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地球的限度面臨更嚴峻的挑戰

葉綠舒
・2015/01/19 ・1683字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 549 ・八年級
相關標籤: 地球的限度 (1)

不知道有多少人看過2009年在「自然」雜誌上,有關地球的限度(Planetary Boundaries)的文章呢(1)?雖然在「低碳生活部落格」上面有一系列的文章(2),但是筆者的經驗是,好像看過下面這個圖的人並不太多。

圖片來源|Nature
圖片來源|Nature

在當時,有30個科學家組成了一個團隊,列出九項他們共同認為對地球很重要的指標,以及這些指標的上限。

這些指標是:

  1. 氣候變遷(climate change)
  2. 生物多樣性(biodiversity loss)
  3. 氮循環(nitrogen cycle)、磷循環(phosphorus cycle)
  4. 海洋酸化(ocean acidification)
  5. 懸浮微粒污染(particle pollution of the atmosphere)
  6. 化學物污染(chemical pollution)
  7. 臭氧層的消失(ozone depletion)
  8. 淡水使用(freshwater use)
  9. 森林砍伐與土地使用變更(deforestation and other land use changes)。

在當時,前三項(氣候變遷、生物多樣性、氮循環)已經嚴重超過指標上限,而第四、五項(磷循環、海洋酸化)亦已經逼近限度;至於其他項,有些因為非常早就受到注意(臭氧層的消失),所以當時已有所改善,最近也聽到持續改善的消息;而有些則因為當時沒有全球同意的指標,所以無法估計(懸浮微粒污染、化學物污染)。

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最近,這個團隊重新組合之後,又在「科學」(Science)期刊上發表了論文(3)。我們從2009年到現在,這九項指標有改進嗎?不多。除了臭氧層有持續改善外,2014年大氣的二氧化碳衝破了400 ppm,我們的颱風季節從半年左右,到現在一年十二個月都有颱風,海燕風災帶給菲律賓的災害大家有目共睹,還有珊迪颶風…

其實,不需要新團隊說什麼,大家也知道狀況沒有變好。不過,這次新團隊來告訴我們,我們又衝破了一項限度:森林砍伐與土地使用變更。

圖片來源:Science
圖片來源|Science

在上圖中可以看到,安全的區域(綠色)只有北美洲與南美洲;其他地區若不是有風險(黃色,加拿大、歐洲、俄國),就是高度風險(紅色,非洲、亞洲、東南亞)。森林的破壞,也會影響到生物多樣性與氣候變遷;也就是說,這項指標被衝破,代表著其他原本已經殘破不堪的指標也會變得更嚴重。

新的Planetary Boundaries. 圖片來源|Science
新的Planetary Boundaries. 圖片來源|Science

事實上,新團隊指出,除了氮循環與磷循環之外,未來還需要留意矽循環,以及其他可能也相關的物質;而磷循環的狀況其實也惡化了(詳見上圖之Biogeochemical flows的P)。

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新研究團隊也納入了「新物質的導入」(Introduction of novel entities)這個項目。科技日新月異,人類不斷的發明地球過去不曾出現的新物質,這些新物質或多、或少會對地球產生影響。如氯氟烴(CFC,chlorofluorocarbons)造成臭氧層的消減;塑膠造成的危害更是有目共睹,雖然也給我們的生活帶來許多便利;最近的奈米物質,已經發現可以進入食物鏈,目前的影響尚難以估計。

當我們看著這些指標一再地被衝破而感到憂心時,筆者不禁想到,地球現在就彷彿一杯裝滿的水,任何一點擾動、或是誰再給她加一滴水,都會使這杯水滿溢出來。究竟世界各國是否有認真在思考地球的未來?是否有把地球看成一個整體?或者還是將自己的思考限制在自己的國內,認為「我國GDP的成長」是最要緊的,於是一方面保護自己的國家,一方面將高污染的工業移到地球上的其他區域;一面保護自己的森林,一面砍別人的森林。但是,這些成長,只要來一個超級大颱風/颶風,或是來一場超級大雨造成洪水與土石流、或是大旱災等等…就全部都白費了,不是嗎?而颱風/颶風並不只會往過去常常有颱風/颶風的方向過去(雖然菲律賓真的是深受其害),超級大雨/大旱災也不只出現在某些地方,如果大家還是只有「自掃門前雪」,大概很快就會發現,別人家的瓦上霜也會飛過來…

原刊轉載於作者部落格

參考文獻:

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  1. Johan Rockström et. al., 2009. A safe operating space for humanity. Nature 461:472-475.
  2. 趙家緯。2011。地球的限度與台灣的成長極限(上)
  3. Will Steffen. 2015. Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science DOI: 10.1126/science.1259855
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文章難易度
葉綠舒
262 篇文章 ・ 9 位粉絲
做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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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

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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