作者:胡珉琦 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/16 14:38:18
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屡破纪录的“冰丝带”藏着一个“超级大脑”

 

男子5000米、1500米、500米,女子5000米、3000米、1500米,连日来,冬奥会国家速滑馆“冰丝带”里不断上演着破纪录的好戏。速滑比赛场地也就有了“最快的冰”的名字。

能让这块冰面提速的奥秘,除了首次在国际上采用的二氧化碳跨临界直冷制冰技术,背后还有一个能够快速感知和精确控制的“超级大脑”。

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国家速滑馆智能化集成管理平台  郭超平供图

冰面温度差≤0.5℃

顶级运动员和普通运动员的区别是什么?其中一项是对运动设施设备的感知能力。对速度滑冰选手来说,就是冰刀与冰面摩擦时的触感,而影响这种触感的“魔鬼细节”就包括了冰面温度差。冰面温差越小,赛道硬度越一致,就越有利于滑行。

“冰丝带”有着亚洲最大的全冰面设计,冰面面积达1.15万平方米。如此巨大的冰面,不同位置的温差被控制在了0.5摄氏度内,这是一个非常惊人的技术指标,几乎超越了顶级速滑选手感知的极限。

这一数字背后,得益于二氧化碳跨临界直冷制冰技术。其中,超长不锈钢冷排管的应用,可以最大程度确保冰板制冰效果的均匀。但这些技术只是一个方面。温差大小还取决于对温度的感知能力和调控能力,这就需要一套智能系统。

“即便在相对封闭的室内空间,冰面温度的影响因素也非常复杂。”中科院软件所工程师郭超平解释,室内外温度,运动员、教练员、观众等产生的热量,比赛过程中摩擦产生的热量等,都会导致冰面温度产生实时的改变。“这时,智能系统通过大量温度传感器,自动感应,搜集实时数据,分析决策,由系统发布指令,调控末端制冰设备,从而保证冰面的恒温性。”

郭超平提到,这一智能系统的核心技术其实是机器学习。早在冬奥会开幕一年多前,中科院软件所的科研团队就利用以上参数,结合制冰工艺,还有冰面温度、冰层下温度等,建立了一个非常复杂的结构模型,进行大数据训练,总结出了一定的规律。

“等到场馆正式投入运行时,智能系统就可以根据实时捕捉的参数变化,按模型得到的规律,对冰面温度变化进行预判,从而提前对制冰设备进行自动控制。” 郭超平说,“它的好处是,不必等到冰面温度已经出现显著变化,再启动干预。智能控制的反应速度越快,温度变化的幅度就越小,制冰设备运行就越高效,能耗也越少。”

有感觉、会呼吸、有记忆、会思考

冰面温度的实时调控,其实只是国家速滑馆智能化集成平台这个“超级大脑”的一小部分内容。

国家速滑馆智能化集成平台是由中科院软件所与北京建院联合研发的,它的基础数据存储管理的核心,来自于中科院软件所自主研发的安捷实时数据库系统。

“安捷实时数据库系统过去主要应用于工业控制领域,它把实时技术与数据库技术有机结合,可以实现海量实时数据高效存储管理,消除企业生产管理系统与过程控制之间的‘鸿沟’。”郭超平告诉《中国科学报》。

随着冬奥会的举行,这套系统首次移植到了建筑领域,并且针对奥运场馆环境复杂、系统多样的特点,进行了多种技术、功能的拓展和更新。

郭超平介绍,团队研发了多源异构时序数据实时建模与感知技术,剔除了干扰数据,建立了多维数据的时空关联;提出了多子系统智能联动控制技术,利用感知到的精准数据实现场馆的自控制;研发了物联网监控应用低代码开发技术和高性能实时规则推理引擎,降低了场馆智能化应用开发的难度。

目前,国家速滑馆智能化集成平台总共接入了制冰系统、信息化应用系统、信息设施系统、建筑设备管理系统、消防系统、安防系统6大类,共36个子系统。接入实时数据点位超过10万个,它可以实现毫秒级的数据采集,实时更新速度不低于10万点/秒。

借助如此多的高科技,所有走进“冰丝带”的人,能够感受到它是一个“有感觉、会呼吸、有记忆、会思考”的场馆。

郭超平表示,有感觉,是因为场馆内布设了各类物联网传感器,以多种网络方式实时捕捉室内外温度、湿度、空气质量、光照度等运行数据。

会呼吸,是因为接入场馆屋顶气象站的实时数据,场馆可根据室外空气质量主动吸入空气,自动开启室内新风系统。

有记忆,指的是“超级大脑”会记录场馆运行的各项数据,经数据挖掘分析后,主动设定和下发场馆各空间合理运行参数,在保障人员健康和安全的前提下降低场馆能耗。

会思考,则体现在“超级大脑”能够根据不同比赛场景、竞赛需求、观众数量、防疫形势以及室内外环境参数,自动控制座椅送风系统、制冰温度、除湿系统、屋顶电动窗系统和防疫消杀系统,在保障赛事的同时,服务观众舒适观赛。

 
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