雪白冬奧“黑科技”
發(fā)布日期： 2021-02-21 供稿：人民日?qǐng)?bào)海外版
編輯：吳楠 審核：劉曉俏 閱讀次數(shù)：原文標(biāo)題：雪白冬奧“黑科技”
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2022北京冬奧會(huì)將至，中國(guó)答卷備受世界矚目。辦好冬奧絕非易事：比賽場(chǎng)地用雪需求大，保障雪質(zhì)和造雪量尤為關(guān)鍵；在嚴(yán)寒地區(qū)開(kāi)展工作和訓(xùn)練，保暖是個(gè)大問(wèn)題；運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行滑雪訓(xùn)練時(shí)，從雪場(chǎng)山腳重登山頂費(fèi)時(shí)費(fèi)力……
種種難題如何破解？精彩絕倫的體育盛事離不開(kāi)每個(gè)“細(xì)胞”的辛勤付出。眾多企業(yè)與高校積極創(chuàng)新，多項(xiàng)自主研發(fā)成果及時(shí)出爐，場(chǎng)地建設(shè)、訓(xùn)練備戰(zhàn)有條不紊，3億人參與冰雪運(yùn)動(dòng)的理想也正在照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
電線桿帶來(lái)創(chuàng)新靈感
滑雪是冬奧會(huì)上的重頭戲。北京冬奧會(huì)15個(gè)分項(xiàng)中，滑雪項(xiàng)目有6個(gè)。雪，自然成為場(chǎng)地建設(shè)的重中之重。
雪從何來(lái)？
自然不能靠降雪。天氣本身是個(gè)不穩(wěn)定因素，此外，天然雪密度小，重量較輕，滑雪體驗(yàn)不如質(zhì)地更結(jié)實(shí)的人工雪。因此，在大型滑雪場(chǎng)和奧運(yùn)場(chǎng)地，自動(dòng)化的造雪機(jī)必不可少。
然而，傳統(tǒng)造雪機(jī)往往射程范圍小、造雪質(zhì)量不高，如想變換造雪范圍，還需人工輔助。近些年，中國(guó)冰雪產(chǎn)業(yè)遍地開(kāi)花，各地滑雪場(chǎng)的造雪工作量只增不減，由此引發(fā)的機(jī)械成本和人工成本攀升，困擾諸多滑雪場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者。
“僅崇禮的萬(wàn)龍滑雪場(chǎng)就有30多條雪道，如何提高造雪量是個(gè)大問(wèn)題。”張長(zhǎng)生是河北省張家口市宣化宏達(dá)冶金機(jī)械有限公司（下稱(chēng)宏達(dá)公司）的創(chuàng)始人，公司成立初期主要生產(chǎn)面向旅游景區(qū)的脫掛式索道相關(guān)產(chǎn)品。冰雪運(yùn)動(dòng)升溫，讓他看到了背后的巨大商機(jī)。
怎樣以較低的技術(shù)和人工成本實(shí)現(xiàn)更大造雪量？靈感，就來(lái)自于馬路邊的電線桿。2015年的一天，張長(zhǎng)生到崇禮萬(wàn)龍滑雪場(chǎng)商談業(yè)務(wù)，驅(qū)車(chē)返程路上，窗外一根根向后退去的電線桿引起他的思考：造雪機(jī)的原理是用機(jī)器將原本3—4℃的水噴射到至少-2℃的環(huán)境中，水經(jīng)過(guò)冷卻變成小冰粒。如果噴射距離過(guò)短、范圍固定，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，甚至達(dá)到零度以上，從而影響人工雪質(zhì)量。如果用電線桿似的支架把造雪機(jī)架起來(lái)，讓它“站”得更高，噴射距離遠(yuǎn)，造雪覆蓋面大，水在空中停留更長(zhǎng)時(shí)間，造出的雪質(zhì)不也就更扎實(shí)了嗎？
說(shuō)干就干。畫(huà)草圖，做設(shè)計(jì)，生產(chǎn)研發(fā)……2015年4月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)塔式造雪機(jī)旋轉(zhuǎn)支架樣品在宏達(dá)公司誕生。巧合的是，同年7月北京成功申辦2022年冬奧會(huì)。消息一出，多家國(guó)外造雪機(jī)廠商紛紛尋求合作，欲將自己的造雪機(jī)和宏達(dá)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)支架“捆綁”，一同參與2022年冬奧會(huì)相關(guān)設(shè)備采購(gòu)招標(biāo)。最終，意大利一家公司與宏達(dá)一并中標(biāo)，成為延慶賽區(qū)“高山速降”比賽場(chǎng)地的造雪設(shè)備供應(yīng)商。
“目前我們已為延慶賽區(qū)提供了76個(gè)造雪機(jī)旋轉(zhuǎn)支架，另一個(gè)比賽場(chǎng)地崇禮云頂滑雪場(chǎng)也在使用我們的支架。”張長(zhǎng)生介紹，他們生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)支架高8米，臂長(zhǎng)9米，有了它作支撐，原本射程四五十米的造雪機(jī)現(xiàn)在能達(dá)80米左右。借助遠(yuǎn)程遙控，造雪機(jī)支架還可以360度旋轉(zhuǎn)，幫助造雪機(jī)實(shí)現(xiàn)“揚(yáng)頭”“低頭”等操作。
如今，宏達(dá)公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)支架不僅大幅提升了冬奧會(huì)賽場(chǎng)人工造雪的質(zhì)量和效率，還作為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利和實(shí)用新型專(zhuān)利。來(lái)自全國(guó)各地及海外滑雪場(chǎng)的訂單如雪片般飛來(lái)，即便受疫情沖擊，宏達(dá)公司去年的銷(xiāo)售總額仍超1億元。
自加熱裝備解燃眉之急
嚴(yán)寒，是冬奧項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。
今年1月初，冬奧會(huì)訓(xùn)練場(chǎng)地——張家口市崇禮區(qū)太子城氣溫驟降至-40℃，在極寒的戶外場(chǎng)景開(kāi)展訓(xùn)練，部分運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)了不同程度凍傷。
情況緊急，“冬季運(yùn)動(dòng)耐低溫保障服裝關(guān)鍵技術(shù)研究與制備應(yīng)用”項(xiàng)目組及時(shí)支援。
“我們聯(lián)合企業(yè)集中力量準(zhǔn)備了450套電加熱面罩和187副電加熱手套，還研發(fā)了智能加熱服裝。”參與項(xiàng)目的天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院教授劉皓介紹。
該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的加熱控溫模塊，包括常規(guī)的三檔調(diào)溫模式和APP程序設(shè)定智能控溫模式，長(zhǎng)按手套背面一枚硬幣大小的電源開(kāi)關(guān)，約莫二三秒鐘，開(kāi)關(guān)亮起紅光，再短按兩下，開(kāi)關(guān)鍵又分別轉(zhuǎn)為藍(lán)色、綠色光源。劉皓向記者展示，電加熱手套分高中低3個(gè)檔位，長(zhǎng)按開(kāi)關(guān)鍵為啟動(dòng)，短按一次則可調(diào)節(jié)檔位，其中電源開(kāi)關(guān)呈紅色為最高溫65℃，藍(lán)色、綠色依次對(duì)應(yīng)中檔55℃、低檔45℃。
智能加熱裝備依靠的是電加熱元件、智能控溫模塊及控溫算法、溫度傳感器以及柔性器件與服裝的集成技術(shù)。劉皓告訴記者，在“環(huán)境—服裝—人體”體系中，服裝和人體之間的微環(huán)境會(huì)受到環(huán)境溫度、風(fēng)速和穿戴者自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等因素影響而處于波動(dòng)狀態(tài)，而融入智能算法的加熱服裝可以自適應(yīng)外界環(huán)境溫度，這有望成為加熱服裝發(fā)展新趨勢(shì)。
“在極寒環(huán)境中，要讓微環(huán)境的溫度和濕度始終處于人體的舒適狀態(tài)，加熱元件是進(jìn)行調(diào)節(jié)的重要手段。”劉皓介紹，他們研發(fā)的一套加熱裝備相當(dāng)于“保暖面料+加熱元件+鋰電池”的組合，根據(jù)裝備功能差異來(lái)內(nèi)置不同數(shù)量的加熱元件。比如，一只手套的五根手指各配有1個(gè)加熱元件，而電加熱面罩的加熱元件則位于人體容易受涼的脖頸部位，通常環(huán)繞裝置2—4個(gè)，以保障裝備均勻供熱。如果將溫度調(diào)至最高檔位，這套裝置能在戶外持續(xù)發(fā)熱4—6小時(shí)。
帶著電加熱面罩和手套，劉皓和同事驅(qū)車(chē)近400公里，將裝備及時(shí)送到冬奧會(huì)訓(xùn)練基地。
目前，劉皓團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步研發(fā)更輕薄、安全、穩(wěn)定的裝備，并努力實(shí)現(xiàn)智能控溫模塊的研發(fā)升級(jí)。
滑雪不再受制于天氣
一位運(yùn)動(dòng)員穿戴著傳感器設(shè)備，在12米長(zhǎng)的鋼制滑臺(tái)上急速擺動(dòng)滑行。前方電子屏幕上的模擬滑雪賽道，正隨著他的滑行動(dòng)作迅速變換場(chǎng)景。
這套“室內(nèi)多自由度模擬滑雪訓(xùn)練系統(tǒng)”，由北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院聯(lián)合運(yùn)達(dá)體育管理（北京）有限公司研發(fā)，為高山滑雪、越野滑雪等項(xiàng)目提供室內(nèi)模擬訓(xùn)練設(shè)備，以提升運(yùn)動(dòng)員回轉(zhuǎn)、滑行等專(zhuān)項(xiàng)動(dòng)作訓(xùn)練效率。
最初，國(guó)家高山滑雪隊(duì)用的可不是這套設(shè)備，而是國(guó)外引進(jìn)的直線式模擬滑雪運(yùn)動(dòng)設(shè)備。項(xiàng)目組進(jìn)駐國(guó)家隊(duì)訓(xùn)練基地，細(xì)心觀察運(yùn)動(dòng)員試用情況，獲取了大量一手資料，并根據(jù)中國(guó)運(yùn)動(dòng)員的體型、身高等數(shù)據(jù)改進(jìn)設(shè)備，研發(fā)出3套國(guó)產(chǎn)室內(nèi)多自由度模擬滑雪系統(tǒng)。
項(xiàng)目主要研發(fā)人員之一、北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院副教授陳振介紹，這套系統(tǒng)包括模擬滑雪訓(xùn)練平臺(tái)、六自由度平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)形態(tài)識(shí)別與位姿測(cè)量系統(tǒng)和用于展示滑雪場(chǎng)景的電子大屏。練習(xí)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員可選擇“奧運(yùn)賽道”模式，設(shè)定“過(guò)旗門(mén)”“大回轉(zhuǎn)”“小回轉(zhuǎn)”等具體訓(xùn)練內(nèi)容。滑臺(tái)下方的六自由度平臺(tái)能模擬高低、傾斜、偏轉(zhuǎn)等姿態(tài)，還原運(yùn)動(dòng)員在真實(shí)滑行中可能遇到的各種賽道狀況。運(yùn)動(dòng)員可穿戴的運(yùn)動(dòng)形態(tài)識(shí)別與位姿測(cè)量系統(tǒng)，則用于采集分析運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練數(shù)據(jù)，為科學(xué)化訓(xùn)練提供指導(dǎo)依據(jù)。
“滑完一個(gè)賽道后，教練員結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，糾正運(yùn)動(dòng)員存在的問(wèn)題。”陳振說(shuō)，通過(guò)高速動(dòng)態(tài)攝像捕捉，運(yùn)動(dòng)員的一些關(guān)鍵動(dòng)作將被記錄下來(lái)。“系統(tǒng)會(huì)回放運(yùn)動(dòng)員的滑行姿態(tài)，并設(shè)有‘優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員模型’用于對(duì)比分析。比如過(guò)旗門(mén)時(shí)如何保證不減速、不撞門(mén)，通過(guò)對(duì)比來(lái)發(fā)現(xiàn)并解決訓(xùn)練中的問(wèn)題。”
陳振口中教練員點(diǎn)評(píng)用到的數(shù)據(jù)，源于運(yùn)動(dòng)員所穿的“暗藏玄機(jī)”的運(yùn)動(dòng)服——17個(gè)記錄人體運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)信息的傳感器被縫制在運(yùn)動(dòng)服中。只需穿上這套服裝開(kāi)展練習(xí)，運(yùn)動(dòng)員的滑行角度、角速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)就能被記錄下來(lái)，輔助教練員進(jìn)行數(shù)字化、多維度的技術(shù)動(dòng)作分析和訓(xùn)練指導(dǎo)。
“當(dāng)然，安全是訓(xùn)練的首要要求。”陳振介紹，不僅滑臺(tái)前后的護(hù)欄能起到保護(hù)作用，在訓(xùn)練過(guò)程中，滑臺(tái)上還會(huì)安裝安全繩。如果運(yùn)動(dòng)員在左右滑行時(shí)不慎摔倒，滑臺(tái)上的光學(xué)傳感器能夠及時(shí)感知，并立即暫停滑行動(dòng)作，確保運(yùn)動(dòng)員安全。
未來(lái)，北京理工大學(xué)還將進(jìn)一步針對(duì)小學(xué)生、中學(xué)生等群體改造設(shè)備。“這套系統(tǒng)讓滑雪運(yùn)動(dòng)不再受制于天氣，更多人能以更低成本參與冰雪運(yùn)動(dòng)。”陳振說(shuō)。
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