北京冬奥会即将来临，严寒、山地、强风条件下，场馆与人员安全如何保障？从高科技疫情防控系统到“定时、定点、定量”的气象预报技术体系，再到观众看台、转播塔、LED大屏等临时基础设施的实时监测及降低运动员受伤风险的抗阻与牵引训练装置……本期揭秘护航这项世界级体育赛事背后的硬核科技。

检测成功率100%

科技支撑疫情防控

在境外病例输入引发的疫情传播中，通过环境传播如气溶胶和物体表面是非常重要的传播途径，科研人员研发了公共空间生物气溶胶新冠病毒核酸监测系统。

测试赛期间共采集和检测了348例标本，检测成功率100%。

北京市科学技术委员会副主任朱建红介绍，在全球疫情还未得到完全控制的情况下，科学防疫成为办好这届冬奥会的前提。在境外病例输入引发的疫情传播中，通过环境传播如气溶胶和物体表面是非常重要的传播途径。

在北京市委、市政府的部署和北京市科委的直接领导下，来自清华大学医学院的刘鹏、生命学院的王建斌、药学院的白净卫联合来自北京大学的要茂盛和黄岩谊、中国医学科学院病原生物学研究所的任丽丽和昌平实验室等单位，针对新冠肺炎疫情发展的新趋势和新挑战，开展应急攻关，开发完成了公共空间生物气溶胶新冠病毒核酸监测系统。

在生物气溶胶检测实验室的会议室，刘鹏介绍，生物气溶胶新冠病毒核酸监测系统由便携式气溶胶采集器和一体化高灵敏新冠病毒核酸检测仪两部分组成。从2021年10至12月，刘鹏、王建斌团队在昌平实验室支持下先后在国家速滑馆、冰立方等5个奥运场馆，主媒体中心和西苑宾馆、紫玉宾馆等2家签约酒店进行了气溶胶采样和检测工作。测试赛期间共采集和检测了348例标本，检测成功率100%。

本项目经过科技冬奥层层遴选，已被确定为科技冬奥所有场馆实施的项目之一，冬奥组委会已经下发《北京2022年冬奥会和冬残奥会期间生物气溶胶新冠病毒监测及应对方案》，正式推进冬奥期间的气溶胶检测。刘鹏表示，按照计划，项目组在冬奥会多个场馆布置气溶胶采集器，在昌平实验室和主媒体中心设置临时检测站，为冬奥会提供全面气溶胶新冠病毒检测保障。

精准监测 及时维护

保障临时设施平稳运行

专利技术可作为保障临时设施安全运行的地基处置措施，也可作为应急处置措施。

脚手架无人机体检系统可为临时设施“体检”。

监测数据实时反馈，便于对临时设施架体及时维护。

地底“螺丝钉”为冻土应急“兜底”。冬奥赛场需要在山区复杂坡地地形上建设大量临时设施，而地基变形则是在冻土层中常遇到的问题之一。重庆大学“科技冬奥”团队成员、重庆大学土木工程学院杨忠平教授解释，通俗来说就是，气温到了零摄氏度以下，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，打下的地基也将受到影响，地上的建筑物就不稳固。

针对严寒条件下冻土承载力受温度、荷载作用影响大等特点，杨忠平和团队结合场地地基土特点和上部荷载作用特点，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。利用这种专利技术研发的新型桩，可显著提高冻土承载力，其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。其桩身采用螺旋叶片式设计，便于机械旋螺钻进施工，就像地底“螺丝钉”一样，实现快速、弱扰动施工。这项技术具有消除冻土影响、施工高效等特点，可作为保障临时设施安全运行的地基处置措施，也可作为应急处置措施。

拍张照片为赛场临时设施“全身体检”。据了解，北京冬奥会除速滑馆、冰立方等少量永久性场馆外，绝大部分的观赛、生活、医疗等赛事保障基础设施，包括观众看台、转播塔、桥架、LED大屏、厕所、临时用房等，均以临时设施为主。其中，观众看台面积大、人群密集，其架体必须牢固、安全。为此，“科技冬奥”团队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和脚手架无人机体检系统，可为这些临时设施“体检”。以脚手架为例，脚手架上的每一个“关节”部位都插着数片插销来实现“骨骼”的连接和固定。

这些小插销在施工过程中被安装牢固了吗？又该如何对它们进行检测呢？在现场，一架无人机盘旋着，围绕临时设施飞一圈，脚手架关键部位的插销是否安装到位已经一目了然。研究人员介绍，只需要拍一张照片，就能够检测出拍照范围内的插销是否安装到位。他们预先在每一片插销上涂上特有的反光材料，一旦安装不到位，立马就会在显示屏的照片中反馈出来。

为了保障严寒、山地、强风条件下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还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。“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，可以随时对相关设施进行‘健康体检’。”刘纲称，在崇礼和延庆赛区已安装了30套相关检测设备。“正常走动是不会触发报警的，像这样几个人一起跳动才能报警。”研究人员介绍，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。

“百米级、分钟级”气象预报系统

关乎比赛成绩 更关乎运动员安全

在传感器使用上，为保证风传感器在低温、造雪环境下仍能正常工作，增加了自动加热功能，大部分站点还采用了超声式测风传感器，更适用于赛时风速风向的观测。

借助人工智能技术和大数据技术，通过对海量的数值天气预报模型预报数据和大量的气象观测数据进行“再解读”，从而实现客观气象预报的“再订正”，提升冬奥气象预报的精准度。

气象条件对冬奥赛事影响极大。在冬奥会比赛项目中，户外雪上项目占大多数。风向、风速、气温、降雪、能见度、雪温、雪质……这些因素，不仅事关比赛成绩，还关乎运动员安全。

如果风太大，影响滑雪技巧动作的完成；若降暴雪，会让雪道变得模糊，让运动员陷入危险；若能见度太低，影响参赛人员视线……所以，冬奥需要气象服务，其核心内容是赛事服务。

不同项目对气象条件的关注重点也有所不同。张家口气象台副台长、冬季两项场馆气象服务团队负责人郭宏介绍，冬季两项是一项集越野滑雪和射击于一身的比赛，该项目主要关注的是温度和雪温。温度一旦低于零下20摄氏度，运动员在户外超过半小时，裸露的皮肤就有冻伤的风险。所以，温度若低于零下20摄氏度，比赛就要叫停；若低于零下15摄氏度，则由仲裁委员会商定比赛是否要进行调整。雪温将影响打蜡师的打蜡策略。打蜡能帮助运动员在雪面滑行时获得适宜的摩擦力，专业队伍会根据雪温配备十几种不同的雪蜡。

跳台滑雪项目，要盯紧的则是风。河北崇礼多大风、低温天气，而跳台场馆和北欧两项比赛，风速需要低于每秒4米。风力过大，会影响运动员的空中飞行姿态、着陆动作和比赛成绩，甚至会对运动员的安全造成威胁，使得训练、比赛中断、推迟、延期，甚至取消。有时，预报员需要在未来1至3个小时大风天气条件下，寻找适宜比赛的、风速小于每秒4米天气条件的赛时窗口期。这是最大的难点。

从大气科学可预报性角度来说，空间越精细、预报时段越长，预报难度越大，更何况在地形复杂的山区，还要提供冬奥会关注的阵性大风、能见度、降水相态、雪面温度等特殊要素的气象预报，挑战重重。

为了预报更精准，硬件和软件都要跟上。张家口赛区装备保障团队负责人幺伦韬介绍，在北京城区、延庆和崇礼及周边地区共建设有各种现代化气象探测设施441套，它们是国内最为先进、也是中国气象局业务许可的新型气象探测设施，由传感器系统、采集处理系统、供电系统、传输系统组成。

在传感器使用上，为保证风传感器在低温、造雪环境下仍能正常工作，增加了自动加热功能，大部分站点还采用了超声式测风传感器，更适用于赛时风速风向的观测。在供电系统上，大部分采用太阳能和市电双供电机制，确保设备稳定运行。在传输系统上，均为无线通信，采用4G全网通通信模块，确保数据传输稳定可靠。

对数据的分析，也不只由人脑完成。“我们预报员有大后方的支持。”研究人员演示着预报团队用的气象服务系统，“可以说，是集全国的气象力量来给冬奥会提供技术支撑。”电脑上，不同颜色展示风速大小，不同流线显示风向变化，点击不同时间，模拟预测结果自动呈现：下一个小时，滑降起点1，风速每秒20米，超级大回转起点，风速每秒16米，第三起跳点，风速每秒15米……

这就是“百米级、分钟级”预报系统，采用高精度数值天气预报模型和多源气象数据快速融合技术。

数值预报，千米级别和百米级别，难度不可同日而语。为了更好描述大气边界层，团队研发出大气涡流尺度数值模拟计算模型。低层风场受地形影响较大，具有高度非均匀性。观测数据所能代表的范围非常有限，在这种情况下，就要用数值模拟方法获得复杂地形条件下高分辨率的近地层风场资料。千米级别的数值预报，对大气边界层可以进行参数化近似处理，但当空间网格分辨率精细到了百米级别，再用参数近似处理，误差会非常大。此时，就需要处理大气边界层内不同尺度大小的涡流，并且采用更高分辨率的地形高程数据。大气涡流尺度数值模拟计算模型应运而生。

为冬奥做的预报，时效至少需要达到10天。为了提高预报准确率，技术团队开发出了人工智能订正模型。这也是人工智能预报技术在国际上首次应用于冬奥会气象服务保障。借助人工智能技术和大数据技术，通过对海量的数值天气预报模型预报数据和大量的气象观测数据进行“再解读”，从而实现客观气象预报的“再订正”，提升冬奥气象预报的精准度。由于要处理的数据量庞大，该系统应用在冬奥气象服务中心的超级计算机上。要支撑这一系统在三个赛区六个赛场的“全覆盖”正常运行，需要1万核的计算机算力。其实，百米级天气预报，在国外主要用作科学试验。但这次，在冬奥赛场，它要实现的是实时业务化运行。从试验到真刀真枪应用，又是一重考验。“分辨率高，数值天气预报模型的计算精度和稳定性就会差。”工作人员说。可以将它理解为一种过载。为保证模型的稳定性，技术团队在逼真模拟和减轻计算负荷间找到平衡点，考虑了一些必要的简化，着重刻画复杂地形、辐射、摩擦对温度和风的影响。

一系列关键技术方法，最终构建了冬奥气象“百米级”预报技术体系，形成了冬奥高精度气象预报系统“睿图-睿思”，多项技术填补国内空白，核心技术完全自主可控。

新型抗阻牵引训练

降低速度滑冰项目风险

设有牵引安全脱离装置和脱离时的应急保护程序，运动员在感觉到危险时，可随时拍下安全脱离装置，进行减速。

可通过牵引制动与离心训练，提高运动员的紧急制动能力。

伴随着中心轴的快速转动，冰场上的牵引绳索加速回收。一名速度滑冰运动员弓背屈膝做出滑冰姿势，在绳索的牵引下极限加速，以超过个人实力的速度进入弯道，平稳地滑过弯道冰面。

“科技冬奥”重点专项“穿戴式冰雪运动装备风险和效能评价关键技术平台研究”项目参与人、北京体育大学教师钱德省表示，抗阻与牵引训练装置可以提供多种训练功能。第一是“恒定阻力的抗阻训练”，设备可提供在0至24公斤内任意调节的持续恒定阻力和最远110米的阻力距离，阻力施加在躯干或四肢上，进行各种跑、跳、踢、投训练。第二，该设备还可根据不同项目特点，设置变化的阻力，如速度滑冰的冰上抗阻爆发力训练，可将阻力设置为由逐渐增大到趋于平稳，以符合该项目起跑阶段的发力特点。第三项训练功能是“牵引助力和超速训练”，设备提供的最大牵引速度可在0至100公里/小时内任意调节，既可以是恒定力量，也可以是变化力量，教练员通过操作界面，监测运动员的实时速度，并根据经验随时停止。

值得一提的是，这台设备设有牵引安全脱离装置和脱离时的应急保护程序，运动员在感觉到危险时，可随时拍下安全脱离装置，进行减速。此外，该装置还可通过抗阻启动训练，提高运动员的启动爆发力和速度；通过牵引制动与离心训练，提高运动员的紧急制动能力。

（本报综合整理）