基于AMB系统的数字化冰场数据处理分析系统研究与应用

朱 明，刘贵宝

（黑龙江省体育科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150008）

基于AMB系统的数字化冰场数据处理分析系统研究与应用

朱 明，刘贵宝

（黑龙江省体育科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150008）

摘 要：速度滑冰是一种计时竞速类项目，对速度的控制与分配是决定比赛胜负的关键，而数字化冰场正是了解运动员滑跑速度的有效工具。基于AMB系统基础平台，设计并实现了数字化冰场数据处理分析系统。以张虹和于静500 m比赛为实例，详述了该套系统的功能与具体应用方法，表明分析软件已经完成与AMB系统的无缝结合，并将数字化冰场速度动态特征：各区段速度差异、弯道加速率与直道保持率、高速区滑跑长度、高速区滑跑稳定性、高速区降速量分析与个性化比赛模式研究体系以计算机代码的形式加以整合，在实际应用过程中对教练员和运动员改进训练方法，优化临场指挥提供了有效的科学依据，同时形成了一套相对完善的数字化冰场研究与应用模式，充实了速滑运动员滑行速度数据库，为今后完善数字化冰场研究体系及其他相关研究工作打下了良好的基础。

关键词：速度滑冰；AMB系统；数据处理；系统

1 引言

速度滑冰比赛是在单圈400 m的跑道上进行的，在比赛过程中，高水平选手之间的竞争往往体现在速度的合理调控和分布。选手需要科学地进行体能分配，达到合理的滑行速度，从而在个人能力较为接近的情况下赢得比赛[1]。因此，对速度滑冰滑行速度动态特征的认识与利用，可以很大程度地解决我国速滑项目研究方法的徘徊与停滞，为速滑项目的研究与发展提供新的方向。

2006年都灵冬奥会后，速滑王国荷兰Heerenveen速滑馆建立了世界上第一个数字化冰场(如图1所示)。所谓数字化冰场，即在冰面下铺设若干测速点，可以实时采集运动员在训练、比赛中关键段落的滑行速度信息。该技术能够明显地发现运动员不同阶段速度的变化和差异，可以为运动员在比赛中的技战术和体能分配提供客观依据，具有较好的研究价值和发展潜力[2]。在各方的大力支持下，哈尔滨冰上基地速滑馆数字化冰场在2009年正式建成并投入使用（如图2所示），项目基础建设方案和核心技术均由荷兰引进，基于系统整体建设方案以及数据分析、利用方法的不同，我国数字化冰场仅引进了数据采集设备，相应配套软件需采取自主研发的方式，在数据的利用及分析上也将针对我国运动员的特点，依据速度滑冰国内外最新发展方向，探索新的研究理论和方法。

图1 荷兰Heerenveen速滑馆AMB测速系统测速点分布图Figure 1. Distribution of AMB system's velocity measurementpoints in Holland Heerenveen rink

图2 哈尔滨冰上训练基地AMB测速系统测速点分布图Figure 2. Distribution of AMB system's velocity measurement points in Harbin rink

AMB测速系统是当今世界技术最为可靠、实用的速度滑冰测速系统，系统设计思路清晰，即在速滑馆的冰场跑到下埋设多条感应线，感应线以闭合状铺设，具体设置方式需要根据比赛规则、技战术分析与研究、现场实际情况等多种因素综合后进行。在测试过程中，受测运动员在每只脚上均佩戴一个可以发射信号的芯片(可以称为发射器)，当运动员在感应线上方通过时，感应线即可捕捉到发射器信号，原始发射信号通过控制箱中的解码器形成计算机可以识别的数据信号，数据信号最终通过有线或无线网络传输至计算机终端，计算机控制软件对该数据信号进行一定方式的处理后反馈给用户。

荷兰Heerenveen速滑馆是世界第一个基于AMB测速系统建立的数字化冰场，正式建成于2007 年9月，是世界上唯一得到国际滑联批准的可在比赛中应用测速系统的冰场，该测速冰场采用的是12点测速布局方案。

哈尔滨冰上基地速滑馆是世界第二个基于AMB测速系统建立的数字化冰场，也是我国唯一的数字化冰场，该数字化冰场于2009年9月正式投入使用。根据对原有荷兰测速冰场数据的分析以及对我国速度滑冰项目的实际情况，在设计及应用过程中采取了14点测速方案，该方案主要对直道测速点分布距离以及弯道测速点分布数量和角度进行了重新设定，位于弯道的测速点增加至4个，主要目的在于解决我国运动员外道及衔接技战术能力较差的问题。

图3 系统功能架构图Figure 3. Framework of system function

2 字化冰场数据处理分析系统的研发

数字化冰场速度数据处理系统基于AMB系统硬件平台开发，是一套具有数据采集、数据处理、数据分析功能的集成化软件系统[3]（图3）。该系统依照软件工程的开发原则，采用结构化的设计方法进行开发[4]。系统采用微软的Visual Studio 2008集成平台进行开发，运用C#.net程序设计语言实现前台应用层和业务逻辑层，后台数据采用Microsoft OfficeAccess 2003数据库系统进行存储和管理[5]，其中数据采集功能模块依照AMB测速系统的数据发送规范和数据结构进行开发，数据处理功能模块的实现主要依照国际滑联最新规则、数字化冰场建设参数及原始数据格式进行开发，并且利用已有的滑行速度特征分析方法及个性化比赛模式的研究成果，实现软件的数据分析和结果输出功能，完成滑行速度数据的深度开发和利用。

2.1 实时数据采集模块的设计与开发

该模块主要用于实时采集AMB硬件系统传输的原始信号和数据，并根据数字化冰场实际安装参数自动生成运动员滑行速度数据，再通过图形化方式直观地反映出运动员的实时速度、位置等参数[6]（如图4所示）。该模块提供速滑500 m、1 000 m、1 500 m、3 000 m、5 000 m、10 000 m等全部单项比赛的数据采集处理功能，操作人员仅需选定测试项目和受测运动员BIB编号，系统即可自动采集并处理关联数据。

图4 实时数据采集处理模块Figure 4. Module of real time data acquisition

2.2 后期数据处理模块的设计与开发

该模块主要提供对AMB测速系统已采集的原始数据进行筛选、计算和存储等数据处理功能。受各种实际测试条件的限制，在实时数据采集处理模块无法正常进行的情况下，由后期数据处理模块对AMB系统原始测试数据进行处理。系统通过运动员所携带的发射器编码、测试项目、启动时间等参数对原始数据进行筛选，并将符合条件的数据反馈给用户，在操作人员对自动筛选出的数据进行确认后，软件系统将根据数字化冰场的安装参数自动生成速度和位置数据，并存储在数据库中，相关数据可用于速度特征分析和运动员个人信息库的建立。

2.3 数据分析模块的设计与开发

2.3.1 个体分析

通过个体数据分析模块实现对已生成的运动员个体的速度和方位数据进行图表显示和动态特征分析功能。软件系统根据已存储的速度、位置、距离数据自动生成速度曲线，该模块可以提供500 m、1 000 m、 1 500 m、3 000 m、5 000 m和10 000 m等全部速滑单项的基础速度数据图表显示功能，用户也可对生成图表和分析报告进行Excel导出、图片导出和报表打印等操作[7]。

为满足数据图表分析的实际操作需要，该模块还提供多种自定义选择功能：

1.速度单位视图自定义功能。系统提供m/s和km/h两种速度单位视图显示模式，系统也将根据用户选择设定该数据单位为动态特征分析的计算单位进行相关计算与生成。

2.图表坐标轴自定义功能。操作人员可根据速度数据范围自行设定坐标轴的极值和间隔，也可通过坐标轴重置操作让系统自动设定坐标轴参数。

3.图例自定义功能。提供图表中图例的位置和可见性选择性操作。

4.图表样式自定义功能。提供两种图表显示样式选择性操作。

5.图表类型自定义功能。提供折线图、点线图、柱状图三种图表类型选择性操作。

速度动态特征分析是该系统最重要的功能之一，系统现提供两套分析报告：分析报告一为峰值速度降速率分析、相对速度降速率分析、峰值速度保持率与速度离散度分析、峰值速度保持率与滑跑长度分析；分析报告二为速度差分析、加速功分析、弯道加速率分析、直道保持率分析，总计八种类型的分析图表（图7～14），可以对受测运动员的个体速度动态特征（例如：速度耐力水平、滑跑战术、速度稳定性等）进行综合分析与评价。

2.3.2 群体对比分析

通过群体对比分析模块实现对不同运动员之间的速度数据以及速度动态特征的群体比较与分析功能。用户可自主选择不同的运动员速度数据进行相关对比分析，系统将根据比赛项目、测速点数量、滑行距离等参数进行筛选，对不符合对比分析条件的用户选择进行提示。速度动态特征对比分析是该系统最重要的功能之一，系统提供滑行速度、弯道滑跑特征、滑跑速度百分比分布、速度差、加速功总计五种类型的对比分析图表（图5、6），五种分析指标的生成算法均参照数据分析子模块的代码编写[8]。该模块可以对受测运动员群体或主要对手在比赛全程或关键区域的速度动态特征进行综合比较与分析，帮助运动员找到自身优势和差距，有针对性地进行训练和技战术改进[9]。

3 数字化冰场数据处理分析系统的应用

速滑短距离项目是我国备战冬奥会的重点优势项目之一，自2002年以来，我国在该项目上取得了较好的成绩，涌现了一批世界级的优秀选手，张虹、于静、王北星、于凤桐等是近几年来成绩最为突出的选手。作为我国冬奥会冲金项目，速度滑冰500 m一直是数字化冰场数据分析的重点，因此，数字化冰场数据处理分析系统的内置分析算法也以该项目速度特征分析方法为重要依据。下面以张虹、于静在2010～2011赛季国内速滑联赛哈尔滨站比赛中的滑行速度数据作为软件的分析样本，同时结合两人的技战术特点，简述如何利用该软件系统进行500 m项目的速度动态特征分析与技战术指导。

3.1 分析各区段速度差异

在2010～2011赛季国内速滑联赛哈尔滨站的比赛中，于静在该次比赛中的最好成绩为38秒33，出发道次为外道，张虹在本次比赛中的最好成绩为39秒79，出发道次为外道。由于两人出发道次均为外道，且均为该次比赛最好成绩，对比性强，比较具有研究价值，同时距离2012年冬运会和世锦赛时间为一年时间，可以通过训练方法和技战术方面的改进有效解决存在的问题。

通过500 m项目的速度全程变化情况的分析（图5），可以发现张虹在前373.3 m（第二弯道中段）之前的速度一直落后与于静，两人在该项目的前程滑跑能力差距较为明显，于静的前程速度优势较大，体现了很强的前程加速能力。张虹的峰值速度出现在410 m（直道冲刺处），于静的峰值速度出现在319.9 m（第二直道换道区），相对张虹较早的达到峰值速度。两人均在第一弯道出弯道的速度就达到了峰值速度的98 %，即进入高速滑跑区（本文所指的高速滑跑区，是指达到全程峰值速度98 %以上的滑跑区段，是评价一名运动员在500 m项目上速度耐力水平的重要指标），与荷兰Heerenveen数字化冰场中世界其他优秀选手的滑跑数据特征相似，体现了两人在500 m项目上有较高的竞技能力[10]。于静分别在346.6 m（第二弯道前段）和400 m（第二弯道出弯道）均出现了明显的降速情况，在第二弯道的整体速度均低于换道区速度，显示其在高速滑行状态下的第二弯道内道（小弯道）的速度保持能力存在问题，在后100 m的滑行中于静通过较强的后程直道能力使速度有所提高，并实现了对张虹的速度超越。张虹在前400 m基本未出现明显降速现象，但其在410 m至430 m区段出现了明显降速。

通过于静与张虹各区段速度的速度差的分析，于静在比赛前程的速度差波动要低于张虹，但张虹在后半段的速度差波动好于于静，于静在第二弯道出入弯道处速度差波动较为明显，基本印证了各区段速度的差异分析，表明其第二弯道内道（小弯道）滑跑速度保持能力及直弯道衔接技术需要提高[11]。张虹在比赛后程直道冲刺段出现较大的速度差负向波动，表明其后程冲刺的技战术能力需要提高（图6）。

图5 于静与张虹500 m各区段速度差异对比图（软件截图）Figure 5. Contrast of 500 event speed difference in various sections between YU Jing and ZHANG Hong

图6 于静与张虹500 m速度差对比图（软件截图）Figure 6. Contrast of 500m event speed difference between YU Jing and ZHANG Hong

3.2 弯道加速率与直道保持率分析

第一直道是指第一弯道至第二弯道之间的换道区直道区段；第二直道是指最后100 m直道区段；保持率是衡量速度稳定性的一个指标，加速率是衡量速度变化程度的一个指标。于静的第一弯道加速率为11.36 %，第一直道保持率为99.32 %，第二弯道加速率为-8.72 %，第二直道保持率为65.42 %，张虹的第一弯道加速率为15.20 %，第一直道保持率为100 %，第二弯道加速率为-1.40 %，第二直道保持率为60 %（图7、8）。

从上述数据可以发现，于静的战术表现为前程加速较大，在第一弯道外道（大弯道）时已进入高速滑跑阶段；张虹在此位置仍处于加速阶段，进入高速滑行区较晚，而张虹的第一直道保持率较高，体现了其较好的直道滑跑速度稳定性，这主要与其自身体能好、低频率的蹬冰技术特点有较大联系[12]。两人的第二弯道加速率数值均偏低，其中于静的体现更为明显，更加印证了我国运动员在小弯道滑跑速度保持能力均存在一定不足[13]。与于静相比，张虹的第二直道保持率偏低，表明其后程冲刺区滑跑能力有所不足。

上述分析可以看出两名运动员的技战术特点及其表现出的不同环节处的能力不足。

图7 于静500m弯道加速率与直道保持率曲线图（软件截图）Figure 7. YU Jing's acceleration rate in the curve and conservation rate in the straight in 500m event

3.3 高速滑跑区分析

3.3.1 高速区滑跑长度

滑跑区长度是指达到全程峰值速度一定比例以上的各区段长度总和，对500 m项目世界级优秀选手来说，通常采用达到峰值速度98 %以上区段长度之和进行比较，运动员高速滑跑区长度越长，证明其速度耐力水平越突出。于静滑行峰值速度为14.9 m/s，峰值速度保持率95 %以上的滑跑区段长度达到了328.8 m，97 %以上为287.9 m，98 %以上为154.5 m，99 %以上为144.5 m（图9）。

图9 于静高速区滑跑长度图Figure 9. YU Jing's skating distance in high speed area

张虹滑行峰值速度为14.7 m/s，峰值速度保持率95 %以上的滑跑区段长度达到了349.7 m，97 %以上为222.1 m，98 %以上为36.7 m，99 %以上为10 m（图10）。

图10 张虹高速区滑跑长度图Figure 10. ZHANG Hong's skating distance in high speed area

3.3.2 高速区滑跑稳定性

于静滑行峰值速度为14.9 m/s，峰值速度保持率95 %以上的速度离散度为0.22，97 %以上为0.17，99 %以上为0.08（图11）。

图11 于静高速区滑跑稳定性曲线图Figure 11. YU Jing's skating stability in high speed area

张虹滑行峰值速度为14.7 m/s，峰值速度保持率95 %以上的速度离散度为0.20，97 %以上为0.16，99 %以上接近为0（图12）。

对于张虹峰值速度保持率98 %水平以上的速度而言，于静可以保持的滑跑长度达到了接近155 m，而张虹则为36.7 m，仅为于静高速滑跑长度的24 %，表明于静在500 m项目上高速区滑跑能力更强，速度耐力水平较为突出。以上数据表明，张虹在高速区滑跑的稳定性略好，于静的高速滑跑速度波动性略差。这种速度耐力的稳定性反映了滑跑技战术的速度稳定性原则，即速度变化越大，能量消耗越大，对运动员体能消耗越大，也会不同程度的影响成绩的提高[14]。

图12 张虹高速区滑跑稳定性曲线图Figure 12. ZHANG Hong's skating stability in high speed area

3.3.3 高速区降速量

于静在319.9 m位置附近出现了全程速度峰值14.9 m/s，在400 m位置附近出现了全程最大的峰值速度降速率和相对速度降速率，其中峰值速度降速率达到8.7 %，相对速度降速率达到6.2 %，使400 m位置附近成为全程最大降速点（图13）。

图13 于静500 m高速区降速量图Figure 13. YU Jing's 500m event drop rate in high speed area

张虹在410 m位置附近出现了全程速度峰值14.7 m/s，在430 m位置附近达到最大峰值速度降速率6.1 %，在420 m位置附近出现最大相对速度降速率3.4 %（图14）。

图14 张虹500 m高速区降速量图Figure 14. ZHANG Hong's 500m event drop rate in high speed area

从最大降速率的数据对比我们可以发现，于静在第二弯道的直弯道衔接处的技术处理不当，而张虹则在最后100 m冲刺段中出现最大降速率，说明张虹的后程冲刺能力较低。

3.4 技战术指导

通过数字化冰场数据处理分析软件数据分析模块的输出结果，我们可以清晰地发现两人在技术特点和能力状态的差异。于静在500 m项目的优势较为明显，更多地体现出世界一流选手的速度特征，爆发力较强，能够较快的进入高速滑跑区，达到峰值速度98 %的高速滑跑区较长，但是其后程速度稳定性略差，尤其体现在第二弯道处速度波动较大，有比较明显的降速；而以1 000 m为主项的张虹，其速度稳定性更为突出，速度波动较小，速度离散度低，但是其爆发力略有不足，进入高速滑跑区较晚，个人技术特点在500 m项目上优势不明显。针对两人在500 m项目表现出的特点，提出训练和临场技战术改进建议。

在500 m比赛中需要尽早进入高速滑跑区，第一弯道出弯道速度尽可能接近峰值速度，并尽量维持在高速滑跑状态，延长高速滑跑区长度。注重第二弯道尤其是小弯道的技术训练，减小该区段的速度波动，训练中可通过寻找最佳如弯道点和出弯道路线，反复练习形成良好的动力定型，达到强化小弯道滑跑能力的目的[15]。

500 m比赛距离较短，任何一个环节处理不当都会影响到最终成绩，于静在保持其爆发力好，进入高速滑跑区较快等优点的同时，急需完善其第二弯道的滑跑能力，减小后程速度波动；张虹全程速度波动小，稳定性较好，但需要加强爆发力训练，减少进入高速滑跑区的时间，强化速度耐力训练，延长高速滑跑区长度。

4 结论

速度滑冰是一种计时竞速类项目，对速度的控制与分配是决定比赛胜负的关键，而数字化冰场正是了解运动员滑跑速度的有效工具。硬件的引进只是开始，而对数据的深入发掘才是数字化冰场真正的价值所在。自引进AMB系统以来，我们一直在研究如何更好的发掘其价值。通过多年的探索，我们建立了相对完善的速度滑冰滑跑速度动态特征分析和个性化比赛模式的研究体系，并基于该研究体系及AMB系统硬件接口规范，开发了数字化冰场数据处理分析系统，该系统遵循软件工程结构化方法进行开发，前台程序采用C#.Net 2008程序语言编写，后台数据库采用Access 2003系统，具有数据采集、数据处理、数据分析等功能，使受测对象能够在较短时间内拿到分析报告，为教练员和运动员改进训练方法和临场正确指挥提供有效依据。

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中图分类号：G862.1 G818.3

文献标识码：A

文章编号：1002-3488（2015）01-0001-07

收稿日期：2014-09-27；修回日期：2014-11-17

基金项目：国家科技支撑计划课题（2009BAK57B07）。

第一作者简介：朱明（1982-），男，黑龙江哈尔滨人，助理研究员，研究方向为运动生物力学。

Research and Application of Harbin Digitized Ice Rink Data Analysis System Based on the AMB System

ZU Ming，LIU Gui-bao
（Heilongjiang Research Institute of sports Science，Harbin 150008，china）

Abstract：Speed skating is a sports event of timing racing， the key of competition is how to control and distribute the skating speed， and the digitized rink is effective for understanding the skaters' skating speed. based on AMB system， we deveoped a data analysis system of harbin digitized ice rink. with the example of zhang hong and yu Jing in 500m competition， the paper writes up the system's function and usages. It shows that the analysis software is seamlessly combined with AMB system， and integrates some dynamic characteristics of the skaters' speed in the digitized rink such as the difference of various sections， the acceleration rate in the curve and the conservation rate in the straight， the skating distance and stability in high speed area， the drop rate in high speed area， which applying in the analysis system of competitive individuation mode. In practice， we take shape a relatively perfect mode of research and application of the digitized rink as an effective scientific reference for the coaches and skaters to improve their training methods， to bettering their on-the-spot commands. the system can enrich the speed skaters' speed data base， which establishing a good foundation for improving the research system of digitized rink and other related research in the future.

Key words：speed skating； AMB system； data analysis； system