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陈柯行1 孟令飞2,3 Daniel Memmert1
1. 德国科隆体育大学 运动信息与运动训练研究所;
2. 北京体育大学 中国田径运动学院;
3. 重庆邮电大学
人工智能(Artificial Intelligence,AI)作为第四次工业革命的核心驱动力,正在深刻影响着人类活动,为各行各业带来了前所未有的发展机遇。2022年底,来自美国OpenAI公司的ChatGPT更是将这场革命推向了新高潮。作为国家软实力的展示平台,竞技体育不仅承载着提升国家形象和文化影响力的重任,更应在训练模式等方面积极融入科技创新的浪潮并焕发新的生机。AI涵盖计算机视觉、数据挖掘与分析、生成式语言模型、智能可穿戴设备等多种可在运动训练领域应用的子领域(霍波 等,2023),而每种技术在复杂、动态的运动训练环境中将发挥不同功效。运动训练数字化、智能化提供了强大推动引擎以助力运动训练实现从“单点发力”向“多核驱动”的深度转型升级,并为体育科技创新提供源源不断的动力。在这一过程中,AI技术的应用在提高运动员训练效率和表现的同时,更着眼于整个运动训练新生态系统的构建。尽管国内已有研究关注到AI在运动训练领域发展的潜力,但是对于其具体应用方式及最终如何落脚于运动训练实践并提升运动员竞技表现却是模糊的。相较于其他体育强国,我国目前关于AI在运动训练中的实践仍处于起步阶段且难以满足现实需要。因此,本研究通过梳理运动训练对于AI的现实需求及其引领我国运动训练的现实困境,借鉴体育发达国家将AI应用于运动训练实践的先进经验,最终结合我国实际情况,探讨AI引领运动训练发展的中国方案。
1 人工智能引领运动训练发展的现实需求
1.1 全球博弈与数据洞察:国际体坛竞争格局的动态变迁
1.2 变革适应与智能护航:运动员健康保障的客观挑战
1.3 探索演进与科技赋能:我国竞训手段更迭的发展诉求
2 人工智能引领运动训练发展的域外经验
2.1 拓展天赋识别,创新训练选材渠道
成功的运动员选材不仅能够将运动训练效应最大化,更是为取得优异的竞技成绩提供了可靠保障(田麦久,2023)。传统的选材方法关注运动员早期的运动能力或某一阶段的运动成绩,尝试通过尽早开始专业训练的方法对运动员进行培养。实际上,并没有直接证据表明运动员在成年阶段的运动成绩与青少年阶段的运动成绩存在显著相关(Güllich,2014)。在此背景下,基于AI的大数据技术开始在运动训练的选材过程中展露优势,此类新兴的天赋识别方法(talent identification)在英国竞技体育复兴的道路上提供了深入的洞察力(黎涌明 等,2017)。多年来,英国体育研究所(UK Sports Institute)发起了一系列人才识别活动,并建立了一套从草根运动员或体育爱好者辐射到世界精英运动员的晋级通道,旨在在特定的运动项目中发现有潜力的运动员(图1)。绩效途径计划(performance pathway)是其中最重要的策略之一,该计划通过与大数据技术结合进行运动员早期天赋识别,并对运动员的整个生涯过程进行数据追踪。这种数据辅助决策的选材方式帮助英国奥运会代表队运动员的选取聚焦于不错过每一个人才,而不是筛选潜力运动员。换言之,它能够减少在天赋识别过程中的不确定性并在最大程度上辨识每一位运动员的天赋。在这种模式下,英国体育研究所在全国各地建立了包括力量、速度、弹跳等基础运动能力测试的中心,有兴趣的儿童青少年可以自主报名或基层教练员报名的方式预约测试。测试数据将会被输入基于机器学习的选材模型进行初步分析并识别运动员潜在天赋,入选运动员将被分配给分析师来负责在接下来的训练阶段进行一对一的周期性数据采集,并创建一系列涵盖运动员不同训练阶段的数据模块。不同模块分别从生理、心理、健康、表现等不同维度追踪运动员的动态变化,从而建立运动员表现概况并探讨其在各项运动中的可能性以及能否进阶到下一阶段训练。一旦运动员在某个项目的天赋被确定,教练员将在这些数据模块支撑下为其提供结构化训练,以帮助发展他们的专项竞技能力。随后选材团队将继续对运动员表现进行为期6~12个月的追踪,通过评估运动员进步速度,以此确定其是否真正适合这项运动。得益于数据辅助决策模式,如果运动员在某个项目中没有展现天赋,或者不能继续从事第一专项时,研究人员将会对他们的个人数据集进行剖析,为运动员跨入第二项目的可能性以及其他潜在项目的可能性提供重要参考。这种数据驱动模式不仅为运动员提供了二次机会,还能最大化帮助英国体育研究所提升资金使用效率并节约培养精英运动员所需的时间成本(Hogan et al.,2000)。
图1 英国基于大数据辅助的绩效途径计划选材流程(England Sport, 2019)
Figure 1 UK’s Big Data-Assisted Performance Pathway and Athlete Selection Process (England Sport, 2019)
2.2 评估个人技术,提升专项竞技能力
运动员的技术能力是赢得比赛的关键,为了深入评估和进一步完善这些技能,专业的反馈系统显得尤为重要,特别是来自运动员身体关键部位,如关节和姿态的数据。为此,美国Nike公司打造了“勒布朗·詹姆斯创新中心”(LeBron James Innovation Center)。该中心打造了由400个摄像机和计算机视觉技术所构成的世界上最大的无标记动作捕捉系统,并将3种扩展现实技术(虚拟现实、增强现实和混合现实技术)应用于运动员技术能力评估与提升过程(图2),在为运动员提供实时技术反馈的同时,也通过精确的动作分析帮助运动员优化技术动作(Geisen et al.,2022):1)通过增强现实技术将运动员的姿势轨迹、动作速度等关键信息实时展现在运动员视野中,帮助运动员在训练过程中实时对比和调整自己的动作(即在动作执行的一瞬间);2)利用混合现实技术将虚拟世界和真实世界相结合,从而帮助运动员在训练场环境中得到真实比赛体验并强化技术动作的实际运用环节(Le Noury et al.,2022);3)结合卷积神经网络等深度学习技术对借助无标记动作捕捉系统通过高速摄像机捕捉到的运动员在最自然状态下的动作特征进行逐帧图像的处理与提取,并在三维空间重建人体姿态,进而实现在运动训练中对运动员动作姿态和技术质量进行评估的目的(霍波 等,2023;孙冬 等,2021)。更为重要的是,中心研究人员会根据运动员的实际情况将扩展现实和无标记动作捕捉这2个系统结合使用,从多维角度支持运动员技术能力的评估与提高。
图2 勒布朗·詹姆斯创新中心运动实验室基于人工智能的运动员技术评估与提高系统
Figure 2 AI-Based Athlete Performance Evaluation and Enhancement System of the Sports Lab of LeBron James Innovation Center
2.3 关注表现分析,识别专项制胜规律
基于数据挖掘技术(data mining)的运动员与团队的表现分析是当前国外将AI技术应用于运动训练活动中的一个核心领域。此类方法通过剖析海量数据背后的意义,揭示运动员在特定项目中的主流技战术与发展趋势,从而去识别专项制胜规律并在运动训练实践中提供实际支持(Memmert,2021)。德国科隆体育大学训练科学与运动信息研究所(Institute of Exercise Training and Sport Informatics at German Sport University Cologne)是目前欧洲最大的体育数据分析中心之一,其组建的比赛分析实验室(Game Analysis Lab)利用数据挖掘技术对各种运动项目进行多模态分析,在体育数据挖掘与分析领域处于世界领先位置(图3)。其主要分析数据包括事件数据和跟踪数据:事件数据用于剖析体育比赛或训练中的特定事件或动作,如进球、传球等,在技术层面反映运动员或团队的表现;跟踪数据则用于反映比赛或训练中运动员位置、移动方向和轨迹、速度等(Perin et al.,2018),它能让参与者详细了解一场比赛是怎么展开的,从而在战术决策层面为教练员和运动员提供建设性意见。为了精确收集数据,该实验室通常利用ScorreBot360、Kinexo等技术设备以及先进的计算机视觉技术,从而实现在二维空间的数据搜集,并且可以从广播电视视频中提取而不用依赖大量的高速摄像机。在数据分析阶段,鉴于传统的统计模型难以捕捉各性能指标之间的关系,该实验室大量运用机器学习和深度学习算法在竞技体育(特别是团队运动)中进行了模式识别与预测以及运动员表现概况建立等任务。此外,该实验室更注重结果的可解释性和实践性,即数据挖掘的重点在于关注实际运动训练中的“过程信息”而不是“结果信息”,从而深入了解各性能指标之间的交互联系。为了使分析结果可以直接作用于运动训练实践,该实验室还安排专人与教练团队进行对接,通过机器学习的可解释性和可视化图表等方法让教练员和运动员直观理解分析结果。该团队保障了包括德国国家足球队在内的多支德国国家队的数据分析任务,其中最著名的便属2006年足球世界杯中广为流传的“莱曼纸条”事件。
图3 德国科隆体育大学比赛分析实验室运行流程
2.4 强调训练负荷监控,保障运动员健康
训练过程监控和运动员健康是运动训练领域始终关注的话题之一,因为竞技能力的提高归根结蒂在于身体承受负荷能力的增加(田麦久,2023;于炳德 等,2022),而运动员的健康是进行运动训练活动的基本要求。在新西兰,由奥克兰理工大学(Auckland University of Technology)和新西兰政府共建的新西兰运动表现研究所(The Sports Performance Research Institute New Zealand)是目前世界领先的运动表现分析科研机构之一。该机构致力于运用智能可穿戴设备的非入侵性以及连续且快速响应的优势,了解运动员的身体(心肺、肌肉、体液、跑动模式等)对训练、比赛和环境做出如何反应和适应,从而更为细致地量化和调整运动员在训练中承受的训练负荷并提高训练效果。当前,新西兰运动表现研究所的智能可穿戴设备已由一维的独立传感器的单向分析技术转向多维传感器融合的互联技术,并通过其自研的智能人体传感网络(Body Sensor Networks)实时将各个传感器的多维数据进行汇总与分析。这种同时采集三维空间人体运动姿态数据和多类运动信号的方法能够全方位捕捉运动员训练过程中的身体变化,从而对运动员当下的负荷表现进行精准量化和评估。与此同时,为了扩展人体传感网络平台的应用场景,该研究所还建设了炎热(40 ℃)、寒冷(5 ℃)、潮湿(90%相对湿度)等不同气候模拟实验室,将智能可穿戴设备和环境传感结合了解运动员在不同环境的身体反馈,以促进人体测力建模。为了进一步实现人体传感网络的实践转化,该研究所将智能可穿戴设备获取到的数据集实时导入基于人工神经网络框架搭建的智能分析系统(HPSNZ Data Platform)进行评估,从而对运动员当前负荷状态进行判断,并对运动员身体存在的潜在受伤风险进行预测(Claudino et al.,2019),最终实现降低运动员受伤风险的目的。上述的所有分析结果同样会被智能化处理,最终以图表等可视化的形式直接展现给教练员,强调了分析结果的可实践性。新西兰运动表现研究所这种多维集成化的监测模式(图4)将训练实践中提前设计规划负荷的传统模式转变为适时应变的灵活模式,通过帮助运动员建立训练期间的运动表现、生物力学、生理生化过程之间的关联,使得教练员可以根据其生理或心理反应客观地设计和随时调整训练计划。
2.5 提供决策辅助,助力运动训练管理
运动训练是一项复杂且动态的活动,需要统筹协调多个团队的任务,共同保障运动员竞技能力的提升。为了高效推动运动训练活动中多主体的协调与配合,英国体育研究所建立了运动员表现数据管理系统(Performance Data Management System,图5)。该系统最初仅限于运动员医疗数据管理,后逐渐扩展至各个层级的网络平台并实现数据贯通,使运动训练中各主体数据得以共享和进行集成处理,最终将整合的分析过程与结果可视化展现给运动员和教练员。具体而言,该系统使用了一种基于“敏捷法”(agile methodology)的智能软件开发方法,这种方法强调协作、适应性和客户的满意度,以确保系统的设计与实际需求相匹配。该系统能够将运动员负荷监测数据、表现分析数据、视频分析数据等运动训练活动中挖掘的多来源数据进行集成处理,全部输入运动员表现数据管理系统的“数据仓库”,实现多个数据集无缝衔接。该系统可以实现一天多次数据更新,并具有自动整合预先设定的关键性能指标的功能以及利用简单的描述性分析编译和自动生成每日报告的优点,极大程度减轻了分析师的数据清洗压力。同时,为了更好管理各项目数据,英国体育研究所为每个项目设置了1名绩效分析主管,在该主管授权下,研究人员能够根据分析需要跨数据库访问和提取数据。这种层级数据管理架构有助于确保数据的完整性和安全性,同时也能促进数据的有效利用和共享。该系统格外重视向教练员和运动员输出的内容和形式,因为他们相信如果只是单纯向运动员和教练员展示高深且复杂的分析模型或推导过程是没有意义的。相反,可视化的决策过程能够增强运动员和教练员的理解并建立有效交流环境,从而将一系列分析结果真正践行到运动训练活动中。因此,该系统采用“故事叙述”的方式为体育从业者提供训练和比赛过程分析结果的全面视图。为了提高可用性,该系统同样实现与手机应用程序配对。运动员在智能手机应用端轻松接受这些信息的同时,还可以根据自己主观感受上传数据,实现从多维度反馈训练效果。他们认为,这种来自运动员的主观反馈对于调节整个训练过程是非常有必要的,如当一名运动员的数据正在逐渐变好,而运动员自身主观感觉却越来越差时,保障团队应该及时介入并探究其背后原因。这种从数据准备到结果可视化集一体的管理办法为运动训练中所有想访问或利用数据集的参与主体提供了可理解的知识基础,真正落实数据与行动相结合,最终为整个运动训练过程智能化管理提供坚实的支撑。
3 人工智能引领运动训练发展的本土困境
3.1 天赋识别困境
3.2 技术评析困境
3.3 比赛分析困境
3.4 负荷调整困境
3.5 训练管理困境
4 人工智能引领运动训练发展的中国方案
4.1 人才智选:数据化更新天赋识别过程
4.2 技能智解:个性化反馈技术评析过程
4.3 表现智见:可视化剖析比赛分析过程
4.4 负荷智控:精细化调节训练负载过程
4.5 管理智建,智能化推动训练管理过程
在坚持国家体育总局的宏观调控并确保我国运动训练管理过程智能化集约管理的背景下,一个打通纵向沟通且监管完善的智能平台是必不可少的。具体而言,国家体育总局可充分利用其权威性与资源丰富性作为主导方,委托在计算机科学领域具有国际领先水平的国内高校或科研院所,研发涵盖全国范围的运动训练数据管理平台和配套移动应用。在垂直层面上,该智能平台可包含数据收集、数据标准化、数据生命周期管理、数据治理、数据安全、数据监控和报告六大层面。在水平层面,应覆盖用户配合和支持,包括灵活性和可扩展性、跨技术集成、跨部门协作、反馈循环和持续改进五大层面(图6)。该智能平台的核心价值在于其全方位的监测功能,它可以无缝整合各类数据,并借助统一数据格式实现信息标准化处理,减少数据冗余和误差。在权限管理方面,利用角色基础访问控制(role-based access control,RBAC)系统,国家体育总局和其他体育行政部门可以根据不同层级单位的特点和申请,灵活设置数据访问和修改权限,既确保数据安全性,又保障信息畅通和共享。此外,该平台还需设立自动化数据验证和一致性检查机制,运用数据指纹和模式识别算法进行数据质量评估和验证,以防范误导性或虚假数据上传。通过实施这样一个高度集成化的数据管理平台,可以大幅提升我国运动训练管理的效率和科学性,为运动员训练和比赛提供强有力的数据支持。
图6 数据管理平台各级元素基本框架
Figure 6 Hierarchical Element Framework of the Data Management Platform
5 结语
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原文制作:曾子芩
原文校对:丁 合 高天艾
原文监制:邱剑荣