科技让冬奥更精彩

文/刘荣霞 柯兵 李堂军 等

习近平总书记指示，要筹办一届“简约、安全、精彩”的奥运盛会，“中国冰雪运动也必须走科技创新之路，一方面要坚持自主创新，一方面要善于吸收国际上的先进技术和训练方法”，强调要通过举办冬奥会带动“3亿人参与冰雪运动”。为提升北京冬奥会办赛水平，在北京冬奥组委统筹协调下，从筹办伊始，科技部会同有关部门确定了以科技创新赋能冬奥的思路，从国家层面建立了跨部门、两地三赛区协同推进科技冬奥的工作机制，成立“科技冬奥”领导小组、专家委员会，加强统筹决策，科学化开展顶层设计；2016年，研究制定了“科技冬奥（2022）行动计划”，组织实施国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项，北京和河北两地也分别设立省级“科技冬奥”专项，共同布局近200个科研项目，涵盖办赛、参赛、观赛，积极汇聚资源和创新力量，努力举办一届高科技含量的奥运盛会。

系统布局全面支撑冬奥会重大关键需求

科技冬奥强调应用导向、场景驱动，针对场馆、运行、指挥、安保、医疗、气象、交通、转播等关键场景的应用需求，按照科学办赛、运动科技、智慧观赛、安全保障、绿色智慧综合示范五大板块部署科研任务，在场馆智慧建设、赛事智能服务、冰雪产业发展等方面实施一批与提升举办地城市发展质量相关的科技项目，加强核心关键技术攻关，强化办赛、参赛、观赛等不同场景的技术应用，并且建立起一批综合应用示范工程，为举办一届“简约、安全、精彩”的冬奥会持续提供有力支撑。

科技冬奥专项实施以来，已有约130项新技术落地应用和展示。其中，过百项技术在国家速滑馆、水立方、五棵松体育馆、国家高山滑雪中心、云顶公园滑雪场等北京冬奥测试赛现场进行了应用展示，在气象预报、疫情防控、5G通信、智慧安保、救援医疗、绿色交通、高清转播、无障碍服务等冬奥场景集中开展测试应用，并将服务北京冬奥会赛时运行。多项核心关键技术在跳台滑雪、速滑、钢架雪车、冬季两项等多支国家队日常训练中实际应用。

奥运会是展示国家形象和创新实力的重要载体，也是助推高新技术产业化发展的重要契机。科技冬奥形成的创新成果不仅满足当前北京冬奥会筹办和参赛的重大科技需求，同时也对后奥运时代的京津冀地区经济社会发展和“3亿人参与冰雪运动”发挥积极作用。通过推动5G共享、8K转播、氢能出行、智能车联网、100%清洁电力等高新技术，在观赛、交通、能源供给等场景中示范应用，借助冬奥会平台加速技术转化进程，充分发挥奥运的带动和示范效应，为赛后相关领域高技术产业发展储备创新能力，为京津冀协同发展打造新的经济增长点。

科技创新赋能场馆高质量建设

北京冬奥在两地三赛区共设21个场馆，包括竞赛类和非竞赛类。科技冬奥专项对所有场馆工程项目布局安排了研发支持，特别是重点支持了5个新建竞赛场馆（包括1个冰上场馆和4个雪上场馆）和两个标志性夏奥场馆改建工程。此前，国内从来没有建设过奥运级别的冰雪场馆和赛道，加上国际冬季单项体育组织对冬奥场馆赛道标准有着特殊要求，例如，国际雪联对高山滑雪赛道的刚性要求是竞速赛道的垂直落差要达到800米，对建设工作提出了挑战。而我国业界几乎没有人参与过真正的冬奥赛道建设，尤其是雪上项目的设计建造经验极度缺乏。因此，在启动北京冬奥场馆建设之初，就面临无成熟技术可参考，无施工先例可循，材料、设计标准和施工方法缺失等难题。科技冬奥紧紧围绕国家雪车雪橇中心、国家高山滑雪中心、国家跳台滑雪中心、首钢滑雪大跳台、国家速滑馆、国家游泳中心等重点冬奥建设工程的实际需求研发攻关。在公共建筑领域首次实现了从设计、施工到运维的全过程数字化，突破了复杂地形、高寒气候环境条件对工程建设的限制，掌握了多项冰雪场馆建设关键技术，全面支撑北京冬奥场馆高质量建设。至2020年年底，所有新建竞赛场馆全部完工，并顺利通过国际单项组织测试认证，达到办赛要求。

在创新规划设计方面，采用数字化技术，实现高精度模拟，国内首次掌握了符合国际标准的竞技型赛道设计方法与关键技术，成功应用于国家跳台滑雪中心、首钢滑雪大跳台、国家雪车雪橇中心和高山滑雪中心的建设。国家雪车雪橇中心作为世界第16条赛道，在设计选址之初就面临地形、坡向的双重挑战。工程技术人员通过数值模拟、风洞试验等，首创了赛道“地形气候保护系统”，实现遮阳、保温等功能，保护赛道冰面，有效解决了南坡向阳的融冰风险，突破国际雪车雪橇赛道选址一直依赖“北坡”的限制，通过科技创新保障了世界唯一的南坡赛道比赛安全性。国家跳台滑雪中心在建设中利用局部山体切削面精细爆破成型优化技术，使岩体利用率高达95%。减少对山地生态环境负面影响，解决爆破石方量大、施工环境复杂、工期紧等难题，在崇礼严寒条件下节省工期1/3，生态效益显著。国家速滑馆建设中，通过自主研发的新材料、新结构等，实现了像造汽车一样建造大型场馆，节钢近3/4，科技创新让结构轻质、绿色节能和建筑设计动感轻盈相融合，彰显出“冰上丝带”的灵动感。国家游泳中心水立方自主研发的“冬夏场景转换”关键技术体系，实现毫米级高精度测量，冰场安装精度控制在3毫米以内，支撑国家游泳中心创造性建成世界首个智能化、快速拆装的水冰转换场地，“水”转“冰”用时14天完成，科技创新成功保留两届奥运遗产，节省投资4亿元。初步估算，未来每年可服务5万人参与冰上运动，有效破解了世界上大型场馆长期运营难题。

北京冬奥两地三赛区场馆建设和使用情况表

北京交通大学风洞实验室研究团队成员通过风洞辅助训练系统进行风洞测试。该系统应用于冰雪项目运动姿态优化、强化训练及高性能运动装备研发（新华社记者 任超 摄）

科技创新助力中国队全项备战冬奥

相较于夏奥运动参赛水平而言，我国冬奥运动竞技水平基础薄弱。2015年北京刚获得举办权时，中国队在索契冬奥会98个小项中参加了49个，有半数的项目从来没有开展过。在2018年平昌冬奥会上，中国队参赛项目为55项，约占项目数量总数的一半，距离北京冬奥会109个小项全项参赛目标有不小差距。

科技冬奥面向北京冬奥会备战训练的重大需求，针对制约我国冬季竞技体育发展的“人—机—环”关键要素，重点对运动员技能优化、专项体能训练、跨界跨项选材、智慧化训练基地建设、高效运动减阻、高性能竞赛装备和服装、运动营养和伤病防治等方面加强研发，以“体—工—医”相结合的模式组建起一批来自清华大学、北京体育大学、上海体育学院、北京理工大学、中国科学院、航天科技集团、航天科工集团、国家体育总局体育科学研究所、北医三院等高校、科研院所、医疗机构的科学家、工程师、医生、营养师、科研教练，开展数学、物理、材料、生物、机械、气象、运动医学、仿真等多学科跨领域交叉研究，已初步形成我国冰雪运动训练和比赛的科技支撑体系，持续为国家队训练参赛提供科研助力。

融合AI、超宽带精准定位、北斗、高速自动跟拍等多项技术，自主构建的雪上技巧类项目多模态生物力学快速反馈系统，可快速精准分析运动员助滑、起跳、飞行和落地姿态，就像给教练员装上了“第三只眼睛”，实时反馈的三维动作捕捉，可以多角度为教练提供数据，实现训练环节精细量化；通过运用可穿戴设备等技术，进行神经启动、肌肉控制等方法研究，建立数字化高速影像、冠军选手模型、运动员心理分析等，为运动员和教练员提供理论和数据支撑，为及时调整训练方案提供科学依据，实现运动成绩的突破。身处金字塔尖的运动员，每提高一秒成绩都可能面临几何级增长的受伤风险，科技的介入能对每个动作数据进行生物力学分析，帮助提出改进方案，打破过去依靠教练经验感觉的传统训练方式，精准量化技术诊断，有效提升了运动员成绩。利用生命科学、生物医药、基因技术、心理认知与脑科学等来帮助运动员进行科学选材、训练和提高运动能力。自主研发的神经—生物力学增能系统，有效提升运动员耐力、爆发力、注意力、技能学习效率，为快速提升运动成绩提供科学支持，多支国家队的运动员在训练中多次突破个人历史最好成绩。利用和融合新材料、航空航天技术、5G、人工智能、可穿戴设备等研发高端运动装备、器材、智能化场地等，打造出适合我国运动员生物特征和运动特点的高性能装备。创新研发的我国首辆国产双人雪车，其风阻系数较国际同类产品降低8%，装备可靠性和操控性有效提升，满足了国家雪车队的需求。创新研制的新型短道速滑比赛服在防切割性能基础上，增加减阻功能，与2021赛季现役比赛服相比具有空气动力性能优势，其最大减阻率约为10%。新技术的应用有力支撑了我国冬季运动项目短时间内完成组队和提升成绩。目前，中国运动员共有29支冰雪项目国家集训队，480名运动员正在全力冲刺，实现了在109个小项全项开展、全项建队、全项训练的目标，力争全项参赛。

科技创新守护赛事安全稳定运行

气象、雪务、医疗、指挥等是安全举办一届冬奥会的重要方面。北京举办冬奥会面临两大特殊的挑战，第一个挑战来自特定的气候条件。北京冬奥会是世界冬奥史上首次在大陆性季风气候条件下举办的一届赛事，严酷的气候条件影响气象预报、雪务保障、参赛安全。为满足北京冬奥组委“一项一策”的气象保障需求，科技冬奥专项针对气象监测、气象预报、气象服务、赛事用雪保障等关键方面部署研发任务，通过融合高精度精密气象观测、人工智能、机器学习等多技术创新，为提高气象监测精度、短临预报精准性、赛事用雪保障能力提供核心支撑。构建形成了冬奥气象保障自主可控的核心技术体系，达到“分钟级、百米级”精准预报，为北京冬奥前期筹备规划、赛场赛道建设、北京冬奥测试赛气象服务和雪上项目国家队训练比赛提供了有力保障，并已具备冬奥正赛期间气象预报服务应用的条件。突破了雪质预报、储雪、造雪等关键技术，逐步构建形成适合我国雪场属地特性的雪务保障技术体系，在标准建立和赛道质量检测方面形成了自主创新能力，根据属地特性“量身定制式”储雪设计，可应对暖冬、寒潮和沙尘暴等极端天气事件影响，为冬奥会应对不利气象条件下赛道雪质和雪源保障提供科学预案。

第二个挑战是在新冠肺炎疫情全球大流行背景下，举办大型体育赛事面临巨大压力，做好疫情防控对于成功举办北京冬奥会至关重要。延期1年的2020夏季奥运会期间，虽然东京在远端防控、入境、交通、会场、住宿、餐饮、核酸检测、数据信息监测等方面做了较为精细的方案，但感染事件仍有发生。根据东京奥运会组委会发布的数据，东京奥运会和残奥会相关人员中有848人感染新冠病毒，其中包含41名运动员。东京夏奥的疫情防控方案也为北京冬奥筹备提供借鉴，疫情防控除了制定实施严格精细的管理措施外，离不开应用科技手段来强化防控和应急处置能力。科技冬奥专项在支撑北京冬奥疫情防控方面作出重点部署，组织跨领域专家团队，针对疫情风险防控研判、入境口岸防疫和重点场馆环境消毒等关键领域开展联合攻关，在疫情防控监测预警、风险应急决策、快速检测、预防和应急消毒等方面形成一批新技术和新装备，为北京冬奥会实施科学防控提供创新支持。冬奥会疫情风险分析与应急辅助决策系统已上线冬奥组委主运行中心，为疫情防控提供综合技术支持。研制应用的行李物品消毒机，实现对入境行李包裹表面全覆盖消杀；新型简易物品消毒柜，采用紫外线杀菌和铝反射控制等技术，可快速形成封闭消毒空间，适用于对小型电子设备、文件及其他存在交叉感染风险小件物品的消毒，可应用于赛事中口、手经常接触的对讲机、麦克风、手机、PAD、证件卡片等物品的日常消毒，有效保障了闭环内外重要文件、物品的安全传递。

此外，科技冬奥专项在冰雪场地应急医疗救护、食品安全快筛快检等方面也进行了针对性的应用研发部署。对赛场可能发生的创伤、冻伤等紧急情况，围绕赛场医疗救护、航空转运、辅助诊疗等场景，研发集成了一批多功能生命救援装备、移动式医疗救护平台，实现医疗信息互联互通、运动损伤辅助诊疗、空地一体化医学应急救援等目标，已投入使用的智能移动方舱，成为冰雪赛场上的“应急大夫”。食品安全防伪追溯技术、常见多发病毒细菌快检技术等应用于冬奥食品供应链，支撑全流程监控和预警管理，为冬奥餐饮服务提供保障。

科技创新提升观赛体验

受限于冬奥会室外观赛环境、当前疫情防控常态化管理等原因，许多观众不能亲临现场观看北京冬奥冰雪赛事，加上冰雪运动本身的极限速度、超高空展示视角等特殊要求，如何让观众不到现场就能有“身临其境”的观赛体验，是科技冬奥在观赛领域布局关键技术研发和集成应用高新技术的重点。

全面布局5G技术创新应用。北京冬奥会将是5G规模化商用后的第一届奥运会，科技冬奥专项支持新型5G基站、大带宽射频技术等实现创新突破，助力5G网络稳定高效运行。5G作为主力承载网，已在北京、张家口两地67个场馆、高铁、高速、周边酒店实现全覆盖。充分利用成熟的5G网络实现智慧共享，北京冬奥会将首次在奥运历史上大规模商用5G回传视频转播，通过5G网络转播高山滑雪、越野滑雪、冰壶等冬奥赛事，拍摄角度更灵活，赛事展现更精彩。基于5G大上行和云网协同的云转播，能够降低转播成本，满足更多的转播需求。科技冬奥专项借助5G网络高速视频回传和远程调度指挥，打造智慧医疗新模式，使现场与院诊救治实时交流。5G创新技术赋能全新赛事体验，无需特殊的装备和专用带宽，只要5G手机配合5G网络，用户就可以实现高质量的交互式观赛。科技冬奥创新打造的交互式多维度观赛体验系统（“自由视角”），使用户在观看比赛的过程中可以连续地改变观看点位，进而从不同的角度去看同一场赛事活动。例如冰球比赛行进速度快、对抗激烈，现场观看受限于一个固定的视点，而“交互VR”的应用，让观众只需手持一部5G手机点开应用软件，即可自主选择观赛角度，让进球轨迹就像电影《黑客帝国》中的子弹时间特效，带给观众强烈的视觉冲击。

科技冬奥专项构建的高性能8K转播体系，将5G、AI、8K等先进技术应用于冬奥体育赛事直播、转播，更好地向世界呈现这场精彩的盛会。在2021年10月的北京冬奥会短道速滑测试赛——国际滑联短道速滑世界杯活动中，投入使用的8K IP转播车对此次赛事进行8K全流程制作，转播系统可实现8K超高清图像的拍摄、切换、收录、图文处理、监测及传输，音频具备全景声制作能力，展现效果良好。科技冬奥专项研发的多语种语言服务，为解决冬奥会跨语言沟通和多语种赛事国际传播提供关键技术和设备支撑。冬奥语音及语言服务平台支持7个语种语音合成、35个语种语音识别、30个语种机器翻译和6个语种交互理解，冬奥场景重点语种语音识别准确率达到95%；基于5G的跨域多语种冬奥赛事和中国文化传播服务平台（支持29种语言），已应用于冬奥组委新闻宣传、冬奥资讯及中国文化对外传播工作，研发的智能会议转写系统已在奥组委服务各类会议超过300场次。

科技创新支撑绿色办奥

习近平总书记强调“‘绿色、共享、开放、廉洁’的办奥理念，是新发展理念在北京冬奥会筹办工作中的体现，要贯穿筹办工作全过程”，把绿色办奥摆在了首位，强调“坚持生态优先、资源节约、环境友好，为冬奥会打下美丽中国底色”。科技冬奥围绕落实绿色办奥理念，以创新赋能北京冬奥会在供能、建筑、制冰、交通方面实现绿色低碳。

全赛区场馆采用绿电供能，围绕冬奥专区能源系统建设，攻克清洁、可再生能源供能核心关键技术，实现100%清洁电力高可靠供应，为创造奥运会首次全绿电供能提供技术保障。建立跨区域绿电交易机制，通过绿电交易平台，赛时将实现奥运史上首次所有场馆使用绿色电力，预计实现碳减排32万吨。以绿色、低碳技术为支撑，建成智慧的绿色出行奥运工程。围绕北京冬奥会“两地三赛区”的交通出行需求，推行“一张票”智能出行方案，建设京张高铁智慧化服务、氢能出行等交通示范性工程，有力支撑履行“全部使用清洁能源汽车”的申办承诺。低碳场馆建设和运营成为实现北京冬奥会碳中和的重中之重。“科技冬奥”国家速滑馆智慧场馆建设任务，攻克全新的超大跨索网结构找形难题，实现高钒密闭索国产化，从建筑结构轻量化设计出发，研发复杂曲面玻璃幕墙平曲玻璃耦合方法，节省周围幕墙玻璃面积约4800平方米、相当于减排320吨二氧化碳。国家速滑馆应用大规模二氧化碳跨临界制冰技术，建成全世界最大1.2万平方米的二氧化碳跨临界直接蒸发制冷冰面，制冰部分碳排放趋于零，不仅能够为冬奥比赛提供温度高度均衡的冰面，而且相比传统技术能效提升20%以上；研制的冷凝热回收系统实现回收率高达86%，年节约180万度电，减排约1795吨二氧化碳。

奥运会是推动举办城市改善发展、转型升级的契机。北京冬奥会从申办到筹办，将办奥理念与推动城市、区域发展相结合，充分发挥冬奥会筹办对发展的牵引作用，加快推动京津冀地区的绿色发展和高质量发展。在北京冬奥会的契机下，新技术有更多的应用展示空间，推广有了方向和动力，科技冬奥围绕办赛、参赛和观赛形成的一系列创新成果和最新的应用解决方案，从近期目标上是满足冬奥会需求，从长远发展看将进一步促进核心关键技术的产业化、推动行业技术升级，以及带动更多相关领域的发展，利用在智能建筑、5G＋8K、虚拟现实、冰雪装备、氢能利用、智慧医疗等形成的自主创新能力，结合在冬奥场景下积累的应用实践，将会在未来打造出更多新业态，为引领区域经济社会发展注入新动力。北京冬奥会的脚步日益临近，让我们携手努力“一起向未来”。（本文其他参与人员：杨帆、潘冰玉、安静、陈亚东、徐斌；作者和参与人员单位为中国21世纪议程管理中心、北京体育大学、河北工业大学、大连理工大学）