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開車不要玩手機!「駕駛者監控系統」以影像辨識偵測分心駕駛行為

車輛中心ARTC_96
・2018/11/21 ・1740字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 591 ・九年級

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  • 文/張銘方 ,財團法人車輛研究測試中心 研究發展處

多項調查報告指出,駕駛者分心與疲勞是造成車輛意外事故的重要原因。美國公路運輸安全管理局(National Highway Traffic Safety Adminstration, NHTSA)之統計資料研究指出,每年因為駕駛者分心與疲勞導致之交通事故保守估計至少約占整體交通事故的 10%;因此,NHTSA、歐盟均表示將制訂安裝駕駛者監視系統等規範。

其中,台灣與美國已有交通法規禁止行車中使用手持式行動電話等駕駛異常行為,以避免駕駛分心。相關規範如下表1所示:

圖/ARTC 提供

綜合上述規範分析,現行駕駛狀態監控的項次,主要分為:分心駕駛疲勞駕駛兩大部分。

其中分心駕駛部分,隨著手持式行動裝置普及,多限制駕駛操控車輛時,禁止使用手持式行動裝置進行撥接、通話或發簡訊等分心行為,以避免駕駛分心而造成危險發生。

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而在疲勞駕駛部分,目前車輛法規與標準裡皆尚未對駕駛疲勞明確定義,但交通法規裡已將「連續駕駛的時間」當作一個指標,規範駕駛人不得連續駕駛車輛超過一定的時數。

駕駛者監控系統介紹

車輛中心 (ARTC) 駕駛狀態監控系統係以數位訊號處理器為核心,接收攝影機並輔以紅外線投光器等感測元件,擷取車艙內駕駛人臉影像資訊,透過影像處理技術偵測駕駛面部特徵位置,並結合駕駛行為模型,估計駕駛者行駛行為特徵,判斷駕駛者開車之專注力,當系統判定為異常行為發生時,如分心駕駛、手機通話和吸菸等異常行為發生時,系統透過 GPIO(General-purpose input/output)以揚聲器發出警示聲;本系統亦能透過 CAN BUS 介面讀取車速、方向燈等車身訊號,以輔助判斷系統啟動時機,其系統架構如圖 1 所示。

駕駛異常行為監控系統架構。 圖/ARTC 提供

本系統關鍵技術為人臉偵測與臉部特徵辨識演算法、駕駛狀態解析演算法與嵌入式硬體設計技術等,系統判斷邏輯如圖 2 所示。

系統功能判斷邏輯示意。圖/ARTC 提供

分心駕駛行為偵測技術

本系統透過車室內的攝影機與紅外線光源裝置,擷取全天候(日/夜)駕駛面部影像,偵測駕駛人臉五官位置,進行辨識臉部注視方向的駕駛視野分析,並估算頭部(左、右)偏擺量,進而分析駕駛者的分心程度,當超越警示值時,則給予適當的警示,如圖3 所示,其辨識率可達 95% 以上。

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臉部偏轉角度示意圖,R_dist與L_dist為臉部邊界至鼻部的距離。圖/ARTC 提供

違規駕駛行為偵測技術

異常行為偵測演算法主要目的為偵測駕駛者打手機與吸菸狀態,而本系統藉由臉部特徵判斷偏擺角度,角度過大時,其為危險駕駛,角度於容許範圍時,亦同時進行異常行為偵測-打手機與抽菸狀態,打手機行為與吸菸行為辨識係參考前述所得人臉五官位置,並透過臉部邊界與人臉五官之幾何關係,取得打手機與吸菸偵測特徵區域搜尋,其偵測方法以分類器演算法進行比對與估測,辨識率可達 90%以上,系統作動警示如圖4所示。

駕駛異常行為作動警示。圖/ARTC 提供

將出現更廣泛運用的駕駛者監控系統

駕駛者監控系統以影像辨識技術為基礎,偵測駕駛人臉五官位置與建置違規駕駛行為模型,以進行駕駛者異常行為偵測,藉由比對資料庫模型而判定行為是否發生,並適時地提出警告;目前駕駛者監控系統可應用於商用車隊駕駛、職業司機安全管理系統,未來隨著法規上路,以及消費者對於行車安全更加注重,預期該系統的成長率與市場規模將會持續成長,如圖 5 所示。

ADAS Submarket Grows Fastest from 2015-2025。圖/Visiongain

駕駛者監控系統為一整合型之系統,除了兼具駕駛狀態監控功能外,未來亦可結合其他安全警示系統(前方碰撞警示、車道偏移系統等),應用影像處理核心平台,推出具多功能之系列產品。

本文出自財團法人車輛研究測試中心原文於此,如需轉載,歡迎與車輛中心聯繫。

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車輛中心ARTC_96
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財團法人車輛研究測試中心 (ARTC),江湖俗稱車測中心,但更希望大家能稱呼我們為「車輛中心」,因為我們不只做測試,我們也做創新研發;我們是由一群對車輛有著專業知識與熱情的工程師所組成,期望透過泛科學這個平台與大家分享各種車輛知識,讓大家更懂車。

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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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盤點全球生活條件——我們需要多少能量,才能讓所有人過上體面的生活?
安比西林_96
・2021/10/01 ・2933字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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每天煩惱三餐要吃什麽、出門要怎麽穿、回家後有沒有舒適的被窩可以鑽,應該是我們大部分人的日常。然而,在社會的某些角落,「貧窮」卻可能讓人連基本生理需求都難以滿足。

要消除貧窮,免不了增加資源消耗,但全球暖化危機當前,人類又不得不展開節能減碳的行動。面對「對抗貧窮和調適氣候變遷,兩者是否相互衝突」的疑問,科學家們提出了一個直指核心的問題:我們需要多少能量,才能讓所有人過上體面的生活?

打造放諸四海皆準的人類基本福祉指標!

為了解答這個大哉問,來自國際應用系統分析研究所(IIASA)的研究者們,提出了一個新的指標——「體面生活標準」(Decent Living Standards,DLS )。它源自於基本人權與公平正義的普世理念,定義為任何人都應享有的一系列基礎物質與社會滿足要件;不論你出身何處、對好的生活有何想法,或擁有什麽訴求

這些基礎條件,可以分為五大面向:營養(Nutrient)、庇護所(Shelter)、健康(Health)、社會互動(Socialization)及可移動性(Mobility)。在食衣住行方面,除了三餐溫飽及空間大小充裕的住處外,DLS 更貼心地考慮生活的細緻之處,例如乾淨的衛浴、可以烹飪、保存食物的基礎家電,以及高緯度地區在冬、夏兩季不可或缺的溫控設備等等。DLS 也不止步於基本物質需求,更涵括一個健全生活的人應享有的醫療服務、義務教育,使用基本通訊和交通設施,以及進行社交聯繫和政治參與的權利。

「體面生活標準」所列出的指標。圖/參考資料 2

逐項列出統一化的 DLS 各面向的要求後,研究者們會根據不同國情,例如氣候、都市化程度、文化及科技經濟結構的程度,去計算各國達成這些基準的閾值能量。除了國與國的差異,在計算上,也會納入在地的城鄉差距。

舉例來説,訂定了擁有足夠空間和熱舒適的房屋通用標準後,研究者會把它換算成各地所用的不同建材,及建設與維持各類民生服務的基礎設施(如水電廠、運輸系統等)所需耗費的能量。有了 DLS 的理想標竿值,再與每個國家目前用於實現 DLS 的能源進行比較,就可估算出填補 DLS 缺口所需的能源需求。

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為什麼要以「能量」衡量生活標準?

過去,我們總是以滿足生活標準的最低收入,來制定貧窮線的水平。但 DLS 作為最低限度理想生活的基準,採用的是計算能源消耗量(energy consumption)常用的單位,即千兆焦耳(Gigajoule,GJ)或十萬億焦耳(Exajoule,EJ)。一般國家的能源消耗量,都與基礎建設有關,大部分來自化學燃料的燃燒,以及水力發電、核電、風力發電、太陽能發電等。

值得注意的是,DLS 分析結果顯示,無法過上體面生活的人,數量遠比處在貧窮線底下的人來得多!這說明:現有衡量貧富的指標,跟實際情況是脫節的。以金錢收入作為生活水平的衡量單位,是預設個人能透過消費,去換取相應的生活品質。但現實中,有一大部分的人,即使收入高於貧窮門檻,現今社會所投入建設的能源,卻未必足以讓他們過上體面的生活。

因此比起以金錢為單位,DLS 由下而上(bottom-up)去推算建設和維持基本物質需求所耗費能量的模式,也許更適合作為反映人類生活品質的指標。以消耗能量為單位的 DLS 不只有物質條件,也納入社會層面的需求,因此可以為政策制定者在思考資源規劃時,提供更直接、全面的參考。

世界並不公平,尤其在所需耗費的能量上

上方柱狀圖中表示的是各區域平均人口與 DLS 之間的差距,空白間隙及其上數值越大,表示距離達至 DLS 的缺口越大。而下方光譜顯示由 0 至 1 表示體面生活至缺乏體面生活的量度,顔色越深則表示越沒有體面的生活。圖/參考資料 1

搭配各國戶口統計調查、世界銀行(World Bank)發展指標等數據,研究者推算出世界各國在不同面向上與 DLS 的差距。結果顯示,北半球的北美與歐洲,大部分人民都過著與 DLS 相距不遠的生活。然而,南方卻呈現截然不同的境況。

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在撒哈拉以南的非洲國家,有超過 60% 的人口在居家、溫控、衛浴與飲用水設施上,都相當匱乏。部分南亞與太平洋地區也面臨類似困境,尤其缺少乾淨的保暖與烹飪設施。這與他們使用的傳統生質能源帶來的不良健康影響有關。此外,部分亞洲、中東、拉丁美洲地區,也存在不便取得飲用水和保暖設施等等的缺口。

那麽,要投入資源做新建設,弭平當今與未來人口與 DLS 之間的距離,我們還需要多少能量呢?研究者設定情境估算,在 2040 年前,我們總共需要 290 EJ 的累積能量——大概是如今全世界每年所消耗能量的四分之三!是的,當今世界平均所消耗的能量,其實早已超過滿足每個人 DLS 的額度。在提升生活標準的耗能中,有大半會是拿來打造適宜的居所,四分之一用以建設以公共交通為主的交通設施,而改善健康營養所需的能量,會比推動社會互動來得少。

上圖顯示 2015 年至 2040 年間,全球用以投入建設以達到 DLS 所需的累積能量。不同顏色的區塊代表不同 DLS 的面向,而區塊大小則表示其所占總能量的比例。圖/參考資料 1

如果我們能成功在 2040 年時,讓所有人都達到 DLS,那在 2050 年時達到體面生活,最終需要年均 156 EJ 的能量,其中 108 EJ 會是供南方世界所用。到時候,人類生活的耗能大抵都會用在移動、通勤上,其次是維持健康及居住品質,而投入在維持社會互動所需的能量所占比例最低。

2050 年時,用以支持全球人口達到 DLS 所需的年均能量。圖/Kikstra, et al. (2021)

另一個研究的重要發現是,由於各地的氣候、文化和交通管道不同,即使在同一套 DLS 下,有些地區就是會比其他地區耗費更多能量,才能達到相同的基準,這個能量差異甚至可達 4 倍!例如,高緯度國家會需要耗費更多能量,來維持相同舒適的室内溫度;同樣的通勤距離,公共交通覆蓋率高的國家不需太多能量就能完成,但在個人擁車率高的地區,就會產生更多耗能。

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結論:消除貧窮與對抗氣候變遷不衝突

總體而言,DLS 的研究結果,在貧富懸殊與氣候正義議題上提供了新的視野,告訴我們:投入消除貧窮的能量,並不會對調適氣候變遷的行動產生威脅。現今人類社會所產生的能量,其實大都挹注在讓原本就充裕的生活更好,而非幫助仍在體面生活基準下的人。因此,各國如何在經濟成長與耗能規劃上取捨,找出更公正、有效率的資源重分配方式,才是關鍵解決之道。

  1. Decent living gaps and energy needs around the world
  2. Decent Living Standards: Material Prerequisites for Human Wellbeing
  3. Energy requirements for decent living in India, Brazil and South Africa
  4. 让全球老百姓过上体面生活不会拖累气候减排目标
  5. How much energy do we need to achieve a decent life for all?
  6. 維基百科:貧窮門檻
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安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)

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過去的瘟疫大流行是怎麼發生的?有些竟然是流行性感冒!——《大流感:致命的瘟疫史》
臺灣商務印書館
・2021/01/21 ・3320字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

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瘟疫大流行的發生——抗原突變

瘟疫大流行只有當血凝素和神經氨酸突觸兩者之一,或是同時,發生重大改變時發生。當全新的基因組合代替舊基因時,新抗原的形狀會和舊抗原有相當大差異。這叫作「抗原突變」 (antigen shift) 。

再用足球員的球衣來比喻,抗原突變相當於球員把綠衣白褲換成橘衣黑褲。抗原突變發生時,免疫系統根本不能辨認新抗原。全世界極少有人具有對抗這種抗原的抗體,所以病毒可以用爆炸性的速度橫掃人類社會。

抗原突變後,免疫系統不能辨認新抗原,病毒便可橫掃人類社會。圖/pixy.org

血凝素有十五種基本型,神經氨酸有九種,它們有不同的組合方式,加上一些亞型。病毒學家用這些抗原組合來區分研究中的特定病毒,例如 H1N1 病毒是一九一八年流行的病毒,現在仍存在豬隻身上。H3N2 則是今天在人類身上流行的病毒。

病毒突變是怎麼回事?基因怎麼重組?

病毒突變是當一向只感染鳥類的病毒轉而直接或間接攻擊人類時發生。自一九九七年起,H5N1 和 H7N9 兩種禽類病毒直接感染了兩千三百人,超過一千人死亡,宛如另一場類似一九一八年的大流行。

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鳥類和人類的唾液酸受體不同,所以能和鳥類細胞受體結合的病毒通常不會和人類細胞結合,也就不會感染人類。香港十八個被感染的人可能是暴露在大量病毒之下,這些病毒突變群裡可能含有能與人類受體結合的突變種,而大量接觸的情況下使得變種病毒得以在人體內建立據點而發病。幸虧這些病毒並沒有演化為人類病毒,那次所有的患者都是直接被家禽傳染的。

病毒突變是當一向只感染鳥類的病毒轉而直接或間接攻擊人類時發生。圖/Alltech

動物病毒跳上人體之後,只要一點簡單的突變就可以轉變成人類病毒。這過程也可以間接發生,因為感冒病毒最後一個不凡的特性就是可以在物種之間適應轉移。

感冒病毒不僅突變快速,它的基因組成還是成段分開的。就是說它的基因組不像大多數有機體或其他病毒一樣沿著核酸串在一起,而是存在不連貫的 RNA 上。所以當兩種不同病毒侵入同一個細胞時,它們的基因組就很可能混合重組。

重組會讓一個病毒的基因和另一個混在一起,好比把兩種不同花色的撲克牌洗在一塊,然後出現一疊含有兩種花色的牌。這就產生一種全新的病毒,讓它有機會從一個物種跳到另一個物種上。

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基因重組就像把不同花色的撲克牌洗在一起,出現一疊有兩種花色的牌。圖/Nhu Tran

香港禽流感中,如果有個人同時感染兩種病毒,這兩種病毒就有機會重組它們的基因,產生能容易在人類流傳的新病毒品種,而致命的病毒就這樣變成人類病毒。

病毒也可以經由中介者間接變成適合的。有病毒學家提出,對病毒來說豬是最佳的仲介,因為豬細胞的唾液酸受體能同時與鳥類和人類的病毒結合。當鳥類病毒和人類病毒同時感染同一頭豬時,病毒重組就可能發生,全新的病毒便可能現身人間。

一九一八年時獸醫曾提到豬和其他動物發生流行性感冒;而今天的豬感冒病毒也是一九一八的感冒病毒的直系後代。但我們並不清楚人和豬之間究竟是誰先把感冒傳給誰的。

紐約西奈山醫學中心的彼得.巴利斯 (Peter Palese) 醫師是世界感冒病毒權威,認為病毒基因重組的理論[1]可以解釋病原突變的現象:「⋯⋯另一個可能性是鳥類病毒和人類病毒同時感染肺部細胞,給了病毒升級的機會⋯⋯不管是豬肺或人肺,沒理由說這種混合不可能發生。沒有絕對證據說這兩個物種沒有共同的唾液酸受體,也不能保證鳥類的受體和人類真的不同。只要有一個胺基酸的突變,病毒就可以很容易找到另一個宿主。」

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有些過去的瘟疫竟然是流行性感冒?

因為病原突變而造成的大規模瘟疫在人類交通還沒有像今天一樣繁忙之前就發生過了。大多數醫史學家從疾病傳播的速度和感染人數推斷,十五、十六世紀歷史上發生的幾次瘟疫都是流行性感冒,但還是有分歧的看法。一五一○年非洲傳來瘟疫肺炎「立刻狂掃歐洲,不放過每個家庭的每一個人。」

一五八○年又有一次疫病從亞洲傳來,到了非洲、歐洲,再到美洲。它的威力大得「六星期內折磨幾乎全歐每個國家,不到二十分之一的人得以倖免。」在西班牙有些城市「人口幾乎完全被滅絕。」

有些過去的瘟疫則無疑是流行性感冒。一六八八英國光榮革命那年,流感襲擊英國、愛爾蘭、新大陸的維吉尼亞州,這些地方記載著:「⋯⋯人們死去⋯⋯像在鼠疫中⋯⋯」五年之後,感冒又掃過歐洲:「各種狀況的人都被感染⋯⋯強健的人和衰弱的人一樣倒下⋯⋯不分老幼。」

1665 年倫敦大瘟疫期間的一條街道上,有一輛死亡推車和送葬者。圖/Wikimedia common

一六九九年的麻州,科頓.馬瑟 (Cotton Mather) 寫道:「病魔幾乎侵入所有家庭,極少人逃過。在波士頓死亡特別多,而且有人死得很怪異。有些家庭全家生病,有些地方全鎮都病倒,真是個疾病的時代。」

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歐洲在十八世紀至少被三次,可能多達六次瘟疫襲擊,十九世紀至少有四次。一八四七年和一八四八年這兩年倫敦死於感冒的人數超過一八三二年霍亂流行的時候。一八八九和一八九○年又一次世界性大流行,不過不如一九一八年猛烈。二十世紀有三次來襲,每次都是由抗原突變引起,不是血凝素就是神經氨酸,或是兩者同時大幅變化,或是其他基因組異動造成的緣故。

流行性感冒通常感染百分之十五到四十的人口。任何感冒病毒感染那麼多人,又造成相當比例的死亡率,的確是超乎想象的恐怖。近年來公共衛生當局發現至少兩起新病毒感染人類,而在它突變成為人類病毒之前就先作了防堵措施。一九九七年香港的禽流感在十八個病例中有六人死亡。

那次為了防止家禽病毒變成人類病毒,當局將香港所有的一百二十萬隻雞全部撲殺。不過這麼做還是沒有徹底消滅 H5N1 病毒,它仍留在家禽身上,而在二○○三年又感染兩個人,造成一人死亡。這種特殊病毒的疫苗已經研發出來,但是並沒有大量製造。

這種特殊病毒的疫苗已研發出來,但沒有大量製造。圖/Wikimedia common

二○○三年春天當一種新的 H7N7 病毒在荷蘭、比利時、和德國的家禽農場出現時,造成更大規模的撲殺。那次病毒感染了八十三個人,其中一人死亡,並且傳染到豬隻身上。當局撲殺了將近三千萬隻家禽和一些豬。

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到了二○○四年,從未真正消失的 H5N1 以復仇之姿再次回歸。它在五年內感染了全世界約四千人,並奪去其中約百分之六十的人性命。它造成、且很有可能再度造成另一場大流行。為了防堵這個病毒,估計共有上億隻家禽被撲殺,但世界各地仍出現地方性的疫情。

執行這種昂貴又恐怖屠殺的原因是為了不讓一九一八年的故事重演。這麼做是為了要防止病毒突變,荼毒人間。在此同時,二○○九年突如其來,從感染過鳥、豬及人類的病毒中基因重組的一種病毒,也造成了另一次大流行。

註解

  1. 二○○一年澳大利亞科學家馬克.吉伯斯 (Mark Gibbs) 提出理論說,感冒病毒也可以自己重組基因,就是說把一段基因拿下來接到另一個基因上。好像把兩疊牌切碎,把碎牌隨便黏在一起,然後任意撿起五十二張新牌成為一套。這種重組在實驗室中曾經被證明,但大部分病毒學家還是對這種說法持疑。
——本文摘自《大流感:致命的瘟疫史》,台灣商務出版,2020 年 10 月5日。
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臺灣商務印書館
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1897年於上海成立,由出身印刷業的夏瑞芳等四位先生創辦,原意只做印刷商業文件的生意,故以「商務」為名。1948 年臺北分館開業,隔年商務臺灣分館改名為「臺灣商務印書館」,開始獨立經營。商務印書館的靈魂人物王雲五先生,於 1921 入館擔任編譯所所長至 1929 年,1930 年受邀回館任總經理至 1946 年;王雲五先生 1951 年自香港抵臺定居,以股東資格對臺灣商務印書館提供業務諮詢;1964 年由王雲五先生擔任董事長,直到 1979 年,對於商務印書館能夠成為當今華文世界最早的現代出版社,有著畫時代的意義。 商務印書館出版超過萬種好書,既有經典叢書如萬有文庫、人人文庫、古籍今註今譯等,近年更開創新系列叢書,包括 OPEN、Ciel、新萬有文庫、VOICE、U 小說、Alinea 等,極獲好評,為臺灣出版界重要的老字號出版社之一。