产学研“黑科技”助力北京冬奥会

◎ 本刊记者 蒋向利

2022年北京冬奥会开幕式惊艳世界，人工智能、机器视觉、5G、云转播等科技成果巧妙运用其中，达到“人少而不空，空灵而浪漫”的现场效果，成为“科技冬奥”的杰出体现。事实上，北京冬奥会在场馆设计、训练设施、赛事保障等各个方面展示了现代“黑科技”对于冰雪运动的巨大助力。

北京冬奥赛场黑科技惠及百姓家

北京冬奥会后，科技冬奥的诸多成果将有可能继续惠及在数字化时代生活的每一个普通人。

1.助训练：模拟逼真专项运动比赛环境

中国代表团得以实现冬奥会的全项目参赛，高科技起到了关键作用。

北京冬奥会采用了六自由度电动模拟体育训练系统，它可以搭载钢架雪车、雪橇、越野滑雪、冬季两项等多个冬奥会冰雪项目，能够将六自由度运动系统技术、VR虚拟现实技术、数字仿真技术相结合，为冬奥会比赛运动员提供十分逼真的专项运动的训练及比赛环境。

原本应用于航空航天等领域的“风洞实验室”如今被用来辅助运动员开展模拟训练和测试，成为国际跳台滑雪界公认的训练“神器”。位于国家跳台滑雪训练科研基地的风洞实验室具备三个试验段，最大风速42米/秒，是目前世界最大的国内首座跳台滑雪专用风洞。

河北承德坝上的国家雪上训练基地有两个世界首创，一个是“大转盘”，一个是“陆地雪洞”。我国自主研发的室内滑雪圆盘滑雪滑冰机模拟设备，通过圆盘倾斜并转动，为运动员全年在“真雪”模拟不同速度、难度的训练提供室内条件。滑雪“大转盘”可以模拟倾角达正负18度的坡度、0～35公里/小时的拐弯，运动员可经由这种方式实现拐弯技术的快速提升。“陆地雪洞”则是指气膜保温封闭赛道，在7.5公里越野滑雪赛道上选择难度最大的2.5公里段，加装保温气膜和制冷通风系统，形成闭环，内部气温可以保持在零下6摄氏度到零下8摄氏度，实现全年“真雪”训练。

2.助观赛：冰雪边也能温暖舒适

北京冬奥会，5G信号覆盖所有场馆和连接场馆的道路。这为超高清视频、各项智能服务等应用场景提供了必要的网络连接。

在室外观赛，天气比较寒冷。为解决观众观赛取暖的问题，场馆采用了座席和站席观赛环境的舒适性提升技术，实现零下20摄氏度体感温度下，设备表面温度10秒内升至40摄氏度以上，可以显著提升观众热舒适感受。

多维度观赛体验和VR直播技术亮相。60个采用5G+8K技术的相机呈180度吊装在五棵松体育中心竞赛馆内环形屏下方，对比赛进行全面拍摄。观赛人员只需下载相关App，便可体验180度自由视角观赛。用户可以通过手机、VR头盔和电视大屏实现自由视角和VR直播观看，突破了传统固定视角和被动式观赛，“身临其境”般地感受比赛的激烈。

3.比赛场馆：助运动员发挥最佳状态

“科技范儿”的场馆，能帮助运动员发挥最佳状态。

国家游泳中心是水上和冰上项目均可运行的“全能场馆”：“水立方”和“冰立方”瞬时“变身”，应用装配式快速拆装和调平动态监测技术，20天内就可以完成“由水到冰”的场地转换，这是冬奥会历史上体量最大的冰壶场馆，可实现冰壶场地与速滑场地的自由转换。

被称为“冰丝带”的国家速滑馆打造了“平原上最快的冰”，采用世界跨度最大的单层双向正交马鞍形索网屋面，用钢量仅为传统屋面的1/4。五棵松冰上中心的“冰菱花”设计外形很炫酷，但更值得关注的其实是它把超低能耗的理论和技术融入了设计和建造的过程当中，残存热能和冷能可以再吸收再利用，有利于场馆在冬奥会赛后的利用。

位于张家口赛区的国家跳台滑雪中心，以及北京赛区的首钢滑雪大跳台，首次应用了符合国际标准的竞技型人工剖面赛道设计方法与建造关键技术，为国内首创，大跳台正四面体的模块及连接节点，可以实现不同比赛的赛道剖面转化。国家雪车雪橇赛道长度大、落差大、弯道多，通过技术创新解决了赛道精度和温差控制难题，首次实现360度回旋弯道一次喷射成型，同时可满足延庆高烈度区的抗震要求。

4.智慧奥运村：运动员公寓舒适又环保

“智慧奥运村”把运动员安置在精心设计的、个性化的居住设施中。张家口冬奥村（冬残奥村）的运动员公寓中，最引人注目的是一张智能床。该床宽1.2米、长2米，由我国自主研发，依循人体工程学原理，在不同使用场景下为人体脊柱提供最佳支撑，充分分散身体压力，促进运动员血液循环，释放赛时紧张压力，它还拥有睡眠、阅读、看电视等三种不同的模式，床垫拥有记忆功能，当运动员躺在床上的时候，床垫会根据身体的曲线自动调节，让身体保持一个最舒适的状态。

天气对户外滑雪运动影响巨大。专门建设的延庆、张家口冬奥气象服务分中心，在自动气象站、激光测风雷达等加密气象监测设备科学布设基础上，依托数值天气预报、人工智能、大数据等技术，研发冬奥智慧气象服务技术及系统，实现超精细“复杂山地+超大城市”一体冬奥气象综合监测，达到“分钟级、百米级”精准预报。

5.机器人：火炬接力、疫情防控大显身手

防疫机器人、雾化消毒机器人、巡检机器人、引导机器人、递送机器人、物流机器人、炒菜机器人、送餐机器人等各类服务机器人纷纷上岗，提供无接触的智能服务。

最令人瞩目的，当属奥运史上首次由多机器人完成的火炬接力环节，两名机器人火炬手完成水下接力，机器人冰面滑行入水，并在水下完成火炬交接传火，最后重新出水，体现了“水火相融”的神奇景象。

针对冬奥北京市区、延庆、张家口赛区一体化医疗保障需求，覆盖3个赛区的智能医疗机器人、机械手等智能医疗器械的远程手术操作系统等，为应急医学保障提供了可能。

在十分重要的疫情防控领域，机器人更是大显身手。AI消毒机器人在场馆内提供多方面智能化无接触服务。如水立方的消毒机器人，续航持久、自动避障、自行充电，通过AI大数据构建的智能化消毒系统将场馆消毒做到可视化、数据化、可追踪，满足对场馆不同区域内近8600平方米的公共区域清扫消毒工作。

远在千里之外的深圳，机器人、无人机、激光等元素，也通过连线的方式与开幕式热场演出进行互动，让大湾区也能以硬核科技赴冰雪之约。专门打造的冬奥运动智能机器人，化身滑雪、滑冰运动员，还呈现了这两项运动中经典的空中技巧。

6.广东“智造”闪耀冬奥

科技冬奥还有不少广东元素。例如一家广东科技企业向世界展现了其音响、灯光、创意等方面的最新成果，并参与冬奥场地的保障工作。

冬奥会主媒体中心的智慧餐厅面积达到5400平方米，能同时容纳1700余人用餐。餐厅内的智能、自动餐饮设备，保证点餐、制餐、出餐全流程自动化完成。该智慧餐厅最大特点是采用了汉堡机、煲仔饭机、炒菜机等十余款智能烹饪及传送设备。在疫情防控的大背景下，智慧餐厅不仅进一步减少了人与人的交叉接触，降低疫情传播概率及防疫成本，还能够24小时提供服务。

出自深圳的防疫神器——可穿戴“体温贴”在冬奥会中成为工作人员防疫的第一道防线。这款“体温贴”是世界上已有的最小测温计，且测温非常精准，检测体温的误差只在0.1℃～0.2℃之间，最小误差可以达到0.05℃。针对冬奥会场馆的运行需要，它还定制开发了考勤出入、人员定位等功能，能更快掌握体温异常者的接触人群，精准抓取疫情传播途径。

7.数说“科技冬奥”

“科技冬奥”计划启动以来，成果卓著。2021年初已有37个项目的133项技术成果在测试赛中应用。从2021年10月开始，随着北京冬奥会国际测试活动开启，“科技冬奥”重点专项又有61个项目228项技术成果陆续在测试活动、运动员训练及相关冬奥筹备工作中测试应用。截至2021年11月，已启动80个重点项目。

通过绿电交易平台，赛时将实现奥运史上首次所有场馆100%使用绿色电力，预计实现碳减排32万吨。清洁能源车辆用车占比将达到85%，为历届冬奥会最高。

国家速滑馆建设方申请和获得了82项专利，研发了索网结构体系等8项国际领先技术。

以北京睿图（新一代快速更新多尺度资料分析和预报系统）模式体系为核心，首次实现复杂地形下100米分辨率、逐10分钟快速更新的冬奥关键气象要素0-24小时高精度客观集成预报；研发了从短时临近（0-1小时）到延伸期（30天）的无缝隙精细化网格预报产品，实现了历届冬奥会最高标准的“分钟级、百米级”精准预报要求。

中国高山滑雪比赛服装在32m/s风速时的综合阻力比国际上购买的先进服装总阻力要下降4%。短道速滑比赛服采用高弹性防切割面料，以Dyneema防切割技术，增强了保护性能，虽然十分轻盈，但却有10倍于钢丝的强度，一般的剪刀根本没法剪断。

高校科技闪亮北京冬奥会

申冬奥成功以来，“科技冬奥”重点攻关大力推进，《科技冬奥（2022）行动计划》全面展开，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项有序推进，取得了一系列科技创新成果。这其中自然少不了高校的力量。据不完全统计，清华大学、浙江大学、复旦大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、重庆大学、大连理工大学、北京林业大学、东北大学等国内多所高校贡献了科技智慧，助力冬奥。

1.浙江大学：为炫酷“冰丝带”建设施工提供重要科技力量

作为唯一新建冰上竞赛场馆——国家速滑馆“冰丝带”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”。这其中，浙江大学建筑工程学院罗尧治教授团队和邓华、袁行飞教授团队就为“冰丝带”超大跨度索网结构建设施工与运维保障提供了重要的科技力量。“冰丝带”的屋面体系采用了双曲面马鞍形单层索网结构，是目前世界上跨度最大的单层双向正交马鞍形索网屋面体育馆。所谓的索网结构，简单地说，就是一张由钢索编织而成的大网。这样一张大网“扣”在了速滑馆的上方，形成一个马鞍形双曲面屋顶。相较于传统的刚性屋面结构体系，柔性的索网屋面在满足结构功能的前提下大大减小了结构的用钢量，这样精巧的空间设计为节能环保提供了保障。除了对“冰丝带”屋顶的监测，浙大团队还对速滑馆的赛场冰下混凝土开展了结构监测。“冰丝带”采用了全冰面设计，同时也采用最先进的制冰技术，冰面温差可控制在0.5℃以内。在“冰丝带”建设期间，浙江大学建筑工程学院的另一拨人马也发挥了重要作用。为了更好解决屋顶的建设难题，邓华、袁行飞教授团队通过12︰1的缩尺模型，开展了国家速滑馆大跨度索网屋盖结构建造关键技术及模型试验研究。

2.复旦大学：创新研发智能冰上运动训练分析系统

如何通过人工智能为冬奥健儿的体育训练赋能?复旦大学工程与应用技术研究院教授、智能机器人研究院常务副院长张立华团队研发智能冰上运动训练分析系统。这一系统的主要技术指标被2022北京冬奥会采用，让“智能化”教练亲身指导，助你化身“冰雪精灵”！该系统采用基于人工智能计算机视觉算法对滑冰运动员的动作、姿态、速度等信息进行智能分析对比，从定性、定量再到定制化分析每个运动员的特点，提高科学化训练水平与效率，有效减轻教练员工作负荷，实现科学训练、有效提升运动员训练效果和竞赛成绩的目的。“我们利用人工智能技术，可以分析冰上运动员的骨架、各关节的动作、姿势，这叫运动目标的骨架节点识别和可视化。”张立华介绍。未来，张立华团队将面向专业和大众运动项目开展比赛训练分析算法及应用系统研究，根据现有基础建设竞技体育比赛训练智能分析平台，实现训练辅助分析、比赛辅助裁判等智能化应用，并建设示范性智能化体育比赛场馆、大众体育智能化示范设施，让广大群众能够在日常运动中感受“智能化”服务带来的全新体验。

3.上海交通大学：自主研发六足滑雪机器人

近日，由上海交通大学设计研发的六足滑雪机器人在沈阳完成了初级道、中级道以及与人共同滑雪实验，通过了稳定控制、智能感知、规划决策等多方面的测试。这款滑雪机器人是在“科技冬奥”的号召下，由上海交通大学高峰教授领衔，上海交通大学机械与动力工程学院和电子信息与电气工程学院组成的足式机器人研究团队研制，获得了科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项支持。不仅能高速滑雪，还能躲避人群、自己规划最优路线。滑雪机器人在初级与中级雪道中的测试，证明了自己具备敏捷的转弯、制动能力和强大的自主感知、规划能力。它能在雪场高速滑行，遇到障碍物还能急转弯，继续保持自己矫健的滑雪身姿，还能在滑行的过程中完成高山滑雪运动中的“过旗门”任务，能够实现良好的速度、方向控制，具有滑行、急停、避障、绕杆等功能。据介绍，上海交通大学足式机器人团队研发的这款滑雪机器人是六足机器人，采用双板滑雪。中间的四条腿分成两组，每两条腿固定在一个滑雪板上，用于控制滑雪板的位置和姿态，两侧的两条腿分别加装了滑雪杖，用以模仿人，实现点杖的功能。每个滑雪板具有五个自由度，通过控制滑雪板的位姿可以实现滑雪的速度控制、转弯和制动等功能。滑雪机器人不仅是“科技冬奥”的直观体现，同时也以“人机共融”的理念为后冬奥时代提供了无限畅想。研究团队表示，“冬奥会结束后，这款机器人还可以结合当下5G、无线网络等先进技术，通过远程控制，实现滑雪机器人同场竞技，创造电-机-竞的全新娱乐模式，为滑雪爱好者和青少年创造科技感十足的娱乐新风尚。”

4.北京航空航天大学：以航天科技助力冰雪训练

科技助力竞技体育需要科学的训练才能够决胜毫厘之间，有哪些方式可以提升运动员的速度呢？哪里转弯哪里变换姿势是最为恰当和合适的呢？北京航空航天大学教授柯鹏团队研发出了一套训练神器。据介绍，北京航空航天大学交通科学与工程学院副教授柯鹏带领着团队，从2019年开始，充分借鉴航空工程的基础理论和技术方法，在服装、装备、动作、冰面摩擦等每一个环节，都经过了细致的研究。对于运动员什么时候加速、怎样转弯、如何减少阻力、滑行路线选择、体能分配和配速优化方面，都引入航空航天科技，特别是找到了适合中国运动员的最佳滑行线路，借助科技让训练更科学。

5.重庆大学：用关键专利技术为冬奥设施“保驾护航”

为保障大规模临时设施的安全，重庆大学“科技冬奥”团队成员、土木工程学院刘纲教授研发了严寒山区复杂地形下大面积高容量临时设施安全运维监测系统。他如此介绍此系统：“通过在临时设施上安装温度、湿度等环境传感器，以及振动、倾角、应变等结构响应传感器，实时监测临时看台的状态，随时对设施进行‘体检’”。

冬奥会临时设施大多都建在脚手架上，所以每一个连接点的安全牢固就非常重要。在实验室检测现场脚手架上的每一个连接处，都插着数个插销来实现的固定和链接。为此重庆大学“科技冬奥”团队研发了一套设备，实现用无人机给整个赛场的脚手架做体检。仅仅拍一张照片，就能够检测出拍照范围内的插销是否安装到位。每一片插销都预先涂上了特有的反光材料，一旦有安装不到位的情况，通过无人机拍照就能够立马在显示屏中看到反馈。这样，既节约了时间、人力，也最大程度地保证临时设施的安全牢固。

目前，重庆大学“科技冬奥”团队已在崇礼和延庆赛区，共计安装了30套设备对临时设施安全进行监测，设备要等冬奥会和冬残奥会结束后才会拆除，期间所有的监测数据都会实时发给现场的运维人员，对临时设施架体进行及时维护。

另外，赛场下都是冻土，如何保证建筑安全?重庆大学“科技冬奥”团队研发了适用于严寒山区大面积复杂结构荷载的抗冻融循环冻土地基快速处理专利技术新型桩。

通俗来说就是气温到了零下，土壤里面的水变成了冰，随着气候变化，冻土在不断冻胀融沉。当地基土壤变化莫测，那么打下的地基也将受到影响，地上的建筑物也就不会稳固。刘纲教授说，“新型桩桩身采用螺旋叶片式设计，这是便于机械旋螺钻进施工，从而到达实现快速、弱扰动施工，单桩施工仅需十余分钟；可反向旋拧回收再利用，实现绿色办奥运的理念。”

不仅如此，所研发的新型桩除可显著提高承载力外，最大特点在于桩身深入冻土地层段采用隔离套设计，将中心承载钢管与周围冻土隔离，消除了地基土冻胀融沉的影响。

6.清华大学：创新设计首钢滑雪大跳台

北京2022年冬奥张家口赛区整体及全部场馆和北京赛区首钢场馆的规划设计工作，由清华大学建筑学院团队主导。清华大学建筑学院院长张利担任北京冬奥会张家口赛区和首钢滑雪大跳台总设计师，国家跳台滑雪中心“雪如意”和首钢滑雪大跳台就是由他主持。据悉，以往冬奥会跳台场馆的跳台落差超百米，普通人无法使用，也提供不了很好的观光体验。对此，张利团队沿用了城市设计中常用到的“2.5小时慢行体验”原则。在场馆群之间，附加做了步行桥“冰玉环”，西半环总长1.7公里，距地面高7米，便于观众往返于场馆间，形成一个慢行体验。“雪如意”顶端，是一个具有环状空间的顶峰俱乐部，借助VR技术打造环形共享空间。在首钢滑雪大跳台的设计中，张利称，“我们借助人因技术，从东南方向开始，每5度做一个测试场景，请志愿者被试帮助判断。”过程中，测试人的皮电，以及对跳台、冷却塔和西山的注视时长等，根据测试数据确定跳台的最终方位。

7.哈尔滨工业大学：为北京冬奥会冰壶比赛提供科技支撑

自动夹取、释放冰壶、准确击中目标……冰壶机器人将在北京冬奥会亮相，不仅在冰壶比赛期间进行表演，还将在群众体验场与观众进行互动。哈尔滨工业大学联合黑龙江省体科所、哈尔滨体育学院等体育专业队伍组成20多人的研发团队，构思和设计一款能够与人协作共同完成冰壶比赛的机器人，实现人工智能赋能冰雪体育。研发团队还将进一步研制面向大众体育的冰壶机器人系统。

京张高铁智能动车组正线全长174公里，实现世界首次350km/h全自动驾驶，是复兴号的智能升级版，实现了“坐着高铁看冬奥”的愿望。京张高铁的两款车头“龙凤呈祥”和“瑞雪迎春”的蒙皮，就是哈工大材料学院王国峰教授团队采用快速超塑成形工艺助力实现制造生产的。“龙凤呈祥”和“瑞雪迎春”采用仿生学与空气动力学原理，分别仿生于“鹰隼”与“旗鱼”。其流线型的仿生车头模型能够有效减少气体分流，降低空气阻力，减少内耗，保证时速。

“双奥场馆”国家游泳中心在2019年首次通过“水冰转换”制出4条冬奥标准的冰壶赛道，使该场馆可在“水上功能”和“冰上功能“之间自由切换，同时具备开展水上、冰上运动及各类大型活动的能力。

哈尔滨工业大学土木学院张文元教授团队从无到有，提出了一种转换冰场的结构方案，所有钢结构、混凝土面板都是组装的，可以随时进行安装，10-20天就可以完成，不仅效率高、经济性好，而且可以重复使用。

哈尔滨工业大学建筑学院陆诗亮教授带领的科研团队对国家游泳中心顶棚膜结构，进行了遮蔽改造，构建冰立方所需要的低湿低温环境，为冬奥会冰壶比赛保驾护航。

8.大连理工大学：航天科技赋能滑雪头盔

据了解，这款滑雪头盔运用了航天薄壁结构设计科技。大连理工大学科研团队运用了曲线加筋变刚度的设计技术，头盔的材料也有所创新。在保持冲击韧度的同时将刚度提高了4倍，拉伸强度提高了3倍，大幅提升了头盔的抗冲击吸能效率，对运动员形成更好的保护。如今，这款头盔已经通过欧洲滑雪头盔安全标准测试，并在我国雪上空中技巧项目专业队的训练当中投入使用。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，防护性能比欧洲标准还高出至少20%。

9.北京林业大学：以创新科技支撑核心区生态景观建设

北京林业大学科技服务北京2022年冬奥会张家口赛区崇礼核心区生态景观建设。技术团队按照空间线(全域)、时间线(全时)两条主线开展工作，构建了核心区生态景观赛区场馆圈层、配套设施圈层和生态基底圈层三大空间圈层；对森林绿地树木开展全过程精准监控和施策，集成创新系列关键技术，保证存活率。团队还修复山体破损区，实现了全域不留白、绿色全覆盖。

10. 东北大学：VR滑雪体验系统助力运动员备战

如何应用科技手段，模拟真实高山滑雪赛场环境呢？东北大学采集利用VR，把滑雪场景信息重建并显示出来。该成果可帮助运动员进行赛前模拟，以更好地提前适应比赛环境；可辅助教练员纠正运动员训练动作，从而有效提高训练效率；还可用于春夏秋季运动员的滑雪训练，以及非运动员进行室内仿真滑雪体验。VR滑雪体验系统可以让滑雪运动员在备战过程中以多种方式使用，包括比赛场地的提前检查、提前适应环境变化、练习比赛路线等，同时可以面向大众进行滑雪科普，帮助大家掌握滑雪技能、增强安全知识，为他们上冰雪奠定一定的基础。

“科技冬奥遗产”将造福社会

北京冬奥会从筹办伊始，就确定了以科技创新赋能的思路，科技部会同北京冬奥组委等有关部门和地方成立科技冬奥领导小组，制定实施《科技冬奥（2022）行动计划》设立并组织实施“科技冬奥”重点专项，强调应用导向、场景驱动，重点围绕科学办赛、运动科技、智慧观赛、安全保障、绿色智慧综合示范五个方面部署科研任务，努力举办一届科技含量高的奥运盛会。

“科技冬奥”不仅攻克了一批核心关键技术，示范了一批前沿引领技术，还建立起了一批综合应用示范工程，围绕场馆、运行、指挥、安保、医疗、气象、交通、转播等关键场景，通过科技创新赋能场馆建设、守护赛事运行、助力疫情防控、提升观赛体验、支撑绿色办奥、助推冬奥备战。这些成果通过北京冬奥会各场景的应用示范，进一步创新完善后，将更多应用于经济社会发展及城市运行各个领域，形成丰富的“科技冬奥遗产”。

科技冬奥领导小组工作组成员常宇表示，科技冬奥的目标，是通过冬奥会的筹办，为世界探寻更好的未来城市生活解决方案，实现对人友好、对环境友好、对产业友好、对社群友好的人类城市生活永续目标。科技冬奥专项的工作者们一直在想，奥运会能带给我们什么，或者我们如何通过奥运会推动创新，最终惠及城市运行、产业发展和百姓生活。

常宇认为，这展现了我国在科技创新方面的成熟心态。与冬奥相关的基础设施建设、绿色环保、智慧服务、转播技术以及人工智能，均力图以“智能建筑、智能交通、智能转播、智能装备”等亮点，共同组成对“冬奥，智能新时代”的创新思考和解决方案。“我们希望因冬奥会产生的特殊场景的技术创新、模式创新，能够引领北京作为‘双奥之城’在新的数字化时代的发展，能够惠及数字化时代下生活的每一个普通人。”常宇说。