科技助力竞技体育：运动训练中可穿戴设备的应用与发展

李海鹏，陈小平，何 卫，吴 昊

随着竞技体育的迅速发展，国际竞争的日益激烈以及科技助力奥运的迫切需求，运动训练也向新思想、新科技、新器材等方面不断发展。在国际上，作为前沿性训练监控手段与研究热点，基于移动互联和云平台并具有无线传输和快速实时反馈功能的在竞技体育，尤其是足球、篮球、曲棍球等运动方式复杂、身体负荷波动大并且不易获得量化数据项目的应用与研究日益广泛和深入[1]，极大促进了竞技体育科学化训练水平的提高[2]。在我国，可穿戴设备在竞技体育，尤其是集体球类项目中同样应用广泛，但相关研究报道却鲜有报道，可穿戴设备在我国运动训练领域的理论与实践出现一定程度脱节，亟待进行理论研究与梳理归纳。

同时，可穿戴设备在运动训练中的应用仍然存在一些不足和问题，其测量精度、交互形式以及运行的稳定性和可靠性存在开发和扩展的空间[3]，教练员和运动员对这一科技产品也需要在理论和应用两个层面加强学习和掌握，避免实践走在理论之前。为此，本文对运动训练中可穿戴设备的相关应用研究进行梳理和分析，总结其应用情况，讨论未来发展趋势，为运动训练的实践和创新做好理论归纳，指导科研人员更合理、高效地使用可穿戴设备开展运动训练。

1 运动训练中可穿戴设备的发展历程和分类

1983 年，芬兰奥卢大学电子系发明了第一台无线心率遥测仪——Polar PE -2000[4]，科研人员第一次使用可穿戴概念来监控运动训练过程，该设备为运动强度的评定提供了一种新方法，同时也开启了训练监控方法的变革。随着科技的不断发展，运动训练对可穿戴设备的需求越来越强烈。20 世纪90 年代，一种便携式可穿戴气体交换分析仪COSMED-K4b2问世，使得以往只能在实验室环境下进行的能量代谢实验搬到训练场，提高了人们对不同专项活动生理特征的了解[5]。2004 年，随着数据传输技术的发展，澳大利亚Catapult 公司推出了第一款GPS -5 Hz 可穿戴运动训练监控设备，该设备以黑色背心为主要穿戴方式，并首次集成了加速度计、陀螺仪、GPS 等多个传感器于一身，穿戴方便安全，测得指标丰富，使得运动训练与可穿戴设备深度融合，运动训练监控进入数字化“黑背心”时代[6]。2019 年，采用超光频数据连接技术，摆脱了GPS 使用环境限制的Clear-Sky 运动表现智能评估系统开始广泛应用，运动训练中的可穿戴设备进入了前所未有的高速发展时代[7]。

目前，我国学术界还没有关于可穿戴设备的统一定义，为了便于国内学者研究，我们根据可穿戴设备的技术和应用特征将其定义为:基于计算机技术、通信技术以及传感器技术的可以佩戴在人体上的高度小型化电子设备。

按照在运动训练中的使用对象及环境，可以将可穿戴设备分为三类(表1):第一类是以运动员的恢复训练和普通健身需求为导向，产品趋于简单轻便，具有一定软件支持以及数据交互、云端交互功能，例如运动手环、运动手表、计步器等；第二类以训练课监控需求为导向，设备专业属性强，可根据训练需要灵活调整采集指标和相关参数，设备佩戴安全性和舒适性高，例如GPS、加速度计、陀螺仪等；第三类以科学研究为导向，设备测量精度相对较高，但操作相对复杂，例如气体代谢分析仪、血氧仪、生物传感器等。

上述类型基本满足了运动训练的不同需求，科研人员选择使用时，一方面要从专项训练规律层面进行选择和分析，重视所得指标与监控目的之间的关系；另一方面应综合考虑使用对象和环境等因素，因地制宜做出选择。此外，受科技发展的整体影响，三类设备在硬件微型化、软件兼容性等方面也存在共性问题，需要一定过程才能解决，其发展前景和应用空间还较为广泛，值得深入研究和探索。

表1 运动训练中可穿戴设备的分类及特点Table 1 The classification and characteristics of wearable devices in sports training

2 运动训练中可穿戴设备的应用

2.1 运动训练基础数据的提取及处理方法

可穿戴设备并不是一个独立存在的个体，而是基于大数据背景下的科技产物，通过可穿戴设备进行运动训练信息采集仅仅是科学监控的外在表现，而后采用科学的数据处理方法对所得的原始数据进行提取和计算才是科学监控的核心所在。

运动训练基础数据的提取及处理方法应该追溯到1907 年马尔科夫模型的提出，其对状态的转移概率和状态可靠性和灵敏度的计算后来被广泛应用于体育比赛的技战术分析中。利用该模型可以将比赛时运动员所表现出的移动距离、速度和时间等变量联系起来，有助于教练员和运动员更好地理解比赛以及研究制胜战术[8]。

20 世纪90 年代，日本筑波大学体育科学系在研究中经常用到BEP 法(Break Even Point)对比赛进行分析和推断，先计算运动员各项技术的BEP 点值，再利用各项技术的点值来分析和评价比赛，可以揭示项目中隐含的规律与运动员技战术的优缺点，推断胜负率的同时找出优势和不足，以便改进训练提高效果[9]。

随着时代的发展，影响运动员技术表现的因素越来越多，与运动成绩的关系也呈现出明显的非线性关系。1990 年开始，人工神经网络技术作为现代非线性科学的重要学科在运动训练领域展现出巨大的发展潜力，主要体现在人工神经网络技术利用自身的自学习能力和模式控制能力对运动成绩进行预测与分析等方面[10]。人工神经网络技术以其大样本和海量数据时所具备的自学习能力和信息处理能力在运动训练中起到了越来越重要的作用。

科技高速发展的今天，可穿戴设备的外观与性能变化越来越快，包括GPS、加速度计、陀螺仪等在内的设备采集了大量原始数据，而这些数据也越来越依赖于、支持向量机(SVM)、聚类分析(k -means)、深度神经网络(DNN)等方法对数据进行深度挖掘和处理[11]。数据挖掘技术能够把各个数据之间的各种因素的相互联系做出一个清晰明了的处理和显示，从而发现一些具有很大价值的体育运动规律，达到对运动训练过程的有效控制，不断促使竞技体育内部发生着广泛而深刻的变化。通过对以上运动训练基础数据的提取及处理方法的梳理我们可以得出，数据在多种运动模式下的运行精确性和计算方法或将成为可穿戴设备的未来发展核心要素。

2.2 不同负荷监控模式下的应用

从宏观角度解释运动训练负荷监控的应用，可以将其分为内部负荷监控和外部负荷监控两种应用模式[12]。可穿戴设备在内部负荷监控领域中可以分为三类:分别是心肺指标、体液指标和神经肌肉指标。心肺指标包括:心率、心率变异性、呼吸与能量代谢、摄氧量等测试，其中与心率相关的可穿戴设备在实践中应用较多，尤其是在集体球类项目中应用较为广泛[13-14]。其优点是能够较为客观的反应内部负荷情况，同时不受硬件设施、场地的制约；缺点是多台设备信号之间的抗干扰性较差，多台设备同时采集时的数据通道加密一直以来受到质疑[15]。相比之下，呼吸与能量代谢、摄氧量的相关测试需要一定硬件设施要求，比如氧气面罩、跑台、功率自行车等实验室环境，可穿戴设备在该领域发展潜力较大。体液指标包括血液、汗液、唾液、尿液等生化测试，在训练监控中的应用频率不高，且测试费用较高，从测试样本的采集到后期化验加工，需要经过一套既定标准化测试流程，指标的获得有一定延时性。神经肌肉指标包括肌电图、脑电图、近红外光谱等测试，测试费用相对昂贵，在运动训练中的使用频率相对较低，可穿戴设备在此领域应用较少。

可穿戴设备因为具有便捷、安全、佩戴舒适的特点，所以在外部负荷监控中的应用主要在身体活动能力的监测上。外部负荷监控通常以GPS、陀螺仪和加速度计三种传感器为主，对运动员的跑动能力、变向次数、负荷累积等相关指标进行分析，以评价运动员的活动能力和损伤预警。研究显示，科学合理的利用可穿戴设备对外部负荷进行监控可以大大降低运动员的运动损伤风险，更好地制定个性化的训练计划[16]以及保持良好的运动表现[17]。

关于外部负荷监控的相关研究多以描述性为主，研究对象在比赛、训练等不同环境下的外部负荷变化情况，以及基于不同场上位置、不同比赛周期的数据对比[18-19]。这些研究基本围绕GPS、陀螺仪、加速度计展开，为外部负荷的量化和分析提供了科学的方法和途径，提出了许多新思维、新方法，但受训练或比赛等客观因素的影响，监控的系统性和精度还需进一步完善。

2.3 应用与发展过程中的不足

出于商业角度考虑，可穿戴设备制造商往往将研发精力集中于产品与用户间的交互体验，而这种良好交互体验经常建立在对原始数据的平滑处理上，牺牲了一些在科研和医疗领域十分重要的关键原始数据来使用户获得更好的体验[20]。此外，同一款可穿戴设备的不同品牌之间由于数据获取方式、算法、分辨率的不同[21]以及出于商业垄断的目的使得其难以统一[22]，所以在运动训练的实际应用与发展过程中还是存在诸多制约因素。具体表现在四个方面:

(1)误差明显存在，影响有效性和可靠性。

运动训练是一项有很强计划性、针对性和目的性的工作，既有一般科研工作所要求的严谨、精确、严格操作的特点，又有随时根据训练计划和运动员状态而调整测试计划的灵活机动特点，因此要求测量工作要在灵活机动的基础上确保精确。利用可穿戴设备对运动训练进行量化评价的有效性和可靠性是一直以来学术界争论的热点话题，很多学者对此进行了研究，其中以对GPS 定位、陀螺仪、加速度计三种技术的应用争论与报道最多[23-25]。

关于GPS 的有效性和可靠性研究。Adrian、Coutts、Barbero、Edgecomb 等多个国际研究团队对利用可穿戴设备(GPS)对跑动能力测量的有效性和可靠性进行了大量研究[26-29]。结果一致认为，虽然可穿戴设备能够方便快捷的收集到大量训练监控所需数据，并通过云端互联等崭新的方式展现出来，但结果的准确性有待进一步观察。受试者在佩戴带有GPS 功能的可穿戴设备进行位移时，移动速度与测量准确度呈现出反比关系。如图1 所示，受试者佩戴装有GPS 的可穿戴设备进行不同移动速度的非线性运动时，其测量结果与线性运动相比存在明显误差，运动员在奔跑中的多方向变化可能会降低仪器测试的准确性[26]，随着移动速度的增加，测量误差也显著上升[27]。此外，例如足球、橄榄球等团队项目人数较多且运动时身体对抗激烈时，GPS和加速度计的信号可能会相互干扰影响数据可靠性[30]。此外，GPS 的有效性和可靠性也受接收器本身信号更新频率的影响，在集体球类项目中GPS 的采样频率至少需要5 Hz 才能保证其测量的准确性[27，29，31]。

图1 线性与非线性移动中GPS 测量误差的关系(●线性移动，■非线性移动)Figure 1 Plot of mean GPS distance error for each movement intensity during linear and non -linear locomotion.(●Linear，■Non-linear)

关于陀螺仪的有效性和可靠性研究。陀螺仪是目前运动训练监控领域应用较为广泛的一种可穿戴设备传感器，它主要对运动员的跳跃、旋转等多方向移动能力进行评价。Vert -JRM 可穿戴惯性测量单元就是基于三个高精度陀螺仪的一种监测运动员跳跃能力的代表性设备[32]。Charlton 等利用Vert 惯性测量单元对排球运动员训练和比赛中的跳跃进行了研究，并将Vert 采集的数据结果与Dartfish视频分析结果相比较，发现Vert 惯性测量单元不但可以准确而稳定地测量排球运动员的跳跃能力各项指标(r=0.83～0.97)，而且教练员可以实时看到运动员在训练或比赛中的相关数据反馈。陀螺仪技术在比赛中运行的稳定性和可靠性得到了验证[33]。

关于加速度计的有效性和可靠性研究。利用加速度计对运动负荷进行测量的可靠性研究相对困难较大，但科研人员最终还是完成了实验室研究和场地研究。Luke 等在实验室条件下将加速度计放置在有固定振动频率的液压机上进行了0.5 g 到3.0 g 的6 组试验，每组30 s，间歇2 min，实验结果显示加速度计测试结果高度可靠(CV% 0.91～1.05%)；在场地实验中，运动员穿戴载有两台加速度计的运动背心进行橄榄球比赛，测试结果也具有很高的可靠性(CV of 1.94%，R2=0.995)[34]。

综上所述，利用可穿戴设备对运动训练进行量化评价时陀螺仪和加速度计具有较高的稳定性和可靠性，但应注意移动速度、非线性移动以及信号干扰等因素对测量结果的影响。

(2)数据缺乏统一规范，兼容互联较少。

Cloe 的研究团队总结并综述了澳式橄榄球联赛、英式橄榄球联赛、澳超足球联赛、曲棍球等30 多支运动队，总受试者达到1 276 人的研究报道[35]。认为可穿戴设备虽然可以很好地测量运动员的各种身体活动情况，同时也被大多数集体类项目所使用，但是具体到利用可穿戴设备对速度分区进行定义时经常相差很大，数据缺乏统一规范。

目前国内对于跑动速度的等级划分也存在争论，其中，丹麦学者Bangsbo 提出的基于能量代谢系统6 种分区理论在学术领域具有较高权威[14]，受到了于少华、刘丹等人的引用[36]，而其余两种分类在足球领域应用较多但关于其分区的原理目前还不得而知(表2)。蔡旭旦等利用可穿戴设备对国内、外足球和曲棍球运动员的跑动速度划分进行了对比和研究，发现大部分研究者将全场的奔跑速度分为5 级或6 级，分类原则以能量代谢理论为基础，以单位时间速度为表现形式，将运动员在训练或比赛中的跑动划分为不同的速度级别，以此作为评价该运动项目运动强度的标准[37]。同时，也有研究者将速度分为2 个级别，该分类的优点是比较简单和直观，易于教练员的实际操作。事实上，无论是哪一种分类方式，其实质都是从能量代谢的角度给出该项目的运动特征，并以此指导运动员的训练。因此，关于可穿戴设备所得数据的标准化还有待于更多的实证研究。

表2 对跑动速度的不同界定(km/h)Table 2 Various definitions of running zone(km/h)

(3)集成化有待加强，指标采集相对单一。

利用可穿戴设备对运动训练过程进行监控实际是对人体运动信息进行综合汇总并分析的过程，信息量决定了监控质量。由于科技发展、商业竞争等原因，现阶段可穿戴设备更多针对单一数据类型进行采集。而随着2004 年“黑背心”科技把运动强度和运动量整合使用，将黑背心、模块、心率带一同穿戴在运动员身上，此举很快在全球范围内推广应用[38]。但是，采集更多指标时往往需要受试者一次性穿戴多种监控设备，影响运动训练效果的同时一定程度上制约了可穿戴设备在运动训练中的发展。因此，如何将现有可穿戴设备进行高度集成、丰富测试指标体系成为可穿戴设备在运动训练领域应用与发展面临的重要瓶颈。

(4)过度重视商业开发，产业链不够完整。

尽管目前将可穿戴设备用于训练负荷监控属于热点研究，许多商家也在此领域获得了一定经济效益。但现实情况是产业链脱节，制造商更多关注于什么指标更容易测得，并不提供有关其设备的准确性、可靠性的信息，相反会对部分原始数据进行平滑处理以换取良好的用户体验[20]。轻视产业链的打造，没有根据运动训练的具体需求在产业链上游提高研发水平，中游提供训练监控解决方案，下游提高服务质量，而是“为了科技而科技，为了测试而测试”。因此，制造商应该进一步明确自身定位，提高其在运动训练领域的核心竞争力，促进可穿戴设备在该领域的可持续发展。

3 运动训练中可穿戴设备的未来发展趋势

3.1 传感器技术微型集成化，佩戴舒适且安全

由于竞技体育的需要，运动员要在高速度、高对抗等极端条件下完成身体活动，任何外界因素都有可能会干扰到其正常发挥，因此，可穿戴设备必须在不影响其正常发挥的前提下进行数据采集，传感器功能的集成化和外观的微型化显得尤为重要。

在心率监控方面，一种基于重量更轻的腕式可穿戴设备正在研发中，它不但可以取代传统心率带给运动员带来的不适感，而且能够将测试的平均误差降低至3%[39]。纤维类可穿戴测试仪的研发也有重大进展，目前科研人员正通过纺织品传感器等技术进行可穿戴设备的研发，相信很快市场上将出现一种与我们的服装相同质地，却能够精确测量人体活动的高科技产品[40]。另外，诸如柔性电子技术、皮肤式传感器、动作捕捉、多点触控、语音识别等技术目前也在加紧研发中，这都将大幅提高运动员的舒适性和安全性。

3.2 设备兼容性进一步提高，云端互联更加广泛

在运动训练实践中，运动员进行综合能力测试往往需要佩戴背心、心率带、面罩等一系列设备，加重受试者运动负担的同时影响科研人员对数据的读取和分析，这是目前困扰训练监控领域的一大难题。除此之外还有不同的计算方法、不同的计量单位、对同一指标不同区间的不同参数的界定等[41]。随着科技的发展和人们对运动训练理念认识的不断更新，未来可穿戴设备在兼容性和数据互联方面必将得到进一步提高。

德国的SAP 公司作为大数据云端处理商，已经率先为德国国家足球队进行了运动训练监控数据的云端互联和整合，他们利用SAP Match Insights 系统将手表、心率带等不同训练监控系统所得数据进行多次整合与云端互联，教练、队医、科研人员可以按照各自权限随时从中获得重要信息，此举最终帮助德国国家队夺得巴西世界杯冠军。在未来，数据处理技术、云计算、大数据分析等将共同保证所得数据的可靠性和真实性，所得数据也将更加精简有效，指标相对统一且能够相互对比；科研人员与教练员之间更加轻松地通过云端互联实现训练数据的传输、分析和共享，最终制定出更加科学有效的训练计划。

3.3 产业链整合更加完善，与需求对接更加精准

体育类可穿戴设备的产业链涉及环节众多，可以分为上游核心部件研发、中游智能交互解决方案、下游产品服务。上游的核心部件研发是产业的灵魂所在，包括芯片、传感器、电池技术等，要在能够保证佩戴安全、舒适的前提下监测人体各种运动参数；中游的智能交互解决方案是联系用户的关键环节，包括多样化指标更改、数据展现方式、专项训练设计等，直接决定了训练中可穿戴设备的应用质量；下游的产品服务环节是设备不断改进的源泉，包括定期培训、专家指导、训练演示等。

作为可穿戴设备产业链形成与完善的“无形之手”，对接机制是产业链形成的内模式，与运动训练需求端的对接是尤为重要的一环。集体球类项目对体能训练和大数据管理的对接需求、隔网对抗类项目对短距离移动能力的精准测量需求、冬季项目对特殊环境下的测量稳定性需求等，作为特殊行业和特殊群体，运动训练的实际需求更加精准、个性化，如何满足这类需求是可穿戴设备在此领域发展的根本。因此，可穿戴设备产业的发展与运动训练实际需求对接更加精准是可穿戴设备的重要发展趋势。

3.4 以监控频率带动训练水平提高，科学制定行业标准

可穿戴设备的不断发展使得训练监控可以搬出实验室，真正落实到每堂训练课中，监控频率的增加可以帮助教练员和运动员更好地对运动训练过程进行有效控制，促进训练的科学化水平。随着可穿戴设备在未来的进一步发展和革新，新一代的训练监控设备将变得更小、更集约，在运动训练中的使用频率和监控广度也将变得更加密集而广阔，可穿戴设备将在整个运动训练过程中发挥更加重要的作用。“没有数据就没有计划，没有测试就没有训练”将成为未来很长一段时间的训练秘籍。

任何一个行业都需要建立行业标准来保障该行业的健康发展。2014 年，德国莱茵TUV 集团率先出台了可穿戴设备的认证标准，该标准通过对设备的智能性、安全性和可穿戴性三个维度进行考核以确定可穿戴设备的品质[42]。中国作为制造业大国，在可穿戴设备的研发与制造领域均位居前列，如果能够抓住机遇，紧密结合时下我国政府提出的“健康中国”和“体育强国”建设，与运动训练实际需求紧密结合，以促进该行业的健康及可持续发展为基本理念，制定出科学、严格的行业标准，必将制造出世界一流的可穿戴设备。

4 小结

将可穿戴设备广泛应用于运动训练领域是目前世界范围内的主流趋势，一方面可以更好地对训练进行量化评价，另一方面为探究人体活动的生物学意义提供了一种更加便捷、科学的途径。但我们同时也应该认识到，任何一种监控方法都有其局限性，可穿戴设备在运动训练领域的应用和发展任重而道远。