Wie funktionieren Formel-1-Simulationen?

Formel 1-Autos sind die komplexesten Automobile der Welt, ihre Erprobung auf der Rennstrecke und im Windkanal ist jedoch extrem stark eingeschränkt. Es gibt nur sechs Wintertest-Tage vor Saisonbeginn und an jedem Rennwochenende gibt es nur vier Trainingsstunden. Deshalb verlassen sich die Teams mehr denn je darauf, Daten in der virtuellen Welt zu sammeln – ein grosser Teil davon geschieht mittels Simulationen.

Die Formel-1-Teams setzen verschiedene Simulationsbereiche ein, um sich auf ein GP-Wochenende vorzubereiten, aber die beiden wichtigsten sind der «Driver-in-Loop»-Simulator und Computersimulationen.

Der «Driver-in-Loop»-Simulator (DiL) ist die virtuelle Teststrecke, hierzu werden das jeweilige Auto und die Rennstrecken unglaublich detailliert nachgebildet, um auf diese Weise das Fahrzeug weiterzuentwickeln, das richtige Set-up zu finden und den Fahrern zu helfen, sich in einem virtuellen Umfeld auf einer Strecke zurechtzufinden.

In diesem Rahmen verwenden die meisten Teams eine individuell angefertigte Simulator-Anlage im eigenen Werk. Der DiL ist vergleichbar mit einem professionellen Flugsimulator, mit dem Piloten trainiert werden. Der grosse Unterschied dabei ist, dass in der Formel 1 das «Cockpit» wie ein F1-Auto aussieht. In einer typischen DiL-Session legen die Renn- und Simulator-Fahrer locker mehr als eine volle Renndistanz zurück.

In der gleichen Zeit absolvieren die Teams tausende Computersimulationen, da vom Computer simulierte Runden zu 100% virtuell durchgeführt werden können. Dadurch können sie beschleunigt werden und parallel zu anderen Simulationen laufen, um sowohl die Fahrzeugdynamik- als auch Strategiegruppen zu unterstützen. Der Wert dieser unterschiedlichen virtuellen Werkzeuge ist entscheidend für ein Formel-1-Team, besonders wenn auf einer neuen Strecke gefahren wird.

Detaillierte Modelle

Die verwendeten Streckenmodelle sind unheimlich detailliert. Sie werden mit Hilfe von Lidar-Scans erstellt, bei denen Laserbilder verwendet werden, um eine 3D-Karte der gesamten Strecke und all ihrer Charakteristiken zu erstellen – von der Streckenoberfläche über die Randsteine bis hin zur Umgebung.

Die Formel-1-Teams arbeiten zudem mit Gaming-Unternehmen zusammen, um die Streckenumgebung so realistisch wie möglich wiederzugeben, da visuelle Hinweise für die Fahrer wichtig sind, um Brems- und Einlenkpunkte zu erkennen. Der Markt für diese hochkomplexen Streckenmodelle ist sehr klein, deshalb basieren die Simulationen mehrerer Teams auf den gleichen Streckendaten und Informationen.

Der Simulator selbst wird so realistisch wie möglich – mit dem gleichen Chassis, Cockpit, Lenkrad und Pedalen wie im richtigen Auto. Die Fahrer sitzen oft in voller Rennmontur im Simulator. Viel Zeit wird dafür aufgewendet, das virtuelle Fahrzeugmodell mit dem realen Auto abzugleichen, damit es sich im Simulator genauso verhält wie auf der echten Rennstrecke. Auf diese Weise können die Teams im Simulator die gleichen Set-up-Einstellungen und Veränderungen durchspielen wie auf der richtigen Strecke und entsprechend sehen, wie sich die Balance oder die Performance dadurch verändern.

Neben dem DiL-Programm gibt es eine weitere virtuelle Teststrecke, die allerdings komplett in einem Computer existiert. Aus dem DiL wird eine Datei mit der Ideallinie generiert, die dann vor jedem Event für hunderttausende virtuelle Runden verwendet wird und Terabytes an Daten produziert. Die Ingenieure können diese Computersimulationen beschleunigen und sie parallel nebeneinander ablaufen lassen – auf diese Weise können in geringer Zeit enorme Mengen an Informationen gesammelt werden.

Bei der Fahrzeugdynamik konzentrierten sich die Ingenieure ganz auf die Details – sowohl mit Blick auf Informationen zu ganz speziellen Teilen als auch darauf, wie das Auto auf sehr kleine Set-up-Veränderungen reagiert. In den Simulationen wird eine riesige Anzahl an Set-up-Möglichkeiten durchgespielt und der Daten-Output (oft in Form von Graphen) kann nicht nur mit den anderen Computer-Versuchen, sondern auch mit den DiL-Daten oder Informationen aus dem echten Auto verglichen und überlagert werden.

Sobald die Daten analysiert wurden, entscheidet das Team, in welche Richtung das Setup für die Freitagstrainings gehen soll. Dieses wird als Basis für die Weiterentwicklung des Autos auf der Strecke genutzt.

Ein weiterer kritischer Bereich für Simulationsarbeiten ist die Strategie. Die Computermodelle, die für die Strategiesimulationen eingesetzt werden, enthalten alle Fahrer und Teams, aber auch Annahmen für Boxenstopp-Szenarien und Streckenvariablen, wie etwa den Zeitverlust bei einem Stopp, den Reifenabbau und die Konkurrenzfähigkeit der Autos.

Diese werden in Computersimulationen zusammengefasst, in denen realistische Schwankungen eine Vielzahl an Situationen darstellen. Auf diese Weise werden viele verschiedene Renn- und Qualifying-Szenarien simuliert, um die besten Strategieoptionen herauszufiltern – von den verwendeten Reifen über den Boxenstopp-Zeitpunkt bis hin zur Reaktion auf gewonnene oder verlorene Plätze am Start.

Diese umfangreichen Strategiesimulationen sind auch sehr nützlich für das Erstellen des Programms für die Freitagstrainings. Denn sie zeigen auf, welche Informationen die Teams sammeln müssen oder auf welche Details man achten muss. Bevor es überhaupt das erste Mal auf die Rennstrecke geht, sind bereits hunderttausende Strategiesimulationen durchgeführt worden, um das Strategie-Team in die bestmögliche Ausgangsposition für die Trainings, das Qualifying und das Rennen zu bringen.