北京冬奧會(huì)上，智能傳感器的黑科技

導(dǎo)讀： 相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年北京冬奧會(huì)所涉及的冰雪運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)的其他關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)收入將達(dá)到3000億元以上，在這3000億元的產(chǎn)業(yè)蛋糕中，基礎(chǔ)建設(shè)是重頭戲。目前，越來越多的傳感器相互連接并分布在各類冬奧會(huì)基礎(chǔ)建筑設(shè)施中，這些傳感器將為設(shè)施管理人員提供寶貴且有用的信息。

2月4日~20日，2022年冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)在北京舉行，繼2008年后北京再次迎來奧運(yùn)盛事，同時(shí)北京也成為全球唯一一座“雙奧”城市！越來越多的國產(chǎn)傳感器相互連接并分布在各類冬奧會(huì)基礎(chǔ)建筑設(shè)施中，這些傳感器將為設(shè)施管理人員提供寶貴且有用的信息，保障北京冬奧會(huì)全力運(yùn)作。下面來看看哪些傳感器系統(tǒng)參與了這次令人驕傲的北京冬奧會(huì)！

浙江大學(xué)無線傳感器織就“冰絲帶”

近日“一墩難求”的北京冬奧吉祥物冰墩墩熊貓頭部裝飾彩色光環(huán)，其靈感就源自于北京冬奧會(huì)的國家速滑館——“冰絲帶”。

國家速滑館“冰絲帶”是本屆北京冬奧運(yùn)唯一新建冰上競賽場館，也是本屆冬奧會(huì)的標(biāo)志性建筑和主場館之一，為世界貢獻(xiàn)了由中國設(shè)計(jì)、中國技術(shù)、中國材料、中國制造組成的奧運(yùn)場館建設(shè)“中國方案”。環(huán)形的“冰絲帶”造型靈動(dòng)，由22條晶瑩美麗的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環(huán)繞，遠(yuǎn)觀飄逸，近看宏偉。“冰絲帶”的屋蓋結(jié)構(gòu)是由49對承重索和30對穩(wěn)定索編織成長跨198米、短跨124米的馬鞍形索網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)、建造技術(shù)以及受力狀態(tài)十分復(fù)雜。為順利建成和維護(hù)“冰絲帶”，浙江大學(xué)羅堯治教授團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了無線傳感器，用以監(jiān)測場館結(jié)構(gòu)的受力、變形、溫度以判斷場館安全性。

據(jù)羅堯治教授所說，該團(tuán)隊(duì)在“冰絲帶”的整個(gè)建造過程中大約布置了1000多個(gè)傳感器，對速滑館的應(yīng)力、位移、加速度、溫度、風(fēng)壓、索力等六大類參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測?！笆┕さ倪^程中，千斤頂下面也有傳感器，但是它們隨著工程的進(jìn)展要撤下來的，只能監(jiān)測短時(shí)的數(shù)據(jù)，但我們的監(jiān)測是全過程的?！绷_堯治說。

提升鋼索過程中無線傳感器傳回的數(shù)據(jù)

在索網(wǎng)的施工過程中，采取“先地面拼裝、再整體提升”的工序，但由于場地空間限制，鋪在地面等待張拉的鋼索需要微微拱起才能越過“瓶頸”。倘若沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，誰也不能輕易下令彎折動(dòng)輒幾噸的鋼索?！斑@時(shí)候，我們的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)掌握彎曲對鋼索的影響，為現(xiàn)場決策指揮和安全施工提供了重要依據(jù)?！笔┕し皆u價(jià)說：“浙大的無線傳感器就像一雙雙眼睛，緊緊‘盯’著工程的建設(shè)全過程?！?/span>

運(yùn)動(dòng)捕捉傳感器&數(shù)字運(yùn)動(dòng)員模型助力中國隊(duì)奪首金

2月5日北京冬奧會(huì)中國首金由短道速滑隊(duì)獲得，恭喜！賽場之上，運(yùn)動(dòng)員的精彩表現(xiàn)來自刻苦訓(xùn)練，也離不開科研人員的技術(shù)支持。

北京航空航天大學(xué)柯鵬副教授率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，利用運(yùn)動(dòng)捕捉穿戴傳感器、激光雷達(dá)等設(shè)備，收集運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，針對短道速滑和速度滑冰的個(gè)人比賽項(xiàng)目的減阻節(jié)能和提高成績，充分考慮運(yùn)動(dòng)員的個(gè)性化生理特征、裝備特征和環(huán)境特征，包括體形、骨骼肌肉、生理生化等，建立數(shù)字運(yùn)動(dòng)員模型。

團(tuán)隊(duì)開展運(yùn)動(dòng)過程參數(shù)的實(shí)測和同步分析，建立滑冰運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)員能量輸出與節(jié)能減阻分析模型，有效評估各項(xiàng)滑行技術(shù)的影響，確定最佳參數(shù)組合，包括滑行路線、滑行節(jié)奏和滑行時(shí)間；蹬地動(dòng)作、蹬地速度、蹬地方向；人體姿態(tài)、轉(zhuǎn)彎控制與平衡等，深入分析與挖掘現(xiàn)有的比賽和測試數(shù)據(jù)；為訓(xùn)練方案的調(diào)整提供切實(shí)依據(jù)，為沖牌運(yùn)動(dòng)員精雕技術(shù)動(dòng)作提供精準(zhǔn)服務(wù)。

柯鵬團(tuán)隊(duì)借鑒航空航天飛行器的路線優(yōu)化算法，找到了冰雪運(yùn)動(dòng)的最佳滑行路線。而哪種滑行姿態(tài)阻力最小，能實(shí)現(xiàn)最快速度，團(tuán)隊(duì)借助航空航天領(lǐng)域的人機(jī)環(huán)境研究建立模型，捕捉運(yùn)動(dòng)員的滑行姿勢，身體高度，擺臂蹬腿的角度，分析運(yùn)動(dòng)員的肌肉能耗，找到了冰雪運(yùn)動(dòng)的最佳滑行姿勢和最優(yōu)體能分配方案。

可穿戴式運(yùn)動(dòng)傳感器對幫助運(yùn)動(dòng)員改善運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，提升運(yùn)動(dòng)成績的應(yīng)用，已經(jīng)獲得廣泛認(rèn)可。在本屆冬奧會(huì)上，除了北京航空航天大學(xué)柯鵬團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用外，還有不少應(yīng)用場景。

亦動(dòng)智能科技公司研發(fā)的內(nèi)嵌幾十片微型傳感器的高水平運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)分析系統(tǒng)，被中國自由式滑雪空中技巧國家隊(duì)采用。該系統(tǒng)主要通過套內(nèi)嵌幾十片微型傳感器的動(dòng)作捕捉緊身衣、緊身褲、鞋墊、手套來收集記錄穿戴者的肢體各部分的加速度、角速度等數(shù)據(jù)。

相比傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器，應(yīng)用慣性傳感器的智能服裝具備捕捉更準(zhǔn)確、全天候、抗干擾能力強(qiáng)等更多優(yōu)勢。并且出于不影響運(yùn)動(dòng)員穿戴的目的，隱藏在服裝中的傳感器重量僅有0.9克，體積也只有1元硬幣的1/3。此外，為了保證夏季訓(xùn)練的延續(xù)性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)受國家隊(duì)所托，研制出了全球首款抗寒、防水版的人體運(yùn)動(dòng)傳感器。

霍波、張海洋團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的傳感器智能測量“精確到肌肉”的冬季運(yùn)動(dòng)智能訓(xùn)練系統(tǒng)，改變了此前裁判員打分主要靠主觀判斷難度系數(shù)的歷史，推出的4項(xiàng)量化指標(biāo)進(jìn)入了國家隊(duì)評分表。

水立方變“冰立方”，部署4000多個(gè)室內(nèi)傳感器

作為2008年北京奧運(yùn)會(huì)的主場館，國家游泳中心（水立方）是眾多水上項(xiàng)目的競賽場所，同時(shí)這座如水般晶瑩剔透的比賽場館也給全世界人民留下了深刻的印象。

2022年北京冬奧會(huì)，水立方變身“冰立方”，承接冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)的冰壺和輪椅冰壺比賽項(xiàng)目。

根據(jù)改造方案，“冰立方”將在保有“水立方”水上功能的基礎(chǔ)上新增冰上功能，在比賽大廳中部通過搭建可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及安裝可拆裝制冰系統(tǒng)，鋪設(shè)4條標(biāo)準(zhǔn)賽道的冰壺場地。

這是世界上首次采用智能化技術(shù)建立泳池轉(zhuǎn)換冰場，技術(shù)難度極大，為了實(shí)現(xiàn)滿足冰壺比賽標(biāo)準(zhǔn)的冰面，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中建一局、商湯科技等，以及志愿加入的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)在內(nèi)的國內(nèi)頂尖科研力量集結(jié)起來，在科技部部署下，致力于在冰的內(nèi)部性能和外部影響研究上尋求突破。

為了保障“冰立方”的室內(nèi)環(huán)境條件符合冰壺比賽的要求，場館設(shè)置了由4000多個(gè)傳感器領(lǐng)銜的樓宇設(shè)備管理系統(tǒng)，可以監(jiān)測和控制場館內(nèi)的溫度、濕度、PM2.5濃度等的變化。

在這套系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控下，冰壺賽道冰面溫度達(dá)到零下8.5攝氏度的要求，冰面上1.5米高處溫度始終保持在10攝氏度，看臺觀眾區(qū)溫度則恒定在16至18攝氏度，真正做到“同室不同天”。

水平傾斜傳感器助力世界上最快的變角度斜行電梯“雪如意”

“雪如意”是中國首座符合國際標(biāo)準(zhǔn)的冬奧會(huì)跳臺滑雪場地，頂部與地面落差達(dá)160多米。

為了實(shí)現(xiàn)滑雪運(yùn)動(dòng)員的場內(nèi)交通快速轉(zhuǎn)換，幫助他們在“雪如意”下部與頂部運(yùn)動(dòng)員出發(fā)區(qū)之間上下通行，這座世界上最快的變角度斜行電梯發(fā)揮了重要作用。

這座斜行電梯是針對“雪如意”的特殊造型和賽事用途專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，它是目前全球速度最快的變坡斜行電梯，總長259米，速度可達(dá)每秒2.5米，是目前常見的變坡斜行電梯速度的5倍。

電梯軌道依山體走勢而建，中間有一段圓弧形軌道，坡度最緩處22.56°，最陡處39.56°。要在相差近20°的變坡角度上平穩(wěn)快速運(yùn)行，需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的設(shè)備改進(jìn)和技術(shù)調(diào)試。為此，技術(shù)人員在電梯上安裝了伺服驅(qū)動(dòng)器、水平傳感器和防傾覆裝置。同時(shí)，在不同工況下進(jìn)行了長時(shí)間的系統(tǒng)調(diào)試，使斜行電梯能夠在陡坡及緩坡段保持勻速水平運(yùn)行。

另外，張家口冬季最低氣溫在-30°c以下，該項(xiàng)目斜梯的耐低溫運(yùn)行是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。為解決部件的低溫工作問題，要求有成熟的材料工藝和工程經(jīng)驗(yàn)，此外，由于設(shè)備常年暴露在室外環(huán)境，對轎廂、導(dǎo)軌等部件的防水、防塵、防腐要求也很高。

傳感互動(dòng)系統(tǒng)加持旅游接待中心智能化小屋

北京冬奧會(huì)協(xié)辦地張家口市下花園定方水鄉(xiāng)的武家莊旅游接待中心，是一個(gè)30平米左右的互動(dòng)式智能化建筑，可隨著氣候的變化而改變形態(tài)。

小屋開合動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)是如何實(shí)現(xiàn)的呢？這里面便需要用到無處不在的傳感器監(jiān)測技術(shù)。

首先是采集環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)，如溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)傳感器等；其次是軟件中樞控制系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)將采集到的信息按照設(shè)定的要求進(jìn)行計(jì)算，并發(fā)出指令；最后是裝在三塊面板上的機(jī)械裝置，當(dāng)該系統(tǒng)接收到中樞發(fā)出的指令，它會(huì)執(zhí)行命令推動(dòng)面板運(yùn)動(dòng)到合適的位置。當(dāng)小屋的三塊板完全打開時(shí)，它成為一個(gè)表演的舞臺，觀眾坐在周邊的坡地臺階上自由自在地觀看演出。

當(dāng)室外氣溫在16到29攝氏度時(shí)，傳感器系統(tǒng)中的溫濕度傳感器可準(zhǔn)確監(jiān)測到溫度變化，數(shù)據(jù)傳至中控系統(tǒng)，進(jìn)而啟動(dòng)機(jī)械裝置，讓這三塊面板會(huì)在不同的角度打開，以保證建筑室內(nèi)獲得自然通風(fēng)及觀看室外景色。

同樣的，當(dāng)室外溫度低于16攝氏度時(shí)，溫濕度傳感器同樣會(huì)迅速感知，同樣將傳感器數(shù)據(jù)傳至其他兩個(gè)系統(tǒng)后，最終讓三塊面板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉合，并在第一時(shí)間啟動(dòng)盤管式地暖系統(tǒng)，進(jìn)行采暖。

另外，當(dāng)室外溫度高于29度時(shí)，三塊面板也會(huì)自動(dòng)閉合、并啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷；而當(dāng)刮風(fēng)或下雨時(shí)，三塊面板也會(huì)關(guān)閉以防風(fēng)雨侵蝕。

國產(chǎn)腋下創(chuàng)口貼傳感器時(shí)刻監(jiān)控體溫

本次冬奧會(huì)正值全球新冠疫情冬季高峰期，疫情防控“精準(zhǔn)快捷”測溫是重要一環(huán)。一款被稱為“腋下創(chuàng)可貼”的可穿戴式體溫計(jì)和疫情防控“千里眼”系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，為本次冬奧會(huì)疫情防控提供有力支撐。

要測試的人員只需將智能體溫計(jì)貼在腋下皮膚上，并在手機(jī)App端綁定設(shè)備，受測者的體溫?cái)?shù)據(jù)變化就會(huì)在頁面清晰展現(xiàn)，并自動(dòng)測量、上報(bào)給后臺，方便防控值守端工作人員通過電腦，對觀察人群進(jìn)行連續(xù)體溫監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

有研究學(xué)者稱，目前美國同類體溫貼的檢測精度為0.1—0.2℃，而測試活動(dòng)中使用的這款微芯可穿戴式智能體溫計(jì)的檢測精度，達(dá)到0.05℃，檢測精度更高，具有一定競爭優(yōu)勢。

據(jù)五棵松體育中心場館醫(yī)療和防疫副主任尹金淑介紹：“這款智能體溫計(jì)是目前全球最小、最精準(zhǔn)的可穿戴式連續(xù)智能測溫設(shè)備，具有高精度、低功耗、尺寸小、易佩戴等優(yōu)勢，一旦超過37.3℃標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警。測溫芯片只有小米粒大小，但精度能達(dá)到0.05℃，充電一次可以連續(xù)使用10天。之前，我們通過監(jiān)測，曾發(fā)現(xiàn)有一名工作人員有發(fā)熱癥狀，場館立即啟動(dòng)救治和防疫機(jī)制，第一時(shí)間對其進(jìn)行醫(yī)療檢查和治療，并開展流調(diào)工作。直到核酸檢測陰性結(jié)果出爐，防疫系統(tǒng)得到了一次非常好的檢驗(yàn)，也起到‘哨’點(diǎn)和預(yù)警的作用?！?/span>

億級像素陣列像感器光場相機(jī)覆蓋全區(qū)域

五棵松體育中心中一款出自拙河科技的億級像素陣列像感器光場相機(jī)，是實(shí)現(xiàn)賽事區(qū)域精準(zhǔn)防疫監(jiān)控的重要一員。場館內(nèi)的任何動(dòng)靜都無法逃脫這款擁有19個(gè)攝像頭的像感器光場相機(jī)的“法眼”。

獨(dú)創(chuàng)的陣列式攝像機(jī)設(shè)計(jì)，突破單一光學(xué)鏡頭及傳感器分辨率極限，使得它可以全覆蓋監(jiān)控賽事場館比賽區(qū)域及觀眾區(qū)域，同時(shí)可以保證每一處細(xì)節(jié)的清晰呈現(xiàn)和記錄，出色地完成實(shí)時(shí)記錄場館內(nèi)事件、無感人臉識別及追蹤任務(wù)。

運(yùn)動(dòng)員公寓智能環(huán)境檢測儀

運(yùn)動(dòng)員公寓內(nèi)的又一亮點(diǎn)——智能環(huán)境檢測儀，除了空氣檢測、家電控制等功能，還可與室外的微型氣象站聯(lián)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量，把低碳和環(huán)保做到極致。

冰壺上的“眼睛”——隱藏于手柄的智能傳感器

冰壺是一項(xiàng)非常傳統(tǒng)的冬季比賽項(xiàng)目，被譽(yù)為冰上“國際象棋”。因?yàn)楸鶋剡\(yùn)動(dòng)對場地和設(shè)備的技術(shù)要求比較嚴(yán)格， 因此在比賽專用器材方面，采用了很多先進(jìn)技術(shù)手段。

在冰壺的手柄中安放了智能傳感器，能夠監(jiān)測運(yùn)動(dòng)員手部握著手柄的存在。進(jìn)而作為運(yùn)動(dòng)員投擲距離是否違規(guī)的評判方法，規(guī)避了傳統(tǒng)裁判員肉眼看的高錯(cuò)誤率和不一致。讓每次判別都能夠同步量化。

壺柄上面設(shè)置了紅綠兩種顏色的指示燈，并且能夠傳遞信號。如果冰壺投擲員的手，握著冰壺超過了磁標(biāo)識傳感器的界限，視為投擲違例，需要裁判進(jìn)行相關(guān)判罰。如果在磁標(biāo)識傳感器之前，投擲員松開握住壺柄的手，則投擲有效。

山體“偵察衛(wèi)士”——微芯樁智能傳感器

在冬奧會(huì)延慶賽區(qū)周邊的陡峭山體上，分布著很多晶瑩剔透的“小蘑菇”——塑料外殼的“蘑菇頭”里，是一套復(fù)雜的感應(yīng)結(jié)構(gòu)，下方一根立柱深深扎入巖體。這是北京中關(guān)村智連安全科學(xué)研究院設(shè)計(jì)研發(fā)的微芯樁智能傳感器，配合人工智能感知平臺，24小時(shí)監(jiān)測周邊山體的安全情況。

“小海陀山溝壑縱橫，南坡的情況更復(fù)雜?！北本┲嘘P(guān)村智連安全科學(xué)研究院院長、北京科技大學(xué)教授謝謨文回憶起在冬奧賽區(qū)實(shí)地踏勘時(shí)的情況。延慶小海陀山南麓是國家高山滑雪中心的所在地，附近山體地質(zhì)條件復(fù)雜，很多施工點(diǎn)位緊鄰山體，大型機(jī)械的施工會(huì)擾動(dòng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，有可能會(huì)導(dǎo)致落石、滑坡等。

為了對山體邊坡的安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警，謝謨文團(tuán)隊(duì)建立起邊坡失穩(wěn)早期預(yù)警理論體系及預(yù)警模型?？傊亓坎坏?公斤、形如蘑菇的微芯樁在前方，感知場地結(jié)構(gòu)振動(dòng)、傾角、傾向、加速度等關(guān)鍵安全指標(biāo)的變化；人工智能感知平臺在后方，通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對20余個(gè)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，并作出自動(dòng)預(yù)警。

結(jié)語

科技越發(fā)展，傳感器越進(jìn)步，除了文中列出的部分傳感器外，用于冬奧會(huì)的傳感器還有很多很多，智能樓宇建筑傳感器和可穿戴式運(yùn)動(dòng)傳感器是冬奧會(huì)上使用最多的傳感器大類，依賴于傳感器提供的各種數(shù)據(jù)，這些高科技的應(yīng)用場景才得以展現(xiàn)，未來，傳感器還具有更為廣闊的應(yīng)用空間。最后，預(yù)祝中國冬奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員們?nèi)〉眉芽儯?/span>

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