基于AIoT的智慧體育應(yīng)用前景

張杰 李佳琪

（1.東華大學(xué)體育部 上海 201600；2.東華大學(xué)人文學(xué)院 上海 200050）

得益于5G的發(fā)展和普及，人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的融合協(xié)同發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)，并由此誕生了人工智能物聯(lián)網(wǎng)AIoT。相比于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)在收集了龐雜的數(shù)據(jù)后無法立即對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的現(xiàn)象，搭載人工智能的智能物聯(lián)網(wǎng)能在云端和邊緣端利用人工智能的算法和模型對收集的數(shù)據(jù)立即進(jìn)行分析并提供反饋，這種快速反應(yīng)極大地提高了效率，阿里、小米、華為等科技巨頭紛紛投資研發(fā)AIoT產(chǎn)品。

目前，AIoT 已廣泛應(yīng)用于智慧家居、智慧交通、智慧城市等領(lǐng)域，AIoT 的應(yīng)用不僅極大減少了人力、物力，提高了工作效率，快速的數(shù)據(jù)分析與結(jié)果反饋還增添了決策的科學(xué)性。智能技術(shù)帶來的便利顯而易見。因此，2019 年國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《體育強(qiáng)國建設(shè)綱要》提到，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新信息技術(shù)，促進(jìn)體育場館活動預(yù)訂、賽事信息發(fā)布、經(jīng)營服務(wù)統(tǒng)計(jì)等整合應(yīng)用，推進(jìn)智慧健身路徑、智慧健身步道、智慧體育公園建設(shè)。

鼓勵(lì)社會力量建設(shè)分布于城鄉(xiāng)社區(qū)、商圈、工業(yè)園區(qū)的智慧健身中心、智慧健身館。依托已有資源，提升智慧化全民健身公共服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)資源整合、數(shù)據(jù)共享、互聯(lián)互通，加強(qiáng)分析應(yīng)用［1］。2021 年《“十四五”體育發(fā)展規(guī)劃》提出，推動全民健身智慧化發(fā)展。推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+健身”“物聯(lián)網(wǎng)+健身”，大力推廣居家健身和全民健身網(wǎng)絡(luò)賽事活動。創(chuàng)建涵蓋全民健身群眾組織、場地設(shè)施、賽事活動、健身指導(dǎo)、器材裝備等內(nèi)容的數(shù)字化全民健身服務(wù)平臺，創(chuàng)新全民健身公共服務(wù)模式［2］。因此，利用新興智能技術(shù)推動體育發(fā)展，實(shí)現(xiàn)體育的智慧化、智能化儼然上升為國家戰(zhàn)略。在此背景下，人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等智能技術(shù)成為體育界的研究熱點(diǎn)，并取得了豐碩的研究成果：“互聯(lián)網(wǎng)+體育”創(chuàng)新了體育賽事傳播、體育教學(xué)的新路徑；人工智能推進(jìn)了體育館的智慧化和運(yùn)動訓(xùn)練方式的數(shù)字化等。

以上研究為梳理基于AIoT 的智慧體育應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。研究基于AIoT 的智慧體育應(yīng)用不僅能夠促進(jìn)智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，促使智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成成熟的應(yīng)用模式，而且能夠促進(jìn)智慧體育的發(fā)展與完善，為人民提供高質(zhì)量的服務(wù)，再者能夠加快體育智慧化速度，早日實(shí)現(xiàn)體育智慧化的目標(biāo)。

1 AIOT概念及其功能

1.1 AIOT的內(nèi)涵

2017 年11 月28 日，AIoT 的概念在萬物智能·新紀(jì)元AIoT 未來峰會上被正式提出。AIoT（Artificial Intelligence of Things）是人工智能（Artificial Intelligence）和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）相融合產(chǎn)生的一個(gè)新概念，也被稱為智能物聯(lián)網(wǎng)。由于AIoT是一個(gè)較新的概念，目前業(yè)界還沒有明確的定義，也正因如此，許多企業(yè)在應(yīng)用時(shí)將其單純認(rèn)為是AI和IoT的融合或者認(rèn)為是在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)。同樣，不同的學(xué)者對AIoT的定義也不盡相同。

2020 年中國智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）白皮書提出，AIoT是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同應(yīng)用，它通過IoT系統(tǒng)的傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息采集，而在終端、邊緣或云端進(jìn)行數(shù)據(jù)智能分析，最終形成一個(gè)智能化生態(tài)體系［3］。

吳吉義等人［4］在研究中將AIoT 視為一個(gè)模型，他們認(rèn)為AIoT是一種人工智能與物聯(lián)網(wǎng)融合研究模型，屬于一種新型的深度IoT 研究和應(yīng)用形態(tài)，其中IoT 是AIoT 的基礎(chǔ)設(shè)施，用來收集數(shù)據(jù)，AI 則是AIoT 的智慧化手段和工具，幫助IoT實(shí)現(xiàn)智慧互聯(lián)。

王金雪［5］認(rèn)為，AIoT是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以智能硬件系統(tǒng)為載體，運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)，在智能終端、云端和人之間進(jìn)行信息采集、分析、傳遞和應(yīng)用，協(xié)助人機(jī)實(shí)時(shí)自然交互的智能化網(wǎng)絡(luò)。

1.2 AIoT的技術(shù)架構(gòu)

AIoT 作為人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，是以物聯(lián)網(wǎng)為基底，以人工智能為手段來實(shí)現(xiàn)萬物智聯(lián)的。因此，AIoT 的技術(shù)架構(gòu)不僅要兼顧物聯(lián)網(wǎng)本身的邏輯層次，同時(shí)也要發(fā)揮人工智能的價(jià)值功能。目前，學(xué)界設(shè)計(jì)的AIoT 技術(shù)架構(gòu)普遍包含設(shè)備層、邊緣計(jì)算層、云計(jì)算層。

1.2.1 設(shè)備層

設(shè)備層是AIoT 的軀體。它由兩部分組成，一部分是硬件設(shè)施，如傳感器、智能設(shè)備等，其主要功能是采集現(xiàn)實(shí)世界中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器；另一部分是軟件設(shè)施，包括服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲中心等。軟件設(shè)施的存在為AIoT 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測、預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。

1.2.2 邊緣計(jì)算層

邊緣計(jì)算是指在靠近傳感器的邊緣智能設(shè)備以及靠近數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡(luò)邊緣部署一定的計(jì)算能力，用來進(jìn)行簡單的計(jì)算、分析、數(shù)據(jù)處理，也能存儲少量數(shù)據(jù)。相比于云計(jì)算層，邊緣計(jì)算層減少了網(wǎng)絡(luò)延遲，能夠快速獲得非關(guān)鍵信息，同時(shí)降低了網(wǎng)絡(luò)寬帶成本，保護(hù)了數(shù)據(jù)安全和隱私。但邊緣計(jì)算層的數(shù)據(jù)存儲容量、深度學(xué)習(xí)能力和數(shù)據(jù)處理能力均有限。

1.2.3 云計(jì)算層

云計(jì)算層是AIoT 的大腦。云計(jì)算層的主要功能是存儲數(shù)據(jù)，深度學(xué)習(xí)，進(jìn)行云計(jì)算。在傳感器和智能設(shè)備中收集的數(shù)據(jù)通過一定的傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳到云計(jì)算層，在這一層它們被進(jìn)一步集成、處理、存儲。云計(jì)算層利用深度學(xué)習(xí)工具和一定的計(jì)算硬件系統(tǒng)，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的運(yùn)算和分析決策。

1.3 AIoT的功能

1.3.1 跟蹤監(jiān)測功能

根據(jù)人工智能所具有的識別功能，利用搭載在智能設(shè)備上的攝像頭及環(huán)境傳感器，AIoT 能夠?qū)⑺臄z的監(jiān)測目標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖像信號，傳輸給中央的圖片處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行識別、分析，識記目標(biāo)形態(tài)特征，對目標(biāo)的行為進(jìn)行判斷。通過與云端相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，及時(shí)對目標(biāo)異常行為發(fā)出警報(bào)。該功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用在大氣變化、農(nóng)作物生長、工程建造等方面。利用AIoT 對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，大大節(jié)省了人力、物力、財(cái)力，提高了工作效率。

1.3.2 預(yù)測功能

通過對數(shù)據(jù)的收集以及對目標(biāo)模型的建立，AIoT能夠精準(zhǔn)對目標(biāo)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評測，并根據(jù)云端數(shù)據(jù)庫中的匹配數(shù)據(jù)對目標(biāo)未來的需求或走向進(jìn)行預(yù)測，從而提供智能化解決方案。例如，應(yīng)用了AIoT 技術(shù)的智能教育產(chǎn)品能夠在測評目標(biāo)用戶的知識儲備、認(rèn)知發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，分析用戶的學(xué)習(xí)偏好和知識薄弱點(diǎn)，結(jié)合一定的理論模型對用戶的發(fā)展?jié)摿M(jìn)行預(yù)測，提供個(gè)性化學(xué)習(xí)方案。

1.3.3 分析決策功能

AIoT的分析決策功能更多地體現(xiàn)在能夠?yàn)闆Q策者提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，通過對已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠?qū)⒈尘碍h(huán)境的全貌客觀展現(xiàn)出來。在此基礎(chǔ)上，對事物的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，幫助決策者做出理性判斷，提高決策的科學(xué)性。

2 AIoT在智慧產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

根據(jù)《2020 年中國智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）白皮書》顯示，目前AIoT已廣泛應(yīng)用在家居、建筑、安全、交通、醫(yī)療、教育、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。阿里巴巴、騰訊、華為、小米等大企業(yè)紛紛投入研發(fā)。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，CHEN［6］探究了AIoT在害蟲檢測中的應(yīng)用。通過AI 的深度學(xué)習(xí)以及IoT 的數(shù)據(jù)收集功能，建立了一種實(shí)時(shí)圖像識別系統(tǒng)，并將其與環(huán)境傳感器結(jié)合，對害蟲進(jìn)行檢測、報(bào)告，有效地提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。Jung［7］則將AIoT技術(shù)用在了家畜養(yǎng)殖上。與害蟲檢測相似，該技術(shù)同樣是利用安裝在豬圈的攝像機(jī)對豬進(jìn)行圖像識別，然后通過算法對豬進(jìn)行跟蹤，跟蹤所得的圖像傳回中央服務(wù)器，最后由中央服務(wù)器向養(yǎng)豬戶報(bào)警。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，AIoT 能夠幫助近視患者進(jìn)行近視監(jiān)測、大數(shù)據(jù)分析、個(gè)性化防控措施制定、實(shí)時(shí)監(jiān)測、反饋，為近視防治提供了新的思路［8］。AIoT 還與個(gè)性化康復(fù)識別系統(tǒng)相結(jié)合，幫助居家隔離者醫(yī)療保健，跟蹤康復(fù)鍛煉以進(jìn)行臨床診斷［9］。除了這些，AIoT 在肺癌［15］防治方面也有幫助。

在工業(yè)中，ZHANG 等人［10］開發(fā)了一套基于AIoT的隧道施工實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，以用來促進(jìn)施工信息的通信通暢，并確保在隧道挖掘的過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)能夠被準(zhǔn)確記錄。

在城市建設(shè)方面，Yang等人［11］提出將AIoT應(yīng)用在PM監(jiān)測、室內(nèi)空氣質(zhì)量控制等方面。該方法降低了監(jiān)測成本，同時(shí)通過對數(shù)據(jù)的分析，理解數(shù)據(jù)背后蘊(yùn)含的現(xiàn)實(shí)含義，幫助決策者制定更為科學(xué)的政策。Bano 等人［12］研究了AIoT與垃圾桶的結(jié)合，提出了一種實(shí)時(shí)智能垃圾桶監(jiān)控框架，這種技術(shù)不僅減少了勞動成本，還有助于環(huán)境整潔，減少疾病的發(fā)生。Ahmed Barnawi等人［13］則將AIoT應(yīng)用在了新冠肺炎監(jiān)測上，對人們的提問數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測收集，對潛在患者進(jìn)行跟蹤，當(dāng)出現(xiàn)感染者時(shí)，患者的信息會傳輸?shù)结t(yī)院，為國家的防疫工作減輕了負(fù)擔(dān)。

3 基于AIoT的智慧體育應(yīng)用及展望

3.1 基于AIoT的智慧體育應(yīng)用

智慧體育是以大數(shù)據(jù)、人工智能等新興信息技術(shù)為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用智能可穿戴設(shè)備、運(yùn)動訓(xùn)練實(shí)時(shí)監(jiān)控等傳感儀器和監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各種體育行為的全面感知，運(yùn)用智能算法深度挖掘和解析體育大數(shù)據(jù)，形成可供預(yù)測、計(jì)劃、判斷的知識體系，為競技體育、群眾體育、體育產(chǎn)業(yè)等各種需求提供理論依據(jù)和科學(xué)決策［14］。

Yang［15］等人認(rèn)為，智能技術(shù)的應(yīng)用不僅對體育場的管理方式、經(jīng)營方式帶來了變革，更改變了體育場與消費(fèi)者之間的關(guān)系。這些消費(fèi)者，亦可稱為球迷，他們不再處于體育場的邊緣，而是數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)開發(fā)的關(guān)鍵對象，他們的喜好成為體育場經(jīng)營的重點(diǎn)。在智能體育場館中，球迷與體育之間的生物政治關(guān)系在空間上得到了擴(kuò)展。同時(shí)，在智能體育場域中，比賽不僅僅是一種商品，而是一個(gè)持續(xù)的數(shù)據(jù)開發(fā)和飾演的場所。比如，SDS體育場就利用傳感器、網(wǎng)關(guān)和微軟的云計(jì)算平臺，將現(xiàn)場比賽變?yōu)榱思夹g(shù)演示和監(jiān)視群體行為的試驗(yàn)場地。

付紫碩［16］闡述了國外智慧體育場館建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為國外智慧體育館建設(shè)成功的原因之一是依托科技公司，由科技公司為場館智能化提供一套完整的方案，并根據(jù)發(fā)展不斷調(diào)整。這些方案中包括硬件設(shè)施的應(yīng)用、為球迷和贊助商提供的訪問數(shù)據(jù)服務(wù)以及提高用戶體驗(yàn)的VR、AR 等技術(shù)的應(yīng)用。這也為我國智慧體育場館的建設(shè)提供了啟示，要更加注重與華為、阿里等科技公司的合作，開創(chuàng)新的管理運(yùn)營模式，從而為顧客提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

傅鋼強(qiáng)［17］介紹了四種目前我國智慧體育場館的驅(qū)動模式。這四種模式的體育場館分別運(yùn)用不同的智能技術(shù)，如用于承辦大型賽事的冬奧體育館更多利用的是VR、5G、AI、IoT、AR 等技術(shù)。而杭州黃龍?bào)w育中心作為提供公共體育服務(wù)的場所，配備的是人臉識別、人機(jī)互動等高科技設(shè)備。場館行業(yè)自我改良驅(qū)動模式的代表——上海久事智慧體育有限公司則研發(fā)了智慧體育云服務(wù)平臺，以實(shí)現(xiàn)場館集約化、平臺化和智慧化發(fā)展。最后是以周邊需求為驅(qū)動模式的樂刻運(yùn)動，樂刻通過低價(jià)月卡、智能化設(shè)備等技術(shù)在健身房競爭激烈的今天取得了一席地位。

Chu等人［18］從技術(shù)層面出發(fā)，以舉重訓(xùn)練為例，研究了AIoT 在體育科學(xué)的應(yīng)用。提出了AIoT 體育科學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)：SIAS 和AIoT 邊緣計(jì)算。其中，SIAS 包括的功能有整合和管理云計(jì)算資源，數(shù)據(jù)收集、合并、管理，AI 和深度學(xué)習(xí)，3D 建模和模擬，提供一個(gè)體育APP。運(yùn)動員在訓(xùn)練過程中通過佩戴傳感器（可穿戴與不可穿戴）來監(jiān)測自身情況，這些信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)胶笈_，后臺通過AI 技術(shù)進(jìn)行分析，得出結(jié)果后再由物聯(lián)網(wǎng)傳回到運(yùn)動員及教練。AIoT還用于捕捉運(yùn)動員的動作軌跡，以矯正動作，它通過傳感器實(shí)時(shí)三維動態(tài)捕捉目標(biāo)動作技術(shù)，與數(shù)據(jù)庫中的模型進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有動作的不足并加以矯正。

Farrokhi［19］研究了AIoT在健身中的應(yīng)用，除了探究智慧健身中AIOT的具體應(yīng)用情況，AIoT為智慧健身帶來了社交上的改變。他們將AIoT 中的IoT 看成是Social-IoT，即這種物與物之間的互聯(lián)使系統(tǒng)能夠收集到所有相連設(shè)備的數(shù)據(jù)和信息，來為使用者更好地做預(yù)測和決策，同時(shí)運(yùn)動平臺、運(yùn)動APP的建立使運(yùn)動愛好者能夠分享心得與經(jīng)驗(yàn)，從而改變健康和鍛煉習(xí)慣，還能獲得他人支持，緩解壓力。

3.2 基于AIoT的智慧體育應(yīng)用前景展望

3.2.1 競技體育

智慧體育中應(yīng)用AIoT 能從三方面為競技體育帶來改變。首先，AIoT 能夠更加準(zhǔn)確收集分析運(yùn)動員身體的各項(xiàng)指標(biāo)，從而為教練在運(yùn)動員選拔上提供助力。其次，AIoT 的中央數(shù)據(jù)庫能夠存儲各個(gè)國家各個(gè)項(xiàng)目的體育情報(bào)。理論上看，這些數(shù)據(jù)能夠在全世界范圍內(nèi)免費(fèi)共享，這樣便于國家收集體育情報(bào)，各國“各憑本事”對情報(bào)進(jìn)行利用，促進(jìn)了競技體育的公平性。最后，AIoT能夠幫助檢測環(huán)境中的不安全因素，并對運(yùn)動員自身做出的不規(guī)范動作發(fā)出預(yù)警，能起到預(yù)防運(yùn)動傷病的作用，還能根據(jù)受傷情況協(xié)助隊(duì)醫(yī)制訂休養(yǎng)計(jì)劃。

3.2.2 大眾體育

AIoT技術(shù)能夠?yàn)榇蟊婓w育提供的服務(wù)更多。運(yùn)動時(shí)，人體所配戴的運(yùn)動手環(huán)能夠收集運(yùn)動數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在經(jīng)過邊緣計(jì)算層簡單分析之后能快速傳給使用者，使用戶在第一時(shí)間了解自己的運(yùn)動信息，如果想要更深層次的信息，也可以等待云計(jì)算層的深度計(jì)算。加工處理之后的數(shù)據(jù)可以傳到使用者的手機(jī)、平板等一切智能產(chǎn)品中，這些數(shù)據(jù)甚至可以傳輸?shù)街悄芗揖又?，無縫鏈接地為用戶準(zhǔn)備舒適的家居環(huán)境。體育公園、開放體育運(yùn)動場也可以配備傳感器，通過對居民使用器械、參加項(xiàng)目的次數(shù)進(jìn)行分析，充分了解居民對運(yùn)動場所的需求，從而為大眾提供更優(yōu)質(zhì)便民的服務(wù)。

3.2.3 體育產(chǎn)業(yè)

目前我國體育產(chǎn)業(yè)已廣泛應(yīng)用智能技術(shù)。因此，將AIoT 技術(shù)應(yīng)用在體育產(chǎn)業(yè)是指日可待的。無論是體育產(chǎn)業(yè)園、體育旅游業(yè)、智慧健身房、智慧體育館，都能利用AIoT實(shí)現(xiàn)收集數(shù)據(jù)、分析計(jì)算、預(yù)測需求、提供服務(wù)的一站式服務(wù)模式，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的經(jīng)營管理模式，提高自身的競爭力，在激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟。

4 結(jié)語

AIoT是一個(gè)新概念，正處于發(fā)展初期，具有巨大潛力。用AI 賦能IoT，使IoT 真正實(shí)現(xiàn)連接萬物，智能互聯(lián)，這是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢。目前，AIoT架構(gòu)普遍設(shè)計(jì)成設(shè)施層、邊緣計(jì)算層、云計(jì)算層3 個(gè)層次，使AIoT 具有跟蹤監(jiān)測、預(yù)測、決策的功能。現(xiàn)階段，AIoT 已廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。為害蟲檢測、城市建設(shè)、隧道工程、醫(yī)學(xué)研究帶來了便利。對于AIoT 在智慧體育中所起的作用，國外已有學(xué)者進(jìn)行了研究，在舉重訓(xùn)練中，AIoT幫助運(yùn)動員和教練員進(jìn)行技術(shù)分析；在健身中，AIoT創(chuàng)造了一個(gè)社交物聯(lián)網(wǎng)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中人們能夠分享經(jīng)驗(yàn)，互相鼓勵(lì)。由此，將AIoT 應(yīng)用于智慧體育，能為競技體育、大眾體育、體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供助力。