“冬奧會全局全過程態(tài)勢感知和運(yùn)行指揮保障技術(shù)”幫助冬奧運(yùn)行指揮部門完成科學(xué)判斷與決策；“復(fù)雜曲面幕墻及柔性屋面關(guān)鍵技術(shù)”集成幕墻用曲面玻璃工藝、平曲玻璃耦合幾何控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，讓國家速滑館變身冰的世界；“數(shù)字孿生操作系統(tǒng)”解決了建筑的安全運(yùn)維、環(huán)境監(jiān)測等問題，為國家體育場提供智慧服務(wù)……北京2022年冬奧會將于今日正式開幕。在此次冬奧會的舉辦過程中，將有多項(xiàng)前沿科技技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)冬奧場景，這些領(lǐng)先世界的科技對冬奧場景的實(shí)現(xiàn)起到了舉足輕重的作用。日前，北京青年報(bào)記者對這些技術(shù)的帶頭人進(jìn)行了采訪，為您揭秘不同場景背后的科技力量。
運(yùn)行指揮
“冬奧大腦”統(tǒng)籌分析
指揮調(diào)度形成“一盤棋”
北京冬奧會涉及兩座城市三個(gè)賽區(qū)：開閉幕式和冰上項(xiàng)目比賽在北京賽區(qū)舉行，雪上項(xiàng)目比賽在延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)舉行。因此，北京冬奧會面臨著空間跨度大、保障線路長、天氣情況多變等現(xiàn)實(shí)問題，再加上疫情防控需要，導(dǎo)致信息共享和指揮協(xié)同難度更高。在北京冬奧會舉辦期間，如何保障各個(gè)環(huán)節(jié)、各項(xiàng)比賽順利進(jìn)行？答案就在位于北京冬奧組委首鋼辦公區(qū)的指揮部里。
北青報(bào)記者在指揮部內(nèi)看到，這里有四塊大屏：第一塊屏顯示各場館監(jiān)控鏡頭畫面，便于指揮部第一時(shí)間看到一線情況；第二塊屏是與各賽區(qū)、城市運(yùn)行保障指揮機(jī)構(gòu)的視頻會議畫面；第三塊屏是任務(wù)系統(tǒng)，可看到各場館、各賽事精確到每天、每小時(shí)的安排，比如何時(shí)訓(xùn)練、比賽、頒獎(jiǎng)等，能夠以時(shí)間軸的方式統(tǒng)攬全局；第四塊屏幕是信息化系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供的氣象等信息可為決策提供依據(jù)。連通各個(gè)比賽場館的四塊大屏，覆蓋重點(diǎn)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的八個(gè)內(nèi)設(shè)機(jī)構(gòu)，以及囊括城市運(yùn)行保障的指揮機(jī)構(gòu)，形成一個(gè)指揮調(diào)度的“冬奧大腦”。
如何通過這個(gè)“冬奧大腦”讓指揮調(diào)度形成“一盤棋”呢？這離不開由清華大學(xué)公共安全研究院研究員陳濤牽頭研發(fā)的冬奧會態(tài)勢感知與運(yùn)行指揮保障系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以匯聚八方信息并展開智能分析，實(shí)現(xiàn)更早發(fā)現(xiàn)問題、查找風(fēng)險(xiǎn)，并以情景推演的模式給出對策參考，成為名副其實(shí)的指揮核心樞紐。在數(shù)字化和智能化系統(tǒng)的指揮下，北京、延慶、張家口三個(gè)賽區(qū)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)配合，形成“一盤棋”。這也是冬奧會歷史上首次實(shí)現(xiàn)場館、氣象、賽事、事件、人員、交通、醫(yī)療、防疫等跨領(lǐng)域時(shí)空數(shù)據(jù)的匯聚融合和智能分析系統(tǒng)。
拿氣象來說，陳濤告訴記者，冬奧會舉辦期間，不同賽區(qū)的天氣變化也不同，賽程因氣象條件而調(diào)整是很常見的現(xiàn)象�！爱�(dāng)各個(gè)賽區(qū)的氣象監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到有大風(fēng)、極端低溫天氣發(fā)生時(shí)，信息會匯集到這個(gè)系統(tǒng)，如果系統(tǒng)研判出這些天氣變化會影響到賽事，就會發(fā)出預(yù)警。指揮部的相關(guān)人員會在開賽前進(jìn)行會商，決定是否需要進(jìn)行競賽日程變更�！标悵f，正是有了這個(gè)系統(tǒng)，使得冬奧會的信息共享和指揮協(xié)同能力增強(qiáng)，幾秒鐘之內(nèi)就可以向指揮人員給出建議解決方案和應(yīng)對程序。
“為了做好系統(tǒng)對接，我們團(tuán)隊(duì)經(jīng)常要抱著演示服務(wù)器去保障現(xiàn)場，一遍又一遍地反復(fù)迭代更新設(shè)計(jì)方案和算法模型。為了做好研究應(yīng)用測試，我們白天測試活動發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)問題，往往需要及時(shí)拿出改進(jìn)方案并連夜修正，在半夜更新系統(tǒng)是家常便飯�！标悵f，這個(gè)系統(tǒng)也為未來大型賽事全方位智能化和高效協(xié)同管理提供了范本。
場館建造
3360塊曲面玻璃拼裝幕墻
讓群眾“沉浸式”觀賽
因?yàn)橛?2條晶瑩美麗的“絲帶”狀曲面玻璃幕墻環(huán)繞，國家速滑館又被稱為“冰絲帶”。作為北京冬奧會唯一新建冰上競賽場館，該館將承擔(dān)速度滑冰項(xiàng)目比賽，見證14塊金牌的誕生。
在進(jìn)入國家速滑館觀看比賽之前，觀眾要首先經(jīng)過休息廳。在那里，冬日的陽光透過“冰絲帶”照亮了每一個(gè)人。光影變幻中，讓觀眾在倍感溫暖的同時(shí)，又能走進(jìn)冰的世界“沉浸式”觀賽。國家速滑館外立面由3360塊曲面玻璃單元拼裝而成，通過機(jī)械配合工人操作，嚴(yán)絲合縫地嵌入160根S形鋼龍骨打造的框架中。
要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)前所未有的自由曲面幕墻，后面隱藏著“科技冬奧”的創(chuàng)新力量。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院副總建筑師、國家速滑館冰絲帶設(shè)計(jì)總負(fù)責(zé)人鄭方告訴北青報(bào)記者，因?yàn)樗倩^是一個(gè)冰上項(xiàng)目，將幕墻設(shè)計(jì)成像薄冰一樣的透明表面與賽場“渾然天成”�！案鶕�(jù)建筑內(nèi)部使用空間的需要，把這個(gè)表面自由彎曲，形成一種 ‘剛?cè)岵?jì)’的感覺。然后在彎曲的玻璃上設(shè)計(jì)橫向的很多線條，像是速度滑冰運(yùn)動員的軌跡，內(nèi)外交織，就是冰絲帶的建筑立面了�！编嵎秸f。
要實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)并非易事。首先要精心選擇玻璃的原片。“雖然玻璃看起來都是無色透明的，但是它實(shí)際上有非常復(fù)雜和微妙的色彩變化，甚至每一個(gè)批次的玻璃透明度和顏色都有微差。要接近冰的感覺，需要超白、純凈的玻璃，從側(cè)面看的時(shí)候是淺藍(lán)色而非常見的綠色。”2017年初，鄭方團(tuán)隊(duì)比較了很多小樣塊，彎曲成不同的半徑，加工之后再比較，直到實(shí)際使用的大樣片，測量、再制作，才獲得了滿意的透明度。曲面玻璃需要集成很多復(fù)雜的工藝：彎曲、鋼化、用于保溫的鍍層、印刷中國傳統(tǒng)的冰花圖案，這也是目前建筑中最前沿的工藝挑戰(zhàn)。
攻克了曲面玻璃的難點(diǎn)，屋面的挑戰(zhàn)隨即而來，這同樣是一個(gè)全新研發(fā)的金屬單元柔性屋面系統(tǒng)。因?yàn)殇撍鹘Y(jié)構(gòu)是柔性的，在極端的荷載作用下，比如大雪、強(qiáng)風(fēng)，屋頂?shù)淖冃紊舷赂饔邪朊字�。鄭方團(tuán)隊(duì)請國內(nèi)金屬屋面的行業(yè)專家、廠商研討，大家一致認(rèn)為，常規(guī)的金屬屋頂難以適應(yīng)這么大的變形。那該怎么辦呢？“我們決心設(shè)計(jì)一個(gè)全新的系統(tǒng)，一種在工廠生產(chǎn)的單元式屋頂。”鄭方說。
鋼索結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格是4米見方，他們就設(shè)計(jì)同樣大小，4米見方、用鋁板和保溫結(jié)合的單元�！熬拖褚粋�(gè)個(gè)小桌子，桌子之間留縫隙，用這些縫隙來適應(yīng)鋼索最大的變形。”鄭方說，這還不夠，屋頂還覆蓋了完整的防水層，能夠經(jīng)受成千上萬次的變化，拉伸之后能夠還原。有了金屬單元做屋頂?shù)幕鶎樱儆袕椥院玫姆浪畬�，把它們組合起來，設(shè)計(jì)連接的各種細(xì)節(jié)，再進(jìn)行變形、保溫、防水、抗風(fēng)等性能測試，屋頂?shù)匿撍饕呀?jīng)成形，團(tuán)隊(duì)再用激光掃描鋼索，精確地返回計(jì)算機(jī)模型，再把這個(gè)模型的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴a(chǎn)線，加工這些單元，運(yùn)輸?shù)焦さ匕惭b，最終完成了這個(gè)系統(tǒng)。
智慧場館
數(shù)字孿生操作系統(tǒng)
實(shí)現(xiàn)場館“全要素”監(jiān)測
北京2022年冬奧會的開幕式和閉幕式均在國家體育場鳥巢舉辦。要保證開幕式和閉幕式的順利進(jìn)行，智慧服務(wù)同樣很重要。在鳥巢，一個(gè)“復(fù)刻”這座體育場的“數(shù)字孿生操作系統(tǒng)”讓人眼前一亮。這個(gè)“數(shù)字化的鳥巢”正是智能場館的一個(gè)探索，通過把國家體育場數(shù)字模型化，動態(tài)采集設(shè)備的運(yùn)行情況、環(huán)境變化、人流聚集疏散情況，從而形成基于人工智能的最優(yōu)解決方案。
據(jù)北京智能建筑科技有限公司項(xiàng)目中心負(fù)責(zé)人李然介紹，鳥巢智慧場館建設(shè)以“數(shù)字孿生操作系統(tǒng)”開發(fā)為基石，在空間維度上，操作系統(tǒng)覆蓋鳥巢25.8萬平方米建筑空間、周邊55平方公里城市空間。在信息維度上，重點(diǎn)關(guān)注建筑本體的健康環(huán)境、能源優(yōu)化、設(shè)備監(jiān)測預(yù)警、公共安防的運(yùn)行狀態(tài)，接入周邊道路交通及停車數(shù)據(jù)，助力城市的微循環(huán)。同時(shí)，面向公眾，操作系統(tǒng)也提供了公眾服務(wù)、數(shù)字消費(fèi)能力。
“這套系統(tǒng)就是為了讓鳥巢能數(shù)字化感知、運(yùn)營，所以叫做 ‘?dāng)?shù)字孿生’。”李然告訴北青報(bào)記者，基于泛載物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，鳥巢加裝了近8000個(gè)IoT傳感器、控制器，能夠讓運(yùn)行團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)掌握場館內(nèi)人、車、設(shè)備、能源、環(huán)境的客觀情況。在公共安防板塊，鳥巢在公共區(qū)域構(gòu)建了點(diǎn)、線、面全覆蓋的 “無感安防”體系，通過AI算法賦能，實(shí)時(shí)識別異常行為，針對大型活動人員易走散的場景，通過智能分析實(shí)現(xiàn)了走失人員的快速尋找；在設(shè)備預(yù)警與能源板塊，通過對大型機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析，充分挖掘故障隱患，將其消除于發(fā)生前，同時(shí)基于用能需求對大型能源設(shè)備調(diào)控，實(shí)現(xiàn)場館的綠色節(jié)能。
今年，鳥巢首次布設(shè)全面的環(huán)境監(jiān)測保障系統(tǒng)，部署了458套環(huán)境智能傳感器，實(shí)現(xiàn)對場館逐層、逐區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)感知�！霸谖覀冞@套系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況會匯總在屏幕左側(cè)，包括PM2.5、二氧化碳、VOC、溫濕度等。同時(shí)，通過屏幕中間的模型總覽，管理者可以清晰定位潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的區(qū)域，進(jìn)行及時(shí)告警。”李然指著正在運(yùn)行的系統(tǒng)屏幕說。而在屏幕的右側(cè)，正顯示著2877套環(huán)境智能終端的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，包括空調(diào)、照明、凈化、消殺設(shè)備等，鳥巢的環(huán)境健康指數(shù)一目了然。
基于這個(gè)系統(tǒng)的延伸，冬奧期間鳥巢還在游客出入口處加裝了28臺健康環(huán)境信息互動智能魔鏡，為公眾提供實(shí)時(shí)信息發(fā)布。觀眾進(jìn)入場館時(shí)，可以使用精準(zhǔn)的室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)，在場館里不再輕易迷失方向，還可以通過融合5G、數(shù)字人民幣技術(shù)的智能無人零售超市，方便快捷地購買冬奧特許經(jīng)營商品，體驗(yàn)數(shù)字消費(fèi)。
“鳥巢智慧場館建設(shè)項(xiàng)目是科技冬奧重點(diǎn)項(xiàng)目，也是大型公建智慧化升級的模式探索。”李然告訴北青報(bào)記者，通過智能場館數(shù)字孿生操作系統(tǒng)在冬奧上的實(shí)踐，能夠?yàn)橹悄芙ㄖ陌l(fā)展探索新的路徑，通過“單體建筑智能化”，構(gòu)建“區(qū)域建筑智能化”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“城市智能化”，為大型場所智能化的升級改造提供北京經(jīng)驗(yàn)。
