昝登良

廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院公共課教學(xué)部，廣東 廣州 510520

1 足球比賽戰(zhàn)術(shù)的概念及內(nèi)涵

根據(jù)牛津詞典，“戰(zhàn)術(shù)”指為達(dá)到特定目的而精心策劃的行動(dòng)或策略。關(guān)于競(jìng)技足球，活動(dòng)的目的自然是贏得比賽，因此選擇合適的戰(zhàn)術(shù)對(duì)于賽前準(zhǔn)備至關(guān)重要。按照經(jīng)典實(shí)踐者的方法，戰(zhàn)術(shù)規(guī)定了集體運(yùn)動(dòng)如何控制空間、時(shí)間和個(gè)人行為而贏得比賽。

例如在球場(chǎng)上，某個(gè)特定的動(dòng)作發(fā)生或球隊(duì)在進(jìn)攻和防守時(shí)要占據(jù)一定的區(qū)域。相比之下，時(shí)間可以對(duì)一些變量進(jìn)行描述，比如進(jìn)攻的頻率和持續(xù)時(shí)間（控球）或者動(dòng)作的啟動(dòng)速度?？梢园凑諈①惽騿T的數(shù)量進(jìn)一步分為個(gè)人戰(zhàn)術(shù)、小組戰(zhàn)術(shù)、集體運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)和比賽戰(zhàn)術(shù)，這也是足球運(yùn)動(dòng)員通常采取的戰(zhàn)術(shù)方案。個(gè)人戰(zhàn)術(shù)是指在進(jìn)攻和防守中，有球隊(duì)員和無(wú)球隊(duì)員的一對(duì)一較量。例如，防守隊(duì)員接近帶球人的方式可以被視為個(gè)人戰(zhàn)術(shù)的一部分。又如，防守隊(duì)員可以立即進(jìn)攻帶球人并給他施加壓力，或者防守隊(duì)員可以集中精力阻擋在通道上傳遞的球。小組戰(zhàn)術(shù)描述了一個(gè)集體運(yùn)動(dòng)中各小組之間的配合，例如越位區(qū)域中的防守?cái)r網(wǎng)。集體運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)描述了首選的進(jìn)攻和防守集體運(yùn)動(dòng)隊(duì)形，以及隊(duì)形在球場(chǎng)上的位置。比賽戰(zhàn)術(shù)描述了球隊(duì)的比賽理念，如反攻或控球。最近的一項(xiàng)研究調(diào)查了德國(guó)德甲的控球恢復(fù)情況，結(jié)果表明，成功的球隊(duì)在失去控球后恢復(fù)控球的速度更快。

綜上所述，足球戰(zhàn)術(shù)描述了球員在球場(chǎng)上的微觀和宏觀的組織原則，包括從個(gè)人到集體的決策過(guò)程。為了確保在所有戰(zhàn)術(shù)層面上的成功行動(dòng)，教練必須考慮球隊(duì)的狀態(tài)、對(duì)手的狀態(tài)，以及外部因素。因此，在策略中，既涉及先驗(yàn)決策，也涉及比賽中的實(shí)時(shí)適應(yīng)。集體運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)是由一個(gè)相互依賴的參數(shù)網(wǎng)絡(luò)形成的復(fù)雜控制過(guò)程，盡管上述方案遵循分層模式，但實(shí)際中的信息流確實(shí)是雙向的。因此，戰(zhàn)術(shù)可以解釋為一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成了一個(gè)新的相互交織的依賴關(guān)系。

2 足球比賽戰(zhàn)術(shù)分析的數(shù)字模型發(fā)展

在進(jìn)行控球類型的比賽時(shí)，Rampinini等[1]調(diào)查了不同跑步速度類別（站立到短跑）的總跑步距離和時(shí)間。結(jié)果顯示，對(duì)手的水平和比賽位置對(duì)比賽有顯著影響。因此，目前還不清楚如何將來(lái)自訓(xùn)練和比賽的球員生理信息與集體運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)結(jié)合起來(lái)，個(gè)人技術(shù)表現(xiàn)與集體運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)之間還沒(méi)有聯(lián)系。傳統(tǒng)意義上，戰(zhàn)術(shù)分析依賴于基于平均統(tǒng)計(jì)和計(jì)數(shù)的符號(hào)分析方法。例如，指標(biāo)包括傳球變量、控球、獲球或打法。傳統(tǒng)符號(hào)方法的主要局限性在于幾乎所有的相關(guān)信息都被丟失，供專業(yè)人員采納的信息有限。為了避免這樣的問(wèn)題，越來(lái)越多的多變量方法被用來(lái)保留相關(guān)信息。

Almeida等[2]研究了不同得分模式對(duì)青少年球員獲球類型和位置、打法結(jié)構(gòu)和防守狀態(tài)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)使用中鋒進(jìn)球時(shí)，球的回球率較高，且大多數(shù)回球率是在防守三分之一的場(chǎng)地內(nèi)定位球的結(jié)果。年輕球員在比賽方向上也產(chǎn)生了更多拉長(zhǎng)的形狀，而年長(zhǎng)球隊(duì)在垂直于比賽方向的方向上產(chǎn)生了更扁平的形狀。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)攻隊(duì)控球時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，得分方控球的優(yōu)勢(shì)比增加，他們從比賽最后三分之一開(kāi)始進(jìn)攻，或者用穿透性傳球來(lái)平衡防守。

Frencken等[3]使用19個(gè)績(jī)效指標(biāo)來(lái)識(shí)別不同的進(jìn)攻風(fēng)格。結(jié)果表明，控球、側(cè)身傳球以及從防守三分位到進(jìn)攻三分位的傳球相關(guān)的控球直接性等因素對(duì)確定比賽風(fēng)格非常重要。

2.1 用于研究集體運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)的方法——集體運(yùn)動(dòng)重心法

球隊(duì)的行為重心即球隊(duì)中所有球員位置的幾何中心，被用來(lái)分析整個(gè)球隊(duì)的行為。該研究的結(jié)果表明，在比賽過(guò)程中，集體運(yùn)動(dòng)質(zhì)心之間存在強(qiáng)耦合，質(zhì)心間距發(fā)生變化和關(guān)鍵比賽事件（如射門）伴隨集體運(yùn)動(dòng)間耦合可變性而增加。通過(guò)計(jì)算近似熵，一種非線性時(shí)間序列測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展了質(zhì)心行為的研究，以量化時(shí)間序列數(shù)據(jù)的規(guī)律性，使用近似熵分析的結(jié)果表明，新球員在戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練后，其質(zhì)心行為規(guī)律性增加。

Goncalves等[4]使用近似熵調(diào)查了防守隊(duì)員、中場(chǎng)隊(duì)員和進(jìn)攻隊(duì)員小組之間和內(nèi)部的11人制比賽協(xié)調(diào)情況。結(jié)果表明，在專業(yè)球員組中，隨著對(duì)手?jǐn)?shù)量的增加，集體運(yùn)動(dòng)行為相對(duì)于對(duì)手的規(guī)律性增加。雖然近似熵的應(yīng)用越來(lái)越突出，但它所代表的集體運(yùn)動(dòng)中心的規(guī)則行為本身就是對(duì)集體運(yùn)動(dòng)行為的高度抽象的描述。然而，近年來(lái)，集體運(yùn)動(dòng)中心測(cè)度越來(lái)越多地被用來(lái)捕捉集體運(yùn)動(dòng)行為，并有許多有價(jià)值的應(yīng)用被文獻(xiàn)報(bào)道。

2.2 用于集體運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)的方法——空間控制法

空間控制法主要是利用集體運(yùn)動(dòng)所有球員的凸殼計(jì)算出集體運(yùn)動(dòng)的表面積。這一研究的結(jié)果表明，與防守隊(duì)相比，進(jìn)攻隊(duì)覆蓋了更大的表面積。與經(jīng)驗(yàn)不足的球員相比，經(jīng)驗(yàn)豐富的球員也覆蓋了更大的區(qū)域。

Fradua等[5]通過(guò)計(jì)算包圍所有場(chǎng)內(nèi)球員的最大矩形除以球員人數(shù)，調(diào)查了11人制比賽中的單個(gè)球員所占面積。結(jié)果表明，當(dāng)球進(jìn)入中央球場(chǎng)區(qū)域時(shí)，個(gè)人比賽區(qū)域變小。此外，還可以使用Voronoi圖來(lái)研究空間控制，使用位置和單個(gè)球員之間的距離來(lái)確定控制空間，使用Voronoi圖的結(jié)果與集體運(yùn)動(dòng)表面積法的結(jié)果相似。

2.3 基于確定特定比賽區(qū)域的數(shù)值優(yōu)勢(shì)法

空間控制是足球戰(zhàn)術(shù)的一個(gè)核心方面，并進(jìn)一步突出了足球比賽的動(dòng)態(tài)性。新興研究集體運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)的分析方法是使用網(wǎng)絡(luò)方法研究集體運(yùn)動(dòng)傳球行為。這種方法的基本原理是將一個(gè)集體運(yùn)動(dòng)的球員建模為節(jié)點(diǎn)，并將他們之間的傳球作為加權(quán)頂點(diǎn)，其中兩個(gè)球員之間的傳球次數(shù)決定了權(quán)重。根據(jù)集體運(yùn)動(dòng)傳球行為的這種表現(xiàn)，能夠很容易地識(shí)別集體運(yùn)動(dòng)中的關(guān)鍵球員，因?yàn)樗麄兣c其他頂點(diǎn)的連接更多，同時(shí)頂點(diǎn)權(quán)重更大。

最近的網(wǎng)絡(luò)分析包括旁邊的球員信息及位置傳遞信息，能夠預(yù)測(cè)比賽結(jié)果和最終排名。將貝葉斯?jié)撛谀Ｐ头椒☉?yīng)用于西班牙第一局（2013—2014年）241場(chǎng)比賽的傳球網(wǎng)絡(luò)和傳球位置信息，所獲得的模型能夠自動(dòng)識(shí)別不同集體運(yùn)動(dòng)的不同戰(zhàn)術(shù)模式。通過(guò)將獲得的戰(zhàn)術(shù)信息與進(jìn)攻結(jié)合，能夠說(shuō)明哪些特定的戰(zhàn)術(shù)模式在各隊(duì)中更有效。這些結(jié)果表明，通過(guò)傳球行為與空間信息相結(jié)合的球員動(dòng)態(tài)，為分析優(yōu)秀足球運(yùn)動(dòng)員的戰(zhàn)術(shù)行為提供了一種有價(jià)值的新方法，與傳統(tǒng)的符號(hào)分析方法相比提供了更多的信息。

2.4 基于比賽位置數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法

機(jī)器學(xué)習(xí)算法允許通過(guò)從數(shù)據(jù)中構(gòu)建一個(gè)先驗(yàn)未知模型來(lái)識(shí)別大型數(shù)據(jù)集中的特定數(shù)據(jù)模式。雖然這種方法已經(jīng)在體育研究中討論了一段時(shí)間，直到最近成功的使用才使其變得更加普遍。例如，利用整個(gè)英超賽季的位置數(shù)據(jù)應(yīng)用期望最大化算法，可以自動(dòng)識(shí)別球隊(duì)隊(duì)形。結(jié)果進(jìn)一步顯示，球隊(duì)在客場(chǎng)比賽中使用了更多的防守陣型。使用兩步算法，只有在每個(gè)球員被分配了一個(gè)特定的角色之后才能確定陣型，排除了簡(jiǎn)單地使用每個(gè)球員的ID來(lái)識(shí)別集體運(yùn)動(dòng)隊(duì)形的可能性。

Knauf等[6]使用時(shí)空核算法對(duì)軌跡進(jìn)行聚類，允許從位置數(shù)據(jù)自動(dòng)區(qū)分比賽啟動(dòng)和得分機(jī)會(huì)，并利用一個(gè)特定的度量來(lái)比較進(jìn)攻過(guò)程中軌跡之間的成對(duì)相似性，然后使用聚類算法將軌跡分組。同樣，研究者使用的算法的一個(gè)基本特征是軌跡之間的比較對(duì)參與者之間的排列是不變的。Kim等[7]利用空間跟蹤數(shù)據(jù)，應(yīng)用時(shí)間核方法預(yù)測(cè)球在球場(chǎng)上的位置。通過(guò)球員的跑動(dòng)方向計(jì)算流場(chǎng)，研究者能夠確定流場(chǎng)的收斂點(diǎn)，從而預(yù)測(cè)球的未來(lái)位置，具有很好的一致性。Hinton等[8]使用多尺度比較技術(shù)，結(jié)合事件數(shù)據(jù)類型和事件位置數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別導(dǎo)致目標(biāo)的重復(fù)攻擊次序，多尺度比較技術(shù)允許相互比較不同長(zhǎng)度的事件次序。Fernandez-navarro等[9]通過(guò)對(duì)比賽序列的聚類分析，能夠區(qū)分不同球隊(duì)的進(jìn)攻打法。Montoliu等[10]應(yīng)用了一種詞語(yǔ)袋算法對(duì)足球比賽視頻片段進(jìn)行編碼，然后使用隨機(jī)森林分類器識(shí)別比賽模式，并將球場(chǎng)劃分為10個(gè)區(qū)域，計(jì)算了從2個(gè)完整足球比賽錄像中提取的短視頻序列中代表球員運(yùn)動(dòng)方向的光流。Grunz等[11]使用了分層動(dòng)態(tài)控制的網(wǎng)絡(luò)特征圖，以自動(dòng)識(shí)別集體運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。

綜上所述，大量的機(jī)器學(xué)習(xí)研究已經(jīng)使用足球數(shù)據(jù)來(lái)研究戰(zhàn)術(shù)決策，但是目前尚不清楚小組隊(duì)形如何與球員的個(gè)人技戰(zhàn)術(shù)技能相互作用。很明顯，一支球隊(duì)中不同的戰(zhàn)術(shù)位置有不同的生理需求，因此沒(méi)有研究表明如何將這些信息與進(jìn)攻和防守球隊(duì)使用的戰(zhàn)術(shù)隊(duì)形相結(jié)合。

在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論方法中，相空間是一個(gè)關(guān)鍵概念，它描述了從數(shù)學(xué)上描述系統(tǒng)所在空間的理論抽象，并能夠以有價(jià)值的方式捕捉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。目前關(guān)于集體運(yùn)動(dòng)比賽中適當(dāng)相空間變量的建議差異很大。一種常見(jiàn)的方法是使用相對(duì)相位作為衡量指標(biāo)來(lái)捕捉參與者之間的協(xié)調(diào)現(xiàn)象。高水平足球戰(zhàn)術(shù)比賽分析的挑戰(zhàn)之一是建立一個(gè)解釋性的理論模型，該模型能夠整合來(lái)自各個(gè)領(lǐng)域的信息，包括戰(zhàn)術(shù)、生理學(xué)和運(yùn)動(dòng)技能。人工智能研究的新方法可能為發(fā)展高水平足球戰(zhàn)術(shù)決策的理論模型提供了途徑。特別是深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，在以前認(rèn)為難以計(jì)算的建模領(lǐng)域正變得越來(lái)越強(qiáng)大。然而，這些方法依賴于大型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，目前還沒(méi)有用于足球戰(zhàn)術(shù)分析。最近使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型得到了擴(kuò)展，允許在模型中加入先驗(yàn)信息，這對(duì)于開(kāi)發(fā)集體運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)行為建模的新方法非常重要。例如，從以上總結(jié)的研究中獲得的見(jiàn)解可用于約束網(wǎng)絡(luò)建模工作，同時(shí)允許生理、戰(zhàn)術(shù)和技能相關(guān)信息之間的聯(lián)系。因此，來(lái)自人工智能的現(xiàn)代算法可能被證明對(duì)高水平足球的戰(zhàn)術(shù)分析非常有用。

3 大數(shù)據(jù)應(yīng)用于足球戰(zhàn)術(shù)分析的可行性分析

關(guān)于模型構(gòu)建和各種數(shù)據(jù)源組合的潛在解決方案可能會(huì)因大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起而呈現(xiàn)出來(lái)，這些技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為能夠創(chuàng)建高水平足球比賽戰(zhàn)術(shù)分析的特性。由于大數(shù)據(jù)現(xiàn)象相對(duì)較新，文章首先將對(duì)相關(guān)概念進(jìn)行定義。目前還沒(méi)有普遍認(rèn)同的大數(shù)據(jù)定義，大數(shù)據(jù)更多的是通過(guò)其特征來(lái)描述的。大數(shù)據(jù)的三個(gè)主要特征表現(xiàn)在體積、多樣性和速度三個(gè)方面。體積表示數(shù)據(jù)的大小，多樣性表示數(shù)據(jù)的異質(zhì)性，速度表示數(shù)據(jù)生產(chǎn)率。關(guān)于足球戰(zhàn)術(shù)分析，這些概念可以通過(guò)以下方式映射。

（1）體積是指足球中數(shù)據(jù)集的大小。例如，通常使用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言編碼的位置數(shù)據(jù)集的范圍在86～300MB。一個(gè)完整的德甲賽季中占據(jù)位置、比賽和視頻數(shù)據(jù)將產(chǎn)生400GB的跟蹤數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)量隨著包括例如生理或比賽數(shù)據(jù)的其他資源的增加而增加。使用Excel表格的常見(jiàn)解決方案不能很好地縮放這些數(shù)據(jù)，相比之下，大數(shù)據(jù)技術(shù)為存儲(chǔ)此類數(shù)據(jù)集提供了特定的解決方案，并通過(guò)特定的用戶界面和應(yīng)用程序編程接口實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)集的訪問(wèn)。

（2）多樣性是指不同的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)源。多樣性可以進(jìn)一步區(qū)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)有一個(gè)明確預(yù)定義的模式來(lái)描述數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)允許在數(shù)據(jù)中進(jìn)行簡(jiǎn)單的導(dǎo)航和搜索，其中關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)就是典型的例子。相比之下，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)缺乏明確的模式，視頻數(shù)據(jù)和文本信息就是典型的例子。半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)介于這兩個(gè)極端之間，由缺少預(yù)定義結(jié)構(gòu)但可能具有可變模式的數(shù)據(jù)組成，該模式通常是數(shù)據(jù)本身的一部分，目前用于跟蹤數(shù)據(jù)的XML數(shù)據(jù)類型就是這方面的例子。因此，在足球比賽數(shù)據(jù)中，多樣性指的是位置、視頻、體能、訓(xùn)練、技能表現(xiàn)，以及運(yùn)動(dòng)員健康記錄和人群數(shù)據(jù)附帶的符號(hào)元數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)處理模式因數(shù)據(jù)類型而異，大數(shù)據(jù)技術(shù)提供了特定的解決方案，以整合分布在這些數(shù)據(jù)中的信息。

（3）速度描述生成新數(shù)據(jù)的速度。在足球運(yùn)動(dòng)中，在訓(xùn)練和比賽過(guò)程中，從生理和位置數(shù)據(jù)到符號(hào)分析的延遲數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流之間的速度變化很大，而大數(shù)據(jù)技術(shù)可專門處理和存儲(chǔ)高速數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于足球比賽戰(zhàn)術(shù)分析研究可能會(huì)為一些關(guān)鍵問(wèn)題提供解決方案。通過(guò)提供新的數(shù)據(jù)分析方法和更為全面的理論模型，可以更好地理解高水平足球隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)表現(xiàn)。然而，這意味著未來(lái)的足球研究將不得不采用更強(qiáng)有力的多學(xué)科方法。性能分析員、運(yùn)動(dòng)科學(xué)家、生物學(xué)家及專業(yè)人員必須共同努力，才能理解這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)集。正如已經(jīng)指出的，未來(lái)計(jì)算機(jī)和體育科學(xué)家之間的合作可能是以更相關(guān)的方式應(yīng)用這些復(fù)雜方法的關(guān)鍵。反過(guò)來(lái)，越來(lái)越多地依賴更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析技術(shù)也將給未來(lái)的體育科學(xué)家?guī)?lái)新的挑戰(zhàn)。