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创新科技撑起辉煌奥运

已有 3768 次阅读 2008-8-8 11:28 |个人分类:科坛漫步|关键词:奥运会,科技,论文| 论文, 科技, 奥运会

朱 宇,陈广仁,苏 青,王 芷,吴晓丽

《科技导报》编辑部

现代奥运会诞生以来,科技即与奥运互相渗透、紧密联系在一起[1]2001117,中国向国际奥委会递交了北京申办2008年奥运会的《申办报告》,明确提出了“科技奥运”理念,将科技与奥运的关系推进到了一个新的历史阶段。“科技奥运”就是要以科学精神组织奥运,以先进技术支撑奥运,以科技奥运成果惠及社会[2]。它既是举办一届有特色,高水平奥运会的重要保障,也是支撑绿色奥运人文奥运的重要手段。本文展示部分应用于2008北京奥运会的科技成果,以管窥科技对奥运的支撑及保障作用。

 

1 充满创新的奥运场馆

奥运场馆建设不仅是成功举办奥运会的重要保障,也是高科技成果大量集结的场所。众多国际顶尖建筑技术的运用,大批科技、环保、节能材料的投入更是北京奥运会场馆建设的亮点。

1)国家体育场。国家体育场是一个用钢结构“树枝”编织的、可容纳10万人观看体育赛事的“鸟巢”,设计上采用了大跨度结构温度场计算方法、焊接薄壁箱形构件设计、扭曲构建空间坐标表示法、箱形截面桁架节点、桁架柱复杂节点、异型柱脚复杂节点等创新方法,运用CATIA 软件解决了“鸟巢”复杂空间结构建模问题,建筑技术上采用了高强Q460厚板焊接技术、钢结构温度影响及合拢技术、巨型马鞍型空间钢结构卸载技术、拱钢结构大件吊装施工技术等近50项技术创新。

2国家游泳中心。将水在泡沫状态下的微观分子结构放大到建筑尺度,加上玲珑剔透水珠般的膜结构,便成就了国家游泳中心——“水立方”。“水立方”的人工高强度氟聚合物(ETFE)气枕约3 700多个,面积约10m2,部分气枕的跨度达10 m,是世界上面积最大、技术难度最大、施工最复杂的膜结构工程,其钢结构采用的新型基于气泡理论的多面体空间钢架体系属于首创。

 3国家体育馆。国家体育馆屋顶曲面犹如一把张开的中国折扇,其钢屋架南北长144 m,东西宽114 m,整个钢屋架工程由14榀桁架组成,是目前国内空间跨度最大的双向张弦钢屋架结构体系。钢屋架工程总用钢量达2 800 t,施工时先在地面组装钢屋架,然后把组装好的各部分钢屋架吊上屋顶拼装,严格控制钢屋架焊接点位置,通过安装在钢屋架与轨道之间的9个“机器人”滑移至设定位置。

    北京工业大学体育馆北京奥林匹克篮球馆、北京射击馆、老山自行车馆等12个新建场馆、11个改扩建场馆、8个临建场馆均充分运用了科技创新成果。

 

2  沟通无限的信息服务

准确迅即的奥运信息既是成功举办奥运会、扩大奥运影响的保证,也是信息时代赋予科技奥运的新内涵。“数字奥运”是“科技奥运”的时代特征,也集中体现了一个国家高新技术的发展水平。

1)中英文实时图文显示。利用激光显示技术、奥运主场馆区工程环境高分辨率遥感监测与虚拟仿真技术、自然环境下语音识别关键技术、网络资源动态集成与知识服务,以及计时计分系统、信息发布系统、运动会管理系统等,实现了奥运会中英文双语实时显示。对实时显示的信息网络系统需采用的工作站、硬件、软件、操作系统、基础设置及其可能出现的漏洞进行了标准化设置。

    2)高海拔通信覆盖。采用太阳能电源系统及隐蔽安装、无水泥施工技术,在珠穆朗玛峰海拔6 500 m处建立了通信基站,实现了奥运火炬传递登山线路、营地的全程通信覆盖。

    3)信息迅即传输。将互联网、高清电视、手机互为一体,以手机作为信息终端,可即时发布奥运会比赛成绩。在普通照相机中安装1个特殊模块,与计算机连接即可实现无线传输。奥运赛事无线视频同传技术、第三代移动通信TD-SCDMA系统、媒体照片即拍即传等技术将会使奥运会的赛事信息迅即传播。

    5)卫星转播。多颗卫星形成了2个功能齐全、设备完善的卫星测控管理、卫星电视广播和通信传输地球站,能够提供全天候、全方位的卫星传输服务。

    6)电视转播航拍。CA109航拍直升机是目前世界上最先进的轻型双发直升机之一,可提高电视转播和新闻信号采集能力、扩大航拍作业地域。

7)电子管理监控。安保指挥系统、食品运输车辆厢体电子签封系统、开闭幕式演出与仪式指挥监控系统、太极智能建筑集成管理系统、轨道交通三维地理信息系统等电子管理监控系统,提高了协同工作、实时掌控动态信息的能力。

 

3  快捷通畅的交通服务

成功举办奥运会的关键因素是要有一个有效的交通系统。建立实时、准确、高效的交通运输综合管理和控制系统,通过改善交通运输基础设施,提高交通信息服务水平,改善交通运作环境,可极大提高交通服务质量。

    1)交通综合信息平台与服务系统。交通综合信息平台可存储、处理和发布综合交通运输系统信息,能为交通管理部门决策、社会公众出行提供多方式、全方位的交通信息服务。

    2)客运枢纽站运营调度管理与乘客信息服务系统。利用客运枢纽站运营调度管理与乘客信息服务系统,可实现公交车、地铁、出租车、长途车等运输方式的统一调度和换乘,为乘客提供购票和发车班次、换乘信息查询,实现高效率、高品质的交通运转。

3)公共电汽车区域运营组织与调度系统。对区域内公交车统一组织和调度,可提高公交线路的调配和服务能力,实现区域人员集中管理、车辆集中停放、计划统一编制、调度统一指挥。

4)浮动车交通信息采集系统。利用浮动车系统,使出租车、公交车、警车等安装有定位和无线通信装置的浮动车,与交通数据中心进行信息交换,实时采集交通信息,通过科学调度为奥运会提供交通保障。

 

4  襄助竞技的运动科技

体育运动有着自身的特殊规律和科学内涵。仅仅竞技运动的训练过程, 就包括科学选材、系统训练、技术诊断、机能评定、医务监督、伤病防治、体能恢复等众多环节[3]。现在, 奥林匹克运动已进入更加理性化、科学化的时代,科技成为体育竞技重要的支撑条件。

1)三维计算机辅助训练系统。三维运动捕获等数据采集系统已广泛应用于体育训练、人体工程学研究、生物力学研究等领域,可提供多人捕获、人脸动画、特殊道具等三维人体运动捕获服务,能为体育训练及研究提供帮助。

    2)赛艇测试与反馈训练系统。运用人体运动科学和体育训练学的理论与方法,研究赛艇运动生物力学原理,围绕力与运动效果这一主线,采用多维力传感器、多维加速度传感器等构建实船测试分析系统,可为训练提供精准的作用力、功效及综合分析评估信息。

    3)数字跑道、数字跑鞋。数字跑道采用大面积柔性压力阵列传感器、现场总线网络和分布式信息处理技术,实时检测运动员步频、步距、足部触地时间、离地时间、速度、发力大小、发力角度信息,构建了训练信息采集和技术诊断分析系统。数字跑鞋系统能实时监测竞走运动员的步长、步频、腾空次数、腾空时间等参数,可实时监测和指导运动员训练。

    4)数字铅球、数字铁饼。该训练系统可实时获取铅球、铁饼运动员投掷过程中的三维力、速度、出手角度信息,对运动员的技术动作进行基于动力学信息的定量诊断与分析,可为运动员修正动作、设计新动作提供理论依据。   

5)运动应激肠屏障损伤机理与调节剂。肠缺血是造成运动性腹泻的根本原因,而微生态制剂、中药制剂是解决运动性腹泻的关键。结合现代医学肠道微生态学理论、肠屏障学理论和传统中医药学理论,研制出了胡萝卜素微生态营养液和止泻消痛片等,能有效防治体能类项目的运动性腹泻和腹痛。

    6)兴奋剂检测。200711月成立的国家反兴奋剂中心,是世界上规模最大、设备最先进的兴奋剂检测实验室,在奥运会期间将承担整个赛事的兴奋剂检查和检验工作。

 

5  平安和谐的安全保障

    举办奥运会是对城市管理能力的一次严峻挑战,对社会治安、人口管理、重点区域防控、突发事件处置等提出了更高的要求,而依靠先进科技保障奥运安全是必由之路。

    1)大空间图像探测与自动定位灭火技术。由光截面图像感烟探测技术、双波段图像火灾探测技术、自动消防炮定位灭火技术综合集成的大空间图像探测与自动灭火灾系统,已应用于奥运会大型公共建筑。

    2)场馆风险评估与性能化设计技术。针对奥运场馆和场馆群区各类建筑火灾危险性特点,构建图像式火灾探测及智能水炮定位灭火系统,开发奥运社区突发事故应急管理与决策系统,研制奥运场馆附属设施细水雾和混合气体灭火系统等系统,建立了奥运场馆火灾风险评估及性能化设计方法。

    3)地铁防灾决策系统。利用地铁灾害虚拟现实和北京地铁控制中心防灾决策系统,根据地铁火灾的特点,通过研究地铁火灾烟气流动特性、人员逃生特性,结合虚拟现实系统强大的用户交互功能,建立地铁火灾预案制作平台和用户平台,实现了地铁火灾防灾的仿真模拟。通过虚拟事件处理,可针对灾害情况,部署人员撤离行动的三维虚拟演习。

4)水下安保系统。水下安保系统可对水下目标进行探测、跟踪、识别和报警,确保奥运会水下安全防护。

5)人脸识别术。利用人脸识别技术,借助人脸数据库及有关国家提供的恐怖分子、足球流氓等危险人群的资料,只需拍摄到1/5侧面,便可瞬间识别出可疑人物

6)流体探测仪。利用流体探测仪,通过对激光的散射进行光谱分析,可探测塑料、玻璃、金属等包装品中的炸药、液体爆炸物、有毒工业品、化学战剂和毒品等2 500种液体和固体物质。

7)强弩、红外视频探测器和反恐突击车。在解救人质等任务中,强弩可远距离隐蔽消灭恐怖分子。依赖有线信号传输指令,伸缩式红外视频探测器可对建筑物内进行隐蔽观察。单兵反恐突击车可灵活地穿行于人群密集地带。

8)排爆机器人和排爆服。排爆机器人装备有时钟类探测器,专门用于检查定时爆炸物中处于工作状态的定时雷管及其他电子雷管。排爆服能抵御500 kg1 m范围内爆炸的炸药,可较长时间穿着,有效防护重点部位。

9)使用RFID技术的奥运门票。中国研制成功的最小尺寸的电子标签(RFID),其芯片面积只有0.3 mm2,厚度仅50 mm,可嵌入纸张内,最远识别距离可达约5 m。应用RFID技术的北京奥运会门票提高了防伪、统计、管理能力。

  

6  提供动力的洁净能源

    “绿色奥运”要求采用高效、清洁的常规能源利用技术,并广泛采用可再生能源,落实“零排放”目标。这既为洁净能源科技提出了挑战,也为其快速发展提供了历史机遇。

1)太阳能光伏并网发电系统。奥运工程总建筑面积199.7m2,其中有1/4使用了绿色能源。太阳能、风能和地热等绿色能源占奥运场馆能源供应的26%以上。

2)再生水源热泵系统。利用再生水源热泵系统,采用热交换方式,可从污水处理厂的再生水中提取温度能量,通过独立的水循环系统传递能量,可为奥运村提供冬季供暖和夏季制冷。  
    3)新能源汽车。使用柴油或代用燃料与电驱动系统的混合动力汽车、纯电动汽车、车载氢燃料电池发电与使用电驱动系统驱动的燃料电池汽车等新能源汽车,有助于交通节能与环保。

 

7  健康安全的生活科技

饮食起居健康安全一直是社会关注的热点,也是保障奥运比赛顺利进行的关键。正确生产、科学检测、高效管理是保障饮食起居健康安全的唯一方法。

1)建立食品安全监控体系。①确定了粮油、蔬菜、饮料等10大类345个品种的奥运食品安全技术规范,制定了奥运食品的安全包装、储运的适用原则。②从生产环境、加工工艺、操作流程、食品的理化、卫生、微生物指标等进行监控,形成奥运食品安全监控数据库,并对监控数据进行风险评估。③对奥运食品的安全追溯信息进行归集、查询、分析、评估、跟踪、预警,实现从生产基地经加工企业、物流配送中心到奥运村的全过程控制。

2)饮用水净化及安全保障技术与设备。利用饮用水净化及安全保障设备,可实现水质净化、循环输送和安全监控的优化集成和运行过程协同,有助于建立饮用水质安全风险的末端控制模式与方案。

3)常温下催化净化甲醛的技术及装置。利用室温高效催化氧化功能模块技术装置,不需光源和其他附加条件,室温条件下可催化分解甲醛为无害的H2OCO2,实现奥运会附属设施室内甲醛浓度低于0.1 mg/m3,达到室内空气质量国家标准。

 

8  增光添彩的火炬、焰火

科技不仅对奥运起着支撑作用,而且通过对艺术创意的技术实现和技术与文化的完美结合,产生着独特的科技效应和艺术效果。

1)火炬燃烧技术。奥运圣火传递火炬有地面火炬、珠峰火炬两种不同燃烧系统。地面火炬燃烧系统具有五大亮点:①采用预燃与主燃火焰相结合的双火焰方案设计,易点燃、燃烧稳定可靠,抗风雨能力强;②采用气相稳压技术,在海拔高度大幅变化时能以稳定的压力保证火焰高度不变;③采用整体无缝耐高压燃料瓶储存燃料,安全耐用;④采用环保型丙烷燃料,配合多功能稳压装置,保证宽广的温度适应范围;⑤通过小巧的五通装置,利用燃料流动高效回热,保证较低温度下瓶内燃料可完全燃尽。而为保证将奥运圣火火种带到珠峰顶,并能取出火种点燃火炬,确保火炬燃烧稳定、火焰可视,研制了火炬、火种灯、引火气、圣火台4类产品,克服了低压缺氧、大风、低温等诸多不利于燃烧的因素,实现了在珠峰峰顶极端恶劣环境条件下,成功点燃并稳定燃烧。

2新型环保焰火及其发射装置。新型环保焰火发射装置可使用压缩空气,通过电磁阀控制压缩空气释放的原理,达到弹射焰火弹的目的,具有安全、可靠、环保及可精确控制造型图案等特点

 

9  保驾护航的气象服务

高水平的气象服务能切实保障奥运盛会的顺利进行,也体现着一个国家的科技、管理和服务能力,气象探测、预报水平是对科技支撑力的重要考量。

1)气象保障系统。北京奥运气象保障系统的数值模式分辨率高,预报产品“无缝隙”并全程滚动,预报要素有极大拓展;对奥运赛事和赛地特殊性有充分考虑,对奥运竞赛活动和项目有极强的针对性;拥有可实时制作奥运高精细度气象预报的实用技术手段和业务能力。

2SCRTWP-01 型对流层风廓线雷达。SCRTWP-01 型对流层风廓线雷达将实时监测大气边界层厚度的变化,推断大气运动的湍流结构,确定风切变的位置高度等,并采用数值天气预报模式,进行高质量的短时预报和精确的赛风预报。

3)气象风廓线雷达。气象风廓雷达可同时、实时监测雨、风、温度、湿度等多项天气指标,并采用数值天气预报模式,进行高质量的短时预报和精确的赛风预报。 

 

10  环境友好的生态科技

营造一个天蓝、水清、草绿、花香的自然环境,既是成功举办奥运会的基本条件,也是市民日常生活的基本要求,更是对科技功能的基本期望。

1)立体监测空气质量环境。建立以北京市为中心覆盖周边关键区域的综合大气环境立体综合监测系统,将奥运主馆场、北京周边地区空气污染为主要监测内容,对北京大气在环境监测手段、内容和范围等方面进行补充和完善。

2)微生物降解生态厕所。微生物降解生态厕所是一种免水冲、无污染、无排放、智能控制运行的新型生态环保型卫生间,它利用经过优化的微生物菌剂,对排泄物进行原位无害化处理,转化成生态有机肥,实现就地资源化、无害化。

3)城市垃圾污染控制及资源化利用处理技术。城市垃圾污染控制及资源化处理技术主要针对热值低、水分含量大的混合垃圾,可有效利用焚烧产生的低品位余热,提高垃圾处理的均匀性,降低焚烧污染物的排放。

4)绿化美化工程。筛选了576个奥运花卉品种和20种地区适应性较强的花卉,进行了新品系选择、花期控制和规模化栽培,形成了相应的技术体系和规模化生产能力。

5)雨洪综合利用工程。鸟巢雨洪综合利用工程的雨水收集面积达22 hm2,年回收利用总量约6.7m3,设计日净产水量为2 000 m3。遍布于场馆及周边绿地的收集引流系统可以将雨水汇集至6座地下蓄水池中,最大储水能力高达12 000 m3。回收后的水资源,采用纳滤膜技术进行高效回用。经净化处理后的雨水可用于场馆绿化、赛场用水、空调冷却、道路和汽车清洗等。

 

参考文献(References

[1] 李春霞,王先勇,张京成 主编. 科技奥运——解析北京奥运的科技创意[M].北京:科学出版社,2007.

[2] “奥运科技(2008)行动计划”领导小组. 科技奥运精品项目集锦[G]. 北京:科学技术部发展计划司,中国21世纪议程管理中心,2008.

[3] 杜利军. 奥林匹克运动与现代科学技术[J]. 中国体育科技,20013):4-7.



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