◎ 本刊記者 蔣向利
2022年北京冬奧會開幕式驚艷世界,人工智能、機器視覺、5G、云轉播等科技成果巧妙運用其中,達到“人少而不空,空靈而浪漫”的現場效果,成為“科技冬奧”的杰出體現。事實上,北京冬奧會在場館設計、訓練設施、賽事保障等各個方面展示了現代“黑科技”對于冰雪運動的巨大助力。
北京冬奧會后,科技冬奧的諸多成果將有可能繼續惠及在數字化時代生活的每一個普通人。
中國代表團得以實現冬奧會的全項目參賽,高科技起到了關鍵作用。
北京冬奧會采用了六自由度電動模擬體育訓練系統,它可以搭載鋼架雪車、雪橇、越野滑雪、冬季兩項等多個冬奧會冰雪項目,能夠將六自由度運動系統技術、VR虛擬現實技術、數字仿真技術相結合,為冬奧會比賽運動員提供十分逼真的專項運動的訓練及比賽環境。
原本應用于航空航天等領域的“風洞實驗室”如今被用來輔助運動員開展模擬訓練和測試,成為國際跳臺滑雪界公認的訓練“神器”。位于國家跳臺滑雪訓練科研基地的風洞實驗室具備三個試驗段,最大風速42米/秒,是目前世界最大的國內首座跳臺滑雪專用風洞。
河北承德壩上的國家雪上訓練基地有兩個世界首創,一個是“大轉盤”,一個是“陸地雪洞”。我國自主研發的室內滑雪圓盤滑雪滑冰機模擬設備,通過圓盤傾斜并轉動,為運動員全年在“真雪”模擬不同速度、難度的訓練提供室內條件。滑雪“大轉盤”可以模擬傾角達正負18度的坡度、0~35公里/小時的拐彎,運動員可經由這種方式實現拐彎技術的快速提升。“陸地雪洞”則是指氣膜保溫封閉賽道,在7.5公里越野滑雪賽道上選擇難度最大的2.5公里段,加裝保溫氣膜和制冷通風系統,形成閉環,內部氣溫可以保持在零下6攝氏度到零下8攝氏度,實現全年“真雪”訓練。
北京冬奧會,5G信號覆蓋所有場館和連接場館的道路。這為超高清視頻、各項智能服務等應用場景提供了必要的網絡連接。
在室外觀賽,天氣比較寒冷。為解決觀眾觀賽取暖的問題,場館采用了座席和站席觀賽環境的舒適性提升技術,實現零下20攝氏度體感溫度下,設備表面溫度10秒內升至40攝氏度以上,可以顯著提升觀眾熱舒適感受。
多維度觀賽體驗和VR直播技術亮相。60個采用5G+8K技術的相機呈180度吊裝在五棵松體育中心競賽館內環形屏下方,對比賽進行全面拍攝。觀賽人員只需下載相關App,便可體驗180度自由視角觀賽。用戶可以通過手機、VR頭盔和電視大屏實現自由視角和VR直播觀看,突破了傳統固定視角和被動式觀賽,“身臨其境”般地感受比賽的激烈。
“科技范兒”的場館,能幫助運動員發揮最佳狀態。
國家游泳中心是水上和冰上項目均可運行的“全能場館”:“水立方”和“冰立方”瞬時“變身”,應用裝配式快速拆裝和調平動態監測技術,20天內就可以完成“由水到冰”的場地轉換,這是冬奧會歷史上體量最大的冰壺場館,可實現冰壺場地與速滑場地的自由轉換。
被稱為“冰絲帶”的國家速滑館打造了“平原上最快的冰”,采用世界跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網屋面,用鋼量僅為傳統屋面的1/4。五棵松冰上中心的“冰菱花”設計外形很炫酷,但更值得關注的其實是它把超低能耗的理論和技術融入了設計和建造的過程當中,殘存熱能和冷能可以再吸收再利用,有利于場館在冬奧會賽后的利用。
位于張家口賽區的國家跳臺滑雪中心,以及北京賽區的首鋼滑雪大跳臺,首次應用了符合國際標準的競技型人工剖面賽道設計方法與建造關鍵技術,為國內首創,大跳臺正四面體的模塊及連接節點,可以實現不同比賽的賽道剖面轉化。國家雪車雪橇賽道長度大、落差大、彎道多,通過技術創新解決了賽道精度和溫差控制難題,首次實現360度回旋彎道一次噴射成型,同時可滿足延慶高烈度區的抗震要求。
“智慧奧運村”把運動員安置在精心設計的、個性化的居住設施中。張家口冬奧村(冬殘奧村)的運動員公寓中,最引人注目的是一張智能床。該床寬1.2米、長2米,由我國自主研發,依循人體工程學原理,在不同使用場景下為人體脊柱提供最佳支撐,充分分散身體壓力,促進運動員血液循環,釋放賽時緊張壓力,它還擁有睡眠、閱讀、看電視等三種不同的模式,床墊擁有記憶功能,當運動員躺在床上的時候,床墊會根據身體的曲線自動調節,讓身體保持一個最舒適的狀態。
天氣對戶外滑雪運動影響巨大。專門建設的延慶、張家口冬奧氣象服務分中心,在自動氣象站、激光測風雷達等加密氣象監測設備科學布設基礎上,依托數值天氣預報、人工智能、大數據等技術,研發冬奧智慧氣象服務技術及系統,實現超精細“復雜山地+超大城市”一體冬奧氣象綜合監測,達到“分鐘級、百米級”精準預報。
防疫機器人、霧化消毒機器人、巡檢機器人、引導機器人、遞送機器人、物流機器人、炒菜機器人、送餐機器人等各類服務機器人紛紛上崗,提供無接觸的智能服務。
最令人矚目的,當屬奧運史上首次由多機器人完成的火炬接力環節,兩名機器人火炬手完成水下接力,機器人冰面滑行入水,并在水下完成火炬交接傳火,最后重新出水,體現了“水火相融”的神奇景象。
針對冬奧北京市區、延慶、張家口賽區一體化醫療保障需求,覆蓋3個賽區的智能醫療機器人、機械手等智能醫療器械的遠程手術操作系統等,為應急醫學保障提供了可能。
在十分重要的疫情防控領域,機器人更是大顯身手。AI消毒機器人在場館內提供多方面智能化無接觸服務。如水立方的消毒機器人,續航持久、自動避障、自行充電,通過AI大數據構建的智能化消毒系統將場館消毒做到可視化、數據化、可追蹤,滿足對場館不同區域內近8600平方米的公共區域清掃消毒工作。
遠在千里之外的深圳,機器人、無人機、激光等元素,也通過連線的方式與開幕式熱場演出進行互動,讓大灣區也能以硬核科技赴冰雪之約。專門打造的冬奧運動智能機器人,化身滑雪、滑冰運動員,還呈現了這兩項運動中經典的空中技巧。
科技冬奧還有不少廣東元素。例如一家廣東科技企業向世界展現了其音響、燈光、創意等方面的最新成果,并參與冬奧場地的保障工作。
冬奧會主媒體中心的智慧餐廳面積達到5400平方米,能同時容納1700余人用餐。餐廳內的智能、自動餐飲設備,保證點餐、制餐、出餐全流程自動化完成。該智慧餐廳最大特點是采用了漢堡機、煲仔飯機、炒菜機等十余款智能烹飪及傳送設備。在疫情防控的大背景下,智慧餐廳不僅進一步減少了人與人的交叉接觸,降低疫情傳播概率及防疫成本,還能夠24小時提供服務。

出自深圳的防疫神器——可穿戴“體溫貼”在冬奧會中成為工作人員防疫的第一道防線。這款“體溫貼”是世界上已有的最小測溫計,且測溫非常精準,檢測體溫的誤差只在0.1℃~0.2℃之間,最小誤差可以達到0.05℃。針對冬奧會場館的運行需要,它還定制開發了考勤出入、人員定位等功能,能更快掌握體溫異常者的接觸人群,精準抓取疫情傳播途徑。
“科技冬奧”計劃啟動以來,成果卓著。2021年初已有37個項目的133項技術成果在測試賽中應用。從2021年10月開始,隨著北京冬奧會國際測試活動開啟,“科技冬奧”重點專項又有61個項目228項技術成果陸續在測試活動、運動員訓練及相關冬奧籌備工作中測試應用。截至2021年11月,已啟動80個重點項目。
通過綠電交易平臺,賽時將實現奧運史上首次所有場館100%使用綠色電力,預計實現碳減排32萬噸。清潔能源車輛用車占比將達到85%,為歷屆冬奧會最高。
國家速滑館建設方申請和獲得了82項專利,研發了索網結構體系等8項國際領先技術。
以北京睿圖(新一代快速更新多尺度資料分析和預報系統)模式體系為核心,首次實現復雜地形下100米分辨率、逐10分鐘快速更新的冬奧關鍵氣象要素0-24小時高精度客觀集成預報;研發了從短時臨近(0-1小時)到延伸期(30天)的無縫隙精細化網格預報產品,實現了歷屆冬奧會最高標準的“分鐘級、百米級”精準預報要求。
中國高山滑雪比賽服裝在32m/s風速時的綜合阻力比國際上購買的先進服裝總阻力要下降4%。短道速滑比賽服采用高彈性防切割面料,以Dyneema防切割技術,增強了保護性能,雖然十分輕盈,但卻有10倍于鋼絲的強度,一般的剪刀根本沒法剪斷。

申冬奧成功以來,“科技冬奧”重點攻關大力推進,《科技冬奧(2022)行動計劃》全面展開,國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項有序推進,取得了一系列科技創新成果。這其中自然少不了高校的力量。據不完全統計,清華大學、浙江大學、復旦大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、重慶大學、大連理工大學、北京林業大學、東北大學等國內多所高校貢獻了科技智慧,助力冬奧。
作為唯一新建冰上競賽場館——國家速滑館“冰絲帶”為世界貢獻了由中國設計、中國技術、中國材料、中國制造組成的奧運場館建設“中國方案”。這其中,浙江大學建筑工程學院羅堯治教授團隊和鄧華、袁行飛教授團隊就為“冰絲帶”超大跨度索網結構建設施工與運維保障提供了重要的科技力量。“冰絲帶”的屋面體系采用了雙曲面馬鞍形單層索網結構,是目前世界上跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網屋面體育館。所謂的索網結構,簡單地說,就是一張由鋼索編織而成的大網。這樣一張大網“扣”在了速滑館的上方,形成一個馬鞍形雙曲面屋頂。相較于傳統的剛性屋面結構體系,柔性的索網屋面在滿足結構功能的前提下大大減小了結構的用鋼量,這樣精巧的空間設計為節能環保提供了保障。除了對“冰絲帶”屋頂的監測,浙大團隊還對速滑館的賽場冰下混凝土開展了結構監測。“冰絲帶”采用了全冰面設計,同時也采用最先進的制冰技術,冰面溫差可控制在0.5℃以內。在“冰絲帶”建設期間,浙江大學建筑工程學院的另一撥人馬也發揮了重要作用。為了更好解決屋頂的建設難題,鄧華、袁行飛教授團隊通過12︰1的縮尺模型,開展了國家速滑館大跨度索網屋蓋結構建造關鍵技術及模型試驗研究。
如何通過人工智能為冬奧健兒的體育訓練賦能?復旦大學工程與應用技術研究院教授、智能機器人研究院常務副院長張立華團隊研發智能冰上運動訓練分析系統。這一系統的主要技術指標被2022北京冬奧會采用,讓“智能化”教練親身指導,助你化身“冰雪精靈”!該系統采用基于人工智能計算機視覺算法對滑冰運動員的動作、姿態、速度等信息進行智能分析對比,從定性、定量再到定制化分析每個運動員的特點,提高科學化訓練水平與效率,有效減輕教練員工作負荷,實現科學訓練、有效提升運動員訓練效果和競賽成績的目的。“我們利用人工智能技術,可以分析冰上運動員的骨架、各關節的動作、姿勢,這叫運動目標的骨架節點識別和可視化。”張立華介紹。未來,張立華團隊將面向專業和大眾運動項目開展比賽訓練分析算法及應用系統研究,根據現有基礎建設競技體育比賽訓練智能分析平臺,實現訓練輔助分析、比賽輔助裁判等智能化應用,并建設示范性智能化體育比賽場館、大眾體育智能化示范設施,讓廣大群眾能夠在日常運動中感受“智能化”服務帶來的全新體驗。
近日,由上海交通大學設計研發的六足滑雪機器人在沈陽完成了初級道、中級道以及與人共同滑雪實驗,通過了穩定控制、智能感知、規劃決策等多方面的測試。這款滑雪機器人是在“科技冬奧”的號召下,由上海交通大學高峰教授領銜,上海交通大學機械與動力工程學院和電子信息與電氣工程學院組成的足式機器人研究團隊研制,獲得了科技部國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項支持。不僅能高速滑雪,還能躲避人群、自己規劃最優路線。滑雪機器人在初級與中級雪道中的測試,證明了自己具備敏捷的轉彎、制動能力和強大的自主感知、規劃能力。它能在雪場高速滑行,遇到障礙物還能急轉彎,繼續保持自己矯健的滑雪身姿,還能在滑行的過程中完成高山滑雪運動中的“過旗門”任務,能夠實現良好的速度、方向控制,具有滑行、急停、避障、繞桿等功能。據介紹,上海交通大學足式機器人團隊研發的這款滑雪機器人是六足機器人,采用雙板滑雪。中間的四條腿分成兩組,每兩條腿固定在一個滑雪板上,用于控制滑雪板的位置和姿態,兩側的兩條腿分別加裝了滑雪杖,用以模仿人,實現點杖的功能。每個滑雪板具有五個自由度,通過控制滑雪板的位姿可以實現滑雪的速度控制、轉彎和制動等功能。滑雪機器人不僅是“科技冬奧”的直觀體現,同時也以“人機共融”的理念為后冬奧時代提供了無限暢想。研究團隊表示,“冬奧會結束后,這款機器人還可以結合當下5G、無線網絡等先進技術,通過遠程控制,實現滑雪機器人同場競技,創造電-機-競的全新娛樂模式,為滑雪愛好者和青少年創造科技感十足的娛樂新風尚。”

科技助力競技體育需要科學的訓練才能夠決勝毫厘之間,有哪些方式可以提升運動員的速度呢?哪里轉彎哪里變換姿勢是最為恰當和合適的呢?北京航空航天大學教授柯鵬團隊研發出了一套訓練神器。據介紹,北京航空航天大學交通科學與工程學院副教授柯鵬帶領著團隊,從2019年開始,充分借鑒航空工程的基礎理論和技術方法,在服裝、裝備、動作、冰面摩擦等每一個環節,都經過了細致的研究。對于運動員什么時候加速、怎樣轉彎、如何減少阻力、滑行路線選擇、體能分配和配速優化方面,都引入航空航天科技,特別是找到了適合中國運動員的最佳滑行線路,借助科技讓訓練更科學。
為保障大規模臨時設施的安全,重慶大學“科技冬奧”團隊成員、土木工程學院劉綱教授研發了嚴寒山區復雜地形下大面積高容量臨時設施安全運維監測系統。他如此介紹此系統:“通過在臨時設施上安裝溫度、濕度等環境傳感器,以及振動、傾角、應變等結構響應傳感器,實時監測臨時看臺的狀態,隨時對設施進行‘體檢’”。
冬奧會臨時設施大多都建在腳手架上,所以每一個連接點的安全牢固就非常重要。在實驗室檢測現場腳手架上的每一個連接處,都插著數個插銷來實現的固定和鏈接。為此重慶大學“科技冬奧”團隊研發了一套設備,實現用無人機給整個賽場的腳手架做體檢。僅僅拍一張照片,就能夠檢測出拍照范圍內的插銷是否安裝到位。每一片插銷都預先涂上了特有的反光材料,一旦有安裝不到位的情況,通過無人機拍照就能夠立馬在顯示屏中看到反饋。這樣,既節約了時間、人力,也最大程度地保證臨時設施的安全牢固。
目前,重慶大學“科技冬奧”團隊已在崇禮和延慶賽區,共計安裝了30套設備對臨時設施安全進行監測,設備要等冬奧會和冬殘奧會結束后才會拆除,期間所有的監測數據都會實時發給現場的運維人員,對臨時設施架體進行及時維護。
另外,賽場下都是凍土,如何保證建筑安全?重慶大學“科技冬奧”團隊研發了適用于嚴寒山區大面積復雜結構荷載的抗凍融循環凍土地基快速處理專利技術新型樁。
通俗來說就是氣溫到了零下,土壤里面的水變成了冰,隨著氣候變化,凍土在不斷凍脹融沉。當地基土壤變化莫測,那么打下的地基也將受到影響,地上的建筑物也就不會穩固。劉綱教授說,“新型樁樁身采用螺旋葉片式設計,這是便于機械旋螺鉆進施工,從而到達實現快速、弱擾動施工,單樁施工僅需十余分鐘;可反向旋擰回收再利用,實現綠色辦奧運的理念。”
不僅如此,所研發的新型樁除可顯著提高承載力外,最大特點在于樁身深入凍土地層段采用隔離套設計,將中心承載鋼管與周圍凍土隔離,消除了地基土凍脹融沉的影響。

北京2022年冬奧張家口賽區整體及全部場館和北京賽區首鋼場館的規劃設計工作,由清華大學建筑學院團隊主導。清華大學建筑學院院長張利擔任北京冬奧會張家口賽區和首鋼滑雪大跳臺總設計師,國家跳臺滑雪中心“雪如意”和首鋼滑雪大跳臺就是由他主持。據悉,以往冬奧會跳臺場館的跳臺落差超百米,普通人無法使用,也提供不了很好的觀光體驗。對此,張利團隊沿用了城市設計中常用到的“2.5小時慢行體驗”原則。在場館群之間,附加做了步行橋“冰玉環”,西半環總長1.7公里,距地面高7米,便于觀眾往返于場館間,形成一個慢行體驗。“雪如意”頂端,是一個具有環狀空間的頂峰俱樂部,借助VR技術打造環形共享空間。在首鋼滑雪大跳臺的設計中,張利稱,“我們借助人因技術,從東南方向開始,每5度做一個測試場景,請志愿者被試幫助判斷。”過程中,測試人的皮電,以及對跳臺、冷卻塔和西山的注視時長等,根據測試數據確定跳臺的最終方位。
自動夾取、釋放冰壺、準確擊中目標……冰壺機器人將在北京冬奧會亮相,不僅在冰壺比賽期間進行表演,還將在群眾體驗場與觀眾進行互動。哈爾濱工業大學聯合黑龍江省體科所、哈爾濱體育學院等體育專業隊伍組成20多人的研發團隊,構思和設計一款能夠與人協作共同完成冰壺比賽的機器人,實現人工智能賦能冰雪體育。研發團隊還將進一步研制面向大眾體育的冰壺機器人系統。
京張高鐵智能動車組正線全長174公里,實現世界首次350km/h全自動駕駛,是復興號的智能升級版,實現了“坐著高鐵看冬奧”的愿望。京張高鐵的兩款車頭“龍鳳呈祥”和“瑞雪迎春”的蒙皮,就是哈工大材料學院王國峰教授團隊采用快速超塑成形工藝助力實現制造生產的。“龍鳳呈祥”和“瑞雪迎春”采用仿生學與空氣動力學原理,分別仿生于“鷹隼”與“旗魚”。其流線型的仿生車頭模型能夠有效減少氣體分流,降低空氣阻力,減少內耗,保證時速。
“雙奧場館”國家游泳中心在2019年首次通過“水冰轉換”制出4條冬奧標準的冰壺賽道,使該場館可在“水上功能”和“冰上功能“之間自由切換,同時具備開展水上、冰上運動及各類大型活動的能力。
哈爾濱工業大學土木學院張文元教授團隊從無到有,提出了一種轉換冰場的結構方案,所有鋼結構、混凝土面板都是組裝的,可以隨時進行安裝,10-20天就可以完成,不僅效率高、經濟性好,而且可以重復使用。
哈爾濱工業大學建筑學院陸詩亮教授帶領的科研團隊對國家游泳中心頂棚膜結構,進行了遮蔽改造,構建冰立方所需要的低濕低溫環境,為冬奧會冰壺比賽保駕護航。
據了解,這款滑雪頭盔運用了航天薄壁結構設計科技。大連理工大學科研團隊運用了曲線加筋變剛度的設計技術,頭盔的材料也有所創新。在保持沖擊韌度的同時將剛度提高了4倍,拉伸強度提高了3倍,大幅提升了頭盔的抗沖擊吸能效率,對運動員形成更好的保護。如今,這款頭盔已經通過歐洲滑雪頭盔安全標準測試,并在我國雪上空中技巧項目專業隊的訓練當中投入使用。值得一提的是,它的重量只有700克左右,在不大幅增加厚度和重量的前提下,防護性能比歐洲標準還高出至少20%。
北京林業大學科技服務北京2022年冬奧會張家口賽區崇禮核心區生態景觀建設。技術團隊按照空間線(全域)、時間線(全時)兩條主線開展工作,構建了核心區生態景觀賽區場館圈層、配套設施圈層和生態基底圈層三大空間圈層;對森林綠地樹木開展全過程精準監控和施策,集成創新系列關鍵技術,保證存活率。團隊還修復山體破損區,實現了全域不留白、綠色全覆蓋。
如何應用科技手段,模擬真實高山滑雪賽場環境呢?東北大學采集利用VR,把滑雪場景信息重建并顯示出來。該成果可幫助運動員進行賽前模擬,以更好地提前適應比賽環境;可輔助教練員糾正運動員訓練動作,從而有效提高訓練效率;還可用于春夏秋季運動員的滑雪訓練,以及非運動員進行室內仿真滑雪體驗。VR滑雪體驗系統可以讓滑雪運動員在備戰過程中以多種方式使用,包括比賽場地的提前檢查、提前適應環境變化、練習比賽路線等,同時可以面向大眾進行滑雪科普,幫助大家掌握滑雪技能、增強安全知識,為他們上冰雪奠定一定的基礎。

北京冬奧會從籌辦伊始,就確定了以科技創新賦能的思路,科技部會同北京冬奧組委等有關部門和地方成立科技冬奧領導小組,制定實施《科技冬奧(2022)行動計劃》設立并組織實施“科技冬奧”重點專項,強調應用導向、場景驅動,重點圍繞科學辦賽、運動科技、智慧觀賽、安全保障、綠色智慧綜合示范五個方面部署科研任務,努力舉辦一屆科技含量高的奧運盛會。
“科技冬奧”不僅攻克了一批核心關鍵技術,示范了一批前沿引領技術,還建立起了一批綜合應用示范工程,圍繞場館、運行、指揮、安保、醫療、氣象、交通、轉播等關鍵場景,通過科技創新賦能場館建設、守護賽事運行、助力疫情防控、提升觀賽體驗、支撐綠色辦奧、助推冬奧備戰。這些成果通過北京冬奧會各場景的應用示范,進一步創新完善后,將更多應用于經濟社會發展及城市運行各個領域,形成豐富的“科技冬奧遺產”。
科技冬奧領導小組工作組成員常宇表示,科技冬奧的目標,是通過冬奧會的籌辦,為世界探尋更好的未來城市生活解決方案,實現對人友好、對環境友好、對產業友好、對社群友好的人類城市生活永續目標。科技冬奧專項的工作者們一直在想,奧運會能帶給我們什么,或者我們如何通過奧運會推動創新,最終惠及城市運行、產業發展和百姓生活。
常宇認為,這展現了我國在科技創新方面的成熟心態。與冬奧相關的基礎設施建設、綠色環保、智慧服務、轉播技術以及人工智能,均力圖以“智能建筑、智能交通、智能轉播、智能裝備”等亮點,共同組成對“冬奧,智能新時代”的創新思考和解決方案。“我們希望因冬奧會產生的特殊場景的技術創新、模式創新,能夠引領北京作為‘雙奧之城’在新的數字化時代的發展,能夠惠及數字化時代下生活的每一個普通人。”常宇說。