工程師——F1車隊致勝的幕後推手
2021-04-20
作者
Maurizio di Paolo Emilio，EE Times Europe編輯暨EEWeb主編
如今，一級方程式賽車的汽車實際上就是時速超過200公里的智慧連網資料系統。一級方程式賽車的決勝因素是什麼？是賽車手的技術，還是汽車技術？
一級方程式賽車(Formula 1；F1)中的決勝因素是什麼？是賽車手的技術，還是汽車技術？1980年代，複雜的電子系統開始出現在一級方程式賽車中，這個長久以來爭論的話題不斷上升至新的高度。如今，一級方程式賽車的汽車實際上就是時速超過200公里的智慧連網資料系統(圖1)。
圖1：F1賽車中的汽車實際上就是時速超過200公里的智慧連網資料系統。(圖片來源：formula1.com)
F1業界雇用了許多工程師，他們的例行任務就是設計和管理由18,000個元件組成的系統，從而不斷最佳化F1賽車性能。這些元件包括感測器、電子控制單元(ECU)，以及同時支援引擎和控制功能的機械元件。從機械與電子，到資料分析與空氣動力學，F1賽車界的工程師們工作範圍非常廣泛。在激烈競爭的賽車環境，哪怕是毫秒之差，都能決定是否成功。F1工程師必須持續深入瞭解汽車的動態行為，不斷地提高車輛的性能，而且不能違反這項賽事的規則。
的確，國際汽車聯盟(FIA)對於F1賽車採用的技術有嚴格的規定，以確保賽車手的安全。許多商用汽車採用的解決方案在F1競賽中都是禁止的，例如ABS系統和自動變速箱。
儘管如此，F1賽車近年來還是發生了根本的變化。隨著遙測技術的出現，賽車工程師可以對300多個感測器的資料進行分析，從而監測和改善汽車性能。這些感測器分佈在汽車的不同位置，能夠即時測量數百個參數。各個數據點的資料由記錄儀收集，並透過汽車前方的天線無線傳送給車隊。
McLaren Racing電子產品負責人Stephen Watt在接受採訪時說：「賽道上的汽車只是冰山一角，實際上現在所有的車隊在很大程度上都是由資料驅動的。在賽場範圍內，資料透過5Mbps的遙測鏈路接收，並且可從各種車載記錄儀下載。賽道旁和維修廠中的工程師可以根據這些資料分析每輛車子的性能，並透過研究其他車隊的成績來進行戰略分析。」
標準ECU和感測器
標準ECU (SECU)本質上是一台電腦，雖然很小但是功能強大，可以控制、處理並將大量資料從F1賽車傳送給車隊，其控制功能針對引擎、變速箱、差速器和空氣動力系統之間的互動進行了最佳化(圖2)。SECU還提供資料儲存和採集功能，協助車隊工作人員可利用遙測技術即時控制比賽。因此，車隊人員可以即時、直觀地瞭解車輛性能，並且檢查引擎健康、輪胎磨損以及燃料消耗情況。
圖2：標準ECU。(圖片來源：McLaren Racing)
FIA要求所有F1車隊必須採用McLaren Racing姊妹公司McLaren Applied提供的TAG-320B SECU。TAG-320B為車隊、動力裝置供應商和FIA提供了一個共用平台。它可以管理各種功能，從動力裝置的核心操作，到八速變速箱的無縫換檔，還能讓FIA透過平台對控制軟體的功能進行限制，以確保相關人員不會違規啟用諸如循跡控制等禁用的駕駛輔助，或者在車隊試圖實施禁用控制功能時及時制止。
每輛F1賽車平均大約有300個感測器，SECU監控約4,000多個參數。在正常的比賽中，賽車將會傳輸約3GB的遙測資料以及約4GB的日誌記錄。而這只不過是個引子，當這些資料被處理並與其他資料(例如音訊和視訊分析)結合在一起時，可能意味著在一場典型的週末賽事中，一個車隊會留下超過1TB的寶貴資料，這些資料在每次比賽和每個賽季中都可以反覆利用。
單座賽車上的感測器可以監測所有參數，檢查是否存在問題，讓工程師可以根據收集到的資料立即做出決策。例如，當一輛賽車與對手的賽車距離非常近時，感測器會偵測到引擎溫度升高，這時車隊工作人員可以從賽場外提醒賽車手遠離對手賽車的排氣尾，直到汽車溫度降到報警值以下。
F1賽車使用三類感測器：與線控驅動功能相關的控制感測器(如油門踏板感測器)、監測感測器(可追蹤汽車的健康參數，如液壓系統壓力)，以及儀表感測器(如用於監測摩擦的非接觸式溫度感測器)。
Watt說：「F1賽車角色多變。在資格賽和正式比賽中，它變身羽量級賽車，僅配備完成比賽所需的最少設備，但即使在這種最少配置下，賽車的板載佈線也超過1.5公里，並包含200多個感測器。與之相反的極端情況是冬季測試，當我們對汽車進行檢驗時，一輛賽車幾乎就是一個行動中的測試實驗室。」
他補充說：「我們做的很多事都源於對高品質資料的需求。多年來，隨著技術的發展和比賽規則的變化，以及賽道測試的減少，人們越來越需要深刻瞭解賽車在賽道上的每一次行駛。」
Watt指出，在新冠肺炎(COVID-19)疫情期間，F1賽事的規則也發生了新的變化，某些汽車開發領域被凍結以減少開支，「這再次改變了遊戲規則，使我們在成本、供應鏈以及充份利用現有優勢等方面，面臨比以往更大的挑戰。」
FIA的另一項要求是使用流體流量計(FFM)，這項要求2014年開始實施，它採用超音波來確保高精度的測量結果，從而能夠即時分析車輛的燃油性能。超音波流體流量測量採用兩個壓電換能器來回發送超音波脈衝，並利用飛行時間(ToF)計算來確定流體流速。
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