基于Flexsim的冬殘奧會(huì)冰壺館涉賽物資自動(dòng)化存取系統(tǒng)的仿真研究*

□ 王閏淇,田志虹

(北京印刷學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 102600)

1 引言

為了深入貫徹2022年北京冬殘奧會(huì)“簡(jiǎn)約、安全、精彩”的辦賽要求，需要通過創(chuàng)新來建立健全殘疾運(yùn)動(dòng)員比賽全程的需求服務(wù)體系。賽事承辦方要力爭(zhēng)在“簡(jiǎn)約”中滿足殘疾運(yùn)動(dòng)員自助式響應(yīng)自身需求的愿望；在“安全”中實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流無人化、減少人為接觸、避免病毒傳染的目標(biāo)；在“精彩”中充分發(fā)掘殘疾人的發(fā)展?jié)撃?，弘揚(yáng)文明、和諧、有愛的社會(huì)良好風(fēng)氣，加快我國(guó)體育強(qiáng)國(guó)建設(shè)的進(jìn)程[1]。

2020年11月，國(guó)家游泳中心“水立方”完成了冬奧會(huì)冰壺場(chǎng)館的改造工程，變身為“冰立方”，將成為2022年北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)冰壺、輪椅冰壺的比賽場(chǎng)地。其內(nèi)部的冰上運(yùn)動(dòng)中心位于場(chǎng)館的地下空間，包括一塊標(biāo)準(zhǔn)冰場(chǎng)和一塊標(biāo)準(zhǔn)冰壺場(chǎng)地及相關(guān)的配套服務(wù)設(shè)施。本文以此場(chǎng)地為背景，通過調(diào)研訪談和資料收集，分析輪椅冰壺運(yùn)動(dòng)員對(duì)涉賽物資存取的需求，嘗試構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)化賽事物資存取系統(tǒng)，并在Flexsim仿真平臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)建模與仿真。本研究成果將為我國(guó)各大體育賽事場(chǎng)地，尤其是殘疾人賽事的涉賽物資存取系統(tǒng)提供思路與參考。

2 “冰立方”冰壺場(chǎng)館的涉賽物資存取系統(tǒng)需求分析

2.1 涉賽物資自動(dòng)化存取系統(tǒng)布局分析

冬殘奧會(huì)作為全球頂級(jí)體育賽事之一，對(duì)比賽場(chǎng)館的設(shè)施設(shè)備和運(yùn)動(dòng)器材的品質(zhì)與規(guī)格的要求都是頂級(jí)的，這就需要專業(yè)且精密的物流操作。同時(shí)，賽程的時(shí)效性和運(yùn)動(dòng)員需求的多樣化還要求涉賽物資的存取具有高效、靈活和個(gè)性化的特點(diǎn)。當(dāng)前疫情更增加了賽事管理的不確定性，因此冬殘奧會(huì)的物流服務(wù)要達(dá)到嚴(yán)格的防疫標(biāo)準(zhǔn)，具備預(yù)判能力、及時(shí)響應(yīng)能力和靈活應(yīng)變能力，以此保障高水平的賽事服務(wù)質(zhì)量[2]。當(dāng)前，“冰立方”冰壺賽場(chǎng)的布局較為緊密[3]，涉賽物資及運(yùn)動(dòng)員的部分個(gè)人物品并不適合在賽場(chǎng)范圍內(nèi)集中存放，因此，需要在比賽場(chǎng)地外劃分一個(gè)區(qū)域?qū)ｉT用于臨時(shí)倉(cāng)儲(chǔ)。同時(shí)，還要在該倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域和比賽場(chǎng)地之間架設(shè)存入和取出物資的系統(tǒng)，來滿足運(yùn)動(dòng)員對(duì)物資的及時(shí)存取需求。

基于以上分析，我們將涉賽物資自動(dòng)化存取系統(tǒng)分為三個(gè)部分，如圖1所示。物資倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)將存與取的獨(dú)立操作流程銜接起來，全部流程采用自動(dòng)化操作技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)信息共享并實(shí)時(shí)響應(yīng)運(yùn)動(dòng)員需求，使其做到應(yīng)變能力更靈活、適用范圍更廣、操作更智能化，以符合賽事場(chǎng)館智慧化、人性化的發(fā)展要求。

圖1 涉賽物資自動(dòng)化存取系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

涉賽物資自動(dòng)化存取系統(tǒng)的整體布局如圖2所示，其主要功能分區(qū)包括涉賽物資存取的指令區(qū)(在運(yùn)動(dòng)員選手的準(zhǔn)備區(qū)中)、移動(dòng)存取物資的搬運(yùn)區(qū)、銜接倉(cāng)庫(kù)與賽場(chǎng)的出入庫(kù)暫存區(qū)、對(duì)涉賽物資進(jìn)行分類存放的自動(dòng)識(shí)別分揀區(qū)、分揀后的搬運(yùn)區(qū)、立體貨架儲(chǔ)存區(qū)和物資出庫(kù)時(shí)的自動(dòng)識(shí)別取物區(qū)等。

“冰立方”冰壺場(chǎng)館與其他大型體育賽事場(chǎng)館的管理運(yùn)作流程并無太大差異，主要區(qū)別在于“物資”即冰壺運(yùn)動(dòng)相關(guān)的專業(yè)裝備有著特殊的保存與保養(yǎng)要求，因而對(duì)冬奧會(huì)涉賽物資的裝卸、搬運(yùn)的安全性和精確性要求更高，需避免因物資損壞影響競(jìng)賽公平。系統(tǒng)的運(yùn)作流程包括入庫(kù)、在庫(kù)和出庫(kù)三個(gè)環(huán)節(jié)[4]，其中入庫(kù)和出庫(kù)是與外部物流銜接的環(huán)節(jié)，在庫(kù)的主要工作是對(duì)賽事相關(guān)物資的儲(chǔ)存、理貨、盤點(diǎn)等。物資在整個(gè)系統(tǒng)中的流動(dòng)方向如圖2中的箭頭所示。在本研究中，我們主要關(guān)注的是存取系統(tǒng)與外部賽場(chǎng)系統(tǒng)的整體布局和銜接問題，并分析主要環(huán)節(jié)的效用。

在疫情防控方面，系統(tǒng)設(shè)立了三個(gè)病毒消殺設(shè)備。如圖2所示，AGV搬運(yùn)小車運(yùn)作一段時(shí)間后會(huì)進(jìn)入設(shè)備消殺區(qū)進(jìn)行表面的噴霧消毒；入庫(kù)物資在分揀包裝后會(huì)進(jìn)入一段消毒通道，使用全方位立體霧化消毒設(shè)備進(jìn)行消殺[5]；貨架與搬運(yùn)軌道及叉車等搬運(yùn)設(shè)備也都會(huì)定期進(jìn)行消毒，確保整個(gè)賽事物資存取系統(tǒng)符合防疫標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 涉賽物資的類型和特征分析

通過資料收集和走訪調(diào)研，根據(jù)不同的功能與種類，我們歸納出輪椅冰壺項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的涉賽物資需求大致分為以下五類。

2.2.1 服裝、毛毯類物資

輪椅冰壺比賽對(duì)運(yùn)動(dòng)員的服裝要求十分嚴(yán)格。根據(jù)規(guī)則，同隊(duì)所有成員在賽前練習(xí)和比賽時(shí)都必須著統(tǒng)一服裝。分配到淺色手柄冰壺的隊(duì)伍穿淺色服裝，分配到深色手柄冰壺的隊(duì)伍穿深色服裝。著裝不達(dá)標(biāo)將被禁止進(jìn)入比賽場(chǎng)地和教練席。因此，參賽隊(duì)員和教練需要預(yù)備多套比賽服裝以及候場(chǎng)時(shí)的其他保暖衣物。

與肢體健康的冰上運(yùn)動(dòng)員不同的是，參加輪椅冰壺項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員特別需要針對(duì)下半身的保暖措施，如護(hù)膝、護(hù)腿套、毛毯等。根據(jù)規(guī)定[6]，參加輪椅冰壺項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員下肢必須有明顯損傷，步態(tài)明顯異常(如脊髓損傷、腦癱、多發(fā)性硬化癥或雙下肢截肢)，日常生活必須依靠輪椅，不能獨(dú)立行走或僅能在室內(nèi)短距離行走。有研究表明[6]，脊髓損傷運(yùn)動(dòng)員在輪椅冰壺運(yùn)動(dòng)員中所占比例最大。在比賽時(shí)，一名隊(duì)員固定選手的輪椅，選手依靠上半身的力量通過投擲桿推出近20千克的冰壺。一場(chǎng)正規(guī)的比賽分為上、下半場(chǎng)共八局，時(shí)間限制為68分鐘，每隊(duì)每一場(chǎng)比賽有60秒暫停時(shí)間[1]。殘疾運(yùn)動(dòng)員下半身本就存在病患，長(zhǎng)時(shí)間在冰面上靜止更容易引發(fā)凍傷等問題，因此保暖措施必不可少。本系統(tǒng)可以在賽前及時(shí)搬運(yùn)相關(guān)物資至選手準(zhǔn)備區(qū)，減少運(yùn)動(dòng)員隨身攜帶大件物資的負(fù)擔(dān)。

2.2.2 輪椅冰壺項(xiàng)目的相關(guān)器材

無論是普通冰壺比賽還是輪椅冰壺比賽，所用的冰壺石是沒有區(qū)別的，主要區(qū)別是輪椅冰壺運(yùn)動(dòng)員需要特制的手杖(投擲桿)來傳(冰壺)石和穩(wěn)定輪椅。一支標(biāo)準(zhǔn)的投擲桿分為把手、桿身、桿頭三部分，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定從桿頭至把手最長(zhǎng)不得超過2.45米，桿頭位置設(shè)有一個(gè)特制卡口，恰好可以套在冰壺的手柄上，方便運(yùn)動(dòng)員更好地控制冰壺。該類長(zhǎng)棍式比賽用品更要嚴(yán)格遵守保存規(guī)定，在進(jìn)行專業(yè)包裝后再入庫(kù)保存。此外，輪椅冰壺比賽還需要準(zhǔn)備指揮刷、秒表、備用桿頭、冰壺石等裝備器材，且都需要妥善保管。

2.2.3 臨時(shí)醫(yī)療康復(fù)用品

2018年平昌冬殘奧會(huì)的數(shù)據(jù)顯示[6]，輪椅冰壺運(yùn)動(dòng)中傷害總次數(shù)為5次，傷害發(fā)生率為6.90%。相對(duì)于殘疾人高山滑雪、殘疾人冰球運(yùn)動(dòng)等傷害發(fā)生率高達(dá)22%的高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)來說，輪椅冰壺的傷害發(fā)生率明顯較低。另一數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，冬殘奧會(huì)賽前與賽中的傷害發(fā)生率接近，高達(dá)19.40%-21.40%。因此，無論賽前還是賽中，不僅要提前準(zhǔn)備必要的應(yīng)急保障醫(yī)療措施，還要對(duì)一些急需的醫(yī)療物資進(jìn)行實(shí)時(shí)存取，盡最大努力保障運(yùn)動(dòng)員健康安全。

2.2.4 運(yùn)動(dòng)員個(gè)人用品

運(yùn)動(dòng)員在賽場(chǎng)上有自己的習(xí)慣和需求，因此對(duì)本類物資僅做粗略統(tǒng)計(jì)，其中包括運(yùn)動(dòng)員的備用眼鏡、保溫杯、食物補(bǔ)給、毛巾、紙巾等生活日用品，多為小型物件。該模型涵蓋此類的目的是幫助運(yùn)動(dòng)員省去自身攜帶物資的麻煩。系統(tǒng)可在運(yùn)動(dòng)員入場(chǎng)前將所需物資送達(dá)指定位置，符合疫情下的防疫措施，確保所有在場(chǎng)人員的安全。

3 自動(dòng)化存取系統(tǒng)的建模和仿真

3.1 Flexsim仿真實(shí)體與現(xiàn)實(shí)物體的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在Flexsim仿真平臺(tái)上，可以利用軟件內(nèi)置的仿真實(shí)體來模擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的功能，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 Flexsim仿真實(shí)體與自動(dòng)化存取系統(tǒng)設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 仿真模型布局與仿真流程設(shè)置

在Flexsim中建模，模型如圖3所示。模型包含兩層結(jié)構(gòu)，一層代表比賽場(chǎng)地，二層代表賽場(chǎng)外的倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)。仿真模型的運(yùn)行邏輯包含存物和取物兩個(gè)流程。

圖3 自動(dòng)化存取系統(tǒng)仿真模型

①存物流程：用戶可在賽前、賽中、賽后隨時(shí)存入物資。AGV自動(dòng)引導(dǎo)小車收取物資后按指定路線行進(jìn)至待存暫存區(qū)自動(dòng)卸貨，由升降梯運(yùn)至二層倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)。在二樓通過自動(dòng)分揀機(jī)進(jìn)行分揀，分揀包裝后經(jīng)過噴霧消毒存入貨架。

②取物流程：用戶可以在任意許可時(shí)間內(nèi)通過手機(jī)APP軟件下達(dá)取物指令。自動(dòng)識(shí)別取貨區(qū)的計(jì)算機(jī)收到指令后調(diào)用叉車將對(duì)應(yīng)物資下架、出庫(kù)搬運(yùn)至賽場(chǎng)指定區(qū)域。

當(dāng)一個(gè)物資上架后，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中會(huì)增加一行記錄，包括物資的存儲(chǔ)編號(hào)、物資所屬用戶的身份編號(hào)、物資所屬類型編號(hào)、物資存入的貨架號(hào)、貨架行號(hào)、貨架列號(hào)等關(guān)鍵信息，并反饋到用戶的手機(jī)APP中。當(dāng)用戶需要取物時(shí)，只需通過手機(jī)軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊操作發(fā)出申請(qǐng)，并填寫希望物資達(dá)到的時(shí)間和具體位置即可。同時(shí)也可在手機(jī)上查看自己的物資所處的配送位置與狀態(tài)以及預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間。

3.3 仿真模型運(yùn)行結(jié)果分析

考慮到物資的特殊性和安全性，對(duì)仿真模型的各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行和操作速度都加以限制，相較一般快遞分揀系統(tǒng)速度更慢、操作更精確。我們假設(shè)當(dāng)前一場(chǎng)比賽中有10名運(yùn)動(dòng)員要同時(shí)將自己的物資存入，每人的物資種類和數(shù)量都不同，如圖4所示。

圖4 模型發(fā)生器的存入物資參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)1：入庫(kù)搬運(yùn)由人工完成，人員行走平均速度為1米/秒，每次搬運(yùn)1件物資，共計(jì)搬運(yùn)30件物資。

實(shí)驗(yàn)2：入庫(kù)搬運(yùn)由AGV小車完成，行駛平均速度為1.5米/秒，每次可同時(shí)運(yùn)載2件物資，共計(jì)搬運(yùn)30件物資。

實(shí)驗(yàn)3：入庫(kù)搬運(yùn)由AGV小車完成，行駛平均速度為1.5米/秒，每次可同時(shí)運(yùn)載5件物資，共計(jì)搬運(yùn)30件物資。

三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，仿真模型各運(yùn)行10次，總運(yùn)行時(shí)間如圖5所示。從中可以看到，相對(duì)于人工搬運(yùn)，改為AGV小車搬運(yùn)可以大幅度提高系統(tǒng)總體效率，并且減少了人員接觸和人為損壞物資的可能性。同時(shí)可以看到，小車一次搬運(yùn)2件(實(shí)驗(yàn)2)或5件(實(shí)驗(yàn)3)物資，系統(tǒng)整體效率沒有明顯差異。

圖5 三個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行10次總運(yùn)行時(shí)間

在取物階段，我們?cè)O(shè)計(jì)如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)4：一名運(yùn)動(dòng)員發(fā)出一個(gè)指令要取一件物資(該物資的存儲(chǔ)編號(hào)為1)，出庫(kù)搬運(yùn)由AGV小車完成，行駛平均速度為1.5米/秒。

實(shí)驗(yàn)5：5名運(yùn)動(dòng)員同時(shí)各自發(fā)出一個(gè)指令要取一件物資(物資的存儲(chǔ)編號(hào)為1至5)，出庫(kù)搬運(yùn)由AGV小車完成，行駛平均速度為1.5米/秒。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，仿真模型各運(yùn)行10次，總運(yùn)行時(shí)間如圖6所示。

圖6 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行10次總運(yùn)行時(shí)間

從圖6中可以看到單次取物時(shí)間約需要3分半鐘，但當(dāng)多名用戶同時(shí)下達(dá)取物指令時(shí)，總體的時(shí)間消耗也在成比例增加。在未來，我們可以考慮從增加搬運(yùn)工具數(shù)量、協(xié)調(diào)多個(gè)搬運(yùn)工具并行工作，以及合并多個(gè)指令優(yōu)化取物流程等角度，不斷提升在賽事進(jìn)行中對(duì)運(yùn)動(dòng)員需求響應(yīng)的速度。仿真模型運(yùn)行結(jié)束后狀態(tài)如圖7所示。通過仿真模型的運(yùn)行結(jié)果可以看到，自動(dòng)化存取系統(tǒng)能更加便捷地幫助運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行物資的實(shí)時(shí)存取。

圖7 仿真模型運(yùn)行結(jié)束后狀態(tài)

4 總結(jié)

本研究以2022年北京冬殘奧會(huì)輪椅冰壺場(chǎng)地“冰立方”為背景，通過對(duì)輪椅冰壺運(yùn)動(dòng)員的涉賽物資需求進(jìn)行調(diào)研，分析了涉賽物資自動(dòng)化存取系統(tǒng)的布局和流程，并基于Flexsim仿真平臺(tái)構(gòu)建了系統(tǒng)仿真模型。從仿真模型運(yùn)行結(jié)果可以看到，自動(dòng)化的涉賽物資存取系統(tǒng)可以大大提高物資的存取效率，減少人員接觸和物資的損壞，為殘疾運(yùn)動(dòng)員提供更加人性化的自助式服務(wù)。

本研究為賽事場(chǎng)館尤其是殘疾人友好型場(chǎng)館的智慧化建設(shè)提供了一種解決思路。當(dāng)然，該系統(tǒng)需要應(yīng)對(duì)不同賽事的特點(diǎn)和不同場(chǎng)地的需求，系統(tǒng)運(yùn)行的影響因素眾多，在實(shí)踐中應(yīng)以發(fā)展的視角不斷進(jìn)行完善和優(yōu)化。未來，當(dāng)本屆冬殘奧會(huì)順利閉幕后，我們將獲取更多實(shí)際的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。