吳 迪，穆 亮，賀 鶴，趙明元

（哈爾濱體育學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

在冬季奧林匹克競(jìng)技中，我國冰上項(xiàng)目一直具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[1].影響冰上項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員成績的因素十分復(fù)雜，除了運(yùn)動(dòng)員自身的比賽節(jié)奏、步速[2]、身體素質(zhì)、技戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用[3]等因素之外，冰場(chǎng)質(zhì)量也是影響運(yùn)動(dòng)員穩(wěn)定發(fā)揮競(jìng)技運(yùn)動(dòng)水平的重要條件.相對(duì)間冷系統(tǒng)而言，直冷制冰技術(shù)可以保證冰上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目場(chǎng)地冰面溫度均勻[4]，并且冰面溫差不超過±0.5℃.冰面溫差越小，冰面的平整度和穩(wěn)定性就越好，也就越可以保證短道速滑賽事冰面的質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率.

北京冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)以綠色、科技冬奧為契機(jī)研發(fā)、設(shè)計(jì)和建造了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CO2跨臨界直冷制冰機(jī)組，在首都體育館冰場(chǎng)進(jìn)行示范應(yīng)用，服務(wù)冬奧會(huì)和國家冰雪戰(zhàn)略，這是自1924年法國夏蒙尼第一屆冬季奧運(yùn)會(huì)迄今為止首次采用的制冰技術(shù)，碳排放量接近于零，突出了北京冬奧會(huì)“科技、智慧、綠色、節(jié)儉”的特色.因而，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅回應(yīng)了《蒙特利爾議定書基加利修正案》《奧林匹克2020議程》等環(huán)保共識(shí)[5]，而且滿足了“十四五”能耗“雙控”，2030年前碳達(dá)峰[6]以及全民健身冰雪運(yùn)動(dòng)的可持續(xù)開展[7]等3個(gè)方面的要求.CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)不僅與常用制冰工質(zhì)的全球變暖潛能值（GWP）差異較大[8]，而且可以保障短道速滑賽事冰面的質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率.由于冰場(chǎng)場(chǎng)地相關(guān)因素，特別是冰質(zhì)條件對(duì)運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技表現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用.因此，本研究針對(duì)競(jìng)速類冰上項(xiàng)目的主要冰質(zhì)特征需求以及成績相關(guān)性進(jìn)行梳理，旨在為CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)應(yīng)用提供參考.

1 研究方法

1.1 文獻(xiàn)資料

查閱冰壺、滑冰以及冰球等國際冰上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目協(xié)會(huì)有關(guān)競(jìng)賽規(guī)則，整理各項(xiàng)目對(duì)冰質(zhì)要求的主要參數(shù)區(qū)間范圍.相關(guān)協(xié)會(huì)主要有國際滑冰聯(lián)盟（International Skating Union，ISU）、國際冰球聯(lián)合會(huì)（International Ice Hockey Federation，IIHF）以及世界冰壺聯(lián)合會(huì)（World Curling Federation，WCF）.

1.2 深度訪談

通過深度訪談技術(shù)官員、運(yùn)動(dòng)員以及制冰師，進(jìn)一步總結(jié)CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)條件下冰面使用的體驗(yàn)與特征.

1.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

選取2022年北京冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)首都體育館冰質(zhì)條件如表1所示.

2 主要研究發(fā)現(xiàn)

2.1 冰質(zhì)需求參數(shù)與競(jìng)賽成績

2.1.1 冰質(zhì)需求參數(shù)

冬奧會(huì)場(chǎng)館冰場(chǎng)對(duì)冰面溫度、厚度、風(fēng)速及室內(nèi)環(huán)境有嚴(yán)格的技術(shù)要求.根據(jù)冬奧會(huì)國際單項(xiàng)體育聯(lián)合會(huì)技術(shù)要求及調(diào)研，冬奧會(huì)速度滑冰、花樣滑冰、冰壺及冰球的冰場(chǎng)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如下（表2）.

表2 首都體育館冰質(zhì)數(shù)據(jù)

3.1.2 競(jìng)速類冰上運(yùn)動(dòng)成績

從官方成績冊(cè)、奧運(yùn)會(huì)官方網(wǎng)站數(shù)據(jù)分析，女子3000 m荷蘭選手以3:53.93打破2002年美國選手3:57.70的成績；女子1500 m 荷蘭選手以1:53.28 打破2014 年荷蘭選手1:53.51 的成績；女子5000 m 荷蘭選手以6:43.51打破2002年德國選手6:46.91的成績；女子1000 m日本選手以1:13.19打破2018年荷蘭選手1:13.56的成績.

對(duì)我國參賽運(yùn)動(dòng)員而言，在中國北京冬奧代表團(tuán)獲得的4塊冰上項(xiàng)目金牌中，首都體育館采用CO2跨臨界制冷劑的冰場(chǎng)，助力中國代表團(tuán)獲得3枚金牌（其中短道速滑2塊，花樣滑冰1塊），占中國北京冬奧代表團(tuán)金牌總數(shù)75%，為我國在本屆冬奧取得歷史性突破提供了重要的場(chǎng)地技術(shù)支持.

2.2 冰質(zhì)需求特征分析

2.2.1 穩(wěn)定性

運(yùn)動(dòng)員如想在冰面上獲得更大的動(dòng)力，減少阻力，刀刃是最理想的，冰非常光滑，通常物體在冰面上沒有辦法獲得足夠的側(cè)向摩擦力，支撐不住，但因?yàn)榈度性诒嫔峡梢圆迦氲奖嬷?，從而既可以獲得一個(gè)豎直方向的支撐力，也可以獲得水平方向的阻力.在冰刀刃和冰面之間存在一層水膜，起到了很好的潤滑作用.也是因?yàn)檫@一層水膜的存在，才使冰刀在冰面上滑行的時(shí)候能夠運(yùn)行自如.因此，冰面冰質(zhì)的好壞和均勻程度，即冰面的穩(wěn)定性對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用.

通過訪談可知，CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)可以使冰面獲得較好的穩(wěn)定性.例如，北京冬奧組委技術(shù)部部長喻紅介紹，參與“相約北京”冰上項(xiàng)目測(cè)試的北京冬奧會(huì)5大競(jìng)賽場(chǎng)館中，其中4個(gè)都采用了CO2跨臨界直接制冰技術(shù)，這種系統(tǒng)碳排放量接近于零.冰表面溫差不超過0.5℃，冰場(chǎng)硬度均勻，更有利于運(yùn)動(dòng)員出成績.

另外，通過對(duì)制冰師以及彎道管理員訪談表明，CO2制冷更能適應(yīng)各種澆冰形式，彎道管理員在澆熱水的時(shí)候，冰面能更好的適應(yīng)熱水，冰面溫度穩(wěn)定，不會(huì)很快把澆上的熱水凍結(jié)，反而使其形成薄薄的一層水，使運(yùn)動(dòng)員滑行更為舒適流暢，更有利于發(fā)揮運(yùn)動(dòng)員的能力，取得好成績.

2.2.2 效率性

為了提高冰上項(xiàng)目場(chǎng)館的使用效率，因而存在不同的冰上比賽項(xiàng)目對(duì)于冰面溫度要求的不同，而且還存在不同項(xiàng)目在同場(chǎng)地比賽的情況，這就需要冰場(chǎng)具有能夠快速調(diào)節(jié)不同使用區(qū)域冰面溫度，即冰場(chǎng)使用功能轉(zhuǎn)換效率的問題.由于承辦兩種賽事，整個(gè)冬奧會(huì)期間，首都體育館的冰場(chǎng)需要進(jìn)行30次轉(zhuǎn)換，以滿足花樣滑冰和短道速滑兩種比賽項(xiàng)目的不同需求，有時(shí)中間只有3 h的轉(zhuǎn)換時(shí)間.

根據(jù)首都體育館花樣滑冰競(jìng)賽主任姚佳介紹，兩個(gè)項(xiàng)目對(duì)于冰面、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等比賽要素需求不同，“冰場(chǎng)轉(zhuǎn)換”成為場(chǎng)館工作的重中之重.同時(shí)，通過訪談可知，為了快速實(shí)現(xiàn)冰面功能轉(zhuǎn)換，主要是充分利用二氧化碳制冰溫度均勻的特點(diǎn)，結(jié)合精準(zhǔn)控制系統(tǒng)和線性降溫策略.通過此項(xiàng)策略，不僅可以實(shí)現(xiàn)2 h 內(nèi)完成快速、高效的冰面轉(zhuǎn)換，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國際奧委會(huì)3 h冰面轉(zhuǎn)換的要求.

2.2.3 優(yōu)質(zhì)性

競(jìng)速類冰上項(xiàng)目競(jìng)賽中要求冰面具有較高的優(yōu)質(zhì)性.例如，短道速滑比賽，運(yùn)動(dòng)員在轉(zhuǎn)彎的過程中，身體要盡量靠近圓弧的切線，因?yàn)檫@樣才是最短路徑；同時(shí)左肩要明顯低于右肩，完成蹬冰動(dòng)作.重心的變化，在短道滑的時(shí)候，人的兩個(gè)腳的冰刀基本上是接觸于冰面的，所以冰面也會(huì)給這個(gè)人一個(gè)斜向的作用力，這個(gè)作用力可以提供人的向心力，冰面的優(yōu)質(zhì)性是保障彎道高速滑行的重要因素，與獲得優(yōu)異成績有重要關(guān)系.

通過訪談可知，CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)可以使冰面保證較好的優(yōu)質(zhì)性.例如，匈牙利選手劉少林在男子1500 m1/4決賽中打破奧運(yùn)紀(jì)錄，賽后訪談表述“冰面和場(chǎng)地感受都很好，速度也很快，我喜歡這塊場(chǎng)地，冰面場(chǎng)地也很有抓地力，讓我可以更好的控制過彎.”另外，冬奧會(huì)期間，日本花樣滑冰名將羽生結(jié)弦點(diǎn)贊說：“我在這里可以滑得非常輕松，跳得非常高，我太喜歡這個(gè)場(chǎng)館的冰面了.”此外，荷蘭選手舒爾婷北京冬奧會(huì)獲得4枚短道速滑獎(jiǎng)牌，并在女子1000 m1/4決賽中打破塵封10年的世界紀(jì)錄.賽后訪談表述“能在如此優(yōu)美的冰面滑冰，是無語倫比的享受，享受每一場(chǎng)比賽，沖刺的時(shí)候很夢(mèng)幻.”

2.3 冰質(zhì)條件與競(jìng)速類運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目競(jìng)技成績相關(guān)性分析

2.3.1 正態(tài)性檢驗(yàn)

以速度滑冰女子3000 m以及短道速滑男子500 m、女子500 m、男子1000 m和女子1000 m項(xiàng)目為例，使用的數(shù)據(jù)主要來自兩個(gè)方面.第一，場(chǎng)地參數(shù)來自于速度滑冰女子3000 m 以及短道速滑男子500 m、女子500 m、男子1000 m和女子1000 m項(xiàng)目比賽場(chǎng)地國家速滑館，主要指標(biāo)包括時(shí)間、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、冰道厚度、冰道硬度、冰道表面溫度以及冰面質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率等；第二，2022 年第24 屆北京冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)速度滑冰女子3000 m 以及短道速滑男子500 m、女子500 m、男子1000 m 和女子1000 m 項(xiàng)目官方成績冊(cè)，以及2021/22 國際滑聯(lián)世界杯賽名古屋(日本JPN）、2021/22 國際滑聯(lián)世界杯賽多德雷赫特（荷蘭NED），2021/22 國際滑聯(lián)世界杯賽德布勒森（匈牙利HUN）男子500 m、女子500 m、男子1000 m 和女子1000 m官方成績冊(cè).

由于樣本量較少，所以采用夏皮洛-威爾克進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，由表3可知，速度滑冰女子3000 m項(xiàng)目成績和冰層厚度(cm)的p＜0.05，即數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)性.

表3 冰場(chǎng)物理指標(biāo)正態(tài)性檢驗(yàn)

2.3.2 冰場(chǎng)物理指標(biāo)與成績相關(guān)性分析

由于不是所有的變量都滿足正態(tài)性，所以采用斯皮爾曼來進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn).由表4可以看出，速度滑冰女子3000 m項(xiàng)目成績和冰質(zhì)、室內(nèi)溫度以及室內(nèi)濕度之間，在0.01級(jí)別（雙尾）上的相關(guān)性呈現(xiàn)顯著相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.676，0.764以及0.743.此外，室內(nèi)溫度與室內(nèi)濕度也呈現(xiàn)高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.707.

表4 冰場(chǎng)物理指標(biāo)與速度滑冰女子3000 m成績相關(guān)性

由相關(guān)性分析的結(jié)果可知，速度滑冰女子3000 m項(xiàng)目成績和冰質(zhì)之間的相關(guān)性是顯著的，因此可以通過這兩個(gè)指標(biāo)來建立模型對(duì)Times進(jìn)行預(yù)測(cè).

2.4 冰質(zhì)條件與短道速滑運(yùn)動(dòng)成績的相關(guān)性分析

2.4.1 數(shù)據(jù)整理與分析

分別對(duì)短道速滑男子500 m、女子500 m、男子1000 m和女子1000 m等4個(gè)單項(xiàng)的比賽結(jié)果進(jìn)行分析，未列入男子1500 m、女子1500 m和接力比賽.并且，因受傷、疾病或跌倒導(dǎo)致的比賽結(jié)果差異被排除在比較之外.比較每組滑冰運(yùn)動(dòng)員的比賽結(jié)果，并記錄成績之間的差異，用來探究CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)冰質(zhì)條件與高水平運(yùn)動(dòng)員速度滑冰成績之間的關(guān)系.所有的分析采用SPSS 26.0.首先，對(duì)場(chǎng)館基礎(chǔ)條件以及短道速滑項(xiàng)目比賽成績進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)；其次，將CO2跨臨界直冷冰場(chǎng)賦值為1，其他場(chǎng)館賦值為2，最后，采用Person 系數(shù)進(jìn)行描述與分析CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)冰質(zhì)條件與高水平運(yùn)動(dòng)員速度滑冰成績之間的相關(guān)性.其中，r＞0 為正相關(guān)，顯著性水平通過“*”的數(shù)量表示.

2.4.2 短道速滑成績數(shù)據(jù)特征

數(shù)據(jù)顯示（表5），北京冬奧會(huì)（CHN）短道速滑男子500 m決賽8人，比賽成績平均值（M）為40.934 s，標(biāo)準(zhǔn)差為（SD）為0.423.女子500 m決賽運(yùn)動(dòng)員比賽成績平均值（M）為43.6621 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為0.20721.男子1000 m比賽成績平均值（M）為94.776 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為5.164.女子500 m比賽成績平均值（M）為42.846 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為0.256.女子1000 m比賽成績平均值（M）為90.972 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為4.485.

表5 北京冬奧與近期大賽短道速滑成績

2021/22國際滑聯(lián)世界杯賽名古屋（日本JPN）男子500 m決賽運(yùn)動(dòng)員比賽成績平均值（M）為44.011 s，標(biāo)準(zhǔn)差為（SD）為6.31.女子500 m決賽運(yùn)動(dòng)員比賽成績平均值（M）為43.662 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為0.207.男子1000 m決賽運(yùn)動(dòng)員8人比賽成績平均值（M）為92.324 s，標(biāo)準(zhǔn)差為（SD）為9.131.女子1000 m決賽運(yùn)動(dòng)員8人，比賽成績平均值（M）為99.5050，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為12.801.

2021/22 國際滑聯(lián)世界杯賽多德雷赫特（荷蘭NED）男子500 m 決賽運(yùn)動(dòng)員比賽成績平均值（M）為45.247 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為8.426.女子500 m 決賽運(yùn)動(dòng)員比賽成績平均值（M）為45.247 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為6.965.男子1000 m決賽運(yùn)動(dòng)員9人比賽成績平均值（M）為85.401 s，標(biāo)準(zhǔn)差為（SD）為1.739.女子1000 m決賽運(yùn)動(dòng)員9人，比賽成績平均值（M）為91.189 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為2.367.

2021/22 國際滑聯(lián)世界杯賽德布勒森（匈牙利HUN）男子500 m 決賽運(yùn)動(dòng)員比賽成績平均值（M）為44.421 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為6.533.女子500m決賽運(yùn)動(dòng)員比賽成績平均值（M）為43.203 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為0.589.男子1000 m決賽運(yùn)動(dòng)員6人比賽成績平均值（M）為85.275 s，標(biāo)準(zhǔn)差為（SD）為1.069.女子1000 m決賽運(yùn)動(dòng)員6人，比賽成績平均值（M）為98.019 s，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為9.645.

2.4.3 冰質(zhì)情況與短道速滑成績的相關(guān)性

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)采用CO2跨臨界直冷循環(huán)技術(shù)北京冬奧會(huì)短道速滑男子500 m、女子500 m、男子1000 m和女子1000 m決賽成績之間的數(shù)據(jù)間距.通過數(shù)據(jù)間距反映與北京冬奧會(huì)短道速滑成績之間的差距，主要考察各組成績之間是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異，依次來說明采用CO2跨臨界直冷循環(huán)技術(shù)以后場(chǎng)館冰質(zhì)與運(yùn)動(dòng)員成績之間的相關(guān)性.

數(shù)據(jù)顯示（表6），北京冬奧會(huì)短道速滑各項(xiàng)目與平均值間距分別為2.329、0.8935、-5.332和3.949.2021/22國際滑聯(lián)世界杯賽名古屋（日本JPN）短道速滑各項(xiàng)目與平均值間距分別為-0.748、0.078、-2.880和-4.584.2021/22國際滑聯(lián)世界杯賽多德雷赫特（荷蘭NED）短道速滑各項(xiàng)目與平均值間距分別為-0.425、-1.508、4.043 和3.732.2021/22 國際滑聯(lián)世界杯賽德布勒森（匈牙利HUN）短道速滑各項(xiàng)目與平均值間距分別為-1.158、0.537、4.169和-3.098.

表6 北京冬奧與近期大賽短道速滑成績相關(guān)性分析

2.5 冰質(zhì)條件與運(yùn)動(dòng)成績的模型建構(gòu)

2.5.1 相關(guān)性驗(yàn)證

為了方便驗(yàn)證這種關(guān)系，研究采用北京冬奧會(huì)短道速滑項(xiàng)目比賽期間的冰面溫度與室內(nèi)濕度的數(shù)據(jù)反映冰質(zhì)的好壞和均勻程度情況，并集中討論CO2跨臨界直冷循環(huán)技術(shù)場(chǎng)館冰質(zhì)與女子運(yùn)動(dòng)員500 m短道速滑成績之間的相關(guān)性.首先，對(duì)場(chǎng)館基礎(chǔ)條件以及短道速滑500 m項(xiàng)目比賽成績進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)；其次，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)冰質(zhì)條件與女子500 m短道速滑成績之間的相關(guān)性.

在公式（1）中，x表示比賽成績，y分別表示冰面溫度和室內(nèi)濕度.

計(jì)算結(jié)果顯示冰面溫度、室內(nèi)濕度與女子500 m短道速滑成績相關(guān)系數(shù)為-0.136和0.225.因此冰面溫度與女子500 m短道速滑成績有負(fù)相關(guān)性，室內(nèi)濕度與女子500 m短道速滑成績有正相關(guān)性.

2.5.2 回歸預(yù)測(cè)模型

根據(jù)第一部分計(jì)算的相關(guān)性系數(shù)，可知冰面溫度和室內(nèi)濕度與女子500 m短道速滑成績存在一定的相關(guān)性.觀察已有的數(shù)據(jù)，假定此時(shí)冰面溫度和室內(nèi)濕度與女子500 m短道速滑成績存在某種線性關(guān)系，則建立起回歸預(yù)測(cè)模型.

一般線性模型為y=β0+β1x1+…+βnxn+ε,其中，y為數(shù)值型的輸出變量，xi(i=1,2,….n)為輸入變量；ε是隨機(jī)誤差項(xiàng).

現(xiàn)以冰面溫度、室內(nèi)濕度分別作為輸入變量x1和x2，女子500 m短道速滑比賽成績作為輸出變量y，建立多元線性回歸模型，判斷二者對(duì)短道速滑比賽成績的影響，具體回歸方程如下式所示：

利用Matlab調(diào)用回歸函數(shù)計(jì)算模型參數(shù)，得出：=53.753-10.874x1+1.373x2.

2.5.3 統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)

回歸模型建立后需進(jìn)行相關(guān)的檢驗(yàn)，評(píng)價(jià)模型的效果.此時(shí)先利用SPSSPRO 對(duì)冰面溫度和室內(nèi)濕度進(jìn)行F檢驗(yàn).如表7的結(jié)果分析可以得到，顯著性P值為0.031**，小于0.05，說明數(shù)據(jù)之間存在顯著差異，存在線性關(guān)系，基本滿足要求.

表7 方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果表

其次，利用Matlab作殘差分析并繪制時(shí)序殘差圖（圖1），可以看到殘差大部分集中分布在零的附近.23,34,35,39,43的這5個(gè)樣本點(diǎn)的殘差偏離原點(diǎn)較遠(yuǎn)，但總體呈現(xiàn)的結(jié)果較好，滿足回歸模型前提假定的要求.最后，通過以下公式

圖1 殘差分析的結(jié)果圖

計(jì)算R2的值，分析此回歸模型的擬合情況.

R2為曲線回歸的擬合程度，越接近1 效果越好，計(jì)算得出此回歸模型的R2為0.109.

3 結(jié)論

對(duì)使用CO2跨臨界直冷循環(huán)技術(shù)以后場(chǎng)館冰質(zhì)條件下運(yùn)動(dòng)員在北京冬奧會(huì)以及相近時(shí)期國際大賽中的成績統(tǒng)計(jì)、描述與分析，主要目的是考察冰道冰質(zhì)情況與成績之間的相關(guān)性.通過相關(guān)分析顯示，競(jìng)速類滑冰項(xiàng)目與場(chǎng)館冰質(zhì)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性.研究結(jié)果表明，北京冬奧會(huì)冰上項(xiàng)目場(chǎng)館采用CO2跨臨界直冷循環(huán)技術(shù)與短道速滑運(yùn)動(dòng)員提高成績具有一定的相關(guān)性.