数字孪生技术赋能智慧体育的发展与应用分析

文 / 蒋涵卫，梁新鑫，李思莹

1 数字孪生的概念及相关理论

1.1 基本原理

数字孪生技术主要基于物理模型和虚拟模型进行建模，将物理世界与虚拟世界连接起来。在数字孪生技术的建模过程中，需要综合考虑物理模型、数据驱动模型、人工智能模型等不同建模方法，并且需要将这些不同的建模方法进行有效整合。

数字孪生技术的核心是建立虚拟世界，将现实世界中的实体系统或流程进行数字化映射。而虚拟世界主要是指使用虚拟现实技术和增强现实技术等先进的数字技术对物理世界进行模拟和仿真，以获取对实体系统或流程的反馈。与传统的实体模型相比，数字孪生技术在虚拟空间中所构建的物理实体系统具有更多信息和功能，包括物理实体系统的状态、性能、行为等方面，可以进行仿真模拟并实现实时监测和控制。在数字孪生技术中，主要有以下几个关键要素：一是对物理实体系统进行建模；二是对物理实体系统进行仿真模拟；三是与物理实体系统进行交互；四是对物理实体系统进行反馈。其中，模型化建模方式可以让数字孪生技术对真实世界中的物体和系统进行数字化映射。

1.2 关键技术

数字孪生技术是一种新型的科学计算方法，它将计算科学与人工智能技术相结合，通过利用计算智能模拟算法，能够在计算机中实现对现实世界中物体或系统的高精度数字化模拟和预测，并在计算机中以数字形式表示。数字孪生技术可以应用于城市、航空航天、智能制造等领域，但是目前的研究主要集中在制造领域，而体育领域的数字孪生研究还处于起步阶段。为更好地对数字孪生技术进行研究和应用，需要解决以下几个方面的问题。

（1）数据采集。数据是数字孪生技术的基础[1]应伟,何玉东.大数据时代下“高效、自主、竞争型”智慧社区体育建设的思考[C].中国班迪协会,澳门体能协会,广东省体能协会.第八届中国体能训练科学大会论文集,2023:89-92.，如何高精度采集数据，是数字孪生技术应用于体育领域的关键问题。体育教学中的各种运动器械、场地、设施等都是采集数据的载体。例如，在传统体育教学中，学生需要通过观察器械的使用情况、场地的使用情况等方式来了解该器械的使用状况，然后根据实际情况对该器械进行调整。但是，随着智能技术的不断发展，很多运动器械可以通过物联网等方式获取数据，如智能运动平台、智能体育设备、智能运动装备等。为了提高数据采集的效率和准确度，需要针对不同的运动项目制定相应的采集标准。同时，还需要根据采集到的数据对各种运动器械进行优化设计以提高其使用效率。

（2）模型构建。数字孪生技术利用数字模型来模拟真实物理世界中物体或系统的行为和过程。在数字模型构建过程中，需要将物理模型与虚拟模型进行匹配与融合，将现实世界中的物体、系统等数字化后映射到虚拟空间中。同时还需要对物理模型进行优化设计以提高其精度和准确性。

（3）仿真分析。仿真分析是数字孪生技术应用于体育领域的重要手段。通过对现实世界中物体或系统进行仿真分析，可以获得对其行为或过程的反馈。例如，在体育教学中通过对学生行为进行模拟可以提升教学效果和效率。

（4）交互反馈。在数字孪生技术应用领域中，需要通过交互反馈将数字孪生模型与虚拟空间相匹配，以获得对实体系统或流程的反馈。

（5）多源融合。目前关于数字孪生技术应用于体育领域的研究还处于起步阶段，需要结合多学科理论和方法进行深入研究与探索。例如，如何利用数据融合方法对多源数据进行融合以提升数据质量；如何使用机器学习、深度学习等人工智能技术进行训练以提升模型精度；如何利用机器学习、深度学习等技术实现数据驱动的决策分析等。

2 数字孪生技术的发展历程

数字孪生技术起源于美国，由美国麻省理工学院的团队率先提出，是一种以物理模型和传感器数据为基础，利用数字模型进行仿真模拟，以实现对物理实体的数字化映射。但由于该技术在国外的应用较为成熟，因而没有得到国内学术界和产业界的重视。国内高校和研究机构也较少涉及该领域[2]张波,张伟,邹芮等.智慧校园背景下校园智慧体育管理系统设计研究[J].信息系统工程,2023(06):16-19.。直到2015年，清华大学周光召院士团队提出了数字孪生概念，并开展了一系列实践探索，标志着数字孪生技术在中国得到了初步应用。2017年以来，国内高校和企业积极参与数字孪生技术的研发和应用工作。到目前为止，我国已经有多个省市自治区发布了数字孪生相关政策。随着数字孪生技术的不断成熟和在各行各业中的深入应用，其应用价值将会得到更大发挥，将会有越来越多的行业应用数字孪生技术来实现降本增效、提升质量、优化体验等目标[3]柴王军,李杨帆,李国,刘哲辰.数字技术赋能体育产业高质量发展的逻辑、困境及纾解路径[J].先体育学院学报,2022(05):292-300.。

3 数字孪生技术在智慧体育领域的应用前景

数字孪生技术作为一种新型的技术架构，它是指在数字世界中构建一个与现实世界相同或相似的虚拟数字模型，并在这个虚拟模型上对现实世界的运行状态进行实时映射的过程。数字孪生技术可以有效地解决智慧体育中存在的问题，为体育管理部门提供科学决策依据，为体育产业提供更好的服务。目前，数字孪生技术已经应用于智慧体育领域，但是其在智慧体育中的应用还处于起步阶段。通过对数字孪生技术在智慧体育中的应用前景进行分析[4]王振飞.智慧体育视域下体育场馆管理系统构建与优化路径研究[M].武汉体育学院,2022.05.，可以发现数字孪生技术在智慧体育中的应用具有良好的发展前景。随着5G、物联网、云计算和人工智能等新兴技术的发展，数字孪生技术在智慧体育中的应用将会越来越广泛。随着数字孪生技术在智慧体育中应用的不断深入，将会为我国智慧体育提供更多新思路和新方法。

4 数字孪生技术在智慧体育领域的可行性分析

（1）技术支持：数字孪生技术是依赖于大数据、云计算、人工智能等技术的发展而来的。目前，这些技术已经相对成熟，并且在智慧体育领域有着广泛的应用。因此，在技术层面上支持数字孪生技术的实施是可行的。

（2）数据收集和分析：数字孪生技术的实施需要大量的数据收集和分析。在智慧体育领域，运动员的技术数据、比赛数据、身体指标等信息都可以通过传感器、监测设备等手段进行采集，并通过数据分析算法进行处理。随着物联网和传感技术的发展，这些数据的获取将更加便捷和准确。

（3）实时模拟和监测：数字孪生技术可以实时模拟和监测个人运动员的动作和技能。这需要高性能的计算设备和快速的数据处理能力。目前，随着计算能力的不断提升和处理算法的优化，实时模拟和监测已经成为可能。

（4）应用场景和需求：智慧体育领域对数字孪生技术的需求非常明确。无论是个人运动员的训练和评估，还是队伍管理和比赛分析，数字孪生技术都能够提供有力的支持。因此，从应用场景和需求的角度看，数字孪生技术在智慧体育领域是可行的。

综上所述，数字孪生技术在智慧体育领域的可行性可以通过技术支持、数据收集和分析、实时模拟和监测以及应用场景和需求等方面进行分析。当前的技术和应用趋势表明，数字孪生技术在智慧体育领域有着广阔的发展前景。

5 数字孪生技术与智慧体育融合发展的研究路径

数字孪生技术与智慧体育的融合发展，可以从以下三个方面展开：一是通过数字孪生技术建立虚拟仿真环境，帮助解决智慧体育中存在的问题；二是通过数字孪生技术对智慧体育进行模拟仿真，帮助指导体育管理部门进行科学决策；三是利用数字孪生技术对体育产业进行服务，帮助体育产业更好地发展。

数字孪生技术是一种新型的技术架构，它可以实现物理世界与虚拟世界之间的连接，为智慧体育提供多维立体的感知体系。数字孪生技术对智慧体育中存在的问题进行分析，可以帮助解决智慧体育中存在的问题。通过对物理实体和系统进行数字化映射，可以为智慧体育提供多维立体的感知体系，从而降低智慧体育在建设和运行过程中存在的风险。综合来看，数字孪生技术与智慧体育融合发展具有如下几个方面的现实意义。

5.1 帮助体育管理部门解决体育领域的实际问题

数字孪生技术主要通过以下几种方式来帮助体育管理部门解决实际问题：数字孪生技术可以帮助体育管理部门建立虚拟仿真环境[5]王俊.基于数字孪生的体育场馆智慧化运营管理探究[C].第十二届全国体育科学大会论文摘要汇编——专题报告(体育建筑分会),2022.03:17-19.。通过建立虚拟仿真环境，可以让体育管理部门在没有现实世界物理实体的情况下，了解智慧体育运行的基本情况。通过对智慧体育运行情况进行模拟，可以帮助体育管理部门掌握实际情况，从而做出科学决策。这种模拟仿真是一种基于大数据、云计算和人工智能等技术的综合应用，可以帮助体育管理部门得到更加准确的数据支持，从而做出科学的决策。通过对智慧体育运行情况进行模拟仿真，可以帮助智慧体育在建设和运行过程中避免出现风险和失误。通过建立虚拟仿真环境，可以为智慧体提供一个虚拟的操作平台和交互界面，从而实现智慧体的智能维护。数字孪生技术还可以帮助运动损伤康复专家对运动员进行辅助训练。

5.2 促进体育产业转型升级

当前，体育产业发展面临着人口红利逐渐消失、市场竞争日趋激烈、产业发展模式相对单一等诸多挑战，而数字孪生技术的出现和应用，能够为体育产业转型升级提供新的契机。一方面，数字孪生技术可以帮助体育企业实现数字化转型升级。从根本上说，智慧体育的建设和运行需要借助数字孪生技术，通过对物理实体和系统进行数字化映射，从而帮助智慧体育实现优化升级。在这一过程中，数字孪生技术可以帮助智慧体育实现功能完善、效率提高、成本降低、风险降低等目标；另一方面，数字孪生技术可以促进体育产业的高质量发展。在数字孪生技术的推动下，体育产业可以利用先进的数字化手段来降低经营成本、提高运营效率，从而实现高质量发展。例如，在数字化时代背景下，很多企业都利用大数据分析技术来提高产品设计和销售的效率。而数字孪生技术可以在产品设计阶段为企业提供虚拟仿真环境，从而帮助企业减少物理空间中存在的风险和成本。通过对数据、信息等进行挖掘分析，可以发现数据之间存在的关联性以及其中蕴含的价值。在数据分析的基础上，可以帮助体育企业制定更加合理的资源配置方案，从而帮助企业降低运营成本、提高经营效率。

综上可以看出，数字孪生技术与智慧体育的融合发展能够推动体育产业向高质量发展方向转变。因此，在数字孪生技术支持下进行智慧体育建设和运行对促进我国体育产业转型升级具有重要意义。

6 结语

数字孪生是一种新型的技术架构，通过数字化技术对现实世界中的物体和系统进行全要素、全周期的数字化映射，可以更好地帮助人们解决智慧体育中存在的问题，助力智慧体育产品的创新。在数字孪生技术应用于智慧体育领域时，要以用户需求为中心，围绕用户的需求进行研发设计、制造和服务；要以优化性能为目标，利用数字孪生技术建立虚拟仿真环境，对智慧体育产品进行模拟仿真；要以提高质量为核心，通过数字孪生技术建立虚拟仿真环境，对智慧体育产品进行全生命周期的优化设计。此外，数字孪生技术在智慧体育领域还具有巨大的应用潜力，可以应用于全民健身、竞技体育和体育产业等领域。因此，随着数字孪生技术在智慧体育领域的不断深入发展和应用，必将会为体育产业带来更多的便利和创新价值。