作者：高 峰（北京體育大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、教授）

　　北京冬奧會(huì)開幕在即，這些科技范兒你了解嗎？當(dāng)今世界，科技在競(jìng)技體育中的作用越來(lái)越突出，要綜合多學(xué)科、跨學(xué)科的力量，統(tǒng)籌推進(jìn)技術(shù)研發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)化。科技部為此設(shè)立了“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)，以創(chuàng)新性科技手段助力冬奧備戰(zhàn)和我國(guó)冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目發(fā)展，在確保我國(guó)運(yùn)動(dòng)員在本屆冬奧會(huì)上取得突破性的優(yōu)異成績(jī)的同時(shí)，進(jìn)一步提高我國(guó)冬季項(xiàng)目科學(xué)研究水平和可持續(xù)發(fā)展動(dòng)力。其中，北京體育大學(xué)牽頭承擔(dān)了“冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)能力特征和科學(xué)選材關(guān)鍵技術(shù)的研究”任務(wù)，目前項(xiàng)目組已突破制約部分冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技表現(xiàn)能力提升的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)員技術(shù)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋與評(píng)價(jià)，以集成創(chuàng)新為依托，創(chuàng)建以體能為核心、以冠軍模型為目標(biāo)、以智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)為手段的冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員選拔、培養(yǎng)和訓(xùn)練監(jiān)控方法體系。而這，將持續(xù)影響我國(guó)冬季競(jìng)技體育和大眾體育的發(fā)展。

　　1、跨項(xiàng)選材的參考系——冠軍模型

　　與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)冰雪項(xiàng)目起步晚，人才儲(chǔ)備不足，需要跨項(xiàng)遴選運(yùn)動(dòng)員。據(jù)冬季運(yùn)動(dòng)管理中心公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2018年，冰雪項(xiàng)目各國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)共選拔了3257人，比平昌冬奧會(huì)同期增幅達(dá)844%。截至2020年8月，我國(guó)29支冰雪項(xiàng)目國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)共有316名運(yùn)動(dòng)員來(lái)自跨項(xiàng)，100%由跨項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員組成的國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)有11支。

　　那么，跨項(xiàng)選材的依據(jù)是什么呢？

　　想要回答這個(gè)問(wèn)題，我們要了解一下什么是“冠軍模型”?！肮谲娔Ｐ汀庇址Q為優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)能力結(jié)構(gòu)模型，與運(yùn)動(dòng)員在賽場(chǎng)的競(jìng)技表現(xiàn)密切相關(guān)，是最終決定比賽成績(jī)的關(guān)鍵因素。

　　要想選出適合的運(yùn)動(dòng)員，就要知道冬季項(xiàng)目的“冠軍模型”究竟是什么？

　　北京體育大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與夏季項(xiàng)目相比，冬季項(xiàng)目的“冠軍模型”常常受到人（運(yùn)動(dòng)員）—機(jī)（運(yùn)動(dòng)裝備）—環(huán)（環(huán)境）三要素的更為復(fù)雜交互式關(guān)系的影響。所以，冬季項(xiàng)目“冠軍模型”可區(qū)分為可控制的內(nèi)源性因素（如運(yùn)動(dòng)員體能、技能和運(yùn)動(dòng)心智等）和不可控制的外源性因素（如運(yùn)動(dòng)裝備、環(huán)境等）兩個(gè)部分。其中，可控制的內(nèi)源性因素是運(yùn)動(dòng)員選材的關(guān)鍵。

　　以我國(guó)的優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目短道速滑為例，其“冠軍模型”包含了以下三要素：專項(xiàng)體能是基礎(chǔ)、專項(xiàng)技能是核心、復(fù)雜多變的戰(zhàn)術(shù)是保障，代表了以“穩(wěn)、快、靈、巧”為運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的技能主導(dǎo)類競(jìng)速項(xiàng)目。運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)體能要素包括體成分、等速肌力、最大攝氧量、最大無(wú)氧功率，以及靈敏素質(zhì)等，專項(xiàng)技能包括起跑技術(shù)、直道滑行技術(shù)、入彎道技術(shù)、出彎道技術(shù)等。又如，在越野滑雪項(xiàng)目中，要求運(yùn)動(dòng)員具備超強(qiáng)的專項(xiàng)耐力，才能在比賽中獲勝，決定專項(xiàng)耐力的關(guān)鍵要素包括攝氧量峰值、核心肌力、最大無(wú)氧功率以及良好的身體平衡能力等。

　　總之，重新認(rèn)識(shí)冬季項(xiàng)目的專項(xiàng)能力結(jié)構(gòu)模型是保障訓(xùn)練的基礎(chǔ)性工作，也是確?？珥?xiàng)選材成功的導(dǎo)向目標(biāo)。

　　2、成績(jī)提升“神器”——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

　　競(jìng)技體育需要運(yùn)動(dòng)員全身各關(guān)節(jié)、肌肉的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，合理高效的動(dòng)作技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)至關(guān)重要。在目前的競(jìng)技體育中，成績(jī)每提高一點(diǎn)都要付出巨大努力，而機(jī)會(huì)往往蘊(yùn)藏在細(xì)節(jié)中——短道速滑中要蹲到什么程度,擺臂幅度多大更合理等。以前這些關(guān)鍵性的細(xì)節(jié)只能靠運(yùn)動(dòng)員和教練員在一次次嘗試中去體會(huì)，很難量化和預(yù)測(cè)。

　　以越野滑雪為例，該項(xiàng)目以滑雪板和滑雪杖在丘陵起伏的規(guī)定路線上滑行。明確滑雪技術(shù)身體動(dòng)作特征與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的關(guān)系，可為運(yùn)動(dòng)員技術(shù)訓(xùn)練提供指導(dǎo)。運(yùn)動(dòng)員自身的專項(xiàng)能力、比賽中的地形和技術(shù)變化都呈現(xiàn)多樣的特征，這些特征相互關(guān)聯(lián)、影響，并在一定程度上會(huì)影響比賽成績(jī)。傳統(tǒng)上這些特征對(duì)成績(jī)影響的重要程度，以及訓(xùn)練干預(yù)后的特征對(duì)成績(jī)的綜合同步影響難以確定，無(wú)法精準(zhǔn)指導(dǎo)訓(xùn)練、科學(xué)評(píng)估訓(xùn)練效果。

　　當(dāng)下的機(jī)器學(xué)習(xí)為科學(xué)訓(xùn)練提供了新的方法和路徑。越野滑雪、速度滑冰等競(jìng)速類比賽追求“快”，運(yùn)動(dòng)員速度是動(dòng)作技術(shù)的最終體現(xiàn)形式。北京體育大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)將滑雪運(yùn)動(dòng)員不同技術(shù)類型、比賽時(shí)不同地形的技術(shù)動(dòng)作特征、比賽成績(jī)等多層次數(shù)據(jù)融合，分析對(duì)比賽速度最為關(guān)鍵的技術(shù)動(dòng)作特征。進(jìn)一步基于關(guān)鍵技術(shù)特征，利用深度學(xué)習(xí)手段，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)滑雪速度。

　　項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)速度的決定系數(shù)可達(dá)到0.9，應(yīng)用模型可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的多維度比較，以最終速度為指向，快速為運(yùn)動(dòng)員和教練員反饋訓(xùn)練干預(yù)效果，為教練員的指導(dǎo)和運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。這相當(dāng)于教練員手握一面鏡子，從而形成“訓(xùn)練干預(yù)—效果評(píng)估—技術(shù)改進(jìn)—效果再評(píng)估”的科學(xué)有效的訓(xùn)練模式。

　　這一方法也應(yīng)用在速度滑冰中，為了盡可能減小風(fēng)阻，運(yùn)動(dòng)員必須保持較小的下蹲角度，對(duì)下蹲姿位也有較為獨(dú)特的要求。通過(guò)對(duì)我國(guó)速度滑冰優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作特征進(jìn)行研究，北京體育大學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)分析了對(duì)滑冰速度影響較大的動(dòng)作技術(shù)特征，并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，基于上述分析的重要?jiǎng)幼魈卣鲄?shù)，預(yù)測(cè)滑冰速度，為運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練及技術(shù)調(diào)整提供科技支撐，保障了運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提升和穩(wěn)定性。

　　3、智能冰場(chǎng)“黑科技”——自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

　　獲取運(yùn)動(dòng)員在每一次比賽中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、提高成績(jī)的有效辦法，但這是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題——傳統(tǒng)上依賴可穿戴設(shè)備進(jìn)行這些數(shù)據(jù)的收集，或者在運(yùn)動(dòng)員身上粘貼標(biāo)記點(diǎn)，利用較多的紅外鏡頭進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)的捕捉和追蹤。但這些技術(shù)都無(wú)法在真正的比賽中使用——真正的比賽中絕不會(huì)允許任何有可能干擾到運(yùn)動(dòng)員比賽的可穿戴設(shè)備以及標(biāo)記點(diǎn)出現(xiàn)。

　　所以，人工智能智慧冰場(chǎng)絕不是簡(jiǎn)單的智能管理系統(tǒng)，它的核心，應(yīng)該是如何通過(guò)先進(jìn)的科技手段，在不打擾運(yùn)動(dòng)員比賽的情況下，對(duì)冰場(chǎng)上正在緊張訓(xùn)練或比賽的運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行技術(shù)的總結(jié)與提升，更是智慧場(chǎng)館需要解決的核心科技問(wèn)題。

　　由北京體育大學(xué)主導(dǎo)研發(fā)的基于人工智能技術(shù)的“無(wú)標(biāo)記點(diǎn)人體運(yùn)動(dòng)自動(dòng)識(shí)別人工智能系統(tǒng)”，可在不接觸運(yùn)動(dòng)員的條件下，僅僅利用架設(shè)在賽場(chǎng)周圍的高速攝像機(jī)，通過(guò)機(jī)器視覺方法自動(dòng)跟蹤運(yùn)動(dòng)員的冰上位置，并對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行人體21個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別，即時(shí)合成運(yùn)動(dòng)員三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，并繪制出相關(guān)數(shù)據(jù)曲線，便于運(yùn)動(dòng)員和教練員及時(shí)掌握體能分配情況和比賽技戰(zhàn)術(shù)狀態(tài)，以評(píng)估訓(xùn)練效果。

　　整套系統(tǒng)基于機(jī)器深度學(xué)習(xí)原理的人工智能技術(shù)，采用了人工智能機(jī)器視覺算法以及三維重建技術(shù)，同時(shí)突破性地使用了大范圍視頻影像拍攝與拼接技術(shù)，還可計(jì)算人體重心位置、關(guān)節(jié)角度、速度和器械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等一系列動(dòng)作技術(shù)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中瞬時(shí)速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡、身體姿態(tài)等多種運(yùn)動(dòng)信息，可滿足大多數(shù)冰雪項(xiàng)目動(dòng)作技術(shù)分析的需要。該系統(tǒng)成功運(yùn)用于速度滑冰、鋼架雪車、跳臺(tái)滑雪、越野滑雪等項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜場(chǎng)景下三維動(dòng)作捕捉與分析。

　　這套系統(tǒng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是目前世界上第一套能夠在實(shí)際比賽、訓(xùn)練和其他臨床環(huán)境下，使用生物力學(xué)常用人體模型，自動(dòng)采集人體三維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)員只需在比賽或者訓(xùn)練過(guò)程中正常運(yùn)動(dòng)，人工智能系統(tǒng)即可以在不接觸運(yùn)動(dòng)員的情況下收集和自動(dòng)分析運(yùn)動(dòng)員的數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)干擾，準(zhǔn)確且高效，是體育科研人員夢(mèng)寐以求的數(shù)據(jù)收集手段，為教練員及運(yùn)動(dòng)員高水平訓(xùn)練提供高科技保障。

　　應(yīng)用這一系統(tǒng)，北京體育大學(xué)已經(jīng)收集了大量我國(guó)運(yùn)動(dòng)員比賽中的動(dòng)作技術(shù)數(shù)據(jù)，形成了數(shù)據(jù)庫(kù)，為大數(shù)據(jù)積累、動(dòng)作技術(shù)分析，動(dòng)作訓(xùn)練反饋以及改進(jìn)動(dòng)作技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　　4、“冷環(huán)境”有氧耐力研究——保護(hù)運(yùn)動(dòng)員

　　眾所周知，冬天運(yùn)動(dòng)時(shí)速度和力量會(huì)下降，也更容易受傷——由于溫差，冷暴露使得身體溫度不斷散發(fā)到周圍環(huán)境中，這是人體為了保持正常體溫的適應(yīng)性反映。在急性冷暴露時(shí)，身體通過(guò)增加產(chǎn)熱量和減少散熱量來(lái)維持正常體溫。當(dāng)正常的能量代謝和生理功能出現(xiàn)紊亂，以及皮膚和其他組織發(fā)生損傷時(shí)，體核溫度或末梢皮膚溫度會(huì)下降到臨界水平，會(huì)影響到諸多器官系統(tǒng)，特別是中樞神經(jīng)和心血管系統(tǒng)，能量代謝途徑受到干擾，肌肉的收縮減慢變?nèi)?，神?jīng)傳導(dǎo)延遲，影響運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，易發(fā)生低體溫癥、凍傷和非凍性冷傷等冷損傷以及急慢性呼吸道健康問(wèn)題。

　　冬季項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員也面臨這個(gè)問(wèn)題——在冬季訓(xùn)練期進(jìn)行雪上訓(xùn)練時(shí)通常長(zhǎng)期、反復(fù)暴露于低溫環(huán)境中，尤其是作為戶外冬季耐力運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一的越野滑雪，其冬季訓(xùn)練期間的訓(xùn)練和比賽均在冷環(huán)境下進(jìn)行。運(yùn)動(dòng)員在冬季訓(xùn)練和比賽期所處的冷環(huán)境和比賽時(shí)間的不同組合會(huì)使其承受多種低溫應(yīng)激刺激。

　　研究發(fā)現(xiàn)，直接暴露于環(huán)境中的前額對(duì)環(huán)境溫度變化非常敏感，前額溫度變化不僅可以反映肌體對(duì)環(huán)境溫度的應(yīng)激情況，也可以間接反映骨骼肌的溫度。骨骼肌溫度降低影響其收縮活動(dòng)，使耐力運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)、力量和爆發(fā)力水平下降，影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)和訓(xùn)練效果。

　　那么，如何保護(hù)身處寒冷中的運(yùn)動(dòng)員呢？

　　目前認(rèn)為的最佳有氧耐力表現(xiàn)溫度區(qū)間指標(biāo)可能不太適合身穿專業(yè)比賽服的冷環(huán)境受試者。冬季雪上耐力項(xiàng)目訓(xùn)練或比賽溫度環(huán)境多在零下10至0攝氏度之間，如目前我國(guó)冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員主要的訓(xùn)練場(chǎng)地吉林雪洞，溫度環(huán)境恒定設(shè)置在零下6攝氏度。在此環(huán)境下穿著專業(yè)比賽服時(shí)有氧運(yùn)動(dòng)能力的變化特征并未進(jìn)行過(guò)研究。

　　因此，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬吉林雪洞零下6攝氏度的冬季項(xiàng)目訓(xùn)練環(huán)境，呈現(xiàn)了在冷環(huán)境暴露時(shí)最大有氧耐力運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)及相關(guān)生理學(xué)指標(biāo)的變化特征，為低溫環(huán)境運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)控提供了一定的實(shí)驗(yàn)室依據(jù)。

　　現(xiàn)代競(jìng)技體育尤其是冬季項(xiàng)目，不僅是運(yùn)動(dòng)員在賽場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)，更是比賽背后各國(guó)科技力量和科技水平的比拼與展現(xiàn)。當(dāng)前競(jìng)技體育成績(jī)的提升早已不能單靠苦練來(lái)取得，科學(xué)的訓(xùn)練、科學(xué)的選材、科學(xué)的場(chǎng)館、科學(xué)的裝備、科學(xué)的保障等復(fù)合系統(tǒng)能力已成為制勝的關(guān)鍵因素。僅以北京體育大學(xué)為例，從1988年第24屆漢城奧運(yùn)會(huì)開始，北京體育大學(xué)累計(jì)獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)5次，奧運(yùn)科研攻關(guān)與科技服務(wù)獎(jiǎng)6次，奧運(yùn)科研攻關(guān)與科技服務(wù)組織貢獻(xiàn)獎(jiǎng)2次。自2017年以來(lái)，以學(xué)?！叭齻€(gè)轉(zhuǎn)型”的改革發(fā)展為重要契機(jī)，充分發(fā)揮“大學(xué)+基地”的辦學(xué)優(yōu)勢(shì)、體育學(xué)科集群優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的科研團(tuán)隊(duì)人才優(yōu)勢(shì)，努力實(shí)現(xiàn)科技助奧過(guò)程全覆蓋、項(xiàng)目廣覆蓋、手段現(xiàn)代化、合作多元化，努力打造新時(shí)代體育科學(xué)研究的創(chuàng)新高地。

　　如今，一代代體育科研人正在攻堅(jiān)克難，砥礪奮進(jìn)，用科技服務(wù)奧運(yùn)，助力全民健康。

　　《光明日?qǐng)?bào)》（ 2022年01月27日 16版）