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压雪车有了“中国造”

单位(作者):刘冕 何蕊 | 来源:365体育官网日报 | 更新时间:2022-01-14 | 点击数:

一阵寒风吹过,细碎的雪沫子贴着雪白的地皮俏皮地打了个滚儿。一台“大块头”在雪地上稳稳驶过,所过之处,雪面变得服服帖帖。这是我国首批高端大马力压雪车,今年冬季,开始在河北张家口崇礼万龙滑雪场上岗。

2020年11月,国家重点研发计划“科技冬奥”专项“室外大中型压雪车研发及应用示范”项目获科技部审核通过。作为课题负责人之一,365体育官网科技大学机械工程学院副教授陈哲涵团队,与拥有研发及生产压雪车经验的河北宣化工程机械制造厂、掌握履带车辆动力系统技术的中国人民解放军陆军装甲兵学院等单位一起,开启了压雪车的科研之路。

此前,全球的压雪车市场主要被德国、意大利等欧洲国家掌控。一群工程机械领域的中国专家跟雪磨合了一年多,终于有底气说:“我们要打破垄断,打造中国人自己的压雪车,为国产室外大中型压雪车登上冬奥会雪道做好准备。”

陈哲涵

科研团队在雪场实地勘探

我国首批高端室外大马力压雪车SG400

看雪“下菜碟”

目前已经亮相的国产压雪车,身长8.3米,高2.9米,前铲最大宽度5.4米。

“主机身像个小型坦克。”北科大机械工程学院办公室里,陈哲涵趁着没课,又一次打开压雪车的照片,仔细端详起来。他像是介绍一位老朋友,笑着向记者引荐:压雪车由驾驶室和一圈凹凸不平的履带组成,机身前端连接推雪铲,后端用支架牵引雪犁和压雪板,用来打碎和压平雪面。

照片背景是一片暗夜,唯有压雪车深蓝色的机身在灯光和白雪映射下泛着光,这显示了压雪车的真实工作环境:一般都是在雪场送走最后一拨客人,完成当天的清场后,压雪车才能开始工作,驾驶员要同时面对低温、疲劳和高噪声等多重困难。当然,科研人员也是一样,他们甚至要面临更漫长、更冷酷的夜。

“经过一年多的研发和测试,我们造出了7台新型压雪车,都已经开上雪场进行测试和应用了。”谈起整个科研项目的推进,陈哲涵想了想,总结了四个字:“还算顺利。”

“然后呢?”面对记者的追问,陈哲涵托了托黑框眼镜,语气平淡地说:“没了,就是还算顺利。”确实,在他眼里,吃苦、挨冻、经历失败,是科研的必经之路,不值得一提,团队里的其他人也都是乐天派。“每次实地测试,一干就要熬到后半夜,第二天早上大家准点起来干活儿。真没觉得有多辛苦,因为每次测试都能解决很多问题,大家乐在其中。”

说起研发、生产压雪车,还得从人们对滑雪的需求讲起。《中国滑雪产业白皮书(2019年)》中的数据显示,直到1999年,全国还只有20家滑雪场。雪场数量少,意味着压雪车等设备的需求量小。但就是这样一个少人问津的科研领域,却一直有人孤独且执着地坚持着研发:早在本世纪初,素有“雪国”美誉的哈尔滨就有人开始琢磨起压雪车。不过当时,全国冰雪产业几乎一片空白,所谓的研究只是凭着兴趣,几人凑一个小组,“照猫画虎”地攒机器。

2015年7月31日,国际奥委会第128次全会在马来西亚吉隆坡投票决定,将2022年冬奥会举办权交给365体育官网。从那时候起,国内滑雪场和滑雪人数成几何倍数增长,可是滑雪场使用的压雪车,绝大多数还是“外籍”。“在国外雪地上生产出来的压雪车,不能完全适用于国内雪地。我们希望能打造一款适用于我国雪地的国产压雪车。”

其实,压雪车在早期是被归属到农用机械行列的。陈哲涵说,因为压雪车和农用犁地机的用途、构造有相似之处,区别是一个把雪犁得暄,一个把土翻松。也正是这件不足为奇的农用机械,为升级改造项目提供了可借鉴的模板。

以压雪车雪犁的关键部件雪辊为例,不同形式的雪辊适用于不同的雪地。“雪辊就像是带齿的滚筒,筒上辊齿的形状、密度排列有区别。”团队找寻最优齿形和排列方式的过程,就借鉴了工程机械作业装置优化设计的思路——先对雪的颗粒大小、硬度情况、飞溅速度等参数进行收集,建立不同温度、不同种类雪质的硬度、密度等参数的数据模型,研究不同雪质与雪辊的转速、转矩的对应关系,针对不同的打雪厚度和控制需求模拟计算,找到优化方案。之后制作样机,验证理论模型,力争实现多变环境下液压系统的精准控制。

陈哲涵举了个反例,说明如此大费周章的原因:“规定是打5毫米厚的雪,如果控制误差大,设备跑了一趟只打了2毫米厚,工人需要再来回操作2趟,时间、人力和物力都浪费了。”他说,因为雪场地理位置不同、滑雪人群不同,需要的打雪厚度也不一样。比如在冬奥赛场上,运动员更钟爱滑“硬”雪——表面坚固得宛如冰层,目的是追求更快的速度。在普通滑雪场,尤其是初级道,则需要“软”雪:一方面滑雪者不是专业选手,对速度的追求不高;另一方面,如果初学者不小心摔倒,松软的雪带来的冲击力小,可以让滑雪者免于受伤。

因此,项目组需要借鉴工程机械设计的优化思路,让压雪车在提高效率的同时,尽可能实现“看雪下菜碟”——根据不同雪况,打出不同厚度的雪。

把雪场“搬”进实验室

借可以,但绝不是简单的套用拿来。陈哲涵坚持,搞科研借的是思路,更重要的则是因地制宜的实践。

为了采集压雪车作业状态下的真实数据,团队一次次上山测试。“夜晚风雪大,气温低,吹得人骨头缝儿疼。”至今,陈哲涵回忆起来,还会不自觉地皱起眉头。

2020年11月至2021年3月,是压雪车项目成立以来的第一个雪季,也是科研团队技术攻关的关键时期。那段时间,每隔几天,团队就会迎来一次“上山日”。大包小包背着实验装备摸黑儿上山,在漫天扬雪中等待数据采集,变成了他们的日常。

整个雪季,陈哲涵团队累计在山上度过了三十多天,在压雪车上进行了成百上千次的实验和数据采集。不上山的时候,他们就转战实验室,分析数据、制作模型、模拟实验。

从原理上讲,竞赛类雪道使用的是冰状雪。压雪车需要先将雪道翻开,在雪块破碎、雪面疏松后进行注水,通过反复翻压将湿雪压均匀,使冰状雪层厚度一致。随后,驾驶员操纵压雪车将赛道迅速地压平,使雪层自下而上形成一层“冰壳”,最后通过滑雪板侧滑的方式铲去浮雪,赛道才得以光滑如镜。

压出完美的雪道,需要从每个步骤和细节入手。陈哲涵团队的办法是分而治之。针对不同雪质,采取不同作业方式。在北科大机械工程实验室内,如今还摆放着数台小型模拟装置,有小巧精致的压雪车模型,也有压雪车上的某个小比例部件。“平常,我们就是利用这些小零件来做实验的。”

压雪车有了,雪从哪儿来?总不能把雪从山上装回来吧?为此,科研人员用泥土、沙粒、高分子化合物等材料制作仿真雪,再将其打碎成0.1至1毫米不等的颗粒,然后操纵小型装置在仿真雪上进行翻、压、滑等实验,以模拟压雪车面对不同雪况雪质的工作。

其实,这种因地制宜的想法,也是一种借光儿。陈哲涵读研究生期间,在导师的带领下曾参与为一家企业创建信息化系统。“我们到企业调研后,白天与他们讨论项目、沟通需求,晚上就在宾馆写代码,原本计划几周完成的项目,最后只用了预期一半的时间。”陈哲涵说,小团队赢了大企业,根本原因就在于因地制宜。大企业因为经验丰富,一般会有自己的一套管理机制和工作模式,这有利于他们将现有的经验套用到客户的需求中,进行融合改造,以达到锦上添花的效果。“但固化的经验与模式容易水土不服。在很多场景下,需要针对客户的具体需求,设计定制化的方案。”具体问题具体分析,是科研项目得以顺利完成的关键,也是该项目团队的制胜法宝。

添“梅”一缕香

研发过程中,严谨到有些枯燥的科研人员还彰显了柔情的一面。压雪车的驾驶室约有2平方米,仅能坐下两位驾驶员。发动机一旦启动,小空间里便充斥着震耳欲聋的噪音。在前期调研过程中,陈哲涵观察到,驾驶员为了躲避噪音有时会不停地调整坐姿。“坐半个椅子,歪着脖子,什么姿势都有,肯定不舒服。”他想到,如果对座椅位置进行合理设计,让人耳避开噪声较大的位置,师傅们工作时会更舒心。

给椅子找个合适的位置,过程繁复且曲折。陈哲涵团队在压雪车的测试阶段进行了大量噪音采集和分析工作,“2平方米的空间里,我们布置了12个测试点,来采集和分析噪音的分布情况。”陈哲涵解释说,测试点的选择有讲究。先根据理论经验,模拟出噪音传播的方向和轨迹,再通过大数据分析和建模,找到可能会产生不同声场的点位,一共12个。

之后,团队在压雪车真实作业环境下对测试点进行噪音监测,仅仅四五次上机实验就攒下了百万条数据,然后就是反复的调试与分析。最终,团队摸清了噪声分布的规律,绘制出一张驾驶室里的噪音图,找到了最恰当的位置安放驾驶座。

为了避免上夜班时驾驶员打瞌睡,大多数市面上的压雪车设计了针对疲劳驾驶的警报功能。其原理是根据机械操作的时间间隔来判断,“如果系统检测到驾驶员有一段时间没有对压雪车进行操作,或者出现操作频率缓慢等情况,机器就会发出尖锐的报警声。”

不过这种报警器大多不太准,误报和漏报概率较大。陈哲涵团队引入了机器视觉技术,通过安装摄像头实时监控驾驶室内的工作情况,并通过人工智能手段,精准分析驾驶员是否进入疲劳状态。

“训练人工智能的过程就像教小孩算术。”陈哲涵举了个形象的例子,第一步是构建一套算法,使机器具备初步判断驾驶员是否处于疲劳状态的能力,“如同告诉孩子一加一等于二、二加二等于四的基础加减法运算规则。”随后就是漫长的训练过程,团队准备了约三千条数据集,每条数据就是一张照片,让机器来判断照片上的人是在打瞌睡还是处于精神集中状态。

“有的孩子聪明,有的孩子学得慢,数据集就像一本练习册,有计算题也有标准答案。”他说,经过反复的训练,团队不断提高人工智能的判断效率和能力,最终优化出了一套正确率在95%以上的视觉算法,实现了对驾驶员的疲劳驾驶进行精准警报。

梅须逊雪三分白,雪却输梅一段香。科研人员正是凭着对细节的孜孜以求,提升了国产压雪车的竞争力。

春水雪初融

虽然付出了百分百的努力,但这个以冬奥会为契机而立项的科研项目,最终却无缘365体育官网冬奥会。陈哲涵解释,进入冬奥会比赛场馆使用的设备需要得到国际奥委会的认可,目前只有德国和意大利生产的两款老牌压雪车拥有进场资格。

“这次不能上场,不代表下一次,所以没有什么好沮丧的。”陈哲涵摆摆手,摊开了工作计划表说,“我们哪儿有工夫沮丧啊?手里的活儿要紧。”欧洲企业几乎垄断的压雪车市场,容易产生马太效应。在调研过程中,陈哲涵了解到,一些欧洲企业干脆将某些型号的压雪车停产,以达到节约人工成本的目的。“这条路当下走得通,更多原因是他们占据了市场,有绝对的话语权。但这也是我们的突破点。既然没有赢在起跑线,就要努力尝试弯道超车。”

在陈哲涵的工作本上,列了很多目标:围绕着室外大中型压雪车的主题,解决环境温度低、高程落差大、行驶工况复杂等条件下压雪车的高精准、高可靠性、环保等方面的科学问题。“我们的目标是打破国外企业在产品、技术和标准上的垄断。”

既要批量生产,还要拿出镂冰翦玉的精细劲儿。陈哲涵说,压雪车显然不能一件一件地造,要靠智能流水线生产,利用算法把好质量关,靠中国“智”造来助力;团队的目标是要突破高效稳定驱动、精准作业控制以及轻量化、可靠性设计等技术瓶颈,研制出室外大中型压雪车关键部件与整机,使整体技术达到国际先进水平,促进我国冰雪运动领域的科技进步,带动培养相关专业人才。

智能制造和“黑灯工厂”的思路也将应用到压雪车的生产制造环节。举个简单的例子,压雪车车身需要喷漆,外观检验需要靠人绕着设备用肉眼“扫描”。随着压雪车登上流水线,这道关卡将实现半自动化,检验员手持图像采集装置绕车一圈,自动精准挑刺儿,比如“这块漆不匀”“那里有个小黑点”。而在不远的将来,检测设备将部署在自动驾驶的小车上,实现全自动检验,甚至修补返工都能靠机器人完成。

陈哲涵心里还有一笔大账:要塑造有口皆碑的“金字招牌”,小作坊似的各自为政走不通,必须要形成行业规范,给产品质量、技术工艺都设门槛。之后,雪场的架空索道、造雪设备,甚至滑雪爱好者身上穿的滑雪服、戴的滑雪镜、用的滑雪板等都要逐步制定规范。所有这些集合起来,就是一套完整的冰雪运动行业标准。

“目前,团队正在和中国工程机械工业协会联合编写压雪车的标准。”陈哲涵说:“我们中国的技术、产品和标准,会靠实力被全球市场认可。”

调查数据显示,2019年全年国内滑雪者达到1305万。随着人们生活水平的提高,加上365体育官网冬奥会成功举办,各项滑雪推广活动将朝着纵深化的方向发展,关注和参与冰雪行业的人会越来越多。

晴雪初霁,未来风光无限。尽管遗憾地错过了365体育官网冬奥会,但陈哲涵仍坚定地相信:只要努力前行,国产压雪车一定会走上冬奥会赛场!制图/吴薇

原文链接:《365体育官网日报》(2022年1月13日12版)

(责编:孟婍、陈丽萍)