申冬奧成功以來，“科技冬奧”重點攻關大力推進，《科技冬奧(2022)行動計劃》全面展開，國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項有序推進，取得了一系列科技創(chuàng)新成果。這其中自然少不了高校的力量。
據(jù)不完全統(tǒng)計，清華大學、浙江大學、復旦大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、重慶大學、大連理工大學、北京林業(yè)大學、東北大學等國內多所高校貢獻了科技智慧，助力冬奧。
浙江大學
織就炫酷的“冰絲帶”
作為唯一新建冰上競賽場館——國家速滑館“冰絲帶”為世界貢獻了由中國設計、中國技術、中國材料、中國制造組成的奧運場館建設“中國方案”。這其中，浙江大學建筑工程學院羅堯治教授團隊和鄧華、袁行飛教授團隊就為“冰絲帶”超大跨度索網(wǎng)結構建設施工與運維保障提供了重要的科技力量。
“冰絲帶”的屋面體系采用了雙曲面馬鞍形單層索網(wǎng)結構，是目前世界上跨度最大的單層雙向正交馬鞍形索網(wǎng)屋面體育館。所謂的索網(wǎng)結構，簡單地說，就是一張由鋼索編織而成的大網(wǎng)。這樣一張大網(wǎng)“扣”在了速滑館的上方，形成一個馬鞍形雙曲面屋頂。
相較于傳統(tǒng)的剛性屋面結構體系，柔性的索網(wǎng)屋面在滿足結構功能的前提下大大減小了結構的用鋼量，這樣精巧的空間設計為節(jié)能環(huán)保提供了保障。
除了對“冰絲帶”屋頂?shù)谋O(jiān)測，浙大團隊還對速滑館的賽場冰下混凝土開展了結構監(jiān)測。“冰絲帶”采用了全冰面設計，同時也采用最先進的制冰技術，冰面溫差可控制在0.5℃以內。
在“冰絲帶”建設期間，浙江大學建筑工程學院的另一撥人馬也發(fā)揮了重要作用。為了更好解決屋頂?shù)慕ㄔO難題，鄧華、袁行飛教授團隊通過12：1的縮尺模型，開展了國家速滑館大跨度索網(wǎng)屋蓋結構建造關鍵技術及模型試驗研究。
復旦大學
智能冰上運動訓練分析系統(tǒng)
如何通過人工智能為冬奧健兒的體育訓練賦能?復旦大學工程與應用技術研究院教授、智能機器人研究院常務副院長張立華團隊研發(fā)智能冰上運動訓練分析系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的主要技術指標被2022北京冬奧會采用，讓“智能化”教練親身指導，助你化身“冰雪精靈”!
該系統(tǒng)采用基于人工智能計算機視覺算法對滑冰運動員的動作、姿態(tài)、速度等信息進行智能分析對比，從定性、定量再到定制化分析每個運動員的特點，提高科學化訓練水平與效率，有效減輕教練員工作負荷，實現(xiàn)科學訓練、有效提升運動員訓練效果和競賽成績的目的。
“我們利用人工智能技術，可以分析冰上運動員的骨架、各關節(jié)的動作、姿勢，這叫運動目標的骨架節(jié)點識別和可視化。”張立華介紹。
未來，張立華團隊將面向專業(yè)和大眾運動項目開展比賽訓練分析算法及應用系統(tǒng)研究，根據(jù)現(xiàn)有基礎建設競技體育比賽訓練智能分析平臺，實現(xiàn)訓練輔助分析、比賽輔助裁判等智能化應用，并建設示范性智能化體育比賽場館、大眾體育智能化示范設施，讓廣大群眾能夠在日常運動中感受“智能化”服務帶來的全新體驗。
上海交通大學
自主研發(fā)的滑雪機器人
近日，由上海交通大學設計研發(fā)的六足滑雪機器人在沈陽完成了初級道、中級道以及與人共同滑雪實驗，通過了穩(wěn)定控制、智能感知、規(guī)劃決策等多方面的測試。這款滑雪機器人是在“科技冬奧”的號召下，由上海交通大學高峰教授領銜，上海交通大學機械與動力工程學院和電子信息與電氣工程學院組成的足式機器人研究團隊研制，獲得了科技部國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項支持。
不僅能高速滑雪，還能躲避人群、自己規(guī)劃最優(yōu)路線。滑雪機器人在初級與中級雪道中的測試，證明了自己具備敏捷的轉彎、制動能力和強大的自主感知、規(guī)劃能力。它能在雪場高速滑行，遇到障礙物還能急轉彎，繼續(xù)保持自己矯健的滑雪身姿，還能在滑行的過程中完成高山滑雪運動中的“過旗門”任務，能夠實現(xiàn)良好的速度、方向控制，具有滑行、急停、避障、繞桿等功能。
據(jù)介紹，上海交通大學足式機器人團隊研發(fā)的這款滑雪機器人是六足機器人，采用雙板滑雪。中間的四條腿分成兩組，每兩條腿固定在一個滑雪板上，用于控制滑雪板的位置和姿態(tài)，兩側的兩條腿分別加裝了滑雪杖，用以模仿人，實現(xiàn)點杖的功能。每個滑雪板具有五個自由度，通過控制滑雪板的位姿可以實現(xiàn)滑雪的速度控制、轉彎和制動等功能。
滑雪機器人不僅是“科技冬奧”的直觀體現(xiàn)，同時也以“人機共融”的理念為后冬奧時代提供了無限暢想。研究團隊表示，“冬奧會結束后，這款機器人還可以結合當下5G、無線網(wǎng)絡等先進技術，通過遠程控制，實現(xiàn)滑雪機器人同場競技，創(chuàng)造電-機-競的全新娛樂模式，為滑雪愛好者和青少年創(chuàng)造科技感十足的娛樂新風尚。”
北京航空航天大學
航天科技助力冰雪訓練 決勝毫厘之間
科技助力競技體育需要科學的訓練才能夠決勝毫厘之間，有哪些方式可以提升運動員的速度呢?哪里轉彎哪里變換姿勢是最為恰當和合適的呢?北京航空航天大學教授柯鵬團隊研發(fā)出了一套訓練神器。
據(jù)介紹，北京航空航天大學交通科學與工程學院副教授柯鵬帶領著團隊，從2019年開始，充分借鑒航空工程的基礎理論和技術方法，在服裝、裝備、動作、冰面摩擦等每一個環(huán)節(jié)，都經(jīng)過了細致的研究。對于運動員什么時候加速、怎樣轉彎、如何減少阻力、滑行路線選擇、體能分配和配速優(yōu)化方面，都引入航空航天科技，特別是找到了適合中國運動員的最佳滑行線路，借助科技讓訓練更科學。
重慶大學
研發(fā)監(jiān)測系統(tǒng) 隨時為臨時設施“體檢”
為保障大規(guī)模臨時設施的安全，重慶大學“科技冬奧”團隊成員、土木工程學院劉綱教授研發(fā)了嚴寒山區(qū)復雜地形下大面積高容量臨時設施安全運維監(jiān)測系統(tǒng)。他告訴視界網(wǎng)記者：“通過在臨時設施上安裝溫度、濕度等環(huán)境傳感器，以及振動、傾角、應變等結構響應傳感器，實時監(jiān)測臨時看臺的狀態(tài)，隨時對設施進行‘體檢’”。
小插銷帶來大保障
冬奧會臨時設施大多都建在腳手架上，所以每一個連接點的安全牢固就非常重要。在實驗室檢測現(xiàn)場腳手架上的每一個連接處，都插著數(shù)個插銷來實現(xiàn)的固定和鏈接。為此重慶大學“科技冬奧”團隊研發(fā)了一套設備，實現(xiàn)用無人機給整個賽場的腳手架做體檢。僅僅拍一張照片，就能夠檢測出拍照范圍內的插銷是否安裝到位。每一片插銷都預先涂上了特有的反光材料，一旦有安裝不到位的情況，通過無人機拍照就能夠立馬在顯示屏中看到反饋。這樣，既節(jié)約了時間、人力，也最大程度地保證臨時設施的安全牢固。
目前，重慶大學“科技冬奧”團隊已在崇禮和延慶賽區(qū)，共計安裝了30套設備對臨時設施安全進行監(jiān)測，設備要等冬奧會和冬殘奧會結束后才會拆除，期間所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)都會實時發(fā)給現(xiàn)場的運維人員，對臨時設施架體進行及時維護。
關鍵專利技術 保障臨時設施安全運行
另外，賽場下都是凍土，如何保證建筑安全?重慶大學“科技冬奧”團隊研發(fā)了適用于嚴寒山區(qū)大面積復雜結構荷載的抗凍融循環(huán)凍土地基快速處理專利技術新型樁。
通俗來說就是氣溫到了零下，土壤里面的水變成了冰，隨著氣候變化，凍土在不斷凍脹融沉。當?shù)鼗寥雷兓獪y，那么打下的地基也將受到影響，地上的建筑物也就不會穩(wěn)固。劉綱教授說，“新型樁樁身采用螺旋葉片式設計，這是便于機械旋螺鉆進施工，從而到達實現(xiàn)快速、弱擾動施工，單樁施工僅需十余分鐘;可反向旋擰回收再利用，實現(xiàn)綠色辦奧運的理念。”
不僅如此，所研發(fā)的新型樁除可顯著提高承載力外，最大特點在于樁身深入凍土地層段采用隔離套設計，將中心承載鋼管與周圍凍土隔離，消除了地基土凍脹融沉的影響。
清華大學
智能加熱裝備
冬奧會期間，無論是工作人員還是現(xiàn)場觀眾，冬季室外低溫都是個大麻煩。在極寒條件下如何溫暖觀賽?清華大學建筑學院副教授曹彬團隊專門開發(fā)了極寒環(huán)境下的“熱保障”，研發(fā)出了極寒環(huán)境下的“溫暖裝備”——智能加熱服和加熱坐墊，可以在短時間內迅速發(fā)熱、鎖熱。配上手機App的模式選擇，就能對人體重要部位進行補熱。同樣，黑色坐墊打開開關，也能短時間內迅速發(fā)熱、鎖熱。
北京2022年冬奧張家口賽區(qū)整體及全部場館和北京賽區(qū)首鋼場館的規(guī)劃設計工作，由清華大學建筑學院團隊主導。清華大學建筑學院院長張利擔任北京冬奧會張家口賽區(qū)和首鋼滑雪大跳臺總設計師，國家跳臺滑雪中心“雪如意”和首鋼滑雪大跳臺就是由他主持。
據(jù)悉，以往冬奧會跳臺場館的跳臺落差超百米，普通人無法使用，也提供不了很好的觀光體驗。對此，張利團隊沿用了城市設計中常用到的“2.5小時慢行體驗”原則。在場館群之間，附加做了步行橋“冰玉環(huán)”，西半環(huán)總長1.7公里，距地面高7米，便于觀眾往返于場館間，形成一個慢行體驗。“雪如意”頂端，是一個具有環(huán)狀空間的頂峰俱樂部，借助VR技術打造環(huán)形共享空間。在首鋼滑雪大跳臺的設計中，張利稱，“我們借助人因技術，從東南方向開始，每5度做一個測試場景，請志愿者被試幫助判斷。”過程中，測試人的皮電，以及對跳臺、冷卻塔和西山的注視時長等，根據(jù)測試數(shù)據(jù)確定跳臺的最終方位。
哈爾濱工業(yè)大學
冰壺機器人系統(tǒng)
自動夾取、釋放冰壺、準確擊中目標……冰壺機器人將在北京冬奧會亮相，不僅在冰壺比賽期間進行表演，還將在群眾體驗場與觀眾進行互動。哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合黑龍江省體科所、哈爾濱體育學院等體育專業(yè)隊伍組成20多人的研發(fā)團隊，構思和設計一款能夠與人協(xié)作共同完成冰壺比賽的機器人，實現(xiàn)人工智能賦能冰雪體育。研發(fā)團隊還將進一步研制面向大眾體育的冰壺機器人系統(tǒng)。
“坐著高鐵看冬奧”
京張高鐵智能動車組正線全長174公里，實現(xiàn)世界首次350km/h全自動駕駛，是復興號的智能升級版，實現(xiàn)了“坐著高鐵看冬奧”的愿望。京張高鐵的兩款車頭“龍鳳呈祥”和“瑞雪迎春”的蒙皮，就是哈工大材料學院王國峰教授團隊采用快速超塑成形工藝助力實現(xiàn)制造生產(chǎn)的。“龍鳳呈祥”和“瑞雪迎春”采用仿生學與空氣動力學原理，分別仿生于“鷹隼”與“旗魚”。其流線型的仿生車頭模型能夠有效減少氣體分流，降低空氣阻力，減少內耗，保證時速。
水立方變冰立方
“雙奧場館”國家游泳中心在2019年首次通過“水冰轉換”制出4條冬奧標準的冰壺賽道，使該場館可在“水上功能”和“冰上功能“之間自由切換，同時具備開展水上、冰上運動及各類大型活動的能力。
哈爾濱工業(yè)大學土木學院張文元教授團隊從無到有，提出了一種轉換冰場的結構方案，所有鋼結構、混凝土面板都是組裝的，可以隨時進行安裝，10到20天就可以完成，不僅效率高、經(jīng)濟性好，而且可以重復使用。
哈爾濱工業(yè)大學建筑學院陸詩亮教授帶領的科研團隊對國家游泳中心頂棚膜結構，進行了遮蔽改造，構建冰立方所需要的低濕低溫環(huán)境，為冬奧會冰壺比賽保駕護航。
大連理工大學
航天科技賦能滑雪頭盔
據(jù)了解，這款滑雪頭盔運用了航天薄壁結構設計科技。大連理工大學科研團隊運用了曲線加筋變剛度的設計技術，頭盔的材料也有所創(chuàng)新。在保持沖擊韌度的同時將剛度提高了4倍，拉伸強度提高了3倍，大幅提升了頭盔的抗沖擊吸能效率，對運動員形成更好的保護。如今，這款頭盔已經(jīng)通過歐洲滑雪頭盔安全標準測試，并在我國雪上空中技巧項目專業(yè)隊的訓練當中投入使用。值得一提的是，它的重量只有700克左右，在不大幅增加厚度和重量的前提下，防護性能比歐洲標準還高出至少20%。
北京林業(yè)大學
北京林業(yè)大學科技服務北京2022年冬奧會張家口賽區(qū)崇禮核心區(qū)生態(tài)景觀建設。技術團隊按照空間線(全域)、時間線(全時)兩條主線開展工作，構建了核心區(qū)生態(tài)景觀賽區(qū)場館圈層、配套設施圈層和生態(tài)基底圈層三大空間圈層;對森林綠地樹木開展全過程精準監(jiān)控和施策，集成創(chuàng)新系列關鍵技術，保證存活率。團隊還修復山體破損區(qū)，實現(xiàn)了全域不留白、綠色全覆蓋。
目前冬奧核心區(qū)已構建起完整的生態(tài)景觀體系，森林覆蓋率達80%以上，生態(tài)環(huán)境不斷優(yōu)化，空氣質量領跑全省，已為冬奧會舉辦做好了全面準備。
東北大學
VR滑雪體驗系統(tǒng)助力運動員備戰(zhàn)
如何應用科技手段，模擬真實高山滑雪賽場環(huán)境呢?東北大學采集利用VR，把滑雪場景信息重建并顯示出來。該成果可幫助運動員進行賽前模擬，以更好地提前適應比賽環(huán)境;可輔助教練員糾正運動員訓練動作，從而有效提高訓練效率;還可用于春夏秋季運動員的滑雪訓練，以及非運動員進行室內仿真滑雪體驗。
VR滑雪體驗系統(tǒng)可以讓滑雪運動員在備戰(zhàn)過程中以多種方式使用，包括比賽場地的提前檢查、提前適應環(huán)境變化、練習比賽路線等，同時可以面向大眾進行滑雪科普，幫助大家掌握滑雪技能、增強安全知識，為他們上冰雪奠定一定的基礎。
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