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揭秘！硬科技助力中國冰雪項(xiàng)目奪牌

2022-02-14 19:25:22來源：環(huán)球時(shí)報(bào)  

【環(huán)球時(shí)報(bào)記者  趙覺珵  劉揚(yáng)】編者的話：北京2022冬奧會正在如火如荼舉行。2月12日，北京冬奧會開幕式中國代表團(tuán)旗手高亭宇斬獲北京冬奧會男子速度滑冰500米金牌，并打破奧運(yùn)會紀(jì)錄。此前，被網(wǎng)友昵稱為“小栓子”的中國選手蘇翊鳴獲得單板滑雪男子坡面障礙技巧銀牌。據(jù)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者了解，這些獎牌背后，都有著中國科技團(tuán)隊(duì)為參加冬奧會冰雪項(xiàng)目的運(yùn)動員量身打造的訓(xùn)練黑科技的強(qiáng)大助力。

“冰上大炮”打造“最強(qiáng)彎道”

高亭宇12日奪冠讓國人振奮不已，他在比賽中的彎道技術(shù)尤其令人印象深刻。據(jù)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者了解，國家速度滑冰隊(duì)為了錘煉彎道技術(shù)使用了一種名叫“人體高速彈射裝置”的設(shè)備。該裝置可輔助速度滑冰運(yùn)動員的彎道技術(shù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)加速過程的精準(zhǔn)控制，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國內(nèi)空白。

2022北京冬奧會速度滑冰男子500米頒獎儀式：高亭宇奪冠 圖源 IC photo

在速度滑冰運(yùn)動中，出色的彎道滑行技術(shù)是制勝的關(guān)鍵，但卻是訓(xùn)練中的難點(diǎn)。與短道速滑不同，速度滑冰的冰道周長達(dá)400米，運(yùn)動員入彎速度最高可達(dá)時(shí)速幾十公里，僅靠運(yùn)動員自身加速并過彎會非常消耗體力。為節(jié)省運(yùn)動員體力、提升訓(xùn)練效率，借助外力幫助運(yùn)動員加速成為解決這一問題的優(yōu)先方案。據(jù)了解，2018年，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院副教授郝繼光帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)接下這一為速度滑冰運(yùn)動員研制“冰上人體加速器”的任務(wù)，制造出“人體高速彈射裝置”。

拉住牽引繩、彈射加速、松開繩子、調(diào)整姿態(tài)入彎——這是包括高亭宇在內(nèi)的國家速度滑冰隊(duì)隊(duì)員使用“人體高速彈射裝置”進(jìn)行日常訓(xùn)練的一幕。

郝繼光向《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者提供的視頻顯示，“人體高速彈射裝置”分為兩部分：一部分是配有屏幕的控制臺，另一部分則是由電機(jī)驅(qū)動的彈射裝置，上面連接著牽引繩與握柄。運(yùn)動員在使用時(shí)拉住握柄，在短短幾秒鐘內(nèi)就可以從靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到指定速度，然后調(diào)節(jié)姿態(tài)、入彎一氣呵成。

“雖然這一課題的原理并不復(fù)雜，但對我們而言有些‘跨界’，因?yàn)槲覀兌疾涣私庠撛趺础畮椭\(yùn)動員加速”，郝繼光對《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者表示，一開始的設(shè)計(jì)方案參考了航天器發(fā)射，是在后方給予運(yùn)動員推力，但這樣的加速方式對運(yùn)動員存在風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過反復(fù)研究，“人體高速彈射裝置”改為牽引式，讓主動權(quán)把握在運(yùn)動員手里，有任何問題放開握柄就可以了。

“人體高速彈射裝置”的首臺設(shè)備于2019年4月研制成功，并于2020年初投入國家隊(duì)訓(xùn)練。據(jù)郝繼光介紹，這一裝置的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)對整個(gè)加速過程的完全控制，需要對彈射彈道進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)和反復(fù)檢驗(yàn)，例如如何設(shè)定參數(shù)能夠讓運(yùn)動員既可以完成加速，又能留出足夠的時(shí)間調(diào)整姿態(tài)。

目前，利用“人體高速彈射裝置”的彎道訓(xùn)練已成為速度滑冰國家隊(duì)日常訓(xùn)練項(xiàng)目之一。郝繼光透露，除速度滑冰外，針對跳臺滑雪的人體彈射裝置目前也已經(jīng)研制成功，未來將在訓(xùn)練基地安裝應(yīng)用。

作為一名航天科研人員，這樣一次“跨界”助力國家冬季運(yùn)動項(xiàng)目讓郝繼光和團(tuán)隊(duì)感到高興和自豪?！昂教焓菄业闹卮笮枨?，冬奧也是國家的重大需求，將航天領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)應(yīng)用到速度滑冰訓(xùn)練中，這讓我們的工作獲得不同的意義?！焙吕^光說。

雪山“千里眼”，讓訓(xùn)練動態(tài)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)

被大家親切稱為“小栓子”的中國小將蘇翊鳴前幾天在北京冬奧會單板滑雪男子坡面障礙技巧決賽中斬獲銀牌，創(chuàng)造該項(xiàng)目中國隊(duì)的歷史，這也是中國男子單板滑雪的首枚冬奧會獎牌?！翱吹教K翊鳴的精彩表現(xiàn)，我感觸頗深。我們見證了運(yùn)動員們刻苦訓(xùn)練的整個(gè)過程，也為科技助力冬奧取得的成績感到高興。”北京理工大學(xué)光電學(xué)院副教授張海洋對《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者表示。

張海洋之所以有這樣的感慨，是因?yàn)樗涂蒲袌F(tuán)隊(duì)利用“冬季項(xiàng)目場景三維感知及重建技術(shù)”，研發(fā)出適合低溫環(huán)境運(yùn)行的無人機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高精度重建雪場和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，為國家隊(duì)在高山滑雪、自由式滑雪等項(xiàng)目的冬奧備戰(zhàn)提供了技術(shù)支持，蘇翊鳴在訓(xùn)練中也曾使用這一技術(shù)。

在2018年啟動這一項(xiàng)目時(shí)，張海洋團(tuán)隊(duì)的任務(wù)只是為運(yùn)動員的訓(xùn)練模擬器提供數(shù)據(jù)和相關(guān)技術(shù)支持。張海洋向《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者介紹稱，團(tuán)隊(duì)通過無人機(jī)載激光雷達(dá)和地基激光雷達(dá)，對跳臺滑雪、高山滑雪、越野滑雪和冬季兩項(xiàng)等項(xiàng)目的場地進(jìn)行三維掃描并重建。這些場景可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，應(yīng)用于運(yùn)動員的訓(xùn)練模擬器上。與此同時(shí)，三維掃描得到的場地信息也會直接提供給相關(guān)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。

在此基礎(chǔ)上，張海洋團(tuán)隊(duì)此后又得到新任務(wù)——結(jié)合場地?cái)?shù)據(jù)和運(yùn)動員的實(shí)時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)，還原賽道的真實(shí)場景。

在冰天雪地、山峰起伏、植被遮擋的賽道中，精確定位運(yùn)動員并非一件易事。張海洋告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，借助高速相機(jī)、北斗定位系統(tǒng)配合固定基站，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)動員實(shí)時(shí)速度、姿態(tài)等方面的測量、傳輸和數(shù)據(jù)處理?！拔覀兪褂玫牟罘侄ㄎ患夹g(shù)具有很高的定位精度，相比傳統(tǒng)GPS定位米級的誤差，我們的測量精度是以厘米計(jì)算的”，張海洋說，這個(gè)精度可以測量出高山滑雪項(xiàng)目中滑雪板到旗門的距離。

由于每個(gè)項(xiàng)目都有自身的技術(shù)特點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)還需要根據(jù)運(yùn)動員和教練的需求為其“量體裁衣”。張海洋表示，例如競速類滑雪項(xiàng)目關(guān)注路線選擇和運(yùn)動員的速度變化。同時(shí)，教練還關(guān)注起跳點(diǎn)、空中滑行距離等數(shù)據(jù)，而張海洋團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系統(tǒng)可以全面提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)也可以通過帶有5G模塊的傳感器實(shí)時(shí)傳送至云端，經(jīng)過云處理后，雪道的坡度、長度、運(yùn)動員的速度、加速度、滑行距離、轉(zhuǎn)彎半徑等數(shù)據(jù)都得以及時(shí)展示在教練面前的屏幕上，教練也可以第一時(shí)間向運(yùn)動員反饋。據(jù)張海洋介紹，運(yùn)動員從山頂出發(fā)后，教練可以全程監(jiān)測運(yùn)動員的詳細(xì)運(yùn)動信息。

目前，“冬季項(xiàng)目場景三維感知及重建技術(shù)”相關(guān)成果已應(yīng)用于國家隊(duì)日常訓(xùn)練，并為國家隊(duì)征戰(zhàn)北京冬奧會提供技術(shù)支持。三維構(gòu)建雪場配合運(yùn)動員的高精度運(yùn)動信息，能夠幫助教練糾正訓(xùn)練動作，提高運(yùn)動員的訓(xùn)練效率，同時(shí)還能用于室內(nèi)仿真訓(xùn)練。過去一年多，張海洋和團(tuán)隊(duì)也有大量時(shí)間與國家隊(duì)運(yùn)動員朝夕相處。“雖然是冰雪運(yùn)動，但運(yùn)動員們也是‘冬練三九，夏練三伏’，包括蘇翊鳴在內(nèi)的運(yùn)動員獲得的好成績都是實(shí)至名歸”，張海洋說，未來，他也希望科技與體育能夠進(jìn)一步融合，齊頭并進(jìn)。

航天技術(shù)助力冬奧“觀云測風(fēng)”

13日，一場大雪對于本屆北京冬奧會當(dāng)天的雪上項(xiàng)目產(chǎn)生了一定影響，一系列在張家口賽區(qū)舉行的雪上項(xiàng)目不得推遲。相比在室內(nèi)場館進(jìn)行的冰上項(xiàng)目，雪上競賽場地多處在地形復(fù)雜的山區(qū)，立體、多維度的氣象預(yù)報(bào)顯得極其必要。

《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者從中國航天科工二院獲悉，該院23所所屬航天新氣象公司為北京、延慶、張家口三大賽區(qū)提供氣象雷達(dá)、自動氣象站、雪溫雪狀觀測儀等多型氣象產(chǎn)品，獲取不同高度、不同范圍、不同類別的氣象要素信息，以分鐘級、網(wǎng)格化的氣象數(shù)據(jù)，為冬奧氣象預(yù)報(bào)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供服務(wù)。

以“十里不同天”的海陀山頂為例，相關(guān)團(tuán)隊(duì)在山頂建設(shè)了毫米波測云雷達(dá)，這是目前實(shí)現(xiàn)云精細(xì)化探測的最有效裝備，持續(xù)6年為冬奧會積累降雪觀測數(shù)據(jù)。它通過對云的持續(xù)自動化觀測，分析云的含水量、空間位置、移動速度等，幫助進(jìn)行云、雨、雪等天氣過程的綜合探測分析，對低云、降雪、霧等低能見度天氣實(shí)時(shí)監(jiān)測，提供預(yù)警，并對人工影響天氣提供有效的數(shù)據(jù)。

而對空中技巧和跳臺等雪上項(xiàng)目來說，風(fēng)的精細(xì)預(yù)報(bào)至關(guān)重要。風(fēng)廓線雷達(dá)能以較高的時(shí)間分辨率和空間分辨率，連續(xù)、實(shí)時(shí)地探測距地面以上150米至數(shù)公里高度范圍內(nèi)大氣的風(fēng)速和風(fēng)向，以及大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度的不同分布，每6分鐘為賽區(qū)提供一組實(shí)時(shí)的風(fēng)場數(shù)據(jù)，并對風(fēng)場變化實(shí)時(shí)進(jìn)行探測。比如在高山滑雪場地，風(fēng)廓線雷達(dá)探測的數(shù)據(jù)可用于計(jì)算雪道間的縱風(fēng)、橫風(fēng)的方向和強(qiáng)度。

地面氣象設(shè)備中，雷達(dá)觀測范圍較廣，但對高山滑雪這樣賽程只有1到2分鐘的運(yùn)動來說，氣象數(shù)據(jù)需要更精細(xì)化，自動氣象站擔(dān)起了小范圍、多要素精細(xì)氣象觀測的責(zé)任。

在國家高山滑雪中心，自動氣象站像自帶行李箱的“小燈桿”立在賽道的山頂和山腰處，風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、雪深……每一個(gè)會影響身側(cè)運(yùn)動員比賽狀態(tài)的氣象數(shù)據(jù)都在被實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸，這些信息與雷達(dá)等設(shè)備的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)融合，幫助模擬未來一段時(shí)間此地的天氣變化，為氣象預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

據(jù)悉，2022年冬奧氣象建立了“三維、秒級、多要素”的立體氣象觀測網(wǎng)。以張家口賽區(qū)為例，該賽區(qū)共建成44個(gè)賽事核心區(qū)氣象站、70個(gè)賽區(qū)周邊7要素氣象站、45個(gè)高速公路交通氣象站、4個(gè)直升機(jī)停機(jī)坪航空氣象站等一系列設(shè)備。張家口賽區(qū)的這些氣象觀測設(shè)備也共同組成了歷屆冬奧會中布設(shè)密度最高、種類最全的“三維、秒級、多要素”的立體氣象觀測網(wǎng)。

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