基于Flexsim的冬殘奧會冰壺館涉賽物資自動化存取系統的仿真研究*

□ 王閏淇,田志虹

(北京印刷學院 經濟管理學院，北京 102600)

1 引言

為了深入貫徹2022年北京冬殘奧會“簡約、安全、精彩”的辦賽要求，需要通過創新來建立健全殘疾運動員比賽全程的需求服務體系。賽事承辦方要力爭在“簡約”中滿足殘疾運動員自助式響應自身需求的愿望；在“安全”中實現倉儲物流無人化、減少人為接觸、避免病毒傳染的目標；在“精彩”中充分發掘殘疾人的發展潛能，弘揚文明、和諧、有愛的社會良好風氣，加快我國體育強國建設的進程[1]。

2020年11月，國家游泳中心“水立方”完成了冬奧會冰壺場館的改造工程，變身為“冰立方”，將成為2022年北京冬奧會和冬殘奧會冰壺、輪椅冰壺的比賽場地。其內部的冰上運動中心位于場館的地下空間，包括一塊標準冰場和一塊標準冰壺場地及相關的配套服務設施。本文以此場地為背景，通過調研訪談和資料收集，分析輪椅冰壺運動員對涉賽物資存取的需求，嘗試構建一個自動化賽事物資存取系統，并在Flexsim仿真平臺上進行系統建模與仿真。本研究成果將為我國各大體育賽事場地，尤其是殘疾人賽事的涉賽物資存取系統提供思路與參考。

2 “冰立方”冰壺場館的涉賽物資存取系統需求分析

2.1 涉賽物資自動化存取系統布局分析

冬殘奧會作為全球頂級體育賽事之一，對比賽場館的設施設備和運動器材的品質與規格的要求都是頂級的，這就需要專業且精密的物流操作。同時，賽程的時效性和運動員需求的多樣化還要求涉賽物資的存取具有高效、靈活和個性化的特點。當前疫情更增加了賽事管理的不確定性，因此冬殘奧會的物流服務要達到嚴格的防疫標準，具備預判能力、及時響應能力和靈活應變能力，以此保障高水平的賽事服務質量[2]。當前，“冰立方”冰壺賽場的布局較為緊密[3]，涉賽物資及運動員的部分個人物品并不適合在賽場范圍內集中存放，因此，需要在比賽場地外劃分一個區域專門用于臨時倉儲。同時，還要在該倉儲區域和比賽場地之間架設存入和取出物資的系統，來滿足運動員對物資的及時存取需求。

基于以上分析，我們將涉賽物資自動化存取系統分為三個部分，如圖1所示。物資倉儲系統將存與取的獨立操作流程銜接起來，全部流程采用自動化操作技術，從而實現信息共享并實時響應運動員需求，使其做到應變能力更靈活、適用范圍更廣、操作更智能化，以符合賽事場館智慧化、人性化的發展要求。

圖1 涉賽物資自動化存取系統基本結構圖

涉賽物資自動化存取系統的整體布局如圖2所示，其主要功能分區包括涉賽物資存取的指令區(在運動員選手的準備區中)、移動存取物資的搬運區、銜接倉庫與賽場的出入庫暫存區、對涉賽物資進行分類存放的自動識別分揀區、分揀后的搬運區、立體貨架儲存區和物資出庫時的自動識別取物區等。

“冰立方”冰壺場館與其他大型體育賽事場館的管理運作流程并無太大差異，主要區別在于“物資”即冰壺運動相關的專業裝備有著特殊的保存與保養要求，因而對冬奧會涉賽物資的裝卸、搬運的安全性和精確性要求更高，需避免因物資損壞影響競賽公平。系統的運作流程包括入庫、在庫和出庫三個環節[4]，其中入庫和出庫是與外部物流銜接的環節，在庫的主要工作是對賽事相關物資的儲存、理貨、盤點等。物資在整個系統中的流動方向如圖2中的箭頭所示。在本研究中，我們主要關注的是存取系統與外部賽場系統的整體布局和銜接問題，并分析主要環節的效用。

在疫情防控方面，系統設立了三個病毒消殺設備。如圖2所示，AGV搬運小車運作一段時間后會進入設備消殺區進行表面的噴霧消毒；入庫物資在分揀包裝后會進入一段消毒通道，使用全方位立體霧化消毒設備進行消殺[5]；貨架與搬運軌道及叉車等搬運設備也都會定期進行消毒，確保整個賽事物資存取系統符合防疫標準。

2.2 涉賽物資的類型和特征分析

通過資料收集和走訪調研，根據不同的功能與種類，我們歸納出輪椅冰壺項目運動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

輪椅冰壺比賽對運動員的服裝要求十分嚴格。根據規則，同隊所有成員在賽前練習和比賽時都必須著統一服裝。分配到淺色手柄冰壺的隊伍穿淺色服裝，分配到深色手柄冰壺的隊伍穿深色服裝。著裝不達標將被禁止進入比賽場地和教練席。因此，參賽隊員和教練需要預備多套比賽服裝以及候場時的其他保暖衣物。

與肢體健康的冰上運動員不同的是，參加輪椅冰壺項目的運動員特別需要針對下半身的保暖措施，如護膝、護腿套、毛毯等。根據規定[6]，參加輪椅冰壺項目的運動員下肢必須有明顯損傷，步態明顯異常(如脊髓損傷、腦癱、多發性硬化癥或雙下肢截肢)，日常生活必須依靠輪椅，不能獨立行走或僅能在室內短距離行走。有研究表明[6]，脊髓損傷運動員在輪椅冰壺運動員中所占比例最大。在比賽時，一名隊員固定選手的輪椅，選手依靠上半身的力量通過投擲桿推出近20千克的冰壺。一場正規的比賽分為上、下半場共八局，時間限制為68分鐘，每隊每一場比賽有60秒暫停時間[1]。殘疾運動員下半身本就存在病患，長時間在冰面上靜止更容易引發凍傷等問題，因此保暖措施必不可少。本系統可以在賽前及時搬運相關物資至選手準備區，減少運動員隨身攜帶大件物資的負擔。

2.2.2 輪椅冰壺項目的相關器材

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別的，主要區別是輪椅冰壺運動員需要特制的手杖(投擲桿)來傳(冰壺)石和穩定輪椅。一支標準的投擲桿分為把手、桿身、桿頭三部分，國際標準認定從桿頭至把手最長不得超過2.45米，桿頭位置設有一個特制卡口，恰好可以套在冰壺的手柄上，方便運動員更好地控制冰壺。該類長棍式比賽用品更要嚴格遵守保存規定，在進行專業包裝后再入庫保存。此外，輪椅冰壺比賽還需要準備指揮刷、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 臨時醫療康復用品

2018年平昌冬殘奧會的數據顯示[6]，輪椅冰壺運動中傷害總次數為5次，傷害發生率為6.90%。相對于殘疾人高山滑雪、殘疾人冰球運動等傷害發生率高達22%的高風險運動來說，輪椅冰壺的傷害發生率明顯較低。另一數據結果顯示，冬殘奧會賽前與賽中的傷害發生率接近，高達19.40%-21.40%。因此，無論賽前還是賽中，不僅要提前準備必要的應急保障醫療措施，還要對一些急需的醫療物資進行實時存取，盡最大努力保障運動員健康安全。

2.2.4 運動員個人用品

運動員在賽場上有自己的習慣和需求，因此對本類物資僅做粗略統計，其中包括運動員的備用眼鏡、保溫杯、食物補給、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動員省去自身攜帶物資的麻煩。系統可在運動員入場前將所需物資送達指定位置，符合疫情下的防疫措施，確保所有在場人員的安全。

3 自動化存取系統的建模和仿真

3.1 Flexsim仿真實體與現實物體的對應關系

在Flexsim仿真平臺上，可以利用軟件內置的仿真實體來模擬現實設備的功能，對應關系如表1所示。

表1 Flexsim仿真實體與自動化存取系統設備的對應關系

3.2 仿真模型布局與仿真流程設置

在Flexsim中建模，模型如圖3所示。模型包含兩層結構，一層代表比賽場地，二層代表賽場外的倉儲區。仿真模型的運行邏輯包含存物和取物兩個流程。

圖3 自動化存取系統仿真模型

①存物流程：用戶可在賽前、賽中、賽后隨時存入物資。AGV自動引導小車收取物資后按指定路線行進至待存暫存區自動卸貨，由升降梯運至二層倉儲區。在二樓通過自動分揀機進行分揀，分揀包裝后經過噴霧消毒存入貨架。

②取物流程：用戶可以在任意許可時間內通過手機APP軟件下達取物指令。自動識別取貨區的計算機收到指令后調用叉車將對應物資下架、出庫搬運至賽場指定區域。

當一個物資上架后，系統數據庫中會增加一行記錄，包括物資的存儲編號、物資所屬用戶的身份編號、物資所屬類型編號、物資存入的貨架號、貨架行號、貨架列號等關鍵信息，并反饋到用戶的手機APP中。當用戶需要取物時，只需通過手機軟件進行簡單的點擊操作發出申請，并填寫希望物資達到的時間和具體位置即可。同時也可在手機上查看自己的物資所處的配送位置與狀態以及預計到達時間。

3.3 仿真模型運行結果分析

考慮到物資的特殊性和安全性，對仿真模型的各項設備運行和操作速度都加以限制，相較一般快遞分揀系統速度更慢、操作更精確。我們假設當前一場比賽中有10名運動員要同時將自己的物資存入，每人的物資種類和數量都不同，如圖4所示。

圖4 模型發生器的存入物資參數表

實驗1：入庫搬運由人工完成，人員行走平均速度為1米/秒，每次搬運1件物資，共計搬運30件物資。

實驗2：入庫搬運由AGV小車完成，行駛平均速度為1.5米/秒，每次可同時運載2件物資，共計搬運30件物資。

實驗3：入庫搬運由AGV小車完成，行駛平均速度為1.5米/秒，每次可同時運載5件物資，共計搬運30件物資。

三個實驗中，仿真模型各運行10次，總運行時間如圖5所示。從中可以看到，相對于人工搬運，改為AGV小車搬運可以大幅度提高系統總體效率，并且減少了人員接觸和人為損壞物資的可能性。同時可以看到，小車一次搬運2件(實驗2)或5件(實驗3)物資，系統整體效率沒有明顯差異。

圖5 三個實驗運行10次總運行時間

在取物階段，我們設計如下兩個實驗。

實驗4：一名運動員發出一個指令要取一件物資(該物資的存儲編號為1)，出庫搬運由AGV小車完成，行駛平均速度為1.5米/秒。

實驗5：5名運動員同時各自發出一個指令要取一件物資(物資的存儲編號為1至5)，出庫搬運由AGV小車完成，行駛平均速度為1.5米/秒。

兩個實驗中，仿真模型各運行10次，總運行時間如圖6所示。

圖6 兩個實驗運行10次總運行時間

從圖6中可以看到單次取物時間約需要3分半鐘，但當多名用戶同時下達取物指令時，總體的時間消耗也在成比例增加。在未來，我們可以考慮從增加搬運工具數量、協調多個搬運工具并行工作，以及合并多個指令優化取物流程等角度，不斷提升在賽事進行中對運動員需求響應的速度。仿真模型運行結束后狀態如圖7所示。通過仿真模型的運行結果可以看到，自動化存取系統能更加便捷地幫助運動員進行物資的實時存取。

圖7 仿真模型運行結束后狀態

4 總結

本研究以2022年北京冬殘奧會輪椅冰壺場地“冰立方”為背景，通過對輪椅冰壺運動員的涉賽物資需求進行調研，分析了涉賽物資自動化存取系統的布局和流程，并基于Flexsim仿真平臺構建了系統仿真模型。從仿真模型運行結果可以看到，自動化的涉賽物資存取系統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，為殘疾運動員提供更加人性化的自助式服務。

本研究為賽事場館尤其是殘疾人友好型場館的智慧化建設提供了一種解決思路。當然，該系統需要應對不同賽事的特點和不同場地的需求，系統運行的影響因素眾多，在實踐中應以發展的視角不斷進行完善和優化。未來，當本屆冬殘奧會順利閉幕后，我們將獲取更多實際的相關數據，對模型進行進一步優化。