數(shù)字孿生技術(shù)賦能智慧體育的發(fā)展與應(yīng)用分析

文 / 蔣涵衛(wèi)，梁新鑫，李思瑩

1 數(shù)字孿生的概念及相關(guān)理論

1.1 基本原理

數(shù)字孿生技術(shù)主要基于物理模型和虛擬模型進(jìn)行建模，將物理世界與虛擬世界連接起來(lái)。在數(shù)字孿生技術(shù)的建模過(guò)程中，需要綜合考慮物理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型、人工智能模型等不同建模方法，并且需要將這些不同的建模方法進(jìn)行有效整合。

數(shù)字孿生技術(shù)的核心是建立虛擬世界，將現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體系統(tǒng)或流程進(jìn)行數(shù)字化映射。而虛擬世界主要是指使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)對(duì)物理世界進(jìn)行模擬和仿真，以獲取對(duì)實(shí)體系統(tǒng)或流程的反饋。與傳統(tǒng)的實(shí)體模型相比，數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬空間中所構(gòu)建的物理實(shí)體系統(tǒng)具有更多信息和功能，包括物理實(shí)體系統(tǒng)的狀態(tài)、性能、行為等方面，可以進(jìn)行仿真模擬并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。在數(shù)字孿生技術(shù)中，主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵要素：一是對(duì)物理實(shí)體系統(tǒng)進(jìn)行建模；二是對(duì)物理實(shí)體系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬；三是與物理實(shí)體系統(tǒng)進(jìn)行交互；四是對(duì)物理實(shí)體系統(tǒng)進(jìn)行反饋。其中，模型化建模方式可以讓數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)真實(shí)世界中的物體和系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化映射。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是一種新型的科學(xué)計(jì)算方法，它將計(jì)算科學(xué)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)利用計(jì)算智能模擬算法，能夠在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中物體或系統(tǒng)的高精度數(shù)字化模擬和預(yù)測(cè)，并在計(jì)算機(jī)中以數(shù)字形式表示。數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用于城市、航空航天、智能制造等領(lǐng)域，但是目前的研究主要集中在制造領(lǐng)域，而體育領(lǐng)域的數(shù)字孿生研究還處于起步階段。為更好地對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，需要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)[1]應(yīng)偉,何玉東.大數(shù)據(jù)時(shí)代下“高效、自主、競(jìng)爭(zhēng)型”智慧社區(qū)體育建設(shè)的思考[C].中國(guó)班迪協(xié)會(huì),澳門(mén)體能協(xié)會(huì),廣東省體能協(xié)會(huì).第八屆中國(guó)體能訓(xùn)練科學(xué)大會(huì)論文集,2023:89-92.，如何高精度采集數(shù)據(jù)，是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于體育領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。體育教學(xué)中的各種運(yùn)動(dòng)器械、場(chǎng)地、設(shè)施等都是采集數(shù)據(jù)的載體。例如，在傳統(tǒng)體育教學(xué)中，學(xué)生需要通過(guò)觀察器械的使用情況、場(chǎng)地的使用情況等方式來(lái)了解該器械的使用狀況，然后根據(jù)實(shí)際情況對(duì)該器械進(jìn)行調(diào)整。但是，隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，很多運(yùn)動(dòng)器械可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)等方式獲取數(shù)據(jù)，如智能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、智能體育設(shè)備、智能運(yùn)動(dòng)裝備等。為了提高數(shù)據(jù)采集的效率和準(zhǔn)確度，需要針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目制定相應(yīng)的采集標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，還需要根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)各種運(yùn)動(dòng)器械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其使用效率。

（2）模型構(gòu)建。數(shù)字孿生技術(shù)利用數(shù)字模型來(lái)模擬真實(shí)物理世界中物體或系統(tǒng)的行為和過(guò)程。在數(shù)字模型構(gòu)建過(guò)程中，需要將物理模型與虛擬模型進(jìn)行匹配與融合，將現(xiàn)實(shí)世界中的物體、系統(tǒng)等數(shù)字化后映射到虛擬空間中。同時(shí)還需要對(duì)物理模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其精度和準(zhǔn)確性。

（3）仿真分析。仿真分析是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于體育領(lǐng)域的重要手段。通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中物體或系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，可以獲得對(duì)其行為或過(guò)程的反饋。例如，在體育教學(xué)中通過(guò)對(duì)學(xué)生行為進(jìn)行模擬可以提升教學(xué)效果和效率。

（4）交互反饋。在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，需要通過(guò)交互反饋將數(shù)字孿生模型與虛擬空間相匹配，以獲得對(duì)實(shí)體系統(tǒng)或流程的反饋。

（5）多源融合。目前關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于體育領(lǐng)域的研究還處于起步階段，需要結(jié)合多學(xué)科理論和方法進(jìn)行深入研究與探索。例如，如何利用數(shù)據(jù)融合方法對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以提升數(shù)據(jù)質(zhì)量；如何使用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)進(jìn)行訓(xùn)練以提升模型精度；如何利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策分析等。

2 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展歷程

數(shù)字孿生技術(shù)起源于美國(guó)，由美國(guó)麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)率先提出，是一種以物理模型和傳感器數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)字模型進(jìn)行仿真模擬，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的數(shù)字化映射。但由于該技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用較為成熟，因而沒(méi)有得到國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視。國(guó)內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)也較少涉及該領(lǐng)域[2]張波,張偉,鄒芮等.智慧校園背景下校園智慧體育管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].信息系統(tǒng)工程,2023(06):16-19.。直到2015年，清華大學(xué)周光召院士團(tuán)隊(duì)提出了數(shù)字孿生概念，并開(kāi)展了一系列實(shí)踐探索，標(biāo)志著數(shù)字孿生技術(shù)在中國(guó)得到了初步應(yīng)用。2017年以來(lái)，國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)積極參與數(shù)字孿生技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用工作。到目前為止，我國(guó)已經(jīng)有多個(gè)省市自治區(qū)發(fā)布了數(shù)字孿生相關(guān)政策。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷成熟和在各行各業(yè)中的深入應(yīng)用，其應(yīng)用價(jià)值將會(huì)得到更大發(fā)揮，將會(huì)有越來(lái)越多的行業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)降本增效、提升質(zhì)量、優(yōu)化體驗(yàn)等目標(biāo)[3]柴王軍,李楊帆,李國(guó),劉哲辰.數(shù)字技術(shù)賦能體育產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的邏輯、困境及紓解路徑[J].先體育學(xué)院學(xué)報(bào),2022(05):292-300.。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域的應(yīng)用前景

數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新型的技術(shù)架構(gòu)，它是指在數(shù)字世界中構(gòu)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界相同或相似的虛擬數(shù)字模型，并在這個(gè)虛擬模型上對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)映射的過(guò)程。數(shù)字孿生技術(shù)可以有效地解決智慧體育中存在的問(wèn)題，為體育管理部門(mén)提供科學(xué)決策依據(jù)，為體育產(chǎn)業(yè)提供更好的服務(wù)。目前，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于智慧體育領(lǐng)域，但是其在智慧體育中的應(yīng)用還處于起步階段。通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育中的應(yīng)用前景進(jìn)行分析[4]王振飛.智慧體育視域下體育場(chǎng)館管理系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化路徑研究[M].武漢體育學(xué)院,2022.05.，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育中的應(yīng)用具有良好的發(fā)展前景。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。隨著數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育中應(yīng)用的不斷深入，將會(huì)為我國(guó)智慧體育提供更多新思路和新方法。

4 數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域的可行性分析

（1）技術(shù)支持：數(shù)字孿生技術(shù)是依賴(lài)于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展而來(lái)的。目前，這些技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并且在智慧體育領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，在技術(shù)層面上支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施是可行的。

（2）數(shù)據(jù)收集和分析：數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施需要大量的數(shù)據(jù)收集和分析。在智慧體育領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)數(shù)據(jù)、比賽數(shù)據(jù)、身體指標(biāo)等信息都可以通過(guò)傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等手段進(jìn)行采集，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析算法進(jìn)行處理。隨著物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的發(fā)展，這些數(shù)據(jù)的獲取將更加便捷和準(zhǔn)確。

（3）實(shí)時(shí)模擬和監(jiān)測(cè)：數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時(shí)模擬和監(jiān)測(cè)個(gè)人運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作和技能。這需要高性能的計(jì)算設(shè)備和快速的數(shù)據(jù)處理能力。目前，隨著計(jì)算能力的不斷提升和處理算法的優(yōu)化，實(shí)時(shí)模擬和監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為可能。

（4）應(yīng)用場(chǎng)景和需求：智慧體育領(lǐng)域?qū)?shù)字孿生技術(shù)的需求非常明確。無(wú)論是個(gè)人運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練和評(píng)估，還是隊(duì)伍管理和比賽分析，數(shù)字孿生技術(shù)都能夠提供有力的支持。因此，從應(yīng)用場(chǎng)景和需求的角度看，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域是可行的。

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域的可行性可以通過(guò)技術(shù)支持、數(shù)據(jù)收集和分析、實(shí)時(shí)模擬和監(jiān)測(cè)以及應(yīng)用場(chǎng)景和需求等方面進(jìn)行分析。當(dāng)前的技術(shù)和應(yīng)用趨勢(shì)表明，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

5 數(shù)字孿生技術(shù)與智慧體育融合發(fā)展的研究路徑

數(shù)字孿生技術(shù)與智慧體育的融合發(fā)展，可以從以下三個(gè)方面展開(kāi)：一是通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)建立虛擬仿真環(huán)境，幫助解決智慧體育中存在的問(wèn)題；二是通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)智慧體育進(jìn)行模擬仿真，幫助指導(dǎo)體育管理部門(mén)進(jìn)行科學(xué)決策；三是利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)體育產(chǎn)業(yè)進(jìn)行服務(wù)，幫助體育產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展。

數(shù)字孿生技術(shù)是一種新型的技術(shù)架構(gòu)，它可以實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界之間的連接，為智慧體育提供多維立體的感知體系。數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)智慧體育中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，可以幫助解決智慧體育中存在的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)物理實(shí)體和系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化映射，可以為智慧體育提供多維立體的感知體系，從而降低智慧體育在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)。綜合來(lái)看，數(shù)字孿生技術(shù)與智慧體育融合發(fā)展具有如下幾個(gè)方面的現(xiàn)實(shí)意義。

5.1 幫助體育管理部門(mén)解決體育領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題

數(shù)字孿生技術(shù)主要通過(guò)以下幾種方式來(lái)幫助體育管理部門(mén)解決實(shí)際問(wèn)題：數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助體育管理部門(mén)建立虛擬仿真環(huán)境[5]王俊.基于數(shù)字孿生的體育場(chǎng)館智慧化運(yùn)營(yíng)管理探究[C].第十二屆全國(guó)體育科學(xué)大會(huì)論文摘要匯編——專(zhuān)題報(bào)告(體育建筑分會(huì)),2022.03:17-19.。通過(guò)建立虛擬仿真環(huán)境，可以讓體育管理部門(mén)在沒(méi)有現(xiàn)實(shí)世界物理實(shí)體的情況下，了解智慧體育運(yùn)行的基本情況。通過(guò)對(duì)智慧體育運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，可以幫助體育管理部門(mén)掌握實(shí)際情況，從而做出科學(xué)決策。這種模擬仿真是一種基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以幫助體育管理部門(mén)得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，從而做出科學(xué)的決策。通過(guò)對(duì)智慧體育運(yùn)行情況進(jìn)行模擬仿真，可以幫助智慧體育在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中避免出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)和失誤。通過(guò)建立虛擬仿真環(huán)境，可以為智慧體提供一個(gè)虛擬的操作平臺(tái)和交互界面，從而實(shí)現(xiàn)智慧體的智能維護(hù)。數(shù)字孿生技術(shù)還可以幫助運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)專(zhuān)家對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行輔助訓(xùn)練。

5.2 促進(jìn)體育產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

當(dāng)前，體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著人口紅利逐漸消失、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈、產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式相對(duì)單一等諸多挑戰(zhàn)，而數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，能夠?yàn)轶w育產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供新的契機(jī)。一方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助體育企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。從根本上說(shuō)，智慧體育的建設(shè)和運(yùn)行需要借助數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)對(duì)物理實(shí)體和系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化映射，從而幫助智慧體育實(shí)現(xiàn)優(yōu)化升級(jí)。在這一過(guò)程中，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助智慧體育實(shí)現(xiàn)功能完善、效率提高、成本降低、風(fēng)險(xiǎn)降低等目標(biāo)；另一方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以促進(jìn)體育產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。在數(shù)字孿生技術(shù)的推動(dòng)下，體育產(chǎn)業(yè)可以利用先進(jìn)的數(shù)字化手段來(lái)降低經(jīng)營(yíng)成本、提高運(yùn)營(yíng)效率，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。例如，在數(shù)字化時(shí)代背景下，很多企業(yè)都利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和銷(xiāo)售的效率。而數(shù)字孿生技術(shù)可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段為企業(yè)提供虛擬仿真環(huán)境，從而幫助企業(yè)減少物理空間中存在的風(fēng)險(xiǎn)和成本。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)、信息等進(jìn)行挖掘分析，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間存在的關(guān)聯(lián)性以及其中蘊(yùn)含的價(jià)值。在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，可以幫助體育企業(yè)制定更加合理的資源配置方案，從而幫助企業(yè)降低運(yùn)營(yíng)成本、提高經(jīng)營(yíng)效率。

綜上可以看出，數(shù)字孿生技術(shù)與智慧體育的融合發(fā)展能夠推動(dòng)體育產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展方向轉(zhuǎn)變。因此，在數(shù)字孿生技術(shù)支持下進(jìn)行智慧體育建設(shè)和運(yùn)行對(duì)促進(jìn)我國(guó)體育產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生是一種新型的技術(shù)架構(gòu)，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的物體和系統(tǒng)進(jìn)行全要素、全周期的數(shù)字化映射，可以更好地幫助人們解決智慧體育中存在的問(wèn)題，助力智慧體育產(chǎn)品的創(chuàng)新。在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智慧體育領(lǐng)域時(shí)，要以用戶(hù)需求為中心，圍繞用戶(hù)的需求進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)；要以?xún)?yōu)化性能為目標(biāo)，利用數(shù)字孿生技術(shù)建立虛擬仿真環(huán)境，對(duì)智慧體育產(chǎn)品進(jìn)行模擬仿真；要以提高質(zhì)量為核心，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)建立虛擬仿真環(huán)境，對(duì)智慧體育產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期的優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域還具有巨大的應(yīng)用潛力，可以應(yīng)用于全民健身、競(jìng)技體育和體育產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。因此，隨著數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域的不斷深入發(fā)展和應(yīng)用，必將會(huì)為體育產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更多的便利和創(chuàng)新價(jià)值。