探測管線外洩的新方法

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／水知識生活家 陳安莃｜在這資訊碎片時代，我們只提供最真實的水知識，大家最需要的水知識，讓人人都能當水知識生活家。

在國外的電影、影集當中，常常會有打開水龍頭、盛滿一杯水就直接生飲的橋段；但你有想過為何生在台灣的我們，都是把水煮開，或是用淨水器過濾之後才喝呢？其實並不是台灣的水比較髒，因為台灣的自來水也都有符合「飲用水水質標準」，也就是自來水其實皆可生飲。但為何連台灣自來水公司也不建議直接生飲自來水呢？

為何在台灣，不建議生飲自來水呢？

很多民眾都會直覺認為是台灣的自來水比較髒、自來水公司不認真，然而台灣自來水公司早已表示：

「供水皆經取得環保署認證之各區處檢驗室定期及不定期檢驗，及環保單位不定期抽驗，均符合『飲用水水質標準』，也就是說所有的自來水皆可生飲，但因國內時有開挖馬路挖斷管線，修理管線之情形，且用戶多裝有蓄水池或水塔，如沒有定期清洗，恐有被污染之虞，故本公司並不鼓勵生飲。」[1]

既然如此，又為什麼我們的自來水不適合生飲呢？主要是因為以下原因：

一、自來水的必經之路路迢迢：管線老舊、破管率高

管線老舊需要分成兩部分來解釋：一個是公家自來水管線老舊，另一個是居家自來水管線老舊。

1.公家機關的管線問題：

台灣環境特殊、地震頻繁，地形起伏的變化也相當大，這些因素都提高了管線毀壞的機率。例如台中、南投等地的輸水管線，就因十幾年前的921 地震而嚴重受損，漏水率至今仍居高不下。而山坡地占 80% 的基隆，則因地勢崎嶇，必須倚靠數十座的加壓站將水往上送，才能確保高地住戶用水無虞，以致管線常因水壓負荷過大而破管。

台灣各地自來水管網設備逐漸老化，道路長期受重車行駛輾壓與各項工程不斷挖修，致管線漏水嚴重，依據台水公司 97-101 年修漏案件統計分析發現，老化腐蝕、荷重振動及材質不良，佔漏水件數之 83.97%，塑膠管類佔漏水管種比例高達 92.87%。

由此可知，管線老舊及塑膠管材比例高，是管線漏水主要原因。台灣自來水公司總經理胡南澤指出，台灣漏水率偏高，背後主因是施工因素、地震侵害、交通車輛超載負荷、管線陳舊等所致。據估計，現在每年實質漏水量約6億立方公尺，相當漏掉 3座石門水庫。[2]

其實政府也聽到了這部分的聲音，近年來也制定相關政策；然而台灣自來水公司對此回應：長年因經費不足、技術人才不足，再加上部分縣市禁挖時間長 ，而導致汰換水管的進度不甚理想。不過台北自來水事業處表示：預計 3 年內全面汰換成不銹鋼優良管材；且已在 105 年年底更換進度更達 73%，進度大幅超前。 106 年預計累計完成 90%，107 年完成全部汰換作業。

2.居家自來水管老舊：

相信還是有部分民眾不太清楚，自來水公司所必須保障的好水，僅在水錶前；水錶過後，並不是水公司的業務範圍，民眾需自行處理；然而大多數的水污染事件，也常是水錶過後。

台灣目前大多數的住宅屬於公寓大廈，老舊的公寓大廈眾多，若發現自來水管有問題，想更換也很麻煩，耗費的資金也常令人望之卻步。目前也有專門在清洗水管的業者可供選擇，不然就是使用淨水器、濾水壺、等等來避免喝到不好的水質。[3]

二、你家的大樓，水塔有洗嗎？

台灣地區的居住型態，愈來愈趨向於集合式住宅，為因應集中人口的用水，許多公寓大樓都使用蓄水池與水塔作為穩定供水的設備。當符合飲水標準的水進入蓄水池與水塔後，經過蓄水池與水塔的儲存，水質可能產生變化，因此蓄水池與水塔的定期清洗與維護，是維護自來水水質的重要工作。

相關文獻也指出在整個自來水系統中，供水管線和貯水設施所扮演的角色至為關鍵，其重要性並不亞於自來水廠，甚至有研究發現自來水的異味問題通常皆與輸送系統有關。[4] [5]

根據環保署調查報告：

1. 僅 46.4% 的民眾知道「7成以上的自來水用戶水質汙染事件是因為疏於清洗水塔所致」，略低於不知道的民眾。
2. 僅 52.7% 家中有蓄水池、水塔的民眾會定期清洗，顯示民眾依舊沒有了解到蓄水池、水塔定期清洗的重要性。[6]

由以上數據我們了解到清洗家中的貯水設施是最容易忽略的地方，但往往這也是影響我們飲用水品質的關鍵。不過，有關於蓄水池與水塔清洗的頻率如何訂定，才能發揮最大的清洗效益，其實會隨著各個地區的水質好壞、氣候因素等因素而有所變動，若是有定期檢測家中水質的習慣，才能精準的說明何時該清洗才正確，若是無此習慣，可以先按照目前環保署與自來水公司的建議，至少半年清洗一次。

沒事多喝水，更要注意水從哪裡來

管線老舊及破管率高會影響供水的品質與穩定度，而貯水設施容易因通氣孔及溢水管處沒有加裝細網以及人孔蓋沒有緊閉與上鎖導致塵埃、昆蟲、雜物、雨水進入，進而汙染水質。 根據環保機關執行自來水水質抽驗結果顯示，自來水水質合格率高達99%以上，因此我們應注意的是用水設備如水塔、水池、管線的清潔維護管理及配置，以維持自來水品質，來保障自己喝下肚的水是乾淨無虞的。

資料來源

• [1]台灣自來水公司 常見問答
• [2]蘇意淳。103 年度自來水漏水防治之探討。台灣自來水公司。
• [3]黃仕強。自來水管網汰管啟發式篩選程序與優選模式（2009）。國立交通大學。
• [4]陳識文。97 年度如何建立用戶對自來水水質之滿意度。台灣自來水公司。
• [5]陳志堅。微生物於用水設備中再生長與水塔清洗效益之評估（2005）。國立高雄師範大學。
• [6]行政院環境保護署。103 年度家庭飲用水概況調查報告。

高雄氣爆意外已經四個月過去了，道路也已經修復完成，但未來是否有科技能提早發現管線外洩，避免再度發生氣爆意外呢？麻省理工學院（MIT）與沙烏地阿拉伯法德親王石油礦大學（KFUPM）的研究團隊，設計出一套又快又精確的自動檢測系統，能藉由感應壓力變化找出管線外洩位置。

目前探測外洩是藉由地面上的聲音傳感器，感測細微的聲音和外洩所造成的震動，有時則是利用管線內的探測器，錄影尋找管線破裂的跡象。但是這些探測系統都非常緩慢，還可能漏掉細小的裂痕。新的這套系統「可以感測到大小只有0.1到0.2公分的縫隙，而且是在壓力相當低的狀況下」，MIT機械工程博士生，同時也是研究論文的第一作者卓斯佐亞基奧（Dimitrios Chatzigeorgiou）說，「我們已經證明它可行！」

今年四月，卓斯佐亞基奧在香港舉行的「機器人與自動化領域國際會議」和在奧勒岡州波特蘭舉辦的「美國自動控制會議」上，發表了他們的構想。此外，這套系統也證實能實際應用在水管或石油管線中。

卓斯佐亞基奧說，現行的聲波探測法只對金屬管線的聲音和震動有效，塑膠管線上的聲波通常太快消散。研究團隊已經將這裝置設計成能在管線中以時速3英里（約時速1.3公里）移動，而且幾乎全自動，終究會讓這裝置永久留在管線中不間斷地自動化探測。

除了有可能造成爆炸，管線外洩也帶來環境問題，像是天然氣管線：甲烷－天然氣最主要的成分，造成暖化的效果是二氧化碳的25倍。水管外漏浪費了系統中將近一半的水量；輸油管外漏會導致有毒物質溢出、擴大清除範圍。新的外洩探測裝置會大幅改善這些問題。

不過探測系統目前還是只能運作於特定的情況下，卓斯佐亞基奧說，現在還沒有一個方法可以有效率地探測任何管線系統中的外洩。「我們相信這個新系統可以解決一般常見的問題」他說，「新的探測器可以製造成各種大小去符合不同的管子，能適用於瓦斯、自來水、或石油管線。」

目前的裝置包含兩個部分：一個利用輪子前進（或者有時候浮在液體上時僅僅掃過水面）的小型機器人、一個沿管子切面以形成密封的鼓狀薄膜。當裝置遇到漏縫時，液體流向裝置會使薄膜變形，薄膜的變形會被精密的抗力感測器（force-resistive sensors）所感測，並且經由無線通訊傳回資料。

卓斯佐亞基奧說，藉由偵測漏縫附近的壓力梯度來找出外洩，是一個很新穎的點子。這個方法有效的關鍵在於，能夠感測到漏縫處快速的壓力改變，以提供極精準的定位，對於探測大規模的系統也相對快速。但目前這個系統需要管子的直徑相當一致，研發人員正致力於發展出更有彈性的版本，因應管線中毀損、阻塞等各種狀況。

研究的共同作者，KFUPM機械工程的教授Rached Ben-Mansour說，現在偵測外洩的系統都相當昂貴，基本上每年花費25萬美金來監測100公里的管線。讓系統變得更便宜、更容易普及也是研究團隊的目標。

資料來源：A new way to detect leaks in pipes. MIT News. [ June 19, 2014]