自主智能無人系統在體育場館中的系統設計和應用分析
——以全民健身為例

王志遠 慈芳慧 尚俊穎

(同濟大學國際足球學院 上海 200092)

當前，“智慧城市”成為新時期經濟轉軌、社會轉型的關注點，智慧化、數字化讓體育場館更加綠色、高效，為智慧城市的建設打下了良好的基礎［1］。2019年2月，習近平總書記在視察北京冬奧會籌備工作和籌備情況時明確指出，體育場館建設要考慮可持續利用問題，注重科技、智慧、綠色和節儉特色。2021年3月，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》強調，要迎接數字時代，將物聯網感知設施、通信系統等納入公共基礎設施統一規劃建設，加快教育、醫療、養老、撫幼、就業、文體、助殘等傳統基礎設施領域的數字化改造，推動數字化服務普惠應用，持續提升群眾獲得感［2］。

隨著數字經濟概念的提出，國內外各行各業紛紛展開了數字化轉型的探索。體育場館作為體育產業的重要基礎，通過智慧化、數字化轉型提高供給效率是一種新的發展趨勢［3］。2021 年10 月發布的《“十四五”體育發展規劃》指出，體育實踐活動引入數字技術，主要包括數字體育、數字運動和智慧體育場館［4］。當前，我國體育場館與人工智能的融合發展進入了新階段，但仍存在標準不統一、應用場景少等突出問題。

1 打造體育場館自主智能無人系統的背景與意義

當前，新一輪的科技革命和產業革命帶來了科技創新的多元深度融合，萬物互聯不斷創造新的要素資源，產業創新發展進入密集活躍時期［5］。人工智能作為人類第四次工業革命的主導技術，在科技創新中具有“頭雁”效應［6］。機器人被譽為“制造業皇冠頂端的明珠”，機器人的研發、制造、應用水平是衡量一個國家科技創新和高端制造業的重要標志，并且“機器人革命”有望成為“第三次工業革命”的一個切入點和重要增長點，影響全球的制造業格局，而且我國將成為全球最大的機器人市場［7］。

人工智能是新時代高質量發展的內生性力量，是經濟發展和科技創新的重要推動力。人工智能給人類經濟社會帶來了新的經濟發展模式，對經濟、文化、社會具有重大而深遠的影響［8］，對于推動體育產業高質量發展具有重要的現實意義。其中，自主智能無人系統是依靠大數據和人工智能（以及其他科學技術的進步）來創造具有集成任務和運動規劃以及決策和推理能力的無人系統，是人工智能領域最重要的研究前沿和最終目標。無人系統迅速發展，大致可以分為從基于編程的無人系統到自動無人系統，智能無人系統以及自主智能無人系統3 個發展階段，自主智能無人系統可以在沒有或有限的人工參與的情況下完成通用任務，數字設計（人工智能、大數據、控制等）、機器人技術以及構造環境的融合使其成為可能［9］。典型自主智能無人系統包括自動駕駛汽車、智能制造機器人以及用于陪伴或安慰的機器人。自主智能無人系統具有自主性、智能性和協作性，其一體化的智能物聯、動態監控、數據共享，能夠大幅度提高生產效率。

隨著中國經濟社會的不斷發展和大型體育賽事的增多，體育場館的數量和規模呈雙線增加［10］。一方面，體育場館低效使用的問題越來越嚴重；另一方面，人民群眾通過健身促進健康的熱情高漲，場館仍然不能精準滿足健康中國背景下人們日益增長的多元化、個性化體育鍛煉需求［11］。體育場館的數字化、智慧化升級是解決體育場館供給效率不高的有效手段，同時能夠有效提升體育公共服務水平，改善人民群眾運動體驗［12］。自主智能無人系統應用于體育場館，是新時期體育場館數字化、智慧化轉型的前沿方向，有助于提升體育場館服務供給的質量和效率，讓體育公共服務真正貼近大眾，滿足人們不斷增長的體育需要。

2 體育場館數字化轉型的現實發展與研究現狀

2.1 體育場館數字化轉型的發展現狀

浙江省是第一個出版有關于體育場館智慧化建設相關標準的省份，能夠為其他省份發展體育場館數字化的轉型提供參考，具有一定的借鑒作用。2021 年9月，《上海市建設具有全球影響力的科技創新中心“十四五”規劃》發布，強調推進場館智慧互聯，推動互聯網、大數據等新技術在文體場地的深度應用，打造文旅場館數字化轉型的典型場景應用，提高全市范圍內文旅服務供給效率［13］。2021 年10 月，《上海市全市推進城市數字化轉型“十四五”規劃》提出，推進體育場館和設施數字化升級［14］，為市民提供更多的數字化體育服務。我國體育場數字化轉型升級具有良好的基礎，我國體育場館資源豐富，體育場館規模、數量呈雙向增長的態勢，為推進我國體育產業發展提供了重要的物質載體。

隨著經濟的高質量發展，人們更加追求精神上的滿足、便捷化的觀賽服務、更好的觀賽體驗以及更高品質的健身服務，這表明體育場館仍需要不斷根據外部經濟、政策、文化等環境的變化作出適時的調整。但是，目前我國體育場館的數字化、智慧化升級仍面臨著巨大挑戰。一是資金支持是體育場館數字化轉型的重要因素之一。由于體育場館的建設具有較強的公共事業屬性，在短期內不會直接產生明顯的經濟效益，所以需要政府主導、社會等多元主體積極參與。政府應履行提供公共服務的職能，通過財政撥款保障項目所需要的人力、財力等，促進場館的可持續發展。企業融入體育場館智慧化建設，滿足場館對于提升用戶體驗的需求，如進一步關注市場和用戶的消費動向、自主開發場內APP項目、智能控制系統等，加快場館與科技的融合，提升精準服務水平，推進場館的品牌化建設。二是目前缺少具備滿足數字化體育場館管理和運營的復合型人才。體育數字化轉型人才的缺乏對場館新時代數字化轉型發展造成制約，導致大多數體育場館智慧化水平不高、后期維護管理不順暢（數據安全、消費者體驗）等問題。三是缺失頂層設計。由于缺少國家層面的體育場館數字化建設的行業標準和數據接口規范，鮮有地方政府出臺相應的建設規范，導致出現各地不同規模類型場館的轉型升級不到位、服務需求認識不足、部門業務協調進展緩慢等問題，不能有效地對用戶的個性化訴求作出回應。

綜上可知，雖然體育場館不斷引進新科技，更多的數字化技術應用到體育場館建設、組織和運營。但與此同時，人們體育需求的多元化趨勢以及新時代經濟發展對于要素投入的新要求，使得我國體育場館的數字化升級仍然存在著有轉型無升級、有智慧無應用以及有產業無消費等現實問題［15］。

2.2 體育場館數字化轉型的研究現狀

鑒于“數字熱”的現象，很多學者也對數字化和智慧化體育場館的理論認識和研究進行了邏輯回顧，并對業務實踐進行了分析和總結。關于數字化體育場館改造的系統性研究很少，大部分研究都分散在智慧體育等相關研究中［16-17］。

2.2.1 關于體育場館數字化、智慧化內涵研究

作為一個傳統行業的自我轉型現象，體育場館的數字化轉型不是對傳統設施的否定，而是一個創新資源利用，優化服務質量，提高設施運營效率的動態過程［18］。其概念可以界定為：在場館設計、建設和運營過程中引入人工智能、建筑信息模型、大數據、AR等新興技術，以實現賽時功能需要、賽后綜合利用，提高運營效率，提升用戶體驗為目標的軟件和硬件的結合體［19］。

數字化、智慧化在體育場館中的發展是一個漸進的動態過程，在不同階段有不同的定義、形式和特點。但體育場館數字化轉型升級后的根本任務并沒有發生本質變化，只是要求更多利用數字化信息技術更好地滿足人們日益增長的美好體育需求。現有研究將“智慧體育場館”概念的主要內容總結為3 個方面。（1）規劃和建設的生態化［20］。體育場館轉型的基礎是規劃、設計、建設和維護生態。（2）高效運營和管理。體育場館轉型的關鍵是高效的運營和管理［21-22］。（3）高質量的服務水平。高質量的服務也是體育場館轉型的基礎［23］。

2.2.2 關于體育場館數字化建設與應用研究

建設和實施體育場館的數字化，是當前體育場館擴建和功能更新、現代化改造的重要考慮和挑戰。為此，國內外建筑學、體育學、管理學等相關學科的學者從不同角度對數字化體育場館的相關基礎設施建設和信息技術應用進行了分析和論證。在城市化水平較高、體育意識和體育消費機會較多的歐美國家，體育場館的數字化、智能化建設和運營較早出現。該文從國內和國外研究兩個方面展開討論。

國內的專家學者結合不同的研究時期和研究對象，以及社會發展的不同時期內的信息化水平，對智慧體育場館的建設和應用有了更深的認識。從早期的弱電綜合布線技術到今天的BIM、物聯網、人工智能、云計算等應用，都將相關的信息技術應用于體育場館，注重全產業鏈過程，并強調體育場館的轉型區別于普通建筑的規劃、設計、施工、運營和維護，并不斷提高質量和效率［24-26］。在公共管理和產業升級方面，國內學者認為體育場館的數字化應用可以最大限度整合資源［27-28］，但很多學者在有關數字化場館理論和研究的很多問題上還未形成統一的共識，對技術基礎、操作模式以及營銷方式的理解存在差異。

與體育場館數字化轉型的建設和實施有關的國外研究，突出了信息技術對提高人們對于未來城市生活設施發展意識的影響，技術和社會的變化改變了體育場館在人們生活中的作用，體育場館也不斷實現差異化，為球迷提供了更好的體驗［29-30］。同時，體育場館的數字化轉型在促進全民健身，增加體育場館收入，提高運動員成績和確保觀眾安全等方面具有與眾不同的優勢［31-32］。

綜上所述，在新一輪科技革命和產業變革加速演進的背景下，國內外學者紛紛對體育場館的數字化、智慧化轉型升級展開研究，且目前的研究主要集中在體育場館數字化、智慧化轉型的建設與應用方面，但對支撐體育場館數字化、智慧化轉型升級的前沿理論和先進技術認識、理解還不夠全面。因此，該文將進一步分析自主智能無人系統在體育場館中的系統架構和應用場景。

3 體育場館自主智能無人系統架構

3.1 總體架構設計

體育場館自主智能無人系統由設備端、邊緣計算側和云端三層系統架構實現。端、邊、云三組節點構成整體的系統架構，如圖1所示。

圖1 全民健身系統整體架構

首先，全民健身系統的端包括機器人、交互屏、傳感設備等終端設備，負責數據的采集以及與用戶的交互。在全民健身場景下，體育場館自主智能無人系統的設備端主要是由健身管理（如陪練機器人）、體驗交互（如AR 交互屏）、數據展示（智能大屏）等構成。其次，邊緣計算介于端與云之間，主要用于計算數據傳輸量大且時效性要求高的場景，從而提高計算與傳輸效率，提升對終端設備的反應與控制。全民健身場景下，自主智能無人系統的邊節點是連接智慧場館終端設備和后臺的中介，涉及視頻分析、物聯網分析、第三方邊緣應用等方面。最后，云端包括數據中臺、智能業務中臺、服務控制網關等核心模塊，是整個系統的中樞，實現整體系統管理功能，匯集數據并進行統一存儲分析，通過智能業務中心進行智能分析決策，經由服務控制網關對終端進行交互響應與控制，最終支撐系統的所有業務交互［33］。

該文自主智能無人系統的云端是由基礎支撐、數據中臺、智能業務中臺和應用交互4 個模塊組成。具體來看，5G、人工智能、云計算、區塊鏈等技術為云端運行提供技術支撐。數據中臺形成的用戶數據、系統數據、交互數據和外部數據向智能業務中臺傳輸，智能業務平臺接收數據后，通過機器學習、語音識別等AI 技術形成智能應用服務，包括智能支付、健身方案定制、機器人對話、AR/VR互動等功能，滿足用戶的個性化和便捷化需求。同時，用戶與應用的交互過程由服務網關和控制網關提供安全管理。

3.2 系統整體拓撲結構

體育場館自主智能無人系統的系統整體拓撲結構包括感知層、網絡層、平臺層和應用層。感知層對應“端—邊—云”中的端，包括各類終端設備；網絡層通過5G 網絡、區域網絡實現各邊端設備、邊緣和云平臺的高速聯接；平臺層通過使用云計算、大數據、人工智能相關技術實現對數據的統一存儲、分析與智能應用構建，并完成安全認證；應用層通過相關的終端設備與交互方式面向用戶提供服務［34］。具體架構如圖2所示。

圖2 系統整體拓撲結構

3.2.1 感知層

感知層如同人類的五官感知接受外界刺激，承擔整個體育館環境的各類信息感知服務，包括各類傳感器產品、射頻識別產品和音視頻感知產品等［35］。體育場館大廳內的人臉識別機器，通過人臉識別系統實現了在場館全域內多個攝像頭下對顧客的識別，完成用戶個人信息錄入工作和無感支付。體育場館內利用UWB場內導航系統構建數字健身微觀地圖，打造無人值守場館，實現機器人場館運維。

當用戶進入健身場地后，系統結合人臉識別和人體姿態特征監測對用戶進行位置跟蹤、姿態監測和意圖理解，統計出不同用戶的運動傾向和時長。同時，場館內具備的陪練機器人在感知用戶需求的基礎上，制訂健身方案，滿足用戶的情感交互需求，最后形成大量的用戶數據，包括健康數據和推送數據。除此之外，對于場館管理者，借助系統的全域多模態自主感知與多尺度信息融合定位進行客流檢測、密度檢測和異常行為檢測，實時監測場內人員安全問題，當人流量超過預定的閾值時，及時向管理者發出提醒；各類傳感器作為環境調控的感知“神經”，實時采集信息，管理者根據體育場館自主智能無人系統中視覺感知技術、溫濕度傳感器、TVOC 空氣質量傳感器技術、自動監測技術和無線技術等，實現對體育場館空氣質量、溫濕度等環境監測，并進行及時維護，保證場館的服務供給質量。

當用戶進入更衣室后，更衣室的智能儲備柜子通過視覺識別，依靠攝像頭實時監控并把畫面上傳至后臺服務器，后臺服務器使用人工智能和圖像識別技術進行對比判斷，從而判斷用戶私人物品以及場館貨物的取放情況，完善用戶個人信息數據和場館管理數據。在體育場館外，系統能夠自動識別車牌過閘，智能顯示停車場車位量情況，并完成對會員車、臨時車、黑名單車和場館優惠管理，對停車場進行高效率的無人值守。

3.2.2 網絡層

網絡層作為連接感知層和平臺層的紐帶，主要負責將感知層采集到的原始數據通過一定的網絡介質安全可靠地傳輸至物聯網平臺，更好地滿足智慧場館所需要的網絡接入能力和高性能的計算能力［36］。本系統包括5G 基站、WiFi 和UWB 技術，其中5G 技術具有高寬帶、低時延、海量設備傳輸、高密度微基站基數，幾乎完美契合了無人技術的需求。場館內具備高速WiFi網絡，實現感知層的設備與平臺層的高速連接，滿足用戶的上網需求。超寬帶（UWB）具有極高的傳輸速率，能夠以極低的功率完成發射，并具備較強的穿透力，是一種適用性較強的無線定位技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接受極窄脈沖來實現無線傳輸，具有高精度定位領域的價值［37］。

3.2.3 平臺層

平臺層主要包括數據中心和計算中心，其中數據中心的數據庫用來存放感知層的場館基礎設施數據、用戶信息數據、健康數據、支付數據等。由HDFS 和MapReduce 組成的hadoop技術為海量數據提供了存儲和計算框架，從而為平臺層的計算中心提供數據支持。計算中心主要運行活體檢測算法、人臉比對算法和體質監測算法。活體檢測法和體質監測算法是為用戶定制健身方案的核心算法，其中體質監測算法是根據國家身體健康標準編寫的，為健身方案的制訂提供了參考，人臉比對算法為實現順利進出體育場館、無人支付、用戶取放個人物品提供支持。

3.2.4 應用層

應用層如同人類的大腦中樞，處在云端的主機會接收到大量的使用數據，經過大數據分析后，做出反應并給予各裝置相應的指令，是系統與用戶的接口，實現人機交互能力。包括機器人、AR/VR 交互2 個主要的模塊，其中不同于感知層中的機器人，該層機器人側重服務的輸出，針對用戶需求，與用戶實現直接接觸，滿足用戶的健身指導、醫療救助、導航等基本需求。AR/VR 設備則通過健身數據的可視化滿足用戶對于健身設備多樣化的需求。應用層的設計主要涉及根據大數據、云計算分析用戶偏好，提供便捷化化、個性化服務。如在用戶選擇健身項目以后，系統可以結合用戶年齡、身高體重等各類身體指標數據，提示本次健身對身體的影響，并針對性地生成健身方案和營養飲食方案。人機交互技術、遠程可視化技術、AI運動打分、AI互動游戲、大屏實時顯示運動狀態，APP或小程序推送個人運動報告，由運動陪練機器人適時提供差異化方案。

除此以外，系統可以運用OpenPose 姿態識別算法和長短時記憶循環神經網絡，搜集該市市民在體育場館中的精細健身數據，存放于國民體質監測信息庫。對于具有運動員身份的用戶，可穿戴精細感知系統設備，全息感知運動員性能指標建立競技人才檔案，為運動員提供個性化訓練、運動防治損傷以及營養方案。

4 效益分析

4.1 經濟效益

體育場館自主智能無人系統通過大數據和智能硬件分析用戶的運動習慣，構建用戶消費數據庫，充分采集用戶群體的顯性和隱性特征，運用人工智能算法，在已解決“誰是客戶，他們位于哪里，他們的消費偏好是什么？”等關鍵問題的基礎上，實現對場館運營管理的進一步改善，如及時解決人流擁擠、設施優化匹配等問題，增加體育場館營業收入。自主智能無人系統通過“無人值守、自主入場、自主結算、機器人陪練”的新模式，減輕了簡單、重復、通用任務的人力資源壓力，有助于優化場館人力資源結構，降低了不必要的人力成本［38］。除此以外，不同智能硬件根據場景匹配不同指控方式，支持刷臉智控、指紋智控、手機智控和遠程智控等，可實現無人狀態智能斷電；能源消耗可以通過設備運行狀態和環境監測數據進行測量和分析，使用分析算法的過程化管理，可以降低能源成本和整體場地運行成本，從而提高場地的經濟效益。

4.2 社會效益

構建體育場館自主智能無人系統具有多方面社會效益。一是提升體育場館服務供給效率與質量。自主智能無人系統的自主性、智能性和協作性使得體育場館的服務更加便捷化和個性化，能夠實現用戶自助健身服務、智能結算等基礎健身需求；針對個人身體健康數據定制推薦健身方案，提供身體指標、狀態數據，以及充分利用人機交互的智能功能，增加用戶的場館獲得氛圍感和個人實現獲得感，增強用戶的運動體驗［39］，提高體育場館的服務供給效率和質量。二是促進國民體質健康。健身服務的數據信息通過人機交互、信息共享，實現國民體質信息的互通互聯，進一步打通了全民體質健康、醫保社保等信息孤島，有助于完善國民體質監測數據庫，為全民健身提供信息支撐。三是在城市應急狀態下，體育場館自主智能無人系統可以使場館更加充分地發揮“安全島”作用。體育場館具備良好的安全性、寬敞性及容納高等特性，成為應急救災中可以依賴的重要載體。體育場館構建自主智能無人系統，可以通過人流量監測實時反饋場館容量，最短時間內對人民群眾進行安置和疏散引導；通過數據共享平臺輸出對于醫療救助的需求信息，在最短的時間內實現醫療響應，保障人民群眾生命健康，助力城市安全。

5 結語

近年來，中國體育產業穩步發展，在國民經濟和社會發展中發揮著越來越重要的作用，正逐漸成為發展的新引擎和新的經濟增長點。體育場館作為體育產業發展的重要物質載體，其服務供給服務效率和質量的提升對于推動體育產業轉型升級尤為重要。體育場館構建自主智能無人系統可以提升體育場館服務供給效率和質量，不斷滿足人民群眾日益增長的體育鍛煉需要，改善人民群眾體育運動體驗，最終使體育場館成為管理有限的、可改變的和可共享的公共資源。這一舉措對于貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享”的新發展理念，協同推進城市整體數字化轉型，助力健康中國和體育強國戰略具有重要意義。