数字科技时代带来主题公园新发展新动能（上）

作者：胡少鹏

引言

第四次工业革命推动了数字化信息时代的到来，伴随德国提出工业4.0计划，中国提出2025智能制造标准体系，以物联网、大数据、机器人及人工智能等技术所驱动的数字化高新科技正不断地赋能到各个产业当中。

主题公园作为以大型游乐设施为主体的游乐园，大型微缩景观公园，以及提供情景模拟、环境体验为主要内容的各类园区的总称。现代科技的发展对于其主题演绎方法、娱乐体验设计、情景模拟实现与环境体验设计有着巨大的推动作用。主题公园的设计由以往的图纸绘制为主，现在实现了建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）的数字化交付与设备设施的数字孪生交付。

主题娱乐景点的数字科技含量也在逐年攀升，以迪士尼为例，从经典的飞跃动感影院项目到2017年投入运营的奥兰多阿凡达与2019年投入运营的洛杉矶星球大战项目，都是最新数字科技催生的新一代娱乐景点解决方案。

主题娱乐方案的数字化设计

乐园建筑BIM模型丨图片来源：网络

1.BIM设计推动园区设计效率

BIM将传统的平面设计图纸立体化，同时叠加相关的分析、优化、渲染工具，目前已经广泛用于主题公园设计工作。基于BIM进行协同工作，有效提高了工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展。BIM工具的引入，可以强化主题公园设计的如下目标：

（1）主题元素的可视化

BIM为主题元素的设计提供了可视化的思路，让人们将以往的线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在人们的面前；传统的设计也有设计方面的效果图，但是这种效果图不含有除构件的大小、位置和颜色以外的其他信息，缺少不同构件之间的互动性和反馈性。而BIM可以实现的可视化是一种能够同构件之间形成互动性和反馈性的可视化，由于整个过程都是可视化的，可视化的结果不仅可以用效果图展示及报表生成。更重要的是项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。

（2）未来施工的协调性

各业务部门的协调是主题公园建设中的重点内容，不管是施工单位，还是业主及设计单位，都在做着协调及相配合的工作。一旦项目的实施过程中遇到了问题，就要将各有关人士组织起来开协调会，找出各个施工问题所发生的原因以及解决办法，然后作出变更或相应补救措施等，直到来解决问题。在设计时，往往由于各专业设计师之间的沟通不到位，出现各种专业之间的碰撞问题。例如，暖通等专业中的管道在进行布置时，由于施工图纸是由不同的工程师绘制在各自的施工图纸上的，那么在真正施工过程中，可能在布置管线时正好遇到有房梁等构件阻碍管线的布置，像这样的问题的协调解决就只能在问题出现之后再进行解决。BIM的协调性服务就可以帮助处理这种问题，也就是说BIM主题公园信息模型可在主题景点改造前期对各专业的碰撞问题进行协调，生成协调数据，并提供出来。

（3）运营场景的模拟性

BIM可以针对运营场景模拟不能够在设计阶段真实世界中进行操作的事物。在设计阶段，BIM可以对设计上需要进行模拟的一些东西进行模拟实验。例如：节能模拟、紧急疏散模拟、日照模拟、热能传导模拟等；在招投标和施工阶段可以进行4D模拟（三维模型加项目的发展时间），也就是根据施工的组织设计模拟实际施工，从而确定合理的主题公园施工方案来指导施工。

BIM可视化——消防救援应急管理丨图片来源：网络

（4）主题设计方案的优化性

主题公园设计、施工、运营的过程就是一个不断优化的过程。虽然优化的工作依赖于创意工程师与施工工程师的配合，但BIM平台可以辅助优化这个过程。优化受三种因素的制约：信息、复杂程度和时间。没有准确的信息，做不出合理的优化结果，BIM模型提供了主题公园的实际存在的信息，包括几何信息、物理信息、规则信息，还提供了主题公园变化以后的实际存在信息。复杂程度较高时，参与人员本身的能力无法掌握所有的信息，必须借助一定的科学技术和设备的帮助。主题公园的复杂程度大多超过参与人员本身的能力极限，BIM及与其配套的各种优化工具提供了对复杂项目进行优化的可能。

图片来源：网络

2.娱乐项目的数字孪生

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

下图所示为一个典型的数字孪生支持娱乐项目开发的过程。项目从创意设计到项目正式上线运行过程中，数字孪生方案从娱乐项目模型建立完成后便可以仿真、分析输出未来项目执行过程中的若干可能的条件抑或目标效果。传统的项目实施方案，当设计图纸完成设计，最多完成到3D数字模型建立就会开始进行设备生产制造，调试过程也是在不断的试错中积累经验，进而逼近最优调试参数。数字孪生技术有效地降低设备从制造、现场安装到设备调试的试错成本，通过孪生模型的仿真、分析得到优化值与优化方案，极大地降低了项目落地风险，进而提升效率。

数字孪生服务主题娱乐项目模式

同时，数字孪生在辅助娱乐项目落地的同时，也可以为主题公园运营团队在娱乐项目运营过程中提供培训支持与运营维护指导辅助。

赋能主题娱乐景点

现代主题公园大多都是多种科技交叉融合的产物，成功的主题公园更是依赖于现代数字科技的完美融合。依托主题品牌传播的优势，结合创新与服务不断优化升级，形成拥有商业感召力的品牌娱乐景点。在吸引游客眼球与最大限度给游客带来愉悦体验的同时，强化了主题公园游客吸引力。尤其是近些年科幻主题的兴起，对于新的数字科技提出了更加高的要求。

一个成功的现代主题娱乐景点的构成一般由运动控制系统、秀场控制系统、特效控制系统、音频控制系统、视频控制系统这五个重要控制系统构成。五大系统的有机配合保证了娱乐效果可以在精确的时间呈现给到体验者，从而让游客在动感、嗅觉、视觉、听觉、体感方面达到最大限度的娱乐体验。

下图所示的主题公园信息技术与运营技术融合（OT & IT）典型架构描述了当下科技类主题景点项目的数字化层级架构。项目内部由景点娱乐效果控制系统与设备设施的配套系统共同构成。配套系统为景点娱乐效果控制系统创造了最佳的通风、湿度等运行条件。而秀场控制系统如上一段中所描述，要保证游客的最佳娱乐体验。在整个景点运行的同时，主题公园运营需要基于数字化平台和运营管理系统对每个景点进行增提管理与协调，下面对此将做出更加详细的阐述。在整个架构中，几种数字科技方向极大地影响着整个主题公园的发展。

主题公园OT & IT典型架构

1.传输介质

主题娱乐景点关键任务的视频、语音和数据需要专网联网方案，传统的传输介质一般采用光纤与网线的模式，优势在于数据传输效率高，稳定性好。但是随着娱乐项目设计越来越复杂，物理网线的布线工作，网络架构的搭建工作越来越复杂，同时在一些特殊的运动场合，如果没有布线工作，会极大地提高设备的灵活度。

（1）稳定的WIFI传输

WIFI在无线电技术中是无线保真度（wireless fidelity）的缩写。现在，WIFI这个词已经是一种短距离无线电技术的代名词了。使用WIFI传输数据的原理是在有线局域网的基础上，通过无线集线器、无线网桥天线和网卡等设备便可实现无线方式上网。它是将娱乐效果控制系统发出的信息分组（包），然后转换为微波信号，精确的分配到对应的接收设备，从实现对应设备的连接。但是娱乐设备在运行状态下，由于多普勒效应等的存在与WIFI热点切换的过程会导致数据丢包和暂断现象，如何有效地避免这些数据丢包的现象成为当下WIFI在主题娱乐景点应用的核心技术难题。2019年开业的洛杉矶星球大战项目即采用稳定的WIFI传输实现其控制信号的传输。

（2）5G传输

5G即第五代移动通信技术（5th-Generation）。5G最突出的三大性能指标如下：

①5G的用户体验速率可达100Mbps至1Gbps，是4G的10倍以上；

②空口时延低至1毫秒（ms），通常4G的时延为30~70毫秒（ms）；

③连接数密度可达到100万连接／平方公里，在同等频谱资源条件中达到4G的 50倍以上。

5G的商用推广对于娱乐景点本身的自控通信实现，与主题公园内部所有系统之间的连接，都会是一个变革。其传输数据的速率与低时延属性可以有效地保障主题公园运营的稳定，同时极大地减少主题公园现场网络布线。

图片来源：网络

2.运动控制系统新科技

运动控制系统作为主题娱乐景点的游客骑乘设备的运动控制核型。对于保证娱乐效果起着核心决定作用。如何在特定的娱乐场景下实现失重、加速、减速、旋转、爬坡等运动体验，对于控制系统与执行器提出了高的要求。运动控制中控制器与执行器的新科技发展尤为重要。

当下运动控制主要采用的模式包括变频电机技术、伺服电机技术、AGV技术、RGV技术、磁悬浮、机器人技术。其中变频电机、伺服电机、RGV已经是成熟科技。近些年开始引入主题公园运动控制领域的技术主要是AGV、磁悬浮与机器人技术。这几种技术的加入，极大地丰富了运动的控制效果，可以实现更加多的娱乐创意效果。下图为一个运动控制系统可以设计的运动控制领域技术汇总。

运动控制系统技术路线汇总

（1）运动控制器

运动控制器的研究20个世纪就已经得到了世界上各主要工业国家的重视与支持，其中比较有影响力的研究计划有日本的OSEC（open system environment for controller）计划、欧洲的OSACA（open system architecture for control within automation system）计划，以及美国的OMAC（open modular architecture controller ）计划和NGC（the next generation workstation/machine controller）计划。各国在运动控制系统方面的研究都取得了相当显著的成果，也提出了构建开放式控制系统的一些模式和方法。这些模式和方法大体来说采用的都是闭环控制，具有高精度、高安全性和高可靠性等特点，同时在控制系统的软硬件上也具有很好的开放性。当下运动控制器多采用PLC抑或是IPC进行控制。

（2）AGV电池技术发展

AGV技术中非常重要的一项技术为电池技术，AGV小车采用什么样的电池可以有效地保证AGV小车可以按照预设轨道完成动作。同时在AGV小车回到准备区时如何快速充电进而可以为下一场做准备。这对与电池储能本省与充电器有了很高的要求，同时也需要在整个项目中有高性的BMS（battery management system）电池管理系统，对整个充、放电过程进行管理。

（3）磁悬浮技术

传统的轨道运动控制一般采用电机驱动齿条或者链条进行运动位置的控制。对于复杂的运动轨迹，机械设计难度巨大，同时针对运动过程中的定位，小车之间的运动关系，都需要开发人员投入大量的时间进行设计。磁悬浮轨道小车的技术可以解耦不同小车之间的机械关系，用软件编程的模式实现小车运动的轨迹规划。同时由于路径规划是基于软件设计，机械设计的任务被大幅度减少。当下迪士尼上海乐园的加勒比海盗项目即典型的采用磁悬浮技术实现运动控制的娱乐项目。

（4）多自由度机器人技术

多自由度机器人技术凭借其多自由度灵活运动的属性，可以更加真实的模拟主题娱乐场景中要求的运动场景，如飞跃、加速飞跃、坠落、漂移等运动体验。奥兰多迪士尼的阿凡达即采用多自由度机器人技术。良好的运动路径规划性能是评价一个多自由度机器人是否成功的重要指标。就机器人路径规划技术而言，国内机器人研究起步较晚，技术创新相对落后于国外，其中代表性的机器人工业巨头如德国的库卡机器人，日本的发那科、安川机器人，瑞士的ABB机器人等。但是，随着我国对机器人领域发展的重视，国内学者及专家们在机器人避障技术领域取得了长足的进步，例如，新松机器人，哈工大机器人，大疆科技等都实现了自主研发创新，并取得了丰硕的成果。

图片来源：网络

3.视频控制系统新科技

随着视频清晰度由4K向8K发展，视频的呈现模式也在发生着革命性的变化。传统的平面视频播放模式，或者主题公园中大量采用的球幕播放模式正在成为经典。当前AR/VR/MR模式正在重新定义视频呈现模式。

（1）VR科技

虚拟现实技术（virtual reality,VR），又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。

沉浸式体验分为非交互式体验、“人&虚拟环境”交互式体验和“群体＆虚拟环境”交互式体验等几类。该角度强调用户与设备的交互体验，相比之下，非交互式体验中的用户更为被动，所体验内容均为提前规划好的，即便允许用户在一定程度上引导场景数据的调度，也仍没有实质性交互行为，如场景漫游等，用户几乎全程无事可做；而在“人&虚拟环境”交互式体验系统中，用户则可用过诸如数据手套，数字手术刀等的设备与虚拟环境进行交互，如驾驶战斗机模拟器等，此时的用户可感知虚拟环境的变化，进而也就能产生在相应现实世界中可能产生的各种感受。

如果将该套系统网络化、多机化，使多个用户共享一套虚拟主题环境，便得到群体—虚拟环境交互式体验系统，如大型网络交互游戏等，此时的VR系统与真实世界无甚差异。

图片来源：网络

（2）AR科技

增强现实（augmented reality,AR），是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息 “无缝”集成的新技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术最早于1990年提出。随着随身电子产品运算能力的提升，增强现实的用途越来越广。

AR系统具有三个突出的特点：首先，真实世界和虚拟世界的信息集成；其次，具有实时交互性；最后，在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。基于增强现实游戏可以让位于全球不同地点的游客，共同进入一个真实的自然场景，以虚拟替身的形式，进行网络对战。人们在浏览、参观的同时，通过增强现实技术将接收到途经主题元素的相关资料，观看主题的相关数据资料。

图片来源：网络

（3）MR科技

混合现实技术（MR）是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。系统通常采用三个主要特点：首先，它结合了虚拟和现实；其次，在虚拟的三维（3M注册）；最后，实时运行。

混合现实（MR）的实现需要在一个能与现实世界各事物相互交互的环境中。如果一切事物都是虚拟的那就是VR的领域了。如果展现出来的虚拟信息只能简单叠加在现实事物上，那就是AR。MR的关键点就是与现实世界进行交互和信息的及时获取。

图片来源：网络

未完待续····

参考文献

[1]林焕杰. 中国主题公园与区域经济[M]. 北京：经济科学出版社，2013.

[2]王欢. 现代主题公园的设计方法探析[D]. 西安：长安大学，2009.

[3]李志飞. 主题公园开发[M]. 北京：科学出版社，2000.

[4]柏新予，苏艳霞. 现代 “主题公园策划”初探[J]. 新建筑，2000.

[5]余敏. 旅游主题公园系统开发剖析——以深圳华侨城为案例透视[J]. 西南民族大学学报，2020（10）.

[6]杨正泰. 旅游景点景区开发与管理[M]. 福州：福建人民出版社，2000.

[7]王旭旭. 动感影院系统研究与设计[D]. 武汉：华中科技大学，2014.

[8]万江晗. VR动感娱乐平台控制系统设计与研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2018.

[9]蒋仕龙，吴宏，吕恕，等 通用运动控制技术现状、发展及其应用

[J]电工文摘，2009（1）.

[10]朱啸. 新型磁悬浮系统控制方法研究[D]. 杭州：杭州电子科技大学，2009.

[11]刘倩倩. 国内主题公园的新媒体营销研究[D]. 西安：西安外国语大学，2014.

[12]刘莹旭. 智能运维中心信息集成技术研究[D]. 上海：上海交通大学，2013.

[13]董观志，吴侯位. 主题公园连锁经营探析[J]. 商业研究，2011.

[14]魏小安，刘赵平，张树民. 中国旅游业新世纪发展大趋势[M]. 广州：广东旅游出版社，1999.

[15]林焕杰. 主题公园创新前沿——2019中国主题公园研究院理论与实践文集[M]. 经济科学出版社，2019.

*本文为“中国主题公园研究院”原创内容，如要引用请注明出处；如需转载，请联系小编获取授权，并标明文章来源，否则视为侵权。

【免责声明】本文图片来源网络，不做任何商业用途，版权归原作者所有，如涉及版权问题，请联系删除。