物联网技术在智慧体育场馆中的应用

胡延 张帆

(西安邮电大学,陕西 西安710121)

1 背景

随着各类新型应用场景的兴起与互联网技术的发展以及传统行业的信息化转变,我国十分重视物联网产业的发展,将其视为战略性的新型产业并予以重点关注和推进。在我国“互联网+”战略背景以及“健康中国战略”的推进下,我国各地体育场馆的建设发展迅速。但是,与快速发展的硬实力不匹配的是多数体育场馆的基础设施信息化程度低,运营模式缺乏创新性,不仅无法为用户提供良好的服务,同时自身的运转也存在效率低、成本高等问题[1]。物联网技术的飞速发展将智慧体育场馆的理念与建设提升到一个新的水平。国务院在《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》中明确提出了加快推进传统领域与物联网技术相结合,加快实际应用的落地[2]。将各种智能软、硬件应用到体育赛事领域当中,能够提高体育场馆的智能化服务水平,不仅有助于提高传统体育场馆的管理效率,还可以降低场地综合运营成本,有助于提高体育场馆利用率,为国民提供更优质的服务,更好地推动全民运动。

2 物联网技术概述

物联网技术(Internet of Things,IoT)指通过各类数据传感设备根据约定的网络协议,将不同的物与物、人与物通过互联网相互连接起来,再通过多种信息传播媒介将收集到的数据信息进行交换,利用物联网技术实现智能化识别、定位、自动监测等功能[3]。物联网技术的兴起和发展促进了当今社会中各行各业更进一步的信息化转型。目前,物联网领域主要包含四项关键技术[4]:(1)设备感知技术,包括射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)、各类传感器网络等,主要涉及到近场环境的感知和数据收集；(2) 传输层技术,包括M2M 通信网络(Machine to Machine)、局域网和无线网络等,主要涉及数据的传输和交换；(3)应用层技术,包括近年来发展迅速的云计算、边缘计算和智能控制等技术,主要涉及数据的分析决策和控制；(4)两化融合技术,是指物联网技术与工业化、信息化领域的高度融合,主要涉及实际需求的落地以及推广应用。本文介绍的物联网技术与传统体育场馆的结合是以场馆需求为导向,面向实际应用的解决方案,基于物联网技术来促进智慧体育场馆的建设与普及。

物联网应用的体系结构分为三个层次:感知层、网络层和应用层[5]。感知层由大量的传感器、无线网络、系统信息处理技术组成,主要涉及数据的采集与预处理。网络层主要将传感器收集到的信息通过基础网络设施以无障碍、高质量地方式进行可靠的传送,例如广泛覆盖的移动通信网络就是一种实现万物互联的基础设施。应用层包含物联网平台和应用服务平台,主要涉及信息间跨平台、跨行业和跨系统的协同、互通和共享等功能,并结合体育场馆的实际需求进行补充。

基于上述物联网应用的体系结构,本文将智慧体育场馆的总体架构分为三个层次,分别为设备功能支持层、运维控制平台层和场馆智能化管理层。应用物联网技术的智慧体育场馆体系架构如图1 所示。

图1 智能场馆总体架构图

在图1 中,第一层是设备功能支持层,其架构如图2 所示。

图2 设备功能支持层

设备功能支持层主要包含底层的基础设施,包括软件、硬件、网络传输、存储介质等,其中最主要的是用来感知环境的各类传感器。传感器是连接物理世界和信息世界的重要一环,传感器收集到环境数据后通过物联网与其它物或网络交换信息。这里网络传输层的主要作用是连接感知层和应用层,起承上启下的作用,负责向应用层传输传感器收集到的信息和向下层软、硬件传输命令,再通过存储设备和计算设备来保证实时采集,并上传可靠的高质量数据,为后续工作打下坚实基础。设备功能支持层是保障物联网技术快速发展的重要条件,正是有上述这些基础设施的才能够支撑物联网技术的发展以及应用。

在图1 中,第二层是运维管控平台层,其平台架构如图3 所示。

图3 运维管控平台层架构

近年来,大数据、云计算和物联网技术的发展给设备与数据的管理方式和架构提出了新的挑战,传统的管控架构已经不能处理多源异构设备、复杂网络环境下产生的运维问题。因此,需要引入新型的智能化管控平台,进而降低管理成本,提高管理效率。这个管控平台需要符合“集散控制原则”。软件的功能决定着平台内各类控制器的应用范围和方式,针对同一个管理软件平台对不同功能的控制需求,实现集成控制模式和对场馆建筑和设备的整体管控功能。运维管控平台层基于底层基础设施和网络技术,通过分析收集到的数据对需要控制的软、硬件进行透明化管理,屏蔽了复杂的异构网络环境,将各管理平台联动,实现监控可视化、资源可视化和运维简洁化,显著地降低了管理成本。通过将不同体育场馆间的传感、控制、执行、反馈等单元组成一个控制回路,实现统一的闭环控制和管理,提高了管理效率,保障了场馆内各系统高效地正常运转。

在图1 中,第三层是场馆智能化管理层,其架构如图4 所示。

图4 场馆智能化管理层架构

当数据经过前两层处理后汇聚到场馆智能化管理层时,若不能有效地整合并分析,则会失去利用的价值。本层主要对前两层收集到的数据进行计算和分析,尝试进行较为详尽的知识和信息挖掘,其最终目的是实现对物的管控和事件决策。通过将数据分析的结果与智慧体育场馆中的具体服务内容联系起来,实现数据与实际业务需求相结合的精准匹配,制定个性化服务、管理场馆资源、媒体运营、面向客户和管理人员的应用等。利用物联网技术可以增强核心业务的应用价值,提高效率和信息化程度,改善用户体验。此外,通过系统的反馈平台,及时调整工作方式和内容。

3 物联网技术在智慧体育场馆中的应用场景

物联网技术的应用可以打造出高质量的智慧体育场馆。不妨以第十四届全国运动会主场馆- 西安奥体中心建筑群为例,奥体中心在建设过程中,深入调研了国内外100 多个规模较大的现代化体育场馆,利用物联网、5G、大数据等技术设计并安装了六大智能化系统,总共六十三个子系统。将奥体中心打造成了一个现代化的智慧体育场馆,场馆全面覆盖5G 网络、智慧交通管理平台、智能照明路灯控制系统、人脸识别、实时自动监控建筑能耗管理平台、智能机器人互动助手以及AR、VR 在线交互平台等先进技术[6]。上述高科技元素全面服务于大型赛事举办、观众观赛、智慧场馆运营、周边环境监测,用科技引领高品质的赛事的组织与运行。下面详细介绍物联网技术在各个实际应用领域中的应用,提高智慧体育场馆的科技体验、资源利用率、管理效率和水平。

3.1 智慧安防。安全问题是每个公共场馆和区域都会面临的重大问题,一套完善的安防监控管理系统对现代化的体育场馆来说至关重要,是确保参赛运动员、观众和工作人员人身财产以及个人信息安全的重要手段。传统的视频监控系统只能做到对视频数据的收集,大多数的研判和报警是需要人工操作的。物联网技术的快速发展在传统视频监控技术上增加了如生物感知、运动检测、实时分析处理报警等技术。运用物联网技术通过摄像头采集并分析数据,实现对体育场馆的24 小时安全监控、门禁管理、电子巡更、报警处理等操作,实现防火、防灾、防盗等功能,显著地解放了人工,促进高效、节能、环保的一体化模式。智慧体育场馆中的安防架构如图5 所示。

图5 智慧安防总体架构

3.2 智能管理。物联网技术在智慧体育场馆管理中的应用如下:场馆训练、机械设备、基础设施的实时管理与控制,电力负载监控、电梯、灯光等设备的控制,馆内交通管理、馆内环境管理等应用。以场馆环境管理为例,体育场馆的面积普遍较大,如何全方位地监控场馆内外的环境来更好地安排的体育活动是一大挑战。物联网技术可以通过各类传感器及时有效地收集各场馆的状态数据,形成分析和决策报告。基于上述报告,通过智能软硬件的解决方案,当场景温度、湿度等条件不理想时系统介入,启动相关设备使场馆内的温度、湿度等环境条件保持在适于开展体育活动的范围。对场馆训练管理来说,利用物联网智能可穿戴设备,可以在训练和比赛中实时、准确地将参赛运动员的各项生理数据传输到数据库中,运动员可以根据这些信息对体育活动进行合适的调整[7],进而改善不标准的动作,提高训练效果,预防身体损伤,保持最佳的运动状态迎接比赛。在器材管理方面,利用RFID 技术和无线传感器网络可以实现对体育器材及机械设备全程化的智能管理。例如器材和设备的分发、使用、跟踪等功能。智慧体育场馆管理系统如图6 所示。

图6 智慧体育场馆管理系统

3.3 智慧赛事。智慧赛事是指以运动竞赛为中心的一系列信息化活动,涉及文化、经济等多种因素的综合过程。随着信息、网络、物联网技术的变革和发展,现代化技术与传统体育赛事相互渗透,极大的提高了体育赛事的智能化程度,两者呈现螺旋向上的发展趋势。阿里巴巴体育集团的首席执行官张大钟提出:“人工智能与物联网的结合将改变体育的未来”。目前很多国际大型的体育赛事都很好地将物联网与传统体育项目进行了结合,例如鹰眼技术、智能可穿戴设备以及门线技术。2018年湖北潜江国际马拉松赛事通过NB-IoT 物联网实现全连接,由赛事智慧管控云平台进行统一管理。同年,俄罗斯世界杯启用VAR(Video Assistant Referee)技术进行裁判辅助[8],做出了多次精准判罚,比赛用球也装入了NFC 芯片来监控足球的飞行路径。2018 年“雄安新区首届京津冀体育文化跨年嘉年华”采用了物联网技术对篮球等赛事进行直播,使用“鹰眼”技术(Instant Review System)基于多个高速摄像头从多角度捕捉网球、羽毛球等的飞行轨迹来辅助裁判进行判罚。上述技术的应用不仅可以增强比赛的公平公正性,更提高观众的观赏性,很好地促进体育赛事和物联网技术的良性循环发展。

3.4 商业模式。传统上,体育场馆的商业模式主要以竞争为主要形式,随着信息技术产业的发展,内容共享成为了新的趋势,催生了新型的商业生态。商业生态是众多大型、松散的网络,由各类互联的网络联合成一个整体。在上述商业生态中,通过大数据将各类人群根据兴趣、利益等方式进行细分,能够为体育行业提供细分市场,促进体育行业的商业模式和生态转型升级,促进区域性经济协调发展。通过兴建物联网智慧体育场馆,省际范围内每年可以举办上百场体育赛事和各种活动,显著提高了资源利用率和盈利效果,能够对周边经济的发展产生积极的推动作用。此外,智慧场馆的建设与使用也对智慧城市的建设有直接和间接的积极影响。图7 给出了物联网如何促进智慧赛事、媒体运营、商业模式转变以及其它的展望。

图7 物联网促进传统体育场馆转型升级

4 结论

信息技术的发展使人类的生产生活发生了翻天覆地的变化。传统体育场馆向信息化、智能化的智慧体育场馆发展是大势所趋,将物联网技术以及其它网络通信技术与传统体育场馆深度融合构建智慧体育场馆,不仅仅是硬件设施的智能化升级,更应该在提高管理效率和服务质量方面下功夫,在智能化程度上进行提高。此外,传统体育场馆的信息化、智能化转型还需要政府相关部门的政策支持,通过构建规范化的标准体系,加快物联网技术与智慧体育场馆相结合的技术创新与成果转化,建设相关企业与政府之间的沟通平台,实现信息共享与决策支持,为相关产业和用户提供更好的服务。