Location Intelligence

and geospatial in F1

F1에서의 위치 인텔리전스 및 공간정보 기술
모터 스포츠의 정상은 포뮬러1(Fomula1, 이하 F1)이다. 드라이버는 최대 한 효율적으로 설계된 백만 파운드짜리 차량을 타고 200mph 이상의 속도로 트랙에서 경주한다. 이 차량들은 혁신의 표본으로 기술적 혁신의 대부분이 현대의 차량에 반영된다. F1이 없었다면 아마도 앤티록식 브레이크(Antilock Brake System, ABS), 탄소 섬유 부품, 어댑티브 서스펜션은 물론 심지어 핸들 주변의 버튼조차 없었을 것이다.
차량이 더 정교해짐에 따라 몇십 분의 일초가 레이스에서 승리 또는 패배를 결정할 수 있게 되었다. 따라서 실시간으로 성능과 위치를 측정하는 것이 매우 중요해졌고 관련 기술 모두는 각 산업 분야에 반영되고 있다.
F1용 각 차량에는 120개 이상의 센서가 장착되어 있으며 경주 중에는 차량에서 피트로 전송되는 초당 110만 개 이상의 원격 측정 데이터 포인트를 생성한다. 이러한 센서들은 차량의 속도와 가속도부터 조향 각도, 에너지 회수 시스템의 충전량, 연료 소모량, 항력 감소 시스템의 상태에 이르는 모든 것을 모니터링한다. 차량 운행 중 발생하는 수많은 문제를 해결하기 위해서는 이러한 데이터들이 거의 실시간으로 사용해야 한다.

오버컷과 언더컷

2018년부터 AWS(Amazon Web Services, 아마존웹서비스)는 F1의 그래픽 및 실시간 분석을 제공하여 ‘언더컷*’과 ‘오버컷**’에 관한 정보로 추월 기회를 소개하는 피트 스톱 전략에 관한 화면 상의 정보를 표시하고 있는데, 이를 통해 F1 드라이버는 피트 스톱을 일찍 하거나 나중에 하여 이점을 얻는다. 이러한 그래픽은 스마트한 실시간 모델에 기반을 두고 있어 어떤 드라이버가 피트 스톱을 하는지 여부를 알려 다른 드라이버가 뒤처질 순간을 시청자가 예상할 수 있도록 돕는다. 특정 서킷에서 양호한 피트 스톱을 위해 소요될 시간은 물론, 청정 공기에서 주행 시의 속도 이점 및 새 타이어의 성능 향상도 역시 알고 있기 때문에, 이러한 인자들은 경기 중인 드라이버 두 명의 시간을 입력하여 피트 스톱 후 예상 시간의 차이를 출력하는 모델(수식)에 넣을 수 있다. AWS에서 공유한 이 모델은 다음과 같다.
‘GMAB ≤ (PA – PB) + (PsTA – PsTB) + DA.e’

• GMAB: 랩 M에서 A와 B 사이의 간격
• PA - PB: 차량들의 델타(최적 시간의 차이) 페이스
• PsTA – PsTB: 소프트 타이어에 대한 타이어 컴파운드의 델타 (최고 기록의 차이) 페이스
• DA: A차량 타이어의 성능 저하

AWS의 피트 전략 그래픽 AWS의 피트 전략 그래픽

위 그래픽은 레이스에 추가적인 요소를 더해 주는 흥미로운 통찰력을 시청자에게 제공하지만, 마법이나 슈퍼 컴퓨터의 계산은 아니다. 물류 운영이나 건설 자재 제거를 위해 많은 기업이 수행해야 하는 작업과 마찬가지로 깨끗하고 명확한 인터페이스를 제공하기 위한 모델에 활용되는 아주 단순하게 구조화된 데이터이다. 타이어 성능 저하부터 탄소 발자국 등까지 각 입력 값들을 대체할 수 있기 때문이다. 여기에서 AWS가 사용하는 시스템과 일반적으로 사용되는 클라우드 컴퓨팅 간의 유일한 차이는 AWS가 더 빠르게 더 많은 계산을 실행할 수 있도록 처리량을 급격히 증대시켰다는 점이다.

* 언더컷: 앞에 있는 차량보다 먼저 피트 스톱 타임을 가져 타이어를 교체한 후 새 타이어의 이점을 살려서 타이어를 교체하지 않은 앞 차량보다 빠른 랩타임(트랙의 한 바퀴를 도는 시간)을 가져가 경쟁 차량이 피트 스톱 타임을 가질 때를 노려 추월하는 전략

** 오버컷: 경쟁 차량보다 피트 스톱 타이밍을 늦춰서 경쟁 차의 타이어 그립을 떨어뜨리고 피트로 들어와 경쟁 차가 느려진 사이 다시 앞으로 나오는 전략

모든 일은 눈 깜짝할 사이에 일어난다

앞서 살펴 본 것처럼, 차량이 200mph 이상의 속도로 서킷을 고속 주행하는 경우에는 빠르고 반응성이 우수한 시스템이 필요하다. 차량에서 신호를 보내는 순간부터 레이스 디렉터와 TV가 이를 사용할 준비가 끝날 때까지 필요한 시간은 고작 500밀리 초 미만이다. 레이스 트랙에서 신호가 포착되면 일단 F1 인프라를 통과하여 AWS 클라우드에 대한 HTTP 호출을 시작한다. AWS와 F1은 아마존 API 게이트웨이(Amazon API Gateway)를 사용하여 응용 프로그램의 진입점 역할을 하게 했는데, 이 응용 프로그램은 레이스 로직을 실행하기 위해 AWS 람다(AWS Lambda)에서 함수로 호스팅되었다. 이 함수는 들어오는 메시지를 받으면 일단 아마존 다이나모DB(Amazon DynamoDB)에 저장된 레이스 상태를 업데이트한다(예: 드라이버 위치 변경). 이 함수가 이를 예측을 위한 발사장치라고 판단하면 아마존 세이지메이커(Amazon SageMaker)에서 훈련된 모델을 사용하여 예측을 수행하고 호출에 대한 응답으로 반환하며, F1 인프라를 통해 방송 센터로 다시 공급하는 방식이다.

시뮬레이션이 핵심

드라이버가 이전에 한 번도 참가해 본 적이 없는 레이스에 참가해서 첫날부터 제 속도를 낼 수 있는 방법은 무엇이며, 엔지니어들은 차량이 성능을 제대로 발휘할 것인지 어떻게 알 수 있는가? 간단하게 말하자면, 이들은 차량을 거대한 디지털트윈에서 시험주행한다.
트랙과 주변 환경은 모든 요철과 시각 신호가 시스템에 확실히 포함되도록 고해상도 LiDAR를 사용하여 포착되는데. 이는 모나코의 트랙에서 요철을 느끼지 못하거나 실버스톤의 3번 커브가 2cm씩이나 넓다고 불평할 만큼 까다로운 드라이버한테 완전한 몰입감과 정밀성을 보장하는 데 필수적이다. 레드 불 레이싱 및 메르세데스 같은 팀은 자신들의 시뮬레이터가 가능한 한 현실적으로 구현되도록 하기 위해 게임 회사와 긴밀하게 협업한다. 이를 맥락에 두기 위해, 우리가 포착하려고 계획한 새로운 서킷은 각각의 스캐너가 초당 약 1백만 개의 포인트를 포착하는 라이카 페가수스 투 얼티밋(Leica Pegasus Two Ultimate) 모바일 스캐너 몇 대를 사용하여 주행하도록 계획되었다.
이러한 시뮬레이터는 ‘DiL(Driver in Loop: 루프 내 드라이버)’ 시뮬레이터라고 불리며, 드라이버 앞과 주위의 화면에 표시되는 트랙 디지털트윈은 물론 드라이버가 착석하는 조종석(간혹 ‘터브’라고도 함)도 있는데, 이 조종석은 드라이버의 입력과 완벽하게 일치하도록 움직이는 작동 장치 위에 놓여 있다.
레이스 데이터 준비를 위해 레이싱 설정, 날씨, 심지어 타이어도 다양하게 사용할 수 있을 정도로 이 시뮬레이터는 매우 정밀하므로 드라이버는 자신의 설정을 레이스 전에 미리 작업해 둘 수 있다. 이 시뮬레이터는 버튼 하나만 누르면 설정을 변경할 수 있기에 균형을 바로잡기 위해 수행해야 될 수도 있는 기계 작업으로 인한 비용을 상당히 절감해 준다. 또한 기술자들은 성능 및 예상 델타에 대한 실시간 데이터를 얻을 수 있으며 개선이 필요한 부분을 재생해서 보여줄 수도 있다.
2021 실버스톤 그랑프리를 앞두고 루이스 해밀턴(Lewis Hamilton)은 레이스 당일 아침, 전날 예선을 마친 즉시 시뮬레이터에서 몇 시간 동안 연습했다고 발표했다. 메르세데스가 주말 경기 전에 언급한 규정에 따르면 드라이버는 해당 트랙에 대한 시뮬레이터에서 거의 꼬박 2일간 연습하는 것이 허용된다.
이 시뮬레이터는 F1 팀에게 필수적인 도구로 입증되어 왔기에, 모든 팀이 각각의 드라이버 및 테스트 드라이버마다 하나씩 보유하고 있다. 또한 레이스에 앞서 전략과 선택에 도움을 줄 수도 있는 정보를 기술자들에게 제공한다. 이러한 많은 부분이 레이스 시뮬레이터의 형태는 아니더라도 매우 상세한 디지털트윈(현실세계의 결과를 테스트할 수도 있음)의 형태로 일반 비즈니스로 이동하기 시작했다. 차량 산업을 살펴보면, 이제 이들은 구축 예정인 차량의 디지털트윈을 사용하는 몰입형 공간을 사용한다.

공간정보 주행 모빌리티

놀랍게도 대부분의 공간정보 기술이 사용되는 곳은 레이스 쪽이 아니라, 몇 주마다 세계 각지의 레이스 트랙을 오가며 차량, 드라이버, 부품, 사무소를 운송하는 물류 쪽이다.
물류 공급업체들은 GIS 데이터를 광범위하게 활용해 배송 경로를 계획하고 항구, 공항, 국경 통과소에서 확인된 지연 상황 및 날씨 조건, 교통 체증을 기반으로 도착 시간을 예측한다. 또한 디지털트윈은 공급업체들이 고객 위치, 수요 패턴, 이동 시간에 대한 풍부한 데이터를 활용하여 유통 경로와 재고 저장 위치를 계획함으로써 기존 물류 네트워크를 최적화하는 데 도움을 준다.

비즈니스에서는 어떤 의미를 가지는가?

매 순간이 중요하고 수백만 파운드가 걸린 경우, 최첨단 솔루션을 개발하고 혁신하는 사람들만이 시즌에서 승리할 것이다. 앞서 언급한 대로 최첨단 혁신은 일상 비즈니스에 반영된다.
AWS가 그래픽 및 분석에 사용하고 있는 초고속 응답 시간을 살펴보면, 이제는 비즈니스에 완전히 구현될 준비가 되어 있으며 물류부터 차량 관리 및 심지어 IoT 센서의 매핑에 이르기까지 매우 다양한 응용 프로그램에 사용될 수 있다. AWS 솔루션을 살펴볼 때, 충분한 정보가 구축되어 있고 상용화될 준비가 거의 끝났으며, 미리 빌드된 기계 학습 및 인공지능 모델조차 구현할 수 있다.
비록 시뮬레이터가 모든 비즈니스에서 필요한 것은 아닐 수도 있지만, 이를 가장 많이 사용하는 방식은 매우 중요하다. F1은 차량 제작부터 서킷 및 물류에 이르기까지 디지털트윈의 중요성을 보여 줬는데, F1에서는 모든 것이 극한까지 테스트 가능한 디지털트윈을 갖추고 있으며 더 중요한 점은 서로 조화롭게 작동한다는 것이다.
많은 공학 회사와 마찬가지로 F1도 디지털트윈으로 얻을 수 있는 이점을 실현했지만 그랑프리에 승리를 안겨 준 것은 다른 영역의 비즈니스로의 확장이다. F1 산업이 최고급 장비를 사용한다고 해서 일반 비즈니스가 여기에 접근하기 어려운 것은 아니며, 이는 합리적인 수준으로 규모를 축소하는 문제일 뿐인데 밀리미터 단위의 정확도로 스캔하는 것은 좋기야 좋겠지만 과연 꼭 필요한 것일까?

Location Intelligence and geospatial in F1

The pinnacle of motor sport is Formula 1, drivers race around tracks in million-pound cars designed to be as efficient as possible at speeds over 200mph. The cars are demonstrations of innovation, with most of the technological breakthroughs filtering down to modern day cars. Without F1, we may never have had antilock brakes (ABS), carbon fibre components, adaptive suspension and even the buttons around the steering wheel.
As the cars have become more refined, mere tenths of a second can mean winning or losing a race, so measuring real time performance and position is vital, and all this technology also gets filtered down for use by business.
They fit each car with over 120 sensors, which generate over 1.1 million telemetry data points per second transmitted from the cars to the pits during a race. These monitor everything from the car’s speed and acceleration to the steering angle to the charge in the energy recovery system to the mass of fuel used to the status of its drag reduction system. This data has to be used in near real-time to solve many of the challenges which occur.

Overcuts and undercuts

Since 2018 AWS (Amazon Web Services) has been providing the graphics and real-time analytics for F1, showing information on-screen about pit stop strategies, overtaking opportunities introducing information on the ‘undercut’ and ‘overcut’, this is where an F1 driver gets an advantage by either taking a pit stop early or later. These graphics are underpinned by clever real-time models which allow viewers to see when a driver is at threat of losing their position due to another driver pitting or not pitting. Since we know how long a good pit stop may take at a particular circuit and we also know the speed advantage of driving in clean air and the performance improvement of the new tyres, these factors can be put into a model (formula) which will take the times for the 2 battling drivers and relate the difference in their projected times after the pit stop has occurred. AWS shares this model as:
‘GMAB ≤ (PA – PB) + (PsTA – PsTB) + DA.e’

Where:
• GMAB is the Gap between A, B in lap M
• PA – PB is the Delta (difference on best time) pace of the cars
• PsTA – PsTB: Delta (difference on best time) pace of the tyre compound with reference to soft
• DA: Degradation of the A car’s tyres

To the viewer, this graphic provides an exciting insight which adds an extra element to the race, but it isn’t magic or super computer math. This is quite simply well-structured data used in a model to provide a clean, clear interface, much like many businesses may need to do when running logistics or construction material removal. Factors could be substituted from tyre degradation to carbon footprint. The only difference between the system AWS uses here and the common cloud computing used is that AWS has turbo charged their throughput to be able to run more calculations faster.

Everything happens in the blink of an eye

As we previously discussed, when you have cars zipping around a circuit at 200+mph, you need to have a fast and responsive system. From the moment the signal on the car is sent to the time it is ready to be used by the race director and TV is less than 500 milliseconds. Once a signal is captured at the race track, it begins its journey, first passing through F1 infrastructure to an HTTP call to the AWS Cloud. AWS and F1 used Amazon API Gateway to act as the entry point to the application, which was itself hosted as a function in AWS Lambda to implement the race logic. Once the function received the incoming message, it would first update the race state stored in Amazon DynamoDB (for example, change of driver position). If the function determined that it was a trigger for a prediction, it would use the model trained in Amazon SageMaker to make and return the prediction as a response to the call, ingested back through F1 infrastructure to the broadcasting center.

Simulation is key

How can a driver turn up to a race they have never raced and be quick on day one or how can the engineers know how the car will perform? Quite simply they drive the car around a giant digital twin.
The tracks and surroundings are captured using high resolution LiDAR, ensuring that every bump and visual cue is in the system, this is vital in ensuring the full immersion and accuracy as a driver will complain if they can’t feel the bumps in the track at Monaco or if the turn 3 is 2cm too wide at Silverstone. Teams like Red Bull Racing and Mercedes work closely with gaming companies to ensure that their simulators are as realistic as possible. To put this into context, a new circuit which we’d planned to capture, was planned to use some Leica Pegasus Two Ultimate mobile scanners to drive the circuit, each capturing around 1 million points per second.
These simulators are called ‘Driver in Loop’ (DiL) simulators and as well as the track digital twin that is shown on screens in front and around the driver there is also a cockpit which the driver sits in (sometimes called a tub), which sits on actuators that move perfectly matched to the drivers input.
The simulators are so accurate that different racing setups, weather and even tyres may be used in preparation to race data so that the driver can work on their set up in advance of the race. The simulator takes vast amount of cost away from the mechanical work which may need to be done to get the balance right as the set up can be altered at the touch of a button. Also, technicians can get real-time data back on performance and expected deltas as wells as show playback of areas of improvement.
In the run up to the Silverstone 2021 Grand Prix, Lewis Hamilton announced on the morning of the race that he had finished qualifying the previous day and had gone immediately to the simulator to do a few hours practice, which from what Mercedes has said about the regime they have before a race weekend, the drivers may practice in the simulator for that track for almost 2 days solidly.
The simulators have proven essential to the F1 teams, so much so that every team has one for every driver and test driver. It also provides information to the technicians ahead of a race which may help with strategies and choices. Much of this has begun moving to common business, maybe not in the guise of a race simulator but in the form of highly detailed digital twins which may be tested for real world results. When we look at the automotive industry, they now use immersion rooms which use digital twins of the cars planned to be built.

Geospatial driving mobility

Surprisingly, it isn’t the race itself where the majority of geospatial technology is used, it is in the logistics of transporting the cars, drivers, components and offices to and from the race tracks across the world every couple of weeks.
Logistics providers make extensive use of GIS data, using it to plan delivery routes, for example, and predict arrival times based on weather conditions, congestion, and known delays at ports, airports, and border crossings. Digital twins of will also help providers to optimize their conventional logistics networks, for example by using rich data on customer locations, demand patterns, and travel times to plan distribution routes and inventory storage locations.

What does it mean for business?

When every fraction of a second counts and there are millions of pounds at stake only those who innovate and develop cutting edge solutions will win the season. As mentioned earlier the cutting-edge innovations filter down to everyday business.
If we look at the super-fast blink of an eye response times which are being used by AWS for the graphics and analysis, they are available now, fully ready to be implemented in your business and could be used for many different applications, from logistics through to fleet management and even mapping of IoT sensors. When looking into the AWS solution, there is a wealth of information and is almost ready to go out of the box, there are even prebuilt machine learning and artificial intelligence models which can be implemented.
Although the simulators may not be something every business requires, the way which they are used very much is. Formula 1 has shown the importance of digital twins, from the building of the car through to the circuit and logistics, in formula 1 everything has a digital twin which can be tested to its extremes and more importantly works in harmony with one another.
Like many engineering companies, Formula 1 has realized the gains to be had with digital twins, though it is the extension to other areas of business which has provided the grand prix wins, although the F1 industry use the high-end equipment, that doesn’t mean that this is out of reach for your average business, it is just a case of scaling down to sensible levels, scanning to millimetre accuracy is nice, but is it necessary!