一級方程式賽車（F1）中的決勝因素是什么？是賽車手的技術(shù)，還是汽車技術(shù)？80年代，復(fù)雜的電子系統(tǒng)開始出現(xiàn)在一級方程式賽車中，這個(gè)長期爭論的問題便上升到一個(gè)新的高度。如今，一級方程式錦標(biāo)賽中的賽車實(shí)際上就是時(shí)速超過200公里的智能聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

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圖1：F1錦標(biāo)賽中的賽車實(shí)際上是時(shí)速超過200公里的智能聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

F1行業(yè)雇用了許多工程師，他們的日常工作就是設(shè)計(jì)和管理由18，000個(gè)組件組成的系統(tǒng)，不斷優(yōu)化賽車性能。這些組件包括傳感器、電子控制單元（ECU），以及同時(shí)支持引擎和控制功能的機(jī)械部件。從機(jī)械與電子到數(shù)據(jù)分析與空氣動(dòng)力學(xué)，F(xiàn)1工程師們的工作范圍非常廣。在賽車競賽中，哪怕是毫秒之差，都能決定是否成功。F1工程師對汽車動(dòng)態(tài)行為的理解必須持續(xù)深入，不斷提高汽車的性能，同時(shí)還不能違反運(yùn)動(dòng)規(guī)則。

的確，國際汽車聯(lián)盟（FIA）對F1賽車采用的技術(shù)有嚴(yán)格的規(guī)定，以確保車手的安全。許多商用汽車采用的解決方案在F1競賽中都是禁用的，例如ABS系統(tǒng)和自動(dòng)變速箱。

盡管如此，F(xiàn)1賽車近年來還是發(fā)生了根本的變化。隨著遙測技術(shù)的出現(xiàn)，賽車工程師可以通過對300多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來監(jiān)測和改善汽車性能。這些傳感器分布在汽車的不同位置，能夠?qū)崟r(shí)測量數(shù)百個(gè)參數(shù)。各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)由記錄儀收集，并通過汽車前部的天線無線傳送給車隊(duì)。

McLaren Racing公司電子產(chǎn)品負(fù)責(zé)人Stephen Watt在接受筆者采訪時(shí)說：“賽道上的汽車只是冰山一角，實(shí)際上現(xiàn)在所有的車隊(duì)在很大程度上都是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的。在賽場內(nèi)，數(shù)據(jù)通過5Mb/s的遙測鏈路接收，并且可從各種車載記錄儀中下載。賽道邊和工廠里的工程師可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析每輛賽車的性能，并通過研究其他車隊(duì)的成績來進(jìn)行戰(zhàn)略分析?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)ECU和傳感器

標(biāo)準(zhǔn)ECU（SECU）本質(zhì)上是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，雖然很小但是功能強(qiáng)大，可以控制、處理并將大量數(shù)據(jù)從F1賽車傳輸給車隊(duì)，其控制功能針對引擎、變速箱、差速器和空氣動(dòng)力系統(tǒng)之間的交互進(jìn)行了優(yōu)化（圖2）。SECU還提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和采集功能，使車隊(duì)工作人員可利用遙測技術(shù)實(shí)時(shí)控制比賽。因此，車隊(duì)工作人員可以實(shí)時(shí)、直觀地了解車輛性能，并檢查引擎健康、輪胎磨損及燃料消耗情況。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)ECU。

FIA要求所有F1車隊(duì)必須采用McLaren Racing的姊妹公司McLaren Applied提供的TAG-320B SECU。TAG-320B為車隊(duì)、動(dòng)力裝置提供商和FIA提供了一個(gè)共享平臺(tái)。它可以管理各種功能，從動(dòng)力裝置的核心操作，到八速變速箱的無縫換檔，還允許FIA通過平臺(tái)對控制軟件的功能進(jìn)行限制，以確保相關(guān)人員不會(huì)違規(guī)啟用諸如牽引力控制等禁用的駕駛輔助功能，至少在車隊(duì)試圖實(shí)施禁用的控制功能時(shí)制止他們。

每輛F1賽車平均大約有300個(gè)傳感器，SECU監(jiān)控的參數(shù)有4，000多個(gè)。在正常的比賽中，賽車將傳輸約3GB的遙測數(shù)據(jù)以及約4GB的日志記錄。而這只不過是個(gè)引子，當(dāng)這些數(shù)據(jù)被處理并與其他數(shù)據(jù)（例如音頻和視頻分析）結(jié)合在一起時(shí)，可能意味著在一場典型的周末賽事中，一個(gè)車隊(duì)會(huì)留下超過1TB的寶貴數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在每次比賽和每個(gè)賽季中都可以反復(fù)利用。

單座賽車上的傳感器可以監(jiān)測所有參數(shù)，檢查是否存在問題，使工程師可以根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)立即做出決策。例如，當(dāng)一輛賽車與對手的賽車距離非常近時(shí)，傳感器會(huì)檢測到引擎溫度升高，這時(shí)車隊(duì)工作人員可以從賽場外提醒車手遠(yuǎn)離對手賽車的排氣尾，直到汽車溫度降到報(bào)警值以下。

F1賽車使用三類傳感器：與線控驅(qū)動(dòng)功能相關(guān)的控制傳感器（如油門踏板傳感器）、監(jiān)測傳感器（可跟蹤汽車的健康參數(shù)，如液壓系統(tǒng)壓力），以及儀表傳感器（如用于監(jiān)測摩擦的非接觸式溫度傳感器）。

Watt說：“F1賽車角色多變。在資格賽和正式比賽中，它變身輕量級賽車，僅配備完成比賽所需的最少設(shè)備，但即使在這種最少配置下，賽車的板載布線也超過1.5公里，并包含200多個(gè)傳感器。與之相反的極端情況是冬季測試，當(dāng)我們對汽車進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，一輛賽車幾乎就是一個(gè)車輪上的測試實(shí)驗(yàn)室。

他補(bǔ)充說：“我們做的很多事都源于對高質(zhì)量數(shù)據(jù)的需求。多年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和比賽法規(guī)的變化，以及賽道測試的減少，人們越來越需要深刻了解賽車在賽道上的每一次行駛?！?/p>

Watt指出，在新冠疫情期間，F(xiàn)1賽事的法規(guī)也發(fā)生了新的變化，某些汽車開發(fā)領(lǐng)域被凍結(jié)以減少開支，“這再次改變了游戲規(guī)則，使我們在成本、供應(yīng)鏈以及充分利用我們現(xiàn)有的優(yōu)勢等方面，面臨比以往更大的挑戰(zhàn)?！?/p>

FIA的另一項(xiàng)要求是使用流體流量計(jì)（FFM），這項(xiàng)要求2014年開始實(shí)施，它采用超聲波來確保高精度的測量結(jié)果，從而能夠即時(shí)分析賽車的燃油性能。超聲流體流量測量采用兩個(gè)壓電換能器互相發(fā)送超聲脈沖，并利用飛行時(shí)間計(jì)算來確定流體流速。

遙測

遙測技術(shù)于80年代后期引入F1錦標(biāo)賽，并在過去幾年趨于完善。雙向遙測可以輕松記錄賽車特性，使技術(shù)團(tuán)隊(duì)能夠清楚了解賽場情況，并處理性能數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，大量數(shù)據(jù)的收集與傳輸可以在百分之幾秒的時(shí)間內(nèi)完成，使F1工程師能夠近乎實(shí)時(shí)地向車手提供戰(zhàn)術(shù)建議。

但是，F(xiàn)IA的官員們從未正式允許雙向遙測，可能他們并不希望這一技術(shù)被采用，實(shí)際上當(dāng)他們認(rèn)識到車隊(duì)使用這一技術(shù)可能產(chǎn)生的不良影響時(shí)，甚至還短暫地禁止過該技術(shù)。

可以通過遙測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行管理的參數(shù)包括引擎、引擎制動(dòng)、扭矩控制、引擎噴射和點(diǎn)火，其它使用遙測技術(shù)的還有底盤、輪胎、油門操作、車速，以及通過機(jī)械車輛的滲透系數(shù)進(jìn)行的空氣動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)。

Watt說：“遙測這個(gè)術(shù)語在F1賽車中有時(shí)會(huì)被誤用，它通常指的是車載無線數(shù)據(jù)的傳輸，這些數(shù)據(jù)在SECU中生成，發(fā)送給賽道邊車隊(duì)維修區(qū)的工作人員。近年來，F(xiàn)1中使用的遙測系統(tǒng)發(fā)生了一些非常有用的變化。過去每個(gè)車隊(duì)都會(huì)將各自的無線電遙測系統(tǒng)帶到賽道旁邊，維修區(qū)看起來就像是一片高度不斷增加的伸縮式桅桿森林。當(dāng)無線電頻譜變得越來越擁擠時(shí)，如果不管到哪里都必須帶著它，而且還要受當(dāng)?shù)責(zé)o線電頻譜法規(guī)的約束，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(tǒng)通常不能完全覆蓋賽道，因此一些車隊(duì)開始在酒店等類似場所部署中繼器?！癢att補(bǔ)充道，”幸好FOM（F1管理公司）和FIA介入并引入了標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)，為所有車隊(duì)提供車手語音無線電和遙測鏈路。現(xiàn)在，F(xiàn)OM會(huì)在賽道周圍放一個(gè)接入點(diǎn)共享系統(tǒng)，通過光纖鏈路將加密數(shù)據(jù)從每輛賽車傳送到車隊(duì)。”

他說：“遙測鏈路現(xiàn)在是所有一級方程式車隊(duì)正常運(yùn)作的重要組成部分。由于汽車和動(dòng)力裝置很復(fù)雜，加上運(yùn)動(dòng)規(guī)則的限制（車隊(duì)必須保證引擎和變速箱連續(xù)參加多場比賽），如果不使用傳感器、ECU和遙測鏈路來提供賽車的健康狀況，或者賽道邊的F1工程師沒有在重要的動(dòng)力總成組件出現(xiàn)災(zāi)難性故障之前進(jìn)行干預(yù)，那么賽車幾乎不可能行駛在賽道上。如果不加預(yù)防，這類故障可能會(huì)導(dǎo)致車手失去寶貴的參賽機(jī)會(huì)，甚至?xí)管囮?duì)受到懲罰?！?/p>

通過收集制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎速度、變速箱、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)、變速箱壽命以及引擎最有效運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍等數(shù)據(jù)，傳感器可以幫助車隊(duì)監(jiān)控汽車及車手，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)可用于實(shí)時(shí)分析引擎性能，以便車隊(duì)工程師采取相應(yīng)措施，遠(yuǎn)程解決問題，從而提高汽車效率。

F1賽車中最大的一個(gè)障礙是嚴(yán)苛的比賽環(huán)境。過高的溫度和過度振動(dòng)都會(huì)降低傳感器精度，最終損壞器件本身。任何電子器件都必須以最高效率運(yùn)行（圖3）。

在設(shè)計(jì)中必須滿足的一項(xiàng)要求是減小器件漂移。漂移是傳感器精度隨時(shí)間降低的趨勢，可能導(dǎo)致永久的器件損壞和不可逆的引擎故障。一輛賽車中通常使用大約一百個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集比較困難。

而且，比賽環(huán)境中還受到灰塵、燃油和濕氣等因素的影響。利用材料科學(xué)可以解決一部分問題，例如開發(fā)新材料來生產(chǎn)在嚴(yán)苛條件下仍能可靠運(yùn)行的器件。傳統(tǒng)的振動(dòng)保護(hù)集中在安裝硬件上，如果電子器件沒有防振保護(hù)，或者其本身的設(shè)計(jì)不能抵抗材料疲勞，則可靠性會(huì)隨時(shí)間降低。

圖3：一級方程式賽車中使用的連接器。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的測量值來自安裝在車體各個(gè)位置的傳感器。例如，常見的一級方程式賽車采用三個(gè)傳感器來測量車速：安裝在車輪上的霍爾效應(yīng)磁傳感器、Correvit光學(xué)傳感器和皮托管。

Watt說：“一級方程式賽車使用了皮托管空速傳感器，當(dāng)然還要考慮風(fēng)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(gè)很難準(zhǔn)確回答的問題，它通常需要對多個(gè)來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，還涉及模型及后期處理。”

用標(biāo)準(zhǔn)模型測量每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速可以解決打滑問題，光學(xué)傳感器則用于監(jiān)測賽道和GPS，還有一些傳感器用于測量溫度、角速度和線速度、角位移和線位移、壓力、材料應(yīng)力、加速度和磁場變化等。加速度計(jì)用于測量橫向重力（轉(zhuǎn)彎），以及檢測縱向重力（例如范圍為0至4g的制動(dòng)）。

傳感器的位置確定了用于進(jìn)行什么樣的檢測。雙軸傳感器可以同時(shí)測量轉(zhuǎn)向力和制動(dòng)力。非接觸溫度檢測通常針對制動(dòng)、電機(jī)和輪胎，紅外微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器用于溫度測量，可進(jìn)行非接觸溫度檢測。這些傳感器通常使用熱電堆材料來吸收被測物體發(fā)出的紅外能量，根據(jù)電壓的變化就能確定物體溫度。熱像儀用于監(jiān)測輪胎接觸區(qū)域的磨損并對發(fā)熱進(jìn)行控制。

變速箱轉(zhuǎn)矩和稱重傳感器等參數(shù)均以200Hz的頻率進(jìn)行記錄，即每秒200次。如果發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，則可能生成一個(gè)額外的日志，并改變采樣率，以得到賽車各個(gè)部分的振動(dòng)分析。每次賽車返回維修區(qū)時(shí)，F(xiàn)1工程師都會(huì)采集數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)上傳到專用服務(wù)器，以備不時(shí)之需?！霸诜治鰬壹芤苿?dòng)時(shí)，通常采用1kHz的采樣率；而進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)（通常是可靠性驗(yàn)證的一部分），則采用100kHz或更高的采樣率?！盬att說道。

遙測技術(shù)和正確的數(shù)據(jù)采集是F1賽事的重要一環(huán)，工程師能夠利用這些技術(shù)收集比賽中的大量數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)的分析，從而確保賽車處于最佳狀態(tài)。
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