物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧體育場館中的應(yīng)用

胡延 張帆

(西安郵電大學(xué),陜西 西安710121)

1 背景

隨著各類新型應(yīng)用場景的興起與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及傳統(tǒng)行業(yè)的信息化轉(zhuǎn)變,我國十分重視物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,將其視為戰(zhàn)略性的新型產(chǎn)業(yè)并予以重點關(guān)注和推進(jìn)。在我國“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略背景以及“健康中國戰(zhàn)略”的推進(jìn)下,我國各地體育場館的建設(shè)發(fā)展迅速。但是,與快速發(fā)展的硬實力不匹配的是多數(shù)體育場館的基礎(chǔ)設(shè)施信息化程度低,運營模式缺乏創(chuàng)新性,不僅無法為用戶提供良好的服務(wù),同時自身的運轉(zhuǎn)也存在效率低、成本高等問題[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展將智慧體育場館的理念與建設(shè)提升到一個新的水平。國務(wù)院在《國務(wù)院關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提出了加快推進(jìn)傳統(tǒng)領(lǐng)域與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合,加快實際應(yīng)用的落地[2]。將各種智能軟、硬件應(yīng)用到體育賽事領(lǐng)域當(dāng)中,能夠提高體育場館的智能化服務(wù)水平,不僅有助于提高傳統(tǒng)體育場館的管理效率,還可以降低場地綜合運營成本,有助于提高體育場館利用率,為國民提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù),更好地推動全民運動。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Internet of Things,IoT)指通過各類數(shù)據(jù)傳感設(shè)備根據(jù)約定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,將不同的物與物、人與物通過互聯(lián)網(wǎng)相互連接起來,再通過多種信息傳播媒介將收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行交換,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能化識別、定位、自動監(jiān)測等功能[3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起和發(fā)展促進(jìn)了當(dāng)今社會中各行各業(yè)更進(jìn)一步的信息化轉(zhuǎn)型。目前,物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域主要包含四項關(guān)鍵技術(shù)[4]:(1)設(shè)備感知技術(shù),包括射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)、各類傳感器網(wǎng)絡(luò)等,主要涉及到近場環(huán)境的感知和數(shù)據(jù)收集；(2) 傳輸層技術(shù),包括M2M 通信網(wǎng)絡(luò)(Machine to Machine)、局域網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)等,主要涉及數(shù)據(jù)的傳輸和交換；(3)應(yīng)用層技術(shù),包括近年來發(fā)展迅速的云計算、邊緣計算和智能控制等技術(shù),主要涉及數(shù)據(jù)的分析決策和控制；(4)兩化融合技術(shù),是指物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)化、信息化領(lǐng)域的高度融合,主要涉及實際需求的落地以及推廣應(yīng)用。本文介紹的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)體育場館的結(jié)合是以場館需求為導(dǎo)向,面向?qū)嶋H應(yīng)用的解決方案,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來促進(jìn)智慧體育場館的建設(shè)與普及。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)分為三個層次:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[5]。感知層由大量的傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)信息處理技術(shù)組成,主要涉及數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理。網(wǎng)絡(luò)層主要將傳感器收集到的信息通過基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以無障礙、高質(zhì)量地方式進(jìn)行可靠的傳送,例如廣泛覆蓋的移動通信網(wǎng)絡(luò)就是一種實現(xiàn)萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施。應(yīng)用層包含物聯(lián)網(wǎng)平臺和應(yīng)用服務(wù)平臺,主要涉及信息間跨平臺、跨行業(yè)和跨系統(tǒng)的協(xié)同、互通和共享等功能,并結(jié)合體育場館的實際需求進(jìn)行補充。

基于上述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu),本文將智慧體育場館的總體架構(gòu)分為三個層次,分別為設(shè)備功能支持層、運維控制平臺層和場館智能化管理層。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧體育場館體系架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能場館總體架構(gòu)圖

在圖1 中,第一層是設(shè)備功能支持層,其架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 設(shè)備功能支持層

設(shè)備功能支持層主要包含底層的基礎(chǔ)設(shè)施,包括軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)傳輸、存儲介質(zhì)等,其中最主要的是用來感知環(huán)境的各類傳感器。傳感器是連接物理世界和信息世界的重要一環(huán),傳感器收集到環(huán)境數(shù)據(jù)后通過物聯(lián)網(wǎng)與其它物或網(wǎng)絡(luò)交換信息。這里網(wǎng)絡(luò)傳輸層的主要作用是連接感知層和應(yīng)用層,起承上啟下的作用,負(fù)責(zé)向應(yīng)用層傳輸傳感器收集到的信息和向下層軟、硬件傳輸命令,再通過存儲設(shè)備和計算設(shè)備來保證實時采集,并上傳可靠的高質(zhì)量數(shù)據(jù),為后續(xù)工作打下堅實基礎(chǔ)。設(shè)備功能支持層是保障物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的重要條件,正是有上述這些基礎(chǔ)設(shè)施的才能夠支撐物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用。

在圖1 中,第二層是運維管控平臺層,其平臺架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 運維管控平臺層架構(gòu)

近年來,大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給設(shè)備與數(shù)據(jù)的管理方式和架構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的管控架構(gòu)已經(jīng)不能處理多源異構(gòu)設(shè)備、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下產(chǎn)生的運維問題。因此,需要引入新型的智能化管控平臺,進(jìn)而降低管理成本,提高管理效率。這個管控平臺需要符合“集散控制原則”。軟件的功能決定著平臺內(nèi)各類控制器的應(yīng)用范圍和方式,針對同一個管理軟件平臺對不同功能的控制需求,實現(xiàn)集成控制模式和對場館建筑和設(shè)備的整體管控功能。運維管控平臺層基于底層基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過分析收集到的數(shù)據(jù)對需要控制的軟、硬件進(jìn)行透明化管理,屏蔽了復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,將各管理平臺聯(lián)動,實現(xiàn)監(jiān)控可視化、資源可視化和運維簡潔化,顯著地降低了管理成本。通過將不同體育場館間的傳感、控制、執(zhí)行、反饋等單元組成一個控制回路,實現(xiàn)統(tǒng)一的閉環(huán)控制和管理,提高了管理效率,保障了場館內(nèi)各系統(tǒng)高效地正常運轉(zhuǎn)。

在圖1 中,第三層是場館智能化管理層,其架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 場館智能化管理層架構(gòu)

當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過前兩層處理后匯聚到場館智能化管理層時,若不能有效地整合并分析,則會失去利用的價值。本層主要對前兩層收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析,嘗試進(jìn)行較為詳盡的知識和信息挖掘,其最終目的是實現(xiàn)對物的管控和事件決策。通過將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果與智慧體育場館中的具體服務(wù)內(nèi)容聯(lián)系起來,實現(xiàn)數(shù)據(jù)與實際業(yè)務(wù)需求相結(jié)合的精準(zhǔn)匹配,制定個性化服務(wù)、管理場館資源、媒體運營、面向客戶和管理人員的應(yīng)用等。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以增強(qiáng)核心業(yè)務(wù)的應(yīng)用價值,提高效率和信息化程度,改善用戶體驗。此外,通過系統(tǒng)的反饋平臺,及時調(diào)整工作方式和內(nèi)容。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧體育場館中的應(yīng)用場景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以打造出高質(zhì)量的智慧體育場館。不妨以第十四屆全國運動會主場館- 西安奧體中心建筑群為例,奧體中心在建設(shè)過程中,深入調(diào)研了國內(nèi)外100 多個規(guī)模較大的現(xiàn)代化體育場館,利用物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)等技術(shù)設(shè)計并安裝了六大智能化系統(tǒng),總共六十三個子系統(tǒng)。將奧體中心打造成了一個現(xiàn)代化的智慧體育場館,場館全面覆蓋5G 網(wǎng)絡(luò)、智慧交通管理平臺、智能照明路燈控制系統(tǒng)、人臉識別、實時自動監(jiān)控建筑能耗管理平臺、智能機(jī)器人互動助手以及AR、VR 在線交互平臺等先進(jìn)技術(shù)[6]。上述高科技元素全面服務(wù)于大型賽事舉辦、觀眾觀賽、智慧場館運營、周邊環(huán)境監(jiān)測,用科技引領(lǐng)高品質(zhì)的賽事的組織與運行。下面詳細(xì)介紹物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個實際應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用,提高智慧體育場館的科技體驗、資源利用率、管理效率和水平。

3.1 智慧安防。安全問題是每個公共場館和區(qū)域都會面臨的重大問題,一套完善的安防監(jiān)控管理系統(tǒng)對現(xiàn)代化的體育場館來說至關(guān)重要,是確保參賽運動員、觀眾和工作人員人身財產(chǎn)以及個人信息安全的重要手段。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)只能做到對視頻數(shù)據(jù)的收集,大多數(shù)的研判和報警是需要人工操作的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展在傳統(tǒng)視頻監(jiān)控技術(shù)上增加了如生物感知、運動檢測、實時分析處理報警等技術(shù)。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過攝像頭采集并分析數(shù)據(jù),實現(xiàn)對體育場館的24 小時安全監(jiān)控、門禁管理、電子巡更、報警處理等操作,實現(xiàn)防火、防災(zāi)、防盜等功能,顯著地解放了人工,促進(jìn)高效、節(jié)能、環(huán)保的一體化模式。智慧體育場館中的安防架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 智慧安防總體架構(gòu)

3.2 智能管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧體育場館管理中的應(yīng)用如下:場館訓(xùn)練、機(jī)械設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施的實時管理與控制,電力負(fù)載監(jiān)控、電梯、燈光等設(shè)備的控制,館內(nèi)交通管理、館內(nèi)環(huán)境管理等應(yīng)用。以場館環(huán)境管理為例,體育場館的面積普遍較大,如何全方位地監(jiān)控場館內(nèi)外的環(huán)境來更好地安排的體育活動是一大挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過各類傳感器及時有效地收集各場館的狀態(tài)數(shù)據(jù),形成分析和決策報告。基于上述報告,通過智能軟硬件的解決方案,當(dāng)場景溫度、濕度等條件不理想時系統(tǒng)介入,啟動相關(guān)設(shè)備使場館內(nèi)的溫度、濕度等環(huán)境條件保持在適于開展體育活動的范圍。對場館訓(xùn)練管理來說,利用物聯(lián)網(wǎng)智能可穿戴設(shè)備,可以在訓(xùn)練和比賽中實時、準(zhǔn)確地將參賽運動員的各項生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中,運動員可以根據(jù)這些信息對體育活動進(jìn)行合適的調(diào)整[7],進(jìn)而改善不標(biāo)準(zhǔn)的動作,提高訓(xùn)練效果,預(yù)防身體損傷,保持最佳的運動狀態(tài)迎接比賽。在器材管理方面,利用RFID 技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對體育器材及機(jī)械設(shè)備全程化的智能管理。例如器材和設(shè)備的分發(fā)、使用、跟蹤等功能。智慧體育場館管理系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 智慧體育場館管理系統(tǒng)

3.3 智慧賽事。智慧賽事是指以運動競賽為中心的一系列信息化活動,涉及文化、經(jīng)濟(jì)等多種因素的綜合過程。隨著信息、網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變革和發(fā)展,現(xiàn)代化技術(shù)與傳統(tǒng)體育賽事相互滲透,極大的提高了體育賽事的智能化程度,兩者呈現(xiàn)螺旋向上的發(fā)展趨勢。阿里巴巴體育集團(tuán)的首席執(zhí)行官張大鐘提出:“人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合將改變體育的未來”。目前很多國際大型的體育賽事都很好地將物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)體育項目進(jìn)行了結(jié)合,例如鷹眼技術(shù)、智能可穿戴設(shè)備以及門線技術(shù)。2018年湖北潛江國際馬拉松賽事通過NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全連接,由賽事智慧管控云平臺進(jìn)行統(tǒng)一管理。同年,俄羅斯世界杯啟用VAR(Video Assistant Referee)技術(shù)進(jìn)行裁判輔助[8],做出了多次精準(zhǔn)判罰,比賽用球也裝入了NFC 芯片來監(jiān)控足球的飛行路徑。2018 年“雄安新區(qū)首屆京津冀體育文化跨年嘉年華”采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對籃球等賽事進(jìn)行直播,使用“鷹眼”技術(shù)(Instant Review System)基于多個高速攝像頭從多角度捕捉網(wǎng)球、羽毛球等的飛行軌跡來輔助裁判進(jìn)行判罰。上述技術(shù)的應(yīng)用不僅可以增強(qiáng)比賽的公平公正性,更提高觀眾的觀賞性,很好地促進(jìn)體育賽事和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的良性循環(huán)發(fā)展。

3.4 商業(yè)模式。傳統(tǒng)上,體育場館的商業(yè)模式主要以競爭為主要形式,隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,內(nèi)容共享成為了新的趨勢,催生了新型的商業(yè)生態(tài)。商業(yè)生態(tài)是眾多大型、松散的網(wǎng)絡(luò),由各類互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合成一個整體。在上述商業(yè)生態(tài)中,通過大數(shù)據(jù)將各類人群根據(jù)興趣、利益等方式進(jìn)行細(xì)分,能夠為體育行業(yè)提供細(xì)分市場,促進(jìn)體育行業(yè)的商業(yè)模式和生態(tài)轉(zhuǎn)型升級,促進(jìn)區(qū)域性經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展。通過興建物聯(lián)網(wǎng)智慧體育場館,省際范圍內(nèi)每年可以舉辦上百場體育賽事和各種活動,顯著提高了資源利用率和盈利效果,能夠?qū)χ苓吔?jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生積極的推動作用。此外,智慧場館的建設(shè)與使用也對智慧城市的建設(shè)有直接和間接的積極影響。圖7 給出了物聯(lián)網(wǎng)如何促進(jìn)智慧賽事、媒體運營、商業(yè)模式轉(zhuǎn)變以及其它的展望。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)傳統(tǒng)體育場館轉(zhuǎn)型升級

4 結(jié)論

信息技術(shù)的發(fā)展使人類的生產(chǎn)生活發(fā)生了翻天覆地的變化。傳統(tǒng)體育場館向信息化、智能化的智慧體育場館發(fā)展是大勢所趨,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及其它網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與傳統(tǒng)體育場館深度融合構(gòu)建智慧體育場館,不僅僅是硬件設(shè)施的智能化升級,更應(yīng)該在提高管理效率和服務(wù)質(zhì)量方面下功夫,在智能化程度上進(jìn)行提高。此外,傳統(tǒng)體育場館的信息化、智能化轉(zhuǎn)型還需要政府相關(guān)部門的政策支持,通過構(gòu)建規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)體系,加快物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智慧體育場館相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化,建設(shè)相關(guān)企業(yè)與政府之間的溝通平臺,實現(xiàn)信息共享與決策支持,為相關(guān)產(chǎn)業(yè)和用戶提供更好的服務(wù)。