.8%),第 5 名為桃園交流道(7.6%)。圖八為所有交流道做為旅次起點的排名(由大至小)。

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圖八、旅次起點交流道排名。圖/作者提供。

圖九橫軸為車輛進入高速公路交流道的前 5 名(五股、林口、桃園、機場系統、湖口),縱軸為車輛進入高速公路的時間,車輛由五股交流道進入高速公路的時間集中分佈於 6:05–6:40,林口交流道分佈於 6:10-6:50,桃園交流道分佈於 6:15–6:50,機場系統交流道分佈於6:20–6:55。

圖九、起點與進入高速公路的時間。圖/作者提供。

想要阻止塞車,還需要多少努力?

ETC 交通資料是根據車輛通過偵測站而蒐集,通過單一門架可以蒐集到交通量資料;通過相鄰兩門架可以蒐集路段的平均旅行時間、平均旅行速率;通過多個偵測站集到旅次資料,如車輛的起迄點、起迄時間、旅次長度等。本文以 106 年 2 月 25 日的 ETC歷史交通資料分析壅塞路段、時間以及路段容量,亦介紹了一些交通管理應用上的圖形工具。

在《塞車:看不見的時間小偷》一文中探討了交通壅塞的發生以及一些基本車流知識,我們可以知道當路段交通量接近容量時,也亦謂著壅塞即將發生。

既然路段的交通壅塞現象可能不斷重現,我們是否可以利用歷史資料的分析,改善現有的交通控制策略,並於路段交通量接近容量時,適時的於上游匝道減少車輛進入,阻止壅塞現象的發生?

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圖八/BY Wpcpey@ Wikimeidia commons

「匝道儀控」係藉由號誌管制匝道車輛進入高速公路,目標是在不影響高速公路主線交通的前提下,使匝道通過最多的車輛,以緩和交通壅塞並紓解平面道路。我國於民國 87 年  8月 1 日開始實施,目前已經有許多關於「匝道儀控」的研究,但是在過去的研究中,資料來源多是根據單點偵測的交通資料。理論上從 ETC 交通資料中取得車輛旅次起點及進入高速公路的時間,將可以更有效的分配壅塞路段上游匝進入的車輛。

在理想的情況下,我們可以透過 ETC 所蒐集的交通資料,進行科學化的分析精進匝道儀控的實施,但是在實際上該如何執行,以及執行上可能面臨的一些問題,我們將在未來的文章中再繼續探討。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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