文 | 劉泳慶
國家體育總局體育科學(xué)研究所
2月20日,第二十四屆冬季奧林匹克運(yùn)動會在北京圓滿閉幕。在本屆奧運(yùn)會上,從精彩五環(huán)到奧運(yùn)火炬,從冰雪舞臺到通信保障,從技術(shù)實力到管理理念,中國航天技術(shù)為北京冬奧增添了濃濃的科技色彩??萍紛W運(yùn)作為本屆北京冬奧會的理念之一在整個奧運(yùn)周期內(nèi)表現(xiàn)突出,航天技術(shù)對于北京冬奧的助力體現(xiàn)在方方面面。本文將從航天技術(shù)在北京冬奧會辦賽、參賽、觀賽三個角度的科技助力作用進(jìn)行總結(jié)。
北京是全球唯一一座既舉辦過夏奧會、又舉辦冬奧會的“雙奧”城市。但是,受氣候、場館等自然條件、硬件設(shè)施的限制,我國的冰雪運(yùn)動發(fā)展較晚,北京冬奧會的舉辦面臨挑戰(zhàn)。中國航天技術(shù)的發(fā)展是我國綜合國力的體現(xiàn),航天技術(shù)為北京冬奧會在奧運(yùn)場館、訓(xùn)練館和場地基建,氣象保障,開閉幕式和火炬?zhèn)鬟f以及安全保障等方面提供了助力,確保了北京冬奧會如期順利舉辦。
高精度測繪技術(shù)應(yīng)用于奧運(yùn)會競技比賽場館和場地的設(shè)計建設(shè),可以實現(xiàn)對于高程數(shù)據(jù)的高精度測量。延慶賽區(qū)的國家高山滑雪中心和國家雪車雪橇中心在設(shè)計時利用無人機(jī)實現(xiàn)了對場地1:500地形圖測繪,克服了山區(qū)地形復(fù)雜、高差大的技術(shù)難題;利用無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù),對賽事的雪道造雪厚度進(jìn)行了高精度測算。為了打造“最快的冰”,保障制冰后冰面溫度均勻,利用慣性測量方法對國家速滑館“冰絲帶”地面局部高低起伏實現(xiàn)了精密測量,最終使得國家速滑館任意平方米區(qū)域內(nèi)高差不超過±3mm。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的創(chuàng)新應(yīng)用為高速公路隧道和奧運(yùn)賽事中的人員、車輛定位提供高精度、高時效服務(wù)。延慶至崇禮高速河北段隧道北斗隧道定位信號擴(kuò)展系統(tǒng),為隧道內(nèi)行駛車輛提供定位、測速服務(wù),并支持全過程監(jiān)管,可實時獲取并及時感知隧道中車輛的行車狀態(tài),滿足隧道內(nèi)外車輛連續(xù)定位導(dǎo)航、監(jiān)管、救援需求,保障隧道行車安全,避免重大交通事故的發(fā)生,還可以根據(jù)車輛位置信息進(jìn)行快速高效救援。而依托科技冬奧專項“北京冬奧會北斗微基站室內(nèi)混合定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用”項目研制的首款小型化北斗室內(nèi)亞米級定位基站,在奧運(yùn)賽事期間為冬奧場館工作人員和移動車輛提供室內(nèi)外無縫連續(xù)的亞米級高精度實時定位和位置服務(wù),靜態(tài)定位優(yōu)于0.1m、動態(tài)定位優(yōu)于0.5m,室內(nèi)外連續(xù)定位精度優(yōu)于1m(圖1)。
圖1 北斗微基站室內(nèi)混合定位系統(tǒng)與時空盒終端
北京冬奧會是近20年來唯一在大陸性冬季季風(fēng)主導(dǎo)的氣候條件下舉辦的冬奧會,賽區(qū)處于復(fù)雜山地中。通過在賽場的氣象站布置現(xiàn)代立體觀測設(shè)施,加上各類天氣雷達(dá)、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù),形成了“三維、秒級、多要素”立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),我國氣象部門建成了京津冀區(qū)域500m分辨率、冬奧山地賽場核心區(qū)域100m分辨率、逐10分鐘快速更新的循環(huán)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng),為“一場一策”和“一項一策”冬奧氣象服務(wù)保障提供強(qiáng)有力的科技支撐(圖2)。
圖2 延慶賽區(qū)國家高山滑雪中心賽道實時氣象要素預(yù)報點(diǎn)
國家衛(wèi)星氣象中心利用風(fēng)云系列衛(wèi)星開展了天氣、地表溫度、積雪和雪深等多方面的監(jiān)測服務(wù)工作。風(fēng)云四號A、B星對云進(jìn)行實時監(jiān)測,風(fēng)云三號D星微波成像儀(MWRI)和中分辨率光譜成像儀(MERSI)對地表溫度、積雪進(jìn)行監(jiān)測,助力賽事氣象保障。
雷達(dá)技術(shù)助力風(fēng)因素氣象監(jiān)測。風(fēng)因素是影響冬奧比賽的一個重要?dú)庀笠?,風(fēng)廓線雷達(dá)24小時監(jiān)測風(fēng)速風(fēng)向,并對風(fēng)場變化進(jìn)行實時預(yù)報。毫米波測云雷達(dá)則全天候開展云霧遙感探測,對發(fā)生降雪、降雨等天氣過程時的風(fēng)、雪、雨、云等氣象目標(biāo)進(jìn)行定量刻畫,分析賽區(qū)天氣規(guī)律并做精細(xì)化預(yù)報。三維風(fēng)場激光雷達(dá)可探測高精度、高時空分辨率的風(fēng)速、風(fēng)向、垂直氣流、風(fēng)切變等多氣象要素。大氣探測激光雷達(dá)獲取高精度、高時空分辨的氣溶膠、云層的光學(xué)參數(shù)信息,實現(xiàn)對氣溶膠、云的全天時、高精度探測。
高精度傳感器技術(shù)實現(xiàn)對降水、降雪、溫度、圖像等氣象數(shù)據(jù)的高精度采集,滿足賽場精細(xì)化氣象觀測的需求。稱重式降水傳感器實現(xiàn)對雨、雨夾雪、雪等不同相態(tài)降水的高精度測量。而無線便攜式手持雪溫雪狀觀測儀(圖3),搭載了紅外測溫、面陣激光測距、智能圖像等多種先進(jìn)的高精度傳感器,測溫精度在±0.3℃以內(nèi),能自動識別粉狀雪、殼狀雪、冰狀雪和漿狀雪四種雪狀,支持視頻流與波形圖預(yù)覽數(shù)據(jù),探測雪地實時溫度,為雪上競技項目比賽提供了助力。
圖3 無線便攜式雪溫雪狀觀測儀
另外,基于無人機(jī)航拍結(jié)合環(huán)境氣象條件實現(xiàn)賽場地形和風(fēng)速信息的高分辨率氣象報告,融合北斗高精度定位技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)和傳感器技術(shù)實現(xiàn)冬奧會雪上運(yùn)動賽場高精度位置網(wǎng)格化的實時氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測和超運(yùn)動條件預(yù)警,可觀測溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量等常規(guī)氣象要素和地溫、輻射、紫外線等專項賽事特殊氣象服務(wù)數(shù)據(jù)的自動氣象站,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、多模式集成等技術(shù)的冬奧專用版自動氣象站組網(wǎng)平臺軟件,均為航天技術(shù)在冬奧氣象保障中的應(yīng)用實例。從地基到空基,從點(diǎn)到面,探測范圍、要素不同的氣象設(shè)備織就了嚴(yán)密的氣象探測網(wǎng),為冬奧氣象觀測提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐和“稠密”的數(shù)據(jù)服務(wù)。
2022年北京冬奧會和冬殘奧會的奧運(yùn)手持火炬采用高壓儲氫氣瓶,首次成功使用氫氣作為奧運(yùn)會的火炬燃料,突破了超薄壁氣瓶加熱收口成形、熱處理變形控制、大壁厚瓶口旋壓增厚及精加工、弱剛性薄壁殼體復(fù)材纏繞等關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了冬奧會歷史上火炬的零碳排放。另外,火炬燃燒器的設(shè)計中采用“雙火焰”方案結(jié)合燃燒催化設(shè)備,在“飛揚(yáng)”火炬外形和狹小、彎曲不規(guī)則的空間約束下,保證北京冬奧會特種火炬能夠適應(yīng)各種惡劣天氣。同時,火炬的強(qiáng)度按照航天可靠性理念進(jìn)行設(shè)計,保留了數(shù)倍的安全余量,確保了火炬再燃燒過程具備高可靠性。
多機(jī)器人在冰雪和水下跨域協(xié)同的火炬?zhèn)鬟f,成為本屆北京冬奧會的一大看點(diǎn)。水下火炬創(chuàng)新采用新型燃燒組織結(jié)構(gòu)、氣動旋流火焰保護(hù)設(shè)計以及氣態(tài)燃料,克服了水下隔絕氧氣的問題,消除固體燃料燃燒的煙霧污染,使得火焰有動態(tài)、飄逸的美感,讓奧運(yùn)圣火呈現(xiàn)水下燃燒勝景(圖4)。
圖4 多機(jī)器人在冰雪和水下跨域協(xié)同的火炬?zhèn)鬟f
2022年2月4日,北京冬奧會開幕式的“冰雪五環(huán)”驚艷世界,精彩的背后離不開航天技術(shù)的支撐。冰立方是整個開閉幕式最大功率的驅(qū)動設(shè)備,借鑒火箭發(fā)射塔架的設(shè)計理念,研發(fā)出了全新的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),在冰立方底部布置了16套由鏈條、鋼絲繩和導(dǎo)軌組成的機(jī)械結(jié)構(gòu),相互配合,穩(wěn)穩(wěn)掛起冰立方。主火炬燃燒系統(tǒng)采用“焰色反應(yīng)”機(jī)理,在氫氣火焰區(qū)中以特殊方式植入微量顯色劑配方,以安全、環(huán)保的方式實現(xiàn)氫氣火焰的可視性;采用線性多點(diǎn)式耦合燃?xì)夥峙浼夹g(shù),實現(xiàn)火焰“飛揚(yáng)”飄逸的造型;另外,主火炬的試驗環(huán)境是基于航天器回收著陸試驗場構(gòu)建模擬的,為確保點(diǎn)火儀式的各個環(huán)節(jié)可靠、順暢做了重要支撐。鳥巢主舞臺臺面的巨幅地屏利用航天工程中的冗余容錯設(shè)計,提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性,保證演出正常舉行,結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)的演出舞臺空間結(jié)構(gòu)。
另外,為適應(yīng)鳥巢風(fēng)向變化而增加旋轉(zhuǎn)功能設(shè)計的位于舞臺兩側(cè)的旗桿,開幕式升旗裝置的大量防風(fēng)險設(shè)計,位于鳥巢距地面50多米高可吊裝超過6噸設(shè)備的威亞,輔助冬奧會賽事重要環(huán)節(jié)的事前數(shù)字化推演演練及事中實時監(jiān)測與動態(tài)指揮調(diào)度的開閉幕式演出與儀式數(shù)字化演練系統(tǒng),結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的冬奧會開幕式指揮監(jiān)控系統(tǒng),采用數(shù)字化仿真技術(shù)的舞臺機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計均有航天技術(shù)的身影。
針對北京冬奧會期間的航空救援任務(wù),駐防隊伍在直-8A直升機(jī)基礎(chǔ)上改裝的救援直升機(jī),每日空中巡察張家口崇禮賽區(qū)、冬季兩項中心、北歐跳臺滑雪場、北歐中心越野滑雪場和云頂滑雪場,執(zhí)行冬奧安保和航空救援任務(wù)。直升機(jī)上加裝了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和實時圖像傳輸設(shè)備,便于指揮救援和對直升機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行定位。
基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和AR等新技術(shù),安保指揮將傳感器、無人機(jī)等新技術(shù)產(chǎn)品融合運(yùn)用,實現(xiàn)對入侵目標(biāo)的探測、定位、分類識別、軌跡跟蹤,并可通過前端探測設(shè)備與聲光電聯(lián)動機(jī)制,對攀爬翻越、掘地入侵、低空拋物、圍欄破壞等行為發(fā)布警報信息,及時準(zhǔn)確地報告入侵異常事件。便攜式高通量衛(wèi)星站、無人機(jī)、雷達(dá)工程偵察車、全地形車、機(jī)械化橋等多種先進(jìn)通信保障設(shè)備和應(yīng)急搶險裝備等多種先進(jìn)裝備匯集的數(shù)字化、信息化手段,為指揮部準(zhǔn)確提供了災(zāi)害現(xiàn)場各類信息,使決策人員迅速做出“降坡排險、立體協(xié)同、對向清理、先通后拓”的行動方法,快速清理塌方體。
利用低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),與高軌衛(wèi)星、地面5G相融合,構(gòu)建具備衛(wèi)星、光纖鏈路互備、融合泛接入的應(yīng)急獨(dú)立核心網(wǎng)及精準(zhǔn)業(yè)務(wù)平臺的應(yīng)急通信系統(tǒng),為緊急、嚴(yán)苛、復(fù)雜條件下網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通和高質(zhì)量服務(wù)提供良好的補(bǔ)充增強(qiáng),為冬奧會整體應(yīng)急通信保障工作發(fā)揮積極作用(圖5)。另外,為確保冬奧會開閉幕式演出與儀式通信調(diào)度萬無一失,基于有線內(nèi)通系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和無線FM廣播系統(tǒng),搭建以矩陣系統(tǒng)為核心雙光纖環(huán)路音頻骨干網(wǎng),通過矩陣實現(xiàn)所有設(shè)備的互聯(lián)互通與統(tǒng)一控制,確保開閉幕式指揮調(diào)度通信信息及時送到。
圖5 低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
隨著科技發(fā)展,跨領(lǐng)域和多學(xué)科成為競技體育科學(xué)化的助推器。競技體育不僅是經(jīng)濟(jì)實力的比拼,還是科技實力的較量。科技在體育訓(xùn)練、營養(yǎng)、心理、體能、技術(shù)、康復(fù)等各領(lǐng)域的作用舉足輕重。其中,航天技術(shù)在科學(xué)化訓(xùn)練、競賽裝備和訓(xùn)練設(shè)備研發(fā)中起到了重要作用。
導(dǎo)航定位、傳感器、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合可以實現(xiàn)各類運(yùn)動參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、生理參數(shù)及姿態(tài)數(shù)據(jù)的精確采集和分析,結(jié)合運(yùn)動訓(xùn)練學(xué)、運(yùn)動生物力學(xué)等體育專項理論助力科學(xué)化運(yùn)動訓(xùn)練。基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、室內(nèi)定位技術(shù)、慣性傳感器實現(xiàn)運(yùn)動員運(yùn)動學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集,基于溫濕度傳感器、氣壓傳感器、空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)實現(xiàn)運(yùn)動環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集,基于肌電、皮電、腦電、心電、光電傳感器完成對于運(yùn)動員生理參數(shù)的數(shù)據(jù)采集,基于視覺采集設(shè)備實現(xiàn)對運(yùn)動員運(yùn)動姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,應(yīng)用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等計算機(jī)技術(shù)可以從運(yùn)動訓(xùn)練的角度實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效解析。對以上不同類型的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行組合進(jìn)而進(jìn)行表現(xiàn)分析,實現(xiàn)對于不同運(yùn)動項目、不同訓(xùn)練科目和不同評估角度的數(shù)據(jù)支撐,幫助教練員科學(xué)指導(dǎo)運(yùn)動員的訓(xùn)練,綜合優(yōu)化提升運(yùn)動員的技術(shù)能力。雪上技巧類項目多模態(tài)生物力學(xué)快速反饋系統(tǒng)融合了人工智能、超寬帶精準(zhǔn)定位、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、高速自動跟拍等多項技術(shù),快速精準(zhǔn)分析運(yùn)動員助滑、起跳、飛行和落地姿態(tài),實時反饋的三維動作捕捉,可以多角度為教練提供數(shù)據(jù),實現(xiàn)訓(xùn)練環(huán)節(jié)精細(xì)量化;通過運(yùn)用可穿戴設(shè)備等技術(shù),進(jìn)行神經(jīng)啟動、肌肉控制等方法研究,建立數(shù)字化高速影像、冠軍選手模型、運(yùn)動員心理分析,為運(yùn)動員和教練員提供理論和數(shù)據(jù)支撐,為及時調(diào)整訓(xùn)練方案提供科學(xué)依據(jù)。
借助風(fēng)洞進(jìn)行冰雪項目輔助訓(xùn)練,模擬運(yùn)動過程中氣體的流動情況,借助空氣動力學(xué)理論開展減阻技術(shù)的研究。我國首座體育綜合訓(xùn)練風(fēng)洞,集運(yùn)動員訓(xùn)練、裝備測試、環(huán)境模擬于一體,已為我國冰上、雪上、車撬等冬季項目以及田徑、游泳、自行車、賽艇等夏季運(yùn)動項目共計20多個國家隊提供測試及訓(xùn)練服務(wù)。從比賽服裝、頭盔、雪車等裝備的研制,到運(yùn)動員運(yùn)動姿態(tài)和多人項目、團(tuán)體比賽的空氣動力學(xué)研究,風(fēng)洞的使用為頂尖運(yùn)動選手的運(yùn)動表現(xiàn)提升提供助力(圖6)。目前,風(fēng)洞技術(shù)在冬季體育項目的應(yīng)用,已經(jīng)形成了包括冬季項目風(fēng)洞訓(xùn)練體系、運(yùn)動姿態(tài)優(yōu)化減阻技術(shù)、隊列優(yōu)化減阻技術(shù)、賽道賽時環(huán)境風(fēng)評估與應(yīng)對技術(shù)、運(yùn)動裝備風(fēng)阻性能評測技術(shù)的完整體系。
圖6 風(fēng)洞測試
除風(fēng)洞輔助科研訓(xùn)練外,計算流體力學(xué)(CFD)也為跳臺滑雪研究提供了更加有效的助力手段,通過人體姿態(tài)三維掃描技術(shù)對跳臺滑雪國家隊隊員開展了助滑和飛行姿態(tài)的三維建模。由于是采用計算機(jī)模擬手段,因此可以獲得運(yùn)動員身體繞流和身體各部位空氣壓力信息,通過對不同姿態(tài)下人體繞流和受到的升阻力分析,可辨識影響運(yùn)動成績的主要因素,為國家隊優(yōu)化技術(shù)動作提供了量化參考。
在競賽裝備和訓(xùn)練設(shè)備方面,融合新材料、航空航天技術(shù)、5G、人工智能、可穿戴設(shè)備等技術(shù)研發(fā)高端運(yùn)動裝備、器材、智能化場地,打造適合我國運(yùn)動員生物特征和運(yùn)動特點(diǎn)的高性能裝備。
我國首輛國產(chǎn)雙人雪車的成功研發(fā),結(jié)合戰(zhàn)機(jī)設(shè)計的理念開展雪車流線型的外形和翼身融合設(shè)計,車身采用了高強(qiáng)度等級國產(chǎn)TG800宇航級碳纖維復(fù)合材料,并根據(jù)中國運(yùn)動員體型設(shè)計了流線型車身,減輕了車體質(zhì)量,提升了滑行速度,風(fēng)阻系數(shù)較進(jìn)口同類雪車降低8%。雪車頭盔作為雪車的配套設(shè)備,采用強(qiáng)度高、防撞性能優(yōu)異的中國航天T800碳纖維和純碳纖維材料制成,內(nèi)部材料緩沖層采用3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),并根據(jù)運(yùn)動員頭部的數(shù)據(jù)采用個性化定制方案,有效地為運(yùn)動員減少了負(fù)重,顯著提升運(yùn)動員佩戴的舒適度與防護(hù)能力,風(fēng)阻系數(shù)明顯下降。根據(jù)中國運(yùn)動員體型特點(diǎn)設(shè)計,涉及短道速滑、速度滑冰、高山滑雪等競速類項目研發(fā)的多款比賽服減阻率均超過10%。冬奧禮儀服內(nèi)膽中添加了石墨烯發(fā)熱材料,可有效抵御冬奧會運(yùn)動場館零下30多攝氏度的低溫。
為保障涉奧人員和觀眾的健康安全,北京冬奧會實行定向組織觀眾現(xiàn)場觀賽的制度。因此,賽事直播成為全球觀眾關(guān)注收看冬奧會的唯一渠道。衛(wèi)星通信、高速視頻采集等航天技術(shù)助力北京冬奧會智慧觀賽。
衛(wèi)星通信技術(shù)助力奧運(yùn)賽事直播。中國衛(wèi)通中星6B、中星6C、中星9號、中星9B等衛(wèi)星負(fù)責(zé)北京冬奧開閉幕式及各項精彩賽事的廣播電視衛(wèi)星信號傳輸。其中,中星9B衛(wèi)星特別設(shè)計了專門用于開展直播業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)器,支持4K、8K高清視頻節(jié)目傳輸。北京冬奧會也是全球首次規(guī)?;瘧?yīng)用8K技術(shù)進(jìn)行開幕式直播和重點(diǎn)賽事報道的一屆奧運(yùn)會,讓更多觀眾感受到了身臨其境的電視直播觀賽體驗。
賽場高速視頻采集設(shè)備保障比賽現(xiàn)場直播。北京奧林匹克公園內(nèi)的國家速滑館“冰絲帶”內(nèi),兩套三軸封閉式陀螺穩(wěn)像平臺作為高機(jī)位實現(xiàn)高點(diǎn)遙控穩(wěn)定拍攝,提供高機(jī)位橫向總覽整個賽場的廣闊視角大全畫面。
事實上,航天技術(shù)對于北京冬奧會的助力還體現(xiàn)在許多方面,數(shù)字人民幣、公共衛(wèi)生服務(wù)保障、智能文件交換與跟蹤、冬奧會票證系統(tǒng)保障、裁判智能輔助等方面均有航天技術(shù)的身影。奧運(yùn)會是展示國家形象和創(chuàng)新實力的重要載體,航天技術(shù)在體育領(lǐng)域的“跨界”支持,不僅完美地完成了2022北京冬奧會的保障任務(wù),同時也可以借助冬奧會平臺加速航天技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程,圍繞辦賽、參賽和觀賽形成的一系列創(chuàng)新成果和最新的應(yīng)用解決方案,充分發(fā)揮奧運(yùn)的帶動和示范效應(yīng),為后奧運(yùn)時代的京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和“3億人參與冰雪運(yùn)動”發(fā)揮積極助力作用,讓我們攜手努力“一起向未來”!