防洪之都Hafen City／與水共舞的治水思維

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！

美國奧克拉荷馬州的穆爾（Moore）對於毀滅並不陌生，該地分別於1998、1999、2003與2010年多次發生劇烈的龍捲風災情，在2013年的5月20日又一場的嚴重龍捲風災情後，這回，穆爾的居民希望能將城市重建的更為堅固。

在2013年的災難中，龍捲風在穆爾一帶肆虐了27公里，摧毀一千多棟建築，除了遍布全城的殘骸瓦礫，居民情感上的衝擊也是重建的一大挑戰。

對於穆爾的居民而言，災後往往要經歷三個階段：最初48小時的驚恐、過渡時期的緊急處置與短期修護、以及長期的計畫重建過程。當災民們從避難處走出來，望著曾經是家的地方，開始動手撿拾滿地殘骸，希望盡早開始重建，對於某些人而言，移除殘骸往往是最難熬的一步。

2013年5月29日，政府開始進行瓦礫清除工作，整個穆爾市一共清出了17萬3000噸，相當於1萬2000卡車車次的殘骸，直到9月初殘骸清理過程才完成。

穆爾市的社區發展主任伊麗莎白（Elizabeth Jones）表示，殘骸的清除是重建過程重要的第一步，然而清除費所費不貲，「從過去清理殘骸的經驗與數據中，我們已經投入1500萬美元（約合4.52億台幣）在清除殘骸。」伊麗莎白說。

等殘骸清除完，重建工作即可往下一步邁進，不過這次穆爾市決定對建築法規進行變革，採用過去沒有人試過的方式企圖減少殘骸數量。2014年3月，穆爾市市議會無異議通過新的住宅建築標準，要求該地的住宅必須能抵禦更強的強風。按照舊的標準，住宅只需抵禦每秒40公尺的強風，相當於台灣中央氣象局使用的蒲福風級（Beaufort scale）裡的13級風，然而2013年侵襲當地的龍捲風風速高達每秒89公尺，遠超過蒲福風級最強的17級風（每秒56.1～61.2公尺）。

強化住宅建築的另一個好處，在於能大幅減少因龍捲風產生的瓦礫，當地面臨風速每秒60公尺以上的龍捲風侵襲是家常便飯，但全毀跟部分受損的建築所產生的殘骸數量相差很大。

除此之外，新的建築標準要求住宅必須加強車庫大門，從過去龍捲風的受災經驗中，車庫是建築物最先被強風破壞的地方，進而導致整棟建築的崩解。新標準要求車庫門必須能抵抗每秒60公尺以上的強風，以保障建築結構的完整。

在滿目瘡痍的穆爾市，重建工作正如火如荼的進行中。2013年1087棟全毀的建築物中，已有超過一半的549棟取得建築許可，表示它們已經重建完成或是正在建築中。

對台灣而言，穆爾市重建過程有一點值得學習：災後重建並不急進，龍捲風受災戶願意等上100多天，等新的建築法規與完善的都市計劃藍圖都完成後才開始著手興建自己的新家，這對於台灣災後政府與民間團體各自為政、多頭馬車式進行的重建相當不同。此外，防災最重要的一點是從過去的災害經驗中學習，正如穆爾市決定透過制定更嚴格的建築標準進行減災，台灣不論政府或是民間，也迫切需要從過去的災害經驗中，省思面對災害新的適應方式。（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿／2014年／7月）

責任編輯：鄭國威│元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！

過去幾年間，世界各地陸續遭遇重大水患，未來數十年內，洪水威脅還會更加嚴重，我們該如何調整城鎮，增加都市生活彈性？

巨大鋼門將自地底升起，阻擋洪水湧來，河口防洪壩緜延數公里，將預防海水倒灌；自動充氣包將封住隧道及地下鐵路，避免水災淹沒。

許多人的住家將會隨水勢高低漂浮，並連結至彈性管線，讓居民與財物不受大水侵襲，並在潮水退去後回歸原處。

包括美國俄亥俄州、義大利威尼斯、阿根廷、菲律賓等地，近期水災造成重大財務與人身損失，英國環境署指出，水患已是英國第一大天災威脅，將來不論國內外風險都將惡化。

在人類歷史中，主要聚落皆位於河港附近的低窪地區，氣候變遷已導致海平面上升與天氣更加極端，日漸威脅這些聚落。

受人口成長與都市化趨勢影響，愈來愈多民眾都身陷水患風險，森林砍伐、集約農業、水泥覆蓋大片土地，都造成豪雨與河水溢堤時，自然排水能力降低。

世界必須學著調適，重要設施若置於水患風險區域，考量必須更加審慎，電腦伺服器、轉換器、備用發電機不能再存放於地下室，變電所與用水處理廠也得移至危險區域之外。

公用事業必須投資微型供應網，縮小斷電、供水污染、網路中斷區域，各國規劃相關法律與建築法規也得要求變更設計。

換言之，農民除了耕作收成之外，政府也該鼓勵或資助農民植樹或掘池，以減緩、儲存或吸收溢流，鹽沼等天然防護措施將成動植物樂園，也可發揮巨大海綿功用；在城市裡，新公園與遊樂場將提供民眾遊憩去處，水患發生時亦不會出現損失。

這些防護與改善工程都需要財源，其中或許有些容易完成的選項，也可能達到雙贏目標，同時增進生態環境，關心此事的個人與地區單位也會願意分攤部分成本。

不過大型方案仍需公務機構投資，由於都市土地價值頗高，經濟中斷與人身損失成本極大，這些經費都有必要，也愈早起步愈好。

展望未來，智慧防洪技術與解決方案將陸續面世，其中又將以系統方案最佳，先重新檢視人與水的關係，而不只是想著如何阻擋浪潮升高。

作者：Peter Madden（「未來論壇」執行長）

本文原載於獨立永續專業團體「未來論壇」雜誌《Green Futures》。照片來源：Torcello Trio、Stevep2008

轉載自 This Big City 城事