基于移动计算的田径运动损伤风险预警系统的研究

胡卫红

1 引言

运动损伤是田径运动中的常见问题，近年来，运动员由于训练时间长，机体负荷大，从而导致了损伤发病率的增高，严重妨碍了运动员保持和进一步提高运动成绩，甚至导致运动员过早离开赛场。国内外研究表明，绝大多数运动损伤是可以预防的，虽然其中有一些意外的急性损伤很难防范，但是，仍然能够通过相应的防范措施来降低损伤的发病风险。目前，国内学者对运动损伤预防的研究，利用横断面研究等流行病学研究方法对田径项目运动损伤的患病率、运动损伤风险因素的量化评估等展开研究；国外学者对运动损伤预防的研究集中在分析性研究层面，即是在患病率调查的基础之上，证实疾病的各种危险因素，估计它们对疾病作用的大小，并提出可能的干预措施［3］。

由于训练数据采集的多样性和训练时空的不确定性，现有的基于非移动计算环境的训练信息管理给使用者带来了极大的局限性，难以做到对训练信息进行随时随地的实时管理和监控［2］。移动计算技术是随着移动通讯、无线网络、移动数据库、分布式计算等技术的发展而兴起的新技术。它的最大优势是能准确、及时地将信息提供给任何时间、任何地点的任何用户并允许用户随时随地与中央系统进行交互［1］。因此，研发通过基于移动计算技术的训练信息管理和监控系统将能克服上述时空局限性。

虽然移动计算技术在移动医疗保健和急救、移动学习等领域开始崭露头角，但针对运动训练信息管理的研究还鲜有涉及，只有个别研究涉及到了这种技术，比如：钟亚平在举重训练数据管理与测评系统研究［2］中，提出了不同应用环境下用户的几种不同输入数据方式，其中包括手机方式，但他所考虑的只是如何利用手机的语音界面输入数据。本研究探讨在移动计算环境下，实现对田径运动员机能状态的动态监控和对田径运动损伤风险的实时预警，以最大限度避免和延缓伤病发生，为提高田径训练的科学化水平起到积极作用。

2 移动计算开发平台

目前移动系统的开发平台有多种，比如，BREW、Palm OS、Symbian OS、Windows Mobile等。考虑到田径运动损伤风险预警系统将在主流移动终端上运行，比如PDA或手机，采用Java ME的移动平台无需考虑具体的硬件，解决了移动终端兼容性的问题，同时Java EE的无缝结合可以使我们建立一个具有强大功能的后台服务器。

Sun公司的Java ME提供了一个在如移动电话、PDA以及各种嵌入式设备上运行的应用环境［4］，它包含一组运行于不同小型设备的Java虚拟机（KVM）和一组可以运行在各种虚拟机上的库和标准的Java API。Java ME的体系结构可分为5层：处于最低层的是各种主机操作系统及设备系统，这充分体现了Java ME跨平台的特性；在操作系统之上的是1组Java虚拟机（JVM和KVM），KVM是JVM的一个实现，它是高度优化的JVM方式，专门用于移动电话、低端PDA等设备；不同的虚拟机对应不同的配置（Configuration）。Java ME主要包括两种配置：连接设备配置（CDC）和连接受限设备配置（CLDC），CDC和CLDC面向不同的小型设备；配置之上的是简表（Profile），简表为运行环境提供高层的API。目前，CLDC上采用最广泛的简表是移动信息设备简表（MIDP）。MIDP为开发者提供了应用程序模型、用户界面、持久性数据存储等高层的API；体系结构的最上层是可选包层，可选包是一组支持额外的、共同行为的API，这些包不属于任何一个配置或简表，它们是针对特殊技术的实现，Java ME平台可通过添加可选包进行扩展，基于CLDC和MIDP的Java ME平台是目前移动开发领域的主流。

本研究将选择基于Java ME平台，探索可实时交互的、移动的田径运动损伤风险预警系统的设计与实现。

3 田径运动损伤风险预警模型建立

在田径训练中，与运动损伤相关的因素很多，如何在如此多的因素中找出它们与运动损伤风险的关系并给出量化指标是一项非常艰难的工作。田径运动损伤风险预警系统通过建立田径运动损伤预警模型，提供一种田径运动损伤风险预警的方法，具体步骤如下：

1.在深入分析国内外田径中长跑运动损伤研究的基础上，获取致伤因子包括损伤史、损伤恢复状况、错误的技术动作、关节稳定性差、训练比赛负荷量安排不当、训练比赛中心理状态不佳、肌肉力量和均衡性减弱、身体平衡能力减弱、关节活动幅度（柔韧性）减弱等28项，确立损伤致伤风险因子分别为内部致伤因子、外部致伤因子、刺激诱发因子三大类，提出中长跑运动伤病预警伤致因子动态链模型。

2.采用层次分析法对田径运动伤病预警伤致因子动态链模型中各因子进行权重分析，获取内部致伤因子、外部致伤因子、刺激诱发因子所占权重比例分别为53.9％、16.4％、29.7％，其中内部致伤因子中损伤史（23.2％）对运动员致伤风险最为明显，其次分别损伤恢复状况（19.2％）、关节稳定性（12.79％）等；外部致伤因子中技术水平（35.8％）对运动致伤风险最为显著，其次分别为保护措施（22.6％）、训练或比赛（14.7％）；刺激诱发因子中技术错误（35.8％）最容易导致运动员在训练比赛过程中出现伤病，运动负荷（24.9％）也是引起运动伤病的重要刺激诱发因素。以此建立田径运动伤病预警伤致因子动态链量化模型。

3.根据各致伤因子分级情况所得分数，计算运动员伤病风险的总得分。

4.随机选取山东省田径队运动员相关数据作为测试样本，对系统准确性进行验证，其结果与教练员对测试样本的风险等级评定结果基本吻合，表明基于田径伤病预警伤致因子动态链量化模型进行伤病风险评价具有可行性。

4 田径运动损伤风险预警流程

运动损伤预警又包括模型初始化、属性离散化、属性约简、抽取样本和RBF学习等主要步骤，具体的流程如图1所示。

图1 田径运动损伤预警流程图

1.采用田径伤病预警伤致因子动态链量化模型中的因子，建立田径运动损伤风险预警样本库和测试样本库。具体包括（a）运动员基本信息：姓名、项目、运动员等级、BMI；（b）运动损伤风险预警信息：训练负荷量、技术错误、关节保护措施、主观疲劳状况、训练比赛中的心理状态、训练计划是否变更、训练场地天气情况、关节稳定性、关节柔韧性、大腿前后肌群力量对比、大腿围度对比、身体平衡能力、足弓形态、技术水平、运动鞋更换频次、主要训练场地、损伤史、损伤后恢复训练状况、月经周期；（c）训练监控信息：红细胞数、血红蛋白、血球压积、血清肌酸激酶、血尿素、血清睾酮、血清皮质醇、血清睾酮（T）/血清皮质醇（C）、白细胞数等。

2.判断样本库中的因子所对应的数据的离散性，若不离散，调用SOM神经网络离散方法对因子数据进行离散化处理，将利用SOM神经网络离散后的因子数据与初始就离散赋值的数据合成决策表。

3.按照RS理论的约简过程对决策表进行属性约简和规则提取，基于简化的决策表构建RBF神经网络。

4.根据约简后的决策表，选取田径运动损伤风险预警样本库中的相应数据，训练RBF神经网络，直至收敛，满足精度要求。

5.利用测试样本数据，判断训练好的RBF网络是否得到正确的诊断结果，若没有，选取（3）中其他的约简结果，转至（4），直至获取训练好的神经网络样本库。

6.利用训练好的RBF神经网络评估运动员提交的相关信息，输出正确的风险预警结果。

5 系统构架

遵循实用性、适应性、可扩展性、可靠性和安全性原则，系统将实现对田径训练信息的随时随地管理，能够根据运动员个人运动训练等相关信息开展运动损伤风险预警。系统基本业务模块划分成训练信息管理子系统、比赛信息管理子系统、监控信息管理子系统、伤病信息管理子系统、竞技状态评定子系统、运动损伤预警管理子系统、个人信息管理子系统、系统配置管理子系统和系统帮助说明子系统9大模块，其中运动损伤预警管理子系统是系统的核心功能模块，它包括运动损伤预警和查询预警记录等功能。

系统通过WLAN和3G向用户提供田径运动信息服务，具体运行拓扑图如下。

图2 系统拓扑图

系统运用部署好的Web服务器承担主要预警工作。运动员通过无线移动终端提交信息、接受服务和响应，无线移动终端通过无线方式和Web服务器进行实时交互，提供运动训练相关数据提交、数据查询和运动损伤预警等功能。

6 系统实现

6.1 服务器端的实现

系统部署选用Apache Tomcat Web服务平台，服务器运行Windows Server 2008作为操作系统平台，使用MyE-clipse8.5企业级工作平台作为Java EE的集成开发环境，使用MySQL 5.1作为数据库平台。业务逻辑由Tomcat容器中的Servlet实现，可以通过HTTP协议直接与移动客户端进行通信。对于移动终端的每一种业务，Web服务器端都专门设计了特殊的多线程监听程序来处理。针对训练信息提交、比赛信息提交、训练信息查询、比赛信息查询、在线获取方法库、在线获取训练计划、在线运动损伤预警，分别提供了MIDletForecastServlet、MIDletMatchDataUpdateServlet、MIDletOnlineJihuaServlet、MIDletOnlineMethod-Servlet、MIDletUserDataUpdateServlet、MIDletUserLoginServlet、MIDletUserMDataServlet、MIDletUserTDataServlet、User-DataServlet等9种监听进程。

6.2 移动客户端通信的实现

本系统的便携式无线移动客户端采用Java ME平台，开发工具采用SUN提供的Wireless Toolkit 2.5.2。借助该无线移动客户端，运动员可以方便地进行运动损伤预警、训练比赛信息提交以及各种信息查询等操作。在使用时，无线移动终端通过运营商（如移动等）信号和Web服务器上相应的监听程序连接通信，采用多线程的方式完成各种业务。

6.3 无线移动业务处理线程的实现

无线移动终端的业务处理由专门的处理线程来完成，以优化程序结构和有效利用便携式设备的有限资源。业务线程获取界面传来的数据并进行处理，然后把处理后的数据交给界面来显示。本系统设计了DelLocalMDataThread、DelLocalTDataThread、ForecastThread、GetJihuaThread、GetLocalDataThread、GetLocalMDataThread、GetUserDataThread、LocalSaveDataThread、LocalSaveMDataThread、Online-MethodThread、UpdateMatchDataThread、UpdateUserDataThread、UserLoginThread等13个进程用于处理各种业务逻辑。

6.4 移动客户端界面的实现

由于Java ME开发包较为简单，所以，它没有强大的图形及消息处理功能，应根据需要开发设计，本系统设计了一个专门的Navigator（导航类）实现界面和处理的调度。该类的主要作用是管理系统中的所有页面。导航类对每个画面进行编号。它主要包含两个方法，show（）方法和flow（）方法。当符合条件的画面被找到时，调用display.setCurrent（）方法设置此画面的实例。flow（）方法是用来捕获用户的控制命令，并把命令转换成画面编号。

无线移动业务共包括9个功能模块：提交训练成绩、提交比赛成绩、查询训练成绩、查询比赛成绩、本地训练数据、本地比赛数据、在线训练方法、在线训练计划和在线伤病预警。图3～图5是部分运动信息及损伤预警交互界面。

图3 训练计划查询图

图4 运动损伤预警信息提交图

经过山东省田径中长跑队6个月的试用，田径运动损伤风险预警系统较好地实现了对田径运动训练和比赛信息的管理，实现了对田径运动损伤风险预警，各种功能模块使用正常，系统使用方便，性能稳定，用户界面友好，具有创新性，受到了田径队的认可和好评。

图5 损伤预警结果显示图

7 结论与建议

为对田径训练信息进行随时随地实时管理和运动损伤监控，设计并实现了基于移动计算技术的田径运动损伤风险预警系统。试用结果表明，系统具备较强的实时性、高效性和易用性。下一步将扩大参加试验的田径项目和样本库建设，进一步提高田径伤病风险预警的准确性。

［1］Reza B’Far.移动计算原理——基于UML和XML的移动应用设计与开发［M］.顾国昌，刘海波，李涛等译.北京：电子工业出版社，2006.

［2］钟亚平.信息技术在运动训练中的应用与展望［J］.武汉体育学院学报，2008，42（6）：52-55.

［3］周志鹏，钟亚平.田径高水平运动员运动损伤风险因素的评估与对策分析［J］.中国体育科技，2010，46（5）：3-7.

［4］Sun Microsystem Inc..Java 2Platform，Micro Edition［EB/OL］.［2006-1-12］.http://java.sun.com/j2me/docs/j2me-ds.pdf.