不知道那边有没有EE的同学还是同事
读到一篇不错的文章
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
中文翻译版本在EET 电子工程专辑
工程师——F1车队致胜的幕后推手
作者 : Maurizio Di Paolo Emilio，EE Times Europe编辑暨EEWeb主编
类别 : EE人生
https://reurl.cc/3NA7QL
如今，一级方程式赛车的汽车实际上就是时速超过200公里的智慧连网资料系统。一级方
程式赛车的决胜因素是什么？是赛车手的技术，还是汽车技术？
https://i.imgur.com/vXfCsOw
一级方程式赛车(Formula 1；F1)中的决胜因素是什么？是赛车手的技术，还是汽车技术
？
1980年代，复杂的电子系统开始出现在一级方程式赛车中，这个长久以来争论的话题不
断上升至新的高度。如今，一级方程式赛车的汽车实际上就是时速超过200公里的智慧连
网资料系统(图1)。
https://i.imgur.com/lOu234t
图1：F1赛车中的汽车实际上就是时速超过200公里的智慧连网资料系统。(图片来源：
formula1.com)
F1业界雇用了许多工程师，他们的例行任务就是设计和管理由18,000个元件组成的系统，
从而不断最佳化F1赛车性能。这些元件包括传感器、电子控制单元(ECU)，以及同时支援
引擎和控制功能的机械元件。从机械与电子，到资料分析与空气动力学，F1赛车界的工程
师们工作范围非常广泛。在激烈竞争的赛车环境，哪怕是毫秒之差，都能决定是否成功。
F1工程师必须持续深入了解汽车的动态行为，不断地提高车辆的性能，而且不能违反这项
赛事的规则。
的确，国际汽车联盟(FIA)对于F1赛车采用的技术有严格的规定，以确保赛车手的安全。
许多商用汽车采用的解决方案在F1竞赛中都是禁止的，例如ABS系统和自动变速箱。
尽管如此，F1赛车近年来还是发生了根本的变化。随着遥测技术的出现，赛车工程师可以
对300多个传感器的资料进行分析，从而监测和改善汽车性能。这些传感器分布在汽车的
不同位置，能够即时测量数百个参数。各个数据点的资料由记录仪收集，并透过汽车前方
的天线无线传送给车队。
McLaren Racing电子产品负责人Stephen Watt在接受采访时说：“赛道上的汽车只是冰山
一角，实际上现在所有的车队在很大程度上都是由资料驱动的。在赛场范围内，资料透过
5Mb/s的遥测链路接收，并且可从各种车载记录仪下载。赛道旁和维修厂中的工程师可以
根据这些资料分析每辆车子的性能，并透过研究其他车队的成绩来进行战略分析。”
标准ECU和传感器
标准ECU (SECU)本质上是一台电脑，虽然很小但是功能强大，可以控制、处理并将大量资
料从F1赛车传送给车队，其控制功能针对引擎、变速箱、差速器和空气动力系统之间的互
动进行了最佳化(图2)。SECU还提供资料储存和采集功能，协助车队工作人员可利用遥测
技术即时控制比赛。因此，车队人员可以即时、直观地了解车辆性能，并且检查引擎健康
、轮胎磨损以及燃料消耗情况。
https://i.imgur.com/MDdpaGe
图2：标准ECU。(图片来源：McLaren Racing)
FIA要求所有F1车队必须采用McLaren Racing姊妹公司McLaren Applied提供的TAG-320B
SECU。TAG-320B为车队、动力装置供应商和FIA提供了一个共用平台。它可以管理各种功
能，从动力装置的核心操作，到八速变速箱的无缝换档，还能让FIA透过平台对控制软件
的功能进行限制，以确保相关人员不会违规启用诸如循迹控制等禁用的驾驶辅助，或者在
车队试图实施禁用控制功能时及时制止。
每辆F1赛车平均大约有300个传感器，SECU监控约4,000多个参数。在正常的比赛中，赛车
将会传输约3GB的遥测资料以及约4GB的日志记录。而这只不过是个引子，当这些资料被处
理并与其他资料(例如音讯和视讯分析)结合在一起时，可能意味着在一场典型的周末赛事
中，一个车队会留下超过1TB的宝贵资料，这些资料在每次比赛和每个赛季中都可以反复
利用。
单座赛车上的传感器可以监测所有参数，检查是否存在问题，让工程师可以根据收集到的
资料立即做出决策。例如，当一辆赛车与对手的赛车距离非常近时，传感器会侦测到引擎
温度升高，这时车队工作人员可以从赛场外提醒赛车手远离对手赛车的排气尾，直到汽车
温度降到报警值以下。
F1赛车使用三类传感器：与线控驱动功能相关的控制传感器(如油门踏板传感器)、监测感
测器(可追踪汽车的健康参数，如液压系统压力)，以及仪表传感器(如用于监测摩擦的非
接触式温度传感器)。
Watt说：“F1赛车角色多变。在资格赛和正式比赛中，它变身羽量级赛车，仅配备完成比
赛所需的最少设备，但即使在这种最少配置下，赛车的板载布线也超过1.5公里，并包含
200多个传感器。与之相反的极端情况是冬季测试，当我们对汽车进行检验时，一辆赛车
几乎就是一个行动中的测试实验室。”
他补充说：“我们做的很多事都源于对高品质资料的需求。多年来，随着技术的发展和比
赛规则的变化，以及赛道测试的减少，人们越来越需要深刻了解赛车在赛道上的每一次行
驶。”
Watt指出，在新冠肺炎(COVID-19)疫情期间，F1赛事的规则也发生了新的变化，某些汽车
开发领域被冻结以减少开支，“这再次改变了游戏规则，使我们在成本、供应链以及充份
利用现有优势等方面，面临比以往更大的挑战。”
FIA的另一项要求是使用流体流量计(FFM)，这项要求2014年开始实施，它采用超音波来确
保高精度的测量结果，从而能够即时分析车辆的燃油性能。超音波流体流量测量采用两个
压电换能器来回发送超音波脉冲，并利用飞行时间(ToF)计算来确定流体流速。
遥测技术
遥测技术于1980年代后期导入F1竞赛，并在过去几年趋于完善。双向遥测可以轻松记录汽
车特性，让工程技术团队能够清楚掌握赛场情况，并处理性能资料。现在，大量资料的收
集与传输可以在百分之几秒的时间内完成，让F1工程师能够近乎即时地向赛车手提供战术
建议。
但是，FIA的人员们从未正式允许双向遥测，可能他们并不希望这一技术被采用，实际上
当他们认识到车队使用这一技术可能产生的不良影响时，甚至还短暂地禁止过该技术。
可以透过遥测技术和资料分析系统进行管理的参数包括引擎、引擎煞车、扭矩控制、引擎
喷射和点火，其它使用遥测技术的还有底盘、轮胎、油门操作、车速，以及通过机械车辆
的渗透系数所进行的空气动力学调节。
Watt说：“遥测一词在F1赛车中有时会被误用，它通常指的是车载无线资料的传输，这些
资料在SECU中产生，发送给赛道旁的车队维修区工作人员。近年来，F1中使用的遥测系统
发生了一些非常实用的变化。过去每支车队都会将各自的无线电遥测系统带到赛道旁边，
维修区看起来就像是一片高度不断增加的伸缩式桅杆森林。当无线电频谱变得越来越拥挤
，如果不管到哪里都必须带着它，而且还要受当地无线电频谱法规的约束时，一切就变成
了噩梦。”
“最重要的是，在某些国家，如摩纳哥和新加坡，这些系统通常无法完全覆蓋特定的赛道
，因此一些车队开始在酒店等类似场所部署中继器。”Watt补充道，“所幸一级方程式管
理阶层(FOM)和FIA介入并导入了标准通讯系统，为所有车队提供驾驶语音无线电和遥测链
路。现在，FOM会在赛道周围放一个接取点(AP)共用系统，透过光纤链路将加密资料从每
辆赛车传送到车队。”
他说：“遥测链路现在是所有F1车队正常运作的重要组成部份。由于汽车和动力装置组合
极其复杂，加上赛事规则的限制(车队必须确保引擎和变速箱能连续参加多场比赛)，如果
不使用传感器、ECU和遥测链路来掌握汽车的健康状况，那么赛车几乎不可能行驶在赛道
上，或者赛道边的F1工程师也无法在重要的动力传动元件出现灾难性故障之前及时介入。
如果不加以预防，这类故障可能会导致赛车手失去宝贵的参赛机会，甚至导致车队受到惩
罚。”
透过收集煞车、转弯速度、变速箱、车轮转动、变速箱寿命以及引擎最有效运转速度范围
等资料，传感器可以协助车队监控车辆与赛车手，使其达到最佳状态。这些撷取到的资料
还可用于即时分析引擎性能，以便车队工程师采取相应措施，远端解决问题，从而提高汽
车效率。
F1赛车中最大的一个障碍是严苛的比赛环境。过高的温度和过度振动都会降低传感器的精
度，最终损坏元件本身。任何电子元件都必须以最高效率运作(图3)。
在设计中必须满足的一项要求是减小元件漂移。漂移是传感器精度随时间降低的趋势，可
能导致永久的元件损坏和不可逆的引擎故障。实现精准的资料撷取毕竟较困难，因此一辆
赛车中通常使用大约一百个传感器。
而且，比赛环境还受到灰尘、燃油和湿气等因素的影响。利用材料科学可以解决一部份问
题，例如开发新材料来生产在严苛条件下仍能可靠运行的元件。传统的振荡保护集中在安
装硬件上，如果电子元件没有防振荡保护，或者本身的设计不能抵抗材料疲劳，则可靠性
会随时间降低。
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图3：一级方程式赛车中使用的连接器。(图片来源：McLaren Racing)
资料撷取系统
资料撷取系统所记录的测量值来自安装在车体各个位置的传感器。例如，常见的一级方程
式赛车采用三个传感器来测量车速：包括安装在车轮上的霍尔效应(Hall-effect)磁传感
器、Correvit光学传感器和皮托管(Pitot Tube)。
Watt说：“一级方程式赛车使用了皮托管空速传感器，当然还要考虑风速的影响。因此，
如果问F1赛车速度究竟有多快，这可能是一个很难准确回答的问题，它通常需要对多个来
源的资料进行统计分析，还涉及模型及后期处理。”
用标准模型测量每个车轮的转速可以解决打滑的问题，光学传感器用于监测赛道和GPS，
还有一些传感器用于测量温度、角速度和线速度、角位移和线位移、压力、材料应力、加
速度和磁场变化等。加速度计用于测量横向重力(转弯)，以及检测纵向重力(例如范围为0
至4g的煞车)。
传感器的位置确定用于检测的方向。双轴传感器可以同时测量转向力和煞车力。非接触温
度检测通常针对煞车、马达和轮胎，红外微机电系统(MEMS)传感器用于温度测量，可进行
非接触温度检测。这些传感器通常使用热电堆材料来吸收被测物体发出的红外能量，并根
据电压的变化确定物体温度。热像仪用于监测轮胎接触区域的磨损并对发热进行控制。
传动扭矩和称重传感器等参数则以200Hz的频率进行记录，即每秒200次。如果车子发生强
烈振动，则可能产生一个额外的记录，并改变取样速率，以取得车子各个部份的振动分析
。每次赛车返回维修区时，F1工程师都会采集资料并将这些资料上传到专用服务器，以备
不时之需。Watt说：“在分析悬吊移动时，通常采用1kHz的取样速率；而进行振动分析时
(通常是可靠性验证的一部分)，则采用100kHz或更高的取样速率。”
遥测技术和正确的资料撷取是F1赛事的重要一环，工程师能够利用这些技术收集比赛中的
大量资料，针对这些资料进行分析与诠释，并用于确保赛车处于最佳状态。
心得:
EE能毕业后去赛车圈工作要抽卡抽几次?