Bạn có biết rằng, vận hành một chiếc xe Công thức 1 hiện đại là một trong những thách thức kỹ thuật hệ thống tinh vi nhất của loài người?
Trong bài viết này, các thành viên kỹ thuật của đội đua Mercedes F1 sẽ giải thích cho chúng ta biết cách họ sử dụng điện tử, kỹ thuật hệ thống và dữ liệu trong các chặng đua F1, cũng như tầm quan trọng của từng bộ phận trong hệ thống vận hành của đội đua.
Dữ liệu trên xe F1 được tạo ra từ đâu?
Ông Evan Short - Trưởng nhóm hệ thống điện tử đường đua tại Mercedes F1 cho biết: "Chúng tôi tạo ra dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, chủ yếu là từ cảm biến trên xe. Các cảm biến sẽ tiến hành đo các đại lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, mô-men xoắn và tốc độ của xe. Ngoài ra, chúng còn theo dõi hoạt động của hệ thống như trạng thái bên trong của các bộ phận trên xe, ví dụ hộp số chẳng hạn."
"Các cảm biến này được kết nối vật lý với xe, qua hệ thống analog tới ECU (Electronic Control Unit - Bộ điều khiển điện tử) hoặc qua CAN (Controller Area Nertwork - Mạng vùng điều khiển) để gửi thông tin về trung tâm."
Xe đua F1 có thể tạo ra bao nhiêu dữ liệu?
Evan Short tiết lộ: "Tổng dữ liệu xe tạo ra trong mỗi tuần đua vào khoảng 1 TB (terabyte) mỗi xe (hoặc nhiều hơn một chút tuỳ vào xe), chúng bao gồm video và thông tin phụ bổ trợ khác. Nhưng loại dữ liệu 'hấp dẫn' nhất chính là dữ liệu trực tiếp sinh ra khi xe đang chạy. Mỗi vòng đua thường tạo ra khoảng 30 MB (megabyte) dữ liệu trực tiếp dạng này. Con số này sẽ tăng lên gấp hai hoặc ba lần khi xe vào pit và chúng tôi tải dữ liệu xuống."
"Thời gian xe chạy trên đường đua F1 là một loại tài nguyên vô cùng hạn chế. Nếu có sai sót hay trục trặc, chúng tôi sẽ không thể đưa xe ra ngoài và lặp lại bài thử nghiệm một lần nữa. Vì vậy, áp lực phải làm đúng ngay từ lần đầu tiên là rất lớn."
"Thu thập dữ liệu chính xác ngay từ đầu là cực kỳ quan trọng. Và điều này được áp dụng đồng nhất cho thời gian xe ở trên đường đua, trong hầm gió và cả các mô phỏng mà chúng tôi thực hiện. Chúng tôi cũng phải cân bằng giữa việc thu thập dữ liệu cho các kỹ sư và dữ liệu theo nhu cầu của tay đua trong buổi đua thử, bởi họ cũng cần tìm hiểu về xe, đường đua và chuẩn bị cho vòng phân hạng."
Các bộ phận phối hợp như thế nào để xử lý và sử dụng dữ liệu được tạo ra?
Trả lời cho vấn đề này, ông Evan Short chia sẻ: "Khi chúng tôi đã thu thập dữ liệu từ xe, mọi thứ sẽ được đồng bộ hoá, lúc này chúng tôi sẽ biết chính xác điều gì đang xảy ra tại từng thời điểm cụ thể trên mỗi cảm biến. Sau đó, dữ liệu được mã hóa và truyền về khu kỹ thuật qua hệ thống telemetry (hệ thống thu thập và truyền dữ liệu từ xa)."
"Hệ thống telemetry này dùng chung cho tất cả đội F1 và đảm bảo phủ sóng 100% quanh đường đua. Đây là một ví dụ độc đáo về sự hợp tác giữa các đội F1. Trước đây, mỗi đội phải tự dựng cột ăng-ten, thiết lập hệ thống radio và hệ thống telemetry riêng. Và rồi chúng tôi nhận ra đó không phải là cuộc cạnh tranh mà chúng tôi hướng tới. Chúng tôi muốn thi đấu trên đường đua, không phải thi xem ai 'dựng ăng-ten' giỏi hơn."
"Nếu so sánh dữ liệu từ xe với những thứ thứ chúng ta dùng hàng ngày, lượng thông tin video từ xe chỉ bằng với dữ liệu của hai đến ba người xem video HD trên điện thoại. Nhưng điểm khác biệt nằm ở chỗ: mỗi bit dữ liệu đều rất có giá trị."
"Mỗi bit thông tin trong luồng dữ liệu của chúng tôi thể hiện nhiệt độ, áp suất, tốc độ hoặc mô-men xoắn của xe - tất cả đều được giám sát chặt chẽ bởi người trong nhà máy. Đội điện tử đảm nhiệm một phạm vi công việc rất rộng. Chúng tôi xử lý mọi khâu, bắt đầu từ việc thiết kế hệ thống điện trên xe. Tại nhà máy, có những người phụ trách thiết kế hệ thống dây dẫn, thiết kế tổng thể hệ thống và tất nhiên cả thiết kế bộ điều khiển vận hành các hệ thống phức tạp trên xe như hệ thống thủy lực. Cuối cùng, tất cả những chi tiết thành phẩm chất lượng trong quá trình thiết kế và sản xuất xe sẽ được chuyển đến chúng tôi tại đường đua."
"Nhóm kỹ thuật đường đua (trackside) là một đội nhỏ hơn hoạt động ở khâu trực tiếp vận hành chiếc xe. Chúng tôi cố gắng để chiếc xe chạy an toàn và ổn định nhất có thể. Nhóm này bao gồm những kỹ thuật viên - những người trực tiếp lắp ráp xe, đi dây và kết nối các cảm biến và bộ phận điện tử."
"Ngoài ra còn có các kỹ sư hệ thống - những người hiệu chỉnh các hệ thống phức tạp trên xe và theo dõi tình trạng của chúng khi xe chạy. Bên cạnh đó, chúng tôi còn có kỹ sư hệ thống điều khiển - những người theo dõi giao diện lái với tay đua, vận hành hộp số, tinh chỉnh khả năng vận hành và hiệu suất đua, xuất phát, và cả các chuyên gia về nhũng mảng riêng như hệ thống radio."
Christine Steven - Kỹ sư trưởng phát triển điện tử của Mercedes giải thích: "Trung bình trong một tuần đua, sẽ có hơn 250 cảm biến trên xe. Chúng được chia thành ba loại chính: cảm biến điều khiển, cảm biến đo đạc và cảm biến giám sát. Tất cả các cảm biến này cung cấp dữ liệu về áp suất, nhiệt độ, quán tính và độ dịch chuyển. Chúng được tích hợp vào tất cả các hệ thống trên xe. Kích thước của từng loại cảm biến cũng thay đổi tùy theo chức năng và kiểu của chúng."
"Ví dụ, hệ thống TPMS (Tire Pressure Monitoring System, cảm biến đo áp suất lốp) theo quy định của FIA sẽ đo áp suất lốp bên trong bánh xe. Ngoài ra, chúng tôi còn có những cảm biến ảnh nhiệt rất nhỏ (thermal imaging sensors) gắn trên cánh gió và sàn xe để đo nhiệt độ bề mặt và mức độ hao mòn của lốp trước và lốp sau."
"Tốc độ truyền dữ liệu phụ thuộc vào loại và nhóm cảm biến, và chúng có thể dao động từ 1 Hz đến 1 kHz, thậm chí có thể tăng lên nếu cần. Ví dụ, dữ liệu rung có thể lấy mẫu tới 200 nghìn mẫu mỗi giây, sau đó dữ liệu này phải qua quá trình xử lý tín hiệu chuyên sâu để lọc và giảm xuống mức phù hợp cho việc lưu trữ và phân tích."
"F1 luôn thúc đẩy các giới hạn đua xe thể thao và mang đến công nghệ tiên tiến nhất. Vì vậy, việc cung cấp dữ liệu chính xác và tin cậy là việc rất quan trọng để thành công. Khi chiếc xe phát triển, yêu cầu về cảm biến cũng tăng theo, điều này khiến cho công nghệ hiện tại không thể đáp ứng được nữa. Vì vậy, bộ phận điện tử phải tự phát triển cảm biến và hệ thống thu thập dữ liệu chuyên biệt nhằm cung cấp thông tin giá trị cho các kỹ sư, giúp họ cải thiện hiệu suất chiếc xe và trực tiếp đóng góp vào thành công của đội."
Chris Nelson - Kỹ sư hệ thống điều khiển đường đua cho biết thêm: "Hầu hết chúng tôi và nhiều đội F1 khác ở trackside đều sử dụng phần mềm Atlas do McLaren Applied phát triển. Trong các phiên đua thử hoặc vòng phân hạng, các tay đua thường muốn xem hiệu suất của mình và so sánh với đồng đội. Vì vậy, việc phân tích dữ liệu cùng kỹ sư hiệu suất là điều rất quan trọng trong các phiên chạy, đặc biệt trong vòng phân hạng - nơi thời gian giữa các lượt chạy ngắn. Lúc này, chúng tôi cần hiểu rõ các những khu vực trọng yếu gây mất thời gian và cải thiện hiệu suất cho lượt chạy tiếp theo."
"Hiện nay, các tay đua cũng rất quan tâm đến toàn bộ dữ liệu ngay cả khi họ không ngồi trong xe. Thông thường, vào tối thứ Sáu, họ sẽ xem lại dữ liệu để đánh giá hiệu suất của mình. Ngoài ra, họ cũng muốn nắm được bức tranh tổng thể về cách chiếc xe đang vận hành, nhằm đối chiếu với những gì họ cảm nhận được từ buồng lái."
"Các nhóm kỹ sư và tay đua sẽ cùng nhau phân tích rất nhiều dữ liệu để giúp họ hiểu chuyện gì đang xảy ra với hiệu suất của chiếc xe so với kỳ vọng từ các thiết lập đang sử dụng, cách lốp hoạt động và xuống cấp trong các lượt chạy dài để chuẩn bị cho cuộc đua, cũng như nhiều yếu tố khác như cách họ vận hành các hệ thống trên xe."
"Từ góc độ của tôi - một kỹ sư hệ thống điều khiển, tôi chủ yếu cùng tay đua phân tích những thứ như: hiệu suất xuất phát thử, kiểm tra điểm chuyển số để xem mức độ chính xác so với giá trị tối ưu, đánh giá các thao tác chuyển đổi công tắc và chức năng các nút bấm, cũng như giao diện hiển thị trên vô lăng."
"Tôi cũng có thể dùng dữ liệu để đối chiếu với những gì tay đua thấy trên vô lăng. Nếu họ muốn hiển thị thông tin theo cách khác, chúng tôi sẽ tiến hành thử nghiệm ngay trên dữ liệu, cùng nhau xem xét và chỉ áp dụng thay đổi lên xe khi họ hoàn toàn hài lòng."
"Với các cảm biến có mặt khắp trên xe, chúng tôi sẽ thu thập mọi dữ liệu về hành vi xe, thao tác tay đua và hiệu suất của họ. Ví dụ, chúng tôi có thể biết chính xác tay đua đang làm gì với phanh, chân ga, góc lái, những nút và công tắc nào họ bấm trên vô-lăng."
"Chúng tôi cũng theo dõi hiệu suất tổng thể của xe, bao gồm hiệu suất khí động học, động lực học, và hệ thống truyền lực thông qua các thông số như nhiệt độ và áp suất, cùng vô số thông tin khác. Dữ liệu này giúp hiểu rõ hành động của tay đua, hoạt động của chiếc xe và cách nó phản ứng trong các điều kiện khác nhau và từng góc cua trên đường đua. Đây là nguồn thông tin hữu ích để nắm bắt tình hình trên đường đua."
Daniel Boddy - Quản lý bộ phận đường đua và hỗ trợ kỹ thuật cho biết: "Trong nhà máy, chúng tôi có nhiều khu vực có thể tạo ra dữ liệu để chuẩn bị cho cuối tuần đua hoặc xử lý dữ liệu sau các phiên đua. Một số trong đó có thể kể đến như khu vực dyno hoặc mô phỏng, khí động học và hầm gió. Ngoài ra, chúng tôi cũng có những cá nhân hoặc phòng ban nhỏ xử lý dữ liệu riêng cho lĩnh vực của họ."
"Đội điện tử đường đua sẽ chuyển dữ liệu từ hệ thống trên xe cho đội trong khu vực paddock F1. Chúng tôi nhận dữ liệu đó tại garage và chuyển về nhà máy bằng hệ thống riêng. Dữ liệu trực tiếp như telemetry trên xe hay các cuộc thoại và video tại các sự kiện đua ở châu Âu sẽ được xử lý trong 10-15 mili giây - gần như ngay lập tức. Tuy nhiên, khi thi đấu tại các sự kiện ở xa, độ trễ có thể thay đổi tùy vào khoảng cách. Ở các chặng đua như Úc hay Nhật Bản, độ trễ khoảng 300-400 mili giây."
"Chúng tôi cũng có dữ liệu xe được tải về và các tệp video, media dung lượng cao. Với các tệp có kích thước lớn, chúng tôi sẽ mất nhiều thời gian hơn. Chúng tôi đã thỏa thuận với các đội kỹ thuật để ưu tiên xử lý và chuyển dữ liệu về nhà máy càng nhanh càng tốt - thường trước khi xe ra chạy lượt tiếp theo."
"Ví dụ, cuối tuần đua GP Mexico 2022, chúng tôi tạo khoảng 11 TB dữ liệu thực. Và chúng được chuyển qua lại giữa hai nơi - nhà máy và sự kiện đua."