运动学指标与竞走成绩的关系：基于灰色理论的研究

文世林，白广娜，李建臣

（首都体育学院体育教育训练学院，北京 100191）

运动训练学

运动学指标与竞走成绩的关系：基于灰色理论的研究

文世林，白广娜，李建臣

（首都体育学院体育教育训练学院，北京 100191）

现有文献表明不同类型运动学指标与竞走技术的关联度存在差异，但运动学指标与竞走成绩的关联度并不是很清楚，因此，探讨二者的关系有一定的理论和现实意义。以第12届全国运动会男子20km竞走比赛前8名运动员为研究样本，通过三维摄影和图像解析的方法获取9个运动学指标，并应用灰色关联理论对上述9个指标与竞走成绩的关联度进行了分析。结果显示，灰色关联度（r值）的排序为：腾空时间（0.8063）＞前摆髋速度（0.7439）＞重心垂直位移（0.6988）＞支撑时间（0.6809）＞步长（0.6710）＞髋起伏（0.6497）＞垂直膝角（0.6378）＞后摆髋速度（0.6153）＞垂摆髋速度（0.5642）。结论：运动学指标与竞走成绩之间存在一定的关联度，并且各运动学指标与竞走成绩关联系数不同；在竞走运动学指标的选择上，重点选择能反映竞走技术和竞走成绩的内在关系的指标，例如，动作质量相关的指标；竞走技术训练应重点关注与动作质量相关的训练，其次关注与行走效率和速度发展相关的训练。

竞走成绩；灰色理论；三维摄影法；运动学指标

竞走规则的变化会引起竞走技术特征和技术风格的改变，同时也会让技术诊断过程中运动学指标的使用发生变化。20世纪90年代国际田径联合会对竞走技术的规定如下：“每步中后脚离地之前，前脚必须与地面保持接触”，且“支撑腿在垂直部位时至少有一瞬间必须是伸直的”[1]，并且要求竞走过程中不能出现肉眼可见的“腾空动作”。由于肉眼无法辨认腾空动作，这就为使用高速摄影技术评判腾空动作提供了契机。早在1994年，我国学者[2]采用高速摄影和图像处理法对我国参加第25届奥运会的3名女子竞走运动员的竞走技术进行了分析。研究中首次将“腾空动作”划分为3种时限阶段，即合理时限（50ms以下）、模糊时限（60～70ms）和犯规时限（80ms以上），并对裁判判罚“曲腿技术”时180°膝角所出现的时长进行了计算。随后，高速摄影和影片解析法逐渐应用到了竞走技术的诊断和分析中，例如，李淑芳等人对多名优秀运动员比赛过程中的技术进行了研究，并且使用了多种运动学指标，如步长、步频、单步腾空时间和垂直位移[3-4]、身体重心、前脚着地形成的脚掌仰角及支撑腿在垂直部位时形成的膝角[5]、躯干前俯角、身体重心起伏[6]等。

1996年国际田径联合会修改了竞走技术规则（简称“新规”），要求：前腿在触地瞬间必须伸直（即膝部不得弯曲）直至垂直面。随后，我国学者对“新规”之后的技术变化进行了一系列研究。有研究对一直所沿用的“双支撑时相”提出了质疑，认为在高速摄影机的辨认之下该时相是不存在的，因为运动员都有用肉眼辩别不清的程度不同的腾空现象[7]。可见，腾空动作不可避免，如何降低竞走过程的腾空时间才是训练实践过程中教练员以及研究者应关注的焦点。有人指出，腾空时间的长短是衡量竞走技术水平的关键，也是裁判员判罚的核心点，并用灰色系统理论对24项运动学指标进行了分析，结果显示与腾空时间关联度较大的6项指标为：左腿着地角、支撑腿离地瞬间踝角、右腿着地角、复步步频、最小位移速度和左腿摆动时最小膝角[8]。有研究提出，“腾空时间”长短及“身体重心上下起伏距离”是判断技术犯规的重要技术指标[9]。另有人对参加第17届世界杯竞走比赛和第8届全国运动会（以下简称全运会）的28名运动员进行了运动学分析，并计算出我国运动员竞走技术中腾空犯规的临界值为55ms[10]。

在关注腾空时间的同时，竞走步幅或步长也是研究者关注的重点之一。有研究认为，“提高竞走运动员的步幅，加大髋关节前后移动距离”才是合理的竞走技术，并建议运动员应加大骨盆围绕垂直轴向前移动的幅度，这样可增加水平速度[11]。有人归纳了女子10km、男子20km和男子50km3个项目的技术特点，提出了符合“新规”的当今世界竞走技术的10个特征，其中重要的特征之一是“运动员技术趋于稳定，步长的适宜和步频较高，步长与步频的比值控制在0.55～0.56”[12]。有人对国际田径联合会竞走定义的修订所产生的影响进行了分析，认为“新规”实施后“高速走”仍是竞走技术未来的发展方向[13]。有研究则认为，“新规”会让竞走训练的重点向“脚尖翘起脚跟先触地、膝关节伸直的直腿着地技术动作”转移，使技术向“保持合理的步频，适当增大步长”[14]方向发展。另有研究认为，“新规”的实施对我国竞走运动员的技术造成了巨大冲击，“小步幅、高步频”的技术风格遇到挑战，并对2003年全国竞走冠军赛女子10km比赛的前8名运动员的髋关节运动技术进行分析，发现了运动员髋关节运动技术环节存在的问题[15]。可见，规则的改变对我国运动员的竞走技术特征和技术风格产生了一定的影响，也引发了研究者对运动学指标与技术风格的激励争辩。

有人认为，中国竞走技术从“小步幅、快步频”平动技术风格和垂直转动技术风格，逐渐向“大步长、腾空短”的“复合钟摆运动”三维转动技术风格转变[16]；也有研究提出了“划船式技术”[17]。有研究指出，中国竞走运动员因受身体条件制约，其技术应继续发扬和保持“高步频”的特点，发展的侧重点是适度增加步长[18]；也有人认为，“小步幅、快步频”仍是运动员保持连续长时间高速度快走来确保比赛获胜的关键[19]。有研究则认为，在重视竞走技术训练的基础上，加强专项能力的训练是夺取奖牌的保证[20]。

随着竞走技术特征和技术风格的变化，近年来运动学分析的指标类型越来越多样化，例如，单步腾空时间、单腿支撑时间、重心垂直位移、头顶垂直位移、支撑腿膝角、支撑腿膝角达180°的时间、足跟触地与重心垂面距离、两腿夹角[21]、膝角、重心垂直位移、头顶位置上下起伏、躯干倾角[22]、步长、步频、足触地角度[23]、头部平均速度、膝关节直腿时间、左右臂和左右大腿水平摆动幅度[24]、髋起伏、髋部运动速度[16]等。上述运动学指标，大致表现出3个特点，据此归为3类：第1类，与行走速度相关的指标，例如，身体重心速度、髋关节速度等；第2类，与行走效果相关的指标，例如，步长、步频等；第3类，与动作质量相关的指标，例如，腾空时间、重心垂直位移、躯干倾角等。

综上所述，运动学指标受竞走规则变化的影响，与运动员技术风格有关，并且能有效评价竞走技术，可见运动学指标与竞走技术关系密切。如果说竞走技术是影响运动员竞技能力和运动成绩的重要因素之一，那么，运动学指标与运动成绩之间又存在什么样的关系呢？因此，研究提出如下假设：假设1，竞走运动学指标与竞走成绩存在相关关系；假设2，各运动学指标与竞走成绩的关联度存在差异。基于上述研究假设，研究通过三维运动学方法测量优秀运动员竞赛过程中部分运动学指标，并且运用灰色相关理论分析其与竞走成绩的关系。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象以灰色理论背景下运动学指标与竞走成绩的关系为研究对象。以第12届全国运动会（2013年5月）男子20km竞走比赛前8名运动员的成绩为研究样本，8名运动员的基本情况见表1。

表1 第12届全国运动会前8名运动员的基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法通过中国知网期刊数据库以关键词“竞走”检索出175篇核心期刊论文，遴选其中与竞走技术和运动学分析有关的论文40余篇进行文献分析，总结和述评：竞走规则变化与运动学指标的关系、竞走规则与竞走技术的关系，以及运动学指标发展和分类。在此基础上提出研究的问题和假设。

1.2.2 三维运动学方法

1.2.2.1 三维现场定点拍摄 使用2台星高钛HS高速摄像采集系统（图1-A）对沈阳举办的第12届全运会男子20km竞走比赛现场进行拍摄。根据公路赛场地特点，将1号摄像机置于公路一侧便道上，2号摄像机放置于公路场地的拐弯处（图1-D），2台高速录像机机高1.1m，主光轴成900，符合600＜拍摄夹角＜1200的要求，拍摄频率为100Hz，拍摄距离为10m。比赛前，对数字三维标定框架(图1-B)进行拍摄；比赛过程中，对运动员的竞走技术进行近景定点拍摄，记录了前8名运动员的比赛信息；比赛后，对数字框架进行第2次拍摄，目的是对竞走动作范围进行进一步精确标定。数字三维标定框架采用x、y、z直角坐标，其中x、y轴组成的是水平空间，z轴是三维立体空间，3轴互相垂直；y轴是运动员前进的方向，x轴是左右的方向。

图1 运动学分析的构成要素

1.2.2.2 运动录像解析 使用星高钛-威德（Signal TEC Video）录像分析软件对采集的录像进行解析处理和分析。1）对比赛图像以及数字框架进行前期的甄选、截取后输入分析系统，设定好所需的系统参数，对每一帧图片打点；2）用21点俄罗斯扎齐奥尔斯基人体模型（有重心）和3点地面标志点进行手工标记（图1-C），并用低通数字滤波法(滤波截断频率为8赫兹)对得出的数据进行平滑处理；3）根据研究需要导出运动学的相关指标及直观图像。

2 结 果

2.1 竞走技术的运动学指标通过对参加第12届全运会20km竞走比赛前8名运动员比赛现场的技术进行三维解析，得到表2所示的9项运动学指标。

2.2 竞走成绩与竞赛过程中运动学指标的灰色关联度根据运动学分析结果（见表2），进一步对上述9类指标与20km竞走成绩进行灰色关联度计算。根据公式1将成绩和各运动学指标去量纲化，得到竞走9个运动学变量（X1-X9）和总分（X0）的去量纲化数列（表3）。

表2 参加第12届全运会20km竞走比赛前8名运动员的运动学指标

表3 竞走成绩和运动学指标的去量纲化数列

表4 参考数列与每个比较数列的差值绝对值

表5 每个比较数列的关联系数数列

3 分 析

3.1 采取灰色理论分析运动学指标与运动成绩的可行性我国第12届全运会的前8名运动员包括2名国际健将（其中王镇、蔡泽林获得了2012年伦敦奥运会的第3、第4名）、2名健将和4名一级运动员，并且本次比赛的成绩均值为5017.9±158.7s（约为1：23：23），所选研究样本代表了我国优秀竞走运动员的整体水平。另外，研究所应用的三维运动学分析系统是当今主流的生物力学技术之一。因此，研究所获得的运动学指标也能有效地反映现阶段我国竞走技术的整体特征。

灰色关联度分析法的基本原理是在于对2个系统之间随时间或不同对象而发生变化的因素间关联性大小的量度，适合小样本量的研究。如果在系统发展和变化的过程中，2因素间的变化具有一致性趋势，说明二者之间的同步变化程度较高，也说明二者具有较高的关联程度，亦称“灰色关联度”[26]。灰色关联理论旨在对各子系统的发展变化态势进行量化，进一步揭示各子系统与参考变量的数值关系。研究中，由于竞走技术中各运动学指标所代表的运动学意义不同，并且各数据的量纲也存在差异，例如，步长的单位是米（m），重心垂直位移、髋起伏的单位为厘米（cm），髋后摆速度、髋垂摆速度、髋前摆速度的单位为米每秒（m/s），垂直膝角的单位为角度（度）；另外，腾空时间、着地时间的单位为毫秒（ms），因此，在计算过程中，需要对参考数列和比较数列进行无量纲化处理。此外，在处理与竞走成绩相关的各子系统的灰色关联度时，除了计算因素间的关联程度大小之外，还要用关联度的大小次序进行描述。研究所得到的数据矩阵是与竞走成绩相关的若干个按大小顺序排列起来的“关联序”，可反映各运动学指标与竞走成绩相关的“优劣”等级。可见，用灰色关联理论来分析竞走成绩与各运动学指标的关系符合方法学的原理。那么，各运动学指标与竞走成绩的内在联系是什么？

3.2 运动学指标与竞走成绩的内在联系在“腾空时间”与24项运动学指标的灰色关联度研究中，部分指标之所以与腾空时间的关联度高是因为它们代表了运动员的着地技术、后蹬技术、步频、摆动时脚离地高度[8]。虽然，上述研究没有交代灰色相关分析的细节信息，例如，参考数列、子数列（除了公布的6项运动学指标，没有显示余下的18项的信息）、去量纲的方法等，但它说明了如下问题：不同类型的运动学指标代表了不同的技术特征，在灰色关联度的分析中各子数列与参考数列的关系代表了运动学参数与竞走技术变量（例如，腾空时间等）的内在联系。基于此，研究对事先所遴选的9项运动学指标进行了初步归类：1）与速度相关的指标：前摆髋速度、后摆髋速度、垂摆髋速度；2）与行走效果相关的指标：支撑时间、步长、髋起伏；3）与动作质量相关的指标：腾空时间、重心垂直位移、垂直膝角。从研究结果来看：速度相关的指标的“关联序”是第2、8和9位；行走效果相关的指标是第4、5和6位；动作质量的指标排序第1、3和7位。因此，从“关联序”r值的均值来看，动作质量相关的指标与竞走成绩的关联度最大，其次才是行走效果和速度相关的指标。那么，动作质量相关的指标（例如，腾空时间、重心垂直位移、垂直膝角）与竞走成绩的关联度高又说明什么问题？

有研究表明，“腾空时间”和“身体重心上下起伏距离”（即重心垂直位移）二者相互关联，身体重心上下起伏距离越大，腾空时间越长，且二者能有效反映竞争技术的经济性，也是判定技术犯规的重要内在指标[9]。这就说明上文中的“重要内在指标”进一步佐证了研究中“动作质量相关指标”与竞走成绩关联度最高的结论。另有研究表明，髋关节的速度增加代表前摆时摆动腿一侧送髋技术，这一技术加大了脚前伸的距离，有利于获得更大的步幅[27]，这也说明前摆髋速度对加大步长，创造良好的竞走成绩有重要意义，这也可能是研究结果中前摆髋速度（与速度相关的指标）处于“关联序”第3位的原因之一。综上可知，通过对腾空时间、重心垂直位移、前摆髋速度等排在关联序前3位的指标与竞走成绩的内在联系进行佐证，说明应用灰色关联理论来判别运动学指标与竞走成绩的内在关系有一定的理论依据。

3.3 研究的不足之处在灰色关联度分析中，参考数列是竞走的成绩，即一组以时间为单位的数列，其9个子序列与竞走成绩的正负相关程度很难确定，比如，子序列中髋起伏、垂直膝角、重心垂直位移等数值越大竞走成绩越好，也可能相反。因此，在去量纲化过程中，研究直接采用“均值化”处理的方法，即子序列中每个数值除去该序列的平均数[26]，其中“髋速度”一类的指标可能与竞走成绩（时间）负相关，即速度越大，运动员所用的时间就越少，但研究未能通过多种去量纲化方法来处理该类指标对关联系数的影响。

4 结 论

运动学指标与竞走成绩之间存在一定的关联度，并且各运动学指标与竞走成绩关联系数不同。在竞走运动学指标的选择上，研究者应优先考虑能反映竞走技术和竞走成绩的内在关系的指标，例如，动作质量相关的指标。竞走技术训练应重点关注与动作质量相关的训练，其次是与行走效率和速度发展相关的训练。

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Correlation between Kinematics Index and Race Walking Performance: Based on Grey Correlation Theory

WEN Shi-lin， BAI Guang-na， LI Jian-chen

(College of Physical Education， Capital University of Physical Education and Sports， Beijing 100191， China）

Along with the changes in the rules of race walking and the progress of the three-dimensional high speed photography and analytical technology, kinematics indexes related to the race walking technology were gradually diversified. But the intrinsic relationships between kinematic indicators and walking performance are not very clear. Therefore, to explore the kinematics index and walking performance correlation is certain necessity. Taking the top 8 of the men's 20 km race walking as participants, and 9 kinematics indexes were collected by the image analytical method, and correlation to the nine indicators and walking performance were analyzed by the theory of grey correlation theory. Conclusions: The order of the grey correlation coefficient (r value) of kinematics index and walking performance were: fly time(0.8063)＞center gravity vertical displacement(0.7439) ＞ front pendulum hip speed(0.6988) ＞ support time (0.6809)＞ stride length (0.6710)＞ hip fluctuation (0.6497)＞ vertical knee angle (0.6378)＞ vertical pendulum hip speed(0.6153) ＞ back pendulum hip speed(0.5642). The results showed that the training points of the race walking should be given priority to movement quality and technical stability; the selection of the kinematics index should not just be diversification, but these indicators can systematically explain the intrinsic relationships between the technology and the race walking performance.

race walking performance; grey correlation theory; three-dimensional tomography; kinematics index

G821

A

1004 - 7662(2016 )09- 0057- 06

2016-08-15

文世林，讲师，博士，研究方向：田径运动理论与实践。