運動學指標與競走成績的關系：基于灰色理論的研究

文世林，白廣娜，李建臣

（首都體育學院體育教育訓練學院，北京 100191）

運動訓練學

運動學指標與競走成績的關系：基于灰色理論的研究

文世林，白廣娜，李建臣

（首都體育學院體育教育訓練學院，北京 100191）

現有文獻表明不同類型運動學指標與競走技術的關聯度存在差異，但運動學指標與競走成績的關聯度并不是很清楚，因此，探討二者的關系有一定的理論和現實意義。以第12屆全國運動會男子20km競走比賽前8名運動員為研究樣本，通過三維攝影和圖像解析的方法獲取9個運動學指標，并應用灰色關聯理論對上述9個指標與競走成績的關聯度進行了分析。結果顯示，灰色關聯度（r值）的排序為：騰空時間（0.8063）＞前擺髖速度（0.7439）＞重心垂直位移（0.6988）＞支撐時間（0.6809）＞步長（0.6710）＞髖起伏（0.6497）＞垂直膝角（0.6378）＞后擺髖速度（0.6153）＞垂擺髖速度（0.5642）。結論：運動學指標與競走成績之間存在一定的關聯度，并且各運動學指標與競走成績關聯系數不同；在競走運動學指標的選擇上，重點選擇能反映競走技術和競走成績的內在關系的指標，例如，動作質量相關的指標；競走技術訓練應重點關注與動作質量相關的訓練，其次關注與行走效率和速度發展相關的訓練。

競走成績；灰色理論；三維攝影法；運動學指標

競走規則的變化會引起競走技術特征和技術風格的改變，同時也會讓技術診斷過程中運動學指標的使用發生變化。20世紀90年代國際田徑聯合會對競走技術的規定如下：“每步中后腳離地之前，前腳必須與地面保持接觸”，且“支撐腿在垂直部位時至少有一瞬間必須是伸直的”[1]，并且要求競走過程中不能出現肉眼可見的“騰空動作”。由于肉眼無法辨認騰空動作，這就為使用高速攝影技術評判騰空動作提供了契機。早在1994年，我國學者[2]采用高速攝影和圖像處理法對我國參加第25屆奧運會的3名女子競走運動員的競走技術進行了分析。研究中首次將“騰空動作”劃分為3種時限階段，即合理時限（50ms以下）、模糊時限（60～70ms）和犯規時限（80ms以上），并對裁判判罰“曲腿技術”時180°膝角所出現的時長進行了計算。隨后，高速攝影和影片解析法逐漸應用到了競走技術的診斷和分析中，例如，李淑芳等人對多名優秀運動員比賽過程中的技術進行了研究，并且使用了多種運動學指標，如步長、步頻、單步騰空時間和垂直位移[3-4]、身體重心、前腳著地形成的腳掌仰角及支撐腿在垂直部位時形成的膝角[5]、軀干前俯角、身體重心起伏[6]等。

1996年國際田徑聯合會修改了競走技術規則（簡稱“新規”），要求：前腿在觸地瞬間必須伸直（即膝部不得彎曲）直至垂直面。隨后，我國學者對“新規”之后的技術變化進行了一系列研究。有研究對一直所沿用的“雙支撐時相”提出了質疑，認為在高速攝影機的辨認之下該時相是不存在的，因為運動員都有用肉眼辯別不清的程度不同的騰空現象[7]?？梢姡v空動作不可避免，如何降低競走過程的騰空時間才是訓練實踐過程中教練員以及研究者應關注的焦點。有人指出，騰空時間的長短是衡量競走技術水平的關鍵，也是裁判員判罰的核心點，并用灰色系統理論對24項運動學指標進行了分析，結果顯示與騰空時間關聯度較大的6項指標為：左腿著地角、支撐腿離地瞬間踝角、右腿著地角、復步步頻、最小位移速度和左腿擺動時最小膝角[8]。有研究提出，“騰空時間”長短及“身體重心上下起伏距離”是判斷技術犯規的重要技術指標[9]。另有人對參加第17屆世界杯競走比賽和第8屆全國運動會（以下簡稱全運會）的28名運動員進行了運動學分析，并計算出我國運動員競走技術中騰空犯規的臨界值為55ms[10]。

在關注騰空時間的同時，競走步幅或步長也是研究者關注的重點之一。有研究認為，“提高競走運動員的步幅，加大髖關節前后移動距離”才是合理的競走技術，并建議運動員應加大骨盆圍繞垂直軸向前移動的幅度，這樣可增加水平速度[11]。有人歸納了女子10km、男子20km和男子50km3個項目的技術特點，提出了符合“新規”的當今世界競走技術的10個特征，其中重要的特征之一是“運動員技術趨于穩定，步長的適宜和步頻較高，步長與步頻的比值控制在0.55～0.56”[12]。有人對國際田徑聯合會競走定義的修訂所產生的影響進行了分析，認為“新規”實施后“高速走”仍是競走技術未來的發展方向[13]。有研究則認為，“新規”會讓競走訓練的重點向“腳尖翹起腳跟先觸地、膝關節伸直的直腿著地技術動作”轉移，使技術向“保持合理的步頻，適當增大步長”[14]方向發展。另有研究認為，“新規”的實施對我國競走運動員的技術造成了巨大沖擊，“小步幅、高步頻”的技術風格遇到挑戰，并對2003年全國競走冠軍賽女子10km比賽的前8名運動員的髖關節運動技術進行分析，發現了運動員髖關節運動技術環節存在的問題[15]。可見，規則的改變對我國運動員的競走技術特征和技術風格產生了一定的影響，也引發了研究者對運動學指標與技術風格的激勵爭辯。

有人認為，中國競走技術從“小步幅、快步頻”平動技術風格和垂直轉動技術風格，逐漸向“大步長、騰空短”的“復合鐘擺運動”三維轉動技術風格轉變[16]；也有研究提出了“劃船式技術”[17]。有研究指出，中國競走運動員因受身體條件制約，其技術應繼續發揚和保持“高步頻”的特點，發展的側重點是適度增加步長[18]；也有人認為，“小步幅、快步頻”仍是運動員保持連續長時間高速度快走來確保比賽獲勝的關鍵[19]。有研究則認為，在重視競走技術訓練的基礎上，加強專項能力的訓練是奪取獎牌的保證[20]。

隨著競走技術特征和技術風格的變化，近年來運動學分析的指標類型越來越多樣化，例如，單步騰空時間、單腿支撐時間、重心垂直位移、頭頂垂直位移、支撐腿膝角、支撐腿膝角達180°的時間、足跟觸地與重心垂面距離、兩腿夾角[21]、膝角、重心垂直位移、頭頂位置上下起伏、軀干傾角[22]、步長、步頻、足觸地角度[23]、頭部平均速度、膝關節直腿時間、左右臂和左右大腿水平擺動幅度[24]、髖起伏、髖部運動速度[16]等。上述運動學指標，大致表現出3個特點，據此歸為3類：第1類，與行走速度相關的指標，例如，身體重心速度、髖關節速度等；第2類，與行走效果相關的指標，例如，步長、步頻等；第3類，與動作質量相關的指標，例如，騰空時間、重心垂直位移、軀干傾角等。

綜上所述，運動學指標受競走規則變化的影響，與運動員技術風格有關，并且能有效評價競走技術，可見運動學指標與競走技術關系密切。如果說競走技術是影響運動員競技能力和運動成績的重要因素之一，那么，運動學指標與運動成績之間又存在什么樣的關系呢？因此，研究提出如下假設：假設1，競走運動學指標與競走成績存在相關關系；假設2，各運動學指標與競走成績的關聯度存在差異?；谏鲜鲅芯考僭O，研究通過三維運動學方法測量優秀運動員競賽過程中部分運動學指標，并且運用灰色相關理論分析其與競走成績的關系。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象以灰色理論背景下運動學指標與競走成績的關系為研究對象。以第12屆全國運動會（2013年5月）男子20km競走比賽前8名運動員的成績為研究樣本，8名運動員的基本情況見表1。

表1 第12屆全國運動會前8名運動員的基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法通過中國知網期刊數據庫以關鍵詞“競走”檢索出175篇核心期刊論文，遴選其中與競走技術和運動學分析有關的論文40余篇進行文獻分析，總結和述評：競走規則變化與運動學指標的關系、競走規則與競走技術的關系，以及運動學指標發展和分類。在此基礎上提出研究的問題和假設。

1.2.2 三維運動學方法

1.2.2.1 三維現場定點拍攝 使用2臺星高鈦HS高速攝像采集系統（圖1-A）對沈陽舉辦的第12屆全運會男子20km競走比賽現場進行拍攝。根據公路賽場地特點，將1號攝像機置于公路一側便道上，2號攝像機放置于公路場地的拐彎處（圖1-D），2臺高速錄像機機高1.1m，主光軸成900，符合600＜拍攝夾角＜1200的要求，拍攝頻率為100Hz，拍攝距離為10m。比賽前，對數字三維標定框架(圖1-B)進行拍攝；比賽過程中，對運動員的競走技術進行近景定點拍攝，記錄了前8名運動員的比賽信息；比賽后，對數字框架進行第2次拍攝，目的是對競走動作范圍進行進一步精確標定。數字三維標定框架采用x、y、z直角坐標，其中x、y軸組成的是水平空間，z軸是三維立體空間，3軸互相垂直；y軸是運動員前進的方向，x軸是左右的方向。

圖1 運動學分析的構成要素

1.2.2.2 運動錄像解析 使用星高鈦-威德（Signal TEC Video）錄像分析軟件對采集的錄像進行解析處理和分析。1）對比賽圖像以及數字框架進行前期的甄選、截取后輸入分析系統，設定好所需的系統參數，對每一幀圖片打點；2）用21點俄羅斯扎齊奧爾斯基人體模型（有重心）和3點地面標志點進行手工標記（圖1-C），并用低通數字濾波法(濾波截斷頻率為8赫茲)對得出的數據進行平滑處理；3）根據研究需要導出運動學的相關指標及直觀圖像。

2 結 果

2.1 競走技術的運動學指標通過對參加第12屆全運會20km競走比賽前8名運動員比賽現場的技術進行三維解析，得到表2所示的9項運動學指標。

2.2 競走成績與競賽過程中運動學指標的灰色關聯度根據運動學分析結果（見表2），進一步對上述9類指標與20km競走成績進行灰色關聯度計算。根據公式1將成績和各運動學指標去量綱化，得到競走9個運動學變量（X1-X9）和總分（X0）的去量綱化數列（表3）。

表2 參加第12屆全運會20km競走比賽前8名運動員的運動學指標

表3 競走成績和運動學指標的去量綱化數列

表4 參考數列與每個比較數列的差值絕對值

表5 每個比較數列的關聯系數數列

3 分 析

3.1 采取灰色理論分析運動學指標與運動成績的可行性我國第12屆全運會的前8名運動員包括2名國際健將（其中王鎮、蔡澤林獲得了2012年倫敦奧運會的第3、第4名）、2名健將和4名一級運動員，并且本次比賽的成績均值為5017.9±158.7s（約為1：23：23），所選研究樣本代表了我國優秀競走運動員的整體水平。另外，研究所應用的三維運動學分析系統是當今主流的生物力學技術之一。因此，研究所獲得的運動學指標也能有效地反映現階段我國競走技術的整體特征。

灰色關聯度分析法的基本原理是在于對2個系統之間隨時間或不同對象而發生變化的因素間關聯性大小的量度，適合小樣本量的研究。如果在系統發展和變化的過程中，2因素間的變化具有一致性趨勢，說明二者之間的同步變化程度較高，也說明二者具有較高的關聯程度，亦稱“灰色關聯度”[26]?；疑P聯理論旨在對各子系統的發展變化態勢進行量化，進一步揭示各子系統與參考變量的數值關系。研究中，由于競走技術中各運動學指標所代表的運動學意義不同，并且各數據的量綱也存在差異，例如，步長的單位是米（m），重心垂直位移、髖起伏的單位為厘米（cm），髖后擺速度、髖垂擺速度、髖前擺速度的單位為米每秒（m/s），垂直膝角的單位為角度（度）；另外，騰空時間、著地時間的單位為毫秒（ms），因此，在計算過程中，需要對參考數列和比較數列進行無量綱化處理。此外，在處理與競走成績相關的各子系統的灰色關聯度時，除了計算因素間的關聯程度大小之外，還要用關聯度的大小次序進行描述。研究所得到的數據矩陣是與競走成績相關的若干個按大小順序排列起來的“關聯序”，可反映各運動學指標與競走成績相關的“優劣”等級?？梢?，用灰色關聯理論來分析競走成績與各運動學指標的關系符合方法學的原理。那么，各運動學指標與競走成績的內在聯系是什么？

3.2 運動學指標與競走成績的內在聯系在“騰空時間”與24項運動學指標的灰色關聯度研究中，部分指標之所以與騰空時間的關聯度高是因為它們代表了運動員的著地技術、后蹬技術、步頻、擺動時腳離地高度[8]。雖然，上述研究沒有交代灰色相關分析的細節信息，例如，參考數列、子數列（除了公布的6項運動學指標，沒有顯示余下的18項的信息）、去量綱的方法等，但它說明了如下問題：不同類型的運動學指標代表了不同的技術特征，在灰色關聯度的分析中各子數列與參考數列的關系代表了運動學參數與競走技術變量（例如，騰空時間等）的內在聯系。基于此，研究對事先所遴選的9項運動學指標進行了初步歸類：1）與速度相關的指標：前擺髖速度、后擺髖速度、垂擺髖速度；2）與行走效果相關的指標：支撐時間、步長、髖起伏；3）與動作質量相關的指標：騰空時間、重心垂直位移、垂直膝角。從研究結果來看：速度相關的指標的“關聯序”是第2、8和9位；行走效果相關的指標是第4、5和6位；動作質量的指標排序第1、3和7位。因此，從“關聯序”r值的均值來看，動作質量相關的指標與競走成績的關聯度最大，其次才是行走效果和速度相關的指標。那么，動作質量相關的指標（例如，騰空時間、重心垂直位移、垂直膝角）與競走成績的關聯度高又說明什么問題？

有研究表明，“騰空時間”和“身體重心上下起伏距離”（即重心垂直位移）二者相互關聯，身體重心上下起伏距離越大，騰空時間越長，且二者能有效反映競爭技術的經濟性，也是判定技術犯規的重要內在指標[9]。這就說明上文中的“重要內在指標”進一步佐證了研究中“動作質量相關指標”與競走成績關聯度最高的結論。另有研究表明，髖關節的速度增加代表前擺時擺動腿一側送髖技術，這一技術加大了腳前伸的距離，有利于獲得更大的步幅[27]，這也說明前擺髖速度對加大步長，創造良好的競走成績有重要意義，這也可能是研究結果中前擺髖速度（與速度相關的指標）處于“關聯序”第3位的原因之一。綜上可知，通過對騰空時間、重心垂直位移、前擺髖速度等排在關聯序前3位的指標與競走成績的內在聯系進行佐證，說明應用灰色關聯理論來判別運動學指標與競走成績的內在關系有一定的理論依據。

3.3 研究的不足之處在灰色關聯度分析中，參考數列是競走的成績，即一組以時間為單位的數列，其9個子序列與競走成績的正負相關程度很難確定，比如，子序列中髖起伏、垂直膝角、重心垂直位移等數值越大競走成績越好，也可能相反。因此，在去量綱化過程中，研究直接采用“均值化”處理的方法，即子序列中每個數值除去該序列的平均數[26]，其中“髖速度”一類的指標可能與競走成績（時間）負相關，即速度越大，運動員所用的時間就越少，但研究未能通過多種去量綱化方法來處理該類指標對關聯系數的影響。

4 結 論

運動學指標與競走成績之間存在一定的關聯度，并且各運動學指標與競走成績關聯系數不同。在競走運動學指標的選擇上，研究者應優先考慮能反映競走技術和競走成績的內在關系的指標，例如，動作質量相關的指標。競走技術訓練應重點關注與動作質量相關的訓練，其次是與行走效率和速度發展相關的訓練。

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Correlation between Kinematics Index and Race Walking Performance: Based on Grey Correlation Theory

WEN Shi-lin， BAI Guang-na， LI Jian-chen

(College of Physical Education， Capital University of Physical Education and Sports， Beijing 100191， China）

Along with the changes in the rules of race walking and the progress of the three-dimensional high speed photography and analytical technology, kinematics indexes related to the race walking technology were gradually diversified. But the intrinsic relationships between kinematic indicators and walking performance are not very clear. Therefore, to explore the kinematics index and walking performance correlation is certain necessity. Taking the top 8 of the men's 20 km race walking as participants, and 9 kinematics indexes were collected by the image analytical method, and correlation to the nine indicators and walking performance were analyzed by the theory of grey correlation theory. Conclusions: The order of the grey correlation coefficient (r value) of kinematics index and walking performance were: fly time(0.8063)＞center gravity vertical displacement(0.7439) ＞ front pendulum hip speed(0.6988) ＞ support time (0.6809)＞ stride length (0.6710)＞ hip fluctuation (0.6497)＞ vertical knee angle (0.6378)＞ vertical pendulum hip speed(0.6153) ＞ back pendulum hip speed(0.5642). The results showed that the training points of the race walking should be given priority to movement quality and technical stability; the selection of the kinematics index should not just be diversification, but these indicators can systematically explain the intrinsic relationships between the technology and the race walking performance.

race walking performance; grey correlation theory; three-dimensional tomography; kinematics index

G821

A

1004 - 7662(2016 )09- 0057- 06

2016-08-15

文世林，講師，博士，研究方向：田徑運動理論與實踐。