揭秘！硬科技助力中國冰雪項目奪牌

2022-02-14 19:25:22來源：環球時報

【環球時報記者趙覺珵劉揚】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，并打破奧運會紀錄。此前，被網友昵稱為“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《環球時報》記者了解，這些獎牌背后，都有著中國科技團隊為參加冬奧會冰雪項目的運動員量身打造的訓練黑科技的強大助力。

“冰上大炮”打造“最強彎道”

高亭宇12日奪冠讓國人振奮不已，他在比賽中的彎道技術尤其令人印象深刻。據《環球時報》記者了解，國家速度滑冰隊為了錘煉彎道技術使用了一種名叫“人體高速彈射裝置”的設備。該裝置可輔助速度滑冰運動員的彎道技術訓練，實現加速過程的精準控制，填補了該領域的國內空白。

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

在速度滑冰運動中，出色的彎道滑行技術是制勝的關鍵，但卻是訓練中的難點。與短道速滑不同，速度滑冰的冰道周長達400米，運動員入彎速度最高可達時速幾十公里，僅靠運動員自身加速并過彎會非常消耗體力。為節省運動員體力、提升訓練效率，借助外力幫助運動員加速成為解決這一問題的優先方案。據了解，2018年，北京理工大學宇航學院副教授郝繼光帶領團隊接下這一為速度滑冰運動員研制“冰上人體加速器”的任務，制造出“人體高速彈射裝置”。

拉住牽引繩、彈射加速、松開繩子、調整姿態入彎——這是包括高亭宇在內的國家速度滑冰隊隊員使用“人體高速彈射裝置”進行日常訓練的一幕。

郝繼光向《環球時報》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驅動的彈射裝置，上面連接著牽引繩與握柄。運動員在使用時拉住握柄，在短短幾秒鐘內就可以從靜止狀態達到指定速度，然后調節姿態、入彎一氣呵成。

“雖然這一課題的原理并不復雜，但對我們而言有些‘跨界’，因為我們都不了解該怎么‘幫助’運動員加速”，郝繼光對《環球時報》記者表示，一開始的設計方案參考了航天器發射，是在后方給予運動員推力，但這樣的加速方式對運動員存在風險。經過反復研究，“人體高速彈射裝置”改為牽引式，讓主動權把握在運動員手里，有任何問題放開握柄就可以了。

“人體高速彈射裝置”的首臺設備于2019年4月研制成功，并于2020年初投入國家隊訓練。據郝繼光介紹，這一裝置的難點在于實現對整個加速過程的完全控制，需要對彈射彈道進行仔細設計和反復檢驗，例如如何設定參數能夠讓運動員既可以完成加速，又能留出足夠的時間調整姿態。

目前，利用“人體高速彈射裝置”的彎道訓練已成為速度滑冰國家隊日常訓練項目之一。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研制成功，未來將在訓練基地安裝應用。

作為一名航天科研人員，這樣一次“跨界”助力國家冬季運動項目讓郝繼光和團隊感到高興和自豪。“航天是國家的重大需求，冬奧也是國家的重大需求，將航天領域的經驗和技術應用到速度滑冰訓練中，這讓我們的工作獲得不同的意義。”郝繼光說。

雪山“千里眼”，讓訓練動態實時呈現

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，創造該項目中國隊的歷史，這也是中國男子單板滑雪的首枚冬奧會獎牌。“看到蘇翊鳴的精彩表現，我感觸頗深。我們見證了運動員們刻苦訓練的整個過程，也為科技助力冬奧取得的成績感到高興。”北京理工大學光電學院副教授張海洋對《環球時報》記者表示。

張海洋之所以有這樣的感慨，是因為他和科研團隊利用“冬季項目場景三維感知及重建技術”，研發出適合低溫環境運行的無人機載激光雷達掃描系統，實現了高精度重建雪場和訓練數據的實時傳輸，為國家隊在高山滑雪、自由式滑雪等項目的冬奧備戰提供了技術支持，蘇翊鳴在訓練中也曾使用這一技術。

在2018年啟動這一項目時，張海洋團隊的任務只是為運動員的訓練模擬器提供數據和相關技術支持。張海洋向《環球時報》記者介紹稱，團隊通過無人機載激光雷達和地基激光雷達，對跳臺滑雪、高山滑雪、越野滑雪和冬季兩項等項目的場地進行三維掃描并重建。這些場景可以通過虛擬現實（VR）技術，應用于運動員的訓練模擬器上。與此同時，三維掃描得到的場地信息也會直接提供給相關項目團隊。

在此基礎上，張海洋團隊此后又得到新任務——結合場地數據和運動員的實時跟蹤數據，還原賽道的真實場景。

在冰天雪地、山峰起伏、植被遮擋的賽道中，精確定位運動員并非一件易事。張海洋告訴《環球時報》記者，借助高速相機、北斗定位系統配合固定基站，團隊實現了對運動員實時速度、姿態等方面的測量、傳輸和數據處理。“我們使用的差分定位技術具有很高的定位精度，相比傳統GPS定位米級的誤差，我們的測量精度是以厘米計算的”，張海洋說，這個精度可以測量出高山滑雪項目中滑雪板到旗門的距離。

由于每個項目都有自身的技術特點，團隊還需要根據運動員和教練的需求為其“量體裁衣”。張海洋表示，例如競速類滑雪項目關注路線選擇和運動員的速度變化。同時，教練還關注起跳點、空中滑行距離等數據，而張海洋團隊研發的系統可以全面提供相關數據。

這些數據也可以通過帶有5G模塊的傳感器實時傳送至云端，經過云處理后，雪道的坡度、長度、運動員的速度、加速度、滑行距離、轉彎半徑等數據都得以及時展示在教練面前的屏幕上，教練也可以第一時間向運動員反饋。據張海洋介紹，運動員從山頂出發后，教練可以全程監測運動員的詳細運動信息。

目前，“冬季項目場景三維感知及重建技術”相關成果已應用于國家隊日常訓練，并為國家隊征戰北京冬奧會提供技術支持。三維構建雪場配合運動員的高精度運動信息，能夠幫助教練糾正訓練動作，提高運動員的訓練效率，同時還能用于室內仿真訓練。過去一年多，張海洋和團隊也有大量時間與國家隊運動員朝夕相處。“雖然是冰雪運動，但運動員們也是‘冬練三九，夏練三伏’，包括蘇翊鳴在內的運動員獲得的好成績都是實至名歸”，張海洋說，未來，他也希望科技與體育能夠進一步融合，齊頭并進。

航天技術助力冬奧“觀云測風”

13日，一場大雪對于本屆北京冬奧會當天的雪上項目產生了一定影響，一系列在張家口賽區舉行的雪上項目不得推遲。相比在室內場館進行的冰上項目，雪上競賽場地多處在地形復雜的山區，立體、多維度的氣象預報顯得極其必要。

《環球時報》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、張家口三大賽區提供氣象雷達、自動氣象站、雪溫雪狀觀測儀等多型氣象產品，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、網格化的氣象數據，為冬奧氣象預報監測網絡建設提供服務。

以“十里不同天”的海陀山頂為例，相關團隊在山頂建設了毫米波測云雷達，這是目前實現云精細化探測的最有效裝備，持續6年為冬奧會積累降雪觀測數據。它通過對云的持續自動化觀測，分析云的含水量、空間位置、移動速度等，幫助進行云、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時監測，提供預警，并對人工影響天氣提供有效的數據。

而對空中技巧和跳臺等雪上項目來說，風的精細預報至關重要。風廓線雷達能以較高的時間分辨率和空間分辨率，連續、實時地探測距地面以上150米至數公里高度范圍內大氣的風速和風向，以及大氣折射率結構常數等氣象要素隨高度的不同分布，每6分鐘為賽區提供一組實時的風場數據，并對風場變化實時進行探測。比如在高山滑雪場地，風廓線雷達探測的數據可用于計算雪道間的縱風、橫風的方向和強度。

地面氣象設備中，雷達觀測范圍較廣，但對高山滑雪這樣賽程只有1到2分鐘的運動來說，氣象數據需要更精細化，自動氣象站擔起了小范圍、多要素精細氣象觀測的責任。

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，風向、風速、溫度、濕度、雪深……每一個會影響身側運動員比賽狀態的氣象數據都在被實時采集、實時傳輸，這些信息與雷達等設備的常規氣象數據融合，幫助模擬未來一段時間此地的天氣變化，為氣象預報提供依據。

據悉，2022年冬奧氣象建立了“三維、秒級、多要素”的立體氣象觀測網。以張家口賽區為例，該賽區共建成44個賽事核心區氣象站、70個賽區周邊7要素氣象站、45個高速公路交通氣象站、4個直升機停機坪航空氣象站等一系列設備。張家口賽區的這些氣象觀測設備也共同組成了歷屆冬奧會中布設密度最高、種類最全的“三維、秒級、多要素”的立體氣象觀測網。

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