雪白冬奧“黑科技”
發(fā)布日期： 2021-02-21 供稿：人民日報海外版
編輯：吳楠 審核：劉曉俏 閱讀次數(shù)：原文標題：雪白冬奧“黑科技”
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2022北京冬奧會將至,，中國答卷備受世界矚目,。辦好冬奧絕非易事：比賽場地用雪需求大，保障雪質和造雪量尤為關鍵,；在嚴寒地區(qū)開展工作和訓練,，保暖是個大問題；運動員進行滑雪訓練時,，從雪場山腳重登山頂費時費力……
種種難題如何破解,？精彩絕倫的體育盛事離不開每個“細胞”的辛勤付出,。眾多企業(yè)與高校積極創(chuàng)新，多項自主研發(fā)成果及時出爐,，場地建設,、訓練備戰(zhàn)有條不紊，3億人參與冰雪運動的理想也正在照進現(xiàn)實,。
電線桿帶來創(chuàng)新靈感
滑雪是冬奧會上的重頭戲,。北京冬奧會15個分項中，滑雪項目有6個,。雪,，自然成為場地建設的重中之重。
雪從何來,？
自然不能靠降雪,。天氣本身是個不穩(wěn)定因素，此外,，天然雪密度小,，重量較輕，滑雪體驗不如質地更結實的人工雪,。因此，在大型滑雪場和奧運場地,，自動化的造雪機必不可少,。
然而，傳統(tǒng)造雪機往往射程范圍小,、造雪質量不高,，如想變換造雪范圍，還需人工輔助,。近些年,，中國冰雪產(chǎn)業(yè)遍地開花，各地滑雪場的造雪工作量只增不減,，由此引發(fā)的機械成本和人工成本攀升,，困擾諸多滑雪場經(jīng)營者。
“僅崇禮的萬龍滑雪場就有30多條雪道,，如何提高造雪量是個大問題,。”張長生是河北省張家口市宣化宏達冶金機械有限公司（下稱宏達公司）的創(chuàng)始人,，公司成立初期主要生產(chǎn)面向旅游景區(qū)的脫掛式索道相關產(chǎn)品,。冰雪運動升溫，讓他看到了背后的巨大商機,。
怎樣以較低的技術和人工成本實現(xiàn)更大造雪量,？靈感,，就來自于馬路邊的電線桿。2015年的一天,，張長生到崇禮萬龍滑雪場商談業(yè)務,，驅車返程路上，窗外一根根向后退去的電線桿引起他的思考：造雪機的原理是用機器將原本3—4℃的水噴射到至少-2℃的環(huán)境中,，水經(jīng)過冷卻變成小冰粒,。如果噴射距離過短、范圍固定,，會導致該區(qū)域溫度升高,，甚至達到零度以上，從而影響人工雪質量,。如果用電線桿似的支架把造雪機架起來,，讓它“站”得更高，噴射距離遠,，造雪覆蓋面大,，水在空中停留更長時間，造出的雪質不也就更扎實了嗎,？
說干就干,。畫草圖，做設計,，生產(chǎn)研發(fā)……2015年4月,，國內(nèi)首臺塔式造雪機旋轉支架樣品在宏達公司誕生。巧合的是,，同年7月北京成功申辦2022年冬奧會,。消息一出，多家國外造雪機廠商紛紛尋求合作,，欲將自己的造雪機和宏達生產(chǎn)的旋轉支架“捆綁”,，一同參與2022年冬奧會相關設備采購招標。最終,，意大利一家公司與宏達一并中標,，成為延慶賽區(qū)“高山速降”比賽場地的造雪設備供應商。
“目前我們已為延慶賽區(qū)提供了76個造雪機旋轉支架,，另一個比賽場地崇禮云頂滑雪場也在使用我們的支架,。”張長生介紹,，他們生產(chǎn)的旋轉支架高8米,，臂長9米，有了它作支撐，原本射程四五十米的造雪機現(xiàn)在能達80米左右,。借助遠程遙控,，造雪機支架還可以360度旋轉，幫助造雪機實現(xiàn)“揚頭”“低頭”等操作,。
如今,，宏達公司生產(chǎn)的旋轉支架不僅大幅提升了冬奧會賽場人工造雪的質量和效率，還作為國內(nèi)首創(chuàng)獲得了國家發(fā)明專利和實用新型專利,。來自全國各地及海外滑雪場的訂單如雪片般飛來,，即便受疫情沖擊，宏達公司去年的銷售總額仍超1億元,。
自加熱裝備解燃眉之急
嚴寒,，是冬奧項目運動員必須面對的挑戰(zhàn)。
今年1月初,，冬奧會訓練場地——張家口市崇禮區(qū)太子城氣溫驟降至-40℃,，在極寒的戶外場景開展訓練，部分運動員出現(xiàn)了不同程度凍傷,。
情況緊急,，“冬季運動耐低溫保障服裝關鍵技術研究與制備應用”項目組及時支援。
“我們聯(lián)合企業(yè)集中力量準備了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,。”參與項目的天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院教授劉皓介紹,。
該團隊研發(fā)的加熱控溫模塊,，包括常規(guī)的三檔調(diào)溫模式和APP程序設定智能控溫模式，長按手套背面一枚硬幣大小的電源開關,，約莫二三秒鐘，開關亮起紅光,，再短按兩下,，開關鍵又分別轉為藍色、綠色光源,。劉皓向記者展示,，電加熱手套分高中低3個檔位，長按開關鍵為啟動,，短按一次則可調(diào)節(jié)檔位,，其中電源開關呈紅色為最高溫65℃，藍色,、綠色依次對應中檔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,。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)境會受到環(huán)境溫度,、風速和穿戴者自身運動狀態(tài)等因素影響而處于波動狀態(tài)，而融入智能算法的加熱服裝可以自適應外界環(huán)境溫度,，這有望成為加熱服裝發(fā)展新趨勢,。
“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,，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,。
帶著電加熱面罩和手套,，劉皓和同事驅車近400公里，將裝備及時送到冬奧會訓練基地,。
目前,，劉皓團隊正在進一步研發(fā)更輕薄、安全,、穩(wěn)定的裝備,，并努力實現(xiàn)智能控溫模塊的研發(fā)升級。
滑雪不再受制于天氣
一位運動員穿戴著傳感器設備,，在12米長的鋼制滑臺上急速擺動滑行,。前方電子屏幕上的模擬滑雪賽道，正隨著他的滑行動作迅速變換場景,。
這套“室內(nèi)多自由度模擬滑雪訓練系統(tǒng)”,，由北京理工大學自動化學院聯(lián)合運達體育管理（北京）有限公司研發(fā)，為高山滑雪,、越野滑雪等項目提供室內(nèi)模擬訓練設備,，以提升運動員回轉、滑行等專項動作訓練效率。
最初,，國家高山滑雪隊用的可不是這套設備,，而是國外引進的直線式模擬滑雪運動設備。項目組進駐國家隊訓練基地,，細心觀察運動員試用情況,，獲取了大量一手資料，并根據(jù)中國運動員的體型,、身高等數(shù)據(jù)改進設備,，研發(fā)出3套國產(chǎn)室內(nèi)多自由度模擬滑雪系統(tǒng)。
項目主要研發(fā)人員之一,、北京理工大學自動化學院副教授陳振介紹,，這套系統(tǒng)包括模擬滑雪訓練平臺、六自由度平臺,、運動形態(tài)識別與位姿測量系統(tǒng)和用于展示滑雪場景的電子大屏,。練習時，運動員可選擇“奧運賽道”模式,，設定“過旗門”“大回轉”“小回轉”等具體訓練內(nèi)容,。滑臺下方的六自由度平臺能模擬高低,、傾斜,、偏轉等姿態(tài)，還原運動員在真實滑行中可能遇到的各種賽道狀況,。運動員可穿戴的運動形態(tài)識別與位姿測量系統(tǒng),，則用于采集分析運動員訓練數(shù)據(jù)，為科學化訓練提供指導依據(jù),。
“滑完一個賽道后,，教練員結合數(shù)據(jù)進行點評，糾正運動員存在的問題,?！标愓裾f，通過高速動態(tài)攝像捕捉,，運動員的一些關鍵動作將被記錄下來?！跋到y(tǒng)會回放運動員的滑行姿態(tài),，并設有‘優(yōu)秀運動員模型’用于對比分析。比如過旗門時如何保證不減速,、不撞門,，通過對比來發(fā)現(xiàn)并解決訓練中的問題。”
陳振口中教練員點評用到的數(shù)據(jù),，源于運動員所穿的“暗藏玄機”的運動服——17個記錄人體運動和姿態(tài)信息的傳感器被縫制在運動服中,。只需穿上這套服裝開展練習，運動員的滑行角度,、角速度等關鍵數(shù)據(jù)就能被記錄下來,，輔助教練員進行數(shù)字化、多維度的技術動作分析和訓練指導,。
“當然,，安全是訓練的首要要求?！标愓窠榻B,，不僅滑臺前后的護欄能起到保護作用，在訓練過程中,，滑臺上還會安裝安全繩,。如果運動員在左右滑行時不慎摔倒，滑臺上的光學傳感器能夠及時感知,，并立即暫?；袆幼鳎_保運動員安全,。
未來,，北京理工大學還將進一步針對小學生、中學生等群體改造設備,?！斑@套系統(tǒng)讓滑雪運動不再受制于天氣，更多人能以更低成本參與冰雪運動,?！标愓裾f。
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