自主智能无人系统在体育场馆中的系统设计和应用分析——以全民健身为例

王志远 慈芳慧 尚俊颖

(同济大学国际足球学院 上海 200092)

当前，“智慧城市”成为新时期经济转轨、社会转型的关注点，智慧化、数字化让体育场馆更加绿色、高效，为智慧城市的建设打下了良好的基础［1］。2019年2月，习近平总书记在视察北京冬奥会筹备工作和筹备情况时明确指出，体育场馆建设要考虑可持续利用问题，注重科技、智慧、绿色和节俭特色。2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》强调，要迎接数字时代，将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设，加快教育、医疗、养老、抚幼、就业、文体、助残等传统基础设施领域的数字化改造，推动数字化服务普惠应用，持续提升群众获得感［2］。

随着数字经济概念的提出，国内外各行各业纷纷展开了数字化转型的探索。体育场馆作为体育产业的重要基础，通过智慧化、数字化转型提高供给效率是一种新的发展趋势［3］。2021 年10 月发布的《“十四五”体育发展规划》指出，体育实践活动引入数字技术，主要包括数字体育、数字运动和智慧体育场馆［4］。当前，我国体育场馆与人工智能的融合发展进入了新阶段，但仍存在标准不统一、应用场景少等突出问题。

1 打造体育场馆自主智能无人系统的背景与意义

当前，新一轮的科技革命和产业革命带来了科技创新的多元深度融合，万物互联不断创造新的要素资源，产业创新发展进入密集活跃时期［5］。人工智能作为人类第四次工业革命的主导技术，在科技创新中具有“头雁”效应［6］。机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，机器人的研发、制造、应用水平是衡量一个国家科技创新和高端制造业的重要标志，并且“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，影响全球的制造业格局，而且我国将成为全球最大的机器人市场［7］。

人工智能是新时代高质量发展的内生性力量，是经济发展和科技创新的重要推动力。人工智能给人类经济社会带来了新的经济发展模式，对经济、文化、社会具有重大而深远的影响［8］，对于推动体育产业高质量发展具有重要的现实意义。其中，自主智能无人系统是依靠大数据和人工智能（以及其他科学技术的进步）来创造具有集成任务和运动规划以及决策和推理能力的无人系统，是人工智能领域最重要的研究前沿和最终目标。无人系统迅速发展，大致可以分为从基于编程的无人系统到自动无人系统，智能无人系统以及自主智能无人系统3 个发展阶段，自主智能无人系统可以在没有或有限的人工参与的情况下完成通用任务，数字设计（人工智能、大数据、控制等）、机器人技术以及构造环境的融合使其成为可能［9］。典型自主智能无人系统包括自动驾驶汽车、智能制造机器人以及用于陪伴或安慰的机器人。自主智能无人系统具有自主性、智能性和协作性，其一体化的智能物联、动态监控、数据共享，能够大幅度提高生产效率。

随着中国经济社会的不断发展和大型体育赛事的增多，体育场馆的数量和规模呈双线增加［10］。一方面，体育场馆低效使用的问题越来越严重；另一方面，人民群众通过健身促进健康的热情高涨，场馆仍然不能精准满足健康中国背景下人们日益增长的多元化、个性化体育锻炼需求［11］。体育场馆的数字化、智慧化升级是解决体育场馆供给效率不高的有效手段，同时能够有效提升体育公共服务水平，改善人民群众运动体验［12］。自主智能无人系统应用于体育场馆，是新时期体育场馆数字化、智慧化转型的前沿方向，有助于提升体育场馆服务供给的质量和效率，让体育公共服务真正贴近大众，满足人们不断增长的体育需要。

2 体育场馆数字化转型的现实发展与研究现状

2.1 体育场馆数字化转型的发展现状

浙江省是第一个出版有关于体育场馆智慧化建设相关标准的省份，能够为其他省份发展体育场馆数字化的转型提供参考，具有一定的借鉴作用。2021 年9月，《上海市建设具有全球影响力的科技创新中心“十四五”规划》发布，强调推进场馆智慧互联，推动互联网、大数据等新技术在文体场地的深度应用，打造文旅场馆数字化转型的典型场景应用，提高全市范围内文旅服务供给效率［13］。2021 年10 月，《上海市全市推进城市数字化转型“十四五”规划》提出，推进体育场馆和设施数字化升级［14］，为市民提供更多的数字化体育服务。我国体育场数字化转型升级具有良好的基础，我国体育场馆资源丰富，体育场馆规模、数量呈双向增长的态势，为推进我国体育产业发展提供了重要的物质载体。

随着经济的高质量发展，人们更加追求精神上的满足、便捷化的观赛服务、更好的观赛体验以及更高品质的健身服务，这表明体育场馆仍需要不断根据外部经济、政策、文化等环境的变化作出适时的调整。但是，目前我国体育场馆的数字化、智慧化升级仍面临着巨大挑战。一是资金支持是体育场馆数字化转型的重要因素之一。由于体育场馆的建设具有较强的公共事业属性，在短期内不会直接产生明显的经济效益，所以需要政府主导、社会等多元主体积极参与。政府应履行提供公共服务的职能，通过财政拨款保障项目所需要的人力、财力等，促进场馆的可持续发展。企业融入体育场馆智慧化建设，满足场馆对于提升用户体验的需求，如进一步关注市场和用户的消费动向、自主开发场内APP项目、智能控制系统等，加快场馆与科技的融合，提升精准服务水平，推进场馆的品牌化建设。二是目前缺少具备满足数字化体育场馆管理和运营的复合型人才。体育数字化转型人才的缺乏对场馆新时代数字化转型发展造成制约，导致大多数体育场馆智慧化水平不高、后期维护管理不顺畅（数据安全、消费者体验）等问题。三是缺失顶层设计。由于缺少国家层面的体育场馆数字化建设的行业标准和数据接口规范，鲜有地方政府出台相应的建设规范，导致出现各地不同规模类型场馆的转型升级不到位、服务需求认识不足、部门业务协调进展缓慢等问题，不能有效地对用户的个性化诉求作出回应。

综上可知，虽然体育场馆不断引进新科技，更多的数字化技术应用到体育场馆建设、组织和运营。但与此同时，人们体育需求的多元化趋势以及新时代经济发展对于要素投入的新要求，使得我国体育场馆的数字化升级仍然存在着有转型无升级、有智慧无应用以及有产业无消费等现实问题［15］。

2.2 体育场馆数字化转型的研究现状

鉴于“数字热”的现象，很多学者也对数字化和智慧化体育场馆的理论认识和研究进行了逻辑回顾，并对业务实践进行了分析和总结。关于数字化体育场馆改造的系统性研究很少，大部分研究都分散在智慧体育等相关研究中［16-17］。

2.2.1 关于体育场馆数字化、智慧化内涵研究

作为一个传统行业的自我转型现象，体育场馆的数字化转型不是对传统设施的否定，而是一个创新资源利用，优化服务质量，提高设施运营效率的动态过程［18］。其概念可以界定为：在场馆设计、建设和运营过程中引入人工智能、建筑信息模型、大数据、AR等新兴技术，以实现赛时功能需要、赛后综合利用，提高运营效率，提升用户体验为目标的软件和硬件的结合体［19］。

数字化、智慧化在体育场馆中的发展是一个渐进的动态过程，在不同阶段有不同的定义、形式和特点。但体育场馆数字化转型升级后的根本任务并没有发生本质变化，只是要求更多利用数字化信息技术更好地满足人们日益增长的美好体育需求。现有研究将“智慧体育场馆”概念的主要内容总结为3 个方面。（1）规划和建设的生态化［20］。体育场馆转型的基础是规划、设计、建设和维护生态。（2）高效运营和管理。体育场馆转型的关键是高效的运营和管理［21-22］。（3）高质量的服务水平。高质量的服务也是体育场馆转型的基础［23］。

2.2.2 关于体育场馆数字化建设与应用研究

建设和实施体育场馆的数字化，是当前体育场馆扩建和功能更新、现代化改造的重要考虑和挑战。为此，国内外建筑学、体育学、管理学等相关学科的学者从不同角度对数字化体育场馆的相关基础设施建设和信息技术应用进行了分析和论证。在城市化水平较高、体育意识和体育消费机会较多的欧美国家，体育场馆的数字化、智能化建设和运营较早出现。该文从国内和国外研究两个方面展开讨论。

国内的专家学者结合不同的研究时期和研究对象，以及社会发展的不同时期内的信息化水平，对智慧体育场馆的建设和应用有了更深的认识。从早期的弱电综合布线技术到今天的BIM、物联网、人工智能、云计算等应用，都将相关的信息技术应用于体育场馆，注重全产业链过程，并强调体育场馆的转型区别于普通建筑的规划、设计、施工、运营和维护，并不断提高质量和效率［24-26］。在公共管理和产业升级方面，国内学者认为体育场馆的数字化应用可以最大限度整合资源［27-28］，但很多学者在有关数字化场馆理论和研究的很多问题上还未形成统一的共识，对技术基础、操作模式以及营销方式的理解存在差异。

与体育场馆数字化转型的建设和实施有关的国外研究，突出了信息技术对提高人们对于未来城市生活设施发展意识的影响，技术和社会的变化改变了体育场馆在人们生活中的作用，体育场馆也不断实现差异化，为球迷提供了更好的体验［29-30］。同时，体育场馆的数字化转型在促进全民健身，增加体育场馆收入，提高运动员成绩和确保观众安全等方面具有与众不同的优势［31-32］。

综上所述，在新一轮科技革命和产业变革加速演进的背景下，国内外学者纷纷对体育场馆的数字化、智慧化转型升级展开研究，且目前的研究主要集中在体育场馆数字化、智慧化转型的建设与应用方面，但对支撑体育场馆数字化、智慧化转型升级的前沿理论和先进技术认识、理解还不够全面。因此，该文将进一步分析自主智能无人系统在体育场馆中的系统架构和应用场景。

3 体育场馆自主智能无人系统架构

3.1 总体架构设计

体育场馆自主智能无人系统由设备端、边缘计算侧和云端三层系统架构实现。端、边、云三组节点构成整体的系统架构，如图1所示。

图1 全民健身系统整体架构

首先，全民健身系统的端包括机器人、交互屏、传感设备等终端设备，负责数据的采集以及与用户的交互。在全民健身场景下，体育场馆自主智能无人系统的设备端主要是由健身管理（如陪练机器人）、体验交互（如AR 交互屏）、数据展示（智能大屏）等构成。其次，边缘计算介于端与云之间，主要用于计算数据传输量大且时效性要求高的场景，从而提高计算与传输效率，提升对终端设备的反应与控制。全民健身场景下，自主智能无人系统的边节点是连接智慧场馆终端设备和后台的中介，涉及视频分析、物联网分析、第三方边缘应用等方面。最后，云端包括数据中台、智能业务中台、服务控制网关等核心模块，是整个系统的中枢，实现整体系统管理功能，汇集数据并进行统一存储分析，通过智能业务中心进行智能分析决策，经由服务控制网关对终端进行交互响应与控制，最终支撑系统的所有业务交互［33］。

该文自主智能无人系统的云端是由基础支撑、数据中台、智能业务中台和应用交互4 个模块组成。具体来看，5G、人工智能、云计算、区块链等技术为云端运行提供技术支撑。数据中台形成的用户数据、系统数据、交互数据和外部数据向智能业务中台传输，智能业务平台接收数据后，通过机器学习、语音识别等AI 技术形成智能应用服务，包括智能支付、健身方案定制、机器人对话、AR/VR互动等功能，满足用户的个性化和便捷化需求。同时，用户与应用的交互过程由服务网关和控制网关提供安全管理。

3.2 系统整体拓扑结构

体育场馆自主智能无人系统的系统整体拓扑结构包括感知层、网络层、平台层和应用层。感知层对应“端—边—云”中的端，包括各类终端设备；网络层通过5G 网络、区域网络实现各边端设备、边缘和云平台的高速联接；平台层通过使用云计算、大数据、人工智能相关技术实现对数据的统一存储、分析与智能应用构建，并完成安全认证；应用层通过相关的终端设备与交互方式面向用户提供服务［34］。具体架构如图2所示。

图2 系统整体拓扑结构

3.2.1 感知层

感知层如同人类的五官感知接受外界刺激，承担整个体育馆环境的各类信息感知服务，包括各类传感器产品、射频识别产品和音视频感知产品等［35］。体育场馆大厅内的人脸识别机器，通过人脸识别系统实现了在场馆全域内多个摄像头下对顾客的识别，完成用户个人信息录入工作和无感支付。体育场馆内利用UWB场内导航系统构建数字健身微观地图，打造无人值守场馆，实现机器人场馆运维。

当用户进入健身场地后，系统结合人脸识别和人体姿态特征监测对用户进行位置跟踪、姿态监测和意图理解，统计出不同用户的运动倾向和时长。同时，场馆内具备的陪练机器人在感知用户需求的基础上，制订健身方案，满足用户的情感交互需求，最后形成大量的用户数据，包括健康数据和推送数据。除此之外，对于场馆管理者，借助系统的全域多模态自主感知与多尺度信息融合定位进行客流检测、密度检测和异常行为检测，实时监测场内人员安全问题，当人流量超过预定的阈值时，及时向管理者发出提醒；各类传感器作为环境调控的感知“神经”，实时采集信息，管理者根据体育场馆自主智能无人系统中视觉感知技术、温湿度传感器、TVOC 空气质量传感器技术、自动监测技术和无线技术等，实现对体育场馆空气质量、温湿度等环境监测，并进行及时维护，保证场馆的服务供给质量。

当用户进入更衣室后，更衣室的智能储备柜子通过视觉识别，依靠摄像头实时监控并把画面上传至后台服务器，后台服务器使用人工智能和图像识别技术进行对比判断，从而判断用户私人物品以及场馆货物的取放情况，完善用户个人信息数据和场馆管理数据。在体育场馆外，系统能够自动识别车牌过闸，智能显示停车场车位量情况，并完成对会员车、临时车、黑名单车和场馆优惠管理，对停车场进行高效率的无人值守。

3.2.2 网络层

网络层作为连接感知层和平台层的纽带，主要负责将感知层采集到的原始数据通过一定的网络介质安全可靠地传输至物联网平台，更好地满足智慧场馆所需要的网络接入能力和高性能的计算能力［36］。本系统包括5G 基站、WiFi 和UWB 技术，其中5G 技术具有高宽带、低时延、海量设备传输、高密度微基站基数，几乎完美契合了无人技术的需求。场馆内具备高速WiFi网络，实现感知层的设备与平台层的高速连接，满足用户的上网需求。超宽带（UWB）具有极高的传输速率，能够以极低的功率完成发射，并具备较强的穿透力，是一种适用性较强的无线定位技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接受极窄脉冲来实现无线传输，具有高精度定位领域的价值［37］。

3.2.3 平台层

平台层主要包括数据中心和计算中心，其中数据中心的数据库用来存放感知层的场馆基础设施数据、用户信息数据、健康数据、支付数据等。由HDFS 和MapReduce 组成的hadoop技术为海量数据提供了存储和计算框架，从而为平台层的计算中心提供数据支持。计算中心主要运行活体检测算法、人脸比对算法和体质监测算法。活体检测法和体质监测算法是为用户定制健身方案的核心算法，其中体质监测算法是根据国家身体健康标准编写的，为健身方案的制订提供了参考，人脸比对算法为实现顺利进出体育场馆、无人支付、用户取放个人物品提供支持。

3.2.4 应用层

应用层如同人类的大脑中枢，处在云端的主机会接收到大量的使用数据，经过大数据分析后，做出反应并给予各装置相应的指令，是系统与用户的接口，实现人机交互能力。包括机器人、AR/VR 交互2 个主要的模块，其中不同于感知层中的机器人，该层机器人侧重服务的输出，针对用户需求，与用户实现直接接触，满足用户的健身指导、医疗救助、导航等基本需求。AR/VR 设备则通过健身数据的可视化满足用户对于健身设备多样化的需求。应用层的设计主要涉及根据大数据、云计算分析用户偏好，提供便捷化化、个性化服务。如在用户选择健身项目以后，系统可以结合用户年龄、身高体重等各类身体指标数据，提示本次健身对身体的影响，并针对性地生成健身方案和营养饮食方案。人机交互技术、远程可视化技术、AI运动打分、AI互动游戏、大屏实时显示运动状态，APP或小程序推送个人运动报告，由运动陪练机器人适时提供差异化方案。

除此以外，系统可以运用OpenPose 姿态识别算法和长短时记忆循环神经网络，搜集该市市民在体育场馆中的精细健身数据，存放于国民体质监测信息库。对于具有运动员身份的用户，可穿戴精细感知系统设备，全息感知运动员性能指标建立竞技人才档案，为运动员提供个性化训练、运动防治损伤以及营养方案。

4 效益分析

4.1 经济效益

体育场馆自主智能无人系统通过大数据和智能硬件分析用户的运动习惯，构建用户消费数据库，充分采集用户群体的显性和隐性特征，运用人工智能算法，在已解决“谁是客户，他们位于哪里，他们的消费偏好是什么？”等关键问题的基础上，实现对场馆运营管理的进一步改善，如及时解决人流拥挤、设施优化匹配等问题，增加体育场馆营业收入。自主智能无人系统通过“无人值守、自主入场、自主结算、机器人陪练”的新模式，减轻了简单、重复、通用任务的人力资源压力，有助于优化场馆人力资源结构，降低了不必要的人力成本［38］。除此以外，不同智能硬件根据场景匹配不同指控方式，支持刷脸智控、指纹智控、手机智控和远程智控等，可实现无人状态智能断电；能源消耗可以通过设备运行状态和环境监测数据进行测量和分析，使用分析算法的过程化管理，可以降低能源成本和整体场地运行成本，从而提高场地的经济效益。

4.2 社会效益

构建体育场馆自主智能无人系统具有多方面社会效益。一是提升体育场馆服务供给效率与质量。自主智能无人系统的自主性、智能性和协作性使得体育场馆的服务更加便捷化和个性化，能够实现用户自助健身服务、智能结算等基础健身需求；针对个人身体健康数据定制推荐健身方案，提供身体指标、状态数据，以及充分利用人机交互的智能功能，增加用户的场馆获得氛围感和个人实现获得感，增强用户的运动体验［39］，提高体育场馆的服务供给效率和质量。二是促进国民体质健康。健身服务的数据信息通过人机交互、信息共享，实现国民体质信息的互通互联，进一步打通了全民体质健康、医保社保等信息孤岛，有助于完善国民体质监测数据库，为全民健身提供信息支撑。三是在城市应急状态下，体育场馆自主智能无人系统可以使场馆更加充分地发挥“安全岛”作用。体育场馆具备良好的安全性、宽敞性及容纳高等特性，成为应急救灾中可以依赖的重要载体。体育场馆构建自主智能无人系统，可以通过人流量监测实时反馈场馆容量，最短时间内对人民群众进行安置和疏散引导；通过数据共享平台输出对于医疗救助的需求信息，在最短的时间内实现医疗响应，保障人民群众生命健康，助力城市安全。

5 结语

近年来，中国体育产业稳步发展，在国民经济和社会发展中发挥着越来越重要的作用，正逐渐成为发展的新引擎和新的经济增长点。体育场馆作为体育产业发展的重要物质载体，其服务供给服务效率和质量的提升对于推动体育产业转型升级尤为重要。体育场馆构建自主智能无人系统可以提升体育场馆服务供给效率和质量，不断满足人民群众日益增长的体育锻炼需要，改善人民群众体育运动体验，最终使体育场馆成为管理有限的、可改变的和可共享的公共资源。这一举措对于贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念，协同推进城市整体数字化转型，助力健康中国和体育强国战略具有重要意义。