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(guó)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(guó)家速滑館——“冰絲帶”。

國(guó)家速滑館“冰絲帶”是本屆北京冬奧運(yùn)唯一新建冰上競(jìng)賽場(chǎng)館，也是本屆冬奧會(huì)的標(biāo)志性建筑和主場(chǎng)館之一，為世界貢獻(xiàn)了由中國(guó)設(shè)計(jì)、中國(guó)技術(shù)、中國(guó)材料、中國(guó)制造組成的奧運(yùn)場(chǎng)館建設(shè)“中國(guó)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?！氨z帶”的屋蓋結(jié)構(gòu)是由49對(duì)承重索和30對(duì)穩(wěn)定索編織成長(zhǎng)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(cè)場(chǎng)館結(jié)構(gòu)的受力、變形、溫度以判斷場(chǎng)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(duì)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(cè)。“施工的過程中，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(cè)短時(shí)的數(shù)據(jù)，但我們的監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)掌握彎曲對(duì)鋼索的影響，為現(xiàn)場(chǎng)決策指揮和安全施工提供了重要依據(jù)?！笔┕し皆u(píng)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(guó)隊(duì)奪首金

2月5日北京冬奧會(huì)中國(guó)首金由短道速滑隊(duì)獲得，恭喜！賽場(chǎng)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(duì)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(jī)，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(cè)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(píng)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(cè)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(shì)，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(shì)和最優(yōu)體能分配方案。

可穿戴式運(yùn)動(dòng)傳感器對(duì)幫助運(yùn)動(dòng)員改善運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，提升運(yùn)動(dòng)成績(jī)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(chǎng)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(guó)自由式滑雪空中技巧國(guó)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(shì)。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?jī)H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(guó)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(cè)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(guó)家隊(duì)評(píng)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(chǎng)館，國(guó)家游泳中心（水立方）是眾多水上項(xiàng)目的競(jìng)賽場(chǎng)所，同時(shí)這座如水般晶瑩剔透的比賽場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)，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(guó)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(chǎng)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(cè)和控制場(chǎng)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(tái)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(guó)首座符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的冬奧會(huì)跳臺(tái)滑雪場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)交通快速轉(zhuǎn)換，幫助他們?cè)凇把┤缫狻毕虏颗c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(duì)“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(zhǎng)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(shì)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(zhǎng)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(duì)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(cè)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(tái)，觀眾坐在周邊的坡地臺(tái)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(cè)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(guó)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量、上報(bào)給后臺(tái)，方便防控值守端工作人員通過電腦，對(duì)觀察人群進(jìn)行連續(xù)體溫監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

有研究學(xué)者稱，目前美國(guó)同類體溫貼的檢測(cè)精度為0.1—0.2℃，而測(cè)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(cè)精度，達(dá)到0.05℃，檢測(cè)精度更高，具有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

據(jù)五棵松體育中心場(chǎng)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(cè)溫設(shè)備，具有高精度、低功耗、尺寸小、易佩戴等優(yōu)勢(shì)，一旦超過37.3℃標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警。測(cè)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(cè)，曾發(fā)現(xiàn)有一名工作人員有發(fā)熱癥狀，場(chǎng)館立即啟動(dòng)救治和防疫機(jī)制，第一時(shí)間對(duì)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(cè)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(jí)像素陣列像感器光場(chǎng)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(jí)像素陣列像感器光場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)館內(nèi)事件、無感人臉識(shí)別及追蹤任務(wù)。

運(yùn)動(dòng)員公寓智能環(huán)境檢測(cè)儀

運(yùn)動(dòng)員公寓內(nèi)的又一亮點(diǎn)——智能環(huán)境檢測(cè)儀，除了空氣檢測(cè)、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(guó)際象棋”。因?yàn)楸鶋剡\(yùn)動(dòng)對(duì)場(chǎng)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(cè)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(píng)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(hào)。如果冰壺投擲員的手，握著冰壺超過了磁標(biāo)識(shí)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(shí)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(tái)，24小時(shí)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)、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(guó)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(duì)山體邊坡的安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(tái)在后方，通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對(duì)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(chǎng)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(guó)冬奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員們?nèi)〉眉芽?jī)！

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