李國民,張 新

(浙江理工大學(xué) 體育教研部,浙江 杭州 310018)

0 前 言

2015年3月，國務(wù)院發(fā)布《中國足球改革總體方案》，對我國足球改革發(fā)展進(jìn)行了頂層設(shè)計和戰(zhàn)略部署，同時將校園足球活動上升至國家戰(zhàn)略層面?！吨袊闱蛑虚L期發(fā)展規(guī)劃( 2016-2050年)》強(qiáng)調(diào)：“推動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與足球產(chǎn)業(yè)深度融合，重點引入移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)與新業(yè)態(tài)，促進(jìn)足球運(yùn)動多點創(chuàng)新”。由此可見，利用科學(xué)技術(shù)推動校園足球發(fā)展已成為重要手段和校園足球工作者的研究熱點。

準(zhǔn)確掌握足球運(yùn)動特征和訓(xùn)練規(guī)律是進(jìn)行科學(xué)訓(xùn)練的前提條件，只有全面、深入地認(rèn)識和了解足球運(yùn)動特征，才能做到準(zhǔn)確地選擇與足球?qū)ｍ椣喾系挠?xùn)練內(nèi)容、手段及制定相應(yīng)的運(yùn)動負(fù)荷方案，從而有效地組織足球運(yùn)動訓(xùn)練活動。我國學(xué)者徐本力認(rèn)為：運(yùn)動負(fù)荷是指有機(jī)體在承受一定的外部負(fù)荷時，在生理和心理方面所反應(yīng)出來的內(nèi)部負(fù)荷的程度[1]。由此可見，運(yùn)動負(fù)荷由外部負(fù)荷和內(nèi)部負(fù)荷組成。根據(jù)運(yùn)動負(fù)荷產(chǎn)生的場景，可以分為訓(xùn)練負(fù)荷和比賽負(fù)荷。足球比賽負(fù)荷是足球項目的一個重要特征，對足球比賽負(fù)荷的充分認(rèn)識能真正了解比賽對運(yùn)動員所提出的負(fù)荷需求，指導(dǎo)運(yùn)動訓(xùn)練中的負(fù)荷強(qiáng)度、負(fù)荷量、訓(xùn)練方法、訓(xùn)練手段、訓(xùn)練內(nèi)容的設(shè)計與安排等，使足球運(yùn)動訓(xùn)練建立在科學(xué)需求的基礎(chǔ)上，減少訓(xùn)練的隨意性和盲目性，提高訓(xùn)練的針對性和專項性，提高訓(xùn)練的科學(xué)化水平。已有學(xué)者對足球訓(xùn)練負(fù)荷監(jiān)控進(jìn)行了相關(guān)研究，如王晨等[2]，本研究內(nèi)容為足球比賽負(fù)荷：外部負(fù)荷主要從次數(shù)、時間、距離、速度等指標(biāo)進(jìn)行評價；內(nèi)部負(fù)荷主要從心率這個指標(biāo)進(jìn)行評價。

本研究基于UWB技術(shù)，在足球場地四周架設(shè)6個位置固定的定位基站，運(yùn)動員采用腕帶方式佩戴定位標(biāo)簽，臂帶方式佩戴光電心率表，通過AOA定位技術(shù)算法對運(yùn)動員進(jìn)行實時定位，獲取運(yùn)動員位置信息，計算出運(yùn)動員比賽時的速度、距離、沖刺次數(shù)以及心率變化等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對運(yùn)動員比賽負(fù)荷實時監(jiān)測作用，為制定科學(xué)的訓(xùn)練計劃提供依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1研究對象

基于自主研發(fā)的基于UWB的校園足球運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，以高校男子足球運(yùn)動員為研究對象，并在校園足球教學(xué)比賽中進(jìn)行了實際應(yīng)用。

1.2.1 文獻(xiàn)資料法。通過以“UWB”、“校園足球”、“運(yùn)動負(fù)荷”、“監(jiān)測系統(tǒng)”為關(guān)鍵詞，在中國知識資源總庫(CNKI)數(shù)據(jù)庫檢索所得的50余篇文獻(xiàn)進(jìn)行深入分析，為本研究提供理論基礎(chǔ)和實證參考。

1.2.2 軟件工程法。通過UWB技術(shù)及光電心率表相結(jié)合的解決方案來實現(xiàn)校園足球運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)。所需硬件設(shè)備：南京沃旭科技有限公司生產(chǎn)的超寬帶設(shè)備、定位標(biāo)簽以及芬蘭生產(chǎn)的Polar光電心率表。定位系統(tǒng)通過在足球場四周架設(shè)6個基站，實現(xiàn)30cm以內(nèi)的實時定位精度；定位標(biāo)簽頻率設(shè)置為10HZ。心率采集佩戴方式為臂帶，在比賽結(jié)束后用藍(lán)牙連接方式將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，通過相關(guān)軟件的處理，完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。以操作系統(tǒng)"Windows"為系統(tǒng)操作平臺,以矢量化圖形技術(shù)為技術(shù)點,提供給教練員以可視化的操作界面,使用Microsoft Visual Studio.net作為開發(fā)工具來實現(xiàn)。

1.2.3 數(shù)理統(tǒng)計法。采用SPSS20.0 統(tǒng)計軟件對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 系統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)

2.1 跑動距離：球員在上場時間內(nèi)在場上跑動距離之和；

2.2 高速跑動距離：球員在上場時間內(nèi)速度達(dá)到高速跑的跑動距離之和；

2.3 有效跑動距離：球員在上場時間內(nèi)速度達(dá)到中速跑及以上跑動距離之和；

《背影》是朱自清先生寫于1925年的一篇回憶性散文，講述了普通小人物的平凡小事。文章以“我”的視野記錄了1917年離開南京前往北京大學(xué)求學(xué)，父子二人車站送別的情景。在人物描寫方面本文不同于一般的抒情散文，它沒有做過多的人物神情、心理、外貌的描寫，而是細(xì)致刻畫了父親的“背影”。對于《背影》這一經(jīng)典敘事性散文的研究，大致分為兩種類型：一種是從文本解讀的角度分析課文的主題、情感、人物形象等內(nèi)容，《背影》隨著時代的變遷，人們對其主題的解讀也是日漸不同。另一種則是從課堂教學(xué)的角度探討教學(xué)技巧，教學(xué)方式，研究課堂實錄。本文主要研究黃厚江《背影》的課堂實錄，對他的教學(xué)語言風(fēng)格做一個解析。

2.4 高速跑動次數(shù)：球員的跑動達(dá)到高速跑范圍并且持續(xù)0.6s以上計做一次高速跑動；

2.5 沖刺跑動距離：球員在上場時間內(nèi)速度達(dá)到?jīng)_刺跑的跑動距離之和；

2.6 沖刺跑動次數(shù)：球員的跑動速度達(dá)到?jīng)_刺跑范圍并且持續(xù)0.6s以上計做一次高速跑動；

2.7 高強(qiáng)度跑動次數(shù)：球員的跑動速度達(dá)到高速跑并且持續(xù)0.6s以上計做一次高強(qiáng)度跑動，即高速跑動次數(shù)和沖刺跑動次數(shù)之和；

2.8 高強(qiáng)度跑平均間歇時間：將沖刺跑和高速跑都定義為高強(qiáng)度跑，計算每兩次高強(qiáng)度跑的間歇時長，累計間歇時長/間歇次數(shù)即為高強(qiáng)度跑平均間歇時間；

2.9 跑動速度：本研究根據(jù)丹麥著名學(xué)者Bangsbo[3]對足球比賽中跑動形式的劃分以及速度區(qū)間制定的思路，同時借簽后續(xù)研究者的研究結(jié)果，結(jié)合校園足球特點，對跑動速度區(qū)間做如下劃分：①走或站立(0.0m/s≤V<1.2m/s)；②慢跑(1.2m/s≤V<2.4m/s)；③低速跑(2.4m/s≤V<4m/s)；④中速跑(4m/s≤V<5.5m/s)；⑤高速跑(5.5m/s≤V<7m/s)；⑥沖刺跑(7m/s≤V)。

3 研究結(jié)果

3.1系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

3.1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)。超寬帶技術(shù)(Ultra-wideband,簡稱UWB)是一種不用載波，而采用時間間隔極小(納秒級)脈沖通訊方式的一種低耗電、高速傳輸?shù)臒o線個人局域網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)[4]。2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會首次批準(zhǔn)該技術(shù)應(yīng)用于民用通信，同年4月，將3.1GH至10.6GHz的頻帶免費(fèi)授權(quán)給超寬帶使用。UWB具有非接觸、非視距、功耗低、安全性高、多徑分辨能力強(qiáng)和定位精度高等優(yōu)點[5]。國內(nèi)在2001年9月初發(fā)布的“十五”國家863計劃通信技術(shù)主題研究項目中，首次將“超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)”作為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究內(nèi)容，鼓勵國內(nèi)學(xué)者加強(qiáng)這方面的研究工作[6]。目前，UWB技術(shù)已在校園中長跑定位跟蹤測試中得到了應(yīng)用[7]。有學(xué)者使用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)來測定運(yùn)動員跑動距離，但GPS定位系統(tǒng)存在一定的缺點[8]：定位精度較低，3-5m；定位頻率低，為1HZ；低速運(yùn)動測量值不準(zhǔn)確；另外，當(dāng)運(yùn)動員集聚時會影響信號接收等。

校園足球運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要是由兩個部分組成：第一部分是定位標(biāo)簽(Tag)和光電心率表。定位標(biāo)簽通過電池供電，能夠發(fā)射超寬帶信號，頻率為10HZ，采用腕帶的方式佩戴；光電心率表佩戴要求必須與皮膚接觸，采用臂帶的方式，與定位標(biāo)簽分開佩戴；第二部分是基站(Sensor)，它是固定在已知坐標(biāo)的位置上，能夠接收從定位標(biāo)簽發(fā)送過來的UWB信號?；局g通過有線的方式連結(jié)組成局域網(wǎng)。各硬件參數(shù)見表1，各硬件外觀見圖1。

表1 系統(tǒng)硬件參數(shù)表

定位標(biāo)簽定位基站光電心率表南京沃旭通訊科技有限公司UT-220-M南京沃旭通訊科技有限公司UA-180O芬蘭POLAR博能心率表polarOH1

圖1系統(tǒng)核心硬件

3.1.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)。本系統(tǒng)軟件主要由感知層、傳輸層、服務(wù)層和顯示層四大層級組成。感知層由定位基站、定位標(biāo)簽以及光電心率表組成，主要用于數(shù)據(jù)的自動采集。定位標(biāo)簽進(jìn)入基站覆蓋范圍內(nèi)時自動登記入網(wǎng)，確定定位標(biāo)簽的配置參數(shù)，并將相關(guān)信息實時上傳。傳輸層是定位標(biāo)簽、基站、服務(wù)器與外部網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸通道，采用無線或有線的方式傳輸。服務(wù)層由UWB定位引擎、接口軟件及系統(tǒng)計算軟件等組成。顯示層由服務(wù)層通過計算后實時顯示定位標(biāo)簽以及場地等位置信息。顯示層主要通過移動端或PC端來顯示。

基于UWB的校園足球運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括主控界面和定位軟件兩部分。主控界面由工具欄、菜單欄、標(biāo)簽欄、監(jiān)控界面和狀態(tài)欄等組成。定位軟件包括了四大模塊：數(shù)據(jù)源設(shè)置、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)庫管理以及網(wǎng)絡(luò)通訊。軟件開發(fā)環(huán)境主要應(yīng)用Microsoft VisualStudio.net 10版，采用MySql作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用 VB.NET為軟件開發(fā)語言完成了定位軟件系統(tǒng)的設(shè)計。

3.1.3 系統(tǒng)定位原理算法。當(dāng)已知坐標(biāo)位置的基站，收到定位標(biāo)簽的UWB信號后，根據(jù)基站接收標(biāo)簽的時間信息、角度信息或強(qiáng)度信息等計算標(biāo)簽的實時位置?；精@得UWB信號主要有3類方法：①利用信號飛行時間(TOF)，基站接收定位標(biāo)簽發(fā)出的信號到達(dá)時間(TOA)，兩個基站接收信號到達(dá)時間差(TDOA)，獲得時間信息；②利用基站接收信號到達(dá)強(qiáng)度(RSSI)，獲得信號強(qiáng)度信息；③利用基站接收信號到達(dá)角度(AOA)，獲得角度信息。二維空間定位至少需要2個基站，三維空間定位至少需要3個基站。根據(jù)校園足球運(yùn)動的實際情況，只需要獲取運(yùn)動員在足球場上的二維空間位置信息即可，考慮到足球場地空間寬廣，基站工作距離有一定的限制，為了能實現(xiàn)足球場全覆蓋，在足球場四周架設(shè)6個基站，確保定位標(biāo)簽在足球場范圍內(nèi)能被實時定位。由于在足球場地內(nèi)屬于視距傳播，沒有障礙物遮擋，本系統(tǒng)采用接收信號到達(dá)角度法(AOA)的定位算法來獲得定位標(biāo)簽的位置信息。

接收信號到達(dá)角度法(AOA)，利用基站接收信號到達(dá)角度進(jìn)行定位[9]，基站全方位感知信號的到達(dá)方向，通過信號與基站的相對角度得出定位標(biāo)簽和基站之間的相對方位或相對角度，兩條基站與定位標(biāo)簽徑向連接線的交點為定位標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。AOA定位的優(yōu)點是直接測量信號的到達(dá)方向角。

在二維空間中，基站坐標(biāo)為：BS1,(x1,y1),BS2,(x2,y2)，定位標(biāo)簽坐標(biāo)為：MS(x,y),定位標(biāo)簽發(fā)出的信號到BS1、BS2的相對角度分別為θ1、θ2，則定位標(biāo)簽MS與基站BS1、BS2可以確定兩條方位線，定位標(biāo)簽的位置坐標(biāo)在這兩條方位線的交點處，二維空間AOA定位原理如圖2所示。

3.2系統(tǒng)信度和效度檢驗

信度和效度是保障研究質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，本文有必要對本系統(tǒng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信度和效度檢驗，以保障研究質(zhì)量。本系統(tǒng)信度是指系統(tǒng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)的可靠程度，它表現(xiàn)為測試結(jié)果的一致性、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性。本研究采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(Intra class Correlation Coefficient，ICC)指標(biāo)來檢驗信度問題， ICC指標(biāo)主要反映了兩組數(shù)據(jù)的一致性程度。本系統(tǒng)效度是指系統(tǒng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)時所具有的準(zhǔn)確程度，主要關(guān)注系統(tǒng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的偏差。本研究采用相對標(biāo)準(zhǔn)值的偏離百分比來檢驗效度問題。

圖2 二維空間AOA定位原理

檢驗方法是通過采用同一位運(yùn)動員左右手腕分別佩戴一個定位標(biāo)簽，左右手臂分別佩戴一個光電心率表，另外在胸前佩戴Polar心率胸帶(Polar心率胸帶的效度已得到廣泛的驗證[10])的方式進(jìn)行。將通過左右手腕標(biāo)簽測試距離之間比較以及與標(biāo)準(zhǔn)距離的比較，左右手臂光電心率表采集心率之間比較以及與Polar心率胸帶采集的心率進(jìn)行比較分析檢驗系統(tǒng)信度和效度問題。鑒于足球運(yùn)動員在比賽或訓(xùn)練中多數(shù)是在變速跑的情況下完成各種動作，為盡可能模擬本系統(tǒng)在變速跑情況下的設(shè)備采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在測試時要求運(yùn)動員在足球場上完成“Z”形的40m變速跑動測試，測試的路線見圖3。其中A點到B點采用低速跑完成，B點到C點采用高速跑完成，C點到D點采用低速跑完成。測試者為浙江理工大學(xué)男子足球隊20名運(yùn)動員，在做好充分的準(zhǔn)備活動后進(jìn)行測試，每名運(yùn)動員測試1次，測試者信息見表2。

圖3 信度和效度測試路徑圖

測試人數(shù)(n)年齡身高(cm)體重(kg)2019.0±1.6175.7±2.172.0±4.7

表3 UWB距離信度測試

表4 心率數(shù)據(jù)信度測試

表5 UWB距離效度測試

表6 心率效度測試

從表3可以看出在組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)上，左腕標(biāo)簽與右腕標(biāo)簽采集的總距離、低速跑動距離、高速跑動距離值在0.90～0.99之間，信度評價為非常好。從表4可以看出在組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)上，左臂心率表與右臂心率表采集的最高心率和平均心率均為0.99，信度評價為非常好。從表5可以看出標(biāo)簽采集的總距離、低速跑動距離、高速跑動距離與標(biāo)準(zhǔn)距離的相對標(biāo)準(zhǔn)值偏高百分比在0.2%～0.7%之間，表現(xiàn)出了較高的效度。從表6可以看出光電心率表與Polar心率胸帶在最高心率和平均心率的相對標(biāo)準(zhǔn)值偏高百分比在0.4%～0.7%之間，表現(xiàn)出了較高的效度。由此認(rèn)為本系統(tǒng)設(shè)備在不同速度下采集到的距離數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)擁有較高信度和效度，可以在校園足球運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測中進(jìn)行使用。

4 應(yīng)用分析

足球比賽負(fù)荷反映了比賽的需要，是設(shè)計科學(xué)訓(xùn)練內(nèi)容的重要參考依據(jù)，也是合理安排訓(xùn)練負(fù)荷的出發(fā)點和落腳點。足球比賽負(fù)荷同時也可以反映運(yùn)動員在比賽中競技能力的表現(xiàn)情況，在實踐中是教練員對球員的比賽表現(xiàn)進(jìn)行分析和評估的重要內(nèi)容和依據(jù)。本系統(tǒng)在浙江理工大學(xué)男子足球隊備戰(zhàn)2018年浙江省高校校園組A組比賽期間進(jìn)行了實際應(yīng)用。浙江理工大學(xué)男子足球隊在校園足球發(fā)展的道路上，秉承“足球是一項運(yùn)動，更是一種精神”的理念，結(jié)合先進(jìn)運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，采用科學(xué)訓(xùn)練的方法，在2018年11月浙江省高校校園組A組比賽中獲得浙江省冠軍?，F(xiàn)選取2018年9月一場足球教學(xué)比賽做案例分析，解析本系統(tǒng)對足球比賽負(fù)荷的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.1球員信息與標(biāo)簽綁定

在比賽開始前，根據(jù)出場隊員名單，完成隊員信息與標(biāo)簽及心率表的綁定工作，最終實現(xiàn)手持終端能實時顯示每位球員場上位置，如圖4。

圖4 球員位置實時顯示

4.2球員跑動和心率數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)能統(tǒng)計球員上場比賽時長、比賽最高心率、整場平均心率、跑動距離、高速跑動距離、沖刺跑動距離、高強(qiáng)度跑平均間歇等數(shù)據(jù)。在本場教學(xué)比賽中10號隊員和42號隊員最高心率達(dá)205次，42號隊員全場比賽平均心率為181次，全隊平均心率為171次。有研究顯示，不同年齡段的青少年系列足球比賽中，平均心率大約在164～171次左右，與成人男子足球運(yùn)動員的比賽中的平均心率175次基本持平[11]。42號隊員在場上位置為右邊前衛(wèi)，參加進(jìn)攻與防守，比賽負(fù)荷較大。上半場全隊跑動距離為47 470m，下半場全隊跑動距離為45 785m，全場全隊跑動距離93 255m，除去守門員的跑動距離外，人均跑動距離在9 000m左右，7號隊員本場教學(xué)比賽跑動距離最多，達(dá)到10 348m。有2名隊員在本次教學(xué)比賽中跑動距離超過10 000m，有2名隊員跑動距離在9 500m以上。成人足球比賽中一名運(yùn)動員大概要完成10 000～13 000m的跑動距離，浙江理工大學(xué)男子足球隊跑動距離與成人足球隊的跑動距離已相差不多，這說明浙江理工大學(xué)男子足球隊運(yùn)動員具有較強(qiáng)的奔跑能力，也是球隊重點進(jìn)行體能強(qiáng)化訓(xùn)練的結(jié)果。高速跑動距離和沖刺跑動距離最多者分別是28號隊員和10號隊員。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，浙江理工大學(xué)男子足球隊的中場隊員在比賽中跑動距離、跑動次數(shù)以及平均心率等排在前列，這與其他學(xué)者研究結(jié)果相似。中場隊員是所有隊員中跑動距離最多的，是球隊進(jìn)攻的組織發(fā)起者以及防守時重要區(qū)域的守護(hù)者。在我國青少年足球比賽中，比賽的跑動表現(xiàn)情況并不是影響比賽結(jié)果的關(guān)鍵因素，但是從數(shù)值上來看，比賽獲勝的隊伍大多數(shù)指標(biāo)的數(shù)值均要高于失利的比賽隊伍的數(shù)值，特別是在高強(qiáng)度跑指標(biāo)方面，這可能說明積極的跑動表現(xiàn)對比賽結(jié)果也具有積極的重要作用。

5 結(jié) 論

基于UWB的校園足球運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)通過量化運(yùn)動員在比賽過程中的負(fù)荷，幫助教練員對訓(xùn)練和比賽過程進(jìn)行更加精確的控制，進(jìn)而最大程度的提高運(yùn)動員的競技能力和降低運(yùn)動損傷的風(fēng)險，同時有助于發(fā)現(xiàn)運(yùn)動員的優(yōu)勢與劣勢，為制定訓(xùn)練計劃和合理安排技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)反饋依據(jù)。另外，在校園足球發(fā)展過程中，科學(xué)利用運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，將成為協(xié)助校園足球發(fā)展的重要手段，為進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析提供有力的數(shù)據(jù)支撐。