吳 凱，蔣思佳，楊 麗，汪 超，曹紹鮮，宋 洋，孫祥嬌

（1 重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 重慶 400065）

（2 重慶郵電大學(xué)體育學(xué)院 重慶 400065）

（3 成都大學(xué)體育學(xué)院 四川 成都 610106）

0 引言

近年，“互聯(lián)網(wǎng)+體育”這條賽道不斷推陳出新，發(fā)展態(tài)勢日趨明顯。但能真正深入社區(qū)居民、平衡社區(qū)體育資源的“選手”，仍未出現(xiàn)。在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)展的今天，社區(qū)體育可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)在社會資源配置中的優(yōu)化和集成作用，搭建社區(qū)體育信息共享平臺，利用大數(shù)據(jù)分析，將社區(qū)體育資源利用最大化，為體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

1 需求分析

由鏑數(shù)聚的數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)居民對運(yùn)動困擾的原因中，“沒有運(yùn)動壞境場所設(shè)施”占29%，雖然相較于其他兩項(xiàng)占比稍小，但仍是不可忽視的一大原因。見圖1 所示。

究其根本，是因?yàn)轶w育資源配置效率低、缺乏公平性[1]。如何用有限的體育資源滿足更多的居民的多元化需求，是亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

通過對人群計(jì)數(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)的持續(xù)跟進(jìn)，發(fā)現(xiàn)就“提高社區(qū)體育資源利用率”已經(jīng)有了新的可行方案。提高社區(qū)體育資源利用率，首先要優(yōu)化居民對社區(qū)里閑置可用的體育資源的獲悉方式，主要體現(xiàn)在兩個方面：

1.1 實(shí)時性

由圖2 可知，居民進(jìn)行體育運(yùn)動的時間分布十分分散，幾乎任何時刻都會有居民需要獲悉社區(qū)里閑置可用的體育資源。因此，能為居民提供實(shí)時的信息十分必要。

1.2 因地制宜

見圖3，居民進(jìn)行的體育項(xiàng)目十分廣泛多樣。而不同項(xiàng)目對運(yùn)動場所都有不同的要求，特別是球類、游泳、登山、廣場舞等對場地的要求較高。因此，應(yīng)該將閑置的社區(qū)體育資源按可進(jìn)行的體育項(xiàng)目分類，供居民檢索。

社區(qū)里的體育資源主要有兩種形式：場地和器材。優(yōu)化居民對社區(qū)里閑置可用運(yùn)動器材和體育場地的獲悉方式，就是要讓居民能夠選擇想要進(jìn)行的運(yùn)動項(xiàng)目、實(shí)時了解當(dāng)前運(yùn)動場所的人流量的，以便合理安排時間、錯峰進(jìn)行鍛煉，達(dá)到資源利用最大化。

2 功能概述

利用“人群計(jì)數(shù)算法”，以攝像設(shè)備實(shí)時上傳的照片作為輸入，計(jì)算運(yùn)動場所不同區(qū)域的人群密度，這些區(qū)域以可進(jìn)行的體育項(xiàng)目分類，再上傳至數(shù)據(jù)庫，客戶端則通過服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫拉取感興趣的信息。利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，設(shè)立“共享體育器材柜”，類似于已經(jīng)推廣的“共享單車”和“共享雨傘”，用戶通過客戶端獲取可用的“共享體育器材柜”的地點(diǎn)，前往“刷臉”憑押金、信用借取體育器材，并在合理時間內(nèi)歸還到有空位的器材柜。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代，數(shù)據(jù)作為關(guān)鍵生產(chǎn)要素之一，具有可復(fù)制、可共享、可無限供給、無限使用等特點(diǎn)，是生產(chǎn)力進(jìn)步新的主要驅(qū)動力[2]?！叭巳河?jì)數(shù)算法”的歷史數(shù)據(jù)以及“共享體育器材柜”的借取歷史記錄會是一份能真實(shí)反映社區(qū)體育資源使用情況的大數(shù)量級數(shù)據(jù)，可憑此總結(jié)出社區(qū)熱門運(yùn)動項(xiàng)目、地點(diǎn)及時段等。

社區(qū)里的體育資源還應(yīng)包含“擁有一定體育知識的居民”，如圖1所示，40%的居民認(rèn)為自己“缺乏專業(yè)運(yùn)動指導(dǎo)”。建立交流平臺，為這些居民提供“健身達(dá)人”的認(rèn)證通道，促進(jìn)認(rèn)證用戶與其他用戶的溝通交流。這也有助于解決居民“缺乏專業(yè)運(yùn)動指導(dǎo)”的困擾，此外，還可以增加鍛煉方案定制、健康食譜定制、商城等功能，便捷居民的生活，同時各系統(tǒng)也能協(xié)同發(fā)展，吸引更多居民參與使用。

3 智能化社區(qū)體育資源信息平臺的框架設(shè)計(jì)

如圖4 所示：本文主要介紹體育場所人群計(jì)數(shù)系統(tǒng)、共享體育器材柜這兩大板塊，鍛煉方案定制、交流平臺等常見的系統(tǒng)不在本文討論范圍內(nèi)。APP、網(wǎng)頁等都可以作為客戶端的形式，居民可以任意選擇。

3.1 體育場所人群計(jì)數(shù)系統(tǒng)

如圖5 所示：人群計(jì)數(shù)系統(tǒng)的功能是計(jì)算運(yùn)動場所不同區(qū)域的人群密度，這些區(qū)域以可進(jìn)行的體育項(xiàng)目分類，并將計(jì)算結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)庫。

該系統(tǒng)主要有3 個模塊：視頻流處理、計(jì)數(shù)算法調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲。視頻流處理模塊應(yīng)部署在攝像設(shè)備上，或者與攝像設(shè)備直接連接；計(jì)數(shù)算法調(diào)度模塊應(yīng)部署在GPU 服務(wù)器上，以滿足其密集計(jì)算的要求；數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫，供服務(wù)器檢索。

3.1.1 視頻流處理模塊

由于計(jì)數(shù)算法的輸入要求為圖像，因此視頻流處理模塊需要對攝像設(shè)備采集的視頻流進(jìn)行截取，再將截取的圖像上傳至服務(wù)器。

本系統(tǒng)重在為居民提供關(guān)于體育場所的參考信息，對實(shí)時性要求并不極端，每個視頻流處理模塊可以間隔1 ～3 min 截取、發(fā)送一次圖像。這也能有效的減少服務(wù)器的負(fù)載、大幅降低服務(wù)器的成本。

3.1.2 計(jì)數(shù)算法調(diào)度

該模塊所用的“人群計(jì)數(shù)算法”屬于“深度學(xué)習(xí)”的范疇。深度學(xué)習(xí)的計(jì)算任務(wù)有高度并行、計(jì)算密集的特點(diǎn)。GPU 擁有更多的大吞吐量計(jì)算通道和較少的控制單元，計(jì)算環(huán)境更優(yōu)秀，能更高效的完成深度學(xué)習(xí)的計(jì)算任務(wù)。因此，GPU 服務(wù)器是計(jì)數(shù)算法調(diào)度模塊的唯一選擇。

由于不同體育場所之間有著或大或小的差別，對每個場景都進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、模型訓(xùn)練的成本較高，因此該模塊提供了模型調(diào)整功能，即僅采集當(dāng)前場景較少的數(shù)據(jù)，從而對模型進(jìn)行微調(diào)，也能達(dá)到不錯的計(jì)數(shù)效果[3]。

該模塊的基本任務(wù)是提供算法服務(wù)。接受由視頻流處理模塊上傳的圖像數(shù)據(jù)，并送入模型進(jìn)行計(jì)算，最后將計(jì)算出的人群密度數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫。

3.1.3 數(shù)據(jù)存儲

計(jì)數(shù)算法調(diào)度模塊每進(jìn)行一次計(jì)算，都會將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，保存到數(shù)據(jù)庫中?？蛻舳藭ㄟ^服務(wù)器訪問此模塊以獲取實(shí)時人數(shù)信息。

3.2 共享體育器材柜

如圖6 所示?？蛻舳丝梢允茿PP、網(wǎng)頁，也可以是器材柜上嵌入的用戶界面。客戶端通過服務(wù)器對器材柜發(fā)送請求。

每個器材柜都會提供二維碼，該二維碼存儲著該器材柜唯一識別碼，當(dāng)居民通過客戶端掃描該二維碼時，客戶端會將二維碼存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)接受的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中拉取該器材柜存有的器材信息，再打包發(fā)送給客戶端，客戶端將器材信息整理成列表供居民挑選。這些器材信息包括器材類型、押金、租費(fèi)、器材唯一識別碼等。

RFID 系統(tǒng)是一種非接觸式的自動識別系統(tǒng)。器材柜內(nèi)的所有器材都附著射頻標(biāo)簽，它存儲著該器材的唯一識別碼。RFID 系統(tǒng)的子系統(tǒng)“應(yīng)用系統(tǒng)”承擔(dān)著器材柜與服務(wù)器之間的信息交換。

當(dāng)居民從器材列表選定了某一器材，客戶端將該器材的唯一識別碼和器材柜的唯一識別碼一起發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器檢查該請求的合法性，確認(rèn)完畢后將該請求轉(zhuǎn)發(fā)給器材柜的“應(yīng)用系統(tǒng)”，由應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)溝通器材柜的硬件部分，將指定器材遞交給居民。

當(dāng)居民欲歸還某一器材，只需按下器材柜上的“歸還”按鈕，器材柜會指引居民將器材放入“歸還槽”，該歸還槽被RFID 的射頻信號覆蓋，一旦器材被正確的放入了歸還槽，器材上的射頻標(biāo)簽就會被射頻信號驅(qū)動、將存儲的唯一識別碼發(fā)送出去，該標(biāo)識碼最終會被應(yīng)用系統(tǒng)接收。應(yīng)用系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將此信息和器材柜唯一識別碼以及其他相關(guān)信息打包發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器解釋、結(jié)算、確認(rèn)后，結(jié)束此次借還操作。見圖7 所示。

器材柜本身不保存任何器材信息，所有的器材信息都被保存在服務(wù)器上。由上述可知，器材柜只負(fù)責(zé)溝通硬件發(fā)送、執(zhí)行請求，所有數(shù)據(jù)合法性的確認(rèn)都在服務(wù)器完成。這是為了保證信息不被非法篡改。

4 關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)應(yīng)用

4.1 人群計(jì)數(shù)算法

“人群計(jì)數(shù)”是深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個技術(shù)。該領(lǐng)域較繁雜、抽象，本文僅作簡略介紹。

4.1.1 MP 神經(jīng)元模型

即人工神經(jīng)元。它是以人類神經(jīng)元信息傳遞的模型為原型設(shè)計(jì)的，包含的信息有激活函數(shù)、連接權(quán)值，描述了神經(jīng)元傳遞的數(shù)學(xué)表示方法和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方法。

4.1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

作為一種數(shù)學(xué)、計(jì)算模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要模仿了人類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能和結(jié)構(gòu)，由大量的MP 神經(jīng)元以一定的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)。每個MP 神經(jīng)元的連接權(quán)值反映了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶。網(wǎng)絡(luò)的輸出取決于網(wǎng)絡(luò)的連接方式，以及每一個MP 神經(jīng)元的激活函數(shù)和連接權(quán)值。

目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要結(jié)構(gòu)分為輸入層、隱藏層、輸出層。多層的作用是增加對于非線性問題的表征能力，極大拓展了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適用范圍。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練是運(yùn)用了反向傳播算法。訓(xùn)練的過程中，為使網(wǎng)絡(luò)的輸出與預(yù)期輸出更加符合，會不斷更新、修改網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。

4.1.3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，加深了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以學(xué)習(xí)輸入目標(biāo)特征，加入了稀疏連接的卷積層和池化下采樣層。

4.1.4 VGG 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

VGG 是一種常見的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由李薈等[4]基于AlexNet 提出。其定義的結(jié)構(gòu)見圖8。

4.1.5 CSRNet 算法

“人群計(jì)數(shù)算法”分為基于檢測的和基于回歸的。其中，基于檢測的計(jì)數(shù)算法的精度完全依賴于對目標(biāo)檢測的算法的精度，而目前的對目標(biāo)檢測的算法對較小的目標(biāo)以及被嚴(yán)重遮擋的目標(biāo)并沒有產(chǎn)生良好的表現(xiàn)，所以基于檢測的計(jì)數(shù)算法的效果并不理想。

本設(shè)計(jì)采用的人群計(jì)數(shù)算法是基于回歸的CSRNet 算法，該算法由Li 等[5]提出。其結(jié)構(gòu)分為兩部分：前端網(wǎng)絡(luò)、后端網(wǎng)絡(luò)。前端網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用了遷移學(xué)習(xí)，從VGG16 訓(xùn)練完成的網(wǎng)絡(luò)提取圖片的特征。后端網(wǎng)絡(luò)則采用膨脹卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以代替池化操作，作用是使卷積網(wǎng)絡(luò)在不改變特征圖尺寸的同時，仍能有更廣的感受野。見圖9 所示。

CSRNet 算法在對ShanghaiTech 數(shù)據(jù)集、UCF_CC_50 數(shù)據(jù)集、WorldEXPO_10 數(shù)據(jù)集和UCSD 數(shù)據(jù)集測試中，展現(xiàn)了十分優(yōu)秀的性能。

4.2 RFID 射頻識別系統(tǒng)

RFID 系統(tǒng)是一種非接觸式的自動識別系統(tǒng)，承擔(dān)器材柜與器材之間的信息交換，可以用以識別、追蹤和管理體育器材。RFID 系統(tǒng)主要由閱讀器和射頻標(biāo)簽組成[6]，基本工作原理簡單：閱讀器發(fā)送一定頻率的射頻信號，射頻標(biāo)簽在該電磁信號輻射區(qū)域內(nèi)時會產(chǎn)生電流，借助該電流產(chǎn)生的能量，射頻標(biāo)簽將存儲的信息發(fā)送出去，閱讀器則按一定的協(xié)議接收、解碼這些信息，以供應(yīng)用程序使用。

在本設(shè)計(jì)中，閱讀器安裝于器材柜內(nèi)，射頻標(biāo)簽附著于體育器材。見圖10 所示。

RFID 分為無源和有源。無源RFID 的射頻標(biāo)簽不需要供電系統(tǒng)，因此故障率低、成本低，缺點(diǎn)是有效距離較短。有源RFID 解決了有效距離較短的問題，但代價(jià)是需要供電系統(tǒng)，不僅體積大而且成本高。由于要保證射頻標(biāo)簽體積、重量對體育活動影響極小，所以應(yīng)采用無源RFID，設(shè)計(jì)器材柜時應(yīng)充分考慮無源RFID 的優(yōu)缺點(diǎn)。

RFID 能穿過的物質(zhì)必須是非金屬的、非透明的，比如紙張、塑料和木材等。因?yàn)轶w育器材易受到高強(qiáng)度碰撞、擠壓，為保護(hù)射頻標(biāo)簽不被損壞，應(yīng)用合適的物質(zhì)將其覆蓋包裹作為保護(hù)層。同時，避免使用金屬物質(zhì)，以防對識別造成干擾。金屬物質(zhì)較多的體育器材大多置于健身房，可交由健身房管理。

4.3 二維碼

二維碼承擔(dān)器材柜與居民之間的信息交換。居民通過掃描二維碼借用器材和支付費(fèi)用[7]。

二維碼的基本原理是用分布在二維方向上的幾何圖形表示信息，優(yōu)點(diǎn)十分顯著，信息容量大、容錯能力強(qiáng)、成本低等，已得到廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)語

該智能化社區(qū)體育資源信息平臺的框架設(shè)計(jì)，以提高社區(qū)體育資源的普及利用率為主要目的，充分應(yīng)用了人群計(jì)數(shù)技術(shù)和RFID 技術(shù)，可推進(jìn)體育產(chǎn)業(yè)的智能化，實(shí)現(xiàn)社區(qū)閑置體育資源實(shí)時檢索的功能以及體育器材的共享經(jīng)濟(jì)。不足之處是受研究時間和資金的限制，未能充分分析人群計(jì)數(shù)技術(shù)和RFID 技術(shù)的成本，包括減少成本的可能方案。