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來無影去無蹤的「看天池」——《意外的守護者》

左岸文化_96
・2018/05/17 ・2787字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

難以捉摸的「看天池」有什麼作用呢?

看天池(vernal pools)來來去去,出現之後又消失,這樣的一種自然景觀,其特性不僅在於物理性質,也有其獨特的時間性,通常僅維持幾週到幾個月的時間。隨著冬去春來,濕地被不流動的水淺淺地覆蓋,維持的時間長短不一,這些濕地一般都很小,面積不超過兩畝,沒有和其他水體相連。看天池是接收融化的雪水和春雨而成,經常完全為人類所忽略。

看天池。source:wikimedia

這可能就是安、喬伊絲、雷和我在那個四月的下午陷入困惑的原因。當時我們在紐約紅鉤鎮的法拉萊夫山玫瑰農場的一片草地上,試圖以眼睛和耳朵來尋找看天池存在的一些證據,儘管空拍圖中有顯示出其位置,但在現場卻完全看不出它存在的跡象。

儘管看天池難以辨認標記,但它對大地的影響卻相當明顯。這些池子所接收的水不是來自於流動的河流,因此當中不會有魚類棲身,這一點反而讓池子成了兩棲動物安全的繁殖場。不論是斑點鈍口螈以及北美林蛙這類相對常見的和分布廣泛的物種,還是稀有且受威脅的傑佛遜鈍口螈和雲斑鈍口螈。這當中的一切都是讓這個生態網絡正常運作的一個環節,也全都因為濕地面積縮減而造成這些生物的族群量日益下滑。

圖/pixnio

兩棲類會捕食大量的昆蟲,控制昆蟲族群的數量,這對人類健康有直接的影響:

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少了看天池,兩棲類就沒有繁衍的場地;沒有繁衍的場地,就沒有兩棲動物;沒有兩棲類,我們就等於失去控制昆蟲數量的天然防線,以及一小塊平衡自然的片段。

若要說看天池和那些大型的經常性水體之間有什麼實質上的區分,那就是看天池還提供小型哺乳動物、鳥類、兩棲類和爬蟲類一個休養生息的地方。這些小型物種也是食物鏈中一個非常重要的環節,每次進行長距離跋涉時,牠們都有可能落入大型森林動物的口中。

圖/flickr

看天池不僅是動物的棲身之所,同時也擔負比其他水體更為基本的功能:潔淨。

看天池土壤中的細菌有助於將水中的硝酸鹽轉化成氮氣,這些鹽類來自於一般用於草地的肥料,細菌將其轉化成氮氣,釋放到大氣中,減少對環境的危害。這批去硝化細菌讓看天池成了當地含水層的小型淨水廠,能夠在融雪、雨水和充滿污染物的洪水進入地下水層之前,加以過濾和淨化。看天池是高效的小型天然濾水中心,要是它們遭到破壞或完全消失,結果可能導致泛濫、供水減少、水源受到污染以及野生動物的棲息地喪失或減少。

看天池的存在與否、面積大小還有池中的生物都會影響到其在大自然中的功能,有些看天池依舊是良好的棲地,有些則日趨勢微,不再擔負相同的功能。在評估這些看天池的出現、面積和池中生物時,不免讓人反思,何以深度這麼淺、依季節來來去去又難以捉摸的自然景觀,竟然具有這樣的關鍵作用。

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看天池與公民科學

然而,地方政府很少有經費聘請環境顧問來進行這樣的狀態評估。大型濕地向來是基於聯邦法規來管理,看天池則是由地方政府和區域規劃部門來負責,但他們往往對看天池的存在和狀態一無所知。在紐約州,只有面積超過十二點四英畝(約五萬平方公尺)的濕地,而且當中棲息的生物在州政府制定的瀕危或受脅物種名單上,或是位於阿迪朗達克州立公園內,才會受到法規的保護。佔地小又是臨時存在的看天池基本上大多不受法律規範保護,相關的管理規範,就如同其自身一樣,虛無飄渺、毫無防備可言。

麥克.克萊門斯(Michael W. Klemens)致力於保育生物學。圖/ct.gov

為了解決這個問題,麥克.克萊門斯(Michael W. Klemens)和一九九七年成立的大都會保育聯盟、達奇斯郡的康乃爾合作推廣組織以及卡里生態系研究所聯合起來推動一項計劃,監測達奇斯郡的看天池。身兼兩棲爬蟲類學家又是研究和政策保育學者,克萊門斯在推動這項工作時所抱持的信念很簡單,他要與當地社群聯手合作,傳播科學研究和知識,透過這樣的途徑,制定出土地利用規劃政策。第一次和他接觸,是透過電話聯絡的,他形容自己「對揭發真相這檔事有興趣,」

他告訴我,從一九八○年代以來,他就和種種研究計劃中的志工團體合作,「這是一種道德感召。我對促使人產生作為的動機很感興趣。這樣看來,我到底算是倫理學家、科學家還是倡導者呢?我從一名研究科學家開始,到現在成為一個視野較為寬廣的人。身為一個人,我該做什麼呢?我要如何利用我的知識來打造一個更好的世界?其他人是如何改變自己的人生方向?一直以來,我都在思考這些問題。」

克萊門斯企圖把科學研究納入地方土地使用決策,他的努力並不僅侷限於志工培訓而已,還要讓地方居民對於他們所居住的地方產生一份理所當然的歸屬感,靠著這些,再加上與地方鄰里和地主之間已經建立起的關係,都對其研究計劃的推展大有助益;這些關係通常能讓研究人員進入私人土地,進行研究調查。「將公民放在適當的位置上,可以創造出我們所需要的變化,」幾個月後,我們再次碰面時他這樣說道:「他們可以在社群中激起小小的漣漪。」

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巴德學院一隅。圖/wikipedia

克萊門斯和他的工作人員選擇紅鉤鎮來進行看天池評估,乃是基於下列幾個原因:

鎮委會表達了對調查的支持,而且有可能在進行未來的市鎮規劃時,納入這些資訊。

紅鉤鎮是巴德學院所在地,環境運動在那裡深植人心,可提供為數不少的志工。在我們這組擔任志工協調的安,就是在巴德學院擔任開發經理和藝術教育協調員。其他的同伴還有喬伊絲.托馬塞利,她過去在IBM擔任業務發展和行銷經理,在二○○九年經濟衰退時丟了飯碗,她的鄰居雷.曼塞爾也一同前來。

計畫人員將紅鉤鎮分為四個象限,我們分配到的是東南區內的三個樣點。但才在第一個樣點,也就是法拉萊夫山玫瑰農場的調查站就遇到了問題。上星期過來調查的志工一直找不到此處的看天池,我們的狀況也好不到哪裡去。我們手上有一張列印出來的空拍圖,上頭以紅色剖面線標示出看天池的推測位置,沿著一處新建的蘋果園的邊緣,我們一路往南方走去,企圖尋找池子的蹤跡。但是我們只發現一團團的草叢、一大片灌木叢以及一排松樹。

 

 

本文摘自泛科學 2018 年 6 月選書《意外的守護者:公民科學的反思》,左岸文化出版。

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左岸文化_96
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左岸的出版旨趣側重歷史(文明史、政治史、戰爭史、人物史、物質史、醫療史、科學史)、政治時事(中國因素及其周邊,以及左岸專長的獨裁者)、社會學與人類學田野(大賣場、國會、工廠、清潔隊、農漁村、部落、精神病院,哪裡都可以去)、科學普通讀物(數學和演化生物學在這裡,心理諮商和精神分析也在這裡)。

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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

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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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