大驚訝！NASA IBEX探測器在太陽系外緣並沒找到弓形衝擊波

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！

為什麼要研究「風力發電」與「氣候」的關係？

台灣擁有得天獨厚的風力資源，但要把風力運用於生產能源，「可預測性」是極其重要的條件。中研院應科中心郭志禹副研究員，將氣象預報所使用的 WRF 模型，比對在風場實際測得的天候數據，再把得到的結果應用於風力發電的效能預測上。對於能源政策的擬定、資源配置、機械設備維運時程安排等，都提供非常重要的參考。

風是什麼顏色？迪士尼電影《風中奇緣》裡的寶嘉康蒂公主，問了這個難解的問題。但對郭志禹來說，這問題一點也不難。

風，是綠色的。

唯有抓得住風，綠電發展才有著落

人類利用風力的歷史非常悠久，從文藝復興時代就開始了。到了 1970 年代，北歐掀起了一股研發再生能源的熱潮，開始使用幾十層樓高的大風車，從看不見的風中，攫取能源。

台灣海峽的兩側，就是目前全球最佳的風場之一，此處的冬季季風，堪稱世界上名列前茅的優質風力資源，讓風力成為台灣擁有的穩定再生能源，僅次於水力、更勝太陽能。有如此出色的風能條件，需要有好的學術研究來輔助。

以往，台灣綠能產業界關注的是如何製造效率更好的發電設備，然後外銷獲利。但既然台灣訂下了廢核的長期目標，又要同時減少碳排放，再生能源這個領域，就需要轉個彎，從「使用者」的角度來思考問題。

對風力發電的「使用者」來說，最重要的，就是風力的「可預測性」。

這就是郭志禹研究最初的問題意識。透過風力，今天可以發多少電？明天、後天、下週又是多少？這攸關如何調配各種發電方式的基載配置，是使用者必須知道的答案。為了解答這些問題，郭志禹沒有氣象學的背景，卻一頭埋進了天氣的預測模型裡面。

看天吃飯也要靠傢伙，WRF 為你掌握局部地區天氣

風力發電可以算是一門「看天吃飯」的生意，要懂得「看天」，氣象預報就是一門必修學分。 WRF 模式（The Weather Research and Forecasting Model），是由美國數個科研機構在 2000 年開發成功、氣象學界用來預測「局部地區」天候狀況的模型。郭志禹的研究團隊，也是採用這套模型做為研究基礎，並且選定風力條件極佳的彰化沿海「福海電場」作為研究場域。

彰濱一帶，整個冬天都吹著強勁的東北季風，平均風速可以達到每秒 12 公尺以上（相當於六級風），這是福海雀屏中選成為研究場域的原因之一；另一個原因，則是郭志禹研究團隊和經營此地風場的永傳能源公司，有十分愉快的合作研究經驗。永傳在此架設的測風塔，提供了很珍貴的研究數據。

「雖然測風塔是很傳統的工具，但那些頂尖科技，不管是衛星影像、雷達回波等等，還是需要它的數據來進行校準，是非常重要的設備。」郭志禹形容著科技「反璞歸真」那一面。

於是，在把 WRF 的模擬資料和場域的真實數據比對之後，郭志禹的團隊發現，兩者相當吻合，足見 WRF 模型對於福海風場一帶的氣候狀況，有不錯的預測能力。

到底是誰扯後腿？原來是斷不開的「尾流」

在掌握 WRF 模式的預測能力之後，郭志禹團隊的挑戰才正要開始。台灣的風力資源固然全球數一數二，但面積上卻不如北歐的北海風場那樣遼闊。因此，「地狹機稠」成了在地風場的特殊現象。可能每隔 10 公里就有一處風場，讓台灣海峽像是風場的集合住宅，空間一擁擠，鄰居之間難免容易有糾紛。

風場與風場之間，會不會相互干擾影響呢？這是郭志禹企圖解答的下一個問題。「尾流」，就是這個問題中的關鍵因素。

三十層樓高的風機，轉動著巨大的葉片，就好像是矗立在海中的一支支巨大打蛋器，雖然不至於把大氣攪成一鍋蛋花湯，但的確會改變風場中大氣的混合機制，連帶對於水氣凝結、降水的分布，以及熱傳導的物理系統，都會造成影響。

「尾流」對於風力發電影響最鉅的，就是減弱風速。

風機的扇葉從空氣中汲取了動能，那風的速度自然會隨之下降，下降的程度，會隨著距離慢慢遞減。郭志禹的研究團隊，分析大量的數據之後發現，風通過風機之後，風速下降超過 1 公尺（每秒）的區域，面積竟然廣達 100 平方公里左右。

速度下降 1 公尺（每秒），有那麼嚴重嗎？別小看這 1 公尺，請看這張圖表：

從圖中曲線可以發現，風速大約在 12（m/s）以上時，可以進入最佳的發電效率。彰濱一帶的季風平均風速，正好就落在這個區間。然而，若風速受上游風場影響稍稍下降，來到 9～10（m/s）左右，發電效率衰退會非常明顯。在這個範圍裡，差 1 公尺，即可能造成二到三成發電效率損失。

再加上前面提及的，台灣風場如此密集，上風處的第一台風機，可以當頭好壯壯的領頭羊，下風處的第二台就沒那麼好運，第三台、第四台……尾流效應依序疊加，最後會產生巨大的影響。除了發電效率之外，尾流導致忽快忽慢的風速，也會減損下游風機的使用壽命，連維運成本和時程都要重新估計。

郭志禹團隊的這個發現，對風力發電產業來說彌足珍貴。未來將可以據此，把天候及尾流因素納入考慮，提出更佳的規劃，甚至建立精準的預測模型。

「就像漁民看電視會看漁業氣象，我們要做的就是風力發電產業可以看的『風電氣象』！」郭志禹笑著說。

台灣風電失落的一角：跨領域的合作發展

話鋒一轉，郭志禹提到了自己在學術之外的興趣，是潛水。國內外許多海底勝景，都是他探訪的目標。在幾次潛水的過程中，他看到了海底的沉船、或是人工魚礁，裡面豐富的海洋生態，讓他印象深刻。

從那時起他就深信，「人為改變」並不一定會對於環境產生傷害，重要的是人類要在與環境的共存方式之中，取得「環境保護」和「經濟開發」的平衡。環評，只是起點，後續對於環境的監測更重要。講到這，郭志禹對於當前的風力發電政策規劃，提出了重要的意見：

台灣要發展風力發電產業，真正關鍵的該是土木營建與海洋工程技術。

此言一出，讓採訪的我們有些意外，畢竟土木並不是他的學術領域，跟這份研究的問題意識與成果也並不相關。

但郭志禹表示，在外海架設風機，風場地質會影響風機基礎。彰濱海底的沉積地質太過鬆軟，對於常常會因風向而「側向受力」的風機來說十分不利，風力從迎風面不斷推拔風機。要克服這個因素以及在離岸環境下施工，土木營建與海洋工程技術才是關鍵。

郭志禹認為，外國的風機相關機電與系統整合科技領先台灣許多，與其競逐利潤日低的風機製造外銷的產業模式，不如正視利用在地的優勢，強化風機基礎與支撐結構設計與工法，累積具參考價值的珍貴數據資料，再拿來和外國進行技術交流。

這一段，雖然不屬於他的直接研究範疇，但述說時，郭志禹表情中蘊含的積極熱切仍未絲毫減少。或許是因為對他來說，做研究從來就不只是做研究。怎麼幫助這塊土地、這個世界更好，才是他心中不曾動搖的想望。

延伸閱讀：

• 郭志禹的個人網頁
• 郭志禹 (2017 年 1 月 13 日) 。 An Application of the Weather Prediction Model in Wind Farm Development, 2016 【演講資料】。

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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位