滑雪場雪質(zhì)檢測與精準(zhǔn)提示系統(tǒng)

李萬順 于海秋 萬宇坤 趙鑫

摘要：在滑雪場滑雪時，特別是滑雪新手最頭疼的問題就是無法對雪場雪質(zhì)做出判斷，尤其是在早晚溫度變化之后，由于雪質(zhì)改變導(dǎo)致滑雪出現(xiàn)危險是十分常見的現(xiàn)象?，F(xiàn)如今各式各樣的滑雪場春筍般快速涌現(xiàn)，但對于雪場雪質(zhì)檢測的這個問題卻沒有太多的方法。針對以上問題，該項目提出了一種由雪質(zhì)檢測系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雪質(zhì)分析系統(tǒng)，區(qū)塊鏈雪質(zhì)實時反饋系統(tǒng)構(gòu)成的滑雪場雪質(zhì)監(jiān)測與精準(zhǔn)提示系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：雪質(zhì)檢測;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);區(qū)塊鏈

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）18-0227-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 背景

滑雪是一種專業(yè)性比較強(qiáng)的冬季的體育運(yùn)動，現(xiàn)在滑雪也是一項很多的人都非常地喜歡的休閑放松的方式[1]。伴隨著2022年北京-張家口第24屆冬季奧運(yùn)會的成功申辦，我國民眾參與冰雪運(yùn)動的積極性空前高漲。冰雪運(yùn)動悄然興起，尤其是滑雪運(yùn)動，在經(jīng)過了一段時間的積淀后正在迎來一個蓬勃發(fā)展的時間段。但是非常多的很大一部分滑雪場只對滑雪的人們告知雪道的長度、寬度和坡度這些信息，對雪質(zhì)的信息缺乏監(jiān)測與提示。很多的一大部分滑雪者也是只是關(guān)注雪道的長度、寬度和坡度等的一些個容易獲得的信息，對于雪質(zhì)的好壞以及狀態(tài)卻很少受到注意。因為很多地方的天氣情況不一樣，不一樣的地方地區(qū)不同時候的雪的質(zhì)量以及特性都會變得不一樣，所以給喜歡滑雪的人們帶來的感覺與對于這些人們滑雪的影響也會有一定的不一樣[2]。不同雪質(zhì)反饋給滑雪者的滑行速度和推雪阻力有所不同，會給滑雪愛好者尤其是初級和中級的滑雪者的心理、技術(shù)動作、安全性帶來一定的影響。在滑雪過程中滑雪者若能夠?qū)崟r地獲得當(dāng)前滑雪的地方的雪的質(zhì)量和狀態(tài)的情況，那么就可以按照自己的身體的情況和自己滑雪好壞的水平選擇適合自己滑起來舒服的地段，同時還能按照不同的雪質(zhì)改變適應(yīng)調(diào)整自己的滑行的速度還有動作的大小，養(yǎng)成非常好的滑行動作，不再受傷。就能更好地提升滑雪者的心理狀態(tài)、技術(shù)動作和安全性，使滑雪者獲得更加良好的滑雪體驗。

2 工作原理及總體設(shè)計

2.1 工作原理

雪質(zhì)檢測系統(tǒng)通過利用雷達(dá)、超聲波、圖像等采集技術(shù)獲取雪的基本特性參數(shù)，然后通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集到的不同區(qū)域雪的基本特性參數(shù)和滑雪者的位置及技術(shù)等級數(shù)據(jù)存儲至冰雪感知數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈中，通過冰雪感知區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)處理單元的計算得到雪質(zhì)情況和雪道平整度數(shù)據(jù)，并上傳至冰雪感知區(qū)塊鏈中。冰雪感知區(qū)塊鏈中的滑雪者可以通過位置匹配原則獲取需要位置區(qū)域的雪質(zhì)情況和雪道平整度數(shù)據(jù)。

2.2 總體設(shè)計

本項目總體方案如圖1所示，主要分為雪的特性數(shù)據(jù)及雪道圖像采集;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中滑雪者傳感器定位;雪道圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理;冰雪感知區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲;區(qū)塊鏈中基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的智能計算六個部分。

1）雪的特性數(shù)據(jù)及雪道圖像采集：利用雪特性采集設(shè)備及視覺設(shè)備采集雪溫度、深度、濕度等雪的特性數(shù)據(jù)及雪道圖像數(shù)據(jù)。

2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：將雪特性采集傳感器作為固定節(jié)點(diǎn)，將滑雪者數(shù)據(jù)采集傳感器作為移動節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中滑雪者傳感器定位：利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中固定傳感器的位置信息計算移動傳感器的位置信息。

4）雪道圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理：將采集到雪道圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取用于雪道評價的圖像特征信息。

5）冰雪感知區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲：基于區(qū)塊鏈技術(shù)，將采集到的雪特性數(shù)據(jù)、雪道特征數(shù)據(jù)、滑雪者信息數(shù)據(jù)存儲至冰雪感知區(qū)塊鏈中。

6）區(qū)塊鏈中基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的智能計算：利用區(qū)塊鏈中的計算服務(wù)器對雪特征數(shù)據(jù)和雪道特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算得到雪質(zhì)評價數(shù)據(jù)和雪道平整度數(shù)據(jù)。并將這些數(shù)據(jù)與滑雪者位置數(shù)據(jù)配備上傳至區(qū)塊鏈中。

該系統(tǒng)利用雷達(dá)、超聲波、圖像等采集技術(shù)獲取雪的基本特性參數(shù)，然后通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集到的不同區(qū)域雪的基本特性參數(shù)和滑雪者的位置及技術(shù)等級數(shù)據(jù)存儲至冰雪感知數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈中，通過冰雪感知區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)處理單元的計算得到雪質(zhì)情況和雪道平整度數(shù)據(jù)，并上傳至冰雪感知區(qū)塊鏈中。同時，冰雪感知區(qū)塊鏈中的滑雪者即可以通過位置匹配原則獲取當(dāng)前位置區(qū)域的雪質(zhì)情況和雪道平整度數(shù)據(jù)。

3 局部結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3.1 滑雪場雪的基本特性參數(shù)采集

雪密度和含水率特性主要通過雪特性傳感器來采集，雪特性傳感器最起碼的參數(shù)為頻率、衰減率還有波段。按照檢測到的這三個參數(shù)就能計算出來介電常數(shù)值，再接著算出來雪的密度還有雪道上各個層的液態(tài)水的含量。雪深度和雪粒直徑可以通過分析雪的一階反向散射模型雷達(dá)探測圖像中每個散射項的重要性及其對雪特性的敏感性來計算獲得。雪道上的孔隙率我們是沒辦法直接量出來的，它的值我們是利用雪道上的之前測量到的最起碼的參數(shù)的推演出來的。通過攝像機(jī)采集雪道圖像，預(yù)處理后將輪廓數(shù)據(jù)上傳至冰雪感知區(qū)塊鏈。

3.2 雪質(zhì)情況和雪道平整度數(shù)據(jù)計算

利用采集到雪的基本特性數(shù)據(jù)，基于深度置信網(wǎng)絡(luò)理論計算雪質(zhì)情況和雪道平整度。深度置信網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)我們對生物學(xué)上的神經(jīng)系統(tǒng)的研究推導(dǎo)驗算出來的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)然還有對于淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究與探索的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，深度置信網(wǎng)絡(luò)模型是一種概率生成模型，就聯(lián)合概率的分散計算樣本得出我們想要的數(shù)據(jù)是如何分布的。深度置信網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練組織的結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)元之間的通過投票的多少使得整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按著最大的可能性推導(dǎo)出訓(xùn)練結(jié)果以及數(shù)據(jù)，形成高層神經(jīng)性抽象特征，提升模型分類性能[3]。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)如圖2所示。

3.3 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑雪者定位

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為兩類，一類是雪特征采集傳感器，第二類是滑雪者攜帶的信息采集傳感器。第一類傳感器的位置是固定不變的，第二類傳感器的位置是不斷變化的。根據(jù)對于RSSI的研究，無線數(shù)據(jù)的信號在傳播時有著這樣的規(guī)則：假如接收方接收時測量到的信號的數(shù)據(jù)的強(qiáng)度大的話，那么說明發(fā)送方就離的接收方是比較的近的，假如接收方接收時測量到的信號的數(shù)據(jù)的強(qiáng)度比較低的話，這個時候發(fā)送方距離接收方應(yīng)該就比較遠(yuǎn)了[4]。因此，通過測量接收到的信號強(qiáng)度可以推算出移動傳感器到固定傳感器的距離[5]。本項目利用傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)作對滑雪者感知、定位最后將滑雪者的位置信息反饋給匯聚節(jié)點(diǎn)并且上傳至冰雪感知區(qū)塊鏈。通過一系列感知節(jié)點(diǎn)對滑雪者感知結(jié)果的交集來預(yù)計出滑雪者可能出現(xiàn)的范圍，再根據(jù)這個初始范圍穿越的最小線段估算出滑雪者的移動軌跡。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位模型如圖3所示。

3.4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲及交互

區(qū)塊鏈?zhǔn)且员忍貛艦榇淼臄?shù)字加密貨幣體系的核心支撐技術(shù)[6]。區(qū)塊鏈技術(shù)的核心優(yōu)勢是去中心化，通過數(shù)據(jù)加密、經(jīng)濟(jì)激勵、分布式共識和時間戳等手段，在節(jié)點(diǎn)之間用不著信賴的分布式系統(tǒng)中，實現(xiàn)在分散信用的點(diǎn)對點(diǎn)基礎(chǔ)上的交易、協(xié)調(diào)和合作，給集中式機(jī)構(gòu)都有的，例如成本高、效率低、數(shù)據(jù)存儲不穩(wěn)定的問題找到了一些解決問題的辦法。本項目的冰雪感知區(qū)塊鏈基于以太坊。以太坊總體架構(gòu)如圖4所示。

4 創(chuàng)新點(diǎn)與特色

本系統(tǒng)基于深度置信網(wǎng)絡(luò)模型計算滑雪場雪質(zhì)情況和雪道平整度，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)滑雪者的定位，并利用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)信息交互與管理。本系統(tǒng)將新興信息技術(shù)引入滑雪運(yùn)動，解決了滑雪者尤其是新手滑雪者對于雪場選擇的問題，保障滑雪者的安全，降低了滑雪的門檻，提高了滑雪的安全性，推動了滑雪運(yùn)動的發(fā)展，響應(yīng)了國家提倡全民健身，發(fā)展冰雪運(yùn)動的號召，順應(yīng)了2022年北京冬奧會，中國冰雪運(yùn)動大發(fā)展的形勢。

5 結(jié)束語

通過對市場的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)滑雪場現(xiàn)實存在的痛點(diǎn)，并且利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與區(qū)塊鏈技術(shù)的這波浪潮，我們提出了滑雪場雪質(zhì)監(jiān)測與精準(zhǔn)提示系統(tǒng)，一定程度上解決了用戶的痛點(diǎn)，并運(yùn)用所學(xué)的技能解決了這一問題，提高了團(tuán)隊的能力。在國家政策、全民健身以及2022年冬奧會多重利好激勵下，中國滑雪產(chǎn)業(yè)具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。所以我們相信，該系統(tǒng)必將擁有強(qiáng)大的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

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