基于Flexsim的冬残奥会冰壶馆涉赛物资自动化存取系统的仿真研究*

□ 王闰淇,田志虹

(北京印刷学院 经济管理学院，北京 102600)

1 引言

为了深入贯彻2022年北京冬残奥会“简约、安全、精彩”的办赛要求，需要通过创新来建立健全残疾运动员比赛全程的需求服务体系。赛事承办方要力争在“简约”中满足残疾运动员自助式响应自身需求的愿望；在“安全”中实现仓储物流无人化、减少人为接触、避免病毒传染的目标；在“精彩”中充分发掘残疾人的发展潜能，弘扬文明、和谐、有爱的社会良好风气，加快我国体育强国建设的进程[1]。

2020年11月，国家游泳中心“水立方”完成了冬奥会冰壶场馆的改造工程，变身为“冰立方”，将成为2022年北京冬奥会和冬残奥会冰壶、轮椅冰壶的比赛场地。其内部的冰上运动中心位于场馆的地下空间，包括一块标准冰场和一块标准冰壶场地及相关的配套服务设施。本文以此场地为背景，通过调研访谈和资料收集，分析轮椅冰壶运动员对涉赛物资存取的需求，尝试构建一个自动化赛事物资存取系统，并在Flexsim仿真平台上进行系统建模与仿真。本研究成果将为我国各大体育赛事场地，尤其是残疾人赛事的涉赛物资存取系统提供思路与参考。

2 “冰立方”冰壶场馆的涉赛物资存取系统需求分析

2.1 涉赛物资自动化存取系统布局分析

冬残奥会作为全球顶级体育赛事之一，对比赛场馆的设施设备和运动器材的品质与规格的要求都是顶级的，这就需要专业且精密的物流操作。同时，赛程的时效性和运动员需求的多样化还要求涉赛物资的存取具有高效、灵活和个性化的特点。当前疫情更增加了赛事管理的不确定性，因此冬残奥会的物流服务要达到严格的防疫标准，具备预判能力、及时响应能力和灵活应变能力，以此保障高水平的赛事服务质量[2]。当前，“冰立方”冰壶赛场的布局较为紧密[3]，涉赛物资及运动员的部分个人物品并不适合在赛场范围内集中存放，因此，需要在比赛场地外划分一个区域专门用于临时仓储。同时，还要在该仓储区域和比赛场地之间架设存入和取出物资的系统，来满足运动员对物资的及时存取需求。

基于以上分析，我们将涉赛物资自动化存取系统分为三个部分，如图1所示。物资仓储系统将存与取的独立操作流程衔接起来，全部流程采用自动化操作技术，从而实现信息共享并实时响应运动员需求，使其做到应变能力更灵活、适用范围更广、操作更智能化，以符合赛事场馆智慧化、人性化的发展要求。

图1 涉赛物资自动化存取系统基本结构图

涉赛物资自动化存取系统的整体布局如图2所示，其主要功能分区包括涉赛物资存取的指令区(在运动员选手的准备区中)、移动存取物资的搬运区、衔接仓库与赛场的出入库暂存区、对涉赛物资进行分类存放的自动识别分拣区、分拣后的搬运区、立体货架储存区和物资出库时的自动识别取物区等。

“冰立方”冰壶场馆与其他大型体育赛事场馆的管理运作流程并无太大差异，主要区别在于“物资”即冰壶运动相关的专业装备有着特殊的保存与保养要求，因而对冬奥会涉赛物资的装卸、搬运的安全性和精确性要求更高，需避免因物资损坏影响竞赛公平。系统的运作流程包括入库、在库和出库三个环节[4]，其中入库和出库是与外部物流衔接的环节，在库的主要工作是对赛事相关物资的储存、理货、盘点等。物资在整个系统中的流动方向如图2中的箭头所示。在本研究中，我们主要关注的是存取系统与外部赛场系统的整体布局和衔接问题，并分析主要环节的效用。

在疫情防控方面，系统设立了三个病毒消杀设备。如图2所示，AGV搬运小车运作一段时间后会进入设备消杀区进行表面的喷雾消毒；入库物资在分拣包装后会进入一段消毒通道，使用全方位立体雾化消毒设备进行消杀[5]；货架与搬运轨道及叉车等搬运设备也都会定期进行消毒，确保整个赛事物资存取系统符合防疫标准。

2.2 涉赛物资的类型和特征分析

通过资料收集和走访调研，根据不同的功能与种类，我们归纳出轮椅冰壶项目运动员的涉赛物资需求大致分为以下五类。

2.2.1 服装、毛毯类物资

轮椅冰壶比赛对运动员的服装要求十分严格。根据规则，同队所有成员在赛前练习和比赛时都必须着统一服装。分配到浅色手柄冰壶的队伍穿浅色服装，分配到深色手柄冰壶的队伍穿深色服装。着装不达标将被禁止进入比赛场地和教练席。因此，参赛队员和教练需要预备多套比赛服装以及候场时的其他保暖衣物。

与肢体健康的冰上运动员不同的是，参加轮椅冰壶项目的运动员特别需要针对下半身的保暖措施，如护膝、护腿套、毛毯等。根据规定[6]，参加轮椅冰壶项目的运动员下肢必须有明显损伤，步态明显异常(如脊髓损伤、脑瘫、多发性硬化症或双下肢截肢)，日常生活必须依靠轮椅，不能独立行走或仅能在室内短距离行走。有研究表明[6]，脊髓损伤运动员在轮椅冰壶运动员中所占比例最大。在比赛时，一名队员固定选手的轮椅，选手依靠上半身的力量通过投掷杆推出近20千克的冰壶。一场正规的比赛分为上、下半场共八局，时间限制为68分钟，每队每一场比赛有60秒暂停时间[1]。残疾运动员下半身本就存在病患，长时间在冰面上静止更容易引发冻伤等问题，因此保暖措施必不可少。本系统可以在赛前及时搬运相关物资至选手准备区，减少运动员随身携带大件物资的负担。

2.2.2 轮椅冰壶项目的相关器材

无论是普通冰壶比赛还是轮椅冰壶比赛，所用的冰壶石是没有区别的，主要区别是轮椅冰壶运动员需要特制的手杖(投掷杆)来传(冰壶)石和稳定轮椅。一支标准的投掷杆分为把手、杆身、杆头三部分，国际标准认定从杆头至把手最长不得超过2.45米，杆头位置设有一个特制卡口，恰好可以套在冰壶的手柄上，方便运动员更好地控制冰壶。该类长棍式比赛用品更要严格遵守保存规定，在进行专业包装后再入库保存。此外，轮椅冰壶比赛还需要准备指挥刷、秒表、备用杆头、冰壶石等装备器材，且都需要妥善保管。

2.2.3 临时医疗康复用品

2018年平昌冬残奥会的数据显示[6]，轮椅冰壶运动中伤害总次数为5次，伤害发生率为6.90%。相对于残疾人高山滑雪、残疾人冰球运动等伤害发生率高达22%的高风险运动来说，轮椅冰壶的伤害发生率明显较低。另一数据结果显示，冬残奥会赛前与赛中的伤害发生率接近，高达19.40%-21.40%。因此，无论赛前还是赛中，不仅要提前准备必要的应急保障医疗措施，还要对一些急需的医疗物资进行实时存取，尽最大努力保障运动员健康安全。

2.2.4 运动员个人用品

运动员在赛场上有自己的习惯和需求，因此对本类物资仅做粗略统计，其中包括运动员的备用眼镜、保温杯、食物补给、毛巾、纸巾等生活日用品，多为小型物件。该模型涵盖此类的目的是帮助运动员省去自身携带物资的麻烦。系统可在运动员入场前将所需物资送达指定位置，符合疫情下的防疫措施，确保所有在场人员的安全。

3 自动化存取系统的建模和仿真

3.1 Flexsim仿真实体与现实物体的对应关系

在Flexsim仿真平台上，可以利用软件内置的仿真实体来模拟现实设备的功能，对应关系如表1所示。

表1 Flexsim仿真实体与自动化存取系统设备的对应关系

3.2 仿真模型布局与仿真流程设置

在Flexsim中建模，模型如图3所示。模型包含两层结构，一层代表比赛场地，二层代表赛场外的仓储区。仿真模型的运行逻辑包含存物和取物两个流程。

图3 自动化存取系统仿真模型

①存物流程：用户可在赛前、赛中、赛后随时存入物资。AGV自动引导小车收取物资后按指定路线行进至待存暂存区自动卸货，由升降梯运至二层仓储区。在二楼通过自动分拣机进行分拣，分拣包装后经过喷雾消毒存入货架。

②取物流程：用户可以在任意许可时间内通过手机APP软件下达取物指令。自动识别取货区的计算机收到指令后调用叉车将对应物资下架、出库搬运至赛场指定区域。

当一个物资上架后，系统数据库中会增加一行记录，包括物资的存储编号、物资所属用户的身份编号、物资所属类型编号、物资存入的货架号、货架行号、货架列号等关键信息，并反馈到用户的手机APP中。当用户需要取物时，只需通过手机软件进行简单的点击操作发出申请，并填写希望物资达到的时间和具体位置即可。同时也可在手机上查看自己的物资所处的配送位置与状态以及预计到达时间。

3.3 仿真模型运行结果分析

考虑到物资的特殊性和安全性，对仿真模型的各项设备运行和操作速度都加以限制，相较一般快递分拣系统速度更慢、操作更精确。我们假设当前一场比赛中有10名运动员要同时将自己的物资存入，每人的物资种类和数量都不同，如图4所示。

图4 模型发生器的存入物资参数表

实验1：入库搬运由人工完成，人员行走平均速度为1米/秒，每次搬运1件物资，共计搬运30件物资。

实验2：入库搬运由AGV小车完成，行驶平均速度为1.5米/秒，每次可同时运载2件物资，共计搬运30件物资。

实验3：入库搬运由AGV小车完成，行驶平均速度为1.5米/秒，每次可同时运载5件物资，共计搬运30件物资。

三个实验中，仿真模型各运行10次，总运行时间如图5所示。从中可以看到，相对于人工搬运，改为AGV小车搬运可以大幅度提高系统总体效率，并且减少了人员接触和人为损坏物资的可能性。同时可以看到，小车一次搬运2件(实验2)或5件(实验3)物资，系统整体效率没有明显差异。

图5 三个实验运行10次总运行时间

在取物阶段，我们设计如下两个实验。

实验4：一名运动员发出一个指令要取一件物资(该物资的存储编号为1)，出库搬运由AGV小车完成，行驶平均速度为1.5米/秒。

实验5：5名运动员同时各自发出一个指令要取一件物资(物资的存储编号为1至5)，出库搬运由AGV小车完成，行驶平均速度为1.5米/秒。

两个实验中，仿真模型各运行10次，总运行时间如图6所示。

图6 两个实验运行10次总运行时间

从图6中可以看到单次取物时间约需要3分半钟，但当多名用户同时下达取物指令时，总体的时间消耗也在成比例增加。在未来，我们可以考虑从增加搬运工具数量、协调多个搬运工具并行工作，以及合并多个指令优化取物流程等角度，不断提升在赛事进行中对运动员需求响应的速度。仿真模型运行结束后状态如图7所示。通过仿真模型的运行结果可以看到，自动化存取系统能更加便捷地帮助运动员进行物资的实时存取。

图7 仿真模型运行结束后状态

4 总结

本研究以2022年北京冬残奥会轮椅冰壶场地“冰立方”为背景，通过对轮椅冰壶运动员的涉赛物资需求进行调研，分析了涉赛物资自动化存取系统的布局和流程，并基于Flexsim仿真平台构建了系统仿真模型。从仿真模型运行结果可以看到，自动化的涉赛物资存取系统可以大大提高物资的存取效率，减少人员接触和物资的损坏，为残疾运动员提供更加人性化的自助式服务。

本研究为赛事场馆尤其是残疾人友好型场馆的智慧化建设提供了一种解决思路。当然，该系统需要应对不同赛事的特点和不同场地的需求，系统运行的影响因素众多，在实践中应以发展的视角不断进行完善和优化。未来，当本届冬残奥会顺利闭幕后，我们将获取更多实际的相关数据，对模型进行进一步优化。