拒絕疲勞駕駛：HARKEN計劃

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！

• 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：

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

你累了嗎？眼皮覺得越來越重，前面的路好像越來越模糊…… 疲勞駕駛可說是行車安全最大的毒藥，為了減少因疲勞引發的車禍事故，一項歐洲的HARKEN計劃，希望可以即時偵測駕駛人的身體狀況，在勞累症狀出現前，事先警告駕駛，預防意外發生。

在2012年，美國與歐盟分別有33561人和28100人死於道路意外[1,2]，而車禍意外中約有8.3％的比例是來自疲勞駕駛[3](此比例並非2012年之數據，僅作參考)。HARKEN計劃對此提出了解決方案：在車上裝配駕駛偵測系統，它可以即時掌握駕駛人的心跳、呼吸與代謝狀況，在疲勞顯現的初期，這幾項指標便會產生變化，使系統感知進而提出警告；最主要的特色，就是可以在疲勞引發打哈欠、眼皮重等強烈生理症狀前就產生反應，避免導致進一步的行車危險。

HARKEN系統包含兩部分：裝設在座椅、安全帶上的偵測器，和負責即時訊息處理的計算中心；偵測器可以有效過濾背景雜訊，像是車子造成的震動、或是駕駛人的移動等等，達到有效監控心跳呼吸的目的。目前，該系統已進入封閉路線的實測階段，並希望在近期內開始實際道路測試。

其實，許多高階車款在最近都開始投入駕駛偵測系統，像是Lexus、Mercedes-Benz、BMW等等都有類似於HARKEN的設計；有的是利用攝影機直接觀測駕駛人的疲勞情形，有的是藉由駕駛的穩定度來判定使用者的精神狀況，或者，也可以即時監控駕駛者的血糖濃度，甚至是把車輛設計成能在心臟病發作時自動停止。

不論車輛性能再好，駕駛的依舊是人，對於駕駛人身心狀態的掌握，勢必會是一項新趨勢，成為行車安全的新配備。

延伸閱讀：

• 人腦可以戰勝疲勞嗎？
• 運用科技來預防「致命的錯誤」

參考資料：

1. 2012 Motor Vehicle Crashes: Overview
2. European Commission Directorate General Mobility and Transport
3. European Union’s iMobility Forum

資料來源：Seatbelt Sensors to Fight Drowsy Driving [IEEE, July 24, 2014]