身體素質訓練監控系統的研發

劉 挺，郝霖霖

《體育強國建設綱要》強調要利用科技創新助力競技體育綜合實力提升，推進全民健身智慧化快速發展，激活體育產業發展主體活力[1]。身體素質訓練監控系統是一款智能化的身體素質訓練監控系統，其面向訓練隊、學校體育以及廣大健身愛好者，利用計算機技術的數據處理、儲存能力，實現個人或團隊的身體素質數據的快速處理和信息共享，現場或遠程了解隊員訓練計劃的執行進度和狀態，追蹤隊員身體素質的階段性變化，方便教練員實時掌握隊員的各項身體素質數據，監控身體素質訓練過程，為訓練隊及時發現問題、調整訓練方案、提高隊員訓練水平提供準確可靠的數據服務支持。

1 用戶群體及功能需求

1.1 用戶群體分析

面向運動隊教練員與隊員。身體素質訓練監控系統實現身體素質訓練計劃的制定、發布、采用，實現訓練數據的記錄、查看、統計，實現個人及全隊的訓練進度、強度、量、時間、曲線等信息的查看，方便教練員對身體素質訓練過程的監控與管理。

面向學校體育教師與學生。利用身體素質訓練監控系統，教師可根據不同身體素質狀況的學生群體有針對性地布置課后體育作業(即訓練計劃)，學生領取作業后按照規定時間進行鍛煉打卡，教師可遠程監督學生作業的完成情況，掌握學生身體素質的變化狀況。

面向健身房教練與學員。通過本系統，健身教練可在線制定健身計劃(即訓練計劃)，系統會自動提醒學員按時健身打卡，隊員在健身過程中，健身教練能夠隨時了解學員的健身狀態，獲取健身周期內的身體素質變化曲線。

面向廣大健身愛好者。同Keep、咕咚等運動類APP，身體素質訓練監控系統也具有鍛煉計劃、鍛煉打卡功能，并且借助于神經網絡、圖像識別技術給予用戶智能化的評價，針對性地推薦適合用戶體質的鍛煉計劃，為健身愛好者提供幫助。

1.2 功能需求分析

訓練數據記錄：記錄力量、速度、耐力等運動數據，也可記錄用戶的身高、體重、心率等健康數據，以及記錄身體形態、肌肉發達程度等體型數據。

訓練指導：基于神經網絡、圖像識別模型可以自動評價用戶的身體素質類型和訓練狀況，智能化的、針對性地推薦給用戶訓練計劃、訓練方法。

訓練計劃：能夠靈活地制定為期多天或者多周的大周期計劃，也可以制定一堂訓練課計劃。

訓練群組：組成多人訓練小組，能夠進行一(教練)對多(隊員)的指導訓練工作。群組具有制定群計劃、發布群計劃、領取群計劃、執行群計劃、監督群計劃、查看訓練日志等功能。

訓練評測：匯集眾多用戶的數據至后臺數據庫中，通過數據分析能夠智能化地評測用戶的身體素質、身體形態、身體機能水平，給予準確的定位。

訓練直方圖：能夠根據用戶指定的時間節點及練習項目生成圖表，掌握階段性訓練效果。

2 系統功能架構

身體素質訓練監控系統是一款運動類手機應用程序(Application，簡寫APP)，專注于解決個人或團隊的身體素質訓練監控需求。它使用手機作為信息交互的終端，相對于電腦PC，手機的用戶群體更加廣泛，信息傳輸具有快捷性、即時性和便利性，并且易于攜帶和操作。系統采用android5.1開發，系統中涉及的圖像識別模型以及人工神經網絡模型采用Python6.0以及Keras框架。后臺采用Apache服務器響應APP的各種請求，個人數據儲存在用戶手機內置的Sqlite數據庫中，群組數據儲存在服務器端Mysql數據庫中。系統具有五大功能模塊：訓練群組、訓練計劃、訓練打卡、訓練直方圖、訓練評測。

圖1 身體素質訓練監控系統功能模塊

五大核心功能模塊既有各自的功能特點，又相互依賴、緊密聯系。訓練群組將教練員、隊員組成一個小組，實現組內訓練信息交互與共享，組外信息隔離。在群組中，隊員可領取群組內教練員制定的計劃，也可自行制定訓練計劃。訓練打卡是對訓練計劃的實施，并記錄訓練數據至數據庫中。訓練直方圖是匯總多次訓練打卡的數據，并以圖表形式直觀地顯示。訓練評測是將身體素質數據進行智能化的分析和評價，為教練員和隊員評估訓練狀態以及調整訓練計劃提供參考。

3 系統基本功能模塊

3.1 訓練計劃模塊

訓練計劃是根據身體素質訓練目標制定的為期多天的訓練任務安排。每一個訓練計劃都有特定主題，如“30天力量練習”(圖2左)。訓練計劃由若干堂訓練課組成，且一天只能有一堂訓練課，每堂訓練課有特定的主題，如“上肢力量”(圖2中)。每一堂訓練課包含著課時計劃，即訓練內容的具體安排，由需要完成的多個具體練習項目組成，如深蹲、器械俯臥勾腿等等，每個練習項目需要完成多組，每組有數量和強度要求(圖2右)。訓練計劃首頁面中羅列著制定好的訓練計劃，訓練計劃有“待開始”“進行中”“暫停中”“已結束”四種狀態，只允許一個計劃處于“進行中”。點擊某計劃的開始按鈕，設定開始時間，該計劃轉為“進行中”狀態，隨后可在“訓練打卡”頁面的日歷中顯示該計劃的每堂訓練課。

圖2 訓練計劃首頁面、訓練課列表頁面、練習項目列表頁面

除了系統推薦的計劃外，用戶可根據自身需求靈活制定計劃。點擊首頁面中的創建計劃，填寫計劃主題，而后進入訓練課列表頁面，在該頁面中可對訓練課進行新建、復制、編輯、順序調整以及刪除操作(圖3左)。點擊新建按鈕進入選擇練習項目頁面(圖3中)，為新建訓練課選擇練習項目。練習項目按照三個等級進行樹狀列表顯示，一級指標為類型，如力量練習、耐力練習、速度練習；二級指標是一級指標的細分，如力量練習按照練習部位分為上肢力量、腰腹力量、胸部力量等等；三級指標是每個二級指標下的具練習項目，如胸部力量下的寬距俯臥撐、蝴蝶夾胸、平板臥推等等。練習項目選擇完成后，點擊“下一步”進入設置項目參數頁面，調整練習項目順序，設定每個練習項目的組數，制定每組練習達到的數量和強度目標(圖3右)。點擊“保存課時計劃”按鈕保存設計好的訓練課，同樣的方法繼續制定訓練計劃中其他訓練課。

圖3 訓練課列表頁面、選擇練習項目頁面和設置項目參數頁面

3.2 訓練打卡模塊

訓練打卡是某次訓練課的具體實施，是記錄訓練數據的主要模塊。訓練打卡首頁面的日歷中，以圖標形式標記著“已完成”“未完成”“待開始”“進行中”的訓練課(圖4左)。當天有訓練課時，系統會提醒隊員按時訓練打卡，未到時間的訓練課無法提前打卡。用戶可以對選中的訓練課進行開始、推遲、放棄、復制操作。點擊開始按鈕，進入項目列表頁面，顯示著當天需要完成的練習項目(圖4右)。

圖4 訓練打卡首頁面、項目列表頁面

在項目列表頁面中，用戶逐個完成練習項目，點擊開始按鈕彈出練習開始對話框(圖5左)，此時用戶按照練習數量和強度目標開始練習。每完成一項，需填寫實際完成的數量和強度(圖5右)。在記錄練習項目的訓練數據時，分為數量和強度兩個指標。數量和強度的單位可根據不同的項目靈活設置，如力量性練習中，數量設為“次”，強度為“kg”，耐力性練習中，數量可設為完成的總時間“分”，強度設為心率“次”。某些練習項目也可只設定數量或只設定強度，如平板卷腹可只記錄數量，不設定強度。除了數量和強度外，系統還記錄每個項目開始的時間，結束的時間以及耗時。點擊結束本次訓練后，當天訓練課數據保存至數據庫中。

圖5 練習開始對話框、練習完成對話框

3.3 訓練直方圖模塊

訓練直方圖模塊分為健康數據直方圖、運動數據直方圖和體型數據直方圖，其功能是按照時間、項目查找數據庫中的數據，以圖表的形式顯示，直觀地顯示指標的階段性變化狀態。

健康數據包括身高、體重、胸圍、腰圍等指標，點擊相應的指標，系統會以時間為橫軸，指標數據為縱軸，顯示數據隨時間變化的折線圖(圖6上左)，可通過觀察折線圖了解訓練效果。點擊記錄數據，可記錄當天的指標數據。

圖6 健康數據頁面、體型數據頁面、運動數據頁面

運動數據是按照選取的練習項目和時間段，從數據庫中查找訓練課打卡數據，然后以時間為橫軸，以數量和強度為縱軸，顯示數量和強度隨時間變化的柱狀圖和折線圖，直觀地展示訓練效果(圖6下)。

體型數據包括身體質量指數(BMI)和肌肉發達程度。BMI是根據身高、體重計算得到，用于衡量用戶胖瘦程度。肌肉發達程度評測是利用圖像識別技術對肌肉輪廓、外形、線條等特征進行提取，并判斷發達程度的等級，包括胸肌、腹肌、背肌、大腿和手臂五個部位的評測。通過點擊頁面上的拍照按鈕，拍攝相應部位的肌肉照片，系統自動調用內嵌的圖像識別模型對照片進行掃描、分析，得出對應的評價等級，方便健身、健美愛好者了解自身增肌訓練的效果。同時，系統會針對性地檢索到適合該肌肉發達等級的訓練計劃并推薦給用戶，以此實現智能化指導健身的目的(圖6上右)。受照片拍攝限制，目前該功能僅針對男性肌肉發達程度識別，不適用于女性。

3.4 訓練群組模塊

訓練群組模塊是實現訓練信息組內交流的重要模塊。訓練群組三個主要功能是組內訓練計劃管理、隊員訓練進度監督以及隊員訓練日志查看。組內訓練計劃管理包括對群組計劃的制定、修改、刪除、采用；隊員訓練進度監督是以百分數顯示每個隊員計劃執行進度；訓練日志顯示了隊員的訓練時間、練習項目、練習數量、練習強度等信息。

圖7 群組訓練操作流程

實施組群訓練的操作流程為：教練員與隊員建立群組，教練員制定訓練計劃并發布至群組計劃列表中，隊員從列表中領取并執行計劃，隊員按時訓練打卡，每完成一個練習項目，記錄訓練數據。在隊員執行群組計劃的過程中，教練員擁有查看隊員訓練進度、訓練日志、訓練數據、訓練直方圖的權限，能夠隨時隨地監督每個隊員的訓練情況。

圖8 大周期群組頁面

訓練群組模塊包括大周期群組和訓練課群組。大周期群組適用于為期多天的訓練活動，訓練時間比較長，訓練計劃包括多次訓練課。大周期群組也適用于健身教練為學員制定長周期訓練計劃，或體育教師為學生布置課外體育作業。在群計劃頁面中，點擊群成員列表中的頭像可查看隊員正在進行的計劃，監督該隊員執行計劃的進度，掌握隊員健康數據、運動數據和體型數據，從而針對性地給予指導。

不同于大周期群組，訓練課群組中不能發布大周期訓練計劃，僅能發布一堂訓練課的課時計劃，適用于教練員臨時組織的一次訓練課。訓練課群組在創建時必須指定訓練日期，訓練課過后無法再執行發布任務、領取任務、添加隊員等操作，但可以查看訓練日志。教練員與多名隊員創建訓練課群組后，頁面中顯示群組成員的頭像和姓名，并顯示每名隊員訓練課任務的完成百分比進度(圖9左)。教練員和隊員都可在群中發布本次訓練課的課時計劃，隊員領取課時計劃后即可在訓練打卡頁面進行訓練打卡。在訓練課群組中，點擊頭像可查看隊員的課時計劃信息，包括每個練習的狀態、完成的數量與強度、耗時、組間休息時間等等(圖9中)。點擊日志可以表格的形式查看全隊課時計劃的執行情況，方便教練員整體上監控訓練過程(圖9右)。

圖9 訓練課群組界面、個人訓練日志、全隊訓練日志

3.5 訓練評測模塊

訓練評測模塊是通過后臺大數據的對比分析，為隊員的力量素質、柔韌素質、耐力素質、速度素質以及綜合身體素質進行評價，發現隊員身體素質的薄弱環節，向用戶提供針對性的訓練計劃，為隊員訓練提供參考和指導，以此達到智能化指導身體素質訓練的目的。對于單項身體素質的評價，如力量素質評價，采用離差法劃分為優秀、良好、一般、較差、很差五個等級。對于用戶綜合身體素質的評價，是基于K-means聚類以及BP神經網絡模型對用戶身體素質進行分類和判別，準確的識別身體素質類型。人工神經網絡在處理非線性關系映射方面具有強大的優勢，利用神經網絡評價綜合身體素質能夠較好地保證評價結果的客觀性和準確性。

圖10 訓練評測模塊頁面

4 系統的優勢與不足

4.1 系統的優勢

數據錄入、交互、保存更加便利。相較于紙筆、電腦，手機更加的便利、便攜，使用人群更廣泛，訓練數據錄入、查看、保存、處理以及信息交互更加快速，并且具有遠程監控的功能。

群組功能面向團隊訓練。訓練群組功能是其他運動監控類軟件所不具備的主打功能，它實現了訓練團隊的組內信息交互和共享，一站式解決了訓練計劃制定、發布、使用以及訓練日志的統計、查看等工作，極大地方便了訓練監控過程。

指導訓練更加智能化。神經網絡和圖像識別等機器學習技術的引入，使得系統能夠根據用戶的身體素質類型，針對性地推薦訓練計劃，實現智能化指導訓練的目的。

訓練計劃、訓練項目的制定更加靈活。身體素質訓練監控系統中除了推薦的訓練計劃以及練習項目外，用戶可以根據需求自定義，也可以相互分享，與其他運動類APP相比更加靈活。

4.2 系統的不足

在訓練打卡模塊中，練習項目的開始、暫停、結束以及數據的錄入需要手動操作，需要多次點擊屏幕，這讓APP的使用過程略顯煩瑣，如果能與智能手環、智能跑鞋等設備連接，自動記錄運動數據，可以大大增強用戶體驗。

5 小結

身體素質訓練監控系統是一款運動監控類手機應用程序，用戶群體主要面向專業訓練隊，亦面向體育課堂、健身工作室以及廣大健身愛好者，專注于解決個人或團隊的身體素質訓練監控需求。軟件具有五大功能模塊：訓練群組、訓練計劃、訓練打卡、訓練直方圖以及訓練評測。在實際應用中，軟件可以靈活制定訓練計劃，提供群組訓練監控服務以及智能化的訓練指導服務，為用戶實時掌握身體素質訓練數據，及時發現問題和調整訓練方案提供準確可靠的數據服務支持。