残疾人站姿高山滑雪最佳滑行路线研究

王向东,刘瑞姣,徐青华,王 帅，周继和

高山滑雪自1976年第一届冬残奥会就有设项，目前是冬残奥会6大比赛项目之一。北京2022年冬残奥会高山滑雪比赛设有回转、大回转、超级大回转、超级全能及滑降5个项目，各个项目又分站姿、坐姿和视力障碍三个组别，共产生30枚金牌，是冬残奥雪上项目的金牌大项。截至目前，我国与欧美国家在残奥高山滑雪方面仍存在一定差距[1]，在此背景与机遇下，残疾人高山滑雪项目是我国冬残奥重点突破方向之一[2]。

站姿高山滑雪单下肢运动员使用单滑雪板加助滑器或佩戴假肢使用双滑雪板参加比赛，运动员需要根据实际比赛情况灵活切换动作技术并选择最佳的滑行战术。其中，滑行路线的选择无疑是构成比赛战术的要素之一[3]。早先有不少顶级高山滑雪运动员通过选择最短的滑雪路线来提高运动成绩，但这种选择具有一定风险[4]，因为比赛的获胜不仅仅取决于滑行路线的长短，还需运动员在特定情况下综合各方面因素进行选择[5]。关于影响运动员滑行路线的因素包括滑行路线的长短、转弯半径的大小和转向点距旗门的垂直距离等。研究人员通过将赛道进行分割，将滑行轨迹与速度相结合来探索最优滑行策略以减少滑行时体能的消耗及速度的损失[6]。我国高山滑雪项目在残疾人群中开展时间较晚，现有研究主要是针对健全人高山滑雪运动，其相关研究结果无法直接运用于残疾人高山滑雪运动分析中。

本研究运用无人机悬浮定点拍摄技术的同时结合运动员的瞬时运动表现，探寻精英站姿高山滑雪运动员在大回转项目中最佳的滑行路线，以期为运动员和教练员们今后的训练提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

测试对象为5名冬残奥高山滑雪国家队运动员，包括郭*和张*2名女运动员，梁*、陈*和甄*3名男运动员，运动员的残疾等级均为Locomotoer winter 6/8(LW6/8)。这5名运动员均参加了2022北京冬残奥会，共取得3金4银的优异成绩。

1.2 研究方法

1.2.1 比赛现场录像

比赛场地为河北省崇礼县太舞滑雪场4B高级雪道(海拔高度1 864 m，坡道长度510 m，垂直落差280 m，平均坡度24°)。赛段长75 m，包含3个旗门，旗门之间水平间距5.5 m，垂直间距24 m。测试场地开阔，测试当天天气晴朗，风力小。

使用一台大疆无人机(Air 2S)空中定点采集运动员站姿高山滑雪大回转动作技术视频，运用无人机悬停拍摄功能，将无人机拍摄高度固定在距离地面150 m处，调整摄像机的角度，使其主光轴垂直于运动平面，设定摄像机分辨率为1080p，拍摄频率为60 Hz。拍摄画面如图1所示。

图1 现场拍摄图

1.2.2 精度分析

以雪道旁位置固定的两个造雪机为标定点(见图1)，实测两个标定点的垂直距离为70.56 m，通过视频解析所得两个标定点垂直距离为70.56～70.61 m，相对误差百分比小于0.08%，本文采用的无人机悬停技术拍摄符合相关研究的基本精度要求[7]。

1.2.3 录像解析

本研究将运动员看作一个质点，使用科星视频解析系统进行解析。将运动员的二维坐标数据采用二阶双向低通滤波方法进行平滑处理(截断频率为2 Hz)。

1.2.4 参数定义

(1)特征位置点定义。

出弯点A、C、E分别定义为运动员位于1、2、3号旗门的正下方，入弯点B、D分别定义为运动员位于2、3号旗门的正上方(见图2)。

本研究将总滑行阶段(T)划分为4个阶段：

①第1个弯道间滑行阶段(T1)：出弯点A到入弯点B的滑行阶段；

②第1个弯道阶段(T2)：入弯点B到出弯点C的滑行阶段；

③第2个弯道间滑行阶段(T3)：出弯点C到入弯点D的滑行阶段；

④第2个弯道滑行阶段(T4)：入弯点D到出弯点E的滑行阶段。

(2)瞬时滑行性能参数。

dti=ti-ti-1，dzi=zi-1-z，其中，ds是轨迹的两个相邻点之间的距离(由解析系统可得)。

1.2.3 土地利用的模拟与预测 进行城市土地利用的模拟预测时，根据粗集方法自动获取的转换规则，来对2011年武汉市光谷区域的土地利用类型进行模拟预测，该过程在matlab中编程实现.由于模拟时间与实际时间不同，需要一个迭代次数，迭代200次，每次迭代后，领域元胞数和土地类型都会发生变化，所以要每次都需要更新.之后获取得到新的矩阵，这个矩阵是模拟的2011年城市土地与非城市土地的矩阵，将这个矩阵再转换成tif输出，在ARCGIS软件中进行浏览查看.

图2 滑行轨迹示意

2 研究结果

2.1 滑行时间测量结果

由表1知，5名运动员平均总用时为 (3.01±0.14) s，弯道滑行阶段(T2，T4)平均用时分别为 (0.74±0.19) s和 (0.74±0.18) s，弯道间滑行阶段(T1，T3)平均用时分别为(0.73±0.18) s和 (0.80±0.10) s。运动员陈*总运动时间最长，为3.20 s，与其余4名运动员相比在弯道阶段(T2，T4)用时最多，而在弯道间的滑行阶段(T1，T3)用时较少，即陈*的滑行过程中弯道滑行用时较弯道间滑行时间长；运动员郭*滑行总用时为3.00 s，在弯道阶段T2与其他运动员相比用时最少，而弯道间的滑行阶段(T1，T3)则为5名运动员中用时最多；张*滑行总用时最少，为2.79 s，除T2阶段用时稍大于平均用时外，其他阶段用时均等于或小于5名运动员的平均用时。

表1 各阶段时间参数(N=5) 单位：s

2.2 滑行轨迹测量结果

2.2.1 滑行轨迹长度

由表2可以看出，在本研究滑行范围内，运动员的平均总滑行长度为(49.14±1.84) m。

总滑行轨迹最长和最短的运动员分别是陈*和郭*，分别为52.71 m和47.68 m。与其他4名运动员相比，陈*在弯道阶段(T2，T4)的滑行轨迹长度最长而在弯道间滑行阶段(T1，T3)滑行长度最短；反观运动员郭*，T2、T4阶段的滑行轨迹长度最短而T1、T3阶段滑行轨迹最长；运动成绩最好的张*在T2、T3阶段滑行轨迹长度稍长于平均长度，而T1、T4阶段滑行轨迹长度短于平均长度，总滑行长度为5名运动员的中等滑行长度。

表2 各阶段滑行轨迹长度(N=5) 单位：m

2.2.2 滑行轨迹位置

如表3所示，运动员在滑行时出弯点A、C，E分别距旗门1，2，3的垂直平均距离为(6.56±0.98) m，(4.09±1.36) m和(4.20±1.12) m，入弯点B，D距旗门2，3的垂直平均距离分别为(7.82 ±2.76) m和(7.83 ±2.50) m，二者仅相差0.01 m。从表3中可以发现，除郭*外其他4名运动员在转弯过程中的入弯点B、D距旗门的距离均高于出弯点C、E，其中，运动员陈*的入弯点B，D距旗门均最远，最远距离为11.59 m；郭*在入弯点B、D距旗门均最近，最近的入弯点B距离2号旗门为3.26 m；甄*的出弯点A、C、E距旗门距离为5名运动员最近。

表3 特征时刻距离旗门位置(N=5) 单位：m

2.3 瞬时运动表现

2.3.1 每米海拔高差时间消耗

由于拍摄路段是从出弯点A开始，所以本研究主要针对运动员在1号旗门后的运动表现。

图3 每米海拔高差时间消耗曲线

2.3.2 竖直方向速度

运动员在竖直方向上的速度波形呈波浪形，运动员在旗门处的滑行速度略有下降，但整体曲线呈上升趋势(见图4)。竖直方向速度越大的运动员运动表现越好，运动员张*在滑行中的全程速度高于其他4名运动员，表现最为优秀；运动员郭*的速度低于其他运动员，尤其是在2号旗门附近；运动员陈*在2号旗门之前的速度较大，但在过了2号旗门后速度骤减，随后恢复；运动员梁*的滑行速度一直呈稳步上升趋势，且速度波动不大，运动表现也较好。

图4 竖直方向运动速度

2.3.3 每米海拔高差滑行长度

运动员越靠近旗门则每米海拔高差滑行的轨迹长度越长，而在旗门之间滑行中可以达到每米海拔高差下滑行长度的最小值(见图5)。运动员张*在2号旗门附近的每米高差下滑行长度小于在3号旗门附近的滑行长度，且在2号旗门附近的每米高差下滑行长度较其他4名运动员最短；郭*与张*相反，其在3号旗门处每米海拔高差下的滑行长度短于在2号旗门处滑行长度；运动员梁*和陈*在全程中每米高差下的滑行距离较其他运动员稍长。

图5 每米海拔高差滑行长度

3 分析讨论

3.1 滑行速度的控制

运动员良好的保持速度能力对于提高运动表现尤为重要[4, 8]，若运动员能够保持一定的速度峰值，则可以更好地保持滑行过程中的平均速度[4]，从而提高运动成绩。在本研究中，郭*在旗门前先缓慢降速而后缓慢提速，其速度缓慢的下降与上升与其滑行路线的选择有一定的关系。由图3可知，每米海拔下时间消耗越少的运动员表现越佳，即运动员张*的运动表现最佳，运动员郭*和陈*相对较差，这与通过滑行时间来比较运动员运动表现的结果相一致。由图5可知，在滑行过程中运动员每米海拔高差下的滑行距离越短则运动表现越佳，即运动员张*在2号旗门处的运动表现最好，郭*在3号旗门处的运动表现最好，而运动员梁*和陈*在研究路段的全程中表现较差。

运动员梁*、甄*在滑行速度波动过大，尤其是在2号旗门处，这说明二者的保持滑行速度的峰值能力不佳(图4)。反观比赛成绩最好的运动员张*，在滑行过程中，各个时间段内的速度均大于其他4名运动员，速度波动幅度较小，能较好地保持峰值速度并且其速度下降后的恢复能力也较强。这证实了运动员在转弯前减少减速，并在转弯后提高加速度有助于保持整体的滑行速度[3]。而运动员陈*虽然速度一直呈上升趋势且在旗门处速度波动不大，其运动成绩不佳可能是由于其滑行路线的长度过长以及入弯点距旗门的垂直距离过远导致。本研究中，梁*在2号旗门处的入弯速度相对较快，而在入弯后的速度骤降，这在一定程度上表明对于入弯速度较高的运动员来说，提高速度或保持速度比入弯速度低的运动员可能更具挑战性[9]。运动员的滑行速度决定了比赛成绩，而比赛时运动员采用的滑行技术又是影响滑行速度的重要因素，但是运动员仅仅在技术方面表现优秀是不够的，还需要结合最优的比赛战术才能获得优异的运动成绩。如前文所述，在比赛战术方面要运动员需要将滑行速度保持在一定范围内，而速度能否达到最大化以及能否保持则又受运动员滑行的路线影响[10-11]。

3.2 滑行特征点位置的选择

高山滑雪比赛中，不同的滑行线路会极大地影响运动员在弯道阶段及弯道间滑行阶段的运动表现，从而对运动员后续比赛中的运动表现造成一定的影响[12]。一般来说，较短的滑行路线可以在一定程度上缩短滑行时间[13-14]，因此部分运动员试图通过缩短滑行路线的长度来提高运动成绩。例如，运动员可以通过缩短弯道阶段的滑行轨迹长度来缩短滑行时间，即“Z”形策略[3]，但弯道阶段滑行路线的缩短可能会造成运动员在旗门处转弯半径过小从而导致转弯过急，继而转弯速度骤降[15]。有研究表明，转弯半径最小的滑行路线并不一定是最有效的战术策略[12]。本研究结果显示，运动成绩较差的运动员郭*在T2阶段滑行轨迹长度较其他4名运动员短，即转弯半径较小(见表1)，且是4名运动员中最小的，由此导致其在旗门处的滑行速度大幅度下降(见图4)。反观运动成绩最好的运动员张*，其弯道阶段轨迹长度适中，从而在转弯时速度并无大幅下降。这一结果与Brodie[15]对比分析两名转弯半径不同的运动员运动表现所得的结论相一致，即转弯半径过小并不会提高运动员的运动表现。

与“Z”形策略相反，有的运动员为减小转弯时速度下降的幅度而增大转弯半径，即“S”形策略[9]。本研究中，运动员陈*为保持一定的滑行速度而在转弯时采取大转弯半径的“S”形策略，但由于在转弯过程中轨迹过长，从而导致其总运动时间长于其他运动员。因此，运动员在滑行过程中需在“Z”和“S”两种滑行策略之间找到一个平衡点[12, 13]，以达到最佳的运动成绩。

此外，转弯点距旗门的距离可能也是运动员比赛成绩的影响因素之一[16]，一般情况下，回转和大回转项目会在旗门前启动转向，尽管会增加滑行距离但这使得运动员在回转过程中更为平稳且快速[16-18]。在本研究中，运动员陈*在2号旗门的入弯位置较高(见表2)，而郭*入弯点距旗门过近，从而导致二者在2号旗门处的每米海拔下时间消耗大于其他运动员(见图3)；运动员张*在转弯阶段距旗门距离适中，即势能的利用率更高，从而在旗门处获得更大的加速度，进入下一个转弯的速度也更快，从而提高整体表现，这可能也是其运动表现优秀的原因之一。这一结果与之前Spörri[19]所得运动员在斜坡位置较高处开始转弯与转弯所用时间缩短有关的研究结果相一致。

综上所述，运动员在比赛过程中滑行速度的控制、转弯半径的大小以及入弯与出弯点距旗门的垂直距离均会对比赛成绩造成一定的影响。由于运动员的个性化以及每场比赛有各自的特征[13]，研究人员也无法给运动员提供一个单一的最优战术策略，且任何孤立的因素均不能解释高山滑雪运动员速度的差异，因此运动员需要根据实际情况，利用各要素之间的相互作用，以此充分发挥个人的优势减少劣势影响，达到自己最佳的运动状态[4, 14]。

3.3 研究局限

首先，由于我国残疾人高山滑雪运动员较少，优秀运动员数量更是有限，所以本研究仅测试了5名备战北京冬残奥会的优秀运动员。近年来已有国外研究人员对个别优秀运动员进行技、战术分析，并取得了一定研究成果[8, 13, 15, 19]。因此本研究对于优秀运动员选择适合自己的最佳滑行路线也具有一定意义。其次，受场地、天气等因素限制本测试难度极大，很多实验室手段在低温野外环境无法使用，因此采用无人机定点拍摄方法。

4 结论与建议

通过无人机空中定点二维平面拍摄和运动学数据解析发现，站姿高山滑雪大回转技术主要取决于滑行速度的控制、转弯半径以及转向点距旗门的垂直距离。因此，建议我国站姿高山滑雪运动员在大回转项目中首先要提高在滑行过程中速度的保持及恢复能力，避免滑行过程中速度的骤降；其次，运动员在比赛过程中应选择合理的转弯半径大小及转向点的位置以提高运动成绩。