一級方程式賽車（F1）中的決勝因素是什么？是賽車手的技術，還是汽車技術？80年代，復雜的電子系統開始出現在一級方程式賽車中，這個長期爭論的問題便上升到一個新的高度。如今，一級方程式錦標賽中的賽車實際上就是時速超過200公里的智能聯網數據系統。

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圖1：F1錦標賽中的賽車實際上是時速超過200公里的智能聯網數據系統。

F1行業雇用了許多工程師，他們的日常工作就是設計和管理由18，000個組件組成的系統，不斷優化賽車性能。這些組件包括傳感器、電子控制單元（ECU），以及同時支持引擎和控制功能的機械部件。從機械與電子到數據分析與空氣動力學，F1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工程師對汽車動態行為的理解必須持續深入，不斷提高汽車的性能，同時還不能違反運動規則。

的確，國際汽車聯盟（FIA）對F1賽車采用的技術有嚴格的規定，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系統和自動變速箱。

盡管如此，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，賽車工程師可以通過對300多個傳感器的數據進行分析來監測和改善汽車性能。這些傳感器分布在汽車的不同位置，能夠實時測量數百個參數。各個數據點的數據由記錄儀收集，并通過汽車前部的天線無線傳送給車隊。

McLaren Racing公司電子產品負責人Stephen Watt在接受筆者采訪時說：“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數據驅動的。在賽場內，數據通過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這些數據分析每輛賽車的性能，并通過研究其他車隊的成績來進行戰略分析。”

標準ECU和傳感器

標準ECU（SECU）本質上是一臺計算機，雖然很小但是功能強大，可以控制、處理并將大量數據從F1賽車傳輸給車隊，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交互進行了優化（圖2）。SECU還提供數據存儲和采集功能，使車隊工作人員可利用遙測技術實時控制比賽。因此，車隊工作人員可以實時、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：標準ECU。

FIA要求所有F1車隊必須采用McLaren Racing的姊妹公司McLaren Applied提供的TAG-320B SECU。TAG-320B為車隊、動力裝置提供商和FIA提供了一個共享平臺。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，還允許FIA通過平臺對控制軟件的功能進行限制，以確保相關人員不會違規啟用諸如牽引力控制等禁用的駕駛輔助功能，至少在車隊試圖實施禁用的控制功能時制止他們。

每輛F1賽車平均大約有300個傳感器，SECU監控的參數有4，000多個。在正常的比賽中，賽車將傳輸約3GB的遙測數據以及約4GB的日志記錄。而這只不過是個引子，當這些數據被處理并與其他數據（例如音頻和視頻分析）結合在一起時，可能意味著在一場典型的周末賽事中，一個車隊會留下超過1TB的寶貴數據，這些數據在每次比賽和每個賽季中都可以反復利用。

單座賽車上的傳感器可以監測所有參數，檢查是否存在問題，使工程師可以根據收集到的數據立即做出決策。例如，當一輛賽車與對手的賽車距離非常近時，傳感器會檢測到引擎溫度升高，這時車隊工作人員可以從賽場外提醒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賽車使用三類傳感器：與線控驅動功能相關的控制傳感器（如油門踏板傳感器）、監測傳感器（可跟蹤汽車的健康參數，如液壓系統壓力），以及儀表傳感器（如用于監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多個傳感器。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車輪上的測試實驗室。

他補充說：“我們做的很多事都源于對高質量數據的需求。多年來，隨著技術的發展和比賽法規的變化，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。”

Watt指出，在新冠疫情期間，F1賽事的法規也發生了新的變化，某些汽車開發領域被凍結以減少開支，“這再次改變了游戲規則，使我們在成本、供應鏈以及充分利用我們現有的優勢等方面，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，它采用超聲波來確保高精度的測量結果，從而能夠即時分析賽車的燃油性能。超聲流體流量測量采用兩個壓電換能器互相發送超聲脈沖，并利用飛行時間計算來確定流體流速。

遙測

遙測技術于80年代后期引入F1錦標賽，并在過去幾年趨于完善。雙向遙測可以輕松記錄賽車特性，使技術團隊能夠清楚了解賽場情況，并處理性能數據。現在，大量數據的收集與傳輸可以在百分之幾秒的時間內完成，使F1工程師能夠近乎實時地向車手提供戰術建議。

但是，FIA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被采用，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。

可以通過遙測技術和數據分析系統進行管理的參數包括引擎、引擎制動、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系數進行的空氣動力學調節。

Watt說：“遙測這個術語在F1賽車中有時會被誤用，它通常指的是車載無線數據的傳輸，這些數據在SECU中生成，發送給賽道邊車隊維修區的工作人員。近年來，F1中使用的遙測系統發生了一些非常有用的變化。過去每個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時，如果不管到哪里都必須帶著它，而且還要受當地無線電頻譜法規的約束，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，這些系統通常不能完全覆蓋賽道，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，”幸好FOM（F1管理公司）和FIA介入并引入了標準通信系統，為所有車隊提供車手語音無線電和遙測鏈路。現在，FOM會在賽道周圍放一個接入點共享系統，通過光纖鏈路將加密數據從每輛賽車傳送到車隊。”

他說：“遙測鏈路現在是所有一級方程式車隊正常運作的重要組成部分。由于汽車和動力裝置很復雜，加上運動規則的限制（車隊必須保證引擎和變速箱連續參加多場比賽），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力總成組件出現災難性故障之前進行干預，那么賽車幾乎不可能行駛在賽道上。如果不加預防，這類故障可能會導致車手失去寶貴的參賽機會，甚至會使車隊受到懲罰。”

通過收集制動、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范圍等數據，傳感器可以幫助車隊監控汽車及車手，使其達到最佳狀態。這些數據可用于實時分析引擎性能，以便車隊工程師采取相應措施，遠程解決問題，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行（圖3）。

在設計中必須滿足的一項要求是減小器件漂移。漂移是傳感器精度隨時間降低的趨勢，可能導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傳感器，實現精準的數據采集比較困難。

而且，比賽環境中還受到灰塵、燃油和濕氣等因素的影響。利用材料科學可以解決一部分問題，例如開發新材料來生產在嚴苛條件下仍能可靠運行的器件。傳統的振動保護集中在安裝硬件上，如果電子器件沒有防振保護，或者其本身的設計不能抵抗材料疲勞，則可靠性會隨時間降低。

圖3：一級方程式賽車中使用的連接器。

數據采集系統

數據采集系統記錄的測量值來自安裝在車體各個位置的傳感器。例如，常見的一級方程式賽車采用三個傳感器來測量車速：安裝在車輪上的霍爾效應磁傳感器、Correvit光學傳感器和皮托管。

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數據進行統計分析，還涉及模型及后期處理。”

用標準模型測量每個車輪的轉速可以解決打滑問題，光學傳感器則用于監測賽道和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、材料應力、加速度和磁場變化等。加速度計用于測量橫向重力（轉彎），以及檢測縱向重力（例如范圍為0至4g的制動）。

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

變速箱轉矩和稱重傳感器等參數均以200Hz的頻率進行記錄，即每秒200次。如果發生強烈振動，則可能生成一個額外的日志，并改變采樣率，以得到賽車各個部分的振動分析。每次賽車返回維修區時，F1工程師都會采集數據并將這些數據上傳到專用服務器，以備不時之需。“在分析懸架移動時，通常采用1kHz的采樣率；而進行振動分析時（通常是可靠性驗證的一部分），則采用100kHz或更高的采樣率。”Watt說道。

遙測技術和正確的數據采集是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數據，并對這些數據的分析，從而確保賽車處于最佳狀態。
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