科技助力競技體育：運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中可穿戴設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展

李海鵬，陳小平，何 衛(wèi)，吳 昊

隨著競技體育的迅速發(fā)展，國際競爭的日益激烈以及科技助力奧運(yùn)的迫切需求，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練也向新思想、新科技、新器材等方面不斷發(fā)展。在國際上，作為前沿性訓(xùn)練監(jiān)控手段與研究熱點(diǎn)，基于移動(dòng)互聯(lián)和云平臺(tái)并具有無線傳輸和快速實(shí)時(shí)反饋功能的在競技體育，尤其是足球、籃球、曲棍球等運(yùn)動(dòng)方式復(fù)雜、身體負(fù)荷波動(dòng)大并且不易獲得量化數(shù)據(jù)項(xiàng)目的應(yīng)用與研究日益廣泛和深入[1]，極大促進(jìn)了競技體育科學(xué)化訓(xùn)練水平的提高[2]。在我國，可穿戴設(shè)備在競技體育，尤其是集體球類項(xiàng)目中同樣應(yīng)用廣泛，但相關(guān)研究報(bào)道卻鮮有報(bào)道，可穿戴設(shè)備在我國運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域的理論與實(shí)踐出現(xiàn)一定程度脫節(jié)，亟待進(jìn)行理論研究與梳理歸納。

同時(shí)，可穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用仍然存在一些不足和問題，其測量精度、交互形式以及運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性存在開發(fā)和擴(kuò)展的空間[3]，教練員和運(yùn)動(dòng)員對(duì)這一科技產(chǎn)品也需要在理論和應(yīng)用兩個(gè)層面加強(qiáng)學(xué)習(xí)和掌握，避免實(shí)踐走在理論之前。為此，本文對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中可穿戴設(shè)備的相關(guān)應(yīng)用研究進(jìn)行梳理和分析，總結(jié)其應(yīng)用情況，討論未來發(fā)展趨勢，為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的實(shí)踐和創(chuàng)新做好理論歸納，指導(dǎo)科研人員更合理、高效地使用可穿戴設(shè)備開展運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。

1 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中可穿戴設(shè)備的發(fā)展歷程和分類

1983 年，芬蘭奧盧大學(xué)電子系發(fā)明了第一臺(tái)無線心率遙測儀——Polar PE -2000[4]，科研人員第一次使用可穿戴概念來監(jiān)控運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程，該設(shè)備為運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的評(píng)定提供了一種新方法，同時(shí)也開啟了訓(xùn)練監(jiān)控方法的變革。隨著科技的不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)可穿戴設(shè)備的需求越來越強(qiáng)烈。20 世紀(jì)90 年代，一種便攜式可穿戴氣體交換分析儀COSMED-K4b2問世，使得以往只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的能量代謝實(shí)驗(yàn)搬到訓(xùn)練場，提高了人們對(duì)不同專項(xiàng)活動(dòng)生理特征的了解[5]。2004 年，隨著數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展，澳大利亞Catapult 公司推出了第一款GPS -5 Hz 可穿戴運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備以黑色背心為主要穿戴方式，并首次集成了加速度計(jì)、陀螺儀、GPS 等多個(gè)傳感器于一身，穿戴方便安全，測得指標(biāo)豐富，使得運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練與可穿戴設(shè)備深度融合，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控進(jìn)入數(shù)字化“黑背心”時(shí)代[6]。2019 年，采用超光頻數(shù)據(jù)連接技術(shù)，擺脫了GPS 使用環(huán)境限制的Clear-Sky 運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)智能評(píng)估系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的可穿戴設(shè)備進(jìn)入了前所未有的高速發(fā)展時(shí)代[7]。

目前，我國學(xué)術(shù)界還沒有關(guān)于可穿戴設(shè)備的統(tǒng)一定義，為了便于國內(nèi)學(xué)者研究，我們根據(jù)可穿戴設(shè)備的技術(shù)和應(yīng)用特征將其定義為:基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及傳感器技術(shù)的可以佩戴在人體上的高度小型化電子設(shè)備。

按照在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的使用對(duì)象及環(huán)境，可以將可穿戴設(shè)備分為三類(表1):第一類是以運(yùn)動(dòng)員的恢復(fù)訓(xùn)練和普通健身需求為導(dǎo)向，產(chǎn)品趨于簡單輕便，具有一定軟件支持以及數(shù)據(jù)交互、云端交互功能，例如運(yùn)動(dòng)手環(huán)、運(yùn)動(dòng)手表、計(jì)步器等；第二類以訓(xùn)練課監(jiān)控需求為導(dǎo)向，設(shè)備專業(yè)屬性強(qiáng)，可根據(jù)訓(xùn)練需要靈活調(diào)整采集指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)，設(shè)備佩戴安全性和舒適性高，例如GPS、加速度計(jì)、陀螺儀等；第三類以科學(xué)研究為導(dǎo)向，設(shè)備測量精度相對(duì)較高，但操作相對(duì)復(fù)雜，例如氣體代謝分析儀、血氧儀、生物傳感器等。

上述類型基本滿足了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的不同需求，科研人員選擇使用時(shí)，一方面要從專項(xiàng)訓(xùn)練規(guī)律層面進(jìn)行選擇和分析，重視所得指標(biāo)與監(jiān)控目的之間的關(guān)系；另一方面應(yīng)綜合考慮使用對(duì)象和環(huán)境等因素，因地制宜做出選擇。此外，受科技發(fā)展的整體影響，三類設(shè)備在硬件微型化、軟件兼容性等方面也存在共性問題，需要一定過程才能解決，其發(fā)展前景和應(yīng)用空間還較為廣泛，值得深入研究和探索。

表1 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中可穿戴設(shè)備的分類及特點(diǎn)Table 1 The classification and characteristics of wearable devices in sports training

2 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中可穿戴設(shè)備的應(yīng)用

2.1 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提取及處理方法

可穿戴設(shè)備并不是一個(gè)獨(dú)立存在的個(gè)體，而是基于大數(shù)據(jù)背景下的科技產(chǎn)物，通過可穿戴設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練信息采集僅僅是科學(xué)監(jiān)控的外在表現(xiàn)，而后采用科學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)所得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和計(jì)算才是科學(xué)監(jiān)控的核心所在。

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提取及處理方法應(yīng)該追溯到1907 年馬爾科夫模型的提出，其對(duì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率和狀態(tài)可靠性和靈敏度的計(jì)算后來被廣泛應(yīng)用于體育比賽的技戰(zhàn)術(shù)分析中。利用該模型可以將比賽時(shí)運(yùn)動(dòng)員所表現(xiàn)出的移動(dòng)距離、速度和時(shí)間等變量聯(lián)系起來，有助于教練員和運(yùn)動(dòng)員更好地理解比賽以及研究制勝戰(zhàn)術(shù)[8]。

20 世紀(jì)90 年代，日本筑波大學(xué)體育科學(xué)系在研究中經(jīng)常用到BEP 法(Break Even Point)對(duì)比賽進(jìn)行分析和推斷，先計(jì)算運(yùn)動(dòng)員各項(xiàng)技術(shù)的BEP 點(diǎn)值，再利用各項(xiàng)技術(shù)的點(diǎn)值來分析和評(píng)價(jià)比賽，可以揭示項(xiàng)目中隱含的規(guī)律與運(yùn)動(dòng)員技戰(zhàn)術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，推斷勝負(fù)率的同時(shí)找出優(yōu)勢和不足，以便改進(jìn)訓(xùn)練提高效果[9]。

隨著時(shí)代的發(fā)展，影響運(yùn)動(dòng)員技術(shù)表現(xiàn)的因素越來越多，與運(yùn)動(dòng)成績的關(guān)系也呈現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系。1990 年開始，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為現(xiàn)代非線性科學(xué)的重要學(xué)科在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，主要體現(xiàn)在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)利用自身的自學(xué)習(xí)能力和模式控制能力對(duì)運(yùn)動(dòng)成績進(jìn)行預(yù)測與分析等方面[10]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其大樣本和海量數(shù)據(jù)時(shí)所具備的自學(xué)習(xí)能力和信息處理能力在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中起到了越來越重要的作用。

科技高速發(fā)展的今天，可穿戴設(shè)備的外觀與性能變化越來越快，包括GPS、加速度計(jì)、陀螺儀等在內(nèi)的設(shè)備采集了大量原始數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)也越來越依賴于、支持向量機(jī)(SVM)、聚類分析(k -means)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和處理[11]。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠把各個(gè)數(shù)據(jù)之間的各種因素的相互聯(lián)系做出一個(gè)清晰明了的處理和顯示，從而發(fā)現(xiàn)一些具有很大價(jià)值的體育運(yùn)動(dòng)規(guī)律，達(dá)到對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程的有效控制，不斷促使競技體育內(nèi)部發(fā)生著廣泛而深刻的變化。通過對(duì)以上運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提取及處理方法的梳理我們可以得出，數(shù)據(jù)在多種運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)行精確性和計(jì)算方法或?qū)⒊蔀榭纱┐髟O(shè)備的未來發(fā)展核心要素。

2.2 不同負(fù)荷監(jiān)控模式下的應(yīng)用

從宏觀角度解釋運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練負(fù)荷監(jiān)控的應(yīng)用，可以將其分為內(nèi)部負(fù)荷監(jiān)控和外部負(fù)荷監(jiān)控兩種應(yīng)用模式[12]?？纱┐髟O(shè)備在內(nèi)部負(fù)荷監(jiān)控領(lǐng)域中可以分為三類:分別是心肺指標(biāo)、體液指標(biāo)和神經(jīng)肌肉指標(biāo)。心肺指標(biāo)包括:心率、心率變異性、呼吸與能量代謝、攝氧量等測試，其中與心率相關(guān)的可穿戴設(shè)備在實(shí)踐中應(yīng)用較多，尤其是在集體球類項(xiàng)目中應(yīng)用較為廣泛[13-14]。其優(yōu)點(diǎn)是能夠較為客觀的反應(yīng)內(nèi)部負(fù)荷情況，同時(shí)不受硬件設(shè)施、場地的制約；缺點(diǎn)是多臺(tái)設(shè)備信號(hào)之間的抗干擾性較差，多臺(tái)設(shè)備同時(shí)采集時(shí)的數(shù)據(jù)通道加密一直以來受到質(zhì)疑[15]。相比之下，呼吸與能量代謝、攝氧量的相關(guān)測試需要一定硬件設(shè)施要求，比如氧氣面罩、跑臺(tái)、功率自行車等實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，可穿戴設(shè)備在該領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿^大。體液指標(biāo)包括血液、汗液、唾液、尿液等生化測試，在訓(xùn)練監(jiān)控中的應(yīng)用頻率不高，且測試費(fèi)用較高，從測試樣本的采集到后期化驗(yàn)加工，需要經(jīng)過一套既定標(biāo)準(zhǔn)化測試流程，指標(biāo)的獲得有一定延時(shí)性。神經(jīng)肌肉指標(biāo)包括肌電圖、腦電圖、近紅外光譜等測試，測試費(fèi)用相對(duì)昂貴，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的使用頻率相對(duì)較低，可穿戴設(shè)備在此領(lǐng)域應(yīng)用較少。

可穿戴設(shè)備因?yàn)榫哂斜憬?、安全、佩戴舒適的特點(diǎn)，所以在外部負(fù)荷監(jiān)控中的應(yīng)用主要在身體活動(dòng)能力的監(jiān)測上。外部負(fù)荷監(jiān)控通常以GPS、陀螺儀和加速度計(jì)三種傳感器為主，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)能力、變向次數(shù)、負(fù)荷累積等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行分析，以評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員的活動(dòng)能力和損傷預(yù)警。研究顯示，科學(xué)合理的利用可穿戴設(shè)備對(duì)外部負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)控可以大大降低運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)，更好地制定個(gè)性化的訓(xùn)練計(jì)劃[16]以及保持良好的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)[17]。

關(guān)于外部負(fù)荷監(jiān)控的相關(guān)研究多以描述性為主，研究對(duì)象在比賽、訓(xùn)練等不同環(huán)境下的外部負(fù)荷變化情況，以及基于不同場上位置、不同比賽周期的數(shù)據(jù)對(duì)比[18-19]。這些研究基本圍繞GPS、陀螺儀、加速度計(jì)展開，為外部負(fù)荷的量化和分析提供了科學(xué)的方法和途徑，提出了許多新思維、新方法，但受訓(xùn)練或比賽等客觀因素的影響，監(jiān)控的系統(tǒng)性和精度還需進(jìn)一步完善。

2.3 應(yīng)用與發(fā)展過程中的不足

出于商業(yè)角度考慮，可穿戴設(shè)備制造商往往將研發(fā)精力集中于產(chǎn)品與用戶間的交互體驗(yàn)，而這種良好交互體驗(yàn)經(jīng)常建立在對(duì)原始數(shù)據(jù)的平滑處理上，犧牲了一些在科研和醫(yī)療領(lǐng)域十分重要的關(guān)鍵原始數(shù)據(jù)來使用戶獲得更好的體驗(yàn)[20]。此外，同一款可穿戴設(shè)備的不同品牌之間由于數(shù)據(jù)獲取方式、算法、分辨率的不同[21]以及出于商業(yè)壟斷的目的使得其難以統(tǒng)一[22]，所以在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展過程中還是存在諸多制約因素。具體表現(xiàn)在四個(gè)方面:

(1)誤差明顯存在，影響有效性和可靠性。

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是一項(xiàng)有很強(qiáng)計(jì)劃性、針對(duì)性和目的性的工作，既有一般科研工作所要求的嚴(yán)謹(jǐn)、精確、嚴(yán)格操作的特點(diǎn)，又有隨時(shí)根據(jù)訓(xùn)練計(jì)劃和運(yùn)動(dòng)員狀態(tài)而調(diào)整測試計(jì)劃的靈活機(jī)動(dòng)特點(diǎn)，因此要求測量工作要在靈活機(jī)動(dòng)的基礎(chǔ)上確保精確。利用可穿戴設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練進(jìn)行量化評(píng)價(jià)的有效性和可靠性是一直以來學(xué)術(shù)界爭論的熱點(diǎn)話題，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，其中以對(duì)GPS 定位、陀螺儀、加速度計(jì)三種技術(shù)的應(yīng)用爭論與報(bào)道最多[23-25]。

關(guān)于GPS 的有效性和可靠性研究。Adrian、Coutts、Barbero、Edgecomb 等多個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)對(duì)利用可穿戴設(shè)備(GPS)對(duì)跑動(dòng)能力測量的有效性和可靠性進(jìn)行了大量研究[26-29]。結(jié)果一致認(rèn)為，雖然可穿戴設(shè)備能夠方便快捷的收集到大量訓(xùn)練監(jiān)控所需數(shù)據(jù)，并通過云端互聯(lián)等嶄新的方式展現(xiàn)出來，但結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步觀察。受試者在佩戴帶有GPS 功能的可穿戴設(shè)備進(jìn)行位移時(shí)，移動(dòng)速度與測量準(zhǔn)確度呈現(xiàn)出反比關(guān)系。如圖1 所示，受試者佩戴裝有GPS 的可穿戴設(shè)備進(jìn)行不同移動(dòng)速度的非線性運(yùn)動(dòng)時(shí)，其測量結(jié)果與線性運(yùn)動(dòng)相比存在明顯誤差，運(yùn)動(dòng)員在奔跑中的多方向變化可能會(huì)降低儀器測試的準(zhǔn)確性[26]，隨著移動(dòng)速度的增加，測量誤差也顯著上升[27]。此外，例如足球、橄欖球等團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目人數(shù)較多且運(yùn)動(dòng)時(shí)身體對(duì)抗激烈時(shí)，GPS和加速度計(jì)的信號(hào)可能會(huì)相互干擾影響數(shù)據(jù)可靠性[30]。此外，GPS 的有效性和可靠性也受接收器本身信號(hào)更新頻率的影響，在集體球類項(xiàng)目中GPS 的采樣頻率至少需要5 Hz 才能保證其測量的準(zhǔn)確性[27，29，31]。

圖1 線性與非線性移動(dòng)中GPS 測量誤差的關(guān)系(●線性移動(dòng)，■非線性移動(dòng))Figure 1 Plot of mean GPS distance error for each movement intensity during linear and non -linear locomotion.(●Linear，■Non-linear)

關(guān)于陀螺儀的有效性和可靠性研究。陀螺儀是目前運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種可穿戴設(shè)備傳感器，它主要對(duì)運(yùn)動(dòng)員的跳躍、旋轉(zhuǎn)等多方向移動(dòng)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。Vert -JRM 可穿戴慣性測量單元就是基于三個(gè)高精度陀螺儀的一種監(jiān)測運(yùn)動(dòng)員跳躍能力的代表性設(shè)備[32]。Charlton 等利用Vert 慣性測量單元對(duì)排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練和比賽中的跳躍進(jìn)行了研究，并將Vert 采集的數(shù)據(jù)結(jié)果與Dartfish視頻分析結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)Vert 慣性測量單元不但可以準(zhǔn)確而穩(wěn)定地測量排球運(yùn)動(dòng)員的跳躍能力各項(xiàng)指標(biāo)(r=0.83～0.97)，而且教練員可以實(shí)時(shí)看到運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練或比賽中的相關(guān)數(shù)據(jù)反饋。陀螺儀技術(shù)在比賽中運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性得到了驗(yàn)證[33]。

關(guān)于加速度計(jì)的有效性和可靠性研究。利用加速度計(jì)對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷進(jìn)行測量的可靠性研究相對(duì)困難較大，但科研人員最終還是完成了實(shí)驗(yàn)室研究和場地研究。Luke 等在實(shí)驗(yàn)室條件下將加速度計(jì)放置在有固定振動(dòng)頻率的液壓機(jī)上進(jìn)行了0.5 g 到3.0 g 的6 組試驗(yàn)，每組30 s，間歇2 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示加速度計(jì)測試結(jié)果高度可靠(CV% 0.91～1.05%)；在場地實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)員穿戴載有兩臺(tái)加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)背心進(jìn)行橄欖球比賽，測試結(jié)果也具有很高的可靠性(CV of 1.94%，R2=0.995)[34]。

綜上所述，利用可穿戴設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練進(jìn)行量化評(píng)價(jià)時(shí)陀螺儀和加速度計(jì)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，但應(yīng)注意移動(dòng)速度、非線性移動(dòng)以及信號(hào)干擾等因素對(duì)測量結(jié)果的影響。

(2)數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一規(guī)范，兼容互聯(lián)較少。

Cloe 的研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)并綜述了澳式橄欖球聯(lián)賽、英式橄欖球聯(lián)賽、澳超足球聯(lián)賽、曲棍球等30 多支運(yùn)動(dòng)隊(duì)，總受試者達(dá)到1 276 人的研究報(bào)道[35]。認(rèn)為可穿戴設(shè)備雖然可以很好地測量運(yùn)動(dòng)員的各種身體活動(dòng)情況，同時(shí)也被大多數(shù)集體類項(xiàng)目所使用，但是具體到利用可穿戴設(shè)備對(duì)速度分區(qū)進(jìn)行定義時(shí)經(jīng)常相差很大，數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一規(guī)范。

目前國內(nèi)對(duì)于跑動(dòng)速度的等級(jí)劃分也存在爭論，其中，丹麥學(xué)者Bangsbo 提出的基于能量代謝系統(tǒng)6 種分區(qū)理論在學(xué)術(shù)領(lǐng)域具有較高權(quán)威[14]，受到了于少華、劉丹等人的引用[36]，而其余兩種分類在足球領(lǐng)域應(yīng)用較多但關(guān)于其分區(qū)的原理目前還不得而知(表2)。蔡旭旦等利用可穿戴設(shè)備對(duì)國內(nèi)、外足球和曲棍球運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)速度劃分進(jìn)行了對(duì)比和研究，發(fā)現(xiàn)大部分研究者將全場的奔跑速度分為5 級(jí)或6 級(jí)，分類原則以能量代謝理論為基礎(chǔ)，以單位時(shí)間速度為表現(xiàn)形式，將運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練或比賽中的跑動(dòng)劃分為不同的速度級(jí)別，以此作為評(píng)價(jià)該運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)[37]。同時(shí)，也有研究者將速度分為2 個(gè)級(jí)別，該分類的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單和直觀，易于教練員的實(shí)際操作。事實(shí)上，無論是哪一種分類方式，其實(shí)質(zhì)都是從能量代謝的角度給出該項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)特征，并以此指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練。因此，關(guān)于可穿戴設(shè)備所得數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化還有待于更多的實(shí)證研究。

表2 對(duì)跑動(dòng)速度的不同界定(km/h)Table 2 Various definitions of running zone(km/h)

(3)集成化有待加強(qiáng)，指標(biāo)采集相對(duì)單一。

利用可穿戴設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程進(jìn)行監(jiān)控實(shí)際是對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行綜合匯總并分析的過程，信息量決定了監(jiān)控質(zhì)量。由于科技發(fā)展、商業(yè)競爭等原因，現(xiàn)階段可穿戴設(shè)備更多針對(duì)單一數(shù)據(jù)類型進(jìn)行采集。而隨著2004 年“黑背心”科技把運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)量整合使用，將黑背心、模塊、心率帶一同穿戴在運(yùn)動(dòng)員身上，此舉很快在全球范圍內(nèi)推廣應(yīng)用[38]。但是，采集更多指標(biāo)時(shí)往往需要受試者一次性穿戴多種監(jiān)控設(shè)備，影響運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效果的同時(shí)一定程度上制約了可穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的發(fā)展。因此，如何將現(xiàn)有可穿戴設(shè)備進(jìn)行高度集成、豐富測試指標(biāo)體系成為可穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展面臨的重要瓶頸。

(4)過度重視商業(yè)開發(fā)，產(chǎn)業(yè)鏈不夠完整。

盡管目前將可穿戴設(shè)備用于訓(xùn)練負(fù)荷監(jiān)控屬于熱點(diǎn)研究，許多商家也在此領(lǐng)域獲得了一定經(jīng)濟(jì)效益。但現(xiàn)實(shí)情況是產(chǎn)業(yè)鏈脫節(jié)，制造商更多關(guān)注于什么指標(biāo)更容易測得，并不提供有關(guān)其設(shè)備的準(zhǔn)確性、可靠性的信息，相反會(huì)對(duì)部分原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理以換取良好的用戶體驗(yàn)[20]。輕視產(chǎn)業(yè)鏈的打造，沒有根據(jù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的具體需求在產(chǎn)業(yè)鏈上游提高研發(fā)水平，中游提供訓(xùn)練監(jiān)控解決方案，下游提高服務(wù)質(zhì)量，而是“為了科技而科技，為了測試而測試”。因此，制造商應(yīng)該進(jìn)一步明確自身定位，提高其在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域的核心競爭力，促進(jìn)可穿戴設(shè)備在該領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

3 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中可穿戴設(shè)備的未來發(fā)展趨勢

3.1 傳感器技術(shù)微型集成化，佩戴舒適且安全

由于競技體育的需要，運(yùn)動(dòng)員要在高速度、高對(duì)抗等極端條件下完成身體活動(dòng)，任何外界因素都有可能會(huì)干擾到其正常發(fā)揮，因此，可穿戴設(shè)備必須在不影響其正常發(fā)揮的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器功能的集成化和外觀的微型化顯得尤為重要。

在心率監(jiān)控方面，一種基于重量更輕的腕式可穿戴設(shè)備正在研發(fā)中，它不但可以取代傳統(tǒng)心率帶給運(yùn)動(dòng)員帶來的不適感，而且能夠?qū)y試的平均誤差降低至3%[39]。纖維類可穿戴測試儀的研發(fā)也有重大進(jìn)展，目前科研人員正通過紡織品傳感器等技術(shù)進(jìn)行可穿戴設(shè)備的研發(fā)，相信很快市場上將出現(xiàn)一種與我們的服裝相同質(zhì)地，卻能夠精確測量人體活動(dòng)的高科技產(chǎn)品[40]。另外，諸如柔性電子技術(shù)、皮膚式傳感器、動(dòng)作捕捉、多點(diǎn)觸控、語音識(shí)別等技術(shù)目前也在加緊研發(fā)中，這都將大幅提高運(yùn)動(dòng)員的舒適性和安全性。

3.2 設(shè)備兼容性進(jìn)一步提高，云端互聯(lián)更加廣泛

在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)踐中，運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行綜合能力測試往往需要佩戴背心、心率帶、面罩等一系列設(shè)備，加重受試者運(yùn)動(dòng)負(fù)擔(dān)的同時(shí)影響科研人員對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和分析，這是目前困擾訓(xùn)練監(jiān)控領(lǐng)域的一大難題。除此之外還有不同的計(jì)算方法、不同的計(jì)量單位、對(duì)同一指標(biāo)不同區(qū)間的不同參數(shù)的界定等[41]。隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練理念認(rèn)識(shí)的不斷更新，未來可穿戴設(shè)備在兼容性和數(shù)據(jù)互聯(lián)方面必將得到進(jìn)一步提高。

德國的SAP 公司作為大數(shù)據(jù)云端處理商，已經(jīng)率先為德國國家足球隊(duì)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的云端互聯(lián)和整合，他們利用SAP Match Insights 系統(tǒng)將手表、心率帶等不同訓(xùn)練監(jiān)控系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多次整合與云端互聯(lián)，教練、隊(duì)醫(yī)、科研人員可以按照各自權(quán)限隨時(shí)從中獲得重要信息，此舉最終幫助德國國家隊(duì)奪得巴西世界杯冠軍。在未來，數(shù)據(jù)處理技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等將共同保證所得數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性，所得數(shù)據(jù)也將更加精簡有效，指標(biāo)相對(duì)統(tǒng)一且能夠相互對(duì)比；科研人員與教練員之間更加輕松地通過云端互聯(lián)實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的傳輸、分析和共享，最終制定出更加科學(xué)有效的訓(xùn)練計(jì)劃。

3.3 產(chǎn)業(yè)鏈整合更加完善，與需求對(duì)接更加精準(zhǔn)

體育類可穿戴設(shè)備的產(chǎn)業(yè)鏈涉及環(huán)節(jié)眾多，可以分為上游核心部件研發(fā)、中游智能交互解決方案、下游產(chǎn)品服務(wù)。上游的核心部件研發(fā)是產(chǎn)業(yè)的靈魂所在，包括芯片、傳感器、電池技術(shù)等，要在能夠保證佩戴安全、舒適的前提下監(jiān)測人體各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)；中游的智能交互解決方案是聯(lián)系用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括多樣化指標(biāo)更改、數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式、專項(xiàng)訓(xùn)練設(shè)計(jì)等，直接決定了訓(xùn)練中可穿戴設(shè)備的應(yīng)用質(zhì)量；下游的產(chǎn)品服務(wù)環(huán)節(jié)是設(shè)備不斷改進(jìn)的源泉，包括定期培訓(xùn)、專家指導(dǎo)、訓(xùn)練演示等。

作為可穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈形成與完善的“無形之手”，對(duì)接機(jī)制是產(chǎn)業(yè)鏈形成的內(nèi)模式，與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練需求端的對(duì)接是尤為重要的一環(huán)。集體球類項(xiàng)目對(duì)體能訓(xùn)練和大數(shù)據(jù)管理的對(duì)接需求、隔網(wǎng)對(duì)抗類項(xiàng)目對(duì)短距離移動(dòng)能力的精準(zhǔn)測量需求、冬季項(xiàng)目對(duì)特殊環(huán)境下的測量穩(wěn)定性需求等，作為特殊行業(yè)和特殊群體，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的實(shí)際需求更加精準(zhǔn)、個(gè)性化，如何滿足這類需求是可穿戴設(shè)備在此領(lǐng)域發(fā)展的根本。因此，可穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)際需求對(duì)接更加精準(zhǔn)是可穿戴設(shè)備的重要發(fā)展趨勢。

3.4 以監(jiān)控頻率帶動(dòng)訓(xùn)練水平提高，科學(xué)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

可穿戴設(shè)備的不斷發(fā)展使得訓(xùn)練監(jiān)控可以搬出實(shí)驗(yàn)室，真正落實(shí)到每堂訓(xùn)練課中，監(jiān)控頻率的增加可以幫助教練員和運(yùn)動(dòng)員更好地對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程進(jìn)行有效控制，促進(jìn)訓(xùn)練的科學(xué)化水平。隨著可穿戴設(shè)備在未來的進(jìn)一步發(fā)展和革新，新一代的訓(xùn)練監(jiān)控設(shè)備將變得更小、更集約，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的使用頻率和監(jiān)控廣度也將變得更加密集而廣闊，可穿戴設(shè)備將在整個(gè)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程中發(fā)揮更加重要的作用?！皼]有數(shù)據(jù)就沒有計(jì)劃，沒有測試就沒有訓(xùn)練”將成為未來很長一段時(shí)間的訓(xùn)練秘籍。

任何一個(gè)行業(yè)都需要建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來保障該行業(yè)的健康發(fā)展。2014 年，德國萊茵TUV 集團(tuán)率先出臺(tái)了可穿戴設(shè)備的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)通過對(duì)設(shè)備的智能性、安全性和可穿戴性三個(gè)維度進(jìn)行考核以確定可穿戴設(shè)備的品質(zhì)[42]。中國作為制造業(yè)大國，在可穿戴設(shè)備的研發(fā)與制造領(lǐng)域均位居前列，如果能夠抓住機(jī)遇，緊密結(jié)合時(shí)下我國政府提出的“健康中國”和“體育強(qiáng)國”建設(shè)，與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)際需求緊密結(jié)合，以促進(jìn)該行業(yè)的健康及可持續(xù)發(fā)展為基本理念，制定出科學(xué)、嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，必將制造出世界一流的可穿戴設(shè)備。

4 小結(jié)

將可穿戴設(shè)備廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域是目前世界范圍內(nèi)的主流趨勢，一方面可以更好地對(duì)訓(xùn)練進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，另一方面為探究人體活動(dòng)的生物學(xué)意義提供了一種更加便捷、科學(xué)的途徑。但我們同時(shí)也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，任何一種監(jiān)控方法都有其局限性，可穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。