冬奥会中的高校科技力量

2022-01-21 00:00:00 · 作者:网络  
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。

  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。

  浙江大学

  织就炫酷的“冰丝带”

  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。

  复旦大学

  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。

  上海交通大学

  自主研发的滑雪机器人

  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。”

  北京航空航天大学

  航天科技助力冰雪训练 决胜毫厘之间

  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。

  重庆大学

  研发监测系统 随时为临时设施“体检”

  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。他告诉视界网记者:“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’”。

  小插销带来大保障

  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。

  关键专利技术 保障临时设施安全运行

  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。

  清华大学

  智能加热装备

  冬奥会期间,无论是工作人员还是现场观众,冬季室外低温都是个大麻烦。在极寒条件下如何温暖观赛?清华大学建筑学院副教授曹彬团队专门开发了极寒环境下的“热保障”,研发出了极寒环境下的“温暖装备”——智能加热服和加热坐垫,可以在短时间内迅速发热、锁热。配上手机App的模式选择,就能对人体重要部位进行补热。同样,黑色坐垫打开开关,也能短时间内迅速发热、锁热。

  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。

  哈尔滨工业大学

  冰壶机器人系统

  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。

  “坐着高铁看冬奥”

  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。

  水立方变冰立方

  “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到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。

  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%。

  北京林业大学

  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。

  目前冬奥核心区已构建起完整的生态景观体系,森林覆盖率达80%以上,生态环境不断优化,空气质量领跑全省,已为冬奥会举办做好了全面准备。

  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。

  综合整理自微言教育、各高校官网

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