智能物联 护航冬奥

编者按:

奋进的中国再度点燃激情与梦想的圣火，世界翘首以待的北京冬奥会于2月4日开幕。

“水立方”变身“冰立方”、“百米级、分钟级”精准气象预报、国家速滑馆世界跨度最大的单层双向正交马鞍形索网屋面、5G信号覆盖所有场馆、8K比赛画面实时传输……科技冬奥是北京2022年冬奥会和冬残奥会的主要特色，是体现我国综合国力的舞台，更是实现高水平科技自立自强的舞台。

中国科协网开设“科技奥运的背后故事”专题，挖掘冬奥高科技的幕后故事、幕后英雄，展现中国科协所属全国学会及广大科技工作者在“科技冬奥”中的拼搏、奉献、创新、超越，记录科技工作者助力北京冬奥冰雪史诗的感人故事。

2021年11月18日，河北崇礼。冬奥会核心区云顶滑雪场的临时看台上，突然爆发出一阵欢呼。此后两天里，这群约40人的队伍，时不时在零下十几度的寒风中鼓掌、跳跃、欢呼，弄出巨大“响动”。这是“科技冬奥”专项“严寒条件下临时设施智能物联监测及预警关键技术”课题组在现场测试临时建筑物安全。

中国将为世界奉献一场简约、安全、精彩的奥运盛会，而保障冬奥会和冬残奥会安全离不开智能科技，智能建筑、智能交通、智能转播、智能装备等技术纷纷亮相北京冬奥会。就连冬奥场馆的临时建筑，也用上了可视化智能物联运维平台来提供安全保障。

云顶滑雪场实时监控数据        受访者供图

“这些临时建筑和设施目前都用上了智能物联监测技术。”中国人工智能学会机器学习专委会常委、北京建筑大学电气与信息工程学院院长郭茂祖说。

与都灵、平昌和索契等冬奥会相比，北京2022年冬奥会和冬残奥会赛场地形复杂、观赛人数更多、临时设施工程量和规模更大。在场馆周围，看台、卫生间、转播塔等多为临时建筑。在严寒和强风条件下，确保临时建筑安全自然是头等大事。

此前我国已有在严寒条件下监测临时设施倾斜、振动等状态的专用传感器，而在冬奥会严寒条件和大客流影响下的临时设施结构安全、比赛中观众诱导的看台振动和异常聚集、逃散及事件源推理方面，基于人工智能方法的运维等仍存在亟待解决的问题。

为解决上述问题，从2020年年初开始，郭茂祖带领团队和中北大学、重庆大学、大连理工大学、沈阳建筑大学合作，开始为冬奥会“定制”临时建筑物安全保障系统。

他们到延庆赛区、张家口赛区反复调研，为临时摄影平台、滑雪场临时看台安装应变、位移、倾角、加速度等传感器，实时监测、评估临时设施的安全性。

课题组着眼于严寒条件下临时设施智能监测、安全运维和预警的功能实现，研制临时设施状态信息监测传感器；研究基于数据融合的临时设施荷载快速识别技术以及结构的危险源识别定位技术；研究人群异常活动引发的临时设施故障风险预测技术；构建基于大数据的临时设施智能物联运维平台。

“严寒条件直接影响常规传感器的监测精度和待机时间。”郭茂祖说，“延庆和崇礼赛区比赛时，如不研制专用传感器，就无法保证监测精度，也无法支撑比赛期间的不间断监测。”

大型体育赛事进行中，大客流、观众诱导等因素也会给临时设施的结构带来安全隐患。大客流情况下，临时设施荷载分布不均匀，容易形成局部超载。观众集体动作、异常聚集、异常逃散等活动也容易形成局部的荷载加强。如果能够及时识别出临时设施荷载异常和结构损伤，将对避免发生重大事故具有决定性的影响。

专用低温监测传感器        受访者供图

基于这些特殊的需求，该团队研制出适用于冬奥会严寒条件下的专用传感器，并利用网格化技术实现对临时设施的荷载识别和结构损伤识别；开发出临时设施故障引发的突发事件识别系统，用基于深度学习和光流法相结合的人群时空活动检测方法，对人群异常聚集、混乱、与临时设施的异常交互等进行识别和定位。利用自监督的时空轨迹的表示学习方法，识别异常活动轨迹和异常模式，并以时空特征和外部特征相结合的深度神经网络对人群的活动轨迹进行预测。

2021年11月18-20日，团队在崇礼赛区云顶滑雪场两项看台的关键位置，安装了两组4个专用传感器，采集看台状态数据。同时用激光扫描设备对两座看台、奥运村餐厅、越野项目两层棚房、越野项目看台等临时设施进行了测绘建模，分析这些临时设施的状态数据，确保这些临时设施的安全性能。

“成果已在有关雪场、雪道和竞速赛结束区取得了良好的效果。”该团队成员之一、北京建筑大学电气与信息工程学院田乐说，“测试效果得到了建设方的高度认可。”

在郭茂祖看来，作为护航冬奥安全的众多科技应用之一，基于数据融合的临时设施荷载快速识别和结构危险源识别定位技术，基于机器学习的人群异常活动引发的设施故障风险预测技术等，不但解决了冬奥会和冬残奥会赛区临时设施运维管理的燃眉之急，还可推广至类似体育场馆、大型活动临时设施的智能运维，有良好的社会效益和经济效益。