超寬帶技術在體育訓練中應用的熱點與趨勢
——基于CiteSpace 的可視化分析

宋懿芪 朱飛龍 謝永濤、3

（1.北京師范大學 北京 100875；2.華北科技學院 河北 廊坊 065201；3.河北體育學院 河北 石家莊 050041）

1、引言

超寬帶（Ultra-wideband，UWB）技術是一種使用1G Hz 以上頻率帶寬的無線載波通信技術，其具有穿透力強、功耗低、系統復雜度低、能精確定位等特點。UWB 技術始于20 世紀60 年代興起的脈沖通信技術，與其他定位技術相比，UWB 技術特點非常明顯。如，全球定位系統（GPS）需要與多顆衛星進行通信，僅能提供數米的定位精度，且它主要適用于室外定位，在室內精度會顯著降低；無線局域網（WLAN）技術最近已成為室內定位的候選技術，但它提供的定位精度很低，而且WLAN 終端的功耗較高。正是由于UWB 技術具備GPS 和WLAN 不具備的技術優勢，因此，UWB 技術有許多可應用及潛在的應用領域，如地理、醫學、計算機科學、體育等。UWB技術的廣泛應用表明它的強大功能和適用性，UWB 技術在世界范圍內的研究程度如何，相關應用領域到底有哪些，其在體育訓練中的使用情況又如何，目前尚缺乏系統性研究報道。本文基于WOS 數據庫的文獻資源，選擇信息可視化計量分析軟件CiteSpace，通過信息可視化方法、文獻資料法和數據挖掘算法對前述問題開展分析與探究。

2、研究方法

2.1、文獻數據來源

以英文數據庫WOS(Web of Science)為文獻來源，通過核心數據庫（Web of Science Core Collection）進行文獻收集。構建檢索式：TS=（Ultra Wide Band）OR TS=（Ultra-Wide Band）OR TS=（UWB）；時間跨度為1900-2023；檢索時間為2023 年3月12 日，對檢索出的文獻進行篩選，得到14394 條檢索信息并導出相關文獻信息。在此基礎上，構建檢索式：TI=（Ultra Wide Band and exercise）OR TI=（Ultra-Wide Band and sport）OR TI=（UWB and exercise）OR TI=（UWB and sport）；檢索時間為2023 年10 月14 日，對檢索出的文獻進行篩選，得到91 條檢索信息，根據引文主題篩選體育領域文獻27 篇并導出相關文獻信息。

2.2、數據分析工具

研究采用陳超美教授開發的文獻計量工具CiteSpace 6.1R6對文獻進行了計量分析。CiteSpace 6.1R6 是一個引文可視化分析軟件，從科學計量學和知識可視化的背景開發而來，專門用于識別科學文獻中包含的潛在知識。該軟件可以幫助研究人員了解該學科的知識，發現該領域的經典文獻，發現研究前沿，并闡明研究演變的背景（Chen，2016）。CiteSpace 將研究領域概念轉化為研究前沿和知識基礎之間的映射功能，在該映射功能概念框架內創建的三個概念對于解決以下三個問題非常重要：（1）確定研究前沿；（2）注釋研究領域；（3）隨著時間的推移確定新的趨勢和突變。

3、結果與討論

3.1、UWB 技術研究領域的國家分析

通過CiteSpace 軟件對文獻數據進行處理，Node Types 設置為Country，其余設置選用默認值，得到UWB 技術研究國家知識圖譜。不同國家在UWB 技術研究領域發文量排名如表1 所示。發文量前五名分別為中國（3463 篇）、美國、印度（1214 篇）、韓國（805 篇）、加拿大（645 篇）。中國發文量居世界UWB 技術相關研究發文量第一，占發文總量的24%；美國占發文總量的12%，發文量為1783 篇；印度發文量為1214 篇，占發文總量的8%；韓國發文量為805 篇，占發文總量的6%；加拿大發文量為645 篇，占發文總量的5%。

通過CiteSpace 軟件生成UWB 技術研究熱點國家圖譜，發現在UWB 技術研究領域涉及到的國家中，英格蘭居于核心地位，它與大部分國家在UWB 技術研究上有合作關系。與我國合作較為緊密的國家主要有英格蘭、加拿大、德國、匈牙利等。通過對中心度出現時間分析發現，中心度排名前十的國家中8 個為發達國家，排名最靠前的發展中國家是馬來西亞，排名第3。澳大利亞是發文量第13、中心度第1 的國家，顯示其在相關技術研究領域的研究質量較高，影響較大。中國雖然在發文量指標上排名第1，但是中心度僅為0.03，中心度排名并不靠前，表明中國在國際上的UWB 技術研究相關領域的研究數量雖然位列前茅，但在國際上的影響力還有進一步上升的空間。

3.2、UWB 技術熱點研究學科領域

在CiteSpace 軟件中，Node Types 欄選擇Country，其余選擇默認值，在圖像中選擇Timeline 模式，聚類源選擇Subject Categories，聚類方式選擇Log-likelihood Ratio（LLR），生成UWB 技術相關領域結果。結果顯示，UWB 技術研究主題類別聚類排名靠前的7 個類別分別為：天文學或天文物理、運動科學、電子商務、腫瘤學（#3 ONCOLOGY）、電氣工程或電子工程、計算機科學-信息系統、多學科科學。這7 個類別代表了UWB 技術相關領域中的熱門學科。該結果反映，作為一種信息傳輸技術，UWB 技術在傳統的天文學領域有極高的關注度，研究文獻涉及多，除此以外，醫學、計算機、電子和電氣工程學科也較多地開展了UWB 技術的應用研究。以人為研究對象的運動科學中較多的UWB技術應用研究文獻展現了該技術在健康科學中的光明前景。

3.3、UWB 技術在體育訓練領域的應用研究

借助CiteSpace 軟件的文獻數據可視化分析發現，我國對UWB 技術的研究和應用水平并不落后，尤其是近年來的相關研究文獻數量居世界前茅。就UWB 技術本身而言，其應用范圍較廣，幾乎遍及自然科學的各個領域。人體運動科學是自然科學中生命科學的一個重要領域，UWB 技術在體育運動中的應用，特別是目前所涉及的項目以及該技術能夠發揮的作用都值得總結，以便今后能夠更好地利用UWB 技術優勢促進我國競技體育的發展。

（1）開展UWB 技術在體育訓練中應用研究的熱點國家分析。

開展UWB 技術在體育訓練中應用研究國家的知識圖譜分析發現，當前開展過此類研究的國家并不普遍，其中西班牙的研究文獻數量居世界第一，中心度為0.42，為世界第二。西班牙學者發表的相關文獻統計結果顯示，其UWB 技術在體育領域的應用研究始于2018 年，晚于澳大利亞，但前面的分析結果顯示其研究內容涉及理論和實踐應用領域，其文獻的引用頻率達到276 次，占總被引頻率的52%，由此可見西班牙是全面推動UWB 技術在體育運動中應用的典范國家。

在體育訓練中UWB 技術應用研究走在世界前列可能是西班牙成為體育大國的側面寫照。西班牙是一個“三大球”成績不俗的體育強國，其足球項目實力雄厚，奪得一次世界杯冠軍、兩次歐洲杯冠軍，西甲聯賽享譽全球，皇家馬德里和巴塞羅那是歐洲最成功的俱樂部之一，西班牙女足也曾斬獲歐洲U17 和U19 錦標賽等多項青年冠軍。同時，西班牙的籃球和排球成績同樣并不遜色，西班牙男籃兩奪世界杯冠軍，三屆奧運會銀牌，女籃同樣長期位于世界前列。在排球方面，西班牙男排在2007 年奪得歐錦賽冠軍。只有4600 萬人口的西班牙在三大項目上都取得過傲人的成績。這些成績的取得應該與其在運動項目上的科技創新和研究投入密不可分。

澳大利亞的UWB 技術用于體育相關研究最早始于2014 年，中心度最高，為0.45，顯示其在相關研究中的影響力高于其他國家。截至目前，還未發現我國在體育領域中應用UWB 技術的報道。結果提示，我國在體育領域中UWB 技術研發與應用存在空白并與上述國家有較大差距。

（2）UWB 技術應用熱點體育項目分析。

通過發表文獻關鍵詞的聚類分析并根據項目特征進行篩選，結果顯示，UWB 技術在體育訓練中應該可以適用較多體育鍛煉和運動項目，目前研究較多的項目有以下特征：①集體性項目，如足球、籃球、手球、曲棍球；②有限空間范圍開展的室內外陸上項目，馬拉松、游泳等不適用該技術。

（3）UWB 技術在體育訓練中的應用熱點領域分析。

通過關鍵詞的聚類分析結果顯示，UWB 技術在體育訓練中的應用主要是集中于技術應用可行性分析、軌跡跟蹤定位、訓練監測等方面的應用分析。在UWB 技術研究的不同關鍵詞中，“技術（Technology）”的頻率最高，反映了研究的核心內容是該技術在運動訓練中的適用性研究；關鍵詞“訓練（training）”排名第二，表明UWB 技術研究堅持科學研究為訓練服務的基本理念，表明該項技術在訓練中的作用較為重要；關鍵詞“indoor tracking”的頻率排名第三，提示該項技術更適用于室內環境，表明其技術優勢在室內的定位追蹤；“負荷監控”的出現頻率排名第四，說明該技術在運動員的訓練負荷監控中有較為突出的作用；“GPS”的頻率排名第五，較多研究進行了GPS 和UWB 的技術優勢比較，以便更好地了解UWB 的技術特征；“internal workload”的出現頻率排名第六，可見負荷監控是體育訓練領域的研究重點，運動員的訓練負荷科學規劃，對運動訓練的效果意義重大；“team sports assessment procedure”的出現頻率排名第七，提示群體項目是UWB 技術應用于訓練的重點領域，這可能與UWB 技術設備有利于提高對運動員的監控與評估效率，提高訓練的科學化水平有關。

在國外，幾乎每個集體項目的職業運動隊都配備有全球定位系統GPS，運動定位技術的應用可以幫助運動員提升運動表現，為教練員豐富訓練手段。目前，有三種類型的系統可用于體育中的位置追蹤：基于GPS 的設備、基于視頻的設備和基于無線電的設備，而基于無線電波中的超寬帶（UWB）信號傳輸技術是最為準確的。UWB 技術優勢在于厘米級的高度精確定位和校準、同步、設置等方面的便攜性。體育訓練中運動員的運動軌跡追蹤特別是在室內舉辦的運動項目就成為該技術在體育訓練中的重要應用領域。國外一項研究針對UWB 技術在劇烈運動條件下的追蹤定位性能進行研究后發現，人體在方向、速度發生快速變化的運動中的確對儀器設備的追蹤定位能力造成影響，但是通過一些優化與改進可以將定位誤差降低31%，位置估計的平均誤差為20cm，表明UWB 能夠完成跟蹤動態運動活動任務。一項針對室內自行車運動員定位追蹤精度的研究結果顯示，對運動員進行追蹤的硬件設備應置于其下背部，在此條件下可追蹤范圍在32.6-43.8m 之間，中位測距誤差22cm。在網球訓練中，UWB 技術被應用于球員在不同網球場區出現頻率的定位分析，在4.7-14.9m 的區域范圍內，距離定位誤差在0.1-1.8cm。從上述研究結果可見，UWB 技術的定位精度在有限范圍內是較為適用的。

視頻追蹤定位系統需要提前在運動員身上手動貼標簽過程且影像重疊、服裝顏色和光影條件等影響制約了其在群體運動項目上的使用。GPS 系統雖然有較高的定位功能，但低頻采樣率對高速運動、方向變化的物體的定位追蹤功能存在局限。有研究采用UWB 技術對運動員在直線運動和45°變向運動的速度和加速度的均值與峰值的準確性進行測試，結果顯示基于UWB 的定位系統在評估室內運動方面具有可接受的有效性。另有一項研究使用基于UWB 技術的本地定位系統（Local positioning systems，LPS），對6 名運動員在賽道上步行、慢跑和短跑沖刺及變向運動過程進行了監控分析，除了對速度指標進行分析外，還計算了距離和沖刺力學特征，即力和功率輸出，研究結果顯示LPS 是可靠有效的定位系統。

除了進行運動學指標的評估，生理學指標數據的傳輸和測量也是UWB 技術在體育訓練領域應用的一個方面。有研究通過基于UWB 技術的無線電設備對運動員運動前后心率變異性做了研究分析，結果顯示該技術可以實現非接觸式的心率變異性分析以判斷運動員的疲勞程度。在實際的訓練和比賽中使用跟蹤設備進行監控，能夠實現三個主要目標：①對訓練和比賽負荷和運動需求的客觀評估；②幫助制定團隊層面的最佳訓練負荷；③設計運動員個性化訓練方案提升運動表現并防止運動損傷。例如，為了幫助教練建立成績檔案實現根據隊員情況進行個性化訓練，有研究根據女子籃球運動員的比賽位置、比賽時間、距離變量（比賽中跑動距離、不同速度區間距離、高強度運動距離和覆蓋場區范圍）和速度變量（沖刺次數、沖刺持續時間、最大速度和平均速度）等數據對U18 女子籃球運動員在競技比賽中的運動需求和速度特征做了數據采集與分析。通過分析能夠對球隊的整體成績表現做出預測。另外一項研究運用包括UWB 定位技術在內的多項實驗設備對女子五人制足球運動員在不同訓練任務中的各類數據進行了調查，在訓練負荷監測過程中幫助教練制定訓練計劃提供了科學依據。

4、小結

通過對熱點國家、熱點領域等一系列知識圖譜的綜合分析，發現UWB 技術的研究與應用范圍較廣，技術特點突出，尤其是在局域的精確定位方面優勢明顯。世界范圍內，UWB 技術在運動訓練中的應用研究國家數量還不多，基于UWB 的技術產品在足球、籃球等群體性項目中應用相對普遍，且多為運動學特征分析服務；基于UWB 的技術產品與其他有關設備相互配合使用可對運動員的各種表現進行監控，幫助運動員提升運動表現，幫助教練員科學安排訓練。我國運動訓練領域中使用該項技術的研究和報道還是空白，提示我國在體育訓練中的技術和設備創新與世界體育強國、大國還存在差距。