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計量論壇

標題: 奧運計量：千分之一秒差距決定勝負 [打印本頁]

作者: 上帝 時間: 2008-8-4 18:02
標題: 奧運計量：千分之一秒差距決定勝負

奧運會田徑計時系統

奧運會自行車計時系統

據國外媒體報道，自首屆現代奧運會在希臘雅典舉辦以來，奧運計時技術一直在不斷地向前發展。一百多年過去了，首屆現代奧運會上計時所用的跑表(stopwatch)如今換成了一系列高科技計時裝置，如高速數碼攝像機、電子觸摸墊、紅外光束、無線應答器等等。鑒于當今計時技術的快速發展，即便千分之一秒(為眨眼的40倍)的毫微差距，也決定著冠軍的歸屬。
　　然而這種精確度要求第一流的計時技術。縱觀當前世界，只有兩家公司可以滿足國際奧委會制定的計時標準。歐米茄是2006年意大利都靈冬季奧運會官方計時器提供商，還是2004年雅典夏季奧運會官方計時器提供商。這一頭銜意味著歐米茄在兩年一次的奧運賽場上，為比賽的計時工作提供相關技術和人員。日本精工則是2002年美國鹽湖城冬季奧運會的官方計時器提供商。夏季奧運會與冬季奧運會比賽項目的特點有天壤之別，而計時方法同樣南轅北轍。
　　夏季奧運會
　　田徑
　　在諸如持續時間只有10秒的100米短跑等短距離賽跑中，準確計時就顯得至關重要。因此，計時的方方面面均要實現電子化，甚至是發令槍如今也電子化了。很多看比賽只關注比賽結束后顯示屏上顯示的成績，但并不清楚這個成績是如何計算出來的。
　　現在奧運會短跑計時的程序非常先進，也十分復雜。一旦選手雙腳蹬在起跑器上，做好啟動準備，計時官員扣動發令槍扳機，通過銅線發出電流到起跑器和單獨的計時臺。電流會啟動計時臺上的石英晶體振蕩器，與此同時，發令槍的聲音經由每個選手起跑器的揚聲器放大，這樣一來，所有參賽選手即可同時聽到發令槍響，實現了真正意義上的公平比賽。
　　而在賽道的另外一端，激光信號則從終點線一端傳向另一端，而另一端的光傳感器(亦稱光電管或“電子眼”)會收到激光發出的光束信號。當選手穿過終點線，光束受到阻塞，電子眼立即向計時臺發送信號，記錄下選手的比賽用時。同時，與終點線平行安裝的一臺高速數碼攝像機會以每秒2000次的驚人速度，將圖像掃描到一個狹窄剖面上。當每名選手跑過終點線時，攝像機會將最先觸及終點線的身體部位的電子信號發送給計時臺，從而記下他們的比賽時間。
　　計時臺則將比賽時間發送給裁判席和電子記分板。圖像則會被發送給電腦，電腦使圖像與時鐘實現同步，令其處于水平時標的并行位置，構成一幅完整的圖像。電腦還會用一個垂直指針記錄下每名選手身體最先觸及終點線的具體部位。隨后，技術人員可以在比賽結束后在30秒內將這張合成圖像播放在視頻顯示器上，幫助裁判確定可能差之毫厘的冠軍歸屬。
　　在諸如馬拉松等長距離比賽項目上，計時鐘同樣是在電子槍響的同時開始計時。但是，由于馬拉松參賽選手眾多，使得所有選手同時離開起跑線根本不可能，且有時會有數十名選手同時穿過終點線。鑒于上述考慮，馬拉松比賽便需要更為獨立的計時系統——射頻識別標簽(RFID)。每名馬拉松選手在比賽前都會在鞋帶上系一只輕薄小巧的RFID發射機應答器，以便將其獨特的射頻信號發送出去。
　　你注意過安裝在馬拉松終點線上那一連串的地墊嗎？它們由作用堪比天線的銅線圈組成，用以收集每名選手的信號，同時將他們的識別碼和起跑時間發送給計時臺。射頻地墊每隔5公里鋪設一個，運動員沿路的行蹤由此盡收眼底，還能自動在計時板上顯示選手的最好成績。另外還有一個射頻地墊安設在終點線，用以記錄每名選手比賽用時。隨后，技術人員將每名選手的比賽用時同計時鐘(即槍響時間)進行比較。計時鐘由發令槍啟動，在第一名穿過終點線時停止運行。這項技術廣泛應用于在波士頓、紐約和洛杉磯等城市舉辦的馬拉松比賽，由德州儀器等公司提供。
　　自行車比賽
　　因為自行車比賽計時面臨著類似馬拉松的諸多挑戰，所以，計時技術也有諸多相同之處。無線應答器將安裝在每輛自行車前輪輪胎前緣，可以隨時向安裝在起點線、終點線及沿途各站的天線發送識別碼，這些天線將記錄下每名選手的比賽時間，將其發送給計時臺進行比較。三臺高速攝像機安裝在終點線(包括跑道上)，提供按照時間順序確定的選手成績，如詳細記錄每名運動員輪胎前部數據的垂直指針，用于幫助確定冠亞軍最終歸屬。這項技術還廣泛應用于環法大賽等自行車比賽中，由法國格勒諾布爾的Matsport公司提供。
　　水上運動
　　每名游泳運動員的起跑器類似于短距離田徑比賽，均安裝有一個揚聲器，用于宣布由計時官或起跑器啟動的時間。在接力一類的比賽中，身在泳池中的選手必須通過按動游泳池壁的觸摸板，才能“加標簽于”(tag)下一棒的隊友。接著，觸摸板將信號發送到計時電腦，記錄下第一名運動員的比賽時間，同時啟動第二名選手開始的時間，并報告給計時板。
　　這種觸摸板由一堆薄薄的PVC和水平帶制成，可以記錄集中壓力(如來自于選手的手)，而不是分散壓力(如泳池的波浪)。蛙式游泳、自由式游泳、仰泳等個人項目的計時過程均與之類似，比賽期間，選手必須按泳道兩端的觸摸板，記錄下他們的比賽時間。水上項目還采用類似田徑比賽的終點攝影(Photo Finish)技術，用于以每秒100幀錄下選手沖刺的圖像。
　　冬季奧運會
　　奧運會分為夏季奧運會和冬季奧運會，每兩年交替舉辦。由于這些運動項目之間存在諸多不同之處——從距離遠近到天氣因素——各項運動賽事的計時技術自然也大相徑庭。
　　雪橇
　　由于奧運會雪橇選手會以高達90英里(約合145公里)的時速滑行，所以，即便是哪位選手笑到最后，他也是以極其微弱的優勢險勝。在計時精確至千分之一秒，且計時設備必須承受零下30華氏度低溫的情況下，高科技成為比賽不可或缺的重要條件。雪橇比賽的起點線和終點線均裝有0.5英寸至1英寸紅外光束，用以聚焦接收裝置，在光束被分離的那一刻，接收裝置會啟動或停止運行計時鐘。激光技術盡管在競賽環境下大顯神通，但仍在2002年美國鹽湖城冬奧會上被紅外光束所取代，因為研究表明降雪經常使激光束出現問題，而大霧使電子眼失去火眼金睛的效力，從而降低了精確度。
　　速度滑冰
　　速度滑冰計時技術同短距離田徑比賽存在諸多相似之處。計時鐘由發令槍啟動，電子眼在每名選手穿過終點線激光束的那一刻，將信號發送給計時電腦。因為速度滑冰選手的速度最高可達時速30英里(約合48公里)，甚至于一個腳尖決定著冠亞軍的歸屬，兩臺分開安裝的攝像機掃描終點線，以每秒2000幀的速度記錄下每一張圖像，并將完成的圖像發給裁判幫助確定最終的勝者。
　　滑雪
　　高山滑雪選手手持滑雪杖從起點旗門高速啟動滑行。這些旗門一打開，即向計時臺發送電子信號啟動計時鐘。同雪橇比賽相似，運動員穿過終點線時，紅外線受到干擾，即停止計時鐘運行。在越野滑雪和北歐式滑雪(Nordic)等長距離滑雪比賽中，安裝在每名選手滑雪鞋上的射頻識別標簽會將他們的信號發到天線。天線埋設于起跑線、終點線和兩點之間的雪地下面。這樣一來，選手的啟動時間、穿越終點的時間以及比賽進程全部盡收眼底，被錄像后播出，供裁判進行實時判罰。
　　保持計時準確性的絕招
　　盡管大部分比賽用時對外公布時只精確到百分之一秒，但奧運會計時標準要求比賽計時精確至毫秒。即便是出現了極其微小的誤差，計時員也必須做好最壞的打算。以下是計時員保持計分準確的幾大“絕招”。
　　“智能”系統：由于擔心遇到電纜被切斷或某一設備停止工作，每一套計時系統均擁有最多四套備用系統。一旦某一設備失靈，這些系統會自動開啟，這樣一來，計分結果不會丟失(奧運比賽可沒有重賽)。一些冗余系統(redundant system)通過時間同步打印機將數據打印出來，從而給數據備份。而其他一些冗余系統則確保時間可以通過計分板和互聯網及時傳遞至觀眾和媒體，讓他們對賽果有實時了解。此外，安設于起點線和終點線的激光和紅外光束并非一直不變，相反，它們不斷地快速閃爍，以便不會被背景燈或降雪的變化所干擾。信號只有在光束連續中斷多次之后才發送給計時鐘。
　　自動防故障裝置：因為諸多運動員存在“搶跑”的問題，計時員此時還必須起到裁判員的作用，用以保留參賽選手得分的精確性。科學家研究發現，普通人對刺激(如發令槍)的反應為十分之一秒，而在奧運會賽場，如果運動員的啟動時間遲于發令槍響后十分之一秒，就會有專門的系統停止計時鐘工作，因為這意味著他在發令槍響前之開始“反應”。
　　為測量這種反應，田徑和游泳比賽中使用的起動器均安裝有電子壓力板，發令槍響前選手雙腳放在上面。作為壓力的第一跡象(選手腳蹬住起跑器)，起跑器向計時臺發送信號。如果選手的反應時間被確定為低于十分之一秒，計時鐘會自動停止運轉，同時告警信號發送至計時官員耳機重新進行比賽。通常情況下，搶跑的選手會失去比賽資格。
　　在游泳接力比賽中，反應時間經由兩個方法確定，一是比賽啟動的時間，二是每名選手“加標簽于”隊友。如果隊友在第一名選手碰到泳池觸摸板后不到十分之一秒即跳離起跑器，那么他之后的選手則會因錯誤啟動而失去比賽資格。在這兩種情況下，高速視頻攝像機還在水平時標下記錄下運動員的比賽過程，以出現防爭議時進行解決。
　　爭議中進步——因為奧運官方計時器備有高度冗余的系統，及具有數字和視覺數據的多個計時設備，那么裁判員通過分析，有關計時方面的爭議通常會快速得到解決。不過，一旦選手的投訴最終被證實正當，一般情況下，往往會導致對現有計時技術的研究和開發。
　　例如，在德國選手西爾克·克勞斯哈爾(Silke Kraushaar)1998年獲得無舵雪橇金牌之后，裁判分析發現光電傳感器具有精確至兩毫秒的誤差，這恰恰是克勞斯哈爾勝出第二名的時間。由于擔心這一系統的精確度，時任美國奧委員會首席工程師的湯姆·威斯滕伯格(Tom Westenburg)開發出高速調制(high-modulation)、三重冗余(triply-redundant)的系統，精確度小于半毫秒，目前一些比賽還在使用這套系統。

新發現的奧林匹克計時器

　　奧運計時百年歷史
　　盡管奧運會歷史可追溯至公元前776年，但奧運計時技術的歷史僅僅始于100年多前。以下便是奧運計時技術百年重大突破一覽：
　　1896年希臘雅典奧運會：首屆“現代”奧運會，出現了用于確定選手時間的計時表----浪琴表(Longines)制造的手動計時懷表，當時的精確度只有1/5秒。
　　1912年瑞典斯德哥爾摩夏季奧運會：首次使用電子計時和終點攝影。
　　20世紀20年代：比利時安特衛普夏季奧運會；法國巴黎夏季奧運會；荷蘭阿姆斯特丹夏季奧運會：首次使用計時器，精確度達到百分之一秒。
　　1932年美國洛杉磯夏季奧運會：1932年之前，所有比賽都是人工計時，由每個計時員寫下自己記錄下的時間，但從本屆奧運會開始，歐米茄(現為斯沃琪集團旗下子公司)被命名為奧運會第一個官方計時器提供商。68年后的悉尼奧運會上，歐米茄派出的技術人員與計時器的重量已經躍變為32名、3.50噸。
　　這家瑞士鐘表公司的產品是詹姆斯·邦德的最愛，保持著22次作為奧運會官方計時器提供商的記錄；引進“科比相機”(Kirby camera)，可以同時對終點線拍照，以及每次拍攝都留有“時戳”(time-stamp)的精密時計。1932年洛杉磯奧運會后，機械表的計時精確度在鐘表師的不斷創新中逐漸提高，從1/5秒、1/10秒到1/100秒，為運動比賽的計時提供了越來越嚴密的保障。
　　1948年瑞士圣莫里茨冬季奧運會：首次使用光電管，用于終點攝影的狹縫攝影機(Slit camera)，被人們俗稱為“魔眼”。“魔眼”所拍攝的照片可以解決終點裁判肉眼無法判斷的勝負之爭，使得惱人的麥布里奇線從此逐漸退出了奧運賽場。以前這條線與機械秒表相連，只有被沖過終點的冠軍運動員奮力撞斷，秒表才會停止。“魔眼”的所有功能均為電子控制，可以達到精確度極高的1/1000秒，超越了此前所有的設備。
　　1952年芬蘭赫爾辛基夏季奧運會：歐米茄計時器(OTR)首次采用石英鐘并打印比賽成績，一舉為公司贏得國際奧委會頒發的“十字勛章”；時鐘增加至狹縫攝影機上，用以自動時戳記錄，精確度達到百分之一秒。
　　1964年日本東京夏季奧運會：歐米茄再次發力，“Omegascope”技術的研發成功給關注奧運會的電視觀眾帶來了福音，因為這一裝置可以將時鐘疊放在電視屏幕上，選手比賽時間首次在電視上直播公布；首次成為奧運會官方計時器提供商的日本精工，將發令槍同石英鐘和終點攝影攝像機聯系在一起。
　　1968年墨西哥墨西哥城夏季奧運會：觸摸板首次用于記錄水上項目比賽時間。這個觸摸板高90厘米，寬240厘米，三分之二都沒在水中，它們可以對游泳選手最輕微的觸摸作出反應，但是卻不會受到池水運動的影響。因此，參賽選手不再需要像從前一樣親自去按停計時表。
　　1972年德國慕尼黑夏季奧運會：首次測算參賽選手反應時間，并在計時中加以考慮；選手成績的官方時間精確至百分之一秒，而非之前的十分之一秒。
　　1976年加拿大蒙特利爾夏季奧運會：電子計分板首次用于實時顯示比賽成績，這種計分板可以顯示除了時間以外的點數和分數等信息。
　　1988年韓國漢城夏季奧運會：賽事官員除了記錄計時數據，還首次可以處理計時數據。首次使用了計算機計時來測量、分配以及打印時間，還可在其存儲器中存儲信息，用于分析體育運動的細節。數字化奧運會時代來臨。
　　1992年法國阿爾貝維爾冬季奧運會：電子終點攝影技術首次實現同計時系統的完美結合。觀眾可以通過電子計分板觀看終點現場的情況，實時播報進一步發展。
　　1996年美國亞特蘭大夏季奧運會：自行車和馬拉松比賽中首次采用無線應答器。
　　2002年美國鹽湖城冬季奧運會：雪橇比賽中紅外光束取代光電管；無線應答器首次用于遠距離滑雪比賽。
　　2004年希臘雅典夏季奧運會：終點攝影機每秒可拍攝1000張照片；沙灘排球引入雷達測速儀(Radar gun)。
　　2008年北京奧運會：官方指定計時商歐米茄將創紀錄地使用700名技術人員、400噸重的器材。除擔任計時任務外，還會提供數據處理和場館比賽結果服務。如今的奧運計時，已經遠遠超出了我們的想象。

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