基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計

朱 春

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 體育教學(xué)部，安徽 蕪湖 241003)

關(guān)聯(lián)規(guī)則是數(shù)據(jù)挖掘中所要遵循的重要規(guī)則，關(guān)聯(lián)規(guī)則以原始資料作為處理對象，在高頻項目組的控制下，利用項目組中的高頻項建立規(guī)則，并結(jié)合不同的最小支持度，逐步搜索形成數(shù)據(jù)項目組[1].關(guān)聯(lián)規(guī)則能夠使用已知的數(shù)據(jù)推算出其他與其有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，并以此為對比標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建形成一個科學(xué)化的判斷過程[2].

在計算機技術(shù)的參與下，大學(xué)生體質(zhì)測試模式逐漸發(fā)展，進(jìn)而形成一個健康數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，將學(xué)生各項體質(zhì)測試指標(biāo)輸入該系統(tǒng)后，系統(tǒng)能夠以特定的健康數(shù)值，生成個體或總體的身體健康分析結(jié)果，校方據(jù)此調(diào)整實際的教學(xué)方向，增強大學(xué)生的身體素質(zhì)[3].

在境外，分析大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)的研究起步較早，其大多應(yīng)用了數(shù)據(jù)挖掘算法后，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)逐漸向精準(zhǔn)化、關(guān)聯(lián)化發(fā)展，可高效分析大學(xué)生群體的體質(zhì)健康狀況[4-7]；而我國，相關(guān)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)起步較晚，文獻(xiàn)[8]以學(xué)生體質(zhì)健康測試區(qū)塊鏈為研究對象，在"省級-地級-縣級"的三級結(jié)構(gòu)下，從矯正利害相關(guān)者的關(guān)注點出發(fā)，從平臺架構(gòu)、應(yīng)用前景與現(xiàn)實挑戰(zhàn)3個向度對學(xué)生體質(zhì)健康測試現(xiàn)狀進(jìn)行分析.文獻(xiàn)[9]采用聚類分析法評價醫(yī)學(xué)院校學(xué)生體質(zhì)健康成績結(jié)構(gòu)特征，揭示學(xué)生體質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的內(nèi)在聯(lián)系，為醫(yī)學(xué)院校學(xué)生體質(zhì)健康科學(xué)訓(xùn)練工作提供理論依據(jù)，有助于快速提高體質(zhì)健康成績.

綜合各國的研究現(xiàn)狀來看，設(shè)計一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是很有必要的.因為其在體質(zhì)測試指標(biāo)輸入后，通過給定的最小置信度,在每個最大頻繁項集中尋找置信度不小于設(shè)定的最小置信度的關(guān)聯(lián)規(guī)則，便于確定數(shù)據(jù)項數(shù)量數(shù)值、降低迭代次數(shù)、減少實際響應(yīng)時間.

1 大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)硬件設(shè)計

在構(gòu)建分析系統(tǒng)的硬件層結(jié)構(gòu)時，選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備和上位機作為主要組成部分，在獲取實際的大學(xué)生體質(zhì)物理量數(shù)據(jù)后(如身高、體重等)，通過傳感器將其傳輸?shù)接布?硬件層采用NI Compact RIO機箱作為數(shù)據(jù)采集核心器件，搭建形成的硬件層結(jié)構(gòu)如圖1所示.

在圖1所示的硬件層結(jié)構(gòu)下，控制數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)設(shè)置1個FPGA芯片，芯片外部連接1個可拆卸的工業(yè)I/O模塊后，外部串聯(lián)1個嵌入式控制器NI cRIO-9075，配置1個4通道的電壓輸入模塊NI9215后，外部串聯(lián)1個8通道的電流輸入模塊NI9275.在控制器內(nèi)形成同步采樣電壓過程，緩沖處理硬件結(jié)構(gòu)中的模數(shù)，形成模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在模擬輸入通道的控制下，在硬件結(jié)構(gòu)內(nèi)形成一個數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)對大學(xué)生體側(cè)數(shù)據(jù)的傳輸.

圖1 搭建的硬件層結(jié)構(gòu)

設(shè)置NI cRIO-9075設(shè)備的工作溫度范圍為40～-30 ℃之間，固定其工作頻率為300 MHz后，在設(shè)備上放置1個4槽接口并連接1個串行端口.在I/O串口功能的支持下，實現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)的定時功能，設(shè)定的工作參數(shù)如表1所示.

表1 設(shè)定的器件工作參數(shù)

在表1所示的器件工作參數(shù)下，在硬件層結(jié)構(gòu)外部設(shè)定無線WIFI感應(yīng)器，控制感應(yīng)器內(nèi)集成數(shù)據(jù)信號監(jiān)聽、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)通信3個模塊.數(shù)據(jù)信號監(jiān)聽模塊內(nèi)部放置一個1GB、支持RAM功能的四核處理器，利用處理器板上的USB端口，外部連接一個LPDDR2 SDRAM作為儲存預(yù)處理數(shù)據(jù)的元件，元件外部連接一個微型天線，接收體測過程產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù).

采用光電傳感器( EE-SX1042，深圳中勤拓展實業(yè)有限公司)作為數(shù)據(jù)采集電路的核心，光電傳感器將激光束用偏振片遮擋后，串聯(lián)一個放大器，形成的信號采集電路結(jié)構(gòu)如圖2所示.

在圖2所示的信號采集電路結(jié)構(gòu)下，以控制電路中的無線傳輸芯片(NRF24L01)為核心，并在其內(nèi)部集成晶振和頻率合成器.為了控制芯片的發(fā)射功率，在頻率合成器外部連接一個調(diào)制器后，控制芯片的工作電流在10 mA左右，并在芯片上配置1個天線，同時調(diào)控相同接收數(shù)據(jù)頻道內(nèi)的數(shù)據(jù)信號.在外圍電路內(nèi)設(shè)定10個元器件后，控制器件的工作電壓為3.3V.通信器件采用單邊天線，調(diào)控采集電路中產(chǎn)生的電感與電容間的參數(shù)值.

圖2 設(shè)計得到的信號采集電路結(jié)構(gòu)

為了控制硬件電路的功率輸出，在信號采集電路外部并聯(lián)1個橋式電路結(jié)構(gòu)，電路內(nèi)部設(shè)定3個二極管和2個濾波電容.實際控制硬件結(jié)構(gòu)時，通過控制二極管間接控制數(shù)據(jù)采集電路中的電流大小，形成的橋式電路結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 構(gòu)建得到的橋式電路結(jié)構(gòu)

在圖3所示的橋式電路結(jié)構(gòu)下，當(dāng)電阻R4輸入高電平時，控制Q1接口流入電流，在線圈U-V的控制下，電流流經(jīng)Q4端口流入到地端，定義上述電流流經(jīng)過程為正方向.定義VCC為電容C3的充電電源后，將C9電容作為繼電器的調(diào)和電容.控制電容C8工作時兩端充電，將電路中的碰撞滑塊直接發(fā)射到碰撞銅板上，在RV1接口上調(diào)節(jié)電壓的輸出.在上述硬件結(jié)構(gòu)的控制下，設(shè)計數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu).

2 大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 構(gòu)建體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則

在構(gòu)建體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則時，以硬件結(jié)構(gòu)采集得到的初始體質(zhì)數(shù)據(jù)作為處理對象[10]，設(shè)定I={I1,I2,...,Im}是m個測試項目的數(shù)據(jù)集合，此時體質(zhì)測試項目為Ik，也就是長度為k的項集.假設(shè)數(shù)據(jù)集合中存在一個健康數(shù)據(jù)子集T，此時子集在測試集上的映射就可定義為關(guān)聯(lián)性，關(guān)聯(lián)性數(shù)量關(guān)系可表示為：

(1)

其中，|D|表示事務(wù)總數(shù)量；σ(Ik∪k)表示存在的健康數(shù)據(jù)數(shù)量.在上述數(shù)量關(guān)系下，構(gòu)建健康數(shù)據(jù)在體質(zhì)測試數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的概率，數(shù)值關(guān)系可表示為：

(2)

其中，sup_count(Ik∪k)表示包含數(shù)據(jù)長度的事件，sup_count(k)表示含有健康數(shù)據(jù)的體測事物數(shù).根據(jù)上述計算公式，概率值可以反映大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)在總數(shù)據(jù)集中的比例.當(dāng)概率數(shù)據(jù)值較大時，可作為健康數(shù)據(jù)之間相互規(guī)則的最小置信度.以最小置信度為篩選準(zhǔn)則，對數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)項進(jìn)行反復(fù)篩選，然后對健康數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗.將健康數(shù)據(jù)不斷集成到一個健康數(shù)據(jù)集中，設(shè)置身體素質(zhì)情況判斷的體質(zhì)測試指標(biāo)，逐步提取滿足要求的規(guī)則，作為健康數(shù)據(jù)的篩選規(guī)則.如圖4所示.

圖4 體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)間的對應(yīng)關(guān)系示意圖

圖4中，構(gòu)造關(guān)聯(lián)規(guī)則后，對體質(zhì)測試數(shù)據(jù)輸出的關(guān)聯(lián)結(jié)果進(jìn)行分類，形成健康數(shù)據(jù)測試組，將其分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)組和驗證數(shù)據(jù)組.在數(shù)據(jù)比例的控制下，構(gòu)建數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，對項目的預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并按照過程構(gòu)建實際的健康函數(shù)[11].為了控制評價形成的分類函數(shù)精度，采用二元模型將算法模型、計算出的數(shù)據(jù)劃分為不同類型的數(shù)據(jù)，在確保都是真實類數(shù)據(jù)的情況下，即可保證數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型的實際精度滿足要求.

2.2 數(shù)據(jù)分析功能模塊化

大學(xué)生體質(zhì)測試數(shù)據(jù)的種類較為復(fù)雜，所以在實現(xiàn)其數(shù)據(jù)分析功能時，將其劃分為登錄模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊以及數(shù)據(jù)回調(diào)模塊等.在JAVA語言工具的幫助下，用戶登錄模塊設(shè)定用戶賬號以及用戶密碼，當(dāng)密碼與賬號間符合設(shè)定的代碼邏輯關(guān)系時，開放數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定的權(quán)限[12].數(shù)據(jù)管理模塊的主要功能是更新或更正大學(xué)生個人信息和體質(zhì)測試數(shù)據(jù)，按照當(dāng)前大學(xué)生體質(zhì)測試項目名稱作為數(shù)據(jù)管理批次.數(shù)據(jù)分析模塊主要對分析系統(tǒng)硬件中的健康數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、壓縮和存儲，方便高校對大學(xué)生體質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用與分析[13].數(shù)據(jù)回調(diào)模塊以構(gòu)建的分析模塊作為基礎(chǔ).具體實現(xiàn)過程如下：

第1步，在上述所示的模塊劃分下，據(jù)實際測試的大學(xué)生體質(zhì)數(shù)據(jù)選擇健康數(shù)據(jù)值，建立相同測試批次的數(shù)據(jù)分析任務(wù)，同時配合學(xué)生自身體質(zhì)參數(shù)，一定程度上增加或是刪除操作[14].根據(jù)設(shè)定的關(guān)聯(lián)規(guī)則，在線分析體質(zhì)測試數(shù)據(jù)在健康標(biāo)準(zhǔn)中所處的位置，計算得到體測數(shù)據(jù)項的流形程度，計算公式可表示為：

(3)

其中，Lift(k?T)表示體測數(shù)據(jù)在健康數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系中形成的提升度，在提升度數(shù)值的控制下，方便體育教師對學(xué)生的體測數(shù)據(jù)進(jìn)行體質(zhì)健康數(shù)據(jù)分析.

第2步，進(jìn)入健康數(shù)據(jù)分析模塊后，選擇不同種類的體質(zhì)測試通道，采集獲取得到大學(xué)生體質(zhì)測試數(shù)據(jù)，控制此時對數(shù)據(jù)信號的壓縮以及分析，使用壓縮處理后的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)回調(diào)分析，同時實現(xiàn)體測數(shù)據(jù)的在線健康分析過程.

第3步，在數(shù)據(jù)信號的獲取過程中，選定數(shù)據(jù)分析模塊的回調(diào)功能時，要壓縮實際獲取的體質(zhì)數(shù)據(jù)信號，并結(jié)合實際的數(shù)據(jù)分析要求，生成實際所需的健康數(shù)據(jù)分析規(guī)則[15]，實現(xiàn)對大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)的分析.

綜合上述軟、硬件的設(shè)計，最終完成對基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計.

3 仿真實驗

3.1 實驗準(zhǔn)備

為測試數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的性能，采用文獻(xiàn)資料法、數(shù)理統(tǒng)計法和比較分析法，全面了解某大學(xué)學(xué)生體質(zhì)健康現(xiàn)狀[16].以該學(xué)校期末工作總結(jié)報告中提供的學(xué)生體質(zhì)健康狀況量化數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)樣本，設(shè)定其為采集得到的大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)集，采集得到的數(shù)據(jù)集結(jié)果如表2所示.

表2 實驗采集得到的數(shù)據(jù)集

使用表2準(zhǔn)備的實驗數(shù)據(jù)集下，使用文獻(xiàn)[3]、[8]中以及設(shè)計的分析系統(tǒng)進(jìn)行實驗，對比3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的性能.

3.2 結(jié)果及分析

在上述實驗準(zhǔn)備下，控制3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在相同的時間段處理準(zhǔn)備的大學(xué)生體質(zhì)健康數(shù)據(jù)，以時間段內(nèi)可處理的數(shù)據(jù)峰值作為統(tǒng)計目標(biāo)，將10組數(shù)據(jù)集作為處理對象，最終3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)的峰值結(jié)果如表3所示.

表3 3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可處理的最大數(shù)據(jù)量結(jié)果

根據(jù)表3所示的最大數(shù)據(jù)量結(jié)果可知，在相同的實驗環(huán)境下控制3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)同時處理相同數(shù)據(jù)集，文獻(xiàn)[3]中數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可處理的最大數(shù)據(jù)量在300項左右，實際可處理的數(shù)據(jù)項數(shù)量較少；文獻(xiàn)[8]中的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可處理的最大數(shù)據(jù)量在與實驗準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)量少50項，可處理的最大數(shù)據(jù)量較大；而設(shè)計的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)幾乎能夠處理實驗準(zhǔn)備的所有體質(zhì)測試數(shù)據(jù)項，數(shù)據(jù)處理能力最強.

保持上述實驗環(huán)境不變，控制3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的頻率為500 Hz，將實驗數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)項作為數(shù)據(jù)分析中的最小網(wǎng)(mm)，統(tǒng)計在不同采樣速度下，3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能分辨數(shù)據(jù)項的個數(shù)，實驗結(jié)果如表4所示.

表4 3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分辨數(shù)據(jù)項結(jié)果

在3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)控制下，將實驗數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)項視為不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)格.根據(jù)表中數(shù)值，文獻(xiàn)[3]中數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可分辨的數(shù)據(jù)項在20項左右，可分辨健康數(shù)據(jù)項的數(shù)量最多；文獻(xiàn)[8]中的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可分辨的數(shù)據(jù)項要少于實際健康數(shù)據(jù)5項左右，實際可分辨的健康數(shù)據(jù)集數(shù)量較多；設(shè)計的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可分辨的數(shù)據(jù)項數(shù)量與實際的健康數(shù)據(jù)項數(shù)值相等，可分辨的數(shù)據(jù)項數(shù)量最多.這是因為本文應(yīng)用關(guān)聯(lián)規(guī)則算法，最高精準(zhǔn)度地確定了數(shù)據(jù)項數(shù)量數(shù)值，為響應(yīng)時間的減少奠定基礎(chǔ).

保持上述實驗環(huán)境不變，設(shè)定數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)內(nèi)的功能項，設(shè)定觀測的操作項名稱如表5所示.

在表5設(shè)定的操作下，控制3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)處理表中的操作，定義操作在數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中表現(xiàn)與預(yù)期效果一致時，表示數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)完成一次數(shù)據(jù)分析過程.統(tǒng)計并分析不同操作產(chǎn)生的響應(yīng)時間，并將其作為系統(tǒng)的響應(yīng)時間，3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的響應(yīng)時間結(jié)果如表6所示.

表5 設(shè)定的觀測操作項名稱

表6 3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對操作的響應(yīng)時間

控制3種數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)同時處理設(shè)定的操作后，根據(jù)統(tǒng)計得到的響應(yīng)時間可知，文獻(xiàn)[3]中數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實際的響應(yīng)時間在5.5s左右，系統(tǒng)的響應(yīng)時間最長;文獻(xiàn)[8]中的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的響應(yīng)時間在4.2 s左右，系統(tǒng)的響應(yīng)時間較長；而設(shè)計的分析系統(tǒng)對操作的響應(yīng)時間在1.3 s左右，與兩種文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)分析相比，設(shè)計得到的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的響應(yīng)時間最短.綜合上述系統(tǒng)測試結(jié)果可知，與現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)相比，設(shè)計得到的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的性能最佳.這是因為本文方法將整個系統(tǒng)軟件部分的數(shù)據(jù)分析功能模塊化處理，根據(jù)設(shè)定的關(guān)聯(lián)規(guī)則，在線分析體質(zhì)測試數(shù)據(jù)在健康標(biāo)準(zhǔn)中所處的位置，計算得到體測數(shù)據(jù)項的流形程度，有針對性地生成實際所需的健康數(shù)據(jù)分析規(guī)則，提高響應(yīng)時間.

4 結(jié) 論

在關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持下，設(shè)計一種大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，在硬件優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將大學(xué)生體質(zhì)測試健康數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)劃分為登錄模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊以及數(shù)據(jù)回調(diào)模塊等.根據(jù)設(shè)定的關(guān)聯(lián)規(guī)則，以最小置信度為篩選準(zhǔn)則，對數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)項進(jìn)行反復(fù)篩選，設(shè)置身體素質(zhì)情況判斷的體質(zhì)測試指標(biāo)，在線分析體質(zhì)測試數(shù)據(jù)在健康標(biāo)準(zhǔn)中所處的位置，有針對性地生成實際所需的健康數(shù)據(jù)分析規(guī)則，確定了數(shù)據(jù)項數(shù)量數(shù)值，能夠改善現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)響應(yīng)時間過長的問題，為今后判斷大學(xué)生體測數(shù)據(jù)健康狀態(tài)提供一定的理論參考.