RaceRanger鐵人三項(xiàng)跟車(chē)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分析
作者：
北京第三連鐵人三項(xiàng)俱樂(lè)部
2023-03-21 16:50:28
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最近在新西蘭舉行的三場(chǎng)鐵人三項(xiàng)賽上，一種跟車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)投入了測(cè)試。為什么是新西蘭呢？
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是因?yàn)樘峁┻@種裝備的公司（RaceRanger）位于新西蘭，由兩名新西蘭的鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員在世界鐵聯(lián)的支持下和坎特伯雷大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的。今天來(lái)介紹一下這種新系統(tǒng)。
背景介紹
第一段是背景介紹，如果您比較熟悉，請(qǐng)?zhí)^(guò)：
鐵人三項(xiàng)從自行車(chē)階段是否允許跟車(chē)上看，分兩種類(lèi)型的比賽：允許跟車(chē)和不允許跟車(chē)的比賽。跟隨可以借助前車(chē)的尾流，減少風(fēng)阻，節(jié)省體力，提高速度，還會(huì)帶來(lái)不一樣的比賽策略。對(duì)于業(yè)余鐵人三項(xiàng)選手來(lái)說(shuō)，通常他們的自行車(chē)技術(shù)距離集團(tuán)性跟車(chē)的要求有所差距，安全性的考慮就有了禁止跟車(chē)的比賽。禁止跟車(chē)的比賽占全部鐵人三項(xiàng)比賽的大約85%
看奧運(yùn)會(huì)或者其他專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)員參加的比賽，我們會(huì)看到短道風(fēng)格的比賽，運(yùn)動(dòng)員距離很近，這是典型允許跟車(chē)的比賽。而Ironman賽事是典型的禁止跟車(chē)的鐵人三項(xiàng)，除非超車(chē)，運(yùn)動(dòng)員不能進(jìn)入跟隨區(qū)域（通常約 12 米長(zhǎng)）， 超越必須在指定的時(shí)間段內(nèi)（例如 25 秒）內(nèi)完成，否則他就犯規(guī)了，并且可能會(huì)受到時(shí)間處罰。
對(duì)于禁止跟車(chē)的比賽，現(xiàn)實(shí)情況是有的運(yùn)動(dòng)員會(huì)主動(dòng)犯規(guī)利用跟隨獲利。不想犯規(guī)的運(yùn)動(dòng)員依靠肉眼來(lái)判斷距離，而裁判們盡可能坐摩托車(chē)漫游，通常也靠肉眼判斷。這樣就導(dǎo)致禁止跟騎成為一個(gè)容易引起抱怨的熱點(diǎn)。
長(zhǎng)距離比賽大多數(shù)賽事只有數(shù)量有限的裁判在摩托車(chē)上，路線長(zhǎng)度單圈可以 113公里。這種賽道幾乎不可能抓住所有跟車(chē)犯規(guī)行為（甚至不可能抓住其中的一小部分）。因此，有目的的跟車(chē)（又名作弊）在鐵人三項(xiàng)中屢見(jiàn)不鮮。
設(shè)備和安裝
RaceRanger開(kāi)發(fā)這套新系統(tǒng)用了幾年時(shí)間，有很多探索和試錯(cuò)在里面。他們?cè)谧孕熊?chē)上安裝帶無(wú)線功能的設(shè)備。這種設(shè)備自動(dòng)測(cè)量自行車(chē)之間的距離，還能建立從自行車(chē)到裁判員之間的連接。它不僅可以監(jiān)督比賽，還可以為運(yùn)動(dòng)員提供反饋，通知他們是否在跟車(chē)區(qū)，以及通知警告或者處罰。
RaceRanger系統(tǒng)由兩個(gè)電子設(shè)備組成，比賽報(bào)道的時(shí)候放在比賽包中和計(jì)時(shí)芯片一起發(fā)放。運(yùn)動(dòng)員布置換項(xiàng)區(qū)的最后時(shí)刻需要確保兩個(gè)電子設(shè)備已經(jīng)安裝。這兩個(gè)裝置由組委會(huì)事先充電，采用無(wú)線充電的方式，降低了操作的難度，工作時(shí)間可達(dá)（17小時(shí)），足以滿(mǎn)足最慢的運(yùn)動(dòng)員完成自行車(chē)階段的比賽。在T1換項(xiàng)進(jìn)入自行車(chē)賽道之前，設(shè)備工作在待機(jī)狀態(tài)。裁判員采用電子和人工結(jié)合的方式檢查安裝是否正確，是否存在交換設(shè)備的作弊情況。
兩個(gè)設(shè)備中一個(gè)位于自行車(chē)后部鞍座下方，如上圖，第二個(gè)設(shè)備安裝到前叉，安裝方式為捆扎帶。單個(gè)重量為85克左右。對(duì)風(fēng)阻有少量影響，但這個(gè)影響是一視同仁的存在。
設(shè)計(jì)與原理
為什么是兩個(gè)設(shè)備？
在介紹工作原理之前，先解釋一下為什么是兩個(gè)設(shè)備，而不是一個(gè)設(shè)備。
車(chē)車(chē)距離的測(cè)量不是用雷達(dá)，而是通過(guò)前后兩輛自行車(chē)的設(shè)備建立通信連接來(lái)測(cè)量距離。如果做成一個(gè)電子設(shè)備，無(wú)論放哪兒，或者前面或者后面測(cè)距的通信信號(hào)都會(huì)收到車(chē)架或者運(yùn)動(dòng)員肢體的阻擋。因此把它拆成兩個(gè)設(shè)備：車(chē)尾設(shè)備負(fù)責(zé)測(cè)量和后車(chē)的距離，同時(shí)為后方運(yùn)動(dòng)員提供信號(hào)，前叉裝置與裁判建立連接，同時(shí)為運(yùn)動(dòng)員發(fā)送處罰信號(hào)。
安裝位置的考慮：
車(chē)尾座管上安裝，信號(hào)燈照射方向與地面平行，這樣后車(chē)運(yùn)動(dòng)員只需要正常行駛就能看到前車(chē)的信號(hào)燈，提高了安全性。
鐵人三項(xiàng)自行車(chē)的車(chē)把區(qū)域是個(gè)非常個(gè)性化的地方，幾乎車(chē)車(chē)不同，安裝在車(chē)把就會(huì)打破這種個(gè)性化的狀態(tài)。因此選擇在前叉上捆綁，同時(shí)信號(hào)燈方向向上，方便運(yùn)動(dòng)員注意到處罰信息。另外安裝在前叉上，如果運(yùn)動(dòng)員想通過(guò)覆蓋設(shè)備來(lái)屏蔽測(cè)距信號(hào)，那將變得非常困難。
使用方法（Ironman設(shè)置為例）：
前車(chē)的尾部裝置向后發(fā)送信號(hào)，探測(cè)后車(chē)，當(dāng)前后車(chē)距離達(dá)到60米的時(shí)候，兩車(chē)設(shè)備建立連接。
當(dāng)距離接近到30米的時(shí)候，開(kāi)始每秒10次測(cè)量距離，精度大約10cm。當(dāng)達(dá)到15米的時(shí)候，前車(chē)開(kāi)始亮起燈光提示后車(chē)需要注意距離了。
當(dāng)距離達(dá)到12米，進(jìn)入禁止跟車(chē)區(qū)域后，前車(chē)紅燈閃爍，提示后車(chē)必須在25秒之內(nèi)完成超越，超過(guò)25秒超車(chē)或者沒(méi)有超車(chē)退出12米的距離都被前車(chē)記錄為犯規(guī)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給裁判。
當(dāng)后車(chē)完成超車(chē)之后，被超越的自行車(chē)亮起藍(lán)色的燈光，提示超車(chē)完成。然后兩車(chē)角色互換。超車(chē)自行車(chē)紅燈快閃，被超越的自行車(chē)必須離開(kāi)禁止跟車(chē)區(qū)域（12米）之后才可以進(jìn)行反超車(chē)。
跟車(chē)檢測(cè)設(shè)備將檢測(cè)到的犯規(guī)情況以及GPS位置信息通過(guò)遠(yuǎn)程通信手段發(fā)送給賽道上的裁判。
自行車(chē)和裁判之間的通信距離3-10公里，具體距離跟賽道環(huán)境有關(guān)，市區(qū)近一些，郊區(qū)、平坦開(kāi)闊的地方好一些。裁判實(shí)際能檢測(cè)的區(qū)域?yàn)榍昂?*（3-10）公里。
對(duì)犯規(guī)運(yùn)動(dòng)員的處罰并非“”睚眥必報(bào)”（每個(gè)犯規(guī)必須處罰）的形式，相反，裁判通過(guò)他的終端，可以篩選出最近一段時(shí)間犯規(guī)次數(shù)和犯規(guī)時(shí)間最長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)員。裁判有多種選擇，可以讓摩托車(chē)手找到該運(yùn)動(dòng)員，進(jìn)行實(shí)際檢查、下發(fā)口頭警告、出示藍(lán)牌甚至紅牌。
他也可以直接在裁判終端上進(jìn)行操作，遠(yuǎn)程下發(fā)處罰決定. 這種情況運(yùn)動(dòng)員前叉上的設(shè)備會(huì)閃燈，同時(shí)有聲音提示。
運(yùn)動(dòng)員的犯規(guī)信息存放在RaceRanger的私有云上，確保裁判員能共享信息，不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)處罰的情況。
當(dāng)被處罰的運(yùn)動(dòng)員接近處罰帳篷時(shí)候，會(huì)被路邊檢測(cè)設(shè)備識(shí)別，顯示屏?xí)霈F(xiàn)他的號(hào)碼和姓名，提示進(jìn)帳篷接受罰時(shí)。
進(jìn)入帳篷的瞬間，啟動(dòng)計(jì)時(shí)，同時(shí)計(jì)時(shí)狀態(tài)也顯示在電子屏幕上。裁判將不再需要爭(zhēng)先恐后地將運(yùn)動(dòng)員的比賽號(hào)碼與桌子上的相應(yīng)紙片相匹配，然后為每個(gè)運(yùn)動(dòng)員單獨(dú)啟動(dòng)秒表。現(xiàn)在，這一切都將由RaceRanger系統(tǒng)處理。一旦處罰完成，記錄就會(huì)從系統(tǒng)中清除，只要他們沒(méi)有被取消資格，運(yùn)動(dòng)員就可以自由地繼續(xù)他們的比賽。
其實(shí)這個(gè)功能并不能算是RaceRanger系統(tǒng)引入獨(dú)特的技術(shù)，使用計(jì)時(shí)芯片很容易做出一樣的設(shè)計(jì)。
當(dāng)然，在每場(chǎng)比賽中都有一些無(wú)法避免跟車(chē)的賽段，例如自行車(chē)階段的前幾公里，人員密度太高，比如賽道上更陡峭的山坡路段，比如路段狹窄的區(qū)域或許多轉(zhuǎn)彎路段，比如在通過(guò)城鎮(zhèn)時(shí)。比賽的這些區(qū)域?qū)⒈活A(yù)先定義為“可以跟隨”。這些區(qū)域出現(xiàn)跟車(chē)犯規(guī)不會(huì)向裁判發(fā)送信息。相反前車(chē)的跟車(chē)檢測(cè)設(shè)備會(huì)給后車(chē)運(yùn)動(dòng)員提供正常的光信號(hào)，讓運(yùn)動(dòng)員知道他們騎得是干凈的。另外賽后組委會(huì)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，看看哪些賽段跟車(chē)狀況比較多，那里很可能是被動(dòng)跟車(chē)，未來(lái)的比賽可以考慮在那里設(shè)置允許跟車(chē)。
在RaceRanger的宣傳視頻中，在設(shè)置允許跟車(chē)的片段使用的例子我看著是蘇黎世大鐵，記憶猶新的線路。
黃色的區(qū)域是標(biāo)出的允許跟車(chē)的賽段，左上出發(fā)的區(qū)域設(shè)置成黃色可以理解，其他黃色區(qū)域感覺(jué)值得商榷。左側(cè)8%的“絕望坡”至少應(yīng)該設(shè)置成允許跟車(chē)吧。
技術(shù)分析
從公開(kāi)的資料上看，RaceRanger的系統(tǒng)使用的核心技術(shù)包括藍(lán)牙、UWB、GPS、LoRa、NFC、加速度計(jì)、無(wú)線充電。大部分與射頻相關(guān)，他們解釋為什么把設(shè)備設(shè)計(jì)成圓形，是因?yàn)橐尡姸嗟奶炀€找到合適的地方而不互相干擾，圓形是最佳選擇。
小編以猜測(cè)的方式說(shuō)明一下各種技術(shù)的應(yīng)用。
UWB：適合定位的一種通信技術(shù)，精度可以達(dá)到10cm，符合RaceRanger的技術(shù)特征。
LoRa：物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以連接成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，城鎮(zhèn)可達(dá)2-5Km ，郊區(qū)可達(dá)15 Km，符合RaceRanger的技術(shù)特征。雖然帶寬比較低，但是對(duì)于跟車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)足夠了
藍(lán)牙：前叉和座管的兩個(gè)設(shè)備協(xié)同工作，LoRa天線一般只在一個(gè)設(shè)備上做，那么兩個(gè)設(shè)備之間通信，藍(lán)牙是最佳的選擇
NFC：這是非接觸卡技術(shù)，適合賽前分配和設(shè)置跟車(chē)檢測(cè)裝置，寫(xiě)入BIB碼，還可以在換項(xiàng)區(qū)進(jìn)行半自動(dòng)檢測(cè)，防止出現(xiàn)交換設(shè)備的作弊
加速度計(jì)：通過(guò)加速度計(jì)可以預(yù)測(cè)后車(chē)進(jìn)入跟車(chē)區(qū)域的時(shí)間，使信號(hào)燈反應(yīng)更加敏捷。如果使用定位導(dǎo)航普遍使用的Kalman算法就更牛了。
無(wú)線充電：這個(gè)真是可以極大降低前期準(zhǔn)備工作的工作量的技術(shù)，如果可以一股腦的放到微波爐一樣的設(shè)備中集中充電，就更牛了。
罰時(shí)帳篷：快速準(zhǔn)確的檢測(cè)進(jìn)入帳篷，用什么手段還猜不出來(lái)。
局限與拓展
開(kāi)發(fā)這套系統(tǒng)最初的想法是針對(duì)長(zhǎng)距離比賽的，長(zhǎng)距離比賽賽道上運(yùn)動(dòng)員密度低，RaceRanger的性能更好。此外，由于長(zhǎng)距離賽事的報(bào)名費(fèi)通常較高，因此與較短的賽事相比，RaceRanger服務(wù)費(fèi)更容易得到保障。
以后可能會(huì)在奧運(yùn)距離進(jìn)行嘗試。不過(guò)他們承認(rèn)，在非常擁擠的賽段他們也力不從心。技術(shù)上的難度在于每輛車(chē)都要跟附近的所有的車(chē)建立連接，對(duì)軟硬件處理能力的壓力比較大。另外一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，紅燈閃爍的時(shí)候是給誰(shuí)看的呢？從這個(gè)角度看這套系統(tǒng)更加適合Ironman。對(duì)于常規(guī)標(biāo)鐵， 40公里的自行車(chē)賽段要繞2圈甚至4圈，賽道上車(chē)的密度非常大，這個(gè)系統(tǒng)在這種場(chǎng)景下的效果有待觀察。
引入GPS之后，將GPS位置信息通過(guò)LoRa發(fā)給裁判，再通過(guò)裁判的通信系統(tǒng)向外發(fā)送位置信息，就可以帶來(lái)更有趣的應(yīng)用。比如運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)位置可以在APP上查看。比如更加精細(xì)的計(jì)時(shí)分析（如某個(gè)爬坡路段的排名）。比如電視直播解說(shuō)可以有更多的素材。
總結(jié)
這是一個(gè)市場(chǎng)不大的領(lǐng)域，RaceRanger能夠用5年以上的時(shí)間，做了各種嘗試，開(kāi)發(fā)出這套系統(tǒng)，非常值得敬佩。希望RaceRanger的系統(tǒng)能夠盡快普及，解決蛋疼的問(wèn)題，給大家良好的體驗(yàn)，祝RaceRanger明天更美好。
編輯：FF
