基于UWB的校園足球運動負荷監測系統開發與應用研究

李國民,張 新

(浙江理工大學 體育教研部,浙江 杭州 310018)

0 前 言

2015年3月，國務院發布《中國足球改革總體方案》，對我國足球改革發展進行了頂層設計和戰略部署，同時將校園足球活動上升至國家戰略層面。《中國足球中長期發展規劃( 2016-2050年)》強調：“推動互聯網技術與足球產業深度融合，重點引入移動互聯網、大數據等新技術與新業態，促進足球運動多點創新”。由此可見，利用科學技術推動校園足球發展已成為重要手段和校園足球工作者的研究熱點。

準確掌握足球運動特征和訓練規律是進行科學訓練的前提條件，只有全面、深入地認識和了解足球運動特征，才能做到準確地選擇與足球專項相符合的訓練內容、手段及制定相應的運動負荷方案，從而有效地組織足球運動訓練活動。我國學者徐本力認為：運動負荷是指有機體在承受一定的外部負荷時，在生理和心理方面所反應出來的內部負荷的程度[1]。由此可見，運動負荷由外部負荷和內部負荷組成。根據運動負荷產生的場景，可以分為訓練負荷和比賽負荷。足球比賽負荷是足球項目的一個重要特征，對足球比賽負荷的充分認識能真正了解比賽對運動員所提出的負荷需求，指導運動訓練中的負荷強度、負荷量、訓練方法、訓練手段、訓練內容的設計與安排等，使足球運動訓練建立在科學需求的基礎上，減少訓練的隨意性和盲目性，提高訓練的針對性和專項性，提高訓練的科學化水平。已有學者對足球訓練負荷監控進行了相關研究，如王晨等[2]，本研究內容為足球比賽負荷：外部負荷主要從次數、時間、距離、速度等指標進行評價；內部負荷主要從心率這個指標進行評價。

本研究基于UWB技術，在足球場地四周架設6個位置固定的定位基站，運動員采用腕帶方式佩戴定位標簽，臂帶方式佩戴光電心率表，通過AOA定位技術算法對運動員進行實時定位，獲取運動員位置信息，計算出運動員比賽時的速度、距離、沖刺次數以及心率變化等數據，實現對運動員比賽負荷實時監測作用，為制定科學的訓練計劃提供依據。

1 研究對象與方法

1.1研究對象

基于自主研發的基于UWB的校園足球運動負荷監測系統，以高校男子足球運動員為研究對象，并在校園足球教學比賽中進行了實際應用。

1.2.1 文獻資料法。通過以“UWB”、“校園足球”、“運動負荷”、“監測系統”為關鍵詞，在中國知識資源總庫(CNKI)數據庫檢索所得的50余篇文獻進行深入分析，為本研究提供理論基礎和實證參考。

1.2.2 軟件工程法。通過UWB技術及光電心率表相結合的解決方案來實現校園足球運動負荷監測系統。所需硬件設備：南京沃旭科技有限公司生產的超寬帶設備、定位標簽以及芬蘭生產的Polar光電心率表。定位系統通過在足球場四周架設6個基站，實現30cm以內的實時定位精度；定位標簽頻率設置為10HZ。心率采集佩戴方式為臂帶，在比賽結束后用藍牙連接方式將數據上傳至服務器，通過相關軟件的處理，完成數據的統計和分析。以操作系統"Windows"為系統操作平臺,以矢量化圖形技術為技術點,提供給教練員以可視化的操作界面,使用Microsoft Visual Studio.net作為開發工具來實現。

1.2.3 數理統計法。采用SPSS20.0 統計軟件對測量的數據進行分析。

2 系統監測指標

2.1 跑動距離：球員在上場時間內在場上跑動距離之和；

2.2 高速跑動距離：球員在上場時間內速度達到高速跑的跑動距離之和；

2.3 有效跑動距離：球員在上場時間內速度達到中速跑及以上跑動距離之和；

《背影》是朱自清先生寫于1925年的一篇回憶性散文，講述了普通小人物的平凡小事。文章以“我”的視野記錄了1917年離開南京前往北京大學求學，父子二人車站送別的情景。在人物描寫方面本文不同于一般的抒情散文，它沒有做過多的人物神情、心理、外貌的描寫，而是細致刻畫了父親的“背影”。對于《背影》這一經典敘事性散文的研究，大致分為兩種類型：一種是從文本解讀的角度分析課文的主題、情感、人物形象等內容，《背影》隨著時代的變遷，人們對其主題的解讀也是日漸不同。另一種則是從課堂教學的角度探討教學技巧，教學方式，研究課堂實錄。本文主要研究黃厚江《背影》的課堂實錄，對他的教學語言風格做一個解析。

2.4 高速跑動次數：球員的跑動達到高速跑范圍并且持續0.6s以上計做一次高速跑動；

2.5 沖刺跑動距離：球員在上場時間內速度達到沖刺跑的跑動距離之和；

2.6 沖刺跑動次數：球員的跑動速度達到沖刺跑范圍并且持續0.6s以上計做一次高速跑動；

2.7 高強度跑動次數：球員的跑動速度達到高速跑并且持續0.6s以上計做一次高強度跑動，即高速跑動次數和沖刺跑動次數之和；

2.8 高強度跑平均間歇時間：將沖刺跑和高速跑都定義為高強度跑，計算每兩次高強度跑的間歇時長，累計間歇時長/間歇次數即為高強度跑平均間歇時間；

2.9 跑動速度：本研究根據丹麥著名學者Bangsbo[3]對足球比賽中跑動形式的劃分以及速度區間制定的思路，同時借簽后續研究者的研究結果，結合校園足球特點，對跑動速度區間做如下劃分：①走或站立(0.0m/s≤V<1.2m/s)；②慢跑(1.2m/s≤V<2.4m/s)；③低速跑(2.4m/s≤V<4m/s)；④中速跑(4m/s≤V<5.5m/s)；⑤高速跑(5.5m/s≤V<7m/s)；⑥沖刺跑(7m/s≤V)。

3 研究結果

3.1系統設計與應用

3.1.1 系統硬件架構。超寬帶技術(Ultra-wideband,簡稱UWB)是一種不用載波，而采用時間間隔極小(納秒級)脈沖通訊方式的一種低耗電、高速傳輸的無線個人局域網絡通訊技術[4]。2002年2月，美國聯邦通信委員會首次批準該技術應用于民用通信，同年4月，將3.1GH至10.6GHz的頻帶免費授權給超寬帶使用。UWB具有非接觸、非視距、功耗低、安全性高、多徑分辨能力強和定位精度高等優點[5]。國內在2001年9月初發布的“十五”國家863計劃通信技術主題研究項目中，首次將“超寬帶無線通信關鍵技術及其共存與兼容技術”作為無線通信共性技術與創新技術的研究內容，鼓勵國內學者加強這方面的研究工作[6]。目前，UWB技術已在校園中長跑定位跟蹤測試中得到了應用[7]。有學者使用GPS衛星定位系統來測定運動員跑動距離，但GPS定位系統存在一定的缺點[8]：定位精度較低，3-5m；定位頻率低，為1HZ；低速運動測量值不準確；另外，當運動員集聚時會影響信號接收等。

校園足球運動負荷監測系統硬件主要是由兩個部分組成：第一部分是定位標簽(Tag)和光電心率表。定位標簽通過電池供電，能夠發射超寬帶信號，頻率為10HZ，采用腕帶的方式佩戴；光電心率表佩戴要求必須與皮膚接觸，采用臂帶的方式，與定位標簽分開佩戴；第二部分是基站(Sensor)，它是固定在已知坐標的位置上，能夠接收從定位標簽發送過來的UWB信號。基站之間通過有線的方式連結組成局域網。各硬件參數見表1，各硬件外觀見圖1。

表1 系統硬件參數表

定位標簽定位基站光電心率表南京沃旭通訊科技有限公司UT-220-M南京沃旭通訊科技有限公司UA-180O芬蘭POLAR博能心率表polarOH1

圖1系統核心硬件

3.1.2 系統軟件開發。本系統軟件主要由感知層、傳輸層、服務層和顯示層四大層級組成。感知層由定位基站、定位標簽以及光電心率表組成，主要用于數據的自動采集。定位標簽進入基站覆蓋范圍內時自動登記入網，確定定位標簽的配置參數，并將相關信息實時上傳。傳輸層是定位標簽、基站、服務器與外部網絡之間的傳輸通道，采用無線或有線的方式傳輸。服務層由UWB定位引擎、接口軟件及系統計算軟件等組成。顯示層由服務層通過計算后實時顯示定位標簽以及場地等位置信息。顯示層主要通過移動端或PC端來顯示。

基于UWB的校園足球運動負荷監測系統軟件包括主控界面和定位軟件兩部分。主控界面由工具欄、菜單欄、標簽欄、監控界面和狀態欄等組成。定位軟件包括了四大模塊：數據源設置、系統配置、數據庫管理以及網絡通訊。軟件開發環境主要應用Microsoft VisualStudio.net 10版，采用MySql作為系統數據庫，用 VB.NET為軟件開發語言完成了定位軟件系統的設計。

3.1.3 系統定位原理算法。當已知坐標位置的基站，收到定位標簽的UWB信號后，根據基站接收標簽的時間信息、角度信息或強度信息等計算標簽的實時位置。基站獲得UWB信號主要有3類方法：①利用信號飛行時間(TOF)，基站接收定位標簽發出的信號到達時間(TOA)，兩個基站接收信號到達時間差(TDOA)，獲得時間信息；②利用基站接收信號到達強度(RSSI)，獲得信號強度信息；③利用基站接收信號到達角度(AOA)，獲得角度信息。二維空間定位至少需要2個基站，三維空間定位至少需要3個基站。根據校園足球運動的實際情況，只需要獲取運動員在足球場上的二維空間位置信息即可，考慮到足球場地空間寬廣，基站工作距離有一定的限制，為了能實現足球場全覆蓋，在足球場四周架設6個基站，確保定位標簽在足球場范圍內能被實時定位。由于在足球場地內屬于視距傳播，沒有障礙物遮擋，本系統采用接收信號到達角度法(AOA)的定位算法來獲得定位標簽的位置信息。

接收信號到達角度法(AOA)，利用基站接收信號到達角度進行定位[9]，基站全方位感知信號的到達方向，通過信號與基站的相對角度得出定位標簽和基站之間的相對方位或相對角度，兩條基站與定位標簽徑向連接線的交點為定位標簽的位置坐標。AOA定位的優點是直接測量信號的到達方向角。

在二維空間中，基站坐標為：BS1,(x1,y1),BS2,(x2,y2)，定位標簽坐標為：MS(x,y),定位標簽發出的信號到BS1、BS2的相對角度分別為θ1、θ2，則定位標簽MS與基站BS1、BS2可以確定兩條方位線，定位標簽的位置坐標在這兩條方位線的交點處，二維空間AOA定位原理如圖2所示。

3.2系統信度和效度檢驗

信度和效度是保障研究質量的重要基礎，本文有必要對本系統設備采集的數據進行信度和效度檢驗，以保障研究質量。本系統信度是指系統設備采集數據的可靠程度，它表現為測試結果的一致性、再現性和穩定性。本研究采用組內相關系數(Intra class Correlation Coefficient，ICC)指標來檢驗信度問題， ICC指標主要反映了兩組數據的一致性程度。本系統效度是指系統設備采集數據時所具有的準確程度，主要關注系統設備采集數據與標準數據之間的偏差。本研究采用相對標準值的偏離百分比來檢驗效度問題。

圖2 二維空間AOA定位原理

檢驗方法是通過采用同一位運動員左右手腕分別佩戴一個定位標簽，左右手臂分別佩戴一個光電心率表，另外在胸前佩戴Polar心率胸帶(Polar心率胸帶的效度已得到廣泛的驗證[10])的方式進行。將通過左右手腕標簽測試距離之間比較以及與標準距離的比較，左右手臂光電心率表采集心率之間比較以及與Polar心率胸帶采集的心率進行比較分析檢驗系統信度和效度問題。鑒于足球運動員在比賽或訓練中多數是在變速跑的情況下完成各種動作，為盡可能模擬本系統在變速跑情況下的設備采集數據的穩定性，在測試時要求運動員在足球場上完成“Z”形的40m變速跑動測試，測試的路線見圖3。其中A點到B點采用低速跑完成，B點到C點采用高速跑完成，C點到D點采用低速跑完成。測試者為浙江理工大學男子足球隊20名運動員，在做好充分的準備活動后進行測試，每名運動員測試1次，測試者信息見表2。

圖3 信度和效度測試路徑圖

測試人數(n)年齡身高(cm)體重(kg)2019.0±1.6175.7±2.172.0±4.7

表3 UWB距離信度測試

表4 心率數據信度測試

表5 UWB距離效度測試

表6 心率效度測試

從表3可以看出在組內相關系數(ICC)上，左腕標簽與右腕標簽采集的總距離、低速跑動距離、高速跑動距離值在0.90～0.99之間，信度評價為非常好。從表4可以看出在組內相關系數(ICC)上，左臂心率表與右臂心率表采集的最高心率和平均心率均為0.99，信度評價為非常好。從表5可以看出標簽采集的總距離、低速跑動距離、高速跑動距離與標準距離的相對標準值偏高百分比在0.2%～0.7%之間，表現出了較高的效度。從表6可以看出光電心率表與Polar心率胸帶在最高心率和平均心率的相對標準值偏高百分比在0.4%～0.7%之間，表現出了較高的效度。由此認為本系統設備在不同速度下采集到的距離數據和心率數據擁有較高信度和效度，可以在校園足球運動負荷監測中進行使用。

4 應用分析

足球比賽負荷反映了比賽的需要，是設計科學訓練內容的重要參考依據，也是合理安排訓練負荷的出發點和落腳點。足球比賽負荷同時也可以反映運動員在比賽中競技能力的表現情況，在實踐中是教練員對球員的比賽表現進行分析和評估的重要內容和依據。本系統在浙江理工大學男子足球隊備戰2018年浙江省高校校園組A組比賽期間進行了實際應用。浙江理工大學男子足球隊在校園足球發展的道路上，秉承“足球是一項運動，更是一種精神”的理念，結合先進運動負荷監測系統，采用科學訓練的方法，在2018年11月浙江省高校校園組A組比賽中獲得浙江省冠軍。現選取2018年9月一場足球教學比賽做案例分析，解析本系統對足球比賽負荷的監測數據。

4.1球員信息與標簽綁定

在比賽開始前，根據出場隊員名單，完成隊員信息與標簽及心率表的綁定工作，最終實現手持終端能實時顯示每位球員場上位置，如圖4。

圖4 球員位置實時顯示

4.2球員跑動和心率數據分析

本系統能統計球員上場比賽時長、比賽最高心率、整場平均心率、跑動距離、高速跑動距離、沖刺跑動距離、高強度跑平均間歇等數據。在本場教學比賽中10號隊員和42號隊員最高心率達205次，42號隊員全場比賽平均心率為181次，全隊平均心率為171次。有研究顯示，不同年齡段的青少年系列足球比賽中，平均心率大約在164～171次左右，與成人男子足球運動員的比賽中的平均心率175次基本持平[11]。42號隊員在場上位置為右邊前衛，參加進攻與防守，比賽負荷較大。上半場全隊跑動距離為47 470m，下半場全隊跑動距離為45 785m，全場全隊跑動距離93 255m，除去守門員的跑動距離外，人均跑動距離在9 000m左右，7號隊員本場教學比賽跑動距離最多，達到10 348m。有2名隊員在本次教學比賽中跑動距離超過10 000m，有2名隊員跑動距離在9 500m以上。成人足球比賽中一名運動員大概要完成10 000～13 000m的跑動距離，浙江理工大學男子足球隊跑動距離與成人足球隊的跑動距離已相差不多，這說明浙江理工大學男子足球隊運動員具有較強的奔跑能力，也是球隊重點進行體能強化訓練的結果。高速跑動距離和沖刺跑動距離最多者分別是28號隊員和10號隊員。通過數據統計發現，浙江理工大學男子足球隊的中場隊員在比賽中跑動距離、跑動次數以及平均心率等排在前列，這與其他學者研究結果相似。中場隊員是所有隊員中跑動距離最多的，是球隊進攻的組織發起者以及防守時重要區域的守護者。在我國青少年足球比賽中，比賽的跑動表現情況并不是影響比賽結果的關鍵因素，但是從數值上來看，比賽獲勝的隊伍大多數指標的數值均要高于失利的比賽隊伍的數值，特別是在高強度跑指標方面，這可能說明積極的跑動表現對比賽結果也具有積極的重要作用。

5 結 論

基于UWB的校園足球運動負荷監測系統通過量化運動員在比賽過程中的負荷，幫助教練員對訓練和比賽過程進行更加精確的控制，進而最大程度的提高運動員的競技能力和降低運動損傷的風險，同時有助于發現運動員的優勢與劣勢，為制定訓練計劃和合理安排技戰術訓練提供精準的數據反饋依據。另外，在校園足球發展過程中，科學利用運動負荷監測系統，將成為協助校園足球發展的重要手段，為進行大數據分析提供有力的數據支撐。