操作系统|揭秘冬奥会场景背后的科技力量
“冬奥会全局全过程态势感知和运行指挥保障技术”帮助冬奥运行指挥部门完成科学判断与决策；“复杂曲面幕墙及柔性屋面关键技术”集成幕墙用曲面玻璃工艺、平曲玻璃耦合几何控制等多项关键技术 ， 让国家速滑馆变身冰的世界；“数字孪生操作系统”解决了建筑的安全运维、环境监测等问题 ， 为国家体育场提供智慧服务……北京2022年冬奥会将于今日正式开幕 。 在此次冬奥会的举办过程中 ， 将有多项前沿科技技术应用于多个冬奥场景 ， 这些领先世界的科技对冬奥场景的实现起到了举足轻重的作用 。 日前 ， 北京青年报采访人员对这些技术的带头人进行了采访 ， 为您揭秘不同场景背后的科技力量 。
运行指挥
“冬奥大脑”统筹分析
指挥调度形成“一盘棋”
北京冬奥会涉及两座城市三个赛区：开闭幕式和冰上项目比赛在北京赛区举行 ， 雪上项目比赛在延庆赛区和张家口赛区举行 。 因此 ， 北京冬奥会面临着空间跨度大、保障线路长、天气情况多变等现实问题 ， 再加上疫情防控需要 ， 导致信息共享和指挥协同难度更高 。 在北京冬奥会举办期间 ， 如何保障各个环节、各项比赛顺利进行？答案就在位于北京冬奥组委首钢办公区的指挥部里 。
北青报采访人员在指挥部内看到 ， 这里有四块大屏：第一块屏显示各场馆监控镜头画面 ， 便于指挥部第一时间看到一线情况；第二块屏是与各赛区、城市运行保障指挥机构的视频会议画面；第三块屏是任务系统 ， 可看到各场馆、各赛事精确到每天、每小时的安排 ， 比如何时训练、比赛、颁奖等 ， 能够以时间轴的方式统揽全局；第四块屏幕是信息化系统 ， 该系统提供的气象等信息可为决策提供依据 。 连通各个比赛场馆的四块大屏 ， 覆盖重点业务领域的八个内设机构 ， 以及囊括城市运行保障的指挥机构 ， 形成一个指挥调度的“冬奥大脑” 。
如何通过这个“冬奥大脑”让指挥调度形成“一盘棋”呢？这离不开由清华大学公共安全研究院研究员陈涛牵头研发的冬奥会态势感知与运行指挥保障系统 ， 这套系统可以汇聚八方信息并展开智能分析 ， 实现更早发现问题、查找风险 ， 并以情景推演的模式给出对策参考 ， 成为名副其实的指挥核心枢纽 。 在数字化和智能化系统的指挥下 ， 北京、延庆、张家口三个赛区实现统一指挥、协调配合 ， 形成“一盘棋” 。 这也是冬奥会历史上首次实现场馆、气象、赛事、事件、人员、交通、医疗、防疫等跨领域时空数据的汇聚融合和智能分析系统 。
拿气象来说 ， 陈涛告诉采访人员 ， 冬奥会举办期间 ， 不同赛区的天气变化也不同 ， 赛程因气象条件而调整是很常见的现象 。 “当各个赛区的气象监测设备监测到有大风、极端低温天气发生时 ， 信息会汇集到这个系统 ， 如果系统研判出这些天气变化会影响到赛事 ， 就会发出预警 。 指挥部的相关人员会在开赛前进行会商 ， 决定是否需要进行竞赛日程变更 。 ”陈涛说 ， 正是有了这个系统 ， 使得冬奥会的信息共享和指挥协同能力增强 ， 几秒钟之内就可以向指挥人员给出建议解决方案和应对程序 。
“为了做好系统对接 ， 我们团队经常要抱着演示服务器去保障现场 ， 一遍又一遍地反复迭代更新设计方案和算法模型 。 为了做好研究应用测试 ， 我们白天测试活动发现的细节问题 ， 往往需要及时拿出改进方案并连夜修正 ， 在半夜更新系统是家常便饭 。 ”陈涛说 ， 这个系统也为未来大型赛事全方位智能化和高效协同管理提供了范本 。
场馆建造
3360块曲面玻璃拼装幕墙
让群众“沉浸式”观赛
因为有22条晶莹美丽的“丝带”状曲面玻璃幕墙环绕 ， 国家速滑馆又被称为“冰丝带” 。 作为北京冬奥会唯一新建冰上竞赛场馆 ， 该馆将承担速度滑冰项目比赛 ， 见证14块金牌的诞生 。
在进入国家速滑馆观看比赛之前 ， 观众要首先经过休息厅 。 在那里 ， 冬日的阳光透过“冰丝带”照亮了每一个人 。 光影变幻中 ， 让观众在倍感温暖的同时 ， 又能走进冰的世界“沉浸式”观赛 。 国家速滑馆外立面由3360块曲面玻璃单元拼装而成 ， 通过机械配合工人操作 ， 严丝合缝地嵌入160根S形钢龙骨打造的框架中 。
要实现这样一个前所未有的自由曲面幕墙 ， 后面隐藏着“科技冬奥”的创新力量 。 北京市建筑设计研究院副总建筑师、国家速滑馆冰丝带设计总负责人郑方告诉北青报采访人员 ， 因为速滑馆是一个冰上项目 ， 将幕墙设计成像薄冰一样的透明表面与赛场“浑然天成” 。 “根据建筑内部使用空间的需要 ， 把这个表面自由弯曲 ， 形成一种 ‘刚柔并济’的感觉 。 然后在弯曲的玻璃上设计横向的很多线条 ， 像是速度滑冰运动员的轨迹 ， 内外交织 ， 就是冰丝带的建筑立面了 。 ”郑方说 。
要实现这样的设计并非易事 。 首先要精心选择玻璃的原片 。 “虽然玻璃看起来都是无色透明的 ， 但是它实际上有非常复杂和微妙的色彩变化 ， 甚至每一个批次的玻璃透明度和颜色都有微差 。 要接近冰的感觉 ， 需要超白、纯净的玻璃 ， 从侧面看的时候是浅蓝色而非常见的绿色 。 ”2017年初 ， 郑方团队比较了很多小样块 ， 弯曲成不同的半径 ， 加工之后再比较 ， 直到实际使用的大样片 ， 测量、再制作 ， 才获得了满意的透明度 。 曲面玻璃需要集成很多复杂的工艺：弯曲、钢化、用于保温的镀层、印刷中国传统的冰花图案 ， 这也是目前建筑中最前沿的工艺挑战 。
攻克了曲面玻璃的难点 ， 屋面的挑战随即而来 ， 这同样是一个全新研发的金属单元柔性屋面系统 。 因为钢索结构是柔性的 ， 在极端的荷载作用下 ， 比如大雪、强风 ， 屋顶的变形上下各有半米之多 。 郑方团队请国内金属屋面的行业专家、厂商研讨 ， 大家一致认为 ， 常规的金属屋顶难以适应这么大的变形 。 那该怎么办呢？“我们决心设计一个全新的系统 ， 一种在工厂生产的单元式屋顶 。 ”郑方说 。
钢索结构的网格是4米见方 ， 他们就设计同样大小 ， 4米见方、用铝板和保温结合的单元 。 “就像一个个小桌子 ， 桌子之间留缝隙 ， 用这些缝隙来适应钢索最大的变形 。 ”郑方说 ， 这还不够 ， 屋顶还覆盖了完整的防水层 ， 能够经受成千上万次的变化 ， 拉伸之后能够还原 。 有了金属单元做屋顶的基层 ， 再有弹性好的防水层 ， 把它们组合起来 ， 设计连接的各种细节 ， 再进行变形、保温、防水、抗风等性能测试 ， 屋顶的钢索已经成形 ， 团队再用激光扫描钢索 ， 精确地返回计算机模型 ， 再把这个模型的数据传输到生产线 ， 加工这些单元 ， 运输到工地安装 ， 最终完成了这个系统 。
智慧场馆
数字孪生操作系统
实现场馆“全要素”监测
北京2022年冬奥会的开幕式和闭幕式均在国家体育场鸟巢举办 。 要保证开幕式和闭幕式的顺利进行 ， 智慧服务同样很重要 。 在鸟巢 ， 一个“复刻”这座体育场的“数字孪生操作系统”让人眼前一亮 。 这个“数字化的鸟巢”正是智能场馆的一个探索 ， 通过把国家体育场数字模型化 ， 动态采集设备的运行情况、环境变化、人流聚集疏散情况 ， 从而形成基于人工智能的最优解决方案 。
据北京智能建筑科技有限公司项目中心负责人李然介绍 ， 鸟巢智慧场馆建设以“数字孪生操作系统”开发为基石 ， 在空间维度上 ， 操作系统覆盖鸟巢25.8万平方米建筑空间、周边55平方公里城市空间 。 在信息维度上 ， 重点关注建筑本体的健康环境、能源优化、设备监测预警、公共安防的运行状态 ， 接入周边道路交通及停车数据 ， 助力城市的微循环 。 同时 ， 面向公众 ， 操作系统也提供了公众服务、数字消费能力 。
“这套系统就是为了让鸟巢能数字化感知、运营 ， 所以叫做 ‘数字孪生’ 。 ”李然告诉北青报采访人员 ， 基于泛载物联网络 ， 鸟巢加装了近8000个IoT传感器、控制器 ， 能够让运行团队实时掌握场馆内人、车、设备、能源、环境的客观情况 。 在公共安防板块 ， 鸟巢在公共区域构建了点、线、面全覆盖的 “无感安防”体系 ， 通过AI算法赋能 ， 实时识别异常行为 ， 针对大型活动人员易走散的场景 ， 通过智能分析实现了走失人员的快速寻找；在设备预警与能源板块 ， 通过对大型机电设备的实时监测与分析 ， 充分挖掘故障隐患 ， 将其消除于发生前 ， 同时基于用能需求对大型能源设备调控 ， 实现场馆的绿色节能 。
今年 ， 鸟巢首次布设全面的环境监测保障系统 ， 部署了458套环境智能传感器 ， 实现对场馆逐层、逐区的风险感知 。 “在我们这套系统中 ， 实时数据情况会汇总在屏幕左侧 ， 包括PM2.5、二氧化碳、VOC、温湿度等 。 同时 ， 通过屏幕中间的模型总览 ， 管理者可以清晰定位潜在风险预警的区域 ， 进行及时告警 。 ”李然指着正在运行的系统屏幕说 。 而在屏幕的右侧 ， 正显示着2877套环境智能终端的实时运行情况 ， 包括空调、照明、净化、消杀设备等 ， 鸟巢的环境健康指数一目了然 。
基于这个系统的延伸 ， 冬奥期间鸟巢还在游客出入口处加装了28台健康环境信息互动智能魔镜 ， 为公众提供实时信息发布 。 观众进入场馆时 ， 可以使用精准的室内导航服务 ， 在场馆里不再轻易迷失方向 ， 还可以通过融合5G、数字人民币技术的智能无人零售超市 ， 方便快捷地购买冬奥特许经营商品 ， 体验数字消费 。
“鸟巢智慧场馆建设项目是科技冬奥重点项目 ， 也是大型公建智慧化升级的模式探索 。 ”李然告诉北青报采访人员 ， 通过智能场馆数字孪生操作系统在冬奥上的实践 ， 能够为智能建筑的发展探索新的路径 ， 通过“单体建筑智能化” ， 构建“区域建筑智能化” ， 进而实现“城市智能化” ， 为大型场所智能化的升级改造提供北京经验 。
【操作系统|揭秘冬奥会场景背后的科技力量】文/本报采访人员 刘婧
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