基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法

本发明涉及面向社会体育管理的智能决策，具体涉及基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法。

背景技术：

1、社区公共体育设施的科学配置成为社会体育管理部门面临的核心课题。长期以来，社区公共体育设施的配置主要依赖人均面积、千人指标等经验标准，缺乏对居民运动行为规律与空间可达性差异的量化分析，由此普遍出现部分区域设施闲置、另一些区域供给不足的供需失配现象。近年来，借助地理信息系统、移动定位数据与人工智能算法对设施供需进行建模与优化，逐渐成为提升资源配置效率的重要技术路线。

2、公开号为cn121787708a的中国专利申请，公开了一种基于多智能体供需推演的城镇居民日常活动空间识别诊断与优化方法，该方法对手机定位轨迹聚类识别居民停留点，借助马尔可夫链与logit效用函数构建居民日常活动出行决策网络，建立居民智能体推演各空间单元的设施需求指数与设施供给指数，据此从空间、时间与类型维度诊断供需失衡，并以全域平均供需匹配度与优化成本占比为状态空间、以功能转换、容量扩容、点位新增、等级提升构成的设施侧方案库为动作空间、以匹配度提升与成本控制为奖励，采用强化学习算法推演输出设施布局优化方案。然而，该方案将居民运动需求视为由历史行为外生决定的、相对刚性的待满足量，其动作空间被局限于供给侧的设施调整，需求的时空分布被当作不可调控的约束；当面对无新增建设用地、且既有设施功能调整余地有限的已建成社区时，其供给侧动作空间迅速枯竭，难以在不新建、不扩建的前提下实现供需匹配，从而无法解决已建成社区在供给侧调整余地枯竭时的体育设施供需失配这一核心技术问题。

3、公告号为cn113592184b的中国专利申请，公开了一种预测适宜运动空间的方法和系统，该方法基于归一化植被指数、地表温度、兴趣点、人行道与建筑等城市环境因子，结合居民运动轨迹，采用最大熵模型计算研究区域各网格的运动适宜度。然而，该方案仅对运动适宜度进行静态预测与诊断，既不输出设施布局优化方案，也不对居民运动需求的时空分布进行主动调控，同样未能触及在供给侧调整余地枯竭时如何实现供需匹配的问题。

4、可见，现有技术普遍默认设施供需失配只能通过调整供给侧来解决，居民运动需求被视为外生且刚性的约束。这一认知使得既有方法在供给侧动作空间枯竭的已建成社区中陷入困境，而真正低成本的调控杠杆，居民运动需求在个性化引导下的时空再分配被完全闲置。因此，亟需一种能够将居民运动需求纳入优化回路、并使其与供给侧调整协同作用的公共体育设施布局优化方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中社区公共体育设施配置存在的、在供给侧调整余地枯竭时难以实现体育设施供需匹配这一核心瓶颈，本发明提供一种基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，通过将居民个性化运动行为引导提升为与供给侧调整并列的需求侧动作、并使供需双侧在数字孪生的运动空间状态场上迭代博弈，在不依赖新增建设用地的约束前提下，从优化决策结构层面实现设施使用率均衡与十五分钟健身圈覆盖率达标的核心目标。

2、本发明的技术方案为：基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，包括以下步骤：融合社区地理信息、居民运动行为数据与人口结构数据，构建社区运动空间数字孪生模型，所述社区运动空间数字孪生模型实时映射各体育设施的运动空间状态场，所述运动空间状态场包括设施使用率、人流密度与空间可达性；以设施使用率均衡度、人均运动时长与十五分钟健身圈覆盖率为状态空间，以双侧动作空间为决策变量，以居民运动参与率提升量与设施运营成本为奖励，由强化学习优化智能体在所述社区运动空间数字孪生模型中进行推演；所述双侧动作空间包括供给侧动作与需求侧动作，所述供给侧动作包括设施功能置换、共享时段调整与新建设施选址推荐，所述需求侧动作为面向居民推送就近可利用设施、空余时段与适宜运动类型的个性化运动行为引导策略；将所述需求侧动作引发的居民运动行为时空再分配回写所述运动空间状态场，使回写后的所述运动空间状态场重新驱动所述供给侧动作的求解，令所述供给侧动作与所述需求侧动作在所述运动空间状态场上迭代博弈直至双侧联合收敛，输出公共体育设施布局优化方案与所述个性化运动行为引导策略。

3、本发明的有益效果在于：

4、其一，本发明将需求侧动作与供给侧动作并列纳入强化学习优化智能体的双侧动作空间，相较于仅调整供给侧的现有方案，能够在不新增建设用地的已建成社区中实现供需匹配。其机理在于：在供给侧动作空间枯竭时，居民运动需求在个性化运动行为引导策略下发生时空再分配，使原本闲置的设施与空余时段被填充、原本拥挤的设施与高峰时段被疏解，相当于在不改变设施总量的前提下增加了等效供给；这一调控杠杆在仅以供给侧设施调整为动作空间的现有方案中被当作固定约束而无法触及。

5、其二，本发明将需求侧动作引发的居民运动行为时空再分配回写所述运动空间状态场，使供给侧动作与需求侧动作在同一运动空间状态场上迭代博弈直至双侧联合收敛，从而获得优于供需任一侧单独优化之和的协同效果。其机理在于：需求侧引导改变运动空间状态场中的设施使用率分布，被改变后的运动空间状态场又重新驱动供给侧动作的求解，新的供给侧调整再次改变就近可利用设施的集合从而影响下一轮引导策略的可行域，二者通过共享的运动空间状态场形成双向耦合；这种耦合使得供需双侧的调整相互适配而非各自为政，最终联合收敛到的方案在十五分钟健身圈覆盖率与设施使用率均衡度上均优于先固定需求再优化供给、或先固定供给再优化需求的串行方案，体现了显著的协同效应。

6、其三，本发明采集居民对个性化运动行为引导策略的实际响应数据并据以估计运动行为引导响应弹性，以该弹性为权重回写运动空间状态场。其机理在于：居民是否接受引导具有不确定性，若按引导被完全采纳的理想假设回写，将高估需求迁移量、进而误导供给侧少建而导致实际拥挤；本发明将这一被现有方案忽视的响应不确定性量化为可估计、可写入运动空间状态场的运动行为引导响应弹性，使回写后的运动空间状态场逼近真实的需求迁移，从根本上保证了双侧博弈收敛结果的可实施性。

1.基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，融合社区地理信息、居民运动行为数据与人口结构数据，构建社区运动空间数字孪生模型，所述社区运动空间数字孪生模型实时映射各体育设施的运动空间状态场，所述运动空间状态场包括设施使用率、人流密度与空间可达性；以设施使用率均衡度、人均运动时长与十五分钟健身圈覆盖率为状态空间，以双侧动作空间为决策变量，以居民运动参与率提升量与设施运营成本为奖励，由强化学习优化智能体在所述社区运动空间数字孪生模型中进行推演；所述双侧动作空间包括供给侧动作与需求侧动作，所述供给侧动作包括设施功能置换、共享时段调整与新建设施选址推荐，所述需求侧动作为面向居民推送就近可利用设施、空余时段与适宜运动类型的个性化运动行为引导策略；将所述需求侧动作引发的居民运动行为时空再分配回写所述运动空间状态场，使回写后的所述运动空间状态场重新驱动所述供给侧动作的求解，令所述供给侧动作与所述需求侧动作在所述运动空间状态场上迭代博弈直至双侧联合收敛，输出公共体育设施布局优化方案与所述个性化运动行为引导策略。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，所述将所述需求侧动作引发的居民运动行为时空再分配回写所述运动空间状态场，包括：采集居民对所述个性化运动行为引导策略的实际响应数据，所述实际响应数据包括引导接受标识、实际前往设施与实际运动时段；基于所述实际响应数据估计运动行为引导响应弹性，所述运动行为引导响应弹性表征单位引导强度下居民运动行为发生时空迁移的概率；以所述运动行为引导响应弹性为权重，将所述居民运动行为时空再分配的迁移量回写所述运动空间状态场。

3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，所述运动行为引导响应弹性按居民人群类型与时段分层估计，得到分层运动行为引导响应弹性；基于所述分层运动行为引导响应弹性识别沉默高潜人群，所述沉默高潜人群为运动行为引导响应弹性高于预设弹性阈值且当前人均运动时长低于预设时长阈值的居民人群；将所述沉默高潜人群作为所述个性化运动行为引导策略的优先推送对象。

4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，所述奖励中引入引导饱和惩罚项，所述引导饱和惩罚项随单位居民在统计周期内接收所述个性化运动行为引导策略的累计次数的增大而增大；为每个居民设置引导预算上限，当所述累计次数达到所述引导预算上限时，停止向该居民推送所述个性化运动行为引导策略。

5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，所述强化学习优化智能体采用双时间尺度更新，所述供给侧动作以慢时间尺度更新供给侧子策略，所述需求侧动作以快时间尺度更新需求侧子策略，所述快时间尺度的更新周期短于所述慢时间尺度的更新周期；所述供给侧子策略与所述需求侧子策略均以所述运动空间状态场为共享耦合状态，在每一所述慢时间尺度的更新周期内，先令所述需求侧子策略在所述运动空间状态场上收敛，再据此更新所述供给侧子策略。

6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，针对无新增建设用地的已建成社区，将所述供给侧动作约束为设施功能置换与共享时段调整，禁用所述新建设施选址推荐；由所述需求侧动作主导所述运动空间状态场的削峰填谷，使所述十五分钟健身圈覆盖率在体育设施总量不变的约束下提升至预设覆盖目标。

7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，所述社区地理信息包括体育设施点位、道路网络与社区边界；所述居民运动行为数据包括健身步道使用频次与运动时段分布；所述人口结构数据包括年龄构成与人口密度。

8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，所述十五分钟健身圈覆盖率为：以步行十五分钟可达为阈值，统计可达至少一处体育设施的居民人数占社区居民总数的比例。

9.根据权利要求1所述的基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，所述设施使用率均衡度由各体育设施的设施使用率的标准差经归一化后取负向映射得到。

10.根据权利要求1所述的基于数字孪生的公共体育设施布局优化与运动引导方法，其特征在于，所述个性化运动行为引导策略经由社区运动服务平台向居民终端推送，所述社区运动服务平台同步展示所述公共体育设施布局优化方案。