地底下的模樣：想像與現實

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！

深海之下，有著許多的資源蘊藏在其中，例如天然氣、石油、金屬礦床等等，然而要找到這些珍貴的資源，就必須要先知道海床之下的地質構造，才能有效率地進行開採。怎麼樣才能知道海底下是什麼樣子呢？美國奧勒岡州立大學 (Oregon State University) 的兩位科學家在近日發表了一種新方法，那就是聽鯨魚唱歌！¹

科學家如何透過神秘的鯨魚之聲，研究海底下的世界？讓我們先從地震說起吧。

地下構造長怎樣，科學家用聽的

要知道海底之下有什麼，最簡單的方法，莫過於直接鑽井下去一探究竟，但是在海底鑽井可是一門大工程，光是鑽一口井就會花費大量的時間及成本，因此在鑽井之前，必須仰賴其他的方式進行探測，而最常使用的方式之一便是所謂的「震測」。

震測顧名思義，就是利用震動來進行測量。當地震發生時，地震波會在地底下傳遞，而地震波在不一樣的地層之中有著不同的速度。這使得地震發生後，行經不同路徑的地震波，抵達同一個地點的時間會有差異，而也是因為這個差異，讓科學家可以藉此推測地底下的構造是如何。

然而地震的發生並不是人為可以控制的，因此除了自然的地震以外，有時也需要一些超自然人為的震動，其中最常見的方法就是用空氣槍 (air gun) 產生聲波，再藉由聲波在地層中的傳播來得到震測結果。

為了監測奧勒岡州外海的斷層，研究團隊 Kuna 和 Nábělek 等人在 2012 及 2013 年之間，總共施放了 54 個海底地震儀 (Ocean-bottom seismometer)。然而，除了地震波的訊號以外，他們意外地發現了一些不一樣的訊號。

海洋裡的大聲公：長鬚鯨

海底地震儀所接收到的神祕訊號，在 Kuna和Nábělek 的好奇研究之下，終於發現聲音的主人──長鬚鯨。是的，你不敢相信鯨魚在身邊~♪

長鬚鯨 (Balaenoptera physalus) 是僅次於藍鯨的現今第二大生物，體長最多可達 26 公尺，體重最高為 80 公噸，長鬚鯨也是海中數一數二的游泳高手，最快的速度約是 15 節（時速約 28 公里）。善於游泳的長鬚鯨會隨著季節進行長距離的遷徙，廣泛分布在全球的海洋之中，絕大多數的大洋中都可以發現牠們的蹤跡。

而被地震儀記錄到的，正是長鬚鯨的歌聲，它的歌聲不像大翅鯨的長音，而是類似於鼓聲的短音（歌聲在此），一唱便可以連續數十幾個小時，只有在水面換氣時會短暫停止。長鬚鯨的聲音最高的記錄為 189 分貝，相當於大型船艦航行時發出的聲音，巨大的聲響足以在海洋中傳播數百公里之遠。

發現了如此宏亮又長時間的聲音訊號，讓 Kuna 和 Nábělek 想到，是否可以利用鯨魚的歌聲來繪製震測剖面圖呢？於是發現了歌聲的主人之後，他們又繼續分析起鯨魚的歌聲。

來自鯨聲的震測剖面

Kuna 和 Nábělek 發現，訊號中長鬚鯨歌曲是由兩種頻率不同的叫聲相互交錯組成，一種是頻率約在 20-25 赫茲的高頻音，另一種則是大約 15-20 赫茲的低頻音。為了減少低頻噪音的影響，他們只選用高頻音作為分析對象，每首歌所包含的叫聲次數為 212-593 次，每次叫聲的間隔大約是 30 多秒。

而鯨魚的位置也可以從聲音來判斷，根據從直線抵達地震儀的聲音訊號，以及經過反射後才抵達的訊號間的時間差，可以推算出鯨魚和地震儀之間的距離。知道了距離之後，還需要方向與深度才能確定鯨魚的位置，地震儀可以記錄方位，但鯨魚的深度卻無法得知，還好長鬚鯨大多只在水下二十米以內的深度活動，因此 Kuna 和 Nábělek 假設鯨魚的深度為十公尺，這樣一來就可以推測出鯨魚所在的位置，也就可以正式開始震測圖的繪製了。

Kuna和Nábělek從三個地震儀中各別分析了兩首歌，總共有六首歌，也就是得到了六個震測結果。結果顯示在每個地震儀的兩首歌之間，所計算出來不論是 P 波和 S 波的波速，或者是玄武岩之上的海洋沉積物厚度，都有著相近的數據，代表了長鬚鯨的歌聲確實可以被用來作為震測的音源。

未來的震測資料，會變成鯨魚們的專輯嗎?

使用鯨魚的歌聲來繪製震測圖有許多的優點。事實上，傳統常使用的空氣槍，並非在所有地方都可以使用，而人造的巨大聲響更會形成海洋中的噪音污染。因此使用鯨魚的歌聲除了可以補足空氣槍無法使用的範圍，也可以減少海洋中的噪音，更是幾乎全年無休的自動訊號來源，最重要的是用生物取代非生物比較討喜啊，Pui~Pui~

雖然有上述的優點，但這款長鬚鯨震測仍有些缺點，例如長鬚鯨的聲音頻率偏低，難以得到高解析度的結果（作者表示聲音較高的抹香鯨很有潛力），因此只適合在地型構造較為單純的環境下進行。若要觀測複雜的構造，則需要搭配多個地震儀同時進行觀測，或者利用演算法來協助分析數據。

或許有一天，鯨魚的歌聲真的可以取代會造成空氣槍這個目前的必要之惡。到那個時候，如果在海下探險是你的願望，那就放下儀器向鯨魚問路吧！

參考資料

1. Kuna, V. M. & Nábělek, J. L. (2021). Seismic crustal imaging using fin whale songs. Science, 371, 731–735.
2. Aguilar, A., & García-Vernet, R. (2018). Fin whale: Balaenoptera physalus. In Encyclopedia of marine mammals (pp. 368-371). Academic Press.
3. 臺灣大百科全書：海洋震測

• 文／馬國鳳

大地震總是難免會帶來傷亡和損失，為此從科學面來看更應盡其所能的將地震所帶來的各種數據觀測徹頭徹尾的研究。因此，雖然九二一集集地震許多台灣人的傷痛，但在地震科學界，也因此地震而有了獨步全球的研究成果；即使我們都不希望再有這樣的強震發生，但卻無法無視自然的法則。從強震中挖掘出更多未知，解決地震危害的問題，便是從事地震科學相關研究的學者畢生職志。接著，讓我們看看集集地震讓學界學習到了什麼。

每到九月，總是讓我們想起 1999 年的 9 月 21 日的集集大地震，當年地震帶來的災害至今仍讓大家餘悸猶存。在大地震發生後，臺灣不論在地震科學、工程或防災上，都有更深入的推廣及學習，相關的成果也為世界所重視。藉由此機會，本文將介紹近年來由臺灣出發而獲世界重視的斷層動力科學觀測及分析成果。

天搖地動後，萬眾矚目的車籠埔斷層

由於前人睿智的建議，臺灣自 1993 年開始，由中央氣象局地震測報中心架設了全世界最高品質且密集的強地動觀測網，成為當時全世界唯一在災害性地震發生前擺設完成的強地動觀測網。因此，在 1999 年集集地震發生後，此觀測網資料為世界提供了解大規模破壞性地震機制最全面的研究。

另外，也透過地震資料分析及其斷層模式反演，以及地表地質的觀測，了解到破裂的車籠埔斷層北段有高達約 12 公尺的斷層滑移量，及長週期的大滑移速度值，但是在南段雖無太大的滑移量，卻有高頻振動以及高的地震動加速度，而這種大的滑移量與滑移速率的整體斷層運動行為特別受到了世界的矚目。

集集大地震的這些現象為何會受到全球的關注呢？

首先，在當時對於地殼應力的理解中，是無法造成如此大的斷層位移的；其次，一直以來，地震工程大多認為是地震動加速度才是造成災害的主因，但此次地震資料也揭露了大地震的滑移速度之週期對大型建物的影響；最後，在分析災害行為中，也暗示了地震破裂的複雜動力行為，故集集地震提供了地震科學及工程深切了解斷層大滑移量的物理機制及其災害特性。

啟動斷層鑽探計畫、裝設現地井下地震儀

因此，在突破性的科學研究、國科會（現科技部）的支持下， 2006 年開啓了臺灣與美、日、德、義等多國共同參與的世界矚目的國際型臺灣車籠埔斷層鑽探計畫 (Taiwan Chelungpu-fault Drilling project, TCDP) 。

成功的鑽探到集集地震的滑移帶，其厚度約為毫米等級，且含有非常細緻，約為奈米等級的黏土礦物斷層泥，此項鑽探結果除了增進對地震能量分區的理解，也了解到地震動力學的行為是需要地質及地震科學相互的配合。

如上述，集集地震時的高品質密集地震記錄及成功的滑移帶鑽探，提供世界研究地震動力的分析基礎。因此，透過理論力學分析地震運動滑移的時間及空間分佈，研究團隊也得到地震斷層面上的動力學參數，顯示剪切應力在斷層面上分佈的不均勻性，且其斷層摩擦力會隨時間及空間變化的複雜性。

在地震總能量的分析上，藉由集集地震鑽探計畫所得到的斷層泥顆粒及厚度，得出產生此斷層泥的破碎能所做的功。在鑽井後的地球物理井測（分析穿透地層地性質的技術）及溫度量測，分析地震中熱能的耗損，以及鑽探所得的斷層帶岩芯、岩石力學分析等，皆為現在斷層力學中的高引用度文章。熱能為地震力學中最難分析的數值，在測量中所得斷層帶低摩擦係數，也促使往後世界各國在大地震後進行測量摩擦熱的鑽井計畫 (例： 2008 年汶川 WCSD 及 2011 年日本東北大地震 J-FAST) 。

隨著 TCDP 鑽井計畫成功定義出 1999 集集地震的滑移帶，研究團隊接著在井孔內安裝現地井下地震儀 (臺灣車籠埔斷層井下地震儀「Taiwan Chelungpu Fault Drilling Project Borehole Seismometers Array, TCDPBHS」) 以監測發生大滑移量後的斷層帶行為。

地震動力學的研究對了解地震物理行為，如起始、傳播和癒合至關重要，斷層滑移的物性關係是地震震源動力描述的關鍵，而科學深井鑽探計畫，提供了難得的機會觀察斷層深處的破裂，讓我們得以了解 1999 年集集地震的物理環境。

其簡略流程約為：

1. 首先，在彈性張量儲存以及釋放之處，也就是巨大的錯動破裂面上取出一段連續的岩心剖面
2. 在高速大滑移量區採樣
3. 確定斷層帶內的物理條件（應力、孔隙壓力、溫度）。

之後，再配合跨斷層帶的現地井下地震儀，提供斷層帶動態變化的近距離觀測資料，以了解大地震後斷層帶的構造及變化。

在多年血汗淚之後，科學家的研究成果是？

雖然 1999 年集集大地震造成大規模的災害，但由於在地震發生之前，已密集架設的強震站也提供了對集集地震進行廣泛研究的機會。因此，此項寶貴的資料除了促使世界關注高質量的近斷層資料，也提供了機會給地震學和地震工程師能更全面了解破壞性地震的災害特性。近地表最大的滑移量可達約 12 公尺，緩傾構造為科學鑽探提供了獨特的機會來了解大滑移量的斷層物理特性。

透過此項計畫，研究團隊發現微米級的滑移厚度是集集大地震的重要證據；由現地溫度測量得到的低摩擦係數也是解釋在地殼斷層是強或弱的悖論的重要發現；透過跨斷層現地井下地震儀的多年觀察，研究團隊持續努力透過近距離地震觀測資料揭示斷層帶的動力學。

從最近的研究中發現，透過動態觸發，斷層帶可能被區域或遠距離的地震影響，導致速度與應力異向性的變化，進而在大地震後，與世界上的斷層帶可能有遠程的連結；透過大地震後斷層帶的現地井下地震儀，研究團隊可以近距離觀測斷層帶行為及其隨時間的演變情形，獲得第一手資料，並瞭解地震的誘發行為。

與科學家一起展望地震科學的未來吧！

地震科學不只是科學研究，它與民眾、社會及國家經濟都有重要的關聯。隨著對地震科學前瞻研究的投入，研究團隊在幾年前再次結合地質及地震科學，成立臺灣地震模型 (Taiwan Earthquake Model, TEM) ，瞭解臺灣的斷層及孕震特性，尤其斷層震源破裂的物理特性，藉由分析其地震波傳遞特性來了解臺灣各區域的地震危害潛勢。而地震危害潛勢分析以及未來希望獲得推廣的全震源時間及空間的地震景況與情境模擬，除了有助於地震工程及政府相關法規的推展外，亦對產業面對的地震危害有更先進的風險管理，以降低下次災害性地震帶來的風險

• 延伸閱讀：防震不是只有預警那麼簡單：大地震過後，下一步該怎麼走？

臺灣位於活躍的板塊活動區，地震的發生是必然的。因此在科學面上，研究團隊希望臺灣可為世界帶來更多先進的觀測及前瞻性的科學研究成果；同時，也希望透過地質及地震科學的研究，整合相關領域，提供政府及民間甚至產業更多的地震防災資訊及知識，並透過科普教育的推廣防災知識。研究團隊已為此建立了 「震識」部落格，以透過社群網站提供正確的地震地質及防災知識，使地震科學教育更加落實。

本文轉載自震識：那些你想知道的震事，原文為《九二一地震啟示錄：科學家的課題》，也歡迎追蹤粉絲頁震識：那些你想知道的震事了解更多地震事。