張桐碩，薄 海，秦永生，彭 朋

灰色關(guān)聯(lián)分析模型對軍校大學(xué)生5000 m耐力素質(zhì)的評價效果

張桐碩1，薄 海2，秦永生2，彭 朋2

目的分析軍校大學(xué)生5000 m跑成績與相關(guān)運動生理指標(biāo)的關(guān)系，為進一步科學(xué)安排訓(xùn)練、提高軍人耐力素質(zhì)提供理論依據(jù)。方法整群抽取58名某軍校大學(xué)生，測試5000 m跑成績，以及身體形態(tài)、心肺功能、速度素質(zhì)和力量素質(zhì)等四類共12項運動生理指標(biāo)。建立灰色關(guān)聯(lián)分析模型對采集的數(shù)據(jù)進行分析，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型驗證評價效果。結(jié)果影響5000 m跑成績的前5項主要因素依次為最大攝氧量(VO2max)、5000 m定量負(fù)荷心率、2000 m跑成績、體脂百分比和肺活量指數(shù)。VO2max和5000 m定量負(fù)荷心率能通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型準(zhǔn)確評價5000 m耐力素質(zhì)。結(jié)論灰色關(guān)聯(lián)分析模型篩選出的影響因素合理可信。應(yīng)著重考慮安排有助于增強心肺功能和降低體脂百分比的訓(xùn)練項目，以減少訓(xùn)練的盲目性，提高5000 m耐力素質(zhì)訓(xùn)練質(zhì)量。

灰色關(guān)聯(lián)分析；耐力素質(zhì)；軍校大學(xué)生；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

作為軍人耐力素質(zhì)的直接體現(xiàn)，5000 m跑是軍校大學(xué)生必須達標(biāo)的體能考核項目，更是適應(yīng)現(xiàn)代軍事作業(yè)需求的身體基礎(chǔ)和戰(zhàn)斗力保障。然而，軍校大學(xué)生，尤其是地方入伍的技術(shù)專業(yè)軍校大學(xué)生5000 m跑的考核達標(biāo)率不容樂觀，其主要原因是訓(xùn)練方法存在較大的盲從性和單一性。因此，面對軍校大學(xué)生提高耐力素質(zhì)訓(xùn)練質(zhì)量的迫切需求，探討5000 m耐力素質(zhì)與其影響因素之間關(guān)系和規(guī)律，顯然具有重要的現(xiàn)實意義。

多年來對5000 m耐力素質(zhì)影響因素的研究對象主要集中于運動員，而針對軍校大學(xué)生的關(guān)注較少[1-4]。另外，研究方法主要采取方差分析、回歸分析、主成分分析、因子分析等，對樣本容量和概率分布要求嚴(yán)格，研究角度多限于線性變化規(guī)律[5]?；疑P(guān)聯(lián)分析是通過對動態(tài)過程發(fā)展態(tài)勢的量化分析，克服了以上傳統(tǒng)方法的缺陷，對信息不夠充分的系統(tǒng)同樣適用，不會出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析不符的情況[6]?；谏鲜鲈?，本研究把軍校大學(xué)生5000 m跑成績看成是一個灰色系統(tǒng)工程，通過對各項運動生理指標(biāo)與5000 m運動成績的灰色關(guān)聯(lián)分析，把各因素在其成績中的地位和作用予以揭示，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對主要影響因素與5000 m跑成績的非線性聯(lián)系進行驗證,旨在了解軍校大學(xué)生5000 m耐力素質(zhì)與評價指標(biāo)之間的相互關(guān)系，為進一步科學(xué)安排訓(xùn)練、提高軍人耐力素質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 對象 整群抽取某軍校二年級大學(xué)生58名，均為地方入伍的專業(yè)技術(shù)男學(xué)員，年齡(19.98±0.13)歲，身高(174.75±1.27) cm，體重(65.55±1.83) kg。

1.2 測試指標(biāo) 選取反映5000 m耐力素質(zhì)的運動生理指標(biāo)，建立5000 m跑成績x0(min)與其影響因素的指標(biāo)體系，分為速度專項素質(zhì)、身體形態(tài)、心肺功能、力量專項素質(zhì)四類，共有12項指標(biāo)。其中速度專項素質(zhì)包括100 m跑成績x1(s)、400 m跑成績x2(s)、2000 m跑成績x3(min)；身體形態(tài)包括身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)x4、體脂百分比x5；心肺功能包括安靜心率x6(b/min)、5000 m定量負(fù)荷心率x7(b/min)、VO2maxx8[ml/(kg·min)]、肺活量指數(shù)x9(ml/kg)；力量專項素質(zhì)包括俯臥撐x10、仰臥起坐x11和蹲起x12。其中VO2max在標(biāo)準(zhǔn)400 m跑道上，利用便攜式動態(tài)肺功能氣體代謝遙測分析系統(tǒng)(VO2000，美國麥加菲公司)測定；5000 m定量負(fù)荷心率是以恰好及格(23 min)的運動強度勻速完成5000 m時用遙測心率表記錄的平均心率；體脂百分比采用身體組成分析儀(Inbody 3.0，韓國，北京同方健康科技有限公司)測定；俯臥撐、仰臥起坐和蹲起為2 min內(nèi)完成的次數(shù)。

1.3 灰色關(guān)聯(lián)分析與效果評價 以5000 m跑成績作為參考序列，記為x0={x0(k)k=1,2,…，58，}，12項指標(biāo)分別為12個比較序列，記為xi={xi(k)k=1,2,…，58}，i=1,2,…，12。建立數(shù)學(xué)模型，計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)及各項指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的大小，對各項指標(biāo)進行排序，建立12項指標(biāo)的關(guān)聯(lián)序。關(guān)聯(lián)度越大，說明指標(biāo)對5000 m跑成績關(guān)系越密切。

運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型驗證評價效果。首先篩選出關(guān)聯(lián)度最大的兩項作為評價指標(biāo)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測5000 m跑成績。通過預(yù)測效果檢驗灰色關(guān)聯(lián)分析篩選出的主要影響因素是否合理和可信，即取前50個受試者建立訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，將后8個受試者的關(guān)聯(lián)度最大的兩項指標(biāo)輸入網(wǎng)絡(luò)進行5000 m跑成績預(yù)測，并與實際成績進行比較。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析 將采集的數(shù)據(jù)錄入Excel 2010建立數(shù)據(jù)庫，利用Matlab 7.8軟件進行灰色關(guān)聯(lián)分析模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的編程以及曲面擬合圖的繪制。

2 結(jié) 果

2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析模型 12項指標(biāo)對5000 m跑成績的密切程度由大到小依次為VO2max、5000 m定量負(fù)荷心率、2000 m跑成績、體脂百分比、肺活量指數(shù)、蹲起、俯臥撐、基礎(chǔ)心率、仰臥起坐、400 m跑成績、BMI、100 m跑成績(表1)。

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價效果驗證 由表1中的排序結(jié)果可見VO2max和5000 m定量負(fù)荷心率關(guān)聯(lián)度最大。取前50個受試者建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果表明，后8名受試者的預(yù)測成績與實際成績基本一致(表2)。

表1 某軍校大學(xué)生12項運動生理指標(biāo)與5000 m跑成績的關(guān)聯(lián)度及排序

表2 某軍校大學(xué)生BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測成績與實際成績的比較

2.3 5000 m耐力素質(zhì)隨評級指標(biāo)變化的三維動態(tài)擬合圖 自變量x、y分別表示VO2max和5000 m定量負(fù)荷心率，z為5000 m跑成績。5000 m耐力素質(zhì)隨評級指標(biāo)變化的三維動態(tài)擬合圖見圖1，可見5000 m跑成績的提高伴隨著VO2max的增加和5000 m定量負(fù)荷心率的降低。

圖1 某軍校大學(xué)生5000 m耐力跑成績隨VO2max和5000 m定量負(fù)荷心率變化的三維動態(tài)擬合效果

3 討 論

3.1 模型的方法學(xué)評價 本模型充分利用灰色關(guān)聯(lián)分析要求樣本數(shù)據(jù)少、建模簡單的特點，聯(lián)合運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驗證評價效果，保證了模型的嚴(yán)謹(jǐn)性。需要指出的是，雖然本文僅就軍校大學(xué)生5000 m耐力素質(zhì)的影響因素進行了灰色關(guān)聯(lián)分析，由于這種建模方法具有實用性強、易于推廣的特點，也為其他研究對象或體育項目的因素分析提供了方法學(xué)上的參考。

3.1.1 灰色關(guān)聯(lián)分析模型 灰色關(guān)聯(lián)分析是指對一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較的方法，其基本思想是通過確定參考數(shù)據(jù)列和若干個比較數(shù)據(jù)列的幾何形狀相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，它反映了曲線間的關(guān)聯(lián)程度[6]。為找出影響5000 m跑成績的主要指標(biāo)，以便為提高軍校大學(xué)生5000 m耐力素質(zhì)提供理論依據(jù)，通過建立灰色關(guān)聯(lián)分析模型，確定各項指標(biāo)和5000 m跑成績之間的關(guān)聯(lián)緊密程度，將各項指標(biāo)對成績貢獻進行排序。

3.1.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價效果驗證 由于5000 m耐力素質(zhì)是多種因素共同影響的結(jié)果，5000 m跑成績隨著人體心肺系統(tǒng)功能等因素的變化，常常呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的非線性變化趨勢，很難準(zhǔn)確地給出各種因素共同作用的公式。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，很好地解決了這個問題。它具有較強的自組織、自適應(yīng)與自學(xué)能力，能夠在未完全了解5000 m耐力素質(zhì)形成機制的情況下，完成自變量、變量間與5000 m跑成績之間的非線性映射[7]。8名受試者的預(yù)測成績與實際成績基本一致，證明篩選出的主要影響因素是可靠的，進而也證明灰色關(guān)聯(lián)分析對于解決該問題的可行性和有效性。

3.1.3 5000 m耐力素質(zhì)隨評級指標(biāo)變化的三維動態(tài)擬合效果 經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的檢驗，證明VO2max和5000 m定量負(fù)荷心率這兩項指標(biāo)就能有效反映5000 m耐力素質(zhì)的水平，簡化了指標(biāo)體系。但是5000 m耐力素質(zhì)隨自變量指標(biāo)而變化的數(shù)理關(guān)系解析式較為復(fù)雜和抽象，難以表示和推廣。而三維動態(tài)擬合圖可以將這些動態(tài)數(shù)據(jù)在空間的變化趨勢及走向直現(xiàn)地描述出來，便于軍校大學(xué)生形象理解5000 m耐力素質(zhì)的變化規(guī)律，評估個人5000 m耐力素質(zhì)水平，因而具有重要的實用價值[8]。

3.2 各項運動生理指標(biāo)對5000 m耐力素質(zhì)的影響 5000 m跑是軍校大學(xué)生必須達標(biāo)的體能考核項目，也是體能訓(xùn)練的難點科目，其主要反映了人體的有氧工作能力，體內(nèi)糖和脂肪的有氧代謝供能可達到80%以上。本模型通過灰色關(guān)聯(lián)分析篩選出的前5項主要因素有VO2max、5000 m定量負(fù)荷心率、2000 m跑成績、體脂百分比和肺活量指數(shù)，符合5000 m跑的運動生理特征，基本反映了構(gòu)成5000 m耐力素質(zhì)的生理功能[9]。

3.2.1 速度專項素質(zhì)對5000 m耐力素質(zhì)的影響 2000 m跑成績遠(yuǎn)比100 m跑成績和400 m跑成績與5000 m跑成績的關(guān)系密切。這是由于不同距離跑的供能方式有一定差異：短跑主要靠磷酸原系統(tǒng)供能，發(fā)展無氧耐力；中跑有氧和無氧混合代謝供能的比重較大，基本屬于耐乳酸訓(xùn)練；而長跑有氧供能占絕對優(yōu)勢[10]。供能方式的差異決定了100 m、400 m跑等短跑訓(xùn)練對軍校大學(xué)生5000 m耐力素質(zhì)水平提高作用不明顯，通過鍛煉有氧系統(tǒng)能力的長距離跑才能起到更好的效果。

3.2.2 身體形態(tài)對5000 m耐力素質(zhì)的影響 體脂百分比是影響5000 m耐力素質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，它表示脂肪重占體重的比例。根據(jù)人體各成分的生理功效不同，體重可分為瘦體重(去脂體重)和脂肪重(體脂量)兩部分。瘦體重的主要成分是骨骼和肌肉。文獻[11]報道，體脂百分比越低機體的耐力水平越高。在5000 m跑中，肌肉是有氧供能的主要場所，肌糖原作為主要能源物質(zhì)對氧的利用效率較高。雖然脂肪也參與有氧運動的供能，但由于脂肪氧化供能時氧氣消耗量大、代謝產(chǎn)物堆積等因素，容易使身體疲勞，反而增加了體重負(fù)擔(dān)。除了堅持長期有氧鍛煉，還要從合理膳食、調(diào)控生活節(jié)奏等方面減輕脂肪堆積，改善體成分，增加瘦體重，促進體形勻稱發(fā)展[12]。

BMI是衡量營養(yǎng)不良和肥胖的重要指標(biāo)[13]?？赡苡捎谲娦４髮W(xué)生入校前經(jīng)過嚴(yán)格的體檢，體形都比較勻稱， BMI的區(qū)分不大，加之BMI未能區(qū)分身體組成，因而對5000 m跑成績的影響不明顯。

3.2.3 心肺功能對5000 m耐力素質(zhì)的影響 在各項指標(biāo)與5000 m跑成績的灰色關(guān)聯(lián)度大小的排序中，VO2max、5000 m定量負(fù)荷心率和肺活量指數(shù)分別位列第一、第二和第五。安靜心率的排序相對靠后，可能與軍校大學(xué)生訓(xùn)練水平接近，安靜心率差異不明顯有關(guān)。整體上可認(rèn)為心肺功能對5000 m耐力素質(zhì)的影響比其它各類身體素質(zhì)指標(biāo)明顯，這與以往的研究結(jié)果一致[14,15]。心肺功能對5000 m跑成績的決定性作用無可非議，應(yīng)成為5000 m耐力素質(zhì)訓(xùn)練的核心目標(biāo)。

VO2max是人體氧運輸系統(tǒng)中的心泵功能和肌肉用氧能力達到極限水平時，單位時間所能攝取的氧量，是評定人體有氧工作能力的綜合指標(biāo)。有研究發(fā)現(xiàn)，5000～10000 m跑成績與VO2max的相關(guān)系數(shù)(r)處于0.79～0.82[16]。運動生理學(xué)家一致認(rèn)為，在眾多因素中，VO2max是限制中長跑的首要因素[14]。

5000 m定量負(fù)荷心率是以規(guī)定速度進行5000 m跑中的平均心率，反映了運動中的平均生理負(fù)荷強度。在受試軍校大學(xué)生的最大心率大致相同的情況下，5000 m定量負(fù)荷心率越高，可認(rèn)為動用的心率儲備越多，越接近力竭狀態(tài)[17]。心率對運動負(fù)荷的適應(yīng)性變化是完成同等負(fù)荷時心率水平逐漸下降，其原因主要是每搏輸出量增加[18]。這是心臟機能提高顯著標(biāo)志，也是評價訓(xùn)練效果的常用指標(biāo)[19]。

因此，對于軍校大學(xué)生的基礎(chǔ)訓(xùn)練，可以采用最大心率的70%～75%，即140～160次/min的持續(xù)運動強度提高心肌收縮能力，并配合安排間歇訓(xùn)練法和循環(huán)訓(xùn)練法等多種訓(xùn)練模式提高VO2max水平[5,20]。同時，控制勻速的跑步節(jié)奏，運用科學(xué)的呼吸方法有助于保持心率的平穩(wěn)、提高呼吸效率，因此掌握正確的5000 m跑的技術(shù)也十分必要[21]。

3.2.4 力量專項素質(zhì)對5000 m耐力素質(zhì)的影響 力量專項素質(zhì)的三項指標(biāo)蹲起、俯臥撐和仰臥起坐的灰色關(guān)聯(lián)度分別位列第六、第七和第九?？梢娡炔?、肩臂及腰腹等部位肌肉的力量和耐力對5000 m耐力素質(zhì)有一定影響。其中蹲起反映的腿部肌肉力水平的地位相對重要，這很容易理解，5000 m跑以擺動腿、后蹬腿的動作為主[21]。5000 m跑時需要調(diào)動全身各部位肌群的協(xié)調(diào)配合，如有力的腰腹肌緊張收縮，不僅起到固定內(nèi)臟器官確保跑進時的重心穩(wěn)定的作用，還能提高腹式呼吸的效率。

骨骼肌的有氧代謝能力是影響有氧耐力的重要因素，而肌組織的有氧代謝能力與肌纖維類型密切相關(guān)，肌肉中紅肌纖維多，有氧代謝能力就好。提高肌肉氧化能力的訓(xùn)練應(yīng)著眼于提高慢肌纖維以及氧化型快肌纖維的供能能力[22]。

綜上所述，灰色關(guān)聯(lián)分析模型篩選的影響5000 m跑成績的前五項主要因素依次為VO2max、5000 m定量負(fù)荷心率、2000 m跑成績、體脂百分比和肺活量指數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型證明了分析結(jié)果的可靠性和方法的有效性。軍校大學(xué)生可借助三維動態(tài)擬合圖評估個人5000 m耐力素質(zhì)水平作為參考，制定適合自身實際的訓(xùn)練計劃。就本模型的研究結(jié)果，運用運動醫(yī)學(xué)知識做出合理解釋，并聯(lián)系軍校大學(xué)生實際提出了相應(yīng)的指導(dǎo)性建議，主要包括應(yīng)著重考慮安排有助于增強心肺功能和降低體脂百分比的訓(xùn)練，以減少訓(xùn)練的盲目性，提高耐力素質(zhì)的訓(xùn)練效果。

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(2013-12-31收稿 2014-05-20修回)

(責(zé)任編輯 梁秋野)

Evaluationmodelofenduranceperformanceinmilitaryacademystudents’ 5000-meterrunningbasedongraycorrelation

ZHANG Tongshuo1, BO Hai2, Qin Yongsheng2, and PENG Peng2.

1. No.18 Team of No.2 Student Brigade， 2. Deparment of Military Training Medicine, Logistics University of Chinese Armed Police Forces, Tianjin, 300309, China

ObjectiveTo analyze the correlation between the performance of military academy students’ 5000-meter running and their exercise physiology indicators associated with 5000-meter running so as to make further efforts to arrange training projects scientifically and provide a theoretical basis for military academy to improve the training quality of 5000-meter running.Methods5000-meter running performance and 12 exercise physiological indexes grouped into four categories (including anthropometry, cardiorespiratory function, velocity fitness and strength fitness) of 58 students from a military academy was measured by cluster sampling method. Gray correlation model was established to analyze the collected data. Then BP neural network model was used to verify the evaluation results.ResultsAccording to the order, the five main factors influencing the performance of 5000-meter running were VO2max, heart rate of 5000-meter running at fixed workload, performance of 2000-meter running, fat rate and FVC index.BP neural network model was able to accurately evaluate the endurance performance of 5000-meter running with VO2maxand heart rate of 5000-meter running at fixed workload.ConclusionThe factors screened by gray correlation model are reasonable and credible. Suggest military academy should consider arranging some training projects which contribute to improvement of cardiopulmonary function and drop of fat rate. By this way, the blindness of training is reduced so as to improve the training quality of 5000-meter running.

analysis, gray correlation; endurance performance; military academy students; BP neural network

武警后勤學(xué)院博士啟動金課題(WYB201106)、武警后勤部科研項目(WJHQ2012-21)、武警部隊后勤部衛(wèi)生部科研項目(WJHQWSB2013-5)、武警后勤學(xué)院科研創(chuàng)新團隊項目(WHTD201308)

張桐碩，在讀本科生，E-mail: zhangtongshuo@yeah.net

300309天津,武警后勤學(xué)院：1.學(xué)員二旅18隊，2.救援醫(yī)學(xué)系軍事訓(xùn)練醫(yī)學(xué)教研室

彭 朋，E-mail: doctorpeng2006@126.com

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