王 玉，萬(wàn) 勃

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基于生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)的U19、U17足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果干預(yù)研究——機(jī)器學(xué)習(xí)判別應(yīng)用

王 玉，萬(wàn) 勃

南京工程學(xué)院體育部，江蘇南京，211167。

通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)判別方法評(píng)估生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)過(guò)程對(duì)U19、U17梯隊(duì)足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果產(chǎn)生的干預(yù)作用及干預(yù)程度。結(jié)果表明：實(shí)施生理監(jiān)測(cè)干預(yù)的運(yùn)動(dòng)員梯隊(duì)與未實(shí)施監(jiān)測(cè)梯隊(duì)在技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出多元顯著差異（=21.56>、=29.37>）。隨著生理監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的增加，SVM機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)干預(yù)過(guò)程的判別正確率表現(xiàn)出提高趨勢(shì)。增加Trimp、O2max指標(biāo)，U19、U17梯隊(duì)預(yù)測(cè)判別正確率分別上升12.5%、25%；增加HB、CK、T指標(biāo)，U19梯隊(duì)判別準(zhǔn)確率上升25%，U17梯隊(duì)判別準(zhǔn)確率保持不變；增加HR*VO2max交互指標(biāo)，U19梯隊(duì)判定正確率達(dá)87.5%，U17梯隊(duì)判別準(zhǔn)確率達(dá)100%。結(jié)論：引入生理指標(biāo)監(jiān)控的足球訓(xùn)練過(guò)程可高效反饋機(jī)體的應(yīng)激反應(yīng)，為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提供輔助支持。

生理指標(biāo)；足球運(yùn)動(dòng)員；訓(xùn)練效果；干預(yù)研究

競(jìng)技體育的目的是贏得比賽，運(yùn)動(dòng)員技能掌握與機(jī)能狀態(tài)是競(jìng)技比賽的基礎(chǔ)，技術(shù)評(píng)價(jià)及生理機(jī)能監(jiān)測(cè)已廣泛應(yīng)用于科學(xué)化訓(xùn)練過(guò)程[1-3]。在足球訓(xùn)練實(shí)踐中，運(yùn)動(dòng)員身體機(jī)能狀態(tài)影響制約著運(yùn)動(dòng)技能的發(fā)揮[4]。如何依據(jù)運(yùn)動(dòng)員機(jī)能狀態(tài)調(diào)整運(yùn)動(dòng)員負(fù)荷強(qiáng)度及訓(xùn)練任務(wù)是完成科學(xué)化足球訓(xùn)練過(guò)程的重要保證，因此，研究生理機(jī)能監(jiān)測(cè)過(guò)程對(duì)訓(xùn)練產(chǎn)生的干預(yù)作用及干預(yù)程度具有現(xiàn)實(shí)意義。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用及數(shù)據(jù)采集精度的提高使研究者對(duì)足球訓(xùn)練這一復(fù)雜現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不斷深入。Castagna C（2011）[5]提出了足球訓(xùn)練過(guò)程中加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員、教練員耐力、力量素質(zhì)練習(xí)的必要性。哈根大學(xué)Krustrup P（2005）[6]以?xún)?yōu)秀女足運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象，討論足球比賽中運(yùn)動(dòng)員機(jī)體的生理生化反應(yīng)（疲勞模式）的體能需求與加強(qiáng)“運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài)”的相關(guān)性問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)體能在足球比賽中的重要作用。Mohr（2003）[7]將不同水平足球運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)技能、疲勞恢復(fù)與運(yùn)動(dòng)員級(jí)別成正相關(guān)關(guān)系，而疲勞的產(chǎn)生于比賽時(shí)間段、球員賽場(chǎng)位置不存在相關(guān)關(guān)系，但運(yùn)動(dòng)員體能在比賽過(guò)程中具有周期變化的特點(diǎn)。宮樂(lè)貞（2015）[8]利用TRIMP評(píng)價(jià)足球訓(xùn)練與比賽的負(fù)荷，計(jì)算累積負(fù)荷量，監(jiān)控訓(xùn)練過(guò)程以及為訓(xùn)練計(jì)劃的制定和調(diào)整提供依據(jù)。尹龍（2014）[9]引入知識(shí)圖譜方法對(duì) Web of Science 足球訓(xùn)練領(lǐng)域進(jìn)行分析，描述近十年來(lái)的研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn)，得出國(guó)際足球訓(xùn)練研究主要涉及運(yùn)動(dòng)員對(duì)教練員訓(xùn)練和比賽理念的執(zhí)行力與成績(jī)，足球訓(xùn)練中力量和耐力等體能訓(xùn)練，足球訓(xùn)練和比賽中損傷及預(yù)防，訓(xùn)練方法與手段及負(fù)荷的可靠性等方面。劉丹（2009）[10]通過(guò)建立中國(guó)女子足球隊(duì)運(yùn)動(dòng)員生化指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，分析女足備戰(zhàn)大賽各周期機(jī)能狀態(tài)及專(zhuān)項(xiàng)有氧、無(wú)氧能力的實(shí)驗(yàn)評(píng)定，對(duì)生理、生化指標(biāo)訓(xùn)練監(jiān)控進(jìn)行了綜合分析和評(píng)價(jià)。

綜合分析，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練多是基于技術(shù)技能、身體機(jī)能離散視角討論的分類(lèi)研究，所設(shè)定的研究方向與模型雖具有代表性，但缺乏綜合性及普適性使研究推廣受到限制。因此，應(yīng)該繼續(xù)檢驗(yàn)傳統(tǒng)足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)體系在足球梯隊(duì)訓(xùn)練中的效度，同時(shí)探索人體指標(biāo)監(jiān)控干預(yù)過(guò)程在足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的“干預(yù)”程度，是本研究力求解決的問(wèn)題，也是機(jī)器學(xué)習(xí)理論的應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程。

1 研究理論及流程設(shè)計(jì)

1.1 問(wèn)題描述及分析

生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)已被廣泛應(yīng)用子足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練輔助支持研究[11]。其中，心率是反映運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度最直接的指標(biāo)。當(dāng)心率變化范圍介于110 -180次/分區(qū)間時(shí)，心率與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、能量代謝之間存在著顯著的線(xiàn)性關(guān)系[12]；而以平均心率、最高心率以及不同強(qiáng)度心率等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析能夠評(píng)價(jià)體能訓(xùn)練的效果[13]。攝氧量（O2max）是評(píng)價(jià)機(jī)體有氧能力最常用的指標(biāo)。研究表明，男子足球運(yùn)動(dòng)員的VO2max與整場(chǎng)比賽跑動(dòng)距離之間呈顯著正相關(guān)（r =0 .67）[14]。血紅蛋白是反映運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度直接而敏感的指標(biāo)[15]，大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)，常與肌酸激酶（CK）指標(biāo)共同檢驗(yàn)機(jī)體能量代謝水平[16]。當(dāng)睪酮（T）水平相對(duì)負(fù)荷訓(xùn)練時(shí)期更高時(shí)，表明機(jī)體處于較好的恢復(fù)階段[17]。

經(jīng)上述分析，將各類(lèi)生理指標(biāo)作為反映足球訓(xùn)練的輔助支持具有科學(xué)性。研究確定，選取心率（HR）、攝氧量（O2max）、血紅蛋白（HB）、肌酸激酶（CK）、睪酮（T）五項(xiàng)主要指標(biāo)作為足球U19、U17梯隊(duì)運(yùn)動(dòng)員的生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)。其中，心率除了反映活動(dòng)強(qiáng)度的計(jì)數(shù)指標(biāo)，還包括有氧閾心率Trimp I、混氧閾心率Trimp II、無(wú)氧閾心率Trimp III三項(xiàng)子指標(biāo)；攝氧量指標(biāo)包括最大耗氧量（VO2max）、無(wú)氧域耗氧量（ATO2max）兩項(xiàng)測(cè)試變量。心率及相關(guān)指標(biāo)監(jiān)測(cè)采用Garmin Forerunner 225 專(zhuān)業(yè)心率儀，有氧指標(biāo)測(cè)試采用MAX-II有氧測(cè)試分析儀，其他指標(biāo)針對(duì)訓(xùn)練周期安排，共進(jìn)行五次清晨靜脈采血。

1.2 評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)

研究主要解決生理指標(biāo)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的干預(yù)作用及程度問(wèn)題，因此，傳統(tǒng)足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)作為評(píng)價(jià)足球訓(xùn)練效果的重要組成部分，即評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)應(yīng)是技能訓(xùn)練與生理生化輔助支持研究的有機(jī)結(jié)合。將心率HR、Trimp、攝氧量、血紅蛋白等生理指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合傳統(tǒng)足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練評(píng)價(jià)體系，得出研究評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)圖，如圖1。

圖1 U19、U17梯隊(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)圖

1.3 流程設(shè)計(jì)

將生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)引入足球梯隊(duì)訓(xùn)練過(guò)程的目的是確定干預(yù)過(guò)程的意義以改進(jìn)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效果，因此選取模擬比賽結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為本研究現(xiàn)實(shí)意義的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)（dependent variable, DR）。訓(xùn)練組與測(cè)試組隊(duì)員依據(jù)足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)指標(biāo)均衡分配，若實(shí)施體征監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員組與常規(guī)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員組在多維比賽結(jié)果中表現(xiàn)出多元顯著差異時(shí)，認(rèn)為干預(yù)研究具有意義，進(jìn)一步以機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)造樣本訓(xùn)練集及預(yù)測(cè)集，確定干預(yù)過(guò)程的效率；反之認(rèn)為研究不具意義。研究流程如圖2。

圖2 研究設(shè)計(jì)流程圖

多數(shù)人體生理指標(biāo)測(cè)試結(jié)果服從正態(tài)分布[18]，因此研究測(cè)試數(shù)據(jù)視為服從多元正態(tài)分布，結(jié)果以霍特林T2控制圖進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)處于干預(yù)組的隊(duì)員其多元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處于統(tǒng)計(jì)距離（Mahalanobis distance, MD）控制域（控制域α=0.2）之外時(shí)，依據(jù)其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度過(guò)量或強(qiáng)度不足進(jìn)行提示干預(yù)，使其調(diào)整運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，控制身體活動(dòng)狀態(tài)。

2 研究樣本與方法

2.1 測(cè)試樣本

以江蘇蘇寧足球俱樂(lè)部共48名男子足球運(yùn)動(dòng)員作為研究對(duì)象，其中U19梯隊(duì)、U17梯隊(duì)各24名運(yùn)動(dòng)員，時(shí)間跨度2014年11月至2015年2月。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究目的是確定生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)過(guò)程對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練產(chǎn)生的干預(yù)作用，結(jié)果可能出現(xiàn)“有作用”或“無(wú)作用”兩種情況，考慮樣本數(shù)量，實(shí)驗(yàn)采用人數(shù)1:1對(duì)等配比的原則，將兩組梯隊(duì)分別分成干預(yù)組（Treatment）與控制組（Control）。為了確定生理監(jiān)測(cè)干預(yù)過(guò)程對(duì)訓(xùn)練結(jié)果產(chǎn)生的影響，對(duì)干預(yù)組采取足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果實(shí)施綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)進(jìn)行生理指標(biāo)數(shù)據(jù)追蹤。結(jié)果檢驗(yàn)保留30次模擬比賽統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采取每輪技術(shù)統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行多元檢驗(yàn)。

2.3 研究方法

2.3.1 多元統(tǒng)計(jì) 足球訓(xùn)練過(guò)程涉及多個(gè)獨(dú)立隊(duì)員，每個(gè)隊(duì)員對(duì)應(yīng)多個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，且每個(gè)隊(duì)員具有獨(dú)立性，因此，各個(gè)隊(duì)員的觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠表示為 P維歐氏空間內(nèi)的點(diǎn)，可視為多元數(shù)據(jù)，而分析多元數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法即為多元統(tǒng)計(jì)分析。

2.3.2 機(jī)器學(xué)習(xí) 機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning, ML）是人工智能的核心，通過(guò)算法設(shè)計(jì)模擬或?qū)崿F(xiàn)人類(lèi)的學(xué)習(xí)行為以獲取新的知識(shí)或技能，重新組織已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)使之不斷改善自身的性能。引入機(jī)器學(xué)習(xí)研究U19、U17梯隊(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練分類(lèi)的目的在于通過(guò)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)于過(guò)程分類(lèi)的精度（Accuracy）以判別生理監(jiān)測(cè)干預(yù)過(guò)程的作用程度。通過(guò)支持向量機(jī)（SVM）算法，建立分類(lèi)超平面作為控制訓(xùn)練組與干預(yù)訓(xùn)練組的決策曲面，實(shí)現(xiàn)高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的映射過(guò)程。

3 研究模型建立

3.1 變量及檢驗(yàn)

評(píng)價(jià)足球訓(xùn)練效果采用“中超聯(lián)賽每輪技術(shù)統(tǒng)計(jì)”方式，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)組與測(cè)試組對(duì)陣雙方相關(guān)數(shù)據(jù)（考慮評(píng)價(jià)趨向，刪除了“失球”“黃牌”“紅牌”等負(fù)向指標(biāo)）。若兩組球隊(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在多元檢驗(yàn)中出現(xiàn)顯著差異，反映實(shí)驗(yàn)過(guò)程有效，可以作為機(jī)器學(xué)習(xí)判別的支撐前提；若未能拒絕多元差異，則反映實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，實(shí)施生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)不具必要性。

將30組模擬比賽結(jié)果分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，U19梯隊(duì)技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布如表1。

對(duì)U19梯隊(duì)干預(yù)組（x1）與控制組（x2）各項(xiàng)技術(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果均未拒絕正態(tài)分布，因此總體均值相等性檢驗(yàn)近似以100（1-α）%置信橢球?yàn)闈M(mǎn)足：

表1 U19梯隊(duì)技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布

注：表格右上部為干預(yù)組球隊(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分布，左下部為控制組球隊(duì)數(shù)據(jù)分布。各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及含義：JQ為進(jìn)球；SM為射門(mén)；SZ為射正；JQ為角球；QCRYQ為前場(chǎng)任意球；DQ為點(diǎn)球；QJCG為搶截成功；GRQC為攻入前場(chǎng)30米。

多元檢驗(yàn)結(jié)果將作為機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)的依據(jù)，建立分類(lèi)超平面，有效分離生理監(jiān)測(cè)過(guò)程產(chǎn)生的影響。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)檢驗(yàn)

3.2.1 足球訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 依據(jù)研究設(shè)計(jì)，足球運(yùn)動(dòng)員綜合評(píng)價(jià)體系包括兩個(gè)核心內(nèi)容：（1）足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，（2）運(yùn)動(dòng)生理監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取參考當(dāng)前足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)的大量研究成果[16]，初步確定28個(gè)變量作為備選指標(biāo)，如表2。

表2 足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)指標(biāo)

指標(biāo)a1-a7反映運(yùn)動(dòng)員無(wú)球技術(shù)水平，a8-a14反映運(yùn)動(dòng)員有球技術(shù)水平，a15-a17反映運(yùn)動(dòng)員戰(zhàn)術(shù)意識(shí)，a18-a22反映運(yùn)動(dòng)員身體素質(zhì)，a23-a25反映運(yùn)動(dòng)員心理素質(zhì)，a26-a28反映應(yīng)變能力。采用以上指標(biāo)對(duì)U19梯隊(duì)運(yùn)動(dòng)員實(shí)施十分制評(píng)分，結(jié)果進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果多數(shù)指標(biāo)評(píng)測(cè)結(jié)果不服從正態(tài)分布（表3），只有a1、a4-a6、a8、a13、a15、a19-a22、a26未拒絕服從正態(tài)分布，因此，需采取非參數(shù)及t檢驗(yàn)結(jié)合的方案。

3.2.2 差異顯著性檢驗(yàn) 對(duì)不符合正態(tài)分布的指標(biāo)集進(jìn)行Wilcoxon's Sign Rank Test檢驗(yàn)，結(jié)果如表3。

表3 Wilcoxon's Sign Rank Test檢驗(yàn)結(jié)果

檢驗(yàn)結(jié)果表明，足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)指標(biāo)a2、a3、a17、a18、a23、a25、a27的Pr值通過(guò)Wilcoxon's Sign Rank Test檢驗(yàn)（P<0.05），其他指標(biāo)因未表現(xiàn)出顯著性差異，在指標(biāo)集中刪除。對(duì)a1、a4-a6、a8、a13、a15、a19-a22、a26指標(biāo)進(jìn)行t檢驗(yàn)（過(guò)程略），結(jié)果a5、a6、a13三項(xiàng)指標(biāo)未表現(xiàn)出顯著性差異被剔除，指標(biāo)a1、a4、a8、a15、a19-a22、a26拒絕相等性假設(shè)，適用于機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

其中a1、a4是表現(xiàn)無(wú)球技術(shù)的指標(biāo)，a8表示無(wú)球技術(shù)的指標(biāo)，a15表示戰(zhàn)術(shù)意識(shí)的指標(biāo)，a19-a22表示身體素質(zhì)的指標(biāo)，a26表示足球隊(duì)員臨時(shí)應(yīng)變能力的指標(biāo)。

3.2.3 生理監(jiān)測(cè)結(jié)果 生理監(jiān)測(cè)結(jié)果包括有氧閾心率Trimp I、混氧閾心率Trimp II、無(wú)氧閾心率TrimpIII、最大耗氧量（VO2max）、無(wú)氧域耗氧量（ATO2max）、血紅蛋白（HB）、肌酸激酶（CK）、睪酮（T）八個(gè)具體指標(biāo)分別以b1-b8表示。實(shí)施監(jiān)測(cè)的同時(shí)，構(gòu)建依據(jù)心率HR和VO2max交互指標(biāo)，使運(yùn)動(dòng)員了解強(qiáng)度，加強(qiáng)訓(xùn)練的互動(dòng)性，該指標(biāo)以b9表示。監(jiān)測(cè)指標(biāo)及具體數(shù)值如表4。

表4 球隊(duì)生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果

其中b1-b3是反映Trimp的有關(guān)指標(biāo)，b4、b5反映吸氧量水平的有關(guān)指標(biāo)，b6-b8記錄生化指標(biāo)的變化狀況，b9反映心率與最大吸氧量的交互指標(biāo)。經(jīng)檢驗(yàn)，所有生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果（b1-b8）均服從正態(tài)分布（過(guò)程略）。

3.3 機(jī)器學(xué)習(xí)判別理論

在多維數(shù)據(jù)分析中引入機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的推進(jìn)。意義在于將多元化的評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合，以似然度（likelihood）和假設(shè)（hypothesis）的概率去預(yù)測(cè)新實(shí)例的結(jié)果，依據(jù)結(jié)果的預(yù)測(cè)效率發(fā)現(xiàn)某些潛在方案。實(shí)施體征指標(biāo)監(jiān)測(cè)的U19、U17運(yùn)動(dòng)員屬于小樣本情形，機(jī)器學(xué)習(xí)采用支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）算法完成分析過(guò)程。SVM建立于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)VC 維理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小原理基礎(chǔ)之上，依據(jù)有限的樣本信息在模型的復(fù)雜性（即對(duì)特定訓(xùn)練樣本的學(xué)習(xí)精度，Accuracy）和學(xué)習(xí)能力（即無(wú)錯(cuò)誤地識(shí)別任意樣本的能力）之間尋求最佳折衷，以獲得最好的推廣能力（泛化能力）[19]，其基本原理如圖3。

圖3 SVM分類(lèi)判別機(jī)制

如圖，二維平面中，C1、C2代表需要區(qū)分的兩個(gè)類(lèi)別，中間的直線(xiàn)H是一個(gè)分類(lèi)函數(shù)，代表用來(lái)將兩類(lèi)樣本分開(kāi)的超平面，H1、H2表示兩條直線(xiàn)，平行于超平面H，兩直線(xiàn)之間的距離稱(chēng)為分類(lèi)間隔（margin）。將C1、C2類(lèi)別正確分開(kāi)并使分類(lèi)間隔最大的超平面H1、H2即為最佳分類(lèi)面。超平面H用方程表示為：H：，對(duì)其進(jìn)行歸一化，使得對(duì)線(xiàn)性可分的樣本集，滿(mǎn)足：

定義Lagrange乘子αi及原條件約束，得出其對(duì)偶問(wèn)題：

其中sgn（）為符號(hào)函數(shù)，b表示閾值。

生理狀態(tài)處于實(shí)時(shí)監(jiān)控下的足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練過(guò)程，反映出傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練質(zhì)量評(píng)價(jià)體系無(wú)法度量的更多信息。假設(shè)足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練評(píng)價(jià)指標(biāo)具有p個(gè)維度，而判別訓(xùn)練質(zhì)量的條件具有q個(gè)維度，則機(jī)器學(xué)習(xí)模型輸入為p維數(shù)據(jù)，輸出為q維數(shù)據(jù)。將k個(gè)運(yùn)動(dòng)員的樣本數(shù)據(jù)K={xi，yi|i=1,2,3…,k}，x∈Rp，y∈Rq進(jìn)行訓(xùn)練集與驗(yàn)證集分離，足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練指標(biāo)監(jiān)測(cè)干預(yù)研究的本質(zhì)就轉(zhuǎn)換為針對(duì)訓(xùn)練集空間尋求最優(yōu)分類(lèi)面并確定決策函數(shù)問(wèn)題。決策函數(shù)的學(xué)習(xí)能力通過(guò)訓(xùn)練集檢驗(yàn)，決策判定準(zhǔn)確率越高，生理監(jiān)測(cè)的干預(yù)作用越明顯。在復(fù)雜的足球訓(xùn)練及比賽環(huán)境中，教練與隊(duì)員之間形成頻繁互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)技能、身體素質(zhì)、心理素質(zhì)等環(huán)節(jié)存在大量不確定因素，這些不定因素決定足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)更趨向非線(xiàn)性，因此模型設(shè)定的輸入變量與輸出變量之間更近似于非線(xiàn)性關(guān)系。引入核函數(shù)進(jìn)行特征空間映射，能夠有效處理分類(lèi)屬性的非線(xiàn)性關(guān)系，通常Gaussian Radial Basis（RBF）核具有更高的精度，其表示方式為：

通過(guò)確定懲罰參數(shù)C的取值，訓(xùn)練得到生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)的足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)非線(xiàn)性支持向量機(jī)模型，決策函數(shù)為：

依據(jù)以上理論，通過(guò)處理“支持向量”xi和輸入空間抽取向量x之間的內(nèi)積核過(guò)程，完成了機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

4 結(jié)果與說(shuō)明

多元檢驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為二分類(lèi)問(wèn)題，因此將U19、U17梯隊(duì)分為兩組類(lèi)別標(biāo)簽，干預(yù)組隊(duì)員類(lèi)別標(biāo)簽標(biāo)記為1，控制組類(lèi)別標(biāo)簽標(biāo)記為2，將兩類(lèi)標(biāo)簽數(shù)據(jù)每個(gè)類(lèi)別分成兩組，設(shè)定樣本總量1/3為訓(xùn)練集（train）、2/3作為測(cè)試集（test），進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)過(guò)程的重新組合。選用RBF核函數(shù)，交叉驗(yàn)證最佳參數(shù)C和σ，用訓(xùn)練集對(duì)SVM分類(lèi)器進(jìn)行訓(xùn)練，用得到的模型對(duì)測(cè)試集進(jìn)行標(biāo)簽預(yù)測(cè)，首先以足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)引入模型，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 訓(xùn)練指標(biāo)判定結(jié)果

圖5 增加Trimp、O2max指標(biāo)判定結(jié)果

圖4顯示實(shí)施生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)的足球訓(xùn)練效果的判定結(jié)果，在以訓(xùn)練集對(duì)預(yù)測(cè)集的預(yù)測(cè)精度上，的U19運(yùn)動(dòng)員（干預(yù)訓(xùn)練組）存在5個(gè)誤判，判定準(zhǔn)確率為37.5%，U17運(yùn)動(dòng)員組有3個(gè)出現(xiàn)誤判，判定正確率達(dá)62.5%。加入Trimp、O2max監(jiān)控指標(biāo)（b1-b5）的判定結(jié)果如圖5所示，兩組梯隊(duì)訓(xùn)練效果預(yù)測(cè)正確率均有所上升，U19梯隊(duì)訓(xùn)練組有4個(gè)誤判，判定準(zhǔn)確率為50%，U17訓(xùn)練組有1個(gè)誤判，判定準(zhǔn)確率達(dá)87.5%。

圖6 增加HB、CK、T指標(biāo)判定結(jié)果

圖7 增加HR*VO2max交互指標(biāo)判定結(jié)果

觀察圖6得出，繼續(xù)增加HB、CK、T指標(biāo)（b1-b7）進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，U19組降低至兩個(gè)誤判，判正率上升至75%，U17訓(xùn)練組仍存在一組誤判，判正率為87.5%。近一步將心率和最大攝氧量交互指標(biāo)（HR*VO2max）代入模型，檢驗(yàn)所有測(cè)試生理指標(biāo)（b1-b8）的預(yù)測(cè)效果，結(jié)果顯示，U19梯隊(duì)減少至1個(gè)誤判，判定準(zhǔn)確率為87.5%，U17梯隊(duì)則消除了誤判，判定準(zhǔn)確率為100%（圖7）。將以上結(jié)果總結(jié)，得出表5。

表5 引入生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)的U19、U17分類(lèi)判定

表5顯示，隨著引入生理指標(biāo)數(shù)量的增加，預(yù)測(cè)集精度呈上升趨勢(shì)，表明在機(jī)器學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)合理的狀況下，更多的生理指標(biāo)結(jié)合傳統(tǒng)的足球訓(xùn)練評(píng)價(jià)體系會(huì)產(chǎn)生更高的判定準(zhǔn)確率。某些生理指標(biāo)的增加不一定帶來(lái)判斷正確率的提升（如U17梯隊(duì)增加HB、CK、T生理指標(biāo)），一個(gè)可能的原因是這些指標(biāo)在作為某一組運(yùn)動(dòng)員機(jī)能參照時(shí)出現(xiàn)時(shí)間上的滯后或前置，影響了其預(yù)測(cè)效度。機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果說(shuō)明，U19、U17梯隊(duì)足球評(píng)價(jià)體系融入生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，對(duì)表現(xiàn)出多元差異結(jié)果的干預(yù)訓(xùn)練過(guò)程判定準(zhǔn)確率有很大提高。

5 結(jié) 論

足球訓(xùn)練中，生理指標(biāo)可高效反應(yīng)運(yùn)動(dòng)員身體活動(dòng)（physical activity, PA）狀態(tài)，具有實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性。對(duì)48名U19、U17足球梯隊(duì)運(yùn)動(dòng)員冬季訓(xùn)練研究結(jié)果表明，引入實(shí)時(shí)體征監(jiān)測(cè)的足球訓(xùn)練與傳統(tǒng)足球技術(shù)技能訓(xùn)練結(jié)果上表現(xiàn)出多元顯著差異。在機(jī)器學(xué)習(xí)參數(shù)設(shè)置合理的情況下，單純的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練評(píng)價(jià)體系對(duì)于訓(xùn)練結(jié)果判定準(zhǔn)確度較為有限，表現(xiàn)在U19梯隊(duì)與U17梯隊(duì)判別準(zhǔn)確率均較低。引入Trimp、O2max參照指標(biāo)后，對(duì)兩組梯隊(duì)的訓(xùn)練效果預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度均有顯著提升。加入HB、CK、T指標(biāo)使U19梯隊(duì)的判定準(zhǔn)確率提升25%，幅度較為顯著，但機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程對(duì)U17梯隊(duì)的生理監(jiān)測(cè)干預(yù)效果未表現(xiàn)出區(qū)別。引入心率和最大吸氧量交互指標(biāo)后，總體判定準(zhǔn)確度進(jìn)一步上升，U17梯隊(duì)生理監(jiān)測(cè)干預(yù)組的判定準(zhǔn)確度達(dá)到100%。在生理指標(biāo)采集更加精確及便捷的當(dāng)下，采用專(zhuān)業(yè)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員體征指標(biāo)以推測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更為科學(xué)，以機(jī)器學(xué)習(xí)方法評(píng)價(jià)生理指標(biāo)干預(yù)過(guò)程，能夠有效提升運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練未知結(jié)果的判定準(zhǔn)確度，解決當(dāng)前便攜式生理監(jiān)測(cè)設(shè)備僅限于給出離散的統(tǒng)計(jì)結(jié)果的不足表現(xiàn)。

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Based on the Monitoring of Physiological Parameters U19, U17 Football Player Training Effect Intervention——Machine Learning Judgment Application

WANG Yu, WAN Bo

Dept of P.E., Nanjing Institute of Technology, Nanjing Jiangsu, 211167, China.

The evaluation of the U19, U17 tier footballer intervention training effect generated and the degree of intervention physiological indicators for monitoring the process by machine learning identification method. The results showed that: physiological monitoring the implementation of the intervention echelon athletes and non athletes echelon in monitoring the implementation of the technical multivariate statistics showed significant differences（Tu19>X8^2（0.05）, Tu17> X8^2（0.05））. With the increase in physiologic monitoring statistical indicators, SVM machine learning algorithms to determine the correct rate forecasting group showed a trend of increasing. Increase Trimp, O2max indicators, U19, U17 echelon forecasting groups to determine the correct rate went up by 12.5% and 25%; increase HB, CK, T indicators, U19 echelon discrimination accuracy rate increased by 25%, U17 echelon discrimination accuracy rate remains constant; increase HR * VO2max interaction indicators, U19 echelon determines the correct rate of 87.5%, U17 echelon discrimination accuracy rate of 100%. The results show that, Introduction of indicators to monitor the physiological process can be efficient football training feedback body's stress response, provide additional support to sports training.

Physiological indicators; Football player; Training effect; Support vector machines

G843

A

1007―6891（2016）06―0020―07

2016-05-25

南京工程學(xué)院校級(jí)高等教育研究立項(xiàng)課題資助，項(xiàng)目編號(hào)：2015ZC10。