(國(guó)防科技大學(xué) 湖南 長(zhǎng)沙 410072)
軍事體能訓(xùn)練作為軍事訓(xùn)練的重要組成部分,加速其科學(xué)化、信息化和智能化發(fā)展已成為我軍未來必然發(fā)展趨勢(shì)。隨著基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等技術(shù)的突飛猛進(jìn),特別是智能化可穿戴設(shè)備、檢測(cè)評(píng)估設(shè)備、運(yùn)動(dòng)監(jiān)控設(shè)備和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的廣泛應(yīng)用,利用最新的智能化方法手段來解決體能訓(xùn)練中存在的問題,研究設(shè)計(jì)出基于智能化條件下具有軍事特色的軍事體能訓(xùn)練體系,已經(jīng)成為必然趨勢(shì),對(duì)提升部隊(duì)軍事體能訓(xùn)練水平,有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
借助可穿戴設(shè)備、傳感器技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等智能化手段,可以構(gòu)建起集能力評(píng)估、計(jì)劃制定、動(dòng)作學(xué)習(xí)、訓(xùn)練監(jiān)控、信息管理于一體的智能化體能訓(xùn)練系統(tǒng)(見圖1),系統(tǒng)主要包括體質(zhì)能評(píng)估、方案制訂、動(dòng)作學(xué)習(xí)訓(xùn)練、監(jiān)控反饋和大數(shù)據(jù)平臺(tái)5個(gè)分系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)對(duì)體能訓(xùn)練的教、訓(xùn)、學(xué)、管、用多維度開發(fā),對(duì)體能的評(píng)、測(cè)、計(jì)、訓(xùn)、監(jiān)、反的多功能實(shí)現(xiàn),對(duì)體能訓(xùn)練由入伍到退伍的全周期跟蹤管理,達(dá)到體能評(píng)估精確化、訓(xùn)練計(jì)劃科學(xué)化、動(dòng)作學(xué)習(xí)專業(yè)化、訓(xùn)練手段多樣化、訓(xùn)練監(jiān)控實(shí)時(shí)化,數(shù)據(jù)管理智能化的目的,有效解決部隊(duì)訓(xùn)練存在的方法不科學(xué)、隊(duì)伍不專業(yè)、計(jì)劃不系統(tǒng)、監(jiān)控不精準(zhǔn)、手段不先進(jìn)、管理不高效等問題,為科學(xué)提升實(shí)戰(zhàn)化體能訓(xùn)練水平提供術(shù)支撐。

圖1 智能化軍事體能訓(xùn)練體系示意圖
該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)體體型、體質(zhì)、機(jī)能、體能的自動(dòng)化測(cè)評(píng),對(duì)健康狀況、體能水平、風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行科學(xué)評(píng)估,并提出訓(xùn)練干預(yù)措施和康復(fù)建議。從測(cè)量?jī)?nèi)容上可以分為形態(tài)測(cè)量與動(dòng)作評(píng)估、健康篩查、運(yùn)動(dòng)能力測(cè)試(能量代謝測(cè)試)、和康復(fù)評(píng)估4個(gè)部分,實(shí)現(xiàn)全要素、全過程監(jiān)控。
(1)形態(tài)測(cè)量與動(dòng)作評(píng)估。借助三維人體參數(shù)化建模成像系統(tǒng),開展身體形態(tài)、運(yùn)動(dòng)潛力和運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。技術(shù)方法和路徑是:被測(cè)者分別完成解剖姿態(tài)站立、立正、單腿站立、立位體前屈、深蹲等5個(gè)動(dòng)作的三維成像,利用參數(shù)化建模系統(tǒng)掃描得到三維人體原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),使用poisson表面重建與三維人體參數(shù)化建模算法,完成體形尺寸的測(cè)量與變化追蹤,并與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作模式評(píng)估數(shù)據(jù)對(duì)比,通過大樣本篩選,建立針對(duì)軍人特殊群體的建模算法和操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)身體形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量、基本運(yùn)動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的有效評(píng)估;
(2)健康篩查。借助人體機(jī)能分析儀、身體成分分析儀、數(shù)字化肌肉功能評(píng)估系統(tǒng)等,采用生物電阻抗技術(shù)等進(jìn)行身體成分分析、脂肪分析、營(yíng)養(yǎng)分析、節(jié)段分析、生理機(jī)能分析和健康狀況分析等,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心率、血壓、基礎(chǔ)代謝率、肌肉質(zhì)量、肥胖度等參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量,對(duì)個(gè)體身體機(jī)能狀況和健康情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析,對(duì)訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前篩選和預(yù)判,提高訓(xùn)練的針對(duì)性和科學(xué)性;
(3)運(yùn)動(dòng)能力測(cè)試。利用3D傳感和紅外成像技術(shù)、體感交互技術(shù)等,借助平衡診斷訓(xùn)練儀、肌力測(cè)定訓(xùn)練儀、視頻步態(tài)分析跑臺(tái)等設(shè)備,對(duì)人體上肢力量、下肢力量、核心力量、爆發(fā)力、耐力、靈敏、平衡、柔韌八大運(yùn)動(dòng)能力,采用縱跳、俯臥撐、卷腹、體前屈、快走、單腳站立、高抬腿等動(dòng)作進(jìn)行有效測(cè)量,最終形成可視化的體能分析報(bào)告,為下一步科學(xué)合理的訓(xùn)練計(jì)劃制訂奠定基礎(chǔ);
(4)康復(fù)評(píng)估。針對(duì)測(cè)試對(duì)象身體機(jī)能缺陷和傷病恢復(fù)情況,提供專業(yè)化的康復(fù)評(píng)估和訓(xùn)練建議,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化篩查、智能化評(píng)估、專業(yè)化訓(xùn)練和閉環(huán)管理,康復(fù)評(píng)估內(nèi)容主要包括柔韌性不足、平衡功能缺失、肌力發(fā)展受限、局部功能喪失等,能夠?yàn)閭☆A(yù)防和康復(fù)提供有效載體。
依據(jù)體能訓(xùn)練的金字塔模型理論、周期訓(xùn)練理論、板塊訓(xùn)練理論等,借助數(shù)據(jù)庫技術(shù)、智能代理技術(shù)、深度學(xué)習(xí)算法等,在對(duì)受訓(xùn)對(duì)象體質(zhì)、體能情況科學(xué)判斷的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)體能訓(xùn)練方案的自動(dòng)化制訂、檢查分析與訓(xùn)練診斷,提高體能訓(xùn)練的科學(xué)性和智能化水平。
(1)體能訓(xùn)練方案制訂理論模型。
根據(jù)體能訓(xùn)練金字塔理論、板塊訓(xùn)練理論等,結(jié)合軍事體能訓(xùn)練特點(diǎn),可以開發(fā)具有軍隊(duì)特色的漸進(jìn)式模塊化體能訓(xùn)練理論模型,制訂出相應(yīng)的有針對(duì)性的體能訓(xùn)練方案。
模型中最下層為基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊,包括關(guān)節(jié)的柔韌性、靈活性,核心的穩(wěn)定性、控制能力,以及推、拉、蹲、弓步、屈體、扭轉(zhuǎn)、步態(tài)等基本動(dòng)作模式的準(zhǔn)確性。這一部分是體能訓(xùn)練的基石,是運(yùn)動(dòng)效率、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和傷病預(yù)防的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。倒數(shù)第二層為力量素質(zhì)訓(xùn)練環(huán)節(jié),力量是體能訓(xùn)練的基礎(chǔ),沒有力量就談不上速度、耐力、靈敏和技能生成。力量素質(zhì)通常包括力量耐力、肌肥大、最大力量和爆發(fā)力等,它們是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程,通常先進(jìn)行力量耐力訓(xùn)練,再進(jìn)行最大力量和爆發(fā)力訓(xùn)練,效果和安全性更佳。倒數(shù)第三層是耐力、速度和靈敏訓(xùn)練,3種素質(zhì)與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和作戰(zhàn)行動(dòng)密切相關(guān),三者通常按照耐力、速度和靈敏順序進(jìn)行訓(xùn)練,首先提升心肺有氧能力,然后再提高速度和靈敏性,靈敏要以耐力和速度為基礎(chǔ)。最后一層為專項(xiàng)能力,具體到軍隊(duì),就是軍事技能和作戰(zhàn)行動(dòng)表現(xiàn),是在前三種素質(zhì)基礎(chǔ)上的綜合運(yùn)用,是戰(zhàn)斗力釋放的最終體現(xiàn),這階段通常與具體的技戰(zhàn)術(shù)相配合共同實(shí)現(xiàn)。
(2)體能訓(xùn)練方案制訂的模塊化周期性重構(gòu)。
在漸進(jìn)式模塊化金字塔體能訓(xùn)練理論模型基礎(chǔ)上,結(jié)合周期性訓(xùn)練理論,可以對(duì)力量、耐力、速度等主要素質(zhì)進(jìn)行模塊化周期性安排。
①力量計(jì)劃
力量訓(xùn)練包括4個(gè)階段,力量耐力訓(xùn)練階段、增肌階段、最大力量階段、力量爆發(fā)力階段。根據(jù)力量訓(xùn)練狀態(tài)(訓(xùn)練年限)進(jìn)行分級(jí),每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)不同的訓(xùn)練階段、訓(xùn)練頻率(見表1),再根據(jù)前述測(cè)試模塊中的學(xué)員測(cè)試成績(jī)及訓(xùn)練目標(biāo)確認(rèn)訓(xùn)練強(qiáng)度、訓(xùn)練時(shí)間,自動(dòng)生成符合個(gè)體差異的力量訓(xùn)練計(jì)劃。

表1 力量訓(xùn)練周期性訓(xùn)練表
②耐力計(jì)劃
主要使用LSD(長(zhǎng)距離慢跑)、節(jié)奏訓(xùn)練、間歇訓(xùn)練、重復(fù)訓(xùn)練和法特萊克訓(xùn)練等方法進(jìn)行訓(xùn)練,并采取周期性訓(xùn)練方法來實(shí)施。
周期性訓(xùn)練可以分為4個(gè)階段(見表2),每個(gè)訓(xùn)練階段均是上一個(gè)訓(xùn)練階段的基礎(chǔ)。

表2 耐力訓(xùn)練周期性訓(xùn)練表
根據(jù)受訓(xùn)者體能成績(jī)進(jìn)行分級(jí),每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)不同的訓(xùn)練階段,自動(dòng)生成包含有氧耐力訓(xùn)練方法、訓(xùn)練頻率、訓(xùn)練強(qiáng)度、訓(xùn)練時(shí)間的訓(xùn)練計(jì)劃。
③速度計(jì)劃
速度的發(fā)展需要建立在一定的力量基礎(chǔ)之上,因此速度訓(xùn)練同樣根據(jù)力量訓(xùn)練狀態(tài)(訓(xùn)練年限)進(jìn)行分級(jí)。在達(dá)到了一定的力量基礎(chǔ)后(設(shè)定值),再進(jìn)行速度訓(xùn)練,并且仍要根據(jù)力量計(jì)劃的執(zhí)行過程來設(shè)計(jì)速度計(jì)劃,如速度訓(xùn)練可以在單獨(dú)日安排,也可以穿插安排進(jìn)力量訓(xùn)練課起始階段。
(3)訓(xùn)練方案制訂系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。
借助數(shù)據(jù)庫技術(shù)、智能代理技術(shù)、深度學(xué)習(xí)算法等,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)體能訓(xùn)練方案的自動(dòng)化制訂、檢查分析與訓(xùn)練診斷,主要包括基本信息、訓(xùn)練計(jì)劃制訂、檢查與分析、訓(xùn)練診斷、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫等部分(功能結(jié)構(gòu)如圖2)。

圖2 訓(xùn)練方案制訂模塊功能結(jié)構(gòu)圖
該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)體能各類專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí),對(duì)動(dòng)作模式的掌握,對(duì)虛擬與增強(qiáng)訓(xùn)練手段的運(yùn)用,載體主要有文字、視頻、三維動(dòng)畫、交互平臺(tái)、模擬軟件等。主要包括體育知識(shí)庫、MOOC課程庫、動(dòng)作視頻庫、運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷與訓(xùn)練平臺(tái)、虛擬訓(xùn)練平臺(tái)等。
(1)體育知識(shí)庫。把體能訓(xùn)練相關(guān)的知識(shí)按照學(xué)科體系進(jìn)行梳理歸納并數(shù)字化,形成體育知識(shí)專家?guī)欤瑸轶w能訓(xùn)練提供理論支撐。主要包括運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)、運(yùn)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)、運(yùn)動(dòng)保健學(xué)、運(yùn)動(dòng)損傷與防護(hù)等體育運(yùn)動(dòng)科學(xué)知識(shí);籃球、足球、排球、游泳、體操、武術(shù)等競(jìng)技項(xiàng)目專項(xiàng)知識(shí)、技術(shù)與裁判法,以及體育史、體育管理、體育心理學(xué)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)、體育教學(xué)法等相關(guān)外延知識(shí);
(2)MOOC課程庫。可以看作體育知識(shí)庫的一部分,主要內(nèi)容包括各訓(xùn)練項(xiàng)目的MOOC課程、微課等,如體操、游泳、格斗、障礙、越野以及籃球、足球、排球等各類競(jìng)技項(xiàng)目MOOC課程、微課程等,能夠?yàn)槭苡?xùn)者提供完整的學(xué)習(xí)資源和考核需求;
(3)動(dòng)作視頻庫。把體能訓(xùn)練方案相關(guān)的訓(xùn)練內(nèi)容以視頻、動(dòng)畫等形式呈獻(xiàn)出來,為受訓(xùn)者提供直觀、生動(dòng)的訓(xùn)練體驗(yàn),能夠有效提升訓(xùn)練效率和準(zhǔn)確性。其主要內(nèi)容包括熱身、放松、力量訓(xùn)練、速度訓(xùn)練、耐力訓(xùn)練、靈敏訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練、穩(wěn)定性訓(xùn)練等科目的視頻動(dòng)畫等,也包括一些各項(xiàng)目國(guó)內(nèi)外經(jīng)典比賽與訓(xùn)練視頻;
(4)運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷與訓(xùn)練平臺(tái)。主要利用視頻成像、動(dòng)作捕捉、深度學(xué)習(xí)和智能分析技術(shù),對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動(dòng)作要求,自動(dòng)或半自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各主要項(xiàng)目的動(dòng)作演示、技術(shù)動(dòng)作診斷和針對(duì)性訓(xùn)練,有效糾正和提高動(dòng)作要領(lǐng)和技術(shù)水平,如器械、格斗等項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷與訓(xùn)練系統(tǒng)等;
(5)虛擬訓(xùn)練平臺(tái)。虛擬技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域主要表現(xiàn)為通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備向受訓(xùn)者展示可交互的、由計(jì)算機(jī)或現(xiàn)實(shí)攝影生成的、與體育運(yùn)動(dòng)情景相關(guān)的虛擬環(huán)境,以此來評(píng)估、訓(xùn)練、提高受訓(xùn)者在特定項(xiàng)目或技術(shù)動(dòng)作上的表現(xiàn)。虛擬技術(shù)在體能訓(xùn)練中的應(yīng)用主要包括:虛擬試驗(yàn)項(xiàng)目,就是把一些抽象的、復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)與生理生化試驗(yàn)用虛擬技術(shù)直觀的、生動(dòng)的呈現(xiàn)出來,能夠節(jié)約成本、提高重復(fù)使用率和訓(xùn)練質(zhì)量;虛擬專項(xiàng)訓(xùn)練系統(tǒng),包括游泳、格斗、越野以及技術(shù)比較復(fù)雜的各類競(jìng)技項(xiàng)目的虛擬訓(xùn)練,能夠提供一個(gè)沉浸式、多感知、交互性的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練環(huán)境;虛擬情境互動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng),利用計(jì)算機(jī)3D成像、運(yùn)動(dòng)人體捕捉和摳像技術(shù),使受訓(xùn)者根據(jù)屏幕上情景的適時(shí)變化和提示及時(shí)完成各種訓(xùn)練動(dòng)作,并達(dá)到預(yù)設(shè)訓(xùn)練目標(biāo),該系統(tǒng)可用于傷病康復(fù)訓(xùn)練與各類動(dòng)作模式訓(xùn)練中。
該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練過程的適時(shí)監(jiān)控,對(duì)考核數(shù)據(jù)的及時(shí)收集,對(duì)訓(xùn)練效果的及時(shí)反饋。主要包括智能考核系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)APP信息終端等幾部分。
(1)智能考核系統(tǒng)。主要利用射頻技術(shù)、動(dòng)作識(shí)別技術(shù)、可穿戴技術(shù)等,結(jié)合大綱考核要求和國(guó)家體能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),分階段對(duì)3000m、引體向上、俯臥撐、仰臥起坐、30m×2m往返跑、障礙、游泳等項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化考核評(píng)估,考核數(shù)據(jù)作為體能監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)的一部分納入大數(shù)據(jù)平臺(tái),測(cè)量可以定期也可以不定期,能夠階段性反映受測(cè)者的體能狀況;
(2)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。借助可穿戴技術(shù)、傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)等,利用智能化運(yùn)動(dòng)手表、手環(huán)、心率帶、運(yùn)動(dòng)衣、運(yùn)動(dòng)鞋等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)心率、能耗、路徑、距離、配速等參數(shù)的測(cè)量,適時(shí)監(jiān)控受測(cè)者的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn),與大數(shù)據(jù)平臺(tái)一起能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被觀測(cè)者全過程、全時(shí)段、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控,全面掌握分析受測(cè)者運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和體能訓(xùn)練科學(xué)性與合理性;
(3)智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)。借助Omegawave等設(shè)備,運(yùn)用訓(xùn)練窗理論,可以對(duì)人體的機(jī)能與體能狀態(tài)作出實(shí)時(shí)的綜合性診斷和評(píng)估,測(cè)量?jī)?nèi)容包括靜心率指標(biāo)、安全心率閥值、功能狀態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、能量代謝系統(tǒng)數(shù)據(jù)、心電圖和心臟功能數(shù)據(jù)等,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體身體疲勞和恢復(fù)狀況、能量代謝狀況、神經(jīng)功能狀況和肌肉功能狀況的有效測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況的適時(shí)監(jiān)測(cè),為訓(xùn)練計(jì)劃的及時(shí)調(diào)整和訓(xùn)練傷病預(yù)防提供有力支撐。該系統(tǒng)側(cè)重于對(duì)人體內(nèi)在環(huán)境參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化測(cè)量與監(jiān)控,而動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)重于對(duì)外在運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行大批量的收集與監(jiān)測(cè),二者相配合能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)個(gè)體的全角度、全要素監(jiān)控;
(4)移動(dòng)APP信息終端。主要是指應(yīng)用于面向受測(cè)者手機(jī)的應(yīng)用軟件開發(fā),通過APP可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和訓(xùn)練各項(xiàng)功能的有效反饋。它可以通過編程語言進(jìn)行開發(fā),也可以利用成熟應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)。
主要運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和深度學(xué)習(xí)算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練各類數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析、深層挖掘和科學(xué)管理,它是整個(gè)智能化體能訓(xùn)練系統(tǒng)的基石,是系統(tǒng)信息終端。可以分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)訪問層及應(yīng)用層等幾個(gè)大的部分。市場(chǎng)上已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)和系統(tǒng)可提供二次開發(fā),亦可委托專業(yè)公司進(jìn)行研發(fā)。
上文對(duì)智能化條件下軍事體能訓(xùn)練體系進(jìn)行了初步研究,構(gòu)設(shè)了包括體質(zhì)能測(cè)評(píng)、方案制訂、動(dòng)作學(xué)習(xí)訓(xùn)練、監(jiān)控反饋、大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)五位一體智能化體能訓(xùn)練系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)體能訓(xùn)練的全要素、全過程、全維度管理。對(duì)全面提升我軍體能訓(xùn)練質(zhì)量,提升部隊(duì)信息化水平,加強(qiáng)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力建設(shè)具有重要意義和廣闊應(yīng)用前景。但系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還需要智能化技術(shù)的支持,需要軟硬件環(huán)境的支撐,當(dāng)前智能化體能訓(xùn)練設(shè)備無論從性能上、功能上、體系上,還是從智能化程度上都有較大差距,需要投入大量人力財(cái)力進(jìn)行研發(fā),離真正開發(fā)出智能化系統(tǒng)、形成訓(xùn)練能力還有很長(zhǎng)的路要走。