張丹 石紅

（寧夏大學體育學院 寧夏 銀川 750021）

1、引言

1.1、研究背景與意義

隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展進入新時代，人民群眾對美好生活的追求帶動了體育運動的蓬勃發(fā)展。黨和國家也高度重視體育事業(yè)，將其作為提高人民身體素質(zhì)、增強文化軟實力的重要組成部分。提出體育強國戰(zhàn)略后，國家先后發(fā)布了《國家體育改革發(fā)展綱要》《健身計劃(2016-2020 年)》等文件，明確提出要發(fā)展體育監(jiān)測評價技術(shù)。2020 年國家體育總局印發(fā)《新時代我國體育監(jiān)測評價體系建設(shè)綱要》，指出要深入研究和應(yīng)用新技術(shù)新設(shè)備，建立基于大數(shù)據(jù)的體育監(jiān)測評價新模式。但長期以來，我國體育訓練還存在訓練理念落后、科學指導不足等問題，訓練監(jiān)測手段簡單，無法滿足新時代對科學化、精準化訓練的需要。近年來，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在體育領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。新一代信息技術(shù)為實現(xiàn)智能化、精準化的體育訓練監(jiān)測提供了可能。特別是物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴設(shè)備的融合應(yīng)用，使高頻率的生理參數(shù)監(jiān)測成為現(xiàn)實。大量生理數(shù)據(jù)的采集與深度分析，可精準評估運動員的身體狀況和訓練效果。因此，開展基于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴傳感技術(shù)的智能訓練監(jiān)測系統(tǒng)研究，不僅符合技術(shù)發(fā)展趨勢，也具有重要的現(xiàn)實應(yīng)用價值。它將推動我國訓練監(jiān)測由粗放向精細化演進，使體育訓練真正實現(xiàn)科學化、精準化、智能化。

1.2、研究現(xiàn)狀

隨著監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，體育訓練監(jiān)測領(lǐng)域的研究不斷深入。在運動員生理參數(shù)監(jiān)測方面，Lee 設(shè)計了基于可穿戴傳感器的心率監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了運動員在訓練中心率的實時檢測；Panebianco等研究了慣性傳感器監(jiān)測運動姿態(tài)的方法；Massaroni 等使用可穿戴式溫度傳感器監(jiān)測運動員呼吸狀況。在運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行訓練監(jiān)測方面，Ikram 等設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的足球訓練監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感節(jié)點采集球員數(shù)據(jù)并傳輸?shù)皆贫?，實現(xiàn)了訓練監(jiān)控；Yi 等提出了視頻邊緣計算框架分析訓練數(shù)據(jù)；Costa 等設(shè)計了泳池環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，監(jiān)控游泳運動員。當前研究為實現(xiàn)智能化、精準化訓練監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)，但將物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等多種新技術(shù)有機結(jié)合，構(gòu)建集成化的訓練監(jiān)測系統(tǒng)仍有待進一步研究。

1.3、研究內(nèi)容與方法

（1）研究內(nèi)容。

本文主要通過文獻查閱和比較分析的方法，研究基于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴傳感技術(shù)的體育訓練監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展狀況、應(yīng)用實例及存在的問題。

（2）研究方法。

收集國內(nèi)外相關(guān)文獻，了解技術(shù)發(fā)展歷程和應(yīng)用情況。歸納總結(jié)各類傳感設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在訓練監(jiān)測中的應(yīng)用。比較分析不同系統(tǒng)的優(yōu)劣勢，指出存在的問題，提出未來發(fā)展方向。

2、關(guān)鍵技術(shù)介紹

2.1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

（1）概念及特征。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是指通過信息傳感設(shè)備如RFID、紅外傳感器、GPS 等，將日常物品連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。它實現(xiàn)了人與人、人與物、物與物的信息交互和通信聯(lián)系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要特征包括：①感知能力：使用各類傳感器對物理世界的參數(shù)進行檢測；②網(wǎng)絡(luò)能力：通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸；③智能處理能力：對海量數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)智能決策。

（2）在訓練監(jiān)測中的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為訓練監(jiān)測提供了有力支撐。具體應(yīng)用包括：①訓練環(huán)境監(jiān)測。訓練場地可以設(shè)置傳感節(jié)點，檢測溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)，并與氣象站資料結(jié)合，為運動員選擇最佳訓練條件。如在射箭訓練場地設(shè)置溫濕度傳感器，與氣象站天氣信息結(jié)合，判斷風力是否適宜射箭運動員訓練；②運動員生理監(jiān)測。使用可穿戴傳感器采集心率、呼吸等生理數(shù)據(jù)，與位置跟蹤結(jié)合，實現(xiàn)對運動員狀態(tài)的實時監(jiān)控。如使用可穿戴心率監(jiān)測帶,采集游泳運動員在泳池中的實時心率變化,判斷身體狀態(tài)；③技術(shù)動作監(jiān)測。使用視覺傳感器捕捉運動員動作，結(jié)合算法分析判斷技術(shù)動作的正確性。如使用視覺識別系統(tǒng)，分析體操選手的動作規(guī)范性，給出技術(shù)動作評分；④綜合評估分析。多源異構(gòu)傳感數(shù)據(jù)融合，進行訓練強度、負荷的量化評估，給出運動處方改進意見。如結(jié)合心率、速度等多源數(shù)據(jù),評估足球運動員每次訓練的負荷量化指標；⑤訓練管理優(yōu)化。傳感網(wǎng)絡(luò)與教練系統(tǒng)連接，智能分析訓練情況，支持教練決策，優(yōu)化訓練管理。如智能分析系統(tǒng)與教練平臺連接,根據(jù)訓練監(jiān)測數(shù)據(jù)幫助教練制定訓練計劃。

2.2、可穿戴傳感技術(shù)

（1）工作原理。

可穿戴傳感技術(shù)是利用微電子技術(shù)，將各類傳感器制作成微型芯片或組件，集成在可穿戴設(shè)備中，這些設(shè)備可以實時獲取佩戴者的生理參數(shù)，包括心率、呼吸、體溫、肌電等，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理，通過算法過濾噪聲、分割時間段、提取特征等，然后使用藍牙、WiFi 等方式進行無線數(shù)據(jù)傳輸，最后基于云平臺對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行融合、建模、分析，從而實現(xiàn)監(jiān)測的高效智能化。

（2）典型設(shè)備。

目前可穿戴傳感設(shè)備種類繁多，應(yīng)用廣泛。典型的有：①智能手環(huán)：可以監(jiān)測運動員的心率變化，評估訓練強度；②智能眼鏡：可以為運動員提供第一視角錄像，分析技術(shù)動作；③智能運動服：可以測量運動員矯形和姿態(tài)信息，判斷動作規(guī)范性；④智能球鞋：可以測試球員的跳躍力和著地沖擊力；⑤智能游泳衣：可以檢測游泳者的游動軌跡、擊臂頻率等。在體育訓練中，這些可穿戴設(shè)備都有著廣泛的應(yīng)用前景。它們可以為運動員和教練員提供詳細、客觀、實時的活動監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3、在體育訓練中的應(yīng)用潛力與面臨挑戰(zhàn)

（1）優(yōu)勢。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與可穿戴傳感技術(shù)有機結(jié)合應(yīng)用于體育訓練監(jiān)測，可以實現(xiàn)對訓練環(huán)境多參數(shù)的智能化檢測，為制定科學的訓練方案提供支持；同時，實時監(jiān)測運動員的生理狀態(tài)和技術(shù)動作，可以更好地評估訓練強度、負荷及運動技能，并以采集的海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行數(shù)據(jù)分析、處理和反饋，最終實現(xiàn)個性化的智能化訓練指導。相較于單一技術(shù)，這種多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合利用充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，極大地提升了訓練監(jiān)測的智能化、精確化和可視化水平。

（2）面臨的挑戰(zhàn)。

在充分發(fā)揮結(jié)合應(yīng)用優(yōu)勢的同時，也面臨一些挑戰(zhàn)需要解決：①異構(gòu)數(shù)據(jù)之間存在語義、格式、時空等差異，進行有效聚合與融合是首要問題；②海量數(shù)據(jù)的快速處理與分析，對算法優(yōu)化提出要求；③個體間生理特征差異需要考慮，進行個性化建模；④智能分析模型的構(gòu)建和迭代優(yōu)化，需要大數(shù)據(jù)采集積累。

3、應(yīng)用案例分析

3.1、心率監(jiān)測系統(tǒng)

心率監(jiān)測是訓練中的重要生理參數(shù)。但長時間高強度訓練會導致心率失常，影響訓練效果甚至損害身體。傳統(tǒng)心率監(jiān)測方式包括脈搏和心電儀，存在誤差大、不連續(xù)、限制活動等問題。運動員和教練無法實時獲取心率變化信息，無法及時調(diào)整訓練計劃。如何進行連續(xù)準確的心率監(jiān)測是訓練中亟需解決的問題。

采用PPG 光電傳感技術(shù)的智能手環(huán)，基于光電技術(shù)測量血液流量變化，可以持續(xù)準確監(jiān)測心率。運動員訓練時佩戴該設(shè)備，通過藍牙將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)浇邮战K端。終端將數(shù)據(jù)上傳到云分析平臺，在該平臺中，心率數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波、映射等處理，并以時間序列的圖像方式顯示在教練端的APP 上。教練可以查看每個運動員的實時心率變化曲線。這種可穿戴的光電心率監(jiān)測方案，實現(xiàn)了對心率的連續(xù)測量和實時傳輸，解決了長時間訓練監(jiān)測的難題。

該可穿戴心率監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對訓練全過程心率變化的連續(xù)測量和實時反饋，使教練可以根據(jù)運動員的心率曲線判斷訓練強度是否合理，及時調(diào)整計劃以防止心率失常；同時，運動員也可以隨時查看自己的心率變化，及時調(diào)整狀態(tài)，避免過度疲勞。相較于傳統(tǒng)方式，該系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測有助于更準確評估不同強度訓練的效果影響，并且可以積累海量心率數(shù)據(jù)，建立個體化的心率特征模型。總體來說，該系統(tǒng)顯著提高了訓練監(jiān)測的連續(xù)性、準確性和智能化。

3.2、運動姿態(tài)評估系統(tǒng)

在競技體育訓練中，運動員的技術(shù)動作準確與否對比賽成績有著至關(guān)重要的影響。以競技體操為例，裁判在評分時，會從多個方面檢驗運動員的動作完成質(zhì)量，包含身體部位的點到點動作軌跡、身體各部分的校準一致性、保持穩(wěn)定控制的能力等。稍有不慎就可能導致動作扣分。然而人眼很難觀測到這些微小的動作缺陷，教練依靠經(jīng)驗評估也存在主觀性，難以找到運動員姿態(tài)中的確切問題原因，給出針對性改進措施。這導致運動員技術(shù)進步緩慢，難以在短時間內(nèi)取得突破。因此，如何實現(xiàn)運動中準確和自動化的姿態(tài)評估是訓練監(jiān)測與優(yōu)化中亟待解決的難題。

可穿戴運動追蹤傳感器系統(tǒng)與計算機視覺技術(shù)的融合方案，可實現(xiàn)運動姿態(tài)的智能化評估與診斷。傳感器系統(tǒng)包含了多個微小的IMU(慣性測量單元)傳感器，它集成了陀螺儀、加速度計等裝置，可以捕捉各個方向的運動數(shù)據(jù)。傳感器固定在運動員的主要關(guān)節(jié)位置，如腕部、肘部、膝部等,運動中它們會同步采集各關(guān)節(jié)的運動參數(shù)；同時，利用安裝在訓練場館內(nèi)的多個攝像頭,以不同角度拍攝運動全過程，獲取運動員身體多視角的圖像信息。兩路數(shù)據(jù)融合后，輸入到姿態(tài)評估算法中，自動實現(xiàn)對運動員關(guān)鍵點的提取、運動軌跡建模、與標準模型的匹配比對。最終算法可以給出運動員姿態(tài)動作的準確度評分，并定位出現(xiàn)問題的關(guān)節(jié)部位，輸出問題修改建議。通過運動追蹤傳感器與計算機視覺技術(shù)的融合應(yīng)用，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對運動姿態(tài)的自動化捕捉、建模、評估和診斷。

相較于傳統(tǒng)的主觀經(jīng)驗評估，這一基于傳感追蹤和計算機視覺的運動姿態(tài)智能評估系統(tǒng)實現(xiàn)了過程的客觀化、結(jié)果的精確化、反饋的實時化以及評估的自動化。它可以準確定位出現(xiàn)微小問題的關(guān)節(jié)，對運動員個體進行針對性地技術(shù)改進指導，避免主觀性誤判。同時，它輸出的評分結(jié)果，也可為裁判提供新的決策依據(jù)。該系統(tǒng)建立的個體化模型,將更深入地揭示不同運動員的技術(shù)特點,制定個性化的訓練方案?？傮w上，這一方案將大幅提升體育訓練的科學化和智能化水平，推動競技體育向更高層次發(fā)展。

3.3、足球訓練效果評價系統(tǒng)

在足球高層教練組的日常體能訓練中，合理選擇訓練方式，確定最佳的訓練方案對于提高球員素質(zhì)和競技狀態(tài)至關(guān)重要。傳統(tǒng)依靠教練經(jīng)驗和主觀感受很難對不同體能訓練方式的效果做出準確定量的評估。例如，對于增強爆發(fā)力，間歇性高強度訓練與穩(wěn)定低強度長時間訓練，兩種手段的效果究竟孰優(yōu)孰劣是難以判定的。另外不同體質(zhì)的球員，同一訓練方式的適宜程度也存在差異。如何實現(xiàn)對訓練效果進行精確化、定量化的評估是教練組一直關(guān)注的難題。

為實現(xiàn)科學化的足球訓練效果評估，某公司研發(fā)了一套可穿戴的多傳感器系統(tǒng)，讓球員在日常體能訓練中佩戴。這套系統(tǒng)的核心是一個多源信息融合的智能算法平臺。系統(tǒng)首先通過輕薄型可穿戴傳感器采集球員訓練中產(chǎn)生的各類生物數(shù)據(jù)。這些傳感器固定在球員身體的關(guān)鍵部位,可實時檢測心電活動、肌電特征、呼吸頻率、體溫變化、肢體運動加速度等參數(shù)。例如心率監(jiān)測傳感器使用光學技術(shù),捕捉球員脈搏信息,計算心率、心率變異性等；肌電傳感器測量肌肉收縮狀態(tài)下的微弱電流變化；加速度傳感器檢測肢體做各種動作時的角速度、位移、震動和沖擊參數(shù)。各類傳感器的數(shù)據(jù)通過低功耗藍牙技術(shù)無線傳輸?shù)讲杉K端。然后這些源自球員身體的多維生物數(shù)據(jù),會實時傳輸?shù)皆贫说闹悄芩惴ㄆ脚_。平臺集成了針對不同訓練目標,如提高速度、力量、靈活性等,優(yōu)化設(shè)計的機器學習模型。這些模型可以輸入傳感器數(shù)據(jù),經(jīng)過特征提取、模型訓練、結(jié)果預(yù)測等流程,最終輸出不同訓練方式對各項體能指標的影響評估。同時,平臺可以生成每個球員個性化的訓練效果報告。報告考慮了體質(zhì)、年齡、數(shù)據(jù)歷史等因素,給出定制的訓練建議。可以看出,這一系統(tǒng)實現(xiàn)了對足球訓練效果精確化、智能化的評估,輸出科學的指導建議,將大幅提升訓練決策的效果。

相較傳統(tǒng)主觀評估，這一系統(tǒng)運用傳感器采集的生物學數(shù)據(jù)，結(jié)合智能算法模型，實現(xiàn)了訓練效果評價的定量化、客觀化、個體化和科學化。它可以準確判斷不同訓練方式的效果，輸出個性化建議，避免盲目試誤，讓有限訓練資源發(fā)揮最大效用。系統(tǒng)智能的實時評估，減少了大量手工分析的人力成本。與此同時，積累的數(shù)據(jù)支持模型優(yōu)化與技術(shù)創(chuàng)新?？傮w上，該系統(tǒng)顯著提升了足球訓練的智能化水平，使訓練效果最大化。

4、展望與建議

4.1、技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）傳感器微小化。隨著MEMS 和印制電子學等微納制造技術(shù)的進步，各類體育傳感器正快速向著微型化和便攜化方向發(fā)展。種種跡象表明，未來傳感器的體積和重量將大幅縮減，易于佩戴和植入，應(yīng)用場景更為廣泛。例如匯聚硅光子學和柔性材料技術(shù)的皮膚傳感貼片，直徑僅2cm，厚度0.3mm，可以無縫地粘貼在皮膚表面，采集多種生理參數(shù)。這類新型薄如蟬翼的傳感器，必將極大促進體育訓練監(jiān)測系統(tǒng)的擴展與應(yīng)用；

（2）低功耗通信。無線通信技術(shù)也在不斷進步，以滿足可穿戴設(shè)備的超低功耗連接需求。例如藍牙5 標準增強了傳輸距離與速率，同時降低功率約4 倍。更先進的藍牙5.1 可實現(xiàn)功率減少10 倍之多。此外，NB-IoT 等狹帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具備更廣覆蓋范圍與深入室內(nèi)的能力，可實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的高效部署。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，傳感器數(shù)據(jù)能以更低的能耗、更高的速率實時傳輸?shù)皆贫耍行Ы鉀Q了早期系統(tǒng)的連接與續(xù)航問題；

（3）云端算力提升。云計算平臺與AI 算法的發(fā)展也為訓練監(jiān)測系統(tǒng)提供了強大支持。云服務(wù)器的運算與存儲成本大幅降低，可以處理海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。同時，基于深度學習的模型訓練技術(shù)進步顯著，使得智能算法得以從數(shù)據(jù)中自動萃取價值。這些云端的計算能力提升，使復雜的訓練效果建模與個性化預(yù)測成為可能，是訓練監(jiān)測系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)。

4.2、技術(shù)集成創(chuàng)新方向

隨著各項核心技術(shù)的進步，訓練監(jiān)測系統(tǒng)正在加速向綜合性、智能化的方向發(fā)展。主要的創(chuàng)新方向包括：

（1）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合。結(jié)合不同類型傳感器采集的多維數(shù)據(jù)，以及視頻追蹤、GPS 定位等信息資源，構(gòu)建綜合性的數(shù)據(jù)融合平臺，實現(xiàn)對運動員生理狀態(tài)和環(huán)境情況的全面感知，為后續(xù)智能分析提供信息支持。例如，心率與速度的組合檢測可以判斷心肺功能；肌電圖與動作視頻的融合可以分析肌肉使用模式。復雜的特征提取與數(shù)據(jù)清洗技術(shù)是實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵；

（2）個性化的建模與預(yù)測。收集用戶的身高、體重、年齡等體質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)合長期的訓練數(shù)據(jù)，應(yīng)用深度學習技術(shù)個性化建模。訓練監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)不同人群的特點，實現(xiàn)針對性強的訓練效果預(yù)測。同時，可以通過記錄用戶對反饋結(jié)果的評價，不斷完善算法，實現(xiàn)精準建模。這種個性化運動醫(yī)學可以大幅提升訓練的針對性；

（3）結(jié)果的可視化顯示與解釋。文本報告很難被用戶理解，將模型輸出用圖表、動畫等可視化方式表達，并輔以語音、圖像等說明，可以顯著提升用戶體驗。同時，借助語音交互技術(shù)，系統(tǒng)可以解釋結(jié)果，對訓練方案進行多輪對話優(yōu)化，實現(xiàn)人機交互和協(xié)同。可視化解釋是訓練監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的重要一環(huán)。

4.3、提升監(jiān)測效果的設(shè)計思考

要讓運動訓練監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮最大效用，需要從用戶體驗設(shè)計和系統(tǒng)開放性等多個方面進行思考：

（1）簡化設(shè)備配置流程，提高用戶體驗。系統(tǒng)APP 需要提供語音提示，指導用戶按順序佩戴和連接各種傳感設(shè)備，例如佩戴心率帶、插入護膝傳感器等；然后檢測信號強度，確認數(shù)據(jù)流正常，減少使用過程中的失誤。同時，選擇輕薄柔軟的材質(zhì)，確保長時間貼身使用的舒適性。在外形設(shè)計上，也要考慮時尚與個性化，提升用戶的接受度；

（2）擴大系統(tǒng)對新設(shè)備的兼容性。軟硬件接口需要對市面上各類新型傳感器保持開放，并自動完成對異構(gòu)數(shù)據(jù)的標準化處理，無縫集成到后端分析平臺中?？梢栽O(shè)計模塊化的軟件框架，通過程序配置實現(xiàn)對不同通信協(xié)議的快速支持，大幅擴展兼容性。還可以建立開發(fā)者社區(qū)，鼓勵開發(fā)新型周邊設(shè)備；

（3）重視數(shù)據(jù)安全與系統(tǒng)安全。一方面需要利用加密算法、區(qū)塊鏈等技術(shù)，在數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲等每個環(huán)節(jié)對用戶隱私數(shù)據(jù)實現(xiàn)加密保護，防止泄露。另一方面，需要對整個系統(tǒng)的云平臺和終端形成安全防護體系，監(jiān)控并防范來自內(nèi)外部的各種攻擊風險，保證系統(tǒng)安全運行。

5、結(jié)論

本文對基于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴傳感的新監(jiān)測技術(shù)進行了全面而詳實的分析,展望了技術(shù)發(fā)展方向,并給出了切實可行的優(yōu)化設(shè)計思路。分析了微型化傳感器、低功耗通信和云AI 等核心技術(shù)進步帶來的契機，這為訓練監(jiān)測系統(tǒng)向著高效便攜、智能化、綜合性的方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。最后,我們建議從用戶體驗、系統(tǒng)開放性、數(shù)據(jù)安全等多個維度進行思考。這些建議能進一步提升系統(tǒng)的易用性、兼容性與數(shù)據(jù)安全性。這為后續(xù)系統(tǒng)的持續(xù)進步奠定了堅實的基礎(chǔ)。