[閒聊] 工程師——F1車隊致勝的幕後推手

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英文原文 刊登在 eetimes.eu

In Formula 1, Engineers Are Essential Members of the Team
By Maurizio Di Paolo Emilio

https://reurl.cc/MZm4VX

中文翻譯版本在EET 電子工程專輯

工程師——F1車隊致勝的幕後推手
作者 : Maurizio Di Paolo Emilio，EE Times Europe編輯暨EEWeb主編
類別 : EE人生

https://reurl.cc/3NA7QL

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？

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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)。

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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5Mb/s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。

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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。

遙測技術

遙測技術於1980年代後期導入F1競賽，並在過去幾年趨於完善。雙向遙測可以輕鬆記錄汽車特性，讓工程技術團隊能夠清楚掌握賽場情況，並處理性能資料。現在，大量資料的收集與傳輸可以在百分之幾秒的時間內完成，讓F1工程師能夠近乎即時地向賽車手提供戰術建議。

但是，FIA的人員們從未正式允許雙向遙測，可能他們並不希望這一技術被採用，實際上當他們認識到車隊使用這一技術可能產生的不良影響時，甚至還短暫地禁止過該技術。

可以透過遙測技術和資料分析系統進行管理的參數包括引擎、引擎煞車、扭矩控制、引擎噴射和點火，其它使用遙測技術的還有底盤、輪胎、油門操作、車速，以及通過機械車輛的滲透係數所進行的空氣動力學調節。

Watt說：「遙測一詞在F1賽車中有時會被誤用，它通常指的是車載無線資料的傳輸，這些資料在SECU中產生，發送給賽道旁的車隊維修區工作人員。近年來，F1中使用的遙測系統發生了一些非常實用的變化。過去每支車隊都會將各自的無線電遙測系統帶到賽道旁邊，維修區看起來就像是一片高度不斷增加的伸縮式桅桿森林。當無線電頻譜變得越來越擁擠，如果不管到哪裡都必須帶著它，而且還要受當地無線電頻譜法規的約束時，一切就變成了噩夢。」

「最重要的是，在某些國家，如摩納哥和新加坡，這些系統通常無法完全覆蓋特定的賽道，因此一些車隊開始在酒店等類似場所部署中繼器。」Watt補充道，「所幸一級方程式管理階層(FOM)和FIA介入並導入了標準通訊系統，為所有車隊提供駕駛語音無線電和遙測鏈路。現在，FOM會在賽道周圍放一個接取點(AP)共用系統，透過光纖鏈路將加密資料從每輛賽車傳送到車隊。」

他說：「遙測鏈路現在是所有F1車隊正常運作的重要組成部份。由於汽車和動力裝置組合極其複雜，加上賽事規則的限制(車隊必須確保引擎和變速箱能連續參加多場比賽)，如果不使用感測器、ECU和遙測鏈路來掌握汽車的健康狀況，那麼賽車幾乎不可能行駛在賽道上，或者賽道邊的F1工程師也無法在重要的動力傳動元件出現災難性故障之前及時介入。如果不加以預防，這類故障可能會導致賽車手失去寶貴的參賽機會，甚至導致車隊受到懲罰。」

透過收集煞車、轉彎速度、變速箱、車輪轉動、變速箱壽命以及引擎最有效運轉速度範圍等資料，感測器可以協助車隊監控車輛與賽車手，使其達到最佳狀態。這些擷取到的資料還可用於即時分析引擎性能，以便車隊工程師採取相應措施，遠端解決問題，從而提高汽車效率。

F1賽車中最大的一個障礙是嚴苛的比賽環境。過高的溫度和過度振動都會降低感測器的精度，最終損壞元件本身。任何電子元件都必須以最高效率運作(圖3)。

在設計中必須滿足的一項要求是減小元件漂移。漂移是感測器精度隨時間降低的趨勢，可能導致永久的元件損壞和不可逆的引擎故障。實現精準的資料擷取畢竟較困難，因此一輛賽車中通常使用大約一百個感測器。

而且，比賽環境還受到灰塵、燃油和濕氣等因素的影響。利用材料科學可以解決一部份問題，例如開發新材料來生產在嚴苛條件下仍能可靠運行的元件。傳統的振盪保護集中在安裝硬體上，如果電子元件沒有防振盪保護，或者本身的設計不能抵抗材料疲勞，則可靠性會隨時間降低。

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圖3：一級方程式賽車中使用的連接器。(圖片來源：McLaren Racing)

資料擷取系統

資料擷取系統所記錄的測量值來自安裝在車體各個位置的感測器。例如，常見的一級方程式賽車採用三個感測器來測量車速：包括安裝在車輪上的霍爾效應(Hall-effect)磁感測器、Correvit光學感測器和皮托管(Pitot Tube)。

Watt說：「一級方程式賽車使用了皮托管空速感測器，當然還要考慮風速的影響。因此，如果問F1賽車速度究竟有多快，這可能是一個很難準確回答的問題，它通常需要對多個來源的資料進行統計分析，還涉及模型及後期處理。」

用標準模型測量每個車輪的轉速可以解決打滑的問題，光學感測器用於監測賽道和GPS，還有一些感測器用於測量溫度、角速度和線速度、角位移和線位移、壓力、材料應力、加速度和磁場變化等。加速度計用於測量橫向重力(轉彎)，以及檢測縱向重力(例如範圍為0至4g的煞車)。

感測器的位置確定用於檢測的方向。雙軸感測器可以同時測量轉向力和煞車力。非接觸溫度檢測通常針對煞車、馬達和輪胎，紅外微機電系統(MEMS)感測器用於溫度測量，可進行非接觸溫度檢測。這些感測器通常使用熱電堆材料來吸收被測物體發出的紅外能量，並根據電壓的變化確定物體溫度。熱像儀用於監測輪胎接觸區域的磨損並對發熱進行控制。

傳動扭矩和稱重感測器等參數則以200Hz的頻率進行記錄，即每秒200次。如果車子發生強烈振動，則可能產生一個額外的記錄，並改變取樣速率，以取得車子各個部份的振動分析。每次賽車返回維修區時，F1工程師都會採集資料並將這些資料上傳到專用伺服器，以備不時之需。Watt說：「在分析懸吊移動時，通常採用1kHz的取樣速率；而進行振動分析時(通常是可靠性驗證的一部分)，則採用100kHz或更高的取樣速率。」

遙測技術和正確的資料擷取是F1賽事的重要一環，工程師能夠利用這些技術收集比賽中的大量資料，針對這些資料進行分析與詮釋，並用於確保賽車處於最佳狀態。

心得:
EE能畢業後去賽車圈工作要抽卡抽幾次?

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