女子1000m速度滑冰競賽速度曲線特征研究

宋瑨，龐清，劉石

摘要：目的：通過對部分女子1 000m速滑運動員的關鍵或近期的世界級比賽進行運動學數據獲取和幾何模型建立，以期更準確地評價比賽中運動員的速度特征。方法：選取鮑維（Bowe）等十位世界優秀女子1 000m速滑運動員的關鍵或近期比賽視頻錄像，使用Dart Fish的視頻分析（精度0.1s）和同步計時軟件（精度0.01s）獲得滑行各階段的運動學數據，構建幾何模型，編輯數據并進行差異性和相關性分析。結果呈現為描述速度的幾何曲線和各分段間速度與成績的相關性。結論：速度擬合曲線能夠很好地描述世界優秀女子速度滑冰1 000m運動員比賽中的速度情況并評估運動狀態。世界優秀女子速度滑冰1 000m運動員在比賽中第2、12、13、18、19、20段的平均速度水平、相對平穩滑行階段的最小速度和最大速度是影響比賽成績的關鍵因素，且最小速度更為重要。

關鍵詞：女子1000m速滑運動員;視頻分析;幾何模型;速度曲線特征

中圖分類號：G808文獻標識碼：A文章編號：1008-2808（2021）06-0031-07

Abstract：Objective：The kinematics data and geometric model were acquired by video analysis and synchronous timing software for the key or recent world-class competitions of 1 000m female elite speed skaters in the world， so as to evaluate the speed characteristics of the athletes more accurately. Methods：Dart Fish video analysis （accuracy：0.1s） and synchronization timing software （accuracy： 0.01s） were used to obtain kinematics data of each stage of sliding of key or recent competition video of ten 1 000m elite female speed skating athletes in the world， including Brittany Bowe. These data are used to build geometric models， edit the data， and perform difference and correlation analysis. The result is presented as a geometric curve describing the speed and the correlation between the speed and the performance of each segment.? Conclusion ：The speed fitting curve can describe the speed situation and evaluate the sports status of the world elite 1 000m female speed skating athletes.The average speed level of 1 000m female speed skaters in the 2nd， 12th， 13th， 18th， 19th and 20th stages， the minimum speed and maximum speed in the relatively smooth sliding stage are a key factor in the performance， and the minimum speed is more important.

Key words：Female 1 000m-speed skaters;Video analysis;Geometric model;Characteristics of speed curve速度滑冰是我國具有較大潛在優勢的冰雪運動項目，2014年索契冬奧會曾出現張虹這樣奧運冠軍級別的運動員，但后續發展阻滯，競技水平整體下降。2016年，七部委聯合下發《全國冰雪場地設施建設規劃（（2016—2022年）》，可見從國家層面，冰雪運動發展得到了前所未有的高度重視，“兩個冰雪規劃”的制定將成為我國冰雪運動發展的“指南針”，將推進我國冰雪運動發展進入新歷程[1]。根據速度滑冰的發展趨勢選擇合理的制度變遷路徑，建立具有中國特色的速度滑冰運動發展體系，促進速度滑冰運動的全面發展[2]。

其中，速度特征是速滑項目突破技術壁壘的研究重點，當然它在跳高、三級跳遠、中長跑等項目也具有較高的研究價值。速度特征的研究包括步幅步頻（動作速度特征）、能量分配、速度節奏（位移速度特征）等角度。國外有一些學者從能量分配視角進行速度特征的研究，國內學者則更多集中于步幅步頻和速度節奏視角。

許世巖[3]等人提出使用線解圖的方法對競走運動員訓練和比賽時的步幅步頻進行測量與研究，獲得運動成績和身體素質變化的信息，使教練員的指令有的放矢。譚明義[4]等人研究發現我國優秀男子100m運動員的步頻已經超過了世界優秀短跑運動員，而步幅的大小受力量因素影響最大，中國優秀運動員如要在現有基礎上取得步幅上的突破 ，就必須大力發展力量素質。陳民盛[5]等人發現由低速向高速滑行時，在步頻與步速關系中，動態支撐方式遵循定點支撐方式的變化規律;但在步長與步速關系中，動態支撐方式卻有與定點支撐方式相反的結果。Mattern[6]等人證明在800m項目中運動員采用慢啟節奏策略，認為會延遲疲勞出現的時間，加強無氧代謝儲備便于終點階段沖刺，有利于獲得更好的成績。Hettinga[7]等人證明，不同的速度分配無氧代謝產生的總能量不變，但無氧代謝能量在比賽中的分配不同卻會造成成績的差異。Atkinson[8]等人在其研究中發現，阻力隨速度的增加呈二次方指數倍增加，因此一些學者認為短距離項目啟動階段快速到達最大速度有利于克服空氣阻力，從而減少無氧儲備的消耗。黃達武[9]等人認為競速類項目優秀運動員的速度特征是由其比賽能力和戰術選擇共同決定的。吳新炎[10]等人認為1 000m速滑項目主要制勝因素是絕對速度和速度耐力，兩者同等重要，而不是一直認為的速度耐力。

基于之前優秀學者的研究，為了洞察1 000m速滑項目速度特征的更多細節，本文以世界優秀女子1 000m速滑運動員比賽的速度特征為研究對象，從幾何學視角入手，試圖通過速度擬合曲線的幾何特點來分析影響1 000m速滑項目的關鍵因素并評價運動員能力。

1研究對象與方法

1.1研究對象

選取10名女子1 000m速滑運動員（世界杯近期比賽排名位于前20名）的關鍵或近期比賽視頻進行研究，其近期參賽情況見表1。

選取鮑維2019年3月世界杯鹽湖城站創造世界紀錄（111”61）的比賽視頻和張虹2014年索契冬奧會奪冠（114”02）的比賽視頻作為試驗模板;選取2019年12月世界杯哈薩克斯坦站中鮑維、伊爾文、法特庫琳娜、卡恰諾娃、莫爾斯、小平奈緒、克澤萬卡、德容、李奇時和趙欣10位選手的比賽視頻進行對比分析。

1.2研究流程

1.2.1數據采集點選取為了能夠更為準確反映1 000m過程中每一段滑行距離的運動特征，研究將400m的跑道分為8段（大于8段時計時與距離估算的準確度會大幅度降低，小于8段時運動學細節特征會被忽略），共8個標記點。1 000m全程共記錄時間20次（其中包含3次賽事官方標記點200m/600m/1 000m）。從1 000m起跑線開始標記，逆時針方向進行，直道與彎道連接處共4處，做4個標記點，彎道弧頂共2處，做2個標記點，1 000m終點線做1個標記點。8個標記點依次記為A、B、C、D、E、F、G、H，見圖1。

1.2.2數據采集方法通過Dart Fish軟件中的標點和計時功能獲得運動員到達每一個標記點的時刻（視頻分析精度為1幀，即0.1s）。為了保證計時精度，選擇使用同步計時軟件在視頻中插入新的計時器（精度為0.01s）同步計時并對視頻計時進行糾偏。每場比賽視頻都由5名記錄人員各記錄一次，5次測量取均值后將E標記點的3個數據與官方計時比較并進行誤差分析后計算得出糾正值。

1.2.3數據處理將整理好的時間數據按內外道起滑的不同進行分組。內道出發組其滑行過程中各段模擬距離依次記錄為55、39.25、39.25、50、50、39.25、39.25、50、50、47.1、47.1、50、50、47.1、47.1、50、50、39.25、39.25、50（單位為m）。外道出發組其滑行過程中各段模擬距離依次記錄為45、47.1、47.1、50、50、47.1、47.1、50、50、39.25、39.25、50、50、39.25、39.25、50、50、47.1、47.1、50（單位為m）。

計算各段距離和滑行各段所需時間的比值（即分段平均速度）并整理到表格中，以便于將數據導入SPSS 18.0軟件并使用圖表構建程序進行速度曲線擬合。

1.2.4數據分析將數據整理好后錄入SPSS18.0軟件，進行差異性分析和相關性分析。差異性分析使用配對樣本t檢驗，相關性使用皮爾森相關性分析。

2研究結果

2.1張虹和鮑維的關鍵比賽

張虹（內道出發）和鮑維（內道出發）這兩場關鍵比賽的分段數據記錄如表2和表3。表2和表3數據的速度擬合曲線如圖2和圖3。

依據擬合曲線數據，當進入相對平穩的滑行階段后（兩條水平方向的黑色虛線之間的狀態），張虹比賽的最大速度為15.4m/s，最小平均速度為11.8m/s，全程中以平均速度12.6m/s-14.3m/s滑行的時間最長（兩條水平方向的紅色虛線之間的狀態）。鮑維比賽的最大速度為15.4m/s，最小平均速度為11.8m/s，全程中以平均速度12.9m/s-14.3m/s滑行的時間最長。分析兩曲線走勢的差異，可以看出鮑維后500m的速度保持能力極強，甚至還能提升速度，而張虹的后500m是在努力控制降速，差距顯而易見。我國短距離運動員大多只能在500 m上達到世界級水平，而在1 000m上則與世界同類型短距離選手的差距很大[9]。

2.2十位世界優秀女子1 000m速滑運動員的近期比賽通過對所選十位運動員的分段時間數據進行配對樣本t檢驗可以發現，樣本間差異均不具有顯著性，即可以證明十位運動員均屬于現役世界優秀女子1 000m速滑運動員。

以下為2019年速滑世界杯哈薩克斯坦站中女子1 000m速滑項目比賽的十位運動員的速度擬合曲線，左側為內道出發，右側為外道出發，見圖4-13。圖4趙欣的速度擬合曲線

圖2-圖13中的水平方向的黑色虛線（每張圖中各2條）所對應值與比賽成績的相關性分析結果如表4。

表4結果顯示，相對平穩滑行階段的最小速度值與比賽成績高度負相關（r=-0.855，P<0.01），相對平穩滑行階段的最大速度與比賽成績高度負相關（r=-0.766，P<0.01）。

十位運動員比賽中各段的平均速度與比賽成績的相關性呈中度相關以上的段如表5。

第18-20段平均速度與比賽成績呈高度相關性（r=-0.846，P<0.01）;第12、13段平均速度與比賽成績呈高度相關性（r=-0.706，P<0.01）;第16段平均速度與比賽成績呈中度相關性（r=-0.586，P<0.05）;第2段平均速度與比賽成績呈中度相關性（r=-0.581，P<0.05）。其他段平均速度與比賽成績也呈現出一定的相關性。

3分析與討論

3.1引入速度擬合曲線的意義

3.1.1幾何曲線的直觀性評價研究通過對豐富點源數據的計算擬合得出了一條表征女子1 000m速滑運動員滑行過程中速度特征的幾何曲線。結合幾何曲線特征[12]對比賽中運動員速度特征進行解析，需要說明的是所有速度數據均是在統一的內外道距離模型下計算得出，與實際速度值有一定偏差，但對于分析討論運動員的速度變化規律和她們之間的相對水平沒有影響。

解析幾何是理解曲線特性、發現事實規律的有效數學方法[13]。幾何曲線切線斜率（該曲線模型中即為加速度）的應用對于整個滑行過程中運動員的短時間提速能力（爆發力）和控制降速能力的評價有指導意義。斜率的應用效果在起步階段尤其顯著，起步階段對應曲線部分與時間軸的夾角α越大（0°<α<90°），斜率就越大，就說明速度隨時間的變化率越大（即運動員起步階段能力強，爆發力優秀）。科澤萬卡選手的起步階段曲線切線斜率明顯小于其他選手，短時間內速度并沒有完全加起來，雖然她的中后程狀態保持不錯，但起步加速階段的落后對比賽成績造成了一定的影響。

中間部分曲線波動的區間和時長可以反映出運動員此階段能夠以多大的速度維持多長時間的運動，即速度耐力水平的含義范疇。張虹2014年索契冬奧會奪冠比賽中她速度大于13.0m/s的時間占總時間的56.3%。鮑維在創造世界紀錄的比賽中速度大于13.0m/s的時間占總時間的69.8%。一般地說，以較大速度范圍滑行的時間越長比賽成績會越好。本站比賽，小平奈緒速度大于13.0m/s的時間僅占總時間的40.5%。本站比賽，我國選手趙欣速度大于13.0m/s的時間占總時間的50.4%，此數據優于小平奈緒，但中段占比少和末段降速幅度過大導致趙欣的成績比小平奈緒慢了1.19s。

末段曲線波浪的下降部分的斜率同理表示了運動員的降速程度，一定程度上也表征了其速度耐力水平，此階段夾角α越大（90°<α<180°），說明速度隨時間的減小幅度越小（即運動員末段速度保持能力越強）。但是，單獨斜率的應用只能表明運動員速度的變化率，并不能代表其絕對速度水平。德容和莫爾斯兩位選手在前中段速度均在良好水平波動，60s左右開始速度大幅下降并且回升有限，說明其該速度范圍的耐力水平已達到極限。而伊爾文選手出現末段降速的情況明顯早于其他選手，過早的出現降速且無法回升意味著前半程體能消耗過大，即體能分配出現失誤。

幾何模型可以應用到任意一段比賽過程之中，對于不同運動員在任意一段距離的能力對比都可以實現。引入它到比賽和訓練當中可以為教練員評價運動員表現提供了一種準確直觀的手段。

3.1.2速度模擬曲線中兩個關鍵速度量的分析表4的相關性分析顯示在起步后進入相對穩定滑行階段的最小速度與比賽成績呈高度相關性（r=-0.855，P<0.01），相對穩定滑行階段的最大速度與比賽成績也呈高度相關性（r=-0.766，P<0.01），即很大程度上這兩個速度值的大小就表征了比賽成績的好壞。這兩個參數可以用來輔助評價運動員的實力水平或狀態水平。

從幾何視角來看，被夾在兩條黑色虛線之間的速度范圍是運動員比賽中能夠長時間保持的速度范圍，即屬于速度耐力素質的含義范疇。對于其范圍大小的標定和其是否能夠完全表征速度耐力水平的探討將在后續長期的實踐中繼續。

3.2各分段平均速度對比賽成績的影響及與降速差的比較吳新炎、陳月亮等[7]學者認為女子1 000m速滑項目速度節奏特征的研究中最為關鍵的物理量為降速差和各分段成績（共5段）。他們通過比較各段的平均成績和降速差與比賽成績的相關性完整地分析了1 000m速滑項目中各段的速度節奏特點。

研究提出的將1 000m劃分為20段的研究方法更加精準量化了滑行過程中的每一段過程。故對于世界優秀女子1 000m速滑運動員而言，第一個彎道的加速能力很重要，但前500m大多都可以保持較高的速度水平，后500m對于運動員維持較高速度的能力提出了很大考驗，即在賽程中段（后500m的開始階段）和末段的速度水平是取得優異比賽成績的關鍵因素。結合12張速度模擬曲線圖發現，鮑維創造世界紀錄的比賽中滑行過程的中段呈現長時間穩定的速度波動且速度水平較高（12.9m/s-14.3m/s），末段的平均速度水平依然可以回升，而其他優秀選手基本都在維持或下降狀態，說明鮑維的速度耐力和絕對速度潛力遠高于其他選手。小平奈緒選手的后500m速度保持良好（11.8m/s-13.8m/s），末段降速控制良好，表明其整體競技狀態良好，近五站世界杯排名均在前八，加拿大站排名第一。伊爾文選手中段的速度保持也相對穩定，但速度水平較低（11.5m/s-13.0m/s），末段的平均速度仍出現了明顯的下降，整體實力與其他優秀選手相比較差，仍需加強訓練。我國選手趙欣的中段速度穩定性較差波動幅度大，末段的降速明顯但有回升，整體速度耐力水平有待提高。我國選手李奇時中段的速度穩定性良好，但速度水平一般（11.6m/s-13.3m/s），末段有大幅度明顯降速，說明李奇時最近的體能狀態不佳導致速度耐力水平受限，近五站世界杯比賽與其最好成績（113”94）相比有大幅度下降。

4結論

（1）幾何曲線的引入通過曲線特征認知了速度特征，能夠很好地描述世界優秀女子速度滑冰1 000m運動員比賽中的速度情況并評價運動表現，其中曲線參數相對平穩滑行階段的最小速度和最大速度（速度擬合曲線中水平方向的黑色虛線所對應的參數）是影響比賽成績的關鍵因素。

（2）將1 000m比賽過程劃分成20段的研究方法有效地判別出世界優秀女子速度滑冰1 000m運動員在比賽中第2、第12、第13、第18、第19、第20段的平均速度水平是影響比賽成績的關鍵因素。

（3）比賽過程的速度模擬曲線有望成為評價女子速度滑冰1 000m運動員實力排名的重要工具之一。

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收稿日期：2021-01-26;修回日期：2021-06-15

作者簡介：宋瑨（1992-），男，在讀博士研究生，研究方向為冬季奧林匹克理論與方法。

通信作者：劉石（1972-），女，教授，博士，博士生導師，研究方向為冬季奧林匹克理論與方法。

作者單位：1.哈爾濱體育學院，黑龍江 哈爾濱 150008; 2.國家體育總局冬季運動管理中心 大眾滑雪部，北京 100044哈爾濱體育學院學報2021第6期宋瑨，等：