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揭秘！硬科技助力中國(guó)冰雪項(xiàng)目奪牌

2022-02-14 19:25:22來(lái)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(huì)正在如火如荼舉行。2月12日，北京冬奧會(huì)開幕式中國(guó)代表團(tuán)旗手高亭宇斬獲北京冬奧會(huì)男子速度滑冰500米金牌，并打破奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄。此前，被網(wǎng)友昵稱為“小栓子”的中國(guó)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(jiǎng)牌背后，都有著中國(guó)科技團(tuán)隊(duì)為參加冬奧會(huì)冰雪項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)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(guó)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(guó)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?gòu)椛溲b置”的設(shè)備。該裝置可輔助速度滑冰運(yùn)動(dòng)員的彎道技術(shù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)加速過(guò)程的精準(zhǔn)控制，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)空白。

2022北京冬奧會(huì)速度滑冰男子500米頒獎(jiǎng)儀式：高亭宇?yuàn)Z冠 圖源 IC photo

在速度滑冰運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)達(dá)400米，運(yùn)動(dòng)員入彎速度最高可達(dá)時(shí)速幾十公里，僅靠運(yùn)動(dòng)員自身加速并過(guò)彎會(huì)非常消耗體力。為節(jié)省運(yùn)動(dòng)員體力、提升訓(xùn)練效率，借助外力幫助運(yùn)動(dòng)員加速成為解決這一問(wèn)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(dòng)員研制“冰上人體加速器”的任務(wù)，制造出“人體高速?gòu)椛溲b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(guó)家速度滑冰隊(duì)隊(duì)員使用“人體高速?gòu)椛溲b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?gòu)椛溲b置”分為兩部分：一部分是配有屏幕的控制臺(tái)，另一部分則是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的彈射裝置，上面連接著牽引繩與握柄。運(yùn)動(dòng)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(duì)我們而言有些‘跨界’，因?yàn)槲覀兌疾涣私庠撛趺础畮椭\(yùn)動(dòng)員加速”，郝繼光對(duì)《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(dòng)員推力，但這樣的加速方式對(duì)運(yùn)動(dòng)員存在風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，“人體高速?gòu)椛溲b置”改為牽引式，讓主動(dòng)權(quán)把握在運(yùn)動(dòng)員手里，有任何問(wèn)題放開握柄就可以了。

“人體高速?gòu)椛溲b置”的首臺(tái)設(shè)備于2019年4月研制成功，并于2020年初投入國(guó)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(duì)整個(gè)加速過(guò)程的完全控制，需要對(duì)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(dòng)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?gòu)椛溲b置”的彎道訓(xùn)練已成為速度滑冰國(guó)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(duì)跳臺(tái)滑雪的人體彈射裝置目前也已經(jīng)研制成功，未來(lái)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(guó)家冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目讓郝繼光和團(tuán)隊(duì)感到高興和自豪?！昂教焓菄?guó)家的重大需求，冬奧也是國(guó)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(shuō)。

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

被大家親切稱為“小栓子”的中國(guó)小將蘇翊鳴前幾天在北京冬奧會(huì)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(guó)隊(duì)的歷史，這也是中國(guó)男子單板滑雪的首枚冬奧會(huì)獎(jiǎng)牌。“看到蘇翊鳴的精彩表現(xiàn)，我感觸頗深。我們見證了運(yùn)動(dòng)員們刻苦訓(xùn)練的整個(gè)過(guò)程，也為科技助力冬奧取得的成績(jī)感到高興?！北本├砉ご髮W(xué)光電學(xué)院副教授張海洋對(duì)《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(chǎng)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(wú)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(chǎng)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，為國(guó)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(dòng)這一項(xiàng)目時(shí)，張海洋團(tuán)隊(duì)的任務(wù)只是為運(yùn)動(dòng)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(guò)無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)和地基激光雷達(dá)，對(duì)跳臺(tái)滑雪、高山滑雪、越野滑雪和冬季兩項(xiàng)等項(xiàng)目的場(chǎng)地進(jìn)行三維掃描并重建。這些場(chǎng)景可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練模擬器上。與此同時(shí)，三維掃描得到的場(chǎng)地信息也會(huì)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(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)，還原賽道的真實(shí)場(chǎng)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(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)員實(shí)時(shí)速度、姿態(tài)等方面的測(cè)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(jí)的誤差，我們的測(cè)量精度是以厘米計(jì)算的”，張海洋說(shuō)，這個(gè)精度可以測(cè)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(dòng)員和教練的需求為其“量體裁衣”。張海洋表示，例如競(jìng)速類滑雪項(xiàng)目關(guān)注路線選擇和運(yùn)動(dòng)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(guò)帶有5G模塊的傳感器實(shí)時(shí)傳送至云端，經(jīng)過(guò)云處理后，雪道的坡度、長(zhǎng)度、運(yùn)動(dòng)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(dòng)員反饋。據(jù)張海洋介紹，運(yùn)動(dòng)員從山頂出發(fā)后，教練可以全程監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)信息。

目前，“冬季項(xiàng)目場(chǎng)景三維感知及重建技術(shù)”相關(guān)成果已應(yīng)用于國(guó)家隊(duì)日常訓(xùn)練，并為國(guó)家隊(duì)征戰(zhàn)北京冬奧會(huì)提供技術(shù)支持。三維構(gòu)建雪場(chǎng)配合運(yùn)動(dòng)員的高精度運(yùn)動(dòng)信息，能夠幫助教練糾正訓(xùn)練動(dòng)作，提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效率，同時(shí)還能用于室內(nèi)仿真訓(xùn)練。過(guò)去一年多，張海洋和團(tuán)隊(duì)也有大量時(shí)間與國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員朝夕相處?！半m然是冰雪運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)員們也是‘冬練三九，夏練三伏’，包括蘇翊鳴在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)員獲得的好成績(jī)都是實(shí)至名歸”，張海洋說(shuō)，未來(lái)，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(cè)風(fēng)”

13日，一場(chǎng)大雪對(duì)于本屆北京冬奧會(huì)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(chǎng)館進(jìn)行的冰上項(xiàng)目，雪上競(jìng)賽場(chǎng)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(guó)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(dòng)氣象站、雪溫雪狀觀測(cè)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(jí)、網(wǎng)格化的氣象數(shù)據(jù)，為冬奧氣象預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)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(cè)云雷達(dá)，這是目前實(shí)現(xiàn)云精細(xì)化探測(cè)的最有效裝備，持續(xù)6年為冬奧會(huì)積累降雪觀測(cè)數(shù)據(jù)。它通過(guò)對(duì)云的持續(xù)自動(dòng)化觀測(cè)，分析云的含水量、空間位置、移動(dòng)速度等，幫助進(jìn)行云、雨、雪等天氣過(guò)程的綜合探測(cè)分析，對(duì)低云、降雪、霧等低能見度天氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提供預(yù)警，并對(duì)人工影響天氣提供有效的數(shù)據(jù)。

而對(duì)空中技巧和跳臺(tái)等雪上項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，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(cè)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(chǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化實(shí)時(shí)進(jìn)行探測(cè)。比如在高山滑雪場(chǎng)地，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)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(cè)范圍較廣，但對(duì)高山滑雪這樣賽程只有1到2分鐘的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，氣象數(shù)據(jù)需要更精細(xì)化，自動(dòng)氣象站擔(dān)起了小范圍、多要素精細(xì)氣象觀測(cè)的責(zé)任。

在國(guó)家高山滑雪中心，自動(dòng)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(huì)影響身側(cè)運(yùn)動(dòng)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(lái)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(jí)、多要素”的立體氣象觀測(cè)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(cè)設(shè)備也共同組成了歷屆冬奧會(huì)中布設(shè)密度最高、種類最全的“三維、秒級(jí)、多要素”的立體氣象觀測(cè)網(wǎng)。

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