可穿戴設備在運動訓練中的應用場景、實踐困境與現實進路

摘要：科技賦能體育是促進體育運動快速發展的重要推動力，可穿戴設備作為當今時代前沿科學技術發展的產物，已在職業體育和競技體育當中取得了令人矚目的實用效果。在全面建設體育強國國家戰略的背景下，分析可穿戴設備在我國運動訓練中的應用場景、實踐困境與現實進路是實現科技助推我國體育運動發展的重要途徑。本文通過文獻資料法、邏輯分析法等方法探究可穿戴設備在運動訓練中的應用場景、實踐困境與現實進路。研究認為，數據采集和負荷監控是可穿戴設備在運動訓練中的主要應用場景?？纱┐髟O備在運動訓練中的實踐困境主要體現在運動數據泄露風險；相關支持與保障體系有待完善；指標采集單一，集成化程度低；產業市場秩序有待完善。針對困境，提出以下現實進路：加強數據的保護力度；統一數據標準，完善人才培養體系；提高可穿戴設備的兼容能力；規范產業發展的市場秩序等。

關鍵詞：可穿戴設備" 運動訓練" 應用場景" 發展困境" 現實進路

隨著時代的發展，競技體育的競爭日趨激烈，不斷地挑戰著運動員的運動極限。競技體育的競爭不僅是綜合國力的比拼，更是體育科技的較量，科技對競技體育的賦能作用日趨明顯，并推動著運動訓練思想、方法與手段的變革?？纱┐髟O備作為國際體育科技的前沿研究熱點，已成為各國體育科技競爭的重要領域之一。隨著材料、通信、傳感器、處理器等技術的快速發展，可穿戴設備的研究更是走向了發展快速道，目前已產生了諸多科技成果，并成功地運用在了競技體育、職業體育、學校體育等運動訓練領域中，極大地提升了運動訓練的科學化水平。但目前可穿戴設備也存在著測量精度存疑、數據采集維度單一、集成化程度低等諸多問題。

在我國，可穿戴設備在運動訓練領域同樣擁有較為廣泛的應用，尤其是在集球類和體能類運動訓練中，其應用更為普遍。但囿于相關研究和實際應用較晚，我國可穿戴設備在運動訓練領域中還存在諸多問題，亟需進行系統研究與分析。本文以可穿戴設備在我國運動訓練中的應用場景為研究出發點，分析和探究可穿戴設備在我國運動訓練領域的實踐困境，針對困境找出相對應的現實進路，為可穿戴設備更好地運用于我國運動訓練領域提供理論依據。

1、可穿戴設備在運動訓練中的發展歷程

1983年，芬蘭奧盧大學電子系發明了第一臺無線心率遙測儀——Polar PE-2000，科研人員首次使用可穿戴設備探索運動訓練過程，其為運動負荷的測量帶來了一種全新思路，擴寬了運動訓練負荷測量的方式，使運動訓練的負荷測量更加科學化、多元化。隨著科學技術的快速發展，科技對運動訓練的賦能過程顯著，科技使當今時代的運動訓練更加趨向于數字化、科學化和現代化，基于計算機技術、數據分析技術和傳感器技術于一身的可穿戴設備日益得到了業界的重視。20世紀90年代，可穿戴氣體交換分析儀COSMED-K4b2出現，改變了僅能從實驗室進行能量代謝測驗的窘境，極大提高了我們對人體生理特征的理解。澳大利亞 Catapult公司于2004年發布了首代可穿戴設備GPS-5Hz，其以運動背心為載體，以加速度計、陀螺儀、GPS等傳感器于一體，實現了在便于測量不同類型運動數據的同時又不影響日常訓練，真正使可穿戴設備走進了運動訓練，實現了二者的深度融合，運動訓練進入數字化時代。2019年，超光頻數據連接技術的出現，使GPS走出使用環境的束縛，Clear-Sky智能評估系統進入公眾視野，運動可穿戴設備走向了發展的高速路。

2、可穿戴設備在運動訓練中的應用場景

2.1、數據采集

數據采集是可穿戴設備賦能運動訓練過程的主要功能，可穿戴設備的數據采集類型主要有以下幾種：運動學及動力數據采集、機能狀態監控和運動姿態分析、人體動作建模等。Moov、LumoLift和Wahoo等公司的可穿戴設備能準確感知人體肢體的不同運動，在跑步、游泳等運動中，通過可穿戴設備中的不同傳感器捕獲到的身體姿態數據和運動數據模型進行比對，從而給出改進動作的建議。其中，GPS、加速度計、陀螺儀、心率傳感器等技術是可穿戴設備中廣泛使用的技術形式，使用可穿戴式GNSS追蹤設備可感知人體位移速度、訓練負荷等數據；嵌入傳感器的服裝能實現人體動作感知，其每套設備都裝有完整基站，可做到對人體運動數據的實時收集，這些被收集的數據通過人工智能算法分析，可實現對運動身體姿態與狀態的分析與評估；基于紅外熱成像技術可實現運動損傷評估、監測傷病等；基于窄帶物聯網技術（NB-IoT）的智能腕表、環境熱負荷的黑球儀，即溫度指數預警系統（WBGT指數）都已在比賽中得到應用。隨著柔性可穿戴材料的研發、數據傳送技術的提高和電池技術的優化等，可穿戴設備的性能將更加完善，其數據采集效率將進一步提升，數據采集維度將更加豐富。

2.2、負荷監控

從宏觀層面分析可將運動訓練的負荷監控分為內部負荷監控和外部負荷監控兩種類別。其中可穿戴設備在內部負荷監控中可歸為三類指標：分別為心肺、體液和神經肌肉。心肺類主要指： 心率與心率變異性、呼吸與能量代謝、攝氧量等測試，在具體的運動訓練測試中，與心率有關的可穿戴設備應用較為廣泛，特別是在球類項目中應用較為普遍。其優點是可以客觀的顯現內部負荷狀態，并較少受限于硬件設施和場地的約束；其詬病之處在于多臺設備同時應用時的抗干擾性不佳，且多臺設備共同采集時的數據通道加密飽受質疑。相比之下，呼吸與能量代謝、攝氧量等測試雖對硬件設備有較高要求，但其卻有更大發展潛力。體液指標包括血液、汗液、唾液等生化測試，因其測試費用較高，測試時間周期較長等方面的限制，其在訓練負荷的監控中較少使用。神經肌肉指標包括肌電圖、腦電圖等測試，同樣受限于價格不菲的測試費用，因此較少運用于運動訓練的負荷監控。在運動訓練的外部負荷監控中，可穿戴設備多用于對身體活動能力的監測方面。外部負荷監控中，以GPS、陀螺儀和加速度計等作為運動訓練負荷監控的常用傳感器，通過對訓練者的跑動能力、變向次數、負荷累積等基礎數據進行采集分析，可較為客觀的對訓練者的活動能力做出評價，并能對訓練者的運動疲勞做出提前預警。科學利用可穿戴設備對負荷進行監控可有效預防運動損傷，并能依據監控得到的負荷數據科學地安排訓練計劃。

3、可穿戴設備在運動訓練中的實踐困境

3.1、運動數據泄露風險

可穿戴設備與運動訓練的深度融合在促進體育運動發展的同時，也帶來了數據泄露的風險，這種風險主要體現在數據的量化隱私泄露。首先，隨身佩戴的可穿戴設備可以持續收集人體運動數據和身體基礎數據；其次，可穿戴設備采集并傳送的人體數據量是龐大的，可穿戴設備擁有在數秒時間內采集個體超千個數據點的能力，且此種能力隨著技術的迭代在不斷加強；再次，可穿戴設備能夠采集細微的人體信息，如心率、血壓、血氧飽和、人體所處的具體位置等；最后，可穿戴設備可通過較為隱秘的方式收集人體及所處的環境數據，在某種場景下，攝像機、麥克風、GPS等內置傳感器可在略過運動員授權的情況下采集相關數據。這種全面數據化所帶來的量化隱私損害不禁使我們反思科技對體育的入侵是否已經超過了個人隱私與安全的最低界限。

3.2、相關支持和保障體系有待完善

在數據支持與保障方面，海量的運動數據是智能算法發揮作用的前提條件，目前，我國體育領域在運動數據的采集、傳輸、存儲、分析、應用等多個環節均無統一標準，而且幾乎不對外公開，制約了運動數據的高效互通與共享，阻礙了體育運動的健康發展。在技術應用的支持與保障方面，相比于其他領域，可穿戴設備在運動訓練中的應用基礎薄弱，教練員和運動員對可穿戴設備的應用認同度、接受度較低，已經成為了現代化運動訓練發展的阻礙之一。較多教練員和運動員在運動訓練過程中不愿使用可穿戴設備，甚至會有抵觸情緒，這直接影響和阻礙了可穿戴設備在運動訓練中的應用。在人才儲備的支持與保障方面，我國在體育工程領域人才的培養方面仍處于探索期，“體育 + 工程領域”復合型人才缺口較大。

3.3、指標采集單一，集成化程度低

采用可穿戴設備對訓練過程進行監測，其實質是對人體運動數據以及人體生理信息進行分類以及綜合分析的過程，數據量和數據類型維度決定了監測質量。由于科技投入、商業競爭、技術壁壘等因素，目前可穿戴設備能夠采集到的數據類型較為單一?？纱┐鞣b的出現實現了將衣物、集成模塊與心率帶等整合匯聚而共同作用于訓練者身上，曾風靡全球，但是，多指標數據類型的采集往往需要更多的傳感器佩戴于訓練者身上，在影響日常訓練的同時也制約了可穿戴設備在訓練實踐中的應用，在一定程度上影響了可穿戴設備在運動訓練中的普及。因此，如何在豐富測試指標類型的同時將現有可穿戴設備高度集成，成為了影響可穿戴設備在運動訓練中應用與普及的重要因素。

3.4、產業市場秩序有待完善

可穿戴設備作為我國新興的電子消費領域，具有良好的發展前景，但其產品概念盛行，產品性能卻遠達不到其概念宣傳的那樣，因此未能激起市場持續的消費熱情。在可穿戴設備的產業鏈中，上游的芯片制造、射頻技術、傳感器廠家生產研發較為積極，但是下游公司為控制成本，在品牌推廣和新品研發上缺乏人力、物力和財力等方面的投入，致使產品科技含量低且同質化嚴重，制約了可穿戴設備的發展速度。可穿戴設備采集到的運動訓練數據，其有效性一直以來備受爭議，其中關于 GPS、陀螺儀和加速度計的技術爭議最多。關于GPS的有效性研究，Adrian、Coutts、Barbero、Edgecomb等研究認為GPS在某些運動情景中的有效性有待提高；關于陀螺儀的有效性研究，Charlton等研究認為陀螺儀在運動訓練中具有較為可靠的穩定性和有效性；關于加速度計的研究，Luk等研究認為，加速度計在運動訓練中亦具有較為可靠的穩定性和有效性。目前市場中在售的運動可穿戴設備較多，多數運動可穿戴設備集GPS、陀螺儀和加速度計于一體，關于這些設備的測量效果，溫煦等通過實驗研究發現，一些品牌測量某些速度下的能量消耗的效度尚處于可接受范圍，但是，個別品牌的智能手環能耗數據與間接測熱法數據幾乎不相關，測量能量消耗的有效性較差。運動可穿戴設備屬新興電子產品，監管層面還缺乏明確的監管標準。因此，一些產品的質量難以保證，導致其測量精度較差，其測量數據無法作為訓練、健身和體育休閑的依據。加之缺乏大型龍頭企業帶動行業產業鏈的整合，導致運動可穿戴設備的品牌效應、科技含量和產品質量保證等方面都有所欠缺。我國的運動可穿戴設備產業經歷了2013-2015年的蓬勃發展期，而在此期間存在假冒、仿制、代工和貼牌生產等低級發展階段，同時存在公司規模小且分散經營、科技成分少、創新能力弱、同質化嚴重、品牌溢價能力差、品牌資產單薄、缺乏國際影響力等發展問題。

4、可穿戴設備用以運動訓練的現實進路

4.1、加強數據的保護力度

在討論數據保護時，我們要清楚地認識到，并非所有的數據都需要嚴格保護。職業與競技體育運動員作為公眾人物，其基本信息如姓名、身高、體重、年齡等數據已處于公開狀態，無需作為特殊數據加以規制。而一些具有一定競技價值的運動和人體生理數據應采取專門措施加以保護，防止價值數據的泄露。依據可穿戴設備所能采集到的數據類型以及相關科技的發展態勢，認為可將以下幾種數據類型作為重點保護對象：（1）運動數據；（2）醫療健康數據；（3）日常生活數據 （表1） 。理由如下：運動數據（速度、步幅）和醫療健康數據（血壓、心率）可直接反映運動員的競技實力，其作為重要的體育數據，理應作為重要的數據類別加以保護；日常生活數據（作息、生活軌跡地圖、情緒波動）可間接預測運動員的性格特點，進而可推測其對競技體育成績的影響，因此也應作為重要的數據類別加以保護。加強對運動員相關運動數據的保護力度，規范可穿戴設備獲取、傳輸、分析數據的合法性，有助于保障運動員的合法權利，維護競技體育的公平性。

4.2、統一數據標準，完善人才培養體系

大量有效的運動數據是體育數據公司及科研團隊分析運動員運動狀態和競技能力的基本前提。由于我國在運動訓練數據的采集、傳送、分析及使用上并沒有統一的數據標準，數據之間的不兼容導致體育數據公司及科研團隊無法得到大量有效的運動數據對運動員的運動狀態進行比對分析，最終形成一座座數據孤島而造成數據壁壘的出現，造成大量的運動數據由于缺乏統一數據標準而無法使用。因此，有關主管部門應聯合行業協會共同制定出統一的數據標準，解決數據在采集、傳送、儲存等方面的標準不一，解決數據孤島和數據壁壘等問題。另外，國家、政府和各級體育主管部門應在保證個人隱私、知識產權與體育信息安全的前提下，開放體育訓練數據，為可穿戴設備及相關智能算法的發展提供助力。目前我國的運動可穿戴設備尚處于發展初期，產業的健康發展離不開政策的支持與引導，更離不開體育+工程領域等復合型人才的智力支持，目前，我國已開設智能體育工程專業并已進行招生培養的大學僅有北京體育大學，存在開設院校少，人才培養體系不夠完善等問題。鑒于此，應鼓勵國內具有較強工程專業背景的高等院校積極申報體育工程專業，相關主管部門應給予政策等支持，完善我國體育工程領域的人才培養體系。

4.3、提高可穿戴設備的兼容能力

在運動訓練實踐中，運動員需要佩戴運動手環、專業心率帶以及穿戴有內置傳感器的服裝等才能滿足綜合測試的需要，佩戴多種可穿戴設備不僅存在信號干擾等問題，也會對運動訓練效果帶來負面影響，在給受試者增加運動負擔的同時也給科研人員的數據采集和分析帶來了挑戰，兼容性問題已成為了運動可穿戴設備走向日常運行訓練實踐的重要阻礙之一。德國SAP公司作為頂尖的大數據云端處理商，已做到了運動訓練數據的云端互聯與整合，并已在德國國家足球隊中成功運用，其教練、隊醫、科研人員等可根據不同權限從中獲取目標數據，在科技的助推下，最終幫助德國國家足球隊在巴西世界杯上斬獲冠軍。有關部門應在頂層設計上通過政策引導與支持等方式助推市場與高等院校等進行通力合作，在借鑒他人研發成果的基礎上，結合我國經濟社會的特點，通過引用、改造或科技創新等方式提高我國現有可穿戴設備的兼容性、有效性和實用性。

4.4、規范產業發展的市場秩序

目前我國的運動可穿戴設備廠商較多，產品銷售量較大，但卻沒有產生可引領行業發展的龍頭企業，行業內多以中小微企業為主，貼牌、山寨品盛行，行業發展較為混亂。規范運動可穿戴設備產業市場秩序要堅持依法科學管理，健全配套法律法規，完善監督管理體系。（1）制定引導與扶持政策，政府應通過多種引導與扶持手段培育可穿戴設備行業的龍頭企業，通過龍頭企業的產品配套需求可孵育出眾多小微企業參與到可穿戴設備的產業鏈中，以需求帶動產業鏈的不斷升級與完善。同時支持、鼓勵企業加大科技研發投入，不斷提高自主創新能力，推進產品技術升級，促進核心競爭力的形成，打造出行業內的知名品牌，形成品牌效應；（2）明確監管主體的責任與職能范圍，確定不同市場主體的權利義務，規范運動可穿戴設備企業的市場行為，引導企業妥善化解產品同質化嚴重和產能過剩風險，對侵犯知識產權、生產劣質假冒產品的企業進行嚴厲處罰，讓依法經營者有法可依，違法經營者得到應有的處罰，切實維護運動可穿戴設備的正常市場秩序；（3）有關部門要聯合行業協會共同制定運動可穿戴設備國家標準體系，其中應明確規定產品的質量要求、測量精度等國家標準，并開展常態化市場監管和產品質量檢測工作。

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