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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？
https://i.imgur.com/vXfCsOw
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)。
https://i.imgur.com/lOu234t
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。
https://i.imgur.com/MDdpaGe
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。
https://i.imgur.com/SJ838ZX
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?