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北京冬奥会上,智能传感器的黑科技

发布时间:2022-02-15
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导读: 相关数据显示,2022年北京冬奥会所涉及的冰雪运动带动的其他关联产业收入将达到3000亿元以上,在这3000亿元的产业蛋糕中,基础建设是重头戏。目前,越来越多的传感器相互连接并分布在各类冬奥会基础建筑设施中,这些传感器将为设施管理人员提供宝贵且有用的信息。

2月4日~20日,2022年冬季奥林匹克运动会在北京举行,继2008年后北京再次迎来奥运盛事,同时北京也成为全球唯一一座“双奥”城市!越来越多的国产传感器相互连接并分布在各类冬奥会基础建筑设施中,这些传感器将为设施管理人员提供宝贵且有用的信息,保障北京冬奥会全力运作。下面来看看哪些传感器系统参与了这次令人骄傲的北京冬奥会!



浙江大学无线传感器织就“冰丝带”

近日“一墩难求”的北京冬奥吉祥物冰墩墩熊猫头部装饰彩色光环,其灵感就源自于北京冬奥会的国家速滑馆——“冰丝带”。

国家速滑馆“冰丝带”是本届北京冬奥运唯一新建冰上竞赛场馆,也是本届冬奥会的标志性建筑和主场馆之一,为世界贡献了由中国设计、中国技术、中国材料、中国制造组成的奥运场馆建设“中国方案”。环形的“冰丝带”造型灵动,由22条晶莹美丽的“丝带”状曲面玻璃幕墙环绕,远观飘逸,近看宏伟。“冰丝带”的屋盖结构是由49对承重索和30对稳定索编织成长跨198米、短跨124米的马鞍形索网,其结构、建造技术以及受力状态十分复杂。为顺利建成和维护“冰丝带”,浙江大学罗尧治教授团队自主开发了无线传感器,用以监测场馆结构的受力、变形、温度以判断场馆安全性。

据罗尧治教授所说,该团队在“冰丝带”的整个建造过程中大约布置了1000多个传感器,对速滑馆的应力、位移、加速度、温度、风压、索力等六大类参数进行监测。“施工的过程中,千斤顶下面也有传感器,但是它们随着工程的进展要撤下来的,只能监测短时的数据,但我们的监测是全过程的。”罗尧治说。


提升钢索过程中无线传感器传回的数据

在索网的施工过程中,采取“先地面拼装、再整体提升”的工序,但由于场地空间限制,铺在地面等待张拉的钢索需要微微拱起才能越过“瓶颈”。倘若没有准确的数据支撑,谁也不能轻易下令弯折动辄几吨的钢索。“这时候,我们的现场监测数据能够实时掌握弯曲对钢索的影响,为现场决策指挥和安全施工提供了重要依据。”施工方评价说:“浙大的无线传感器就像一双双眼睛,紧紧‘盯’着工程的建设全过程。”


运动捕捉传感器&数字运动员模型助力中国队夺首金

2月5日北京冬奥会中国首金由短道速滑队获得,恭喜!赛场之上,运动员的精彩表现来自刻苦训练,也离不开科研人员的技术支持。

北京航空航天大学柯鹏副教授率领团队,利用运动捕捉穿戴传感器、激光雷达等设备,收集运动的运动数据,针对短道速滑和速度滑冰的个人比赛项目的减阻节能和提高成绩,充分考虑运动员的个性化生理特征、装备特征和环境特征,包括体形、骨骼肌肉、生理生化等,建立数字运动员模型。

团队开展运动过程参数的实测和同步分析,建立滑冰运动过程中运动员能量输出与节能减阻分析模型,有效评估各项滑行技术的影响,确定最佳参数组合,包括滑行路线、滑行节奏和滑行时间;蹬地动作、蹬地速度、蹬地方向;人体姿态、转弯控制与平衡等,深入分析与挖掘现有的比赛和测试数据;为训练方案的调整提供切实依据,为冲牌运动员精雕技术动作提供精准服务。

柯鹏团队借鉴航空航天飞行器的路线优化算法,找到了冰雪运动的最佳滑行路线。而哪种滑行姿态阻力最小,能实现最快速度,团队借助航空航天领域的人机环境研究建立模型,捕捉运动员的滑行姿势,身体高度,摆臂蹬腿的角度,分析运动员的肌肉能耗,找到了冰雪运动的最佳滑行姿势和最优体能分配方案。

可穿戴式运动传感器对帮助运动员改善运动动作,提升运动成绩的应用,已经获得广泛认可。在本届冬奥会上,除了北京航空航天大学柯鹏团队的应用外,还有不少应用场景。

亦动智能科技公司研发的内嵌几十片微型传感器的高水平运动员运动表现分析系统,被中国自由式滑雪空中技巧国家队采用。该系统主要通过套内嵌几十片微型传感器的动作捕捉紧身衣、紧身裤、鞋垫、手套来收集记录穿戴者的肢体各部分的加速度、角速度等数据。

相比传统的光学传感器,应用惯性传感器的智能服装具备捕捉更准确、全天候、抗干扰能力强等更多优势。并且出于不影响运动员穿戴的目的,隐藏在服装中的传感器重量仅有0.9克,体积也只有1元硬币的1/3。此外,为了保证夏季训练的延续性,研发团队受国家队所托,研制出了全球首款抗寒、防水版的人体运动传感器。

霍波、张海洋团队研发出的传感器智能测量“精确到肌肉”的冬季运动智能训练系统,改变了此前裁判员打分主要靠主观判断难度系数的历史,推出的4项量化指标进入了国家队评分表。


水立方变“冰立方”,部署4000多个室内传感器

作为2008年北京奥运会的主场馆,国家游泳中心(水立方)是众多水上项目的竞赛场所,同时这座如水般晶莹剔透的比赛场馆也给全世界人民留下了深刻的印象。

2022年北京冬奥会,水立方变身“冰立方”,承接冬奥会和冬残奥会的冰壶和轮椅冰壶比赛项目。

根据改造方案,“冰立方”将在保有“水立方”水上功能的基础上新增冰上功能,在比赛大厅中部通过搭建可转换结构及安装可拆装制冰系统,铺设4条标准赛道的冰壶场地。

这是世界上首次采用智能化技术建立泳池转换冰场,技术难度极大,为了实现满足冰壶比赛标准的冰面,清华大学、哈尔滨工业大学、同济大学、中建一局、商汤科技等,以及志愿加入的东北农业大学在内的国内顶尖科研力量集结起来,在科技部部署下,致力于在冰的内部性能和外部影响研究上寻求突破。

为了保障“冰立方”的室内环境条件符合冰壶比赛的要求,场馆设置了由4000多个传感器领衔的楼宇设备管理系统,可以监测和控制场馆内的温度、湿度、PM2.5浓度等的变化。

在这套系统的精准调控下,冰壶赛道冰面温度达到零下8.5摄氏度的要求,冰面上1.5米高处温度始终保持在10摄氏度,看台观众区温度则恒定在16至18摄氏度,真正做到“同室不同天”。


水平倾斜传感器助力世界上最快的变角度斜行电梯“雪如意”

“雪如意”是中国首座符合国际标准的冬奥会跳台滑雪场地,顶部与地面落差达160多米。

为了实现滑雪运动员的场内交通快速转换,帮助他们在“雪如意”下部与顶部运动员出发区之间上下通行,这座世界上最快的变角度斜行电梯发挥了重要作用。

这座斜行电梯是针对“雪如意”的特殊造型和赛事用途专门设计生产的,它是目前全球速度最快的变坡斜行电梯,总长259米,速度可达每秒2.5米,是目前常见的变坡斜行电梯速度的5倍。

电梯轨道依山体走势而建,中间有一段圆弧形轨道,坡度最缓处22.56°,最陡处39.56°。要在相差近20°的变坡角度上平稳快速运行,需要经过一系列复杂的设备改进和技术调试。为此,技术人员在电梯上安装了伺服驱动器、水平传感器和防倾覆装置。同时,在不同工况下进行了长时间的系统调试,使斜行电梯能够在陡坡及缓坡段保持匀速水平运行。

另外,张家口冬季最低气温在-30°c以下,该项目斜梯的耐低温运行是一项巨大的挑战。为解决部件的低温工作问题,要求有成熟的材料工艺和工程经验,此外,由于设备常年暴露在室外环境,对轿厢、导轨等部件的防水、防尘、防腐要求也很高。


传感互动系统加持旅游接待中心智能化小屋

北京冬奥会协办地张家口市下花园定方水乡的武家庄旅游接待中心,是一个30平米左右的互动式智能化建筑,可随着气候的变化而改变形态。

小屋开合动作的实现是如何实现的呢?这里面便需要用到无处不在的传感器监测技术。

首先是采集环境信息的传感器系统,如温度传感器、湿度传感器、风传感器等;其次是软件中枢控制系统,它负责将采集到的信息按照设定的要求进行计算,并发出指令;最后是装在三块面板上的机械装置,当该系统接收到中枢发出的指令,它会执行命令推动面板运动到合适的位置。当小屋的三块板完全打开时,它成为一个表演的舞台,观众坐在周边的坡地台阶上自由自在地观看演出。

当室外气温在16到29摄氏度时,传感器系统中的温湿度传感器可准确监测到温度变化,数据传至中控系统,进而启动机械装置,让这三块面板会在不同的角度打开,以保证建筑室内获得自然通风及观看室外景色。

同样的,当室外温度低于16摄氏度时,温湿度传感器同样会迅速感知,同样将传感器数据传至其他两个系统后,最终让三块面板实现自动闭合,并在第一时间启动盘管式地暖系统,进行采暖。

另外,当室外温度高于29度时,三块面板也会自动闭合、并启动空调系统进行制冷;而当刮风或下雨时,三块面板也会关闭以防风雨侵蚀。


国产腋下创口贴传感器时刻监控体温

本次冬奥会正值全球新冠疫情冬季高峰期,疫情防控“精准快捷”测温是重要一环。一款被称为“腋下创可贴”的可穿戴式体温计和疫情防控“千里眼”系统应运而生,为本次冬奥会疫情防控提供有力支撑。

要测试的人员只需将智能体温计贴在腋下皮肤上,并在手机App端绑定设备,受测者的体温数据变化就会在页面清晰展现,并自动测量、上报给后台,方便防控值守端工作人员通过电脑,对观察人群进行连续体温监测与风险预警。

有研究学者称,目前美国同类体温贴的检测精度为0.1—0.2℃,而测试活动中使用的这款微芯可穿戴式智能体温计的检测精度,达到0.05℃,检测精度更高,具有一定竞争优势。

据五棵松体育中心场馆医疗和防疫副主任尹金淑介绍:“这款智能体温计是目前全球最小、最精准的可穿戴式连续智能测温设备,具有高精度、低功耗、尺寸小、易佩戴等优势,一旦超过37.3℃标准值,系统将自动报警。测温芯片只有小米粒大小,但精度能达到0.05℃,充电一次可以连续使用10天。之前,我们通过监测,曾发现有一名工作人员有发热症状,场馆立即启动救治和防疫机制,第一时间对其进行医疗检查和治疗,并开展流调工作。直到核酸检测阴性结果出炉,防疫系统得到了一次非常好的检验,也起到‘哨’点和预警的作用。”


亿级像素阵列像感器光场相机覆盖全区域

五棵松体育中心中一款出自拙河科技的亿级像素阵列像感器光场相机,是实现赛事区域精准防疫监控的重要一员。场馆内的任何动静都无法逃脱这款拥有19个摄像头的像感器光场相机的“法眼”。

独创的阵列式摄像机设计,突破单一光学镜头及传感器分辨率极限,使得它可以全覆盖监控赛事场馆比赛区域及观众区域,同时可以保证每一处细节的清晰呈现和记录,出色地完成实时记录场馆内事件、无感人脸识别及追踪任务。

运动员公寓智能环境检测仪

运动员公寓内的又一亮点——智能环境检测仪,除了空气检测、家电控制等功能,还可与室外的微型气象站联动,从而调节室内空气质量,把低碳和环保做到极致。


冰壶上的“眼睛”——隐藏于手柄的智能传感器

冰壶是一项非常传统的冬季比赛项目,被誉为冰上“国际象棋”。因为冰壶运动对场地和设备的技术要求比较严格, 因此在比赛专用器材方面,采用了很多先进技术手段。

在冰壶的手柄中安放了智能传感器,能够监测运动员手部握着手柄的存在。进而作为运动员投掷距离是否违规的评判方法,规避了传统裁判员肉眼看的高错误率和不一致。让每次判别都能够同步量化。

壶柄上面设置了红绿两种颜色的指示灯,并且能够传递信号。如果冰壶投掷员的手,握着冰壶超过了磁标识传感器的界限,视为投掷违例,需要裁判进行相关判罚。如果在磁标识传感器之前,投掷员松开握住壶柄的手,则投掷有效。


山体“侦察卫士”——微芯桩智能传感器

在冬奥会延庆赛区周边的陡峭山体上,分布着很多晶莹剔透的“小蘑菇”——塑料外壳的“蘑菇头”里,是一套复杂的感应结构,下方一根立柱深深扎入岩体。这是北京中关村智连安全科学研究院设计研发的微芯桩智能传感器,配合人工智能感知平台,24小时监测周边山体的安全情况。

“小海陀山沟壑纵横,南坡的情况更复杂。”北京中关村智连安全科学研究院院长、北京科技大学教授谢谟文回忆起在冬奥赛区实地踏勘时的情况。延庆小海陀山南麓是国家高山滑雪中心的所在地,附近山体地质条件复杂,很多施工点位紧邻山体,大型机械的施工会扰动地质结构,有可能会导致落石、滑坡等。

为了对山体边坡的安全进行实时监测预警,谢谟文团队建立起边坡失稳早期预警理论体系及预警模型。总重量不到1公斤、形如蘑菇的微芯桩在前方,感知场地结构振动、倾角、倾向、加速度等关键安全指标的变化;人工智能感知平台在后方,通过云计算、大数据等技术,对20余个相关指标进行综合分析,并作出自动预警。


结语

科技越发展,传感器越进步,除了文中列出的部分传感器外,用于冬奥会的传感器还有很多很多,智能楼宇建筑传感器和可穿戴式运动传感器是冬奥会上使用最多的传感器大类,依赖于传感器提供的各种数据,这些高科技的应用场景才得以展现,未来,传感器还具有更为广阔的应用空间。最后,预祝中国冬奥会运动员们取得佳绩!





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