數(shù)字孿生技術與信息安全在智慧體育場館中的研究

摘 要：

隨著云計算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)這些現(xiàn)代化信息技術逐步納入體育場館中，智慧體育場館也隨之成為人們討論的焦點。對數(shù)字孿生技術和信息安全技術在智慧體育場館中應用進行了研究。首先介紹了智慧體育場館的多層次技術架構，分析了當前智慧體育場館防護中的不足之處。根據(jù)存在的缺陷，對數(shù)字孿生技術應用于智慧體育場館中進行了理論分析。結合實際案例論證數(shù)字孿生技術與信息安全技術在類似場景中的成功應用，總結并展望了智慧體育場館的發(fā)展趨勢。本研究可為智慧體育場館的建設和管理提供有效的技術指導和安全保障，對體育場館的全面智能化升級起到一定的推動作用。

關鍵詞：

智慧體育場館; 信息安全; 數(shù)字孿生; 三維曲面重建; 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號： TU855

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）12-0012-07

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.12.003

0 引 言

隨著國家對建設體育強國的重視，近年來出臺了很多關于體育場館的政策，促進各類體育場館的發(fā)展和服務水平的提升。2021年8月國務院印發(fā)《全民健身計劃（2021—2025）》中提到，提供智慧化服務，推動線上和智能體育賽事活動開展，支持開展智能健身、云賽事、虛擬運動等新型運動。2023年6月，國家體育總局發(fā)布關于《全民健身場地設施提升行動工作方案（2023—2025年）》的通知。通知指出，推進智慧化健身設施建設，推廣運用5G等新一代信息技術，以城市為重點，結合推進以縣城為重要載體的城鎮(zhèn)化建設，推動全國2 000個以上的縣級行政區(qū)域到2025年底前配建質(zhì)量安全有保障、具備實時運動健身指導等功能的智能室外健身器材。推動約3 000個公共體育場館在2025年底前完成數(shù)字化升級改造。

這些政策的發(fā)布為構建智慧體育場館提供了支持，利用信息技術來建設智慧體育場館、提升服務水平，也符合新時代背景下體育場館的發(fā)展需求。

但隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷更新前進，也給智慧體育場館的安全帶來一定的威脅。本文以智慧體育場館為背景，分析了現(xiàn)有的架構以及目前存在的問題，提出數(shù)字孿生技術和信息安全相融合的創(chuàng)新解決方案，并通過案例分析和對比分析，展示其應用前景。

1 智慧體育場館的技術架構及信息安全現(xiàn)狀

1.1 智慧體育場館的技術架構

隨著信息技術的迅猛發(fā)展，智慧體育場館作為現(xiàn)代化體育場館管理的創(chuàng)新模式，逐漸在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應用。智慧體育場館基本框架如圖1所示。

智慧體育場館框架分為硬件設施層、技術服務層、用戶體驗層3個部分，技術主要包括區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬顯示、大數(shù)據(jù)等。通過技術和平臺應用協(xié)同，集服務、空間、管理及營銷于一體，將信息化、智能化和數(shù)字化融為一體，為用戶帶來高質(zhì)量、沉浸式、交互式的新視覺觀賽體驗，并傳遞更豐富的視覺信息［1］。

1.2 智慧體育場館的信息安全現(xiàn)狀

智慧體育場館的信息安全現(xiàn)狀面臨多重挑戰(zhàn)，為了更好地理解和應對這些挑戰(zhàn)，2021年浙江省批準并發(fā)布了DB33/T 2305—2021《大中型體育場館智慧化建設和管理規(guī)范》。浙江智慧體育場館總體架構如圖2所示。

該總體架構將智慧體育場館的信息安全劃分為應用展示層、業(yè)務應用層、基礎平臺層、核心

技術層、硬件感知層［2］。盡管該架構中對層次的信息安全提出了明確要求，但在智慧體育場館的實際應用中，仍存在一些顯著的差距［3］。

比如硬件設施層面缺乏對終端設備和固件的統(tǒng)一安全標準和管理，硬件設備很容易成為攻擊的入口;體育館的辦公網(wǎng)絡和運營網(wǎng)絡之間缺乏嚴格的隔離和安全控制，增加了內(nèi)部網(wǎng)絡被攻擊的風險。

因此，在智慧體育場館的實際運行中，信息安全保護存在顯著不足。雖然管理規(guī)范為信息安全提供了全面的框架，但實際操作中很多設備并未納入安全防護體系中，這導致智慧體育場館面臨多種潛在的安全威脅和風險，亟須通過新的技術和方法來提升整體信息安全水平。

2 安全挑戰(zhàn)與解決方案

2.1 安全挑戰(zhàn)

智慧體育場館作為一個高度集成化、數(shù)字化的現(xiàn)代體育設施，涉及大量的終端設備、復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)和多樣化的應用場景。這些實際情況決定了智慧體育場館在運營和管理中面臨以下挑戰(zhàn)。

2.1.1 軟件與硬件整合困難

我國體育場的智能化建設按照GB 50314—2015《智能建筑設計標準》分為4個等級，這種分級方法偏重場館硬件設施、軟件系統(tǒng)獨立建設，對軟件、系統(tǒng)聯(lián)動和數(shù)據(jù)協(xié)同處理能力重視不足，不利于場館后期開展智慧化運營。

2.1.2 數(shù)據(jù)安全和隱私保護

智慧體育場館在運行過程中會產(chǎn)生大量的敏感數(shù)據(jù)，如身份信息、位置數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)的安全保護和隱私保障至關重要，任何數(shù)據(jù)泄漏或篡改都可能帶來嚴重的安全風險和法律問題。

2.1.3 網(wǎng)絡攻擊和防御

隨著5G技術的普及和物聯(lián)網(wǎng)設備的廣泛應用，智慧體育場館面臨的網(wǎng)絡安全威脅日益增加。5G和Wi-Fi雖然提供了高效的連接和數(shù)據(jù)傳輸能力，但其安全防護措施不夠完善，容易受到網(wǎng)絡攻擊和數(shù)據(jù)竊?。?］。體育場館的辦公網(wǎng)絡與運營網(wǎng)絡之間缺乏嚴格的隔離和安全控制，增加了內(nèi)部網(wǎng)絡被攻破的風險。

這些現(xiàn)實情況表明，智慧體育場館在運營和管理過程中面臨多方面的信息安全挑戰(zhàn)，包括設備管理、人員安全、數(shù)據(jù)保護和網(wǎng)絡防御等，這些問題亟需引起重視，并尋求有效的解決方案。

2.2 解決思路

為了有效應對這些挑戰(zhàn)，提升體育場館的運營效率和安全保障水平，本文提出將數(shù)字孿生技術與信息安全技術相結合的解決方案。通過這一創(chuàng)新性組合，智慧體育場館可以實現(xiàn)全方位的實時監(jiān)控、仿真分析和智能決策支持，同時確保信息系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.2.1 數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生技術原理是創(chuàng)建物理對象或系統(tǒng)的虛擬模型，實現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的互動和融合。數(shù)字孿生技術剛被提出時，用于航空和戰(zhàn)斗機設計領域，之后各大技術公司開始大力研究數(shù)字孿生技術，將數(shù)字孿生技術運用于網(wǎng)絡以及數(shù)據(jù)處理方面［5］。

隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大以及層出不窮的各種威脅，在網(wǎng)絡安全空間以及信息安全中使用數(shù)字孿生的需求越來越大。數(shù)字孿生在信息安全中的應用是基于實體網(wǎng)絡環(huán)境構建一個網(wǎng)絡數(shù)字孿生模型來模擬網(wǎng)絡拓撲、數(shù)據(jù)流量等［6］，使安全人員能夠預測潛在的網(wǎng)絡安全威脅并采取相應的防御措施和對應策略。

2.2.2 數(shù)字孿生建模流程

（1） 建筑信息模型+地理信息系統(tǒng)信息集成。

對體育場館進行GIS和BIM的構建。GIS技術用于獲取和管理地理空間數(shù)據(jù)，包括三維空間內(nèi)測距、測面、三角形測高、定點測高及可視域分析等。BIM技術用于創(chuàng)建詳細的建筑信息模型，包括結構、設備和設施等詳細信息［7］。

信息集成是數(shù)字孿生中的第一步，也是后續(xù)數(shù)據(jù)來源中最重要的一步。數(shù)據(jù)格式和標準如圖3所示。需根據(jù)項目需求選擇合適的數(shù)據(jù)格式和標準，根據(jù)選定的標準定義數(shù)據(jù)結構和內(nèi)容，將數(shù)據(jù)從源格式映射到目標格式，最后檢查數(shù)據(jù)能否在環(huán)境中正常加載和顯示。

目前，Cesium開源框架被廣泛用于此類集成。該框架具備良好的封裝和快速的模型渲染能力，能夠組合3D虛擬模型和2D平面地圖，以符合GIS行業(yè)規(guī)范的方式訪問和呈現(xiàn)空間數(shù)據(jù)［8］。通過高效的信息集成，為后續(xù)智慧體育場館的數(shù)字孿生模型提供了堅實的基礎。

（2） 利用TIN技術實現(xiàn)三維曲面重建。

在完成BIM和GIS信息集成后，下一步利用三角不規(guī)則網(wǎng)（TIN）技術進行三維曲面重建。TIN技術通過將點云數(shù)據(jù)轉換為三角形，各折點通過一系列邊進行連接，最終形成一個三角網(wǎng)，可以精確地重建體育館的三維表面［9］。這個過程包括以下幾個關鍵步驟。

① 數(shù)據(jù)處理：對采集到的點云數(shù)據(jù)進行預處理，去除噪聲和冗余數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)的準確性和完整。數(shù)據(jù)處理如圖4所示。

將數(shù)據(jù)處理分為3步，分別是噪聲去除、數(shù)據(jù)簡化以及數(shù)據(jù)對齊，噪聲去除是后續(xù)的關鍵，因此需要根據(jù)不同的云數(shù)據(jù)的噪聲類型進行不同的處理。

針對孤立噪聲點有兩種方式，離群點移除是通過分析每個點的鄰域內(nèi)的距離均值和標準差等，識別去除與鄰域點不同的點;中值濾波只是對每個點的鄰域計算中位數(shù)位置，將點位置調(diào)整到中位數(shù)。

針對密集噪聲有兩種方法，體素網(wǎng)格濾波是將云數(shù)據(jù)劃分為均勻的體素網(wǎng)格，并用體素內(nèi)的代表點替代所有點，從而減少數(shù)據(jù)的密度;高斯濾波是對鄰域點進行加權平均，平滑云數(shù)據(jù)。

偽影是采集過程中由于光線反射、折射或環(huán)境因素引起的假點，可以使用移動最小二乘法，在每個點的鄰域內(nèi)進行曲面擬合，將點云數(shù)據(jù)平滑到擬合曲面上。

② 三角形網(wǎng)格生成：將處理后的點云數(shù)據(jù)轉換為三角形網(wǎng)格。TIN技術通過連接相鄰的點，生成一系列不規(guī)則三角形，這些三角形共同構成了體育館的三維表面［9］。

③ 三維曲面重建：將點云數(shù)據(jù)轉換為光滑的三維表面模型的過程，這一模型能精確反映了體育場館的實際物理形態(tài)，包括復雜的建筑結構和地形變化。三維曲面重建如圖5所示。

三維曲面重建時將點云數(shù)據(jù)轉換為光滑的三維表面模型，關鍵步驟為三角網(wǎng)格生成。

Delaunay三角剖分用于生成高質(zhì)量三角網(wǎng)格，

Delaunay三角剖分是一種將點云中的點連接成三角形網(wǎng)格的算法，使得沒有點位于任何三角形的外接，適合于靜態(tài)點云數(shù)據(jù)的處理，使三角形的外接圓中不會包含其他點。大致算法流程如下，一開始構建一個包含所有點的初始三角形網(wǎng)格;逐一插入點，對現(xiàn)有網(wǎng)格進行更新，對每個新插入的點找到包含該點的三角形，將其分割為3個新的三角形;修復網(wǎng)格，重新連接和移除一些三角形。

通過使用TIN技術進行三維曲面重建，可為智慧體育場館的數(shù)字孿生模型提供高精度的幾何基礎。這一過程確保了數(shù)字孿生模型的真實性和精確性，為后續(xù)的實時監(jiān)控、仿真分析和智能決策支持奠定了堅實的基礎。

（3） 繪制數(shù)字孿生“鏡像”。

通過以上步驟，采集地下地上空中數(shù)據(jù)，使用引擎渲染出三維模型，并利用視圖切換和數(shù)據(jù)分層技術進行多視角顯示，最終繪制出地下、地上和空中的三維立體數(shù)字孿生“鏡像”。這一“鏡像”全面反映了智慧體育場館的各個層面和細節(jié)，為管理者提供了一個全方位的數(shù)字化視圖，不僅有助于實時監(jiān)控和仿真分析，還可以支持智能決策和應急響應，提高智慧體育場館的管理效率和安全保障水平。

2.3 應用前景

下面將從仿真分析和應急演練兩個方面介紹數(shù)字孿生的應用。

2.3.1 應用-仿真分析

數(shù)字孿生架構圖如圖6所示。該模型主要由兩大系統(tǒng)和兩大模塊組成。兩大系統(tǒng)包括物理系統(tǒng)和孿生系統(tǒng)，兩大模塊為攻擊模擬模塊和防御制定模塊。其中，物理系統(tǒng)接收來自物理網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，用戶對物理數(shù)據(jù)進行篩選并通過虛實交互接口映射至孿生系統(tǒng)。孿生系統(tǒng)根據(jù)接收到的物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過決策中心處理后將結果再次反饋至物理系統(tǒng)。物理系統(tǒng)根據(jù)反饋及時更新自身配置，并將更新后的數(shù)據(jù)重新映射到孿生系統(tǒng)，直至達到最優(yōu)配置。

為了降低外部惡意攻擊對物理系統(tǒng)造成的風險，在該防御中引入了攻擊模擬模塊和防御制定模塊。攻擊模擬模塊能夠模擬大多數(shù)攻擊行為。首先，將攻擊行為依次發(fā)送給孿生系統(tǒng)，孿生系統(tǒng)接收到來自外部的攻擊信號時，將攻擊信息發(fā)送至決策中心。決策中心根據(jù)接收到的攻擊信息，結合云計算和邊緣計算等方法，制定相應的防御策略。其次，決策中心會將指定的決策結構反饋給防御制定模塊，該模塊負責制定防御措施并將新配置下發(fā)至物理系統(tǒng)，物理系統(tǒng)會根據(jù)孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及時更新自身的配置。

2.3.2 應用-應急演練

Dijkstra算法是由Edsger W.Dijkstra在1956年提出的，是一種用于尋找圖中從起始節(jié)點到其他所有節(jié)點的最短路徑的算法。通過不斷選擇當前最短路徑節(jié)點并更新其鄰接節(jié)點的距離，使得能夠找到從該點到所有其他節(jié)點的最短路徑。

因此，Dijkstra算法可應用于智慧體育場館的應急演練中，用于規(guī)劃人員的疏散路徑，確保被困人員快速安全離開危險區(qū)域［10］。

通過構建體育館內(nèi)部的節(jié)點拓撲圖，將每個關鍵位置（如出入口、通道拐角等）作為圖中的節(jié)點，通道之間的路徑作為圖中的邊，邊的權重表示通道的距離或時間。算法將根據(jù)實時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)（如火災、煙霧位置）動態(tài)調(diào)整路徑權重，從而計算出每個人員到達安全出口的最優(yōu)路徑。

以不可通行的危險情況發(fā)生在2E2處為例，使用上面改進的Dijkstra算法對疏散路徑進行規(guī)劃。節(jié)點拓撲矩陣如圖7所示。通過該算法計算路徑，可以規(guī)避危險位置。在規(guī)劃疏散路徑時，考慮危險的因素，如對室內(nèi)環(huán)境進行實時監(jiān)測，確定危險且不可通行的區(qū)域，以避免因為不了解危險位置而導致的盲目逃生。當人員處于位置靠近危險源的房間時，路徑優(yōu)化的效果尤為顯著［10］。

綜上所述，將數(shù)字孿生技術與信息安全技術相結合的解決方案，可以有效提升智慧體育場館的安全防護水平，確保體育館的安全穩(wěn)定運行。這一綜合解決方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的實時監(jiān)控與仿真分析，還能夠提供智能化的決策支持和動態(tài)的安全防護，為智慧體育場館的建設和管理提供有力保障。

3 成功案例

除了體育場館，類似的成功應用還可以在汽車賽事和大型展會等領域找到。以下是一些有代表的成功案例。

3.1 汽車賽事

日本電信公司（NTT）與Penske Entertainment娛樂公司合作舉辦了NTT印地賽車系列賽在32名車手賽車上安裝的傳感器收集了約80億個數(shù)據(jù)點，為每輛賽車都建立了詳細的數(shù)字孿生模型，實時監(jiān)控賽車狀態(tài)和性能，通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化賽車的調(diào)校和策略。

通過數(shù)字孿生模型，使用數(shù)字分析和信息安全，深入且實時地了解比賽要素，調(diào)整比賽策略，確保最佳性能。

這些技術的應用不僅提升了比賽的觀賞性和競技水平，還確保了賽事的公平和安全。

3.2 大型展會

世界移動通信大會（MWC）展會組織方利用數(shù)字孿生技術對展館進行虛擬建模和仿真分析，優(yōu)化展會布局和人員流動。比如通過模擬人流分布，優(yōu)化展位的設置，提高參觀者的參展體驗。

同時在該大會上，中國移動展示了九天智慧網(wǎng)絡孿生仿真平臺，該平臺結合真實物理環(huán)境及網(wǎng)絡信息，通過對城市數(shù)據(jù)和環(huán)境的學習，支持城市級和區(qū)域級規(guī)模用戶遷移和業(yè)務行為模擬，結合數(shù)字孿生技術，能為各種工作帶來更直觀、精準、可控的全新體驗。

通過上面的這些成功案例，可以看出數(shù)字孿生技術和信息安全技術在提升運營效率和安全保障水平方面的顯著優(yōu)勢。這些成功案例為智慧體育場館的建設和管理提供了寶貴的經(jīng)驗和參考，證明了結合數(shù)字孿生與信息安全技術的綜合解決方案的有效性和可行性。

3.3 效益分析

由于數(shù)字孿生和信息安全在智慧體育場館的融合只是一種概念，缺乏現(xiàn)實應用的數(shù)據(jù)，現(xiàn)從上述的兩個真實案例中，對比分析出本文方案的優(yōu)點。數(shù)字孿生融合與傳統(tǒng)方案對比如表1所示。

由表1可知，結合數(shù)字孿生技術與信息安全技術的綜合解決方案在多個方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

4 結 語

本文圍繞智慧體育場館的數(shù)字孿生技術與信息安全綜合解決方案展開了深入探討和分析。通過對現(xiàn)有智慧體育場館技術架構的介紹、信息安全防護現(xiàn)狀的分析，以及數(shù)字孿生技術與信息安全的結合應用，提出了解決方案并論證了其可行性，旨在提升智慧體育場館的運營效率和安全保障水平。對智慧體育場館的現(xiàn)有技術架構進行了詳細闡述，與DB33/T 2305—2021《大中型體育場館智慧化建設和管理規(guī)范》的總體架構對比仍存在諸多不足，特別是在終端設備、辦公網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)設備的安全防護方面尚未得到全面覆蓋。提出了基于數(shù)字孿生技術與信息安全技術的綜合解決方案。數(shù)字孿生技術通過創(chuàng)建虛擬模型，對智慧體育場館的設備、環(huán)境和人員流動進行實時監(jiān)控和仿真分析，從而實現(xiàn)預測性維護和智能化管理。同時，信息安全技術的多層次防護措施能夠有效提升智慧體育場館的整體安全保障能力。

［1］ 任乾坤，熊鑫立，劉京菊，等.網(wǎng)絡空間安全中的數(shù)字孿生技術研究［J/OL］.系統(tǒng)仿真學報，1-15［2024-07-21］.https：∥doi.org/10.16182/j.issn1004731x.joss.23-0853.

［2］ 楊雅文.基于物聯(lián)網(wǎng)的體育場館經(jīng)營管理系統(tǒng)框架研究［J/OL］.智能建筑與智慧城市，2016（6）：62-66.DOI：10.13655/j.cnki.ibci.2016.06.023.

［3］ 張強.智慧體育場館建設與應用研究［D］.蘇州：蘇州大學，2020.

［4］ 劉占省，張安山，王文思，等.數(shù)字孿生驅(qū)動的冬奧場館消防安全動態(tài)疏散方法［J］.同濟大學學報（自然科學版），2020，48（7）：962-971.

［5］ 馬佳利，郭淵博，方晨，等.基于數(shù)字孿生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全檢測與響應研究［J］.通信學報，2024，45（6）：87-100.

［6］ 張振偉.基于Cesium的智慧場館三維可視化系統(tǒng)設計實現(xiàn)與研究［D］.西安：長安大學，2022.

［7］ 郭忻，趙一青.基于BIM+GIS技術的體育場時空立體數(shù)據(jù)平臺構建［J］.施工技術（中英文），2021，50（18）：109-114.

［8］ 毛競爭，胡瀟銳，徐庚辰，等.數(shù)字孿生在工控安全中的應用進展綜述［J/OL］.計算機工程，1-18［2024-07-30］.https：∥doi.org/10.19678/j.issn.1000-3428.0068374.

［9］ 王俊.基于數(shù)字孿生的體育場館智慧化運營管理探究［C］∥第十二屆全國體育科學大會論文摘要匯編——專題報告（體育建筑分會）.中國體育科學學會，2022：3.

［10］ 吳松，王凱，汪泉，等.5G技術在杭州亞運保障的創(chuàng)新實踐［J/OL］.廣播電視信息，2023（S1）：150-154.DOI：10.16045/j.cnki.rti.2023.s1.023.

收稿日期： 2024-08-30

Research on Digital Twin Technology and Information Security in Smart Stadiums

HUANG Chao， XIE Houmin， HUA Haifei， LIU Fan， FAN Dexin

（China Construction Eighth Engineering Division Co.， Ltd.， Shanghai 200125， China）

Abstract：

As modern information technologies such as cloud computing，the Internet，and big data are gradually incorporated into stadiums，smart stadiums have become the focus of discussion.This article conductes research on the application of digital twin technology and information security technology in smart stadiums.This article first introduces the multi-level technical architecture of the smart stadiums and analyzes the deficiencies in the current protection of the smart stadiums.After that，according to the deficiencies，theoretical analysis is conducted on the application of digital twin technology in smart stadiums.Then，based on practical cases，demonstrate the successful application of digital twin technology and information security technology in similar scenarios.Finally，this paper summarizes and looks forward to the development trend of smart stadiums.Through this research，it hopes that it can provide effective technical guidance and security guarantee for the construction and management of smart stadiums，and play a role in promoting the comprehensive intelligent upgrade of sports stadiums.

Key words：

smart stadium; information security; digital twin; 3D surface reconstruction; data processing