大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在青少年課外體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用研究

韋 玉，費(fèi)青松

（首都體育學(xué)院計(jì)算機(jī)與統(tǒng)計(jì)學(xué)教研室，北京 100191）

1 概 述

近年來(lái)，我國(guó)青少年體質(zhì)狀況不容樂(lè)觀。由于課業(yè)壓力大、缺乏健身意識(shí)和主動(dòng)性等原因，青少年大部分的體育運(yùn)動(dòng)基本開(kāi)展于校內(nèi)，而校外自主運(yùn)動(dòng)的比例則偏低，除了體育課和學(xué)校開(kāi)展的操練外，缺乏規(guī)律性、針對(duì)性的校外自主鍛煉。對(duì)于耐力型運(yùn)動(dòng)，不少學(xué)生由于缺乏循序漸進(jìn)、科學(xué)化、個(gè)性化的輔助鍛煉，導(dǎo)致在體育課練習(xí)和測(cè)試中暈倒，甚至猝死的現(xiàn)象。目前，雖然青少年體質(zhì)問(wèn)題在一定程度上得到了重視，相關(guān)的改進(jìn)工作也在開(kāi)展，但這些工作往往成效不夠顯著。一方面，這些活動(dòng)一般都依靠學(xué)生在校的課外活動(dòng)時(shí)間組織開(kāi)展，但由于學(xué)生校外的自主健身活動(dòng)的影響因素較多，較難管理和約束。另一方面，目前組織的鍛煉活動(dòng)都是面向群體，缺乏針對(duì)個(gè)體的個(gè)性化指導(dǎo)。而青少年處于身體發(fā)育的主要階段，這是個(gè)體發(fā)展差異較大的一個(gè)階段，個(gè)體之間即使排除性別和年齡差異，對(duì)運(yùn)動(dòng)的需求也不盡相同。因此，我們需要建立起針對(duì)個(gè)體特點(diǎn)的科學(xué)化運(yùn)動(dòng)機(jī)制，幫助青少年制定符合其自身?xiàng)l件的、規(guī)律性、循序漸進(jìn)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，并且保障計(jì)劃的實(shí)施，有效評(píng)價(jià)實(shí)施的結(jié)果。

隨著人工智能及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，智能感知技術(shù)不斷在各領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。得益于無(wú)線通信技術(shù)的支持，我們能夠以更為智慧的方式感知事物；通過(guò)與大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)的結(jié)合，我們可以將感知到的信息轉(zhuǎn)化為知識(shí)從而指導(dǎo)實(shí)踐。本文主要通過(guò)設(shè)計(jì)青少年課外體育運(yùn)動(dòng)輔助系統(tǒng)模型以及對(duì)已有實(shí)踐的分析，論證智能感知技術(shù)在青少年課外運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性，探討開(kāi)辟多樣化、個(gè)性化的青少年校外體育運(yùn)動(dòng)新模式，為提高青少年體質(zhì)水平提供科學(xué)的輔助手段。

2 相關(guān)研究

在體育領(lǐng)域，感知技術(shù)被應(yīng)用在一些運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)研究當(dāng)中，用于監(jiān)測(cè)人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的生理指標(biāo)。在這些應(yīng)用中，相關(guān)設(shè)備一般要求較高的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)成本也比較高。而在運(yùn)動(dòng)健身領(lǐng)域，移動(dòng)感知技術(shù)與健身的結(jié)合也已初見(jiàn)規(guī)模。包括智能手機(jī)、各類(lèi)可穿戴傳感器和設(shè)備在內(nèi)的各類(lèi)健身應(yīng)用層出不窮，比如運(yùn)用智能手機(jī)中內(nèi)置的傳感器和定位功能實(shí)現(xiàn)對(duì)普通健身者運(yùn)動(dòng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)和指導(dǎo)等。此外，還有一些基于可穿戴傳感器的健身指導(dǎo)系統(tǒng)，如Nike+，Adidas miCoach等，通過(guò)便攜、輕巧的傳感器為用戶(hù)提供更為精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。這些已有的應(yīng)用對(duì)于青少年課外運(yùn)動(dòng)，尤其是校外自行鍛煉的引導(dǎo)和督促都具有很好的參考價(jià)值和借鑒意義。通過(guò)運(yùn)用可穿戴移動(dòng)感知技術(shù)，我們能夠隨時(shí)隨地便捷地獲取用戶(hù)的狀態(tài)信息，包括地理位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、時(shí)間、生理指標(biāo)等。通過(guò)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)分析和管理用戶(hù)的基本信息以及傳感器采集的數(shù)據(jù)，我們能夠?qū)τ脩?hù)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行評(píng)估，從而指導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)實(shí)踐。

3 基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的青少年課外體育運(yùn)動(dòng)輔助系統(tǒng)模型

3.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)的可行性

隨著硬件的存儲(chǔ)和處理能力的提高，對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)無(wú)能為力的大規(guī)模數(shù)據(jù)，我們依靠大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)有能力對(duì)其進(jìn)行處理和分析了。在本應(yīng)用中，需要采集并管理大量數(shù)據(jù)，因此，我們考慮采用開(kāi)源的Hadoop框架進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和分析。Hadoop采用Map Reduce的數(shù)據(jù)處理模型，允許大量機(jī)器并行查詢(xún)、分析和處理。目前，已經(jīng)存在不少以Hadoop框架為基礎(chǔ)的成熟應(yīng)用，其在云端的并行處理能力完全能夠服務(wù)于我們的系統(tǒng)模型。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可行性

智能感知技術(shù)是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大背景下發(fā)展起來(lái)的技術(shù)之一。作為支撐起物聯(lián)網(wǎng)“物物相連”設(shè)想的關(guān)鍵技術(shù)，感知技術(shù)在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用。其中，傳感器通過(guò)感受外界信息并按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的監(jiān)測(cè)和控制。而隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，傳感器硬件的小型化，可穿戴設(shè)備興起。包括運(yùn)動(dòng)腕表、手環(huán)在內(nèi)的各類(lèi)可穿戴健身設(shè)備主要通過(guò)小型的無(wú)線傳感器采集數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。在青少年課外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中，采用目前已有的運(yùn)動(dòng)腕表類(lèi)可穿戴硬件完全能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集和感知的需要，且成本可接受，在實(shí)際應(yīng)用中具備技術(shù)可行性。

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

在本文討論的應(yīng)用中，通過(guò)運(yùn)用云平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)智能感知技術(shù)結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家知識(shí)，我們能夠?yàn)橛脩?hù)提供從生理消耗、超負(fù)荷預(yù)警、運(yùn)動(dòng)量統(tǒng)計(jì)、動(dòng)作規(guī)范性檢查及評(píng)價(jià)等諸多功能。具體功能模塊如下：

3.3.1 運(yùn)動(dòng)計(jì)劃制訂 為確保運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性和科學(xué)性，系統(tǒng)應(yīng)為用戶(hù)提供計(jì)劃制定功能。模塊接受用戶(hù)輸入的基本信息和鍛煉時(shí)間后，根據(jù)專(zhuān)家知識(shí)、用戶(hù)興趣制定具體運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集 通過(guò)加速計(jì)、陀螺儀等各類(lèi)傳感器采集運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和基本生理數(shù)據(jù)，并且運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理后的傳感器數(shù)據(jù)能夠獲取到人體在不同方向上的運(yùn)動(dòng)的幅度和強(qiáng)度等信息，為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃實(shí)施、指導(dǎo)和評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)。3.3.3 數(shù)據(jù)分析 該功能模塊為整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，其中具體的功能配置根據(jù)不同的需求可以適當(dāng)選擇和調(diào)整。針對(duì)青少年課外活動(dòng)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)方面的主要功能，一個(gè)是計(jì)劃實(shí)施檢查功能，另外一個(gè)是運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)和評(píng)價(jià)功能。通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、地點(diǎn)定位、傳感器數(shù)據(jù)，我們能夠確認(rèn)青少年是否按計(jì)劃進(jìn)行鍛煉，從而運(yùn)動(dòng)檢查和確認(rèn)。而通過(guò)運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)對(duì)傳感器獲取的學(xué)生運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的具體分析，能有助于了解青少年鍛煉的效果，包括運(yùn)動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的規(guī)范性等。為確保青少年鍛煉的安全性，可以適當(dāng)加入可穿戴生理探測(cè)設(shè)備，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中生理指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。例如通過(guò)監(jiān)測(cè)心率，能夠在超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)過(guò)程中提醒用戶(hù)減輕運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。此外，結(jié)合用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和專(zhuān)家知識(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)\(yùn)動(dòng)的消耗進(jìn)行估計(jì)，從而指導(dǎo)青少年科學(xué)健身，避免肥胖。

圖 1 青少年課外運(yùn)動(dòng)輔助系統(tǒng)模型

圖 2 鍛煉完成情況監(jiān)測(cè)流程圖

3.3.4 分析和評(píng)價(jià)結(jié)果輸出 對(duì)運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施情況及數(shù)據(jù)分析結(jié)果的輸出，除了應(yīng)提供基本的可視化展示功能外，還應(yīng)提供便于教師查看、管理、分析歷史數(shù)據(jù)的功能。因此，可以無(wú)線傳輸?shù)姆绞缴蟼鞯皆破脚_(tái)上，使用大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析和管理，便于不同用戶(hù)（包括：學(xué)生、教師、家長(zhǎng)）跨平臺(tái)搜索、查看。

本應(yīng)用系統(tǒng)的框架模型如圖1所示。該模型的核心是基于可穿戴傳感器的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理和分析。目前，針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)需求，最直接有效的感知設(shè)備是加速計(jì)。此外，陀螺儀、磁力計(jì)等也在一定程度上起到輔助的作用。在硬件技術(shù)上，三軸加速計(jì)和陀螺儀等設(shè)備已經(jīng)較為成熟，其成本低廉、小巧便攜的特點(diǎn)也完全適用于對(duì)普通運(yùn)動(dòng)人群的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)這些設(shè)備采集得到的人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具體表現(xiàn)為多維時(shí)間序列的形式，根據(jù)不同的采樣頻率，我們可以得到不同規(guī)模的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一方面可以通過(guò)算法進(jìn)行在線處理，另一方面也可以保存在云端，便于各種離線分析。針對(duì)不同的應(yīng)用分析需求，我們可以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的分析算法。例如，通過(guò)人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的智能識(shí)別；通過(guò)時(shí)間序列的相似度匹配和分類(lèi)算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)和評(píng)判。通過(guò)調(diào)研，我們認(rèn)為類(lèi)似的模型已經(jīng)逐漸在不少相關(guān)的應(yīng)用中顯現(xiàn)出實(shí)踐的可行性和實(shí)用性。與傳統(tǒng)依賴(lài)于人力支持的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工作相比，該模型具有明顯的優(yōu)越性。

4 案例分析

在青少年課外體育運(yùn)動(dòng)輔助系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建一個(gè)監(jiān)測(cè)青少年鍛煉任務(wù)完成情況的應(yīng)用案例。通過(guò)對(duì)本案例的流程進(jìn)行分析，并且將其應(yīng)用于實(shí)踐，進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的有效性。

該應(yīng)用的主要功能是根據(jù)專(zhuān)家制定的鍛煉計(jì)劃?rùn)z查青少年用戶(hù)的實(shí)際完成情況。具體的工作包括：系統(tǒng)根據(jù)專(zhuān)家知識(shí)以及青少年用戶(hù)的個(gè)人信息得到鍛煉計(jì)劃；通過(guò)可穿戴運(yùn)動(dòng)傳感器采集用戶(hù)鍛煉數(shù)據(jù)；對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，識(shí)別出用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；判斷用戶(hù)是否按照計(jì)劃規(guī)定完成鍛煉任務(wù)；將鍛煉情況反饋給青少年用戶(hù)本人并發(fā)送給教師和家長(zhǎng)。該流程可表示如圖2。例如，系統(tǒng)根據(jù)青少年用戶(hù)的實(shí)際情況制定出每天慢跑30分鐘。用戶(hù)每天根據(jù)計(jì)劃穿戴上傳感器記錄運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的分類(lèi)算法對(duì)得到的感知時(shí)間序列進(jìn)行分析，可以識(shí)別出該時(shí)間序列所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式。對(duì)符合慢跑模式的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)，達(dá)到30min則表示鍛煉任務(wù)已完成。否則將對(duì)運(yùn)動(dòng)模式不符或者運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)不足的情況分別給予評(píng)判。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們得到，通過(guò)將傳感器佩戴于腰側(cè)，使用三軸加速計(jì)采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用基于DTW相似度匹配嵌入1-NN的算法對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行分類(lèi)，識(shí)別出運(yùn)動(dòng)模式的正確率可達(dá)到90%以上。由此，我們認(rèn)為，基于本模型的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方法有效。

5 總 結(jié)

本研究主要著眼于輔助青少年課外自主運(yùn)動(dòng)的開(kāi)展，運(yùn)用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建青少年課外運(yùn)動(dòng)輔助系統(tǒng)的框架模型。探討將智能感知技術(shù)應(yīng)用于青少年課外體育活動(dòng)中，為運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的制定、實(shí)施、評(píng)價(jià)提供個(gè)性化的指導(dǎo)。該模型旨在為青少年、教師和家長(zhǎng)提供從自動(dòng)化、智能化的信息服務(wù)和技術(shù)支撐。本文從模型實(shí)施的技術(shù)可行性和實(shí)際應(yīng)用的需求分析出發(fā)，論證了該應(yīng)用設(shè)想的有效性。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和已有實(shí)踐的分析我們認(rèn)為，該應(yīng)用對(duì)于改善青少年課外體育鍛煉的現(xiàn)狀以及提高青少年體質(zhì)水平具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。