基于數(shù)據(jù)分析的軍人戰(zhàn)斗體能訓練與評估

衡祥安，曾子林

關鍵字：戰(zhàn)斗體能；數(shù)據(jù)分析；體能訓練；量化評估

0 前言

美國陸軍戰(zhàn)斗健身測試指出， 諸多的體能因素在訓練實踐中并不能獨立形成，身體訓練不應僅限于力量、耐力等體能因素，更要重視體能與軍人專業(yè)技術和動作技能的融合，避免過分強調(diào)速度、協(xié)調(diào)、柔韌等體能概念而誤導訓練（United States Army net，2018）。我軍的體能訓練同樣以實戰(zhàn)需求和戰(zhàn)斗任務為牽引，按照訓練條令條例和大綱規(guī)定，分為基礎體能、實用技能、崗位能力和綜合應用訓練。從戰(zhàn)斗力生成過程看，在身體機能訓練基礎上，戰(zhàn)斗要素逐漸增加，最終目的是使身體機能滿足戰(zhàn)斗任務的需要。在戰(zhàn)斗體能訓練中，針對不同環(huán)境、不同階段、不同時期、不同作戰(zhàn)任務和不同軍兵種的不同專業(yè)崗位，戰(zhàn)斗體能訓練內(nèi)容、方法和手段也有所不同，如針對高寒山地作戰(zhàn)的高寒適應能力訓練和低壓缺氧能力訓練，針對渡海登島作戰(zhàn)的抗眩暈能力訓練和強渡水域能力訓練等。綜上，需要對戰(zhàn)斗體能訓練及評估等相關概念進行明確。

傳統(tǒng)的體能訓練主要根據(jù)組訓人員的相關經(jīng)驗來制定訓練目標和訓練計劃，評估方法以定性方法為主，缺乏一定的客觀性和科學性。訓練數(shù)據(jù)能夠較客觀地反映受訓者的訓練狀態(tài)、水平以及能力生成過程，因此，本研究面向戰(zhàn)斗任務，以軍校學員為研究對象，采集各類訓練數(shù)據(jù)，通過對訓練數(shù)據(jù)的分析尋找訓練規(guī)律，創(chuàng)新訓練方法，進行有針對性的訓練。在對訓練結果的評估上，從戰(zhàn)斗任務出發(fā)，自頂向下建立戰(zhàn)斗體能評估模型。

1 戰(zhàn)斗體能相關概念

戰(zhàn)斗力是武裝力量遂行作戰(zhàn)任務的能力，由人、武器裝備和人與武器裝備的結合等基本要素構成。 體能是指人體器官系統(tǒng)的機能在體育活動中表現(xiàn)出來的能力，體現(xiàn)的是人在身體機能方面的能力，即身體素質(zhì)，是戰(zhàn)斗力的載體（陳博，2007）。 而戰(zhàn)斗體能是指軍人為了能夠滿足戰(zhàn)斗或崗位職責的需要，遂行任務并能持續(xù)戰(zhàn)斗以取得勝利的身體工作能力，除了身體機能外，更體現(xiàn)了在戰(zhàn)斗行動中身體機能與武器裝備、戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)斗技能等因素的結合，是戰(zhàn)斗力載體在戰(zhàn)斗中貢獻出的具體能力（圖1）。

圖1 戰(zhàn)斗體能概念Figure 1. Concept of Combat Physical Fitness

戰(zhàn)斗體能訓練是指在身體素質(zhì)訓練的基礎上，為了讓身體機能更能滿足戰(zhàn)斗需要所進行的針對性訓練（李朝武等，2016）。 它是將戰(zhàn)斗體能轉(zhuǎn)化為戰(zhàn)斗力的一個重要環(huán)節(jié)，是軍事技戰(zhàn)術訓練的基礎。由于軍隊組織訓練的特殊性，戰(zhàn)斗體能訓練一般采取集體組織、個體參與的形式進行，部分訓練科目存在群體間的協(xié)調(diào)配合。對受訓者來說，由于兵源、訓練經(jīng)歷等因素的不同，個體間存在很大差異，需要在統(tǒng)一組織訓練的基礎上對負荷大小、訓練方法等方面進行有針對性的安排。戰(zhàn)斗體能訓練有明確的目的性和計劃性，任務部隊需要在特定的時間具備相應的戰(zhàn)斗能力水平，這是部隊保持戰(zhàn)斗力的需要，因此，需要基于訓練數(shù)據(jù)分析制定明確的訓練目標和計劃，保證決策的科學性和有效性。

戰(zhàn)斗體能評估是指面向具體戰(zhàn)斗任務，對軍人完成任務應具備的身體機能和適應能力進行評估，其本質(zhì)是評估身體機能對完成戰(zhàn)斗任務的貢獻程度，而非一般意義上對身體機能的考核評估。戰(zhàn)斗體能考核評估的目的是通過完成戰(zhàn)斗任務的評估結果反饋，根據(jù)評估模型，預測完成某項戰(zhàn)斗任務所需的基礎體能水平，對訓練目標和計劃的制定給予科學指導。

2 戰(zhàn)斗體能訓練數(shù)據(jù)采集

軍校學員的戰(zhàn)斗體能訓練，在訓練內(nèi)容和科目設置上，主要包括基礎體能、實用技能、崗位能力和綜合應用訓練。其本質(zhì)是按照戰(zhàn)斗力生成的規(guī)律，從基礎體能訓練開始，逐漸將體能與武器裝備、戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)斗技能等要素結合起來，直至能滿足遂行戰(zhàn)斗任務的需求（李朝武 等，2016；張起超，2017）。

2.1 數(shù)據(jù)采集對象

軍校學員主要有兩種類型，高等教育類學員和任職培訓類學員。在教學訓練中，高教類學員注重能力的生成，在體能訓練方面，隨著年級的增加，逐步在基礎體能訓練基礎上融合技能、崗位專業(yè)和實戰(zhàn)科目，對訓練數(shù)據(jù)的分析重在發(fā)現(xiàn)能力的生成過程和規(guī)律；任職培訓類學員更注重能力在作戰(zhàn)中的應用，主要結合戰(zhàn)術背景進行綜合性訓練，對訓練數(shù)據(jù)的分析重在評估體能對戰(zhàn)斗行動的支撐作用。

2.2 數(shù)據(jù)采集類型

采集數(shù)據(jù)類型分為3個維度：1）生物指標維度，包括身體形態(tài)（如身高、體重、臂長、心臟縱橫徑、胸圍等）、機能指標（心率、血壓、肺活量、血氧、血糖等）和生物特征（DNA、RNA等），該維度是對各項能力的靜態(tài)測度；2）能力表現(xiàn)維度，包括過程數(shù)據(jù)和結果數(shù)據(jù)，過程數(shù)據(jù)是訓練過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如區(qū)間步數(shù)、階段時間（RFID）等，結果數(shù)據(jù)包括訓練成績、考核成績、比武成績和演習表現(xiàn)等，該維度是各項身體機能在具體行動中的運動表現(xiàn)；3）戰(zhàn)斗任務維度，包括天氣、戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)斗任務描述等，是對具體戰(zhàn)術行動任務的描述（圖2）。這3個維度的數(shù)據(jù)互有關聯(lián)，例如，在進行5 km越野訓練時，既要采集訓練時的心率、訓練前后的血壓、血氧等數(shù)據(jù)，又要采集訓練成績、步數(shù)等數(shù)據(jù)，同時還要記錄訓練時的天氣、場地、攜帶武器裝備、協(xié)同等任務相關數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集類型Figure 2. Type of Collected Data

2.3 數(shù)據(jù)采集方法

數(shù)據(jù)采集方法包括自動采集、人工采集兩種方式。在訓練數(shù)據(jù)中，能力表現(xiàn)維度中的結果數(shù)據(jù)包括日常訓練數(shù)據(jù)、定期考核數(shù)據(jù)和比武競賽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，是采集的重點。受采集設備、組訓模式和經(jīng)費的限制，該維度數(shù)據(jù)主要依托陸軍步兵學院數(shù)字化校園建立訓練數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，采用自動與人工相結合的方式進行常態(tài)化采集維護。自動采集通過兩種方式：1）智能手環(huán)采集日常步數(shù)、心率、睡眠等數(shù)據(jù)（Yuan et al.，2016）；2）障礙場、跑道上設置的RFID感應設備采集通過各區(qū)間段的時間數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)是訓練過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，訓練的最終成績以半人工采集為主，借助部分智能化設備提高采集效率。

2.4 數(shù)據(jù)使用機制

為保證人工采集數(shù)據(jù)的真實性，本研究對訓練、考核和比武數(shù)據(jù)的采集和使用機制做了一定的區(qū)分。日常訓練科目眾多，訓練頻繁，一般由被訓者（或被訓單位）自主組織，數(shù)據(jù)采集量大，訓練數(shù)據(jù)由被訓者（或被訓單位）自主持續(xù)采集上報，反映的是日常的訓練情況，從長期的數(shù)據(jù)可以分析出體能的生成過程和訓練規(guī)律（張冉冉，2019）。但為了保證數(shù)據(jù)的真實性，日常訓練數(shù)據(jù)不能作為評估訓練質(zhì)量的主要依據(jù)，更不能用在考評、評比上。定期考核科目有明確的規(guī)定，一般由考核人員組織，學員普遍參考，其權威性較高，考核數(shù)據(jù)是進行考評、評比的主要依據(jù)，體現(xiàn)了訓練的階段性成果。比武競賽科目可看成是具體戰(zhàn)斗任務，一般是多個科目的組合，實戰(zhàn)化程度較高，與戰(zhàn)斗任務結合緊密，參賽學員 一般為訓練尖子，體現(xiàn)了部隊訓練的最高水平，分析時可作為最高標準的參考。

3 基于數(shù)據(jù)分析的戰(zhàn)斗體能訓練指導

戰(zhàn)斗體能訓練有很強的針對性，不同的戰(zhàn)斗任務、專業(yè)崗位，對體能的要求不盡相同。利用大數(shù)據(jù)技術對多維度訓練數(shù)據(jù)進行關聯(lián)分析和深度挖 掘（王王，2017；袁守龍，2018），是研究戰(zhàn)斗體能訓練規(guī)律和創(chuàng)新訓練方法的新途徑，本研究主要采用統(tǒng)計分析和關聯(lián)分析兩種分析方法。

3.1 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析是最基本直觀的分析方法，可以通過對數(shù)據(jù)分析各科目記錄值頻率的分布、最大值、最小值、均值、方差、中間值及異常點，結合訓練計劃進行橫向和縱向的對比分析，發(fā)現(xiàn)不同類型人員在訓練中存在的問題，吸收借鑒好的訓練方法，進而調(diào)整科目設置、組訓方式、時間安排和訓練強度，以達到更好的訓練效果。通過利用假設檢驗方法可以對不同的組訓方式進行比較，進而挑選出有效的組訓方式。通過對戰(zhàn)斗體能訓練記錄類似的單位和個人進行聚類分析，可以區(qū)分訓練等級，將訓練水平相當?shù)娜藛T組成訓練小組。通過利用主成分分析方法對所有記錄進行關鍵因素抽象提取，可以分析對某一項目影響最大的關鍵科目，進行有重點的訓練。

大比武科目為陸軍步兵學院軍事體育教研室自創(chuàng)的一個戰(zhàn)斗體能競賽項目。圖3是對某次大比武中400 m障礙成績進行處理后的各類統(tǒng)計對比，通過分析可以發(fā)現(xiàn)不同類型單位、專業(yè)、學員的訓練情況。例如15隊、16隊學員的平均水平明顯低于其他隊，這兩個隊隸屬同一個大隊，說明該大隊體能訓練的程度不足，需在后期加以改進；12隊學員成績比較集中，學員間成績差距不大（圖3A）；摩托化步兵分隊指揮專業(yè)學員400 m障礙的異常值較多，在平時訓練中應有重點的對這部分學員給予關注，科學制定訓練計劃，通過相互幫帶的方式提升整體水平（圖3B）；每個專業(yè)的推薦學員（比武分為推薦學員和隨機抽選學員員）平均成績和尖子成績均優(yōu)于抽選學員，但下限不如抽選學員，且方差較大，說明推薦學員本身個體之間差別較大（圖3C）；分流以及優(yōu)秀士兵保送學員成績普遍優(yōu)于大學生士兵提干和國防生學員，提示，需要加強國防生和大學生提干學員的體能訓練，這也說明，不同兵源以及訓練經(jīng)歷等因素對成績均有影響（圖3D）。

3.2 關聯(lián)分析

軍事體育訓練內(nèi)容主要分為基礎體能訓練、實用技能訓練、崗位適應訓練、綜合應用訓練4個方面。這4個方面覆蓋從基礎到應用，且訓練科目之間存在相互支撐作用，比如，基礎體能的訓練成果（如啞鈴、原木、俯臥撐）對實用技能的生成（如400 m障礙、格斗）有一定程度的影響；而崗位適應訓練（如高寒適應）與綜合應用訓練（如軍事五項）的結果，也在一定程度上受基礎體能與實用技能訓練成果的影響（劉莉，2016）。

利用散點圖、相關系數(shù)、回歸分析、信息熵等方法可對各科目訓練數(shù)據(jù)進行關聯(lián)性分析，發(fā)現(xiàn)體能與技能、戰(zhàn)術訓練之間的關聯(lián)性，以此為基礎進行科學組訓，可以避免重復性科目設置，提高訓練效益。還可以利用關聯(lián)性分析結果評估軍人戰(zhàn)斗體能各科目訓練成果對完成某項戰(zhàn)斗行動的支撐程度，用以指導不同任務部隊的體能訓練。

圖4是某次大比武中極限射擊項目中射擊成績與戰(zhàn)術行動時間的關聯(lián)性分析結果，可以看出，射擊成績與戰(zhàn)術行動時間呈明顯負相關態(tài)勢，即戰(zhàn)術行動耗時少的學員往往射擊成績較好。這說明，戰(zhàn)術行動耗時少的學員有充足的時間調(diào)整狀態(tài)，讓身體狀態(tài)達到穩(wěn)定后，射擊成績受體能消耗影響較小。而戰(zhàn)術行動耗時多的學員，往往身體處于疲勞狀態(tài)，短時間內(nèi)難以調(diào)節(jié)，對射擊成績有較大影響。該關聯(lián)性分析結果從側面說明，體能與技能訓練相輔相成，技能的發(fā)揮直接受體能的影響。在戰(zhàn)斗體能的實際訓練過程中，應盡量減少戰(zhàn)術行動時間，及時調(diào)整身體狀態(tài)，來獲得更好的射擊成績。

圖3 某次大比武400 m障礙成績統(tǒng)計Figure 3. Statistical Charts of 400 m Barrier in Once Match

圖4 射擊成績與戰(zhàn)術行動時間關聯(lián)圖Figure 4. Association Between Shooting Results and Tacial Operation Time

圖5是對某學員隊某月訓練數(shù)據(jù)進行的各科目關聯(lián)性分析圖，圖中顏色越淺，表示關聯(lián)性越強，可以看出手榴彈投遠與雙杠臂屈伸、俯臥撐、引體向上存在較強的相關性，因此，在訓練時間和內(nèi)容安排上，可以適當壓縮相同的部分并根據(jù)受訓者基礎，采取循序漸進的方式選擇適當強度的科目進行練習。同樣，30 m折返跑和T形跑也具有一定相關性，提示這兩項可以合并訓練。

上述關聯(lián)性分析結果雖然大多可以用經(jīng)驗進行解釋，但當科目之間相隔的層級較多，特別是當戰(zhàn)斗任務需要完成多項復雜的運動時，通過經(jīng)驗很難定量地判斷各項科目的訓練對成功執(zhí)行該項戰(zhàn)斗任務的貢獻程度，而通過將演習、比武、訓練數(shù)據(jù)進行關聯(lián)分析，可定量化評估各層次訓練科目對完成任務的貢獻程度，提高訓練的針對性和效率。例如，教學訓練過程中，在展開軍事技能類科目訓練前，首先通過對數(shù)據(jù)的關聯(lián)性分析找出支撐該技能科目的幾項核心體能科目，提前對受訓學員進行針對性強化訓練，能夠大幅度提升技能類教學訓練的效果。

圖5 某學員隊各科目關聯(lián)性分析圖Figure 5. Association Analysis Among Different Subjects in a Team

4 基于數(shù)據(jù)分析的戰(zhàn)斗體能評估

4.1 評估的目標

軍事體育訓練大綱所明確的體能評價標準，是針對某一具體訓練和考核科目的評價標準，反應的是軍人在上述某一方面、某一具體科目上的單項能力，具有一定的規(guī)范性。而戰(zhàn)斗體能的評估，是建立在具體的戰(zhàn)斗任務基礎上，評估的是軍人遂行該項戰(zhàn)斗任務時體能的支撐程度。由于戰(zhàn)斗任務多樣，對戰(zhàn)斗體能的評估沒有明確規(guī)范，需要針對戰(zhàn)斗任務進行具體分析，評估內(nèi)容包括基礎體能以及體能與戰(zhàn)斗任務所涉及的環(huán)境、裝備、技能的結合能力，最終目的是在對各單項能力評估的基礎上，進一步系統(tǒng)化評估其對完成該項戰(zhàn)斗任務的貢獻。

4.2 評估的意義

1）以作戰(zhàn)能力牽引體能訓練。體能是作戰(zhàn)能力生成的基礎，軍人體能訓練的根本目的在于提升作戰(zhàn)能力。圍繞戰(zhàn)斗體能對完成任務的貢獻程度進行定量化評估，能夠加強體能訓練的針對性。

2）以量化評估促進科學訓練。在戰(zhàn)斗體能訓練過程中，通過對參與訓練官兵的身體機能、負荷強度等進行實時評估，自動采集、存儲、分析相關數(shù)據(jù)，可以為訓練提供及時有效的信息，訓練組織者可以根據(jù)評估結果科學制定和調(diào)整訓練計劃，降低訓練過程的不可控性，提高訓練的針對性和有效性（柯強，2018）。

3）以科學評估輔助指揮決策。戰(zhàn)斗體能評估是戰(zhàn)斗力評估的重要組成部分。面向戰(zhàn)斗任務進行戰(zhàn)斗體能定量化評估，能向指揮員提供所屬部隊和人員完成該項任務的體能狀況信息，指揮員可將此作為籌劃人員配備、作戰(zhàn)編組和制定戰(zhàn)術的輔助依據(jù)。

4.3 評估的方法框架

戰(zhàn)斗體能包括基礎體能以及基礎體能與技能、環(huán)境、武器的結合能力?？蓮倪\動素質(zhì)的4個維度：力量、速 度靈敏、耐力、柔韌，定義基礎體能（顧瓊，2009；李沁筑 等，2011）。基礎體能Cb可定義為由力量V1、速度靈敏V2、耐力V3、柔韌V4組成的四元組。

則戰(zhàn)斗體能Cc可定義為：

Μ1，Μ2，Μ3分別表示基礎體能與技能、基礎體能與武器、基礎體能與環(huán)境的結合程度。戰(zhàn)斗體能反應的是在特定作戰(zhàn)任務下，基礎體能與技能、武器、環(huán)境結合后展現(xiàn)出來的用于遂行戰(zhàn)斗任務的機體運動能力。

大比武主要考核學員3～5 km內(nèi)的長途奔襲、戰(zhàn)場移動以及戰(zhàn)場適應能力，包括3000 m武裝組合、400 m障礙、手榴彈投擲、5 km武裝越野等科目，其中，3000 m武裝組合要求學員攜裝跑1.5 km、扛原木奔跑0.5 km、佩戴防毒面具模擬通過沾染地帶奔跑1 km，最后在終點處進行射擊或投彈。由于大比武科目綜合性、實戰(zhàn)性較強，能夠較好地模擬在一定戰(zhàn)場環(huán)境下完成某項戰(zhàn)斗任務的情況，因此，本研究以大比武科目為戰(zhàn)斗任務，按照自頂向下，逐級分解的方法，通過機器學習算法建立大比武科目與基礎體能科目、崗位適應科目及實用技能科目間的映射關系（王斌，2011）。

采集大比武各科目及定期考核數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，其中考核數(shù)據(jù)包括了基礎體能科目、崗位適應科目以及實用技能科目成績。將采集的數(shù)據(jù)通過去除重復樣本、錯誤糾正、標準化等步驟進行數(shù)據(jù)清洗，保存成數(shù)據(jù)庫文件或csv格式文件，為下一步數(shù)據(jù)加載和分析做準備。然后，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找出每列的最大、最小值、平均值、方差、中位數(shù)、四分位數(shù)等，大致了解數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，還可分析各科目之間的關聯(lián)性，確定關聯(lián)系數(shù)，根據(jù)關聯(lián)系數(shù)進行特征選擇，找出影響大比武各個科目成績的主要因素。再對原數(shù)據(jù)集進行拆分，建立每個大比武科目及其相關考核科目的數(shù)據(jù)集，形成訓練集和測試集。根據(jù)數(shù)據(jù)集特征，確定合適的算法，例如，決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、隨機森林等對拆分后的數(shù)據(jù)集進行學習（韓曜權 等，2018；彭勇，2013）。建立考核科目與大比武科目之間的映射關系，得到評估模型，當輸入新的考核科目成績時，可根據(jù)評估模型預測其大比武競賽成績，即對完成某項戰(zhàn)斗任務的能力進行評估預測，評估結果可結合專家經(jīng)驗進行修正，隨著訓練數(shù)據(jù)的增加，逐步完善完成某項戰(zhàn)斗任務的體能評估模型（圖6）（鞠儒生 等，2018）。

圖6 基于數(shù)據(jù)分析的戰(zhàn)斗體能評估方法框架Figure 6. Framework of Combat Physical Fitness Evaluation Method Based on Data Analysis

對戰(zhàn)斗體能評估結果的驗證，可采用同行互評法，利用同行互評的結果對戰(zhàn)斗體能評估的結果進行反饋修正，也可結合綜合演練或演習進行驗證，用演練中各科目的結果對評估結果進行反饋驗證。

5 總結與展望

軍人戰(zhàn)斗體能是軍隊戰(zhàn)斗力的基礎，是衡量實戰(zhàn)化訓練水平和戰(zhàn)斗力的重要內(nèi)容。戰(zhàn)斗體能評估應與具體戰(zhàn)斗任務緊密相連，而不是一般意義上對身體機能的考核評估。

基于數(shù)據(jù)分析戰(zhàn)斗體能訓練，可利用數(shù)據(jù)分析技術對多維度訓練數(shù)據(jù)進行關聯(lián)分析和深度挖掘，是研究戰(zhàn)斗體能訓練規(guī)律和創(chuàng)新訓練方法的新途徑。

基于數(shù)據(jù)分析的戰(zhàn)斗體能評估可根據(jù)平時訓練數(shù)據(jù)和定期考核數(shù)據(jù)對完成某項戰(zhàn)斗任務的能力進行評估和預測，還可為建立符合部隊作戰(zhàn)需求的體能訓練強度負荷模型和標準提供定量化依據(jù)。

未來，本課題組計劃將體能數(shù)據(jù)采集范圍擴展到軍事技能和戰(zhàn)術訓練數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，研究體能對技能和戰(zhàn)術的支撐關系。