تلمتری و جریان داده در F1

تلمتری در F1 جریان داده‌ای است که به صورت لحظه‌ای از خودروی مسابقه به دیوار باکس و گاراژ جریان می‌یابد؛ صدها حسگر روی خودرو، همراه با اطلاعات سرعت و ترمز، همه چیز از جمله فشار لاستیک، سطح سوخت و سلامت موتور را با دقت هزارم ثانیه به مهندسان منتقل می‌کند. در Formula 1 مدرن، بیشترِ استراتژی، عملکرد راننده و تصمیمات فنی، محصول این زنجیره داده نامرئی است.

در حین تماشای یک مسابقه F1 پای صفحه نمایش، آیا تا به حال به این فکر کرده‌ای که مهندسان پشت دیوار باکس چگونه، پیش از آنکه تو آن دور را تمام کنی، می‌دانند روی لاستیک‌های راننده چه می‌گذرد، چقدر سوخت باقی مانده و آیا ترمزها رو به تمام‌شدن هستند یا نه؟ پاسخ در یک کلمه است: تلمتری. و باور کن، وقتی یک بار به داخل این ماجرا نگاه کنی، دیگر هرگز F1 را با همان نگاه قبلی تماشا نمی‌کنی.

تلمتری چیست و خودرو چند حسگر دارد؟

تلمتری به طور خلاصه یعنی انتقال لحظه‌ای تمام داده‌هایی که خودروی مسابقه در پیست جمع می‌کند به دیوار باکس و گاراژ. حسگرهایی که از زیر تا روی خودرو پخش شده‌اند، همه چیز را پیوسته اندازه‌گیری می‌کنند و آن‌ها را با امواج رادیویی به تیم می‌فرستند. می‌توانی خودرو را نه صرفاً یک وسیله نقلیه، بلکه مانند دسته‌ای از حسگرهای متحرک متصل به یک رایانه عظیم تصور کنی. حتی در منابع علمی هم از تشبیه «ابررایانه متحرک» برای این موضوع استفاده می‌شود.

خب چند حسگر وجود دارد؟ کریستین استیون، از مهندسان توسعه الکترونیک مرسدس، می‌گوید در یک آخر هفته مسابقه معمول بیش از 250 حسگر روی خودرو وجود دارد؛ برخی منابع امروزی این عدد را به بیش از 300 می‌رسانند. حسگرها به سه دسته بزرگ تقسیم می‌شوند: کنترل، ابزار دقیق و پایش. واحد قدرت، شاسی، سیستم تعلیق، لاستیک‌ها، آیرودینامیک و کنترل‌های راننده همگی به این شبکه متصل‌اند. FIA همچنین تیم‌ها را ملزم به استفاده از سیستم TPMS کرده که فشار لاستیک را به طور پیوسته پایش می‌کند؛ و روی بال‌ها و کف خودرو، حسگرهای تصویربرداری حرارتی وجود دارند که دمای سطح لاستیک و تخریب آن را اندازه‌گیری می‌کنند. یعنی دیگر فقط «حس» راننده نیست که می‌فهمد لاستیک چه می‌کند، بلکه حسگرهایی که مانند دوربین می‌توانند ببینند هم می‌دانند.

سرعت‌های داده هم یکنواخت نیستند؛ از 1 هرتز تا 1 کیلوهرتز تغییر می‌کنند. وقتی پای داده‌های ارتعاش در میان باشد، تا 200 هزار نمونه در ثانیه هم می‌رسند. فهرست کانال‌های رصدشده باورنکردنی طولانی است: سرعت، سرعت چرخ‌ها، زاویه فرمان، ترمز جلو و عقب، بالانس ترمز، دنده، دور موتور، باد لاستیک‌ها، DRS، حالت موتور، گشتاور، سوخت، دلتای آخرین دور، نیروهای گریز از مرکز، کلاچ، نیروی رو به پایین، فشار هیدرولیک و روغن، دمای موتور، گیربکس، اگزوز... فهرست همچنان ادامه دارد اما منظور را فهمیدی: هر ذره ماشین در حال حرف زدن است.

داده چگونه از ماشین خارج شده و به گاراژ می‌رسد؟

سنسورها به صورت آنالوگ یا از طریق خطوط CAN bus به ECU خودرو متصل می‌شوند. ECU برای هر تیم یک تولید استاندارد و اختصاصی است؛ McLaren آن را تولید می‌کند و همه تیم‌ها از سخت‌افزار یکسانی استفاده می‌کنند. ECU داده را رمزگذاری کرده و از طریق آنتن‌های جلوی خودرو به گاراژ ارسال می‌کند. برخی داده‌ها هم به روش کلاسیک، یعنی با اتصال کابلی لپ‌تاپ در پیت جمع‌آوری می‌شوند؛ به این کار offload گفته می‌شود و بدین ترتیب داده‌های اضافه‌ای که انتقال زنده قادر به حملشان نیست را دانلود می‌کنند.

داده زنده به ازای هر دور حدود 30 مگابایت است؛ با offload در پیت این مقدار می‌تواند دو تا سه برابر شود. در مجموع یک آخر هفته گرندپری هم درباره چند ترابایت داده به ازای هر خودرو صحبت می‌کنیم؛ با احتساب ویدیو این مقدار باز هم بیشتر می‌شود. در آخر هفته گرندپری مکزیک 2022 تنها بین پیست و کارخانه حدود 11 ترابایت داده منتقل شد. یک مسئله دیگر هم تأخیر است: در مسابقات اروپا داده در 10-15 میلی‌ثانیه به دیوار پیت می‌رسد، اما در مسابقات دور مثل استرالیا یا ژاپن این زمان به 300-400 میلی‌ثانیه جهش می‌کند. برای انسان محسوس نیست اما برای مهندسانی که با هزارم ثانیه زندگی می‌کنند این تفاوت بزرگ است. همان‌جا اشاره کنم: زیرساخت تلمتری خودش برای همه تیم‌ها مشترک است؛ این سیستم که پوشش 100 درصدی روی پیست ارائه می‌دهد، یکی از نمونه‌های نادر همکاری میان تیم‌هاست. در سمت تحلیل نیز بیشتر تیم‌ها از نرم‌افزار Atlas شرکت McLaren Applied استفاده می‌کنند.

زمان از دست رفته در دور تعیین خط چگونه پیدا می‌شود؟

دورهای تعیین خط لحظه‌ای هستند که تحلیل تلمتری در اوج هیجان خود قرار دارد. به محض اینکه راننده از ماشین پیاده می‌شود، در همان فاصله کوتاه بین دو کوئالی، همراه با مهندس عملکرد به صفحه نمایش فرو می‌روند. هدف یکی است: پیدا کردن اینکه زمان کجا از دست رفته است. تیمی که بعدازظهر شنبه نتواند 0,1 ثانیه پیدا کند، بعدازظهر همان روز از جایگاه عقب‌تری مسابقه را شروع می‌کند. اما این چطور انجام می‌شود؟

کلمه جادویی این کار دلتا است. دلتا یعنی تفاوت بین دو نقطه داده؛ داده‌های دو دور یا دو راننده را روی هم می‌گذارند و تفاوت زمانی میانشان را در طول پیست تجسم می‌کنند. فرض کنیم راننده شما در پیچ 4 نسبت به هم‌تیمی‌اش 0,15 ثانیه می‌بازد. به نمودار دلتا نگاه می‌کنی و کانال‌های دیگر آنجا را ورق می‌زنی: آیا مشکلی در فشار ترمز هست، آیا راننده قبل از پیچ خط را عوض کرده، آیا تعویض گاز دیر شده؟ به سرعت و ریز به ریز قابل تفکیک است. و برای مقایسه، هم‌تیمی تنها راه نیست؛ دورهای سال‌های گذشته، کوئالی‌های شبیه‌سازی‌شده یا بهترین دورهای خود راننده هم روی میز هستند.

تحلیل سکتورها هم هست. وقتی بهترین زمان‌های راننده در S1 و S2 و S3 با هم ترکیب می‌شوند، سریع‌ترین دور تئوری به دست می‌آید. اختلاف بزرگ بین دور واقعی و دور تئوری نشان می‌دهد که هنوز پتانسیلی در خودرو استفاده نشده است. با نگاه به اینکه راننده در کدام سکتورها سریع و در کدام‌ها کند است، می‌توان به عدم تعادل ستاپ پی برد؛ مثلاً اگر بخش‌های پرسرعت خوب باشد اما چسبندگی در پیچ‌ها کم باشد، درک اینکه تعادل خودرو به کدام سمت متمایل شده بسیار آسان می‌شود. جمعه‌شب‌ها رانندگان هم این داده‌ها را دوباره مرور می‌کنند؛ تاکتیک کلاسیفای و مسابقه همان شب شکل می‌گیرد.

روز مسابقه: داده‌های سوخت و لاستیک چگونه استراتژی را تعیین می‌کنند؟

استراتژی مسابقه دو تصمیم اصلی دارد: پیت‌استاپ چه زمانی انجام شود و کدام ترکیب لاستیک انتخاب شود؛ هارد، مدیوم یا سافت؟ پشت این تصمیم‌ها مدل‌سازی داده‌ای محکمی قرار دارد. استراتژیست‌ها با نگاه به چیدمان پیست، تمپ مورد انتظار مسابقه و نرخ مصرف سوخت، بار بهینه سوخت را محاسبه می‌کنند. در محیطی که هوا، پیست و رقبا می‌توانند تغییر کنند، این محاسبه به طور مداوم به‌روزرسانی می‌شود.

در سمت لاستیک‌ها اوضاع جالب‌تر می‌شود. در دورهای تمرینی، تیم‌ها عمر لاستیک را رصد می‌کنند، مصرف سوخت را زیر نظر دارند و شبیه‌سازی سناریوها را اجرا می‌کنند. به‌ویژه ران‌های طولانی‌تر از 5 دور عملاً به‌عنوان تمرین مسابقه خوانده می‌شوند: منحنی‌های افت عملکرد دو تیم با یک ترکیب مقایسه می‌شود و مدل‌سازی می‌شود که یک استاپ بهتر است یا دو. هرچه سوخت تمام شود و خودرو سبک‌تر شود، افت لاستیک هم کمتر و عملکرد بیشتر می‌شود؛ به همین دلیل انجام حرکت در دورهای پایانی مسابقه می‌تواند منطقی باشد. با کمک تلمتری، مهندس وقتی راننده هنوز فرسایش ترمزها را حس نکرده، سه دور قبل چه اتفاقی افتاده را روی صفحه می‌بیند.

آندرکات، اُورکات و تصمیم‌های لحظه‌ای دیوار پیت

بگذار قسمت موردعلاقه‌ام را برایت بگویم: آندرکات. یعنی یک دور زودتر از رقیب وارد پیت شوی و با لاستیک نو جلوی او باشی وقتی که او از پیت خارج می‌شود. اُورکات دقیقاً برعکس است؛ در پیت می‌مانی و بعد از اینکه رقیب به پیت رفت، روی پیست دورهای سریع می‌زنی. اینکه کدام بهتر است، به داده افت لاستیک و احتمال سبقت‌گیری روی پیست بستگی دارد. بدون تلمتری این تصمیم‌ها کاملاً به غریزه واگذار می‌شد. اما وقتی داده وجود دارد، مهندس می‌تواند لحظه آندرکات را از قبل مدل‌سازی کرده و دقیقاً دور درست را محاسبه کند. اگر فرسایش لاستیک کم باشد، طرح‌های جسورانه‌ای مثل رانندگی تهاجمی در دورهای پایانی در حالی که رقیب از لاستیک‌هایش محافظت می‌کند، هم روی میز می‌آید.

دیوار پیت در این میان بیکار نیست؛ مهندس‌ها تلمتری را در لحظه دنبال می‌کنند و استراتژی را هدایت می‌کنند. هوش مصنوعی هم دیگر سر میز است؛ مطالعات تحلیل پیش‌بینانه‌ای وجود دارد که از داده سنسورها خرابی‌های مکانیکی را از قبل نشان می‌دهد. همچنین در سمت پخش‌کننده، سیستم‌های تحلیلی که با داده بلادرنگ شرایط پیست، وضعیت هوا و استراتژی رقبا را پیش‌بینی کرده و رتبه‌بندی‌های تصویری به بیننده ارائه می‌دهند، نیز روی همین جریان داده کار می‌کنند. یعنی آن گرافیک‌های شکیلی که در تلویزیون می‌بینی هم حاصل همان سنسورها هستند.

سمت کارخانه: Mission Control و زنجیره داده

تلمتری فقط در پیست نمی‌ماند؛ اولین حلقه از یک زنجیره عظیم که از پیست تا کارخانه امتداد دارد. از حسگرهای خودرو به ECU، از آنجا رمزگذاری شده به باکس‌ها، از آنجا به گاراژ و در نهایت به کارخانه. در سمت کارخانه، داده‌ها روی دینامومتر، در شبیه‌ساز، بخش‌های آیرودینامیک و تونل باد پردازش می‌شوند. یعنی یک لرزش که صبح شنبه در پیست اندازه‌گیری شده، در طول هفته در کارخانه می‌تواند به طراحی یک قطعه جدید تبدیل شود.

در پیست هم سلسله‌مراتب روشن است. در نمونه مرسدس، برای هر خودرو پنج نقش مهندسی کلیدی وجود دارد: تخصص‌هایی مانند Race Engineer، Performance Engineer، Controls Engineer و Engine Performance. هر کدام مسئول بخش متفاوتی از تلمتری هستند. ورودی‌های راننده یعنی ترمز، گاز، زاویه فرمان، دکمه‌های روی فرمان، داده حسگرهای آیرودینامیک و مقادیر دما-فشار واحد قدرت همگی به این تیم‌ها جریان دارند.

اتاق‌های "Mission Control" در کارخانه، پل ارتباطی میان پیست و مهندسان طراحی هستند. این اتاق‌ها که تیم استراتژی را نیز در خود جای داده‌اند، مانند مرکز تکنولوژی مک‌لارن یا استون مارتین، جریان‌های داده و شبیه‌سازی‌ها را حتی از هزاران کیلومتر دورتر از پیست مسابقه به‌صورت زنده دنبال می‌کنند. در حین مسابقه، یک مهندس در کارخانه می‌تواند همزمان با همکارش روی وال پییت به یک نمودار واحد نگاه کند. باورنکردنی است، نه؟

آیا داده همه چیز است؟ عامل انسانی

خب، همه چیز روی صفحه است، اما ماشین به همه چیز پاسخ نمی‌دهد. مهندسان باتجربه در مواردی که دانش زمینه‌ای مطرح می‌شود که شبیه‌ساز نمی‌تواند آن را ثبت کند، می‌توانند مدل را باطل کنند. حس راننده نسبت به لاستیک بهترین مثال این است؛ حتی اگر صفحه بگوید "لاستیک خوب است"، خلبان می‌تواند بگوید "تنظیم باله عقب برای من عالی است" و این ترجیح ذهنی با داده پاک و حذف نمی‌شود. فرمول 1 همچنان کار مشترک انسان و ماشین است؛ داده یک دستیار قدرتمند است، اما پشت فرمان هنوز یک انسان نشسته است.

تاریخچه کوتاه تلمتری: از 1978 تا امروز

همه چیز نسبتا فروتنانه آغاز شد. در 1978، کن تیرل دکتر کارل کمف، فیزیکدان آمریکایی را به تیم افزود. کمف روش تلمتری ضبط‌شده روی نوار مغناطیسی را که در گودیر توسعه داده بود، به فرمول 1 آورد؛ با حسگرها سرعت، حرکات تعلیق، نیروهای جهت‌دار، گاز و ترمز ثبت می‌شد. حدس بزن چقدر پرزحمت بود؛ حتی افزودن یک میکروپروسسور در آن دوران به دلیل مشکلات نویز الکتریکی و لرزش، گیج‌کننده بود.

سپس کامپیوترها وارد میدان شدند و همه چیز تغییر کرد. داده ها دقیق تر شدند، سنسورها کوچک تر و بیشتر شدند؛ تلمتری مستقیماً به رشد نمایی فناوری مسابقه کمک کرد. امروز به نقطه ای رسیده ایم که ماشین تقریباً بی نقص شده و پیشرفت به یک فلات رسیده است. فکر کن: از چند کانال ضبط شده روی یک نوار در سال 1978 تا 1.1 میلیون نقطه داده در هر ثانیه امروز. این جهش در نزدیک به 50 سال، فرمول 1 را از یک مسابقه صرف سرعت به یک مسابقه داده نیز تبدیل کرد. دفعه بعد که مسابقه بعدی را پشت صفحه تماشا می کنی، نگاهی به دیوار پیت بینداز؛ آنجا دیگر فقط مهندسان گیج نمی بینی، بلکه آدم هایی را می بینی که طوفان داده های لحظه ای را مدیریت می کنند.

منابع

• Feature: Data and Electronics in F1, Explained!
• INSIGHT: The Trackside Engineers
• Formula One Telemetry: Explained
• How Data Works in Formula 1
• How Data Moves in Motorsport
• F1 race cars have 300 sensors
• F1 Race Charts Explained: Lap Times, Tyres & Telemetry
• How F1 Teams Use Telemetry, Control, and Analytics to Go Faster
• How Race Strategy Works In Formula 1
• A Look Inside a Formula One Team's Mission Control
• F1 Insights - AWS