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径赛电子起跑系统介绍

2021-06-30

大家在看短跑比赛中，往往会发现专业运动员的起跑方式不太一样，起跑的时候要使用专业的助跑器材。今天我们就来说说这个助跑器材---起跑器。

1、背景资料

起跑器的成功研发和使用起源于1881年，澳大利亚短跑运动员舍里尔开始专项100米跑的练习，可练习了近一年的时间成绩仍停滞不前，这让他非常苦恼。他曾想过放弃，但又不甘心这样结束自己的运动生涯。一次偶然的机会，他观察到袋鼠飞速奔跑前总是先向下屈身，把腹部贴近地面，然后一跃而起。那袋鼠的这个起跑的姿势与袋鼠跑得快有关联吗？

带着这样的疑问，舍里尔找到一位科学家询问并得到肯定答案。接下来，他便开始模仿袋鼠的起跑训练，结果他的成绩在不到一个月的时间里，竟然提高了0.15秒，这让舍里尔对提高短跑成绩信心倍增，也坚定了模仿袋鼠起跑姿势的决心。在当时，运动员起跑普遍采取站立式起跑的方式，舍里尔的起跑遭到了很多运动员甚至观众的嘲笑。可当他们看到舍里尔瞬间冲出，一下子便甩开众人后，所有运动员便开始模仿他，后来，人们干脆把这种起跑姿势命名为袋鼠式起跑，后改称蹲踞式起跑。

首届奥运会100米比赛图

1896年首届雅典奥运会上美国田径运动员托玛斯·伯克用近似“蹲踞式”的起跑方法，以12秒整的成绩夺得100米跑冠军。伯克对众人说：“当今世界，蹲踞式起跑是最先进的起跑技术，但我认为，它还缺乏一种向上的蹬力，这个蹬力至少在瞬间提高起跑加速度……”。

伯克的说法有没有道理？一位运动学家专门对蹲踞式起跑进行了测试分析：蹲踞式起跑能够使臀肌、大腿前面的股四头肌和小腿后的三头肌被拉长，使这些肌肉群处于收缩前的“绷紧”状态。起跑后蹬的那一刹那，就会产生相当大的爆发力，如果有一个支撑物，那么这个爆发力会更大，运动员的初速度就提高了。这一分析成果得到证实后，便有许多体育公司开始研究起跑支撑力的装置，后来也统一了装置的名称：起跑器。

蹲踞式起跑步骤图解

1927年，美国教练布雷斯纳汉发明了世界上第一个起跑器。起跑器由分开的两片踏足板组成，不但牢固舒适，而且便于调节距离和角度。运动员根据自己的身体状况调整好起跑器后便“蹲踞”其上，身体如同蓄势待发的压缩弹簧，能在最短时间里摆脱静止状态并获得最大初速度。1936年第11届奥运会上，短跑项目采取蹲踞起跑，并借助起跑器的规则正式确立。

初期，起跑器主要作用是帮助运动员在起跑时起到更好的助跑作用，但并不能对运动员的抢跑犯规进行准确监控。此后，随着起跑器技术的越发成熟，更多先进技术融入到起跑器上，根据国际田联（现更名为世界田联）的要求，为了避免肉眼判定抢跑犯规的不准确，保证比赛的公平性，需要用起跑监测系统对每位运动员的起跑反应时间进行监测，所以现在的起跑器又被称为起跑监测系统或电子起跑判罚器。

2、规则与应用

在田径比赛中，起跑器被用在400米以内（含400米）的短跑项目上，主要原因应该是由于在短跑比赛时起跑差异对最终成绩的影响占据不可忽略的位置（对于中长跑和长跑，起跑因素对成绩的影响很小，一般不会采用蹲踞式起跑，因而也不会用起跑器）。

典型的起跑过程脚蹬压力曲线如附图“典型的起跑脚蹬压力曲线”所示。起跑时，脚蹬压力曲线直线上升，实际应用中将脚蹬压力达到预先设定阈值的时刻作为起跑时刻，这个阈值通常设定范围为20-40公斤。由于人体反应存在延时，在听到枪声到起跑是需要有一段反应时间的，科学研究表明，这个延时（起跑反应时）至少在120/1000秒以上，也就是说在没有抢跑的情况下，从枪响到起跑最快也在120/1000秒以上，因而田径竞赛规则规定枪响后100/1000秒（0.100秒）时刻作为抢跑判定临界点，凡是起跑时刻距枪响时刻低于100／1000秒，或小于0.100秒，一律判为抢跑。

3、系统结构

电子起跑系统的原理结构示意如“电子起跑系统原理示意图”所示，一般包括起跑器部分，中央控制部分，人机交互（含联网）部分，发令枪声等时部分，自动报警与召回部分。各部分主要作用如下：

起跑器部分，提供起跑支撑，并完成脚蹬压力数据的采集、预处理（主要是抢跑判定）与传送；

中央控制部分，为整个系统的控制中心，完成对起跑器的状态控制与数据接收和分析处理、提供人机交互信息（操作、显示、打印、联网等控制），控制自动报警与召回部分的工作状态等；

人机交互部分，主要由操作键盘、显示界面、打印机、网络接口等组成，完成信息及指令的人机交互；

发令枪声等时部分，主要由起跑器后面的发令扬声器或者置于跑道边的多个发令音箱构成，作用是让每个运动员同时或尽量同时听到发令枪声，以保障竞赛公平（因为声音的传播速度比较慢，各道运动员直接听枪声的时刻差别比较大。而电信号的传播速度非常快，从而大大降低各道运动员听到发令枪声的时间差）

自动报警与召回部分，主要由报警灯、报警扬声器、无线报警耳机等部分组成，在有抢跑犯规的情况发生时，自动完成报警与召回。

电子起跑系统原理示意图

4、工作过程

电子起跑系统的所有工作都是以发令信号作为基准的。实际上，起跑器采集脚蹬压力数据在整个工作过程中是一直进行的，但只有在收到发令同步信号后，才会保存、处理、传送发令时刻前后各一小段的压力数据，保存和处理的数据时长没有标准规定，各家的起跑系统保存和处理的数据长度会有差别，国内典型的FP-2001电子起跑系统是保留发令时刻前后各500毫秒的压力数据。

在电子起跑系统收到发令同步信号后，中央控制单元立即同步产生枪声信号，通过发令枪声等时部分传达到各道运动员（如果使用电子发令，则发令枪声信号将直接传达到各道运动员），完成通知运动员起跑的工作。同时起跑器立即对发令时刻前后的待处理数据进行处理，判定有无抢跑犯规，如果没有，就进行正常的数据传送、处理、显示、打印；如果有抢跑犯规，起跑器立即通知中央控制单元产生并发出声光报警信号，实现犯规召回，并继续完成常规的数据传送、处理、显示、打印。

5、国内发展概况

国内公司在电子起跑器的研发上起步较晚，2000年前后才介入这一领域，2002年由【江南电竞】中国有限公司官网推出第一代正式产品。但发展较快，其中具备完全自主知识产权的菲普莱FP-2001电子起跑器到目前为止已经发展到第四代，历经第一代弹簧、行程开关结构，第二代一体化压力传感结构，第三代脚蹬落地结构，第四代无线结构，目前已跻身于世界最先进技术行列。

电子起跑器的应用极大提升了比赛判罚的公平性和效率，并可获取较为完备的起跑状态数据，具有1.运动员抢跑报警；2.运动员起跑反应时测定；3.直观的起跑脚蹬压力曲线（参见附图：典型的起跑脚蹬压力曲线）；4.起跑数据分组存储，便于追索；5.等时声音传送，等多种功能。

而无线电子起跑器则解决了有线电子起跑器的系统笨重、组装繁琐、存在连线被钉鞋踩坏影响可靠性的固有缺陷等问题，具有：1.无需接线，安装便捷；2.场面美观整洁，不会看到很多线材铺在跑道上；3.避免运动员钉鞋踩坏线材，导致的设备故障；4.内置电池，可脱电工作，使用便捷。

中国田径协会从2005年已明确要求在正规大赛中使用电子起跑器。

典型的起跑脚蹬压力曲线