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精準時空技術還原賽道場景 “北斗”助力冬奧運動員更快更強

發佈時間:2022-01-11 09:06:08 | 來源:新京報 | 作者:劉洋 吳蘋蘋 | 責任編輯:張芃芃

當專注航空航太事業的高校科研團隊來研究運動員,會擦出怎樣的火花?在競速項目中,風阻是運動員的“敵人”,“駕馭風的人”如何幫助運動員們優化姿勢,尋找最佳競技路線?……當科學家參與到體育比賽訓練中,會碰撞出哪些意想不到的驚喜?

北京航空航太大學

航太技術為運動員“開挂”

從2019年開始,北京航空航太大學交通科學與工程學院副教授柯鵬便帶領著團隊,充分借鑒航空工程的基礎理論和技術方法,參與到了北京冬奧會賽事的科技助力之中。

三年過去,為運動隊訓練項目建模,用大數據分析運動員技巧,為運動裝備和冰場提供最優參數……科學家們通過努力使設想變成了現實,走出了一條適合中國國情的體育科技創新之路。

將飛行力學知識等運用於冰雪項目中

2021年12月中旬的一個電話,便讓柯鵬及團隊人員立刻從北京航空航太大學趕到了位於西南五環開外的中車二七國家冰雪運動訓練科研基地(簡稱“二七基地”),這是一條他這一年多來走過的、再熟悉不過的路線。

“為讓運動員更高效、更有針對性地訓練,需要有與學科相關的科技人員進入到傳統的體育訓練體系裏,形成複合型科研訓練團隊,批量培養高水準運動員。”柯鵬介紹,運動員運動過程中,科學家可以通過感測器和影像資料有效地採集到運動路線、肌肉力量、技術動作以及雪板、冰刀滑行、滯空、觸地瞬間等數據,進行實時解構,通過分析和評估這些數據,重新建構更準確的技術能力,探索進一步的改善空間,整體提升運動成績。

此外,柯鵬帶領的團隊還可以基於航空領域中的飛行力學、理論力學和運動生物力學等原理,對運動員的運動情況做個性化的分析和評估,最後針對專項運動,給出一個科學的數學模型。“比如在滑行轉彎時,提前減速還是不減速?大彎還是小彎?我們都可以給出優化方案。”

柯鵬團隊提出了“體育、理工、醫學交叉,人、設備、環境融合”的思路,以人為主,多維度幫助運動員優化運動技巧。比如高山滑雪項目,柯鵬調研和分析發現,運動員從高山往下滑的速度比較快,和飛機的飛行過程非常像,就想到將飛行力學的方法應用到運動路線的分析中。

“滑降項目是競速類項目,比的就是誰的時間最短,不同路線,運動員局部受力不同,因此我們在評估中要結合裝備、環境等所有能影響運動員的因素,改進他的滑行路線,同時還要兼顧運動醫學,要在保證運動員最安全的情況下提升他的成績。”柯鵬笑著説,“不能只比速度,不要命嘛。”

給出一個受力面積最小的姿態、構建一個最理想的轉彎模型、提出最減少耗能的技術……就這樣,一個項目一個項目地攻克,柯鵬團隊從科學家的角度給運動隊拿出了一個個可實用技術方案,供他們參考、訓練。

航空航太中的模擬器應用到運動員實戰中

除了建模之外,二七基地裏的不少“大傢夥”也靠科學家們的助力,例如,輔助運動員們訓練的六自由度電動模擬體育訓練系統。

柯鵬介紹, 研發出來的這些技巧和方法就必須應用於運動員的實戰中去,雪上項目訓練受制于天氣,只有到雪地的時候才能用,國家體育總局就提出能否在非雪季也能夠訓練。六自由度模擬器就是當時提出來的一種新訓練模式,可以模擬運動員實際轉彎等的一些技術動作。而這和航空領域中、幫助飛行員了解飛機特性的模擬訓練系統的原理是一模一樣的。

六自由度模擬器由一家公司製作硬體,科學家們負責提供軟體方面的數據,進行倣真建模。比如,爬坡是什麼速度,轉彎是什麼角度,運作軌跡和身體姿態等,這些都需要柯鵬團隊優化數據,提供給機器。同時,在通過機器訓練時産生的一手數據也能被科學家獲得,進一步分析建模,逐漸優化運動員的訓練技巧和能力,形成了一個閉環。

據介紹,如今大規模的測試已經完成,六自由度模擬器填補了在訓練中的一項技術空白。

體育競技賽場上即使零點幾秒的成績,也能夠影響最終的排名,而這毫釐之間寫滿了科學家們嚴謹的科學態度。柯鵬表示,經過這幾年國內外大小賽事的考量,確實欣喜于運動員們的成績,讓團隊覺得曾經的努力是值得的。

用渦扇發動機研發“涵道風扇”推進器

新京報記者在採訪中發現,航空航太領域中的經驗被運用在了方方面面。另一個值得一提的“訓練神器”就是“涵道風扇”輔助推進器。

柯鵬介紹,這是一個mini的渦扇發動機,由航空模型飛機的涵道風扇改造而成,它長約15釐米、直徑約7釐米,是輕巧的銀色桶狀設備,背在運動員的後背上,啟動機器,風葉轉動,它就像推動一輛航空器一樣,推著踩著冰刀、或滑著輪滑的人向前走,這樣可以在運動員競速時,給他一個更高速的助推。

這不是給運動員“開挂”嗎?柯鵬笑著解釋説,這可不能用在比賽上,這是訓練運動員的設備。比如運動員在高速滑行時,有時礙于各種原因,難以進一步提速,甚至有時在轉彎時會下意識降速。那麼助推器給了他一個被動的動力,讓他體驗超速的感覺,並在超速中完成力量、技巧上的控制,當他體驗並習慣高速運動後,也能夠自己創造更高的速度達成競技目標,也會減少“剎車”。

但是在這項設備的研發中,團隊也遇到了難題。柯鵬説,當時希望能出個運動員測試這個設備,需要全力滑行500米,再背上機器滑行五百米,比較一下數據。教練一聽要讓運動員連續滑兩次500米,立刻就不同意了。

這時,科學家們才了解到,全力滑行對運動員的體能消耗是非常大的。比如過去的夏奧會上,蘇炳添完成9秒83的成績後,隔了兩個多小時再跑第二個100米,就很難達到開始的成績。因此,連續兩個同樣500米的滑行,是運動員無法高品質完成的任務。

在充分了解情況後,科學家和運動隊提出了一個解決方案,這個測試分階段完成。滑行500米在充分的休息後,再由運動員背著機器再次滑行。

測試下來,果然數據很好,柯鵬説,助推器讓運動員速度至少提升了10%,不僅測試的運動員感到很興奮,其他現場的運動員也表示要試一試。這個“神器”研發成功了。如今已經運用在了運動隊的冰雪訓練計劃中。

從2019年至今,柯鵬團隊讓體育運動競技看到了更多可能。但這背後也有艱辛,柯鵬笑著説,長期和冰雪作戰,團隊裏每個成員基本上都被凍感冒過。但沒有一個學生和老師叫苦,責任感讓他們堅持至今。

他表示,即使在奧運會結束的未來,備戰冬奧所留下的科學態度和精神財富都將繼續在高校中傳承。

北京交通大學

風洞實驗室助力冬奧備戰

在競速項目中,風阻是運動員的“敵人”,在冰天雪地中,大風是場館建設的挑戰,為了保障冬奧賽事的平穩運作,在北京交通大學土木建築學院風洞實驗室中,有一個團隊專門攻堅與風有關的技術難題,他們被稱為“駕馭風的人”。

“風阻優化”運動員姿態

過去的一年多來,除了運動員和教練員,二七國家冰雪運動科訓基地(簡稱“二七基地”)也是科學家們的“訓練場”。

測什麼?怎麼測?體育跟科學技術又有什麼關係?中國冰雪科學家、北京交通大學風洞實驗室主任李波道出了其中的門道。

李波介紹,競速類項目要想提高成績,有兩個關鍵:一是提高運動員能力,二是減少運動過程中的阻力。對冰雪項目來説,除了冰面、雪面的摩擦力,空氣阻力也佔了很大比重,以速度滑冰為例,空氣阻力佔到80%,冰面的阻力只有20%,並且,速度越快空氣阻力越大。

風洞實驗室就是利用科技手段,找到一個合適的方法,降低運動中空氣阻力對成績的影響,李波稱之為“風阻優化”。

拿鋼架雪車為例,運動員上橇滑行後,肩部是超出橇好,還是收回一點好?身體是否需要抬高?腿是否需要繃緊?這些小細節都會影響運動員在比賽中的速度,也是科學家們需要通過精細測試給出的答案。

李波介紹,除了風阻,團隊還要考慮運動員技術動作的生物力學特徵,把運動員的技術動作和能力全部發揮出來。“不能為了減小風阻影響發力。”

“馭風人”設計最佳競技路線

冬季項目場地開放週期短,訓練效率低,模擬訓練是提高訓練效率的一種科技手段。風洞中的風速能夠模擬運動項目高速運動的場景,團隊設計出了利用滑板、跑臺、六自由度系統的冬季項目風洞模擬訓練方法,協助運動隊開展模擬訓練,助力冬季運動的跨越式發展。

李波介紹,在2022年北京冬奧會備戰中,風洞技術緊緊圍繞人、機、環三個方面開展科技服務,“人”是上面提到的運動姿態風阻優化和風洞模擬訓練;“機”就是體育裝備的研發也要依賴風洞技術,該技術可以對運動員服裝、頭盔、雪車等器具進行風阻性能測試,協助進行低風阻高性能運動裝備的研發。

“環”就是環境風評估,在冬季運動管理中心組織下,李波帶領北京交通大學風洞實驗室對北京冬奧會各賽區主要賽道進行了風環境風洞試驗,結合氣象數據對賽道關鍵區域的賽時風速風向進行了評估。“而這些正是影響運動員臨場發揮的關鍵環境要素,可以看到我們的備戰工作是多麼的精細全面。”李波介紹。

這一切的背後是科學家們嚴謹的科研態度和勇於攻克“硬骨頭”的精神。因為沒經驗,風洞調試中,李波一開始只戴了毛線帽,風一吹就透了。有一次他在那兒調了一天,結果頭疼了一個禮拜。“後面吹多了也知道了,時速20米/秒以上的風就得戴頭盔了。”李波笑著説。

團隊做的最複雜的項目是車撬類項目,李波回憶,當時教練團隊提出要加上賽道,但從技術優化角度來講,相同條件下對比就可以了。溝通後才意識到運動員的心理作用也是十分重要的,原比例還原賽道可以增強運動員的信心。然而,測試中風速高達14級,裝置是否安全?連接是否可靠?這些都是面臨的難題。為了確保運動員的安全、測試數據的可靠,裝置安裝好後,李波第一個上去測試。運動員每組工況測試時間是2-3分鐘,而這次冒險的測試足足進行了5分鐘。

令李波欣慰的是,自2020年10月,體育綜合風洞實驗室在二七基地建成至今,在大規模的應用下,確實看到了一些成績,不少運動員也在本賽季國際比賽中創造出了歷史最好成績。成績的背後是整個團隊的付出。

首都體育學院

“北斗”應用於高山滑雪

近日,記者從首都體育學院了解到,為以科技助力冬奧,首都體育學院聯合多家單位開展了基於北斗精準時空的雪上運動智慧服務系統及冬奧會應用示範的“北斗+冬奧”項目研究,目前該系統已應用於延慶高山滑雪中心,並助力高山滑雪、越野滑雪等項目的運動員備戰冬奧。

北斗衛星導航系統(以下簡稱“北斗”)如何助力冬奧?基於北斗精準時空的雪上運動智慧服務系統是什麼?近日,新京報記者採訪首都體育學院科技處處長王子樸,揭秘“北斗+冬奧”背後的科技力量。

北斗精準時空技術首次應用於體育領域

王子樸表示,簡單來説,在環境比較複雜、面積較廣的高山滑雪場中,運動員、工作人員運動軌跡的跟蹤、識別是一大難點。過去為解決這一難題,常使用對講機、應用其他定位系統等方法,但仍存在較大局限性。而此次系統使用了北斗精準時空技術,利用其高精準度的定位,助力識別運動員、工作人員雪場運動軌跡和危險區域等。

針對該系統的亮點,王子樸介紹,北斗的應用已進入了“天上用好,地上好用”的階段,並在交通、農業等行業具備多個應用場景,但此前在體育領域仍沒有推廣應用。而此次這個基於北斗精準時空的雪上運動智慧服務系統填補了這一領域的空白,“該項目是北斗精準時空技術在體育領域中的首次應用。”王子樸説道。

同時,該項目首創高精度小型化的北斗整合穿戴定位終端。王子樸進一步解釋道,可穿戴定位終端可以理解為運動員身上的一個接收器,這個接收器滿足了體積小、功耗低、採樣頻率高、精度高等條件。接收器利用高精度北斗定位等技術,實現對運動員的運動軌跡測量、運動速度與加速度分析,達到輔助運動員訓練、提高運動成績的目的。

談及首都體育學院承擔“北斗+冬奧”項目的契機,王子樸透露,2021年,為服務國家“科技冬奧”的建設,首都體育學院聯合北京控股集團有限公司等多家單位“自帶乾糧、不計回報”進行“北斗+冬奧”項目的研發。

系統具備識別運動軌跡、輔助裁判等功能

基於北斗精準時空的雪上運動智慧服務系統涵蓋了運動員和教練、裁判、工作人員和賽事保障四個子系統:運動員科學訓練服務系統、工作人員雪場運動軌跡和危險區域識別系統、越野滑雪裁判智慧輔助系統、環境監測和決策系統。這也意味著,除捕捉運動軌跡外,該系統還具備輔助裁判、環境監測等多種應用。

在助力運動員科學訓練方面,該系統採集運動員滑行過程中每個節點的速度、運動軌跡等實時數據,並進行姿態分析、人體動力學分析等,後通過APP給予教練員實時反饋,以便運動員調整訓練計劃。針對工作人員的安全監測,系統能跟蹤和分析工作人員的日常軌跡,且當工作人員進入危險區域後實現報警等功能。

在裁判輔助方面,針對一些場地較大、條件複雜的項目,例如越野滑雪項目,該系統可以輔助場地內的裁判員抓取運動員比賽過程中的動作,有利於裁判對比賽的精準判斷。

環境監控也是該系統重要的組成部分之一。滑雪賽道由於地理環境複雜,風場複雜多變,運動員在高速下滑過程中,易受突變的賽道縱風及橫風的影響,輕則影響比賽成績,重則影響運動員的安全。該系統對賽道的縱風及橫風實時監測與危險預警,有利於運動員安全、順利開展訓練。

王子樸表示,期待未來該項目的成果能夠服務於基本冰雪運動項目、高速運動項目、戶外運動等。

新京報記者 劉洋 吳蘋蘋