唐振超

摘? 要：人們的體力活動(dòng)方式在體力活動(dòng)促進(jìn)及全民健身科學(xué)指導(dǎo)中具有重要意義。目前國(guó)外關(guān)于GIS、GPS和加速度計(jì)在體力活動(dòng)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用日趨成熟，本文梳理總結(jié)國(guó)外在此方面的相關(guān)研究后，認(rèn)為聯(lián)合采用GPS和加速度計(jì)完全可以預(yù)測(cè)體力活動(dòng)方式，并能基于體力活動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)空數(shù)據(jù)和活動(dòng)量構(gòu)建預(yù)測(cè)體力活動(dòng)方式的路徑。

關(guān)鍵詞：GPS? 加速度計(jì)? 預(yù)測(cè)? 體力活動(dòng)方式

中圖分類號(hào)：G80-32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2813（2019）04（c）-0242-02

體力活動(dòng)在全球范圍內(nèi)的普遍缺乏和體力活動(dòng)之于人類健康的重要性促使著體力活動(dòng)在國(guó)內(nèi)外新晉為一個(gè)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。體力活動(dòng)方式（Physical Activity Mode，PAM）是體力活動(dòng)的具體表現(xiàn)形式，包括家務(wù)、交通、職業(yè)、休閑等各種形式。目前，現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外有關(guān)體力活動(dòng)的研究多集中于體力活動(dòng)量的測(cè)量及其與健康之間的關(guān)系，缺乏對(duì)體力活動(dòng)方式的研究。近年來(lái)，借助科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，體力活動(dòng)量的構(gòu)成及體力活動(dòng)方式的研究正成為國(guó)外體力活動(dòng)研究領(lǐng)域新的熱點(diǎn)。

1? 國(guó)外相關(guān)研究概況

美國(guó)是最早使用GPS和加速度計(jì)對(duì)體力活動(dòng)進(jìn)行研究的國(guó)家，研究成果非常豐富。在使用此方法的眾多研究中，使用GPS和加速度計(jì)預(yù)測(cè)體力活動(dòng)方式這一領(lǐng)域的研究則尚處于初始階段。比較典型的研究有馬薩諸塞州立大學(xué)運(yùn)動(dòng)科學(xué)系的Pober教授是最早使用加速度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)體力活動(dòng)方式進(jìn)行預(yù)測(cè)的研究人員之一[1]，其選取了6名測(cè)試對(duì)象佩戴加速度計(jì)分別進(jìn)行走路、走路上坡、吸塵打掃、做案頭工作這4種體力活動(dòng)方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次判別分析，并用隱馬爾可夫模型識(shí)別活動(dòng)，正確地估計(jì)了99%時(shí)間的PAM。Philip等[2]選取10名年齡在23～51歲間的健康成年人為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，讓他們佩戴加速度計(jì)的同時(shí)，佩戴GPS設(shè)備分別進(jìn)行慢走、快走/跑步、騎自行車、輪滑和開(kāi)車這5種體力活動(dòng)方式。采用判別函數(shù)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其結(jié)果表明：以分鐘為單位對(duì)200min的不同PAM進(jìn)行預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確率可達(dá)91%;以回合為單位對(duì)43個(gè)回合的PAM進(jìn)行預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確率可達(dá)98%。在加入了GPS數(shù)據(jù)后，研究人員可以更準(zhǔn)確地區(qū)分相對(duì)靜止和運(yùn)動(dòng)的PAM。Pober和Philip等人在前期的研究中也意識(shí)到了測(cè)試對(duì)象和PAM種類明顯較少，會(huì)影響結(jié)論的說(shuō)服力，需要在更大和更多樣化的測(cè)試對(duì)象和PAM種類中進(jìn)行更多的研究[1，2]。

2? 核心概念簡(jiǎn)述

美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)（ACSM）是全世界最大、最權(quán)威的運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和鍛煉科學(xué)組織。有研究人員在對(duì)ACSM年會(huì)交流論文進(jìn)行研究時(shí)得出結(jié)論：在體力活動(dòng)測(cè)量的相關(guān)研究中，采用加速度計(jì)的研究超過(guò)了90%[3]。全球定位系統(tǒng)（GPS）是美國(guó)研發(fā)并建設(shè)的一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全方位、全時(shí)段、高精度的特點(diǎn)，其作用是定位和導(dǎo)航。地理信息系統(tǒng)（GIS）是指在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，對(duì)整個(gè)或者部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[4]。

3? 研究方法

3.1 變量的選取

加速度計(jì)和GPS設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，處理十分繁瑣。在僅使用加速度計(jì)的體力活動(dòng)相關(guān)研究中，有研究者選擇了計(jì)數(shù)為唯一變量[1]，有研究者選擇了計(jì)數(shù)和步數(shù)為變量[2]，在結(jié)合使用GPS的PAM相關(guān)研究中，研究者則選了GPS變量和加速度計(jì)變量。在GPS所提供的數(shù)據(jù)中，對(duì)本研究最有價(jià)值的就是坐標(biāo)和時(shí)間。知道了兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，就可以知道兩點(diǎn)間的距離。我們?cè)谠O(shè)置加速計(jì)和GPS設(shè)備時(shí)，一定要保證時(shí)間的一致性。結(jié)合已有研究對(duì)變量的控制和選擇，速度、計(jì)數(shù)、步數(shù)是目前最適合作為模型的預(yù)測(cè)因子。

3.2 以有監(jiān)督學(xué)習(xí)建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集并分類

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的建立是預(yù)測(cè)PAM的關(guān)鍵部分，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否將直接影響到PAM預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。有監(jiān)督學(xué)習(xí)是一種常用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，是在已知某種樣本的特性后，建立數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)未知樣本，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是分類。在采用有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法時(shí)，必須要有已知類別的訓(xùn)練樣本。在預(yù)測(cè)PAM的研究中，訓(xùn)練樣本的獲取主要采取以下途徑：研究人員讓測(cè)試對(duì)象處于實(shí)驗(yàn)觀察的環(huán)境下，規(guī)定其在一定時(shí)間內(nèi)只能進(jìn)行一種PAM，收集記錄并處理數(shù)據(jù)后以此作為該種PAM的標(biāo)準(zhǔn)參照數(shù)據(jù)集[1，2]。在建立數(shù)據(jù)集之后有研究人員使用單變量統(tǒng)計(jì)分析，選擇平均值、中位數(shù)和四分位數(shù)建立分類模型，并對(duì)未知PAM數(shù)據(jù)進(jìn)行分類[2]。這種方法本質(zhì)上是建立一個(gè)變量的閾值區(qū)間，同時(shí)滿足某種PAM多個(gè)變量的閾值區(qū)間的未分類數(shù)據(jù)便被分類定義成為這種PAM。有監(jiān)督學(xué)習(xí)可控性好，對(duì)測(cè)試人群的文化水平并無(wú)要求，然而這大大增加了研究人員的工作量，不適合大數(shù)據(jù)調(diào)查。

3.3 以無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集并分類

無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)指的是對(duì)未知類別的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別分類的方法，有研究人員認(rèn)為這種方法可以處理大量的數(shù)據(jù)，并不需要直接觀察測(cè)試對(duì)象的行為。在無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)中最典型的算法是聚類分析，聚類分析用于當(dāng)總體分類不清楚時(shí)，直接依據(jù)數(shù)據(jù)的相似度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，相同聚類下的數(shù)據(jù)具有非常高的相似度。對(duì)聚類分析后得出的類別進(jìn)行PAM定義后，再用判別分析建立判別式以對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行判別。此種方法可以讓測(cè)試對(duì)象處于日常生活狀態(tài)下，但是仍然需要知道測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了哪些PAM。為解決此問(wèn)題，有研究者讓測(cè)試對(duì)象佩戴儀器的同時(shí)自己填寫體力活動(dòng)日志。分類完成之后，用判別分析建立判別式以對(duì)新的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別。在體力活動(dòng)測(cè)量的領(lǐng)域，無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)明顯要比有監(jiān)督學(xué)習(xí)更依賴測(cè)試對(duì)象的主觀能動(dòng)性和配合度，也更適用于大數(shù)據(jù)調(diào)查，可用于配合度較高、認(rèn)識(shí)能力較強(qiáng)的測(cè)試人群。但當(dāng)調(diào)查對(duì)象為兒童少年、老年人等特殊人群時(shí)，也許有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法就要比無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法更適合。

4? 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的體力活動(dòng)研究多集中在體力活動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，以探究體力活動(dòng)量及其與健康的關(guān)系為主題展開(kāi)。未來(lái)體力活動(dòng)領(lǐng)域的研究正在日益關(guān)注人們體力活動(dòng)方式的規(guī)律性及預(yù)測(cè)方法。本文淺述了國(guó)外相關(guān)研究的方法和思想，在現(xiàn)有技術(shù)能達(dá)到的條件下構(gòu)建使用GPS數(shù)據(jù)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)體力活動(dòng)方式的路徑。

未來(lái)隨著科技的進(jìn)步，加速度計(jì)體積進(jìn)一步縮小，安裝到智能手機(jī)中。用戶可以直接看到有關(guān)自己體力活動(dòng)的各種數(shù)據(jù)，而不僅是計(jì)步器所記錄的步數(shù)。研究人員也可以獲得更多的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)真正的大數(shù)據(jù)分析。希望我國(guó)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)能夠洞察這一新的趨勢(shì)，在“體醫(yī)結(jié)合”和“健康中國(guó)”的背景下抓住機(jī)遇，以幫助人們更好地研究體力活動(dòng)并促進(jìn)體力活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)國(guó)民身心健康的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] Pober DM，Staudenmayer J，Raphael C，et al.Development of novel technigues to oclassify PA mode using accelerometers[J].MSE，2010，38（9）：1626-1634.

[2] Philip.Prediction of Activity Mode with GPS and Accelerometer Data[J].MSE，2012，40（5）：972-978.

[3] 王超.體力活動(dòng)研究的現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（8）：43-49.

[4] 湯國(guó)安.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2012.