數(shù)字孿生技術(shù)賦能智慧體育的發(fā)展與應(yīng)用分析

文 / 蔣涵衛(wèi)，梁新鑫，李思瑩

1 數(shù)字孿生的概念及相關(guān)理論

1.1 基本原理

數(shù)字孿生技術(shù)主要基于物理模型和虛擬模型進行建模，將物理世界與虛擬世界連接起來。在數(shù)字孿生技術(shù)的建模過程中，需要綜合考慮物理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型、人工智能模型等不同建模方法，并且需要將這些不同的建模方法進行有效整合。

數(shù)字孿生技術(shù)的核心是建立虛擬世界，將現(xiàn)實世界中的實體系統(tǒng)或流程進行數(shù)字化映射。而虛擬世界主要是指使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)等先進的數(shù)字技術(shù)對物理世界進行模擬和仿真，以獲取對實體系統(tǒng)或流程的反饋。與傳統(tǒng)的實體模型相比，數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬空間中所構(gòu)建的物理實體系統(tǒng)具有更多信息和功能，包括物理實體系統(tǒng)的狀態(tài)、性能、行為等方面，可以進行仿真模擬并實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制。在數(shù)字孿生技術(shù)中，主要有以下幾個關(guān)鍵要素：一是對物理實體系統(tǒng)進行建模；二是對物理實體系統(tǒng)進行仿真模擬；三是與物理實體系統(tǒng)進行交互；四是對物理實體系統(tǒng)進行反饋。其中，模型化建模方式可以讓數(shù)字孿生技術(shù)對真實世界中的物體和系統(tǒng)進行數(shù)字化映射。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是一種新型的科學(xué)計算方法，它將計算科學(xué)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，通過利用計算智能模擬算法，能夠在計算機中實現(xiàn)對現(xiàn)實世界中物體或系統(tǒng)的高精度數(shù)字化模擬和預(yù)測，并在計算機中以數(shù)字形式表示。數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用于城市、航空航天、智能制造等領(lǐng)域，但是目前的研究主要集中在制造領(lǐng)域，而體育領(lǐng)域的數(shù)字孿生研究還處于起步階段。為更好地對數(shù)字孿生技術(shù)進行研究和應(yīng)用，需要解決以下幾個方面的問題。

（1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)[1]應(yīng)偉,何玉東.大數(shù)據(jù)時代下“高效、自主、競爭型”智慧社區(qū)體育建設(shè)的思考[C].中國班迪協(xié)會,澳門體能協(xié)會,廣東省體能協(xié)會.第八屆中國體能訓(xùn)練科學(xué)大會論文集,2023:89-92.，如何高精度采集數(shù)據(jù)，是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于體育領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。體育教學(xué)中的各種運動器械、場地、設(shè)施等都是采集數(shù)據(jù)的載體。例如，在傳統(tǒng)體育教學(xué)中，學(xué)生需要通過觀察器械的使用情況、場地的使用情況等方式來了解該器械的使用狀況，然后根據(jù)實際情況對該器械進行調(diào)整。但是，隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，很多運動器械可以通過物聯(lián)網(wǎng)等方式獲取數(shù)據(jù)，如智能運動平臺、智能體育設(shè)備、智能運動裝備等。為了提高數(shù)據(jù)采集的效率和準確度，需要針對不同的運動項目制定相應(yīng)的采集標準。同時，還需要根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對各種運動器械進行優(yōu)化設(shè)計以提高其使用效率。

（2）模型構(gòu)建。數(shù)字孿生技術(shù)利用數(shù)字模型來模擬真實物理世界中物體或系統(tǒng)的行為和過程。在數(shù)字模型構(gòu)建過程中，需要將物理模型與虛擬模型進行匹配與融合，將現(xiàn)實世界中的物體、系統(tǒng)等數(shù)字化后映射到虛擬空間中。同時還需要對物理模型進行優(yōu)化設(shè)計以提高其精度和準確性。

（3）仿真分析。仿真分析是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于體育領(lǐng)域的重要手段。通過對現(xiàn)實世界中物體或系統(tǒng)進行仿真分析，可以獲得對其行為或過程的反饋。例如，在體育教學(xué)中通過對學(xué)生行為進行模擬可以提升教學(xué)效果和效率。

（4）交互反饋。在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，需要通過交互反饋將數(shù)字孿生模型與虛擬空間相匹配，以獲得對實體系統(tǒng)或流程的反饋。

（5）多源融合。目前關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于體育領(lǐng)域的研究還處于起步階段，需要結(jié)合多學(xué)科理論和方法進行深入研究與探索。例如，如何利用數(shù)據(jù)融合方法對多源數(shù)據(jù)進行融合以提升數(shù)據(jù)質(zhì)量；如何使用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)進行訓(xùn)練以提升模型精度；如何利用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策分析等。

2 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展歷程

數(shù)字孿生技術(shù)起源于美國，由美國麻省理工學(xué)院的團隊率先提出，是一種以物理模型和傳感器數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)字模型進行仿真模擬，以實現(xiàn)對物理實體的數(shù)字化映射。但由于該技術(shù)在國外的應(yīng)用較為成熟，因而沒有得到國內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視。國內(nèi)高校和研究機構(gòu)也較少涉及該領(lǐng)域[2]張波,張偉,鄒芮等.智慧校園背景下校園智慧體育管理系統(tǒng)設(shè)計研究[J].信息系統(tǒng)工程,2023(06):16-19.。直到2015年，清華大學(xué)周光召院士團隊提出了數(shù)字孿生概念，并開展了一系列實踐探索，標志著數(shù)字孿生技術(shù)在中國得到了初步應(yīng)用。2017年以來，國內(nèi)高校和企業(yè)積極參與數(shù)字孿生技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用工作。到目前為止，我國已經(jīng)有多個省市自治區(qū)發(fā)布了數(shù)字孿生相關(guān)政策。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷成熟和在各行各業(yè)中的深入應(yīng)用，其應(yīng)用價值將會得到更大發(fā)揮，將會有越來越多的行業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)來實現(xiàn)降本增效、提升質(zhì)量、優(yōu)化體驗等目標[3]柴王軍,李楊帆,李國,劉哲辰.數(shù)字技術(shù)賦能體育產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的邏輯、困境及紓解路徑[J].先體育學(xué)院學(xué)報,2022(05):292-300.。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域的應(yīng)用前景

數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新型的技術(shù)架構(gòu)，它是指在數(shù)字世界中構(gòu)建一個與現(xiàn)實世界相同或相似的虛擬數(shù)字模型，并在這個虛擬模型上對現(xiàn)實世界的運行狀態(tài)進行實時映射的過程。數(shù)字孿生技術(shù)可以有效地解決智慧體育中存在的問題，為體育管理部門提供科學(xué)決策依據(jù)，為體育產(chǎn)業(yè)提供更好的服務(wù)。目前，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于智慧體育領(lǐng)域，但是其在智慧體育中的應(yīng)用還處于起步階段。通過對數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育中的應(yīng)用前景進行分析[4]王振飛.智慧體育視域下體育場館管理系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化路徑研究[M].武漢體育學(xué)院,2022.05.，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育中的應(yīng)用具有良好的發(fā)展前景。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育中的應(yīng)用將會越來越廣泛。隨著數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育中應(yīng)用的不斷深入，將會為我國智慧體育提供更多新思路和新方法。

4 數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域的可行性分析

（1）技術(shù)支持：數(shù)字孿生技術(shù)是依賴于大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展而來的。目前，這些技術(shù)已經(jīng)相對成熟，并且在智慧體育領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，在技術(shù)層面上支持數(shù)字孿生技術(shù)的實施是可行的。

（2）數(shù)據(jù)收集和分析：數(shù)字孿生技術(shù)的實施需要大量的數(shù)據(jù)收集和分析。在智慧體育領(lǐng)域，運動員的技術(shù)數(shù)據(jù)、比賽數(shù)據(jù)、身體指標等信息都可以通過傳感器、監(jiān)測設(shè)備等手段進行采集，并通過數(shù)據(jù)分析算法進行處理。隨著物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)的發(fā)展，這些數(shù)據(jù)的獲取將更加便捷和準確。

（3）實時模擬和監(jiān)測：數(shù)字孿生技術(shù)可以實時模擬和監(jiān)測個人運動員的動作和技能。這需要高性能的計算設(shè)備和快速的數(shù)據(jù)處理能力。目前，隨著計算能力的不斷提升和處理算法的優(yōu)化，實時模擬和監(jiān)測已經(jīng)成為可能。

（4）應(yīng)用場景和需求：智慧體育領(lǐng)域?qū)?shù)字孿生技術(shù)的需求非常明確。無論是個人運動員的訓(xùn)練和評估，還是隊伍管理和比賽分析，數(shù)字孿生技術(shù)都能夠提供有力的支持。因此，從應(yīng)用場景和需求的角度看，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域是可行的。

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域的可行性可以通過技術(shù)支持、數(shù)據(jù)收集和分析、實時模擬和監(jiān)測以及應(yīng)用場景和需求等方面進行分析。當前的技術(shù)和應(yīng)用趨勢表明，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

5 數(shù)字孿生技術(shù)與智慧體育融合發(fā)展的研究路徑

數(shù)字孿生技術(shù)與智慧體育的融合發(fā)展，可以從以下三個方面展開：一是通過數(shù)字孿生技術(shù)建立虛擬仿真環(huán)境，幫助解決智慧體育中存在的問題；二是通過數(shù)字孿生技術(shù)對智慧體育進行模擬仿真，幫助指導(dǎo)體育管理部門進行科學(xué)決策；三是利用數(shù)字孿生技術(shù)對體育產(chǎn)業(yè)進行服務(wù)，幫助體育產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展。

數(shù)字孿生技術(shù)是一種新型的技術(shù)架構(gòu)，它可以實現(xiàn)物理世界與虛擬世界之間的連接，為智慧體育提供多維立體的感知體系。數(shù)字孿生技術(shù)對智慧體育中存在的問題進行分析，可以幫助解決智慧體育中存在的問題。通過對物理實體和系統(tǒng)進行數(shù)字化映射，可以為智慧體育提供多維立體的感知體系，從而降低智慧體育在建設(shè)和運行過程中存在的風(fēng)險。綜合來看，數(shù)字孿生技術(shù)與智慧體育融合發(fā)展具有如下幾個方面的現(xiàn)實意義。

5.1 幫助體育管理部門解決體育領(lǐng)域的實際問題

數(shù)字孿生技術(shù)主要通過以下幾種方式來幫助體育管理部門解決實際問題：數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助體育管理部門建立虛擬仿真環(huán)境[5]王俊.基于數(shù)字孿生的體育場館智慧化運營管理探究[C].第十二屆全國體育科學(xué)大會論文摘要匯編——專題報告(體育建筑分會),2022.03:17-19.。通過建立虛擬仿真環(huán)境，可以讓體育管理部門在沒有現(xiàn)實世界物理實體的情況下，了解智慧體育運行的基本情況。通過對智慧體育運行情況進行模擬，可以幫助體育管理部門掌握實際情況，從而做出科學(xué)決策。這種模擬仿真是一種基于大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以幫助體育管理部門得到更加準確的數(shù)據(jù)支持，從而做出科學(xué)的決策。通過對智慧體育運行情況進行模擬仿真，可以幫助智慧體育在建設(shè)和運行過程中避免出現(xiàn)風(fēng)險和失誤。通過建立虛擬仿真環(huán)境，可以為智慧體提供一個虛擬的操作平臺和交互界面，從而實現(xiàn)智慧體的智能維護。數(shù)字孿生技術(shù)還可以幫助運動損傷康復(fù)專家對運動員進行輔助訓(xùn)練。

5.2 促進體育產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級

當前，體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著人口紅利逐漸消失、市場競爭日趨激烈、產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式相對單一等諸多挑戰(zhàn)，而數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，能夠為體育產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供新的契機。一方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助體育企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。從根本上說，智慧體育的建設(shè)和運行需要借助數(shù)字孿生技術(shù)，通過對物理實體和系統(tǒng)進行數(shù)字化映射，從而幫助智慧體育實現(xiàn)優(yōu)化升級。在這一過程中，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助智慧體育實現(xiàn)功能完善、效率提高、成本降低、風(fēng)險降低等目標；另一方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以促進體育產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。在數(shù)字孿生技術(shù)的推動下，體育產(chǎn)業(yè)可以利用先進的數(shù)字化手段來降低經(jīng)營成本、提高運營效率，從而實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。例如，在數(shù)字化時代背景下，很多企業(yè)都利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來提高產(chǎn)品設(shè)計和銷售的效率。而數(shù)字孿生技術(shù)可以在產(chǎn)品設(shè)計階段為企業(yè)提供虛擬仿真環(huán)境，從而幫助企業(yè)減少物理空間中存在的風(fēng)險和成本。通過對數(shù)據(jù)、信息等進行挖掘分析，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間存在的關(guān)聯(lián)性以及其中蘊含的價值。在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，可以幫助體育企業(yè)制定更加合理的資源配置方案，從而幫助企業(yè)降低運營成本、提高經(jīng)營效率。

綜上可以看出，數(shù)字孿生技術(shù)與智慧體育的融合發(fā)展能夠推動體育產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展方向轉(zhuǎn)變。因此，在數(shù)字孿生技術(shù)支持下進行智慧體育建設(shè)和運行對促進我國體育產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

6 結(jié)語

數(shù)字孿生是一種新型的技術(shù)架構(gòu)，通過數(shù)字化技術(shù)對現(xiàn)實世界中的物體和系統(tǒng)進行全要素、全周期的數(shù)字化映射，可以更好地幫助人們解決智慧體育中存在的問題，助力智慧體育產(chǎn)品的創(chuàng)新。在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智慧體育領(lǐng)域時，要以用戶需求為中心，圍繞用戶的需求進行研發(fā)設(shè)計、制造和服務(wù)；要以優(yōu)化性能為目標，利用數(shù)字孿生技術(shù)建立虛擬仿真環(huán)境，對智慧體育產(chǎn)品進行模擬仿真；要以提高質(zhì)量為核心，通過數(shù)字孿生技術(shù)建立虛擬仿真環(huán)境，對智慧體育產(chǎn)品進行全生命周期的優(yōu)化設(shè)計。此外，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域還具有巨大的應(yīng)用潛力，可以應(yīng)用于全民健身、競技體育和體育產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。因此，隨著數(shù)字孿生技術(shù)在智慧體育領(lǐng)域的不斷深入發(fā)展和應(yīng)用，必將會為體育產(chǎn)業(yè)帶來更多的便利和創(chuàng)新價值。