物聯網技術在智慧體育場館中的應用

胡延 張帆

(西安郵電大學,陜西 西安710121)

1 背景

隨著各類新型應用場景的興起與互聯網技術的發展以及傳統行業的信息化轉變,我國十分重視物聯網產業的發展,將其視為戰略性的新型產業并予以重點關注和推進。在我國“互聯網+”戰略背景以及“健康中國戰略”的推進下,我國各地體育場館的建設發展迅速。但是,與快速發展的硬實力不匹配的是多數體育場館的基礎設施信息化程度低,運營模式缺乏創新性,不僅無法為用戶提供良好的服務,同時自身的運轉也存在效率低、成本高等問題[1]。物聯網技術的飛速發展將智慧體育場館的理念與建設提升到一個新的水平。國務院在《國務院關于推進物聯網有序健康發展的指導意見》中明確提出了加快推進傳統領域與物聯網技術相結合,加快實際應用的落地[2]。將各種智能軟、硬件應用到體育賽事領域當中,能夠提高體育場館的智能化服務水平,不僅有助于提高傳統體育場館的管理效率,還可以降低場地綜合運營成本,有助于提高體育場館利用率,為國民提供更優質的服務,更好地推動全民運動。

2 物聯網技術概述

物聯網技術(Internet of Things,IoT)指通過各類數據傳感設備根據約定的網絡協議,將不同的物與物、人與物通過互聯網相互連接起來,再通過多種信息傳播媒介將收集到的數據信息進行交換,利用物聯網技術實現智能化識別、定位、自動監測等功能[3]。物聯網技術的興起和發展促進了當今社會中各行各業更進一步的信息化轉型。目前,物聯網領域主要包含四項關鍵技術[4]:(1)設備感知技術,包括射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)、各類傳感器網絡等,主要涉及到近場環境的感知和數據收集；(2) 傳輸層技術,包括M2M 通信網絡(Machine to Machine)、局域網和無線網絡等,主要涉及數據的傳輸和交換；(3)應用層技術,包括近年來發展迅速的云計算、邊緣計算和智能控制等技術,主要涉及數據的分析決策和控制；(4)兩化融合技術,是指物聯網技術與工業化、信息化領域的高度融合,主要涉及實際需求的落地以及推廣應用。本文介紹的物聯網技術與傳統體育場館的結合是以場館需求為導向,面向實際應用的解決方案,基于物聯網技術來促進智慧體育場館的建設與普及。

物聯網應用的體系結構分為三個層次:感知層、網絡層和應用層[5]。感知層由大量的傳感器、無線網絡、系統信息處理技術組成,主要涉及數據的采集與預處理。網絡層主要將傳感器收集到的信息通過基礎網絡設施以無障礙、高質量地方式進行可靠的傳送,例如廣泛覆蓋的移動通信網絡就是一種實現萬物互聯的基礎設施。應用層包含物聯網平臺和應用服務平臺,主要涉及信息間跨平臺、跨行業和跨系統的協同、互通和共享等功能,并結合體育場館的實際需求進行補充。

基于上述物聯網應用的體系結構,本文將智慧體育場館的總體架構分為三個層次,分別為設備功能支持層、運維控制平臺層和場館智能化管理層。應用物聯網技術的智慧體育場館體系架構如圖1 所示。

圖1 智能場館總體架構圖

在圖1 中,第一層是設備功能支持層,其架構如圖2 所示。

圖2 設備功能支持層

設備功能支持層主要包含底層的基礎設施,包括軟件、硬件、網絡傳輸、存儲介質等,其中最主要的是用來感知環境的各類傳感器。傳感器是連接物理世界和信息世界的重要一環,傳感器收集到環境數據后通過物聯網與其它物或網絡交換信息。這里網絡傳輸層的主要作用是連接感知層和應用層,起承上啟下的作用,負責向應用層傳輸傳感器收集到的信息和向下層軟、硬件傳輸命令,再通過存儲設備和計算設備來保證實時采集,并上傳可靠的高質量數據,為后續工作打下堅實基礎。設備功能支持層是保障物聯網技術快速發展的重要條件,正是有上述這些基礎設施的才能夠支撐物聯網技術的發展以及應用。

在圖1 中,第二層是運維管控平臺層,其平臺架構如圖3 所示。

圖3 運維管控平臺層架構

近年來,大數據、云計算和物聯網技術的發展給設備與數據的管理方式和架構提出了新的挑戰,傳統的管控架構已經不能處理多源異構設備、復雜網絡環境下產生的運維問題。因此,需要引入新型的智能化管控平臺,進而降低管理成本,提高管理效率。這個管控平臺需要符合“集散控制原則”。軟件的功能決定著平臺內各類控制器的應用范圍和方式,針對同一個管理軟件平臺對不同功能的控制需求,實現集成控制模式和對場館建筑和設備的整體管控功能。運維管控平臺層基于底層基礎設施和網絡技術,通過分析收集到的數據對需要控制的軟、硬件進行透明化管理,屏蔽了復雜的異構網絡環境,將各管理平臺聯動,實現監控可視化、資源可視化和運維簡潔化,顯著地降低了管理成本。通過將不同體育場館間的傳感、控制、執行、反饋等單元組成一個控制回路,實現統一的閉環控制和管理,提高了管理效率,保障了場館內各系統高效地正常運轉。

在圖1 中,第三層是場館智能化管理層,其架構如圖4 所示。

圖4 場館智能化管理層架構

當數據經過前兩層處理后匯聚到場館智能化管理層時,若不能有效地整合并分析,則會失去利用的價值。本層主要對前兩層收集到的數據進行計算和分析,嘗試進行較為詳盡的知識和信息挖掘,其最終目的是實現對物的管控和事件決策。通過將數據分析的結果與智慧體育場館中的具體服務內容聯系起來,實現數據與實際業務需求相結合的精準匹配,制定個性化服務、管理場館資源、媒體運營、面向客戶和管理人員的應用等。利用物聯網技術可以增強核心業務的應用價值,提高效率和信息化程度,改善用戶體驗。此外,通過系統的反饋平臺,及時調整工作方式和內容。

3 物聯網技術在智慧體育場館中的應用場景

物聯網技術的應用可以打造出高質量的智慧體育場館。不妨以第十四屆全國運動會主場館- 西安奧體中心建筑群為例,奧體中心在建設過程中,深入調研了國內外100 多個規模較大的現代化體育場館,利用物聯網、5G、大數據等技術設計并安裝了六大智能化系統,總共六十三個子系統。將奧體中心打造成了一個現代化的智慧體育場館,場館全面覆蓋5G 網絡、智慧交通管理平臺、智能照明路燈控制系統、人臉識別、實時自動監控建筑能耗管理平臺、智能機器人互動助手以及AR、VR 在線交互平臺等先進技術[6]。上述高科技元素全面服務于大型賽事舉辦、觀眾觀賽、智慧場館運營、周邊環境監測,用科技引領高品質的賽事的組織與運行。下面詳細介紹物聯網技術在各個實際應用領域中的應用,提高智慧體育場館的科技體驗、資源利用率、管理效率和水平。

3.1 智慧安防。安全問題是每個公共場館和區域都會面臨的重大問題,一套完善的安防監控管理系統對現代化的體育場館來說至關重要,是確保參賽運動員、觀眾和工作人員人身財產以及個人信息安全的重要手段。傳統的視頻監控系統只能做到對視頻數據的收集,大多數的研判和報警是需要人工操作的。物聯網技術的快速發展在傳統視頻監控技術上增加了如生物感知、運動檢測、實時分析處理報警等技術。運用物聯網技術通過攝像頭采集并分析數據,實現對體育場館的24 小時安全監控、門禁管理、電子巡更、報警處理等操作,實現防火、防災、防盜等功能,顯著地解放了人工,促進高效、節能、環保的一體化模式。智慧體育場館中的安防架構如圖5 所示。

圖5 智慧安防總體架構

3.2 智能管理。物聯網技術在智慧體育場館管理中的應用如下:場館訓練、機械設備、基礎設施的實時管理與控制,電力負載監控、電梯、燈光等設備的控制,館內交通管理、館內環境管理等應用。以場館環境管理為例,體育場館的面積普遍較大,如何全方位地監控場館內外的環境來更好地安排的體育活動是一大挑戰。物聯網技術可以通過各類傳感器及時有效地收集各場館的狀態數據,形成分析和決策報告。基于上述報告,通過智能軟硬件的解決方案,當場景溫度、濕度等條件不理想時系統介入,啟動相關設備使場館內的溫度、濕度等環境條件保持在適于開展體育活動的范圍。對場館訓練管理來說,利用物聯網智能可穿戴設備,可以在訓練和比賽中實時、準確地將參賽運動員的各項生理數據傳輸到數據庫中,運動員可以根據這些信息對體育活動進行合適的調整[7],進而改善不標準的動作,提高訓練效果,預防身體損傷,保持最佳的運動狀態迎接比賽。在器材管理方面,利用RFID 技術和無線傳感器網絡可以實現對體育器材及機械設備全程化的智能管理。例如器材和設備的分發、使用、跟蹤等功能。智慧體育場館管理系統如圖6 所示。

圖6 智慧體育場館管理系統

3.3 智慧賽事。智慧賽事是指以運動競賽為中心的一系列信息化活動,涉及文化、經濟等多種因素的綜合過程。隨著信息、網絡、物聯網技術的變革和發展,現代化技術與傳統體育賽事相互滲透,極大的提高了體育賽事的智能化程度,兩者呈現螺旋向上的發展趨勢。阿里巴巴體育集團的首席執行官張大鐘提出:“人工智能與物聯網的結合將改變體育的未來”。目前很多國際大型的體育賽事都很好地將物聯網與傳統體育項目進行了結合,例如鷹眼技術、智能可穿戴設備以及門線技術。2018年湖北潛江國際馬拉松賽事通過NB-IoT 物聯網實現全連接,由賽事智慧管控云平臺進行統一管理。同年,俄羅斯世界杯啟用VAR(Video Assistant Referee)技術進行裁判輔助[8],做出了多次精準判罰,比賽用球也裝入了NFC 芯片來監控足球的飛行路徑。2018 年“雄安新區首屆京津冀體育文化跨年嘉年華”采用了物聯網技術對籃球等賽事進行直播,使用“鷹眼”技術(Instant Review System)基于多個高速攝像頭從多角度捕捉網球、羽毛球等的飛行軌跡來輔助裁判進行判罰。上述技術的應用不僅可以增強比賽的公平公正性,更提高觀眾的觀賞性,很好地促進體育賽事和物聯網技術的良性循環發展。

3.4 商業模式。傳統上,體育場館的商業模式主要以競爭為主要形式,隨著信息技術產業的發展,內容共享成為了新的趨勢,催生了新型的商業生態。商業生態是眾多大型、松散的網絡,由各類互聯的網絡聯合成一個整體。在上述商業生態中,通過大數據將各類人群根據興趣、利益等方式進行細分,能夠為體育行業提供細分市場,促進體育行業的商業模式和生態轉型升級,促進區域性經濟協調發展。通過興建物聯網智慧體育場館,省際范圍內每年可以舉辦上百場體育賽事和各種活動,顯著提高了資源利用率和盈利效果,能夠對周邊經濟的發展產生積極的推動作用。此外,智慧場館的建設與使用也對智慧城市的建設有直接和間接的積極影響。圖7 給出了物聯網如何促進智慧賽事、媒體運營、商業模式轉變以及其它的展望。

圖7 物聯網促進傳統體育場館轉型升級

4 結論

信息技術的發展使人類的生產生活發生了翻天覆地的變化。傳統體育場館向信息化、智能化的智慧體育場館發展是大勢所趨,將物聯網技術以及其它網絡通信技術與傳統體育場館深度融合構建智慧體育場館,不僅僅是硬件設施的智能化升級,更應該在提高管理效率和服務質量方面下功夫,在智能化程度上進行提高。此外,傳統體育場館的信息化、智能化轉型還需要政府相關部門的政策支持,通過構建規范化的標準體系,加快物聯網技術與智慧體育場館相結合的技術創新與成果轉化,建設相關企業與政府之間的溝通平臺,實現信息共享與決策支持,為相關產業和用戶提供更好的服務。