科技助力冬奧：我國智能化冰場的建立與發展

滕海坤 朱明 嚴力

摘 要：基于計算機視頻捕捉識別技術、多種傳感器集成化、無線傳輸技術以及大數據分析技術，在數字冰場的基礎上研發出具有我國知識產權的智能冰場，為國家速滑隊和國家短道速滑隊備戰2022年北京冬奧會提供科技支撐。通過開發、創建完善的智能化冰場應用系統，利用建立起的速滑運動員滑行參數數據庫、滑行速度特征分析系統和訓練質量控制體系，實時分析運動員的滑行軌跡、瞬時速度、最大速度、即時動作、蹬冰力量、心率等參數，為教練員制定訓練方案提供可靠的理論保證，使運動員的訓練質量得到有效控制，并保障運動員在北京冬奧會上取得優異的比賽成績。智能化冰場及相關體系的建立使我國冰雪運動的科研監控和保障能力產生了質的飛越，為今后更深入地開展相關研究工作打下了良好基礎。

關鍵詞：數字冰場;智能冰場;滑行速度特征;訓練質量控制

中圖分類號：G811.212/G862.1 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1002-3488（2022）02-0001-06

Science and Technology Help the Winter Olympics： the Establishment and Development of my Country's Intelligent Ice Rink

TENG Hai-kun1， ZHU Ming1， YAN Li2

（1.Heilongjiang Research Institute of Sports Science， Harbin 150008， China; 2. Sports Science Research Institute of Harbin Sport University， Harbin 150008， China）

Abstract： Based on computer video capture and identification technology， integration of various sensors， wireless transmission technology and big data analysis technology， my country's intelligent ice rink with intellectual property rights has been developed on the basis of digital ice rink. The speed skating team will provide technological support in preparation for the 2022 Beijing Winter Olympics. By developing and creating a complete intelligent ice rink application system， using the establishment of a speed skater's sliding parameter database， a sliding speed characteristic analysis system and a training quality control system， real-time analysis of the athletes' sliding trajectory， real-time speed， maximum speed， real-time action， The parameters such as ice kicking force and heart rate provide a reliable theoretical guarantee for coaches to formulate training plans， so that the quality of athletes' training can be effectively controlled， and athletes can achieve excellent results in the Beijing Winter Olympics. The establishment of intelligent ice rinks and related systems has made a qualitative leap in the scientific research monitoring and support capabilities of ice and snow sports in my country， laying a good foundation for further in-depth related research work in the future.

Key words： digital ice rink; intelligent ice rink; sliding speed characteristics; training quality control

1 引言

速度滑冰是冬奧會的正式比賽項目，一直以來也是我國冬季運動中的優勢項目。近年來，國內涌現出張虹、于靜、王北星、于鳳桐、高亭宇、寧忠巖等多名世界級優秀運動員，其中張虹在索契冬奧會中獲得了我國第一枚速度滑冰項目金牌，高亭宇在平昌冬奧會500 m項目中獲得一枚銅牌，這也是我國男子選手在冬奧會速度滑冰項目中取得的第一枚獎牌。但是在速度滑冰項目總體發展水平上，我國與荷蘭、日本等速滑強國仍有較大差距。如何快速有效地提高我國速度滑冰運動員訓練質量以及技戰術水平，使我國速度滑冰項目達到較高的水平，是困擾運動員與教練員的首要難題[1]，因為傳統的、經驗式的訓練方法很難在短時間內達到很好的效果。

我國速滑冰場測速系統的研發和應用，為我國速滑運動成績的提高提供了無限的可能，為教練員制定訓練方案提供了可靠的理論保證，使運動員的訓練質量得到有效控制。我國速滑冰場測速系統的研發從最初的購買、改進、提升，到最后的自主創新、形成具有自主知識產權的智能化冰場測速系統，經歷了一個漫長的過程，廣大體育工作者為此付出了艱辛的努力。速度滑冰類似于田徑比賽中的競速項目，運動員在400 m的環形冰面跑道上滑行。比賽中，優秀速滑運動員之間的比拼主要是滑行速度的合理調配與技戰術的恰當使用，運動員要根據比賽中的具體情況，對體能進行科學合理的安排，使滑行速度保持在一個合理的區間，充分利用好體能，從而在彼此能力相差不大的情況下戰勝對手、贏得比賽[2]。因此，針對速滑運動員速度動態特征進行研究，建立和完善訓練質量控制體系，可以很大程度地解決我國速度滑冰項目研究方法上的徘徊與停滯。通過創新思路，開辟新的科研理念[3]，為速度滑冰項目的研究與發展提供新的方向。

2 速滑測速冰場的設計思路

2.1 荷蘭“數字化冰場”借鑒

荷蘭將Heerenveen冰場建成了世界上第一個具有測速功能系統的冰場，也稱之為“數字化冰場”，即在設定的位置，于澆冰之前進行感應裝置的鋪設與固定。感應裝置與跑道垂直并貫穿內外道，稱為測速點，通過這些設定的測速點，可對速滑運動員比賽、訓練中實時的滑行速度等參數進行采集，了解速滑運動員在不同段落的滑行情況[4]。通過與荷蘭該冰場相關測速專家的交流，我們獲得了我國參賽隊員及主要對手的比賽部分段落的速度信息。該技術信息明確了我國運動員在比賽中各段落速度的變化、存在的問題以及與對手的差異，對我國速度滑冰運動員在今后的比賽中如何更好地運用技戰術和對體能進行更合理有效的分配都具有很大的幫助，值得我國體育工作者深入研究和探討。

在與荷蘭專家的交流中，我們對荷蘭Heerenveen冰場有了進一步的了解。2006年都靈冬奧會后，速滑王國荷蘭Heerenveen測速冰場于2007年9月正式建成，它是世界上第一個根據AMB計時測速系統進行研發而建立的、測量速度滑冰運動員滑行速度的冰場，得到了國際滑聯的認可，可以在比賽中使用，對參賽運動員進行滑行速度的測量。該冰場設定了12個測速點[5]（圖1），能夠采集運動員在比賽全程中不同區段的滑行速度數據，可以用于分析評價運動員的技戰術能力和對體能分配的運用。

2.2 多種測速系統的冰場建設方案的優化

研究顯示國內外現有多種測速系統的冰場建設方案，采用的技術也各有不同，但與AMB計時測速系統相比，均存在技術過于復雜、適用性差等問題。其中主要影響在于對運動員的負擔較大，干擾運動員在比賽中的正常發揮，并且受限于國際滑聯的規則和裁判要求，無法在高水平賽事中使用，通常僅用于學術理論研究。AMB計時測速系統的開發基于符合國際滑聯要求的計時裁判系統，完全符合國際和國內賽事要求，參賽運動員僅需在腳踝或附近區域佩戴2個質量為50 g的發射器。該發射器具有重量輕、體積小的特點，對運動員在比賽中的各種動作不會造成影響，也不會對其產生心理或生理上的干擾。在近幾年的國內外重大賽事（例如世界杯、世錦賽、國內聯賽）中，均得到了參賽運動員、教練員、裁判員及技術官員的認可。由于該套系統可以在國內外最高水平比賽中使用，受測運動員的能力、狀態及發揮均屬于較高水準，從而使采集到的測試數據具有較高的分析和利用價值。

美國MJP訓練中心主任Mark Pryer博士指出[6]：數據是計劃的依據，測試是訓練的基礎。荷蘭之行，使我們對速滑運動員科學研究的方法有了新的認識，在對購買的相關速度數據資料進行研究與分析之后，我們認為通過對數字化冰場的引進，可以使我們掌握速度滑冰比賽中運動員滑行速度的精確數據，為我們通過速度特征分析指導速滑專項訓練、比賽決策、戰術選擇、技術優化等提供有力工具。

2.3 我國速滑測速冰場的設計方案

2.3.1 測速點的設置

在國家體育總局冬季項目管理中心和黑龍江省體育局的大力支持下，我國第一個數字化冰場于2009年在哈爾濱冰上基地速滑館正式建成并投入使用。數字化冰場項目建設規劃和技術要求由荷蘭Heerenveen冰場提供，在此基礎上根據我國速度滑冰項目發展的特點和要求，在冰場整體建設規劃以及運動員滑行數據的采集、分析、利用等方面進行了改進和完善，只對其數據采集的相關設備進行了引進，而對相關的分析、利用等系統及器材則開展自主研發。通過對采集的速度數據進行研究分析后，結合我國速度滑冰項目發展的特點，我們發現速滑運動員滑行速度特征可作為判斷運動員的直線、彎道及其銜接技術優劣的科學依據。該冰場是世界上第二個測速冰場，也是我國唯一的數字化測速冰場，核心技術基于AMB計時測速系統。通過對荷蘭Heerenveen數字化冰場購買的我國運動員滑行速度數據進行研究，結合目前我國速度滑冰發展的現狀，我們對測速點的設置和分布進行了改進：共設置了14個測速點（圖2）。對直道測速點的位置、測速點之間的距離進行了調整;在彎道上增加了2個測速點，由2個測速點增加到4個，每個測速點的位置都與原來不同，并重新進行了設定。這樣的調整有利于發現我國速滑運動員直道滑行、彎道加速、進出彎道銜接、技戰術安排等方面存在的問題。

該項目的基礎研究數據來源于AMB計時測速系統的數據采集，該系統設計合理、可靠、安全、實用，采用目前世界上最先進的異頻雷達測速技術，即在滑冰館澆冰之前進行感應裝置的鋪設與固定。感應裝置與跑道垂直并貫穿內外道，以閉合狀態存在，整個安裝過程要在不違反比賽規則、綜合考慮多種因素后，再根據設計方案進行。進行測試時，被測運動員要求在每條腿上各佩戴1個發射器，在冰上滑行通過感應裝置時，感應裝置就可收到發射器的信號。這些接收到的信號通過系統中的解碼程序轉變成運動員滑行數據參數，再通過計算機控制的存儲分析軟件，對數據參數進行存儲、整理、分析，最后將分析結果傳輸到計算機終端并反饋給教練員和運動員。

2.3.2? 速度數據處理分析系統的基礎功能架構

根據我國速度滑冰項目發展的特點和要求，冰場在整體建設規劃以及運動員滑行數據的采集、分析、利用等方面進行了改進。在速度數據處理分析系統設計的過程中，通過前期對國外引進的速度數據的分析，科研人員基本掌握了AMB測速系統的原理及原始數據的手工化處理分析方法。在引進了AMB測速系統平臺后，我們對該系統進行了詳細的研究，并通過在訓練和比賽中的使用，基本摸清了該系統的工作方式、建設步驟、數據采集及處理方式，確立了速度數據處理分析系統的基礎功能架構（圖3）。

2.3.3 強化實效性功能

通過在比賽和訓練中的測試與應用，根據發現的問題和教練員、運動員的實際需求，科研人員對該系統的結構和功能進行了一定程度的改進。

2.3.3.1 增加實時數據采集處理功能

為了可以實時地對運動員經過測速點時傳輸的信號進行采集，科研人員對系統增加了實時數據采集處理功能。該功能根據系統設定的程序，結合比賽或訓練現場的實際情況，自動生成相關數據參數。并可根據用戶需要，通過文字、圖形、表格的方式，向操作人員顯示出受測對象的速度、位置、距離等情況，有效地解決了原有系統對海量數據處理能力不足的缺點。

2.3.3.2 改進原始數據采集處理功能

通過對軟件代碼的優化，科研人員對系統的原始數據采集處理功能進行了改進，使該系統可以在數字化冰場任一或若干測速點參數丟失等多種異常情況下進行數據的自動計算和處理，提高了系統的穩定性和可靠性。

2.3.3.3 增加速度動態特征個體分析與群體比較功能

通過長時間以來基于速度信息的對比賽速度動態特征的研究與分析方法的逐步完善，科研人員開發了速度動態特征分析功能。該功能可自動生成受測運動員的速度動態特征分析報告，并且可以在不同運動員或主要對手中進行群體比較，報告主要采用圖表的形式顯示。通過對系統生成的報告進行綜合分析，可以對運動員改進訓練方法和個性化比賽模式提供全面準確的依據。

速滑數據分析系統依照軟件工程的開發原則，采用結構化的設計方法[7]，是一套具有數據采集、數據處理、數據分析及結果輸出等功能的集成化軟件系統[8]。其中，數據采集功能是參考AMB計時測速系統，來對運動員經過測速點時信號的發送與傳輸進行研究和設計;數據處理功能是按照國際滑聯的要求，根據冰場建設方案以及運動員的原始數據信息格式進行研究和開發;數據分析及結果輸出功能是對已有自主研發的速滑運動員速度分析軟件進行升級，形成具有個體分析和群體對比功能的數據分析系統，并通過文字、圖標、表格等方式對結果進行輸出[9]，實現對運動員滑行數據的進一步開發和利用。

3 數字化冰場在訓練和比賽中的應用與改進

3.1 早期的應用

我國數字化冰場建成后，先后在2011～2013年的全國速滑聯賽、黑龍江省測驗賽以及日常訓練中進行過應用，對包括于靜、于鳳桐、王霏、張虹、張忠奇等在內的國家隊及國內優秀運動員進行了數據采集及速度特征分析，并將分析成果反饋給教練員和運動員，為其改進訓練方法和技戰術決策提供科學依據。在第22屆索契冬奧會上，張虹在1 000 m速度滑冰比賽中滑出了她個人平原冰場的最好成績，以1 min 14 s 02的成績創造了索契冰場場地紀錄，并獲得了冬奧會速度滑冰女子1 000 m項目的冠軍，為中國速滑實現等待了34年的夢想，取得了中國在冬奧會速滑歷史上的首枚金牌。

3.2 技術改進

隨著數字化冰場在訓練和比賽中的廣泛使用，來數字冰場進行運動員滑行速度數據采集及對滑行速度數據特征進行個體分析和群體對比成為一種界內時尚。廣大教練員和運動員認為這些數據分析結果對于制定訓練計劃、指導訓練、保證訓練的質量具有重要的價值，同時根據訓練中遇到的一些實際問題，也想要了解更多的運動員在比賽和訓練中的各種參數（如實時速度、最大速度、峰值速度持續時間、即時動作等）。對2022年北京冬奧會的備戰緊鑼密鼓，如何使所獲數據更加全面、客觀、精準地反映出運動員在比賽中的狀況，如何快速有效地提高我國速滑運動員訓練質量以及技戰術水平，使我國速滑項目達到較高的水平，是困擾運動員、教練員和科研人員的首要任務。根據國家體育總局局長茍仲文同志提出的“實施科技助力冬奧，尤其是重視大數據等先進技術的應用”要求[10]，隨著計算機視頻捕捉識別技術、多種傳感器集成化、無線傳輸技術以及大數據分析技術的成熟，使建設一個全新的、智能化的測速冰場成為可能。

新的測速冰場的設計理念是基于非接觸與接觸式數據采集相結合，且以非接觸式數據采集為主，采用目前最先進的計算機視頻捕捉識別、傳感器集成化、無線數據傳輸以及大數據處理分析等技術來建設，同時賦予其自我學習和完善的功能，我們將其稱為“智能速滑冰場”。智能速滑冰場項目依托于黑龍江省冰上訓練基地速滑館和短道速滑館進行建設，系統主要由非接觸式運動員定位測速系統和技術動作捕捉系統、接觸式動力學與運動生理采集系統、無線數據傳輸系統、數據處理中心以及大數據分析系統等組成，可以對速滑場地中每名運動員的各種運動數據（如滑行速度、實時位置、滑行軌跡、滑行姿勢、蹬冰力量、頻率、心率等）進行實時同步的采集、處理與存儲。同時，利用內置的大數據分析系統對所監測的多維全息數據進行分析，最后通過可移動智能終端將監控數據與綜合分析結果進行反饋，使教練員和運動員能夠通過量化的反饋結果掌握自身以及對手訓練或比賽的實際狀態，輔助他們對訓練的質量進行精確控制，為冬奧選手及時、準確地把握訓練的方向與比賽的策略提供科學依據。

國際標準速滑賽道長400 m，分為外道、內道和訓練道，每2人為1組進行比賽。每滑1圈到達換道區時，內道起跑的運動員須換到外道滑行，而外道運動員則須換到內道滑行[11]。根據速滑項目實際場地特點與項目規則，智能速滑冰場進行了以下主要功能的改進：

1. 基于非接觸式傳感器系統，能夠實時監控場地中進行比賽的每名運動員的運動學參數，包括運動員的滑行速度、加速度、位置、軌跡、區段滑行時間等信息，主要通過基于圖像的多運動目標跟蹤、模式識別等技術方法來實現。

2. 基于非接觸式傳感器系統，能夠實時監控場地中進行比賽的每名運動員的滑行技術參數，包括基于運動生物力學研究的三維空間位置、線速度、角速度、位移等基礎數據，以及蹬冰步幅、步頻、步長、蹬伸角度、蹲屈角度等專項技術信息，并通過AR技術模擬還原運動員任意時刻的動作姿態[12]。

3. 基于接觸式傳感器系統，能夠實時監控進行比賽的每名運動員的動力學參數，主要為運動員的蹬冰力量、足底動態壓力分布等信息。

4. 基于接觸式傳感器系統，能夠實時監控進行訓練或比賽的每名運動員滑行過程中的生理學信息，主要為運動員的心率、最大心率等信息。

5. 系統中全部接觸式傳感器均采用無線傳輸的方式進行通訊，通訊距離滿足標準室內速滑場任意兩點間的傳輸，同時采用低功耗網絡來滿足系統整體安全、穩定的傳輸需要。

6. 提供時間戳功能，使系統具備多模態實時監控數據同步功能。

7. 提供綜合化管理軟件系統，可以實時監測智能速滑冰場的全息信息，同時提供數據管理與分析功能，確保系統具有清晰簡潔的界面和良好的人機交互體驗。

8. 提供可移動終端實時反饋功能，使系統終端用戶通過智能手機、平板電腦、筆記本電腦等設備隨時對系統進行訪問，系統整體反饋延時不超過1 s。

9. 提供大數據分析軟件系統，可以對智能速滑冰場全息運動參數（多模態數據信息）進行大數據分析，提供高水平運動員理想滑行效果的必要條件，為教練員和運動員優化技術、調整訓練方向提供科學依據。

智能速滑冰場系統的構成包括成像設備安裝機構及控制器、成像設備陣列、動作捕捉成像裝置、成像設備控制裝置、多通道圖像采集裝置、數據處理分析設備以及在其上運行的軟件系統。智能速滑冰場系統結構，見圖4。

3.3 改進后的應用

速度滑冰項目中，速度的快慢是勝負的決定性因素[13]，在比賽中主要涉及運動員的技術、體能及戰術三方面素質，運動員在比賽時的滑行速度特征是其個人能力的體現。通過科技手段的介入進行訓練質量控制，是體育強國普遍采用的有效方式，智能速滑冰場是實現冰上運動訓練質量控制的重要手段。只有借助精準量化的訓練質量控制，才能制定科學的訓練方法、進行有針對性的強化訓練，從而提高速度滑冰項目的訓練和比賽成績[14]。2017～2018年黑龍江省體育科學研究所在黑龍江省體育局的大力支持下，對黑龍江省速滑館和短道速滑館進行了升級改造。在共建單位的協助支持下，于2年的時間內，完成了速度滑冰智能冰場、短道速滑智能冰場的建設任務，實現了從“數字冰場”向“智能冰場”的轉型。智能冰場不需要運動員穿戴任何的設備和裝置，只要運動員在冰場進行訓練和比賽，就能采集到其相關的運動學參數和滑行技術動作參數。智能冰場的數據參數較數字冰場的數據參數更加全面和準確，更能客觀、全面、準確地反映運動員速度滑行特征和訓練質量，使速滑速度特征分析體系更加完善。智能冰場實時動態圖像和相關分析數據可在終端顯示屏呈現，教練員通過顯示屏可以清楚地看到運動員實時的比賽和訓練情況，同時我們所關注的運動員的滑行速度、加速度、滑行距離、運動軌跡、實時位置、單圈時間等參數也可以同步顯示（圖5）。

根據智能冰場對運動員日常訓練情況的監控及對所采集的運動員數據參數的整理和分析，科研人員將整理和分析的結果反饋給教練員，使其及時了解運動員每日訓練計劃的完成情況，并對運動員的訓練強度、訓練量及訓練內容進行合理的、個性化的調整，從而保證訓練質量[15]。通過智能冰場升級改造的數據分析系統，能對每名運動員訓練比賽中的運動參數進行個性化分析，并進行縱向對比。再結合運動員自身的技術特點，有針對性地制定訓練計劃，以智能冰場測試分析數據為依據，設定運動員訓練應達到的目標。使我國速滑運動隊科學化訓練成為常態是智能冰場的主要功能。智能冰場曾在2020～2021年全國速滑冠軍賽、2019年上海短道速滑世界杯、2021年首都體育館短道速滑世界杯等國內外重要賽事上大顯身手，為我國備戰2022年冬奧會的高亭宇、寧忠巖、李奇石、武大靖、任子威、范可欣等運動員進行過數據采集和分析。通過滑行速度特征分析系統的分析并與國外對手進行比較，提出了相對應的訓練方法和策略，為我國運動員有針對性地進行訓練、彌補不足、調整技戰術、盡快提高運動成績提供了科學依據。

4 結語

自2009年從荷蘭購進相關技術，建成我國第一個高科技速滑測速冰場——數字冰場以來，到2018年速度滑冰、短道速滑智能冰場的建成，科研人員付出了艱辛的努力。速滑智能測速冰場的建立，使運動員滑行速度特征更加鮮明，滑行速度特征分析系統更加完善，通過對滑行速度特征的分析研究，可以發現每名運動員的優勢與不足。由于每名運動員的自身情況不同，其訓練方法和技戰術策略就需要因人而異，而個性化的速度特征分析恰好可以為解決上述問題提供量化依據。個性化速度特征分析體系的建立，為各項目競技比賽與體能戰術決策提供了參考依據，并為訓練質量監控體系的研究提供了理論基礎。結合我國優秀運動員實際情況建立的智能化冰場研究與應用系統，進一步完善了速滑運動員滑行速度數據庫。通過速滑運動員滑行速度特征分析系統和訓練質量控制體系，能夠完善速度調控能力訓練的手段和方法，為我國速度滑冰比賽技戰術決策提供科學依據，為今后更深入地開展相關研究打下良好基礎。

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