Telemetria i przepływ danych w Formule 1

W Formule 1 telemetria to strumień danych płynących w czasie rzeczywistym z samochodu wyścigowego na mur pitowy i do garażu; setki czujników w pojeździe przekazuje inżynierom z dokładnością do tysięcznych sekundy wszystko - od danych o prędkości i hamowaniu po ciśnienie w oponach, poziom paliwa i stan silnika. We współczesnej Formule 1 strategia, występ kierowcy i większość decyzji technicznych to efekt tego niewidzialnego łańcucha danych.

Oglądając wyścig F1 przed ekranem, czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak inżynierowie na murze pitowym wiedzą, co dzieje się z oponami kierowcy, zanim jeszcze skończy okrążenie, ile zostało paliwa i czy hamulce nie są na granicy zużycia? Odpowiedź to jedno słowo: telemetria. I wierz mi, kiedy raz przyjrzysz się tej tematyce, nigdy już nie będziesz patrzeć na F1 tak samo.

Czym jest telemetria i ile czujników ma bolid?

Telemetria to w skrócie przesyłanie w czasie rzeczywistym wszystkich danych zbieranych przez samochód wyścigowy na torze na mur pitowy i do garażu. Czujniki rozsiane po całym samochodzie nieustannie mierzą wszystko i wysyłają te informacje do zespołu za pomocą fal radiowych. Samochód można sobie wyobrazić raczej jako wiązkę czujników podłączoną do ogromnego komputera niż jako pojazd. W literaturze przedmiotu używa się wręcz porównania do "superkomputera w ruchu".

Ile więc jest tych czujników? Christine Steven, jedna z inżynierów rozwoju elektroniki Mercedesa, mówi, że w trakcie przeciętnego weekendu wyścigowego w bolidzie znajduje się ponad 250 czujników; niektóre aktualne źródła podają tę liczbę jako powyżej 300. Czujniki dzielą się na trzy główne kategorie: kontrola, instrumentacja i monitorowanie. Jednostka napędowa, podwozie, skrzynia biegów, opony, aerodynamika i systemy sterowania - wszystko to podłączone jest do tej sieci. FIA wprowadza dla zespołów obowiązkowy system TPMS do ciągłego monitorowania ciśnienia w oponach; na wyrogłych końcach płata i na podłodze znajdują się czujniki obrazowania termicznego mierzące temperaturę powierzchni opony i jej degradację. O tym, co dzieje się z oponą, nie wie już więc tylko kierowca dzięki "wyczuciu" - wiedzą też czujniki, które potrafią patrzeć jak kamery.

Częstotliwości przesyłania danych też nie są jednolite; zmieniają się od 1 Hz do 1 kHz. W przypadku danych o drganiach można osiągnąć nawet 200 tysięcy próbek na sekundę. Lista monitorowanych kanałów jest niewiarygodnie długa: prędkość, prędkości kół, kąt kierownicy, przednie i tylne hamulce, balans hamulców, bieg, obroty silnika, ciśnienie w oponach, DRS, tryb silnika, moment obrotowy, paliwo, delta ostatniego okrążenia, siły odśrodkowe, sprzęgło, docisk, ciśnienie hydrauliczne i oleju, temperatura silnika, skrzynia biegów, wydech... Lista jest jeszcze dłuższa, ale rozumiesz sedno: każda cząstka samochodu mówi.

Jak Dane Wychodzą z Samochodu i Tracają do Garażu?

Czujniki łączą się z ECU pojazdu w sposób analogowy albo przez linie magistrali CAN. ECU jest produkcją standardową i dedykowaną dla każdego zespołu; produkuje ją McLaren i wszystkie zespoły korzystają z tego samego sprzętu. ECU szyfruje dane i wysyła je do garażu za pośrednictwem anten z przodu pojazdu. Niektóre dane zbierane są natomiast klasyczną metodą, czyli przez podłączenie laptopa kablem na padocku; nazywa się to offload i w ten sposób pobierają dodatkowe dane, których transmisja na żywo nie jest w stanie przenieść.

Dane na żywo to około 30 MB na okrążenie; dzięki offloadowi na padocku ta ilość może wzrosnąć dwa, trzy razy. A w całym weekendzie Grand Prix mówimy o kilku terabajtach na samochód; gdy doliczymy wideo, ta ilość rośnie jeszcze bardziej. Podczas weekendu GP Meksyku w 2022 roku przeniesiono około 11 terabajtów danych tylko między torem a fabryką. Jest jeszcze kwestia opóźnienia: na wyścigach w Europie dane docierają do muru boksów w 10-15 ms, a na dalekich wyścigach, jak w Australii czy Japonii, ten czas skacze do 300-400 ms. Dla człowieka niezauważalne, ale dla inżynierów żyjących tysięcznymi sekundy różnica jest duża. Przy okazji zaznaczę coś jeszcze: infrastruktura telemetrii sama w sobie jest wspólna dla wszystkich zespołów; ten system, zapewniający 100% pokrycia toru, to jeden z rzadkich przykładów współpracy między zespołami. Po stronie analizy większość zespołów korzysta z oprogramowania Atlas firmy McLaren Applied.

Jak Znajduje się Czas Stracony w Sesji Kwalifikacyjnej?

Sesje kwalifikacyjne to moment, w którym analiza telemetrii jest najbardziej ekscytująca. Gdy tylko kierowca schodzi z bolidu, w tej krótkiej przerwie między przejazdami wspólnie z inżynierem wydajnościowym zagłębiają się w ekrany. Cel jest jeden: znaleźć, gdzie ginie czas. Zespół, który w sobotę w południe nie znajdzie 0,1 sekundy, po południu startuje z dalszego miejsca na gridzie. A jak się to robi?

Magicznym słowem jest tu delta. Delta to różnica między dwoma punktami danych; nakładają na siebie dane dwóch okrążeń albo dwóch kierowców i wizualizują różnicę czasową wzdłuż całego toru. Powiedzmy, że twój kierowca traci 0,15 sekundy w średniku za kolegą z zespołu. przeciwko koledze z zespołu. Patrzysz na wykres delty i przekopujesz pozostałe kanały w tym miejscu: czy jest problem z ciśnieniem hamulców, czy kierowca zmienił linię przed zakrętem, czy może opóźniło się wciśnięcie gazu? Można to natychmiast rozebrać na czynniki pierwsze. A do porównania nie ma innego wyjścia niż kolega z zespołu; na stole są też okrążenia z ubiegłych lat, przejazdy symulowane czy najlepsze okrążenia samego kierowcy.

Jest jeszcze analiza sektorowa. Gdy połączy się najlepsze czasy kierowcy z S1, S2 i S3, wychodzi teoretycznie najszybsze okrążenie. Ogromna różnica między rzeczywistym a teoretycznym okrążeniem wskazuje na potencjał, który w aucie wciąż nie jest wykorzystany. Patrząc, w których sektorach jest szybko, a w których wolno, można też odczytać brak zbalansowania setupu; na przykład jeśli szybkie odcinki są dobre, ale brakuje trzymania się na zakrętach, bardzo łatwo zrozumieć, dokąd przesunął się balans auta. W piątkowe wieczory kierowcy również ponownie analizują te dane; taktyka kwalifikacji i wyścigu zyskuje ostateczny kształt tej nocy.

Dzień Wyścigu: Jak dane o paliwie i oponach kształtują strategię?

Strategia wyścigu opiera się na dwóch kluczowych decyzjach: kiedy zrobić pit stop i który kompleks opon wybrać; hard, medium czy soft? Za tymi decyzjami stoi solidne modelowanie danych. Strategowie, analizując układ toru, oczekiwane tempo wyścigu i wskaźniki zużycia paliwa, obliczają optymalny ładunek paliwa. W środowisku, w którym pogoda, tor i rywale mogą się zmieniać, te obliczenia są stale aktualizowane.

Po stronie opon sprawy stają się jeszcze ciekawsze. Podczas okrżeń treningowych zespoły śledzą żywotność opon, monitorują zużycie paliwa i uruchamiają symulacje scenariuszy. Szczególnie przejazdy dłuższe niż 5 okrążeń czytane są niemal jako próba generalna wyścigu: porównuje się krzywe degradacji dwóch zespołów na tym samym kompleksie i modeluje, czy zrobić jeden stop, czy dwa. W miarę jak paliwo się kończy, a auto lżeje, degradacja opon też maleje, a osiągi rosną; dlatego w późniejszych okrążeniach wyścigu ruch może stać się opłacalny. Dzięki telemetrii inżynier może na ekranie zobaczyć, co działo się trzy okrążenia wcześniej, zanim kierowca jeszcze poczuje zużycie hamulców.

Undercut, Overcut i natychmiastowe decyzje na ścianie boksów

Powiedzmy ci o mojej ulubionej części: undercut. To znaczy wjechać do boksów o okrążenie wcześniej niż rywal i wyjść przed nim na świeżych oponach. Overcut to dokładnie odwrotnie; zostać w boksach dłużej i jechać szybkie okrążenia na torze, zanim rywal wjedzie do boksu. Które jest lepsze, zależy od danych o degradacji opon i od prawdopodobieństwa wyprzedzenia na torze. Bez telemetrii te decyzje pozostałyby czysto instynktowne. Natomiast gdy są dane, inżynier może z wyprzedzeniem zamodelować moment undercutu i obliczyć dokładnie właściwe okrążenie. Jeśli zużycie opon jest małe, na stole mogą pojawiać się też odważne plany, takie jak agresywna jazda na końcówce wyścigu, podczas gdy rywal oszczędza swoje opony.

Ściana boksów nie próżnuje w tym czasie; inżynierowie na bieżąco monitorują telemetrię i prowadzą strategię. Sztuczna inteligencja też zasiada przy stole; prowadzone są prace nad analizami predykcyjnymi mającymi na celu wcześniejsze wykrywanie awarii mechanicznych na podstawie danych z czujników. Ponadto po stronie nadawców systemy analityczne działające na tym strumieniu danych przewidują warunki torowe, pogodę i strategie rywali oraz prezentują widzom czytelne klasyfikacje w czasie rzeczywistym. Czyli te eleganckie grafiki, które widzisz na ekranie telewizora, też są produktem tych samych czujników.

Strona fabryczna: Mission Control i łańcuch danych

Telemetria nie kończy się na torze; pierwszym ogniwem gigantycznego łańcucha biegnącego z toru do fabryki. Od czujników w pojeździe do ECU, stamtąd szyfrowane do pitów, stamtąd do garażu i wreszcie do fabryki. Po stronie fabryki dane są przetwarzane na hamowni, w symulatorze, w sekcjach aerodynamicznych i w tunelu aerodynamicznym. Oznacza to, że drganie zmierzone w sobotni poranek na torze może w tygodniu zamienić się w projekt nowej części w fabryce.

Na torze też hierarchia jest jasna. W przykładzie Mercedesa jest pięć kluczowych ról inżynierskich na pojazd: specjalizacje takie jak Race Engineer, Performance Engineer, Controls Engineer i Engine Performance. Każda z nich odpowiada za inny fragment telemetrii. Dane od kierowcy, czyli hamulec, gaz, kąt skrętu, przyciski na kierownicy, dane z czujników aerodynamicznych oraz wartości temperatury i ciśnienia zespołu napędowego, cały czas płyną do tych zespołów.

Pokoje "Mission Control" w fabryce to most między torem a inżynierami projektowymi. Te pokoje, obejmujące także zespół strategii, jak w McLaren Technology Centre czy Aston Martinie, śledzą na żywo strumienie danych i symulacje, nawet z tysięcy kilometrów od toru wyścigowego. Podczas wyścigu inżynier w fabryce może patrzeć w tym samym czasie na ten sam wykres co kolega przy bandzie pitów. Niesamowite, prawda?

Czy dane to wszystko? Czynnik ludzki

Dobra, wszystko jest na ekranie, ale maszyna nie odpowiada na wszystko. Doświadczeni inżynierowie mogą unieważnić model, gdy pojawiają się informacje kontekstowe, których symulacja nie jest w stanie uchwycić. Odczucie kierowcy dotyczące opony to najlepszy przykład; nawet jeśli ekran mówi "opona jest dobra", pilot może powiedzieć "ustawienie tylnego skrzydła jest dla mnie idealne" i te subiektywne preferencje nie mogą być wymazane danymi. F1 to wciąż wspólne dzieło człowieka i maszyny; dane są potężnym asystentem, ale przy kierownicy wciąż siedzi człowiek.

Krótka historia telemetrii: od 1978 do dziś

Wszystko zaczęło się stosunkowo skromnie. W 1978 roku Ken Tyrrell pozyskał do zespołu amerykańskiego fizyka doktora Karla Kempfa. Kempf przeniósł do F1 metodę telemetrii z nagrywaniem na taśmę, którą opracował w Goodyear; czujnikami rejestrowano prędkość, ruchy zawieszenia, siły kierunkowe, gaz i hamulec. Wyobraź sobie, jak uciążliwe to było; samo dodanie mikroprocesora było wówczas zawrotne ze względu na problemy z hałasem elektrycznym i drganiami.

Potem wkroczyły komputery i wszystko się zmieniło. Dane stały się dokładniejsze, czujniki zmniejszyły się i rozmnożyły; telemetria dorównała wykładniczemu rozwojowi technologii wyścigowej. Obecnie doszło do tego, że maszyna stała się niemal bezbłędna, a rozwój osiadł na płaskowyżu. Pomyśl: od kilku kanałów nagranych na taśmie w 1978 roku do 1,1 miliona punktów danych na sekundę dziś. Ten skok w ciągu niemal 50 lat przekształcił F1 z czystego wyścigu prędkości także w wyścig danych. Patrząc na kolejny wyścig przed ekranem, rzuć okiem na bandę pitów; zobaczysz tam już nie tylko zagubionych inżynierów, ale ludzi zarządzających prawdziwą burzą danych w czasie rzeczywistym.

Źródła

• Artykuł: Dane i elektronika w F1 – wyjaśnienie!
• WGLĄB: Inżynierowie przy torze
• Telemetria Formuły 1: wyjaśnienie
• Jak działają dane w Formule 1
• Jak przemieszczają się dane w sporcie motorowym
• Bolidy F1 mają 300 czujników
• Wykresy wyścigów F1 w objaśnieniu: czasy okrążeń, opony i telemetria
• Jak zespoły F1 wykorzystują telemetrię, kontrolę i analitykę, by jechać szybciej
• Jak działa strategia wyścigowa w Formule 1
• Spojrzenie do centrum misji zespołu Formuły 1
• F1 Insights – AWS