科技助力冬奥：我国智能化冰场的建立与发展

滕海坤 朱明 严力

摘 要：基于计算机视频捕捉识别技术、多种传感器集成化、无线传输技术以及大数据分析技术，在数字冰场的基础上研发出具有我国知识产权的智能冰场，为国家速滑队和国家短道速滑队备战2022年北京冬奥会提供科技支撑。通过开发、创建完善的智能化冰场应用系统，利用建立起的速滑运动员滑行参数数据库、滑行速度特征分析系统和训练质量控制体系，实时分析运动员的滑行轨迹、瞬时速度、最大速度、即时动作、蹬冰力量、心率等参数，为教练员制定训练方案提供可靠的理论保证，使运动员的训练质量得到有效控制，并保障运动员在北京冬奥会上取得优异的比赛成绩。智能化冰场及相关体系的建立使我国冰雪运动的科研监控和保障能力产生了质的飞越，为今后更深入地开展相关研究工作打下了良好基础。

关键词：数字冰场;智能冰场;滑行速度特征;训练质量控制

中图分类号：G811.212/G862.1     文献标识码：A     文章编号：1002-3488（2022）02-0001-06

Science and Technology Help the Winter Olympics： the Establishment and Development of my Country's Intelligent Ice Rink

TENG Hai-kun1， ZHU Ming1， YAN Li2

（1.Heilongjiang Research Institute of Sports Science， Harbin 150008， China; 2. Sports Science Research Institute of Harbin Sport University， Harbin 150008， China）

Abstract： Based on computer video capture and identification technology， integration of various sensors， wireless transmission technology and big data analysis technology， my country's intelligent ice rink with intellectual property rights has been developed on the basis of digital ice rink. The speed skating team will provide technological support in preparation for the 2022 Beijing Winter Olympics. By developing and creating a complete intelligent ice rink application system， using the establishment of a speed skater's sliding parameter database， a sliding speed characteristic analysis system and a training quality control system， real-time analysis of the athletes' sliding trajectory， real-time speed， maximum speed， real-time action， The parameters such as ice kicking force and heart rate provide a reliable theoretical guarantee for coaches to formulate training plans， so that the quality of athletes' training can be effectively controlled， and athletes can achieve excellent results in the Beijing Winter Olympics. The establishment of intelligent ice rinks and related systems has made a qualitative leap in the scientific research monitoring and support capabilities of ice and snow sports in my country， laying a good foundation for further in-depth related research work in the future.

Key words： digital ice rink; intelligent ice rink; sliding speed characteristics; training quality control

1 引言

速度滑冰是冬奧会的正式比赛项目，一直以来也是我国冬季运动中的优势项目。近年来，国内涌现出张虹、于静、王北星、于凤桐、高亭宇、宁忠岩等多名世界级优秀运动员，其中张虹在索契冬奥会中获得了我国第一枚速度滑冰项目金牌，高亭宇在平昌冬奥会500 m项目中获得一枚铜牌，这也是我国男子选手在冬奥会速度滑冰项目中取得的第一枚奖牌。但是在速度滑冰项目总体发展水平上，我国与荷兰、日本等速滑强国仍有较大差距。如何快速有效地提高我国速度滑冰运动员训练质量以及技战术水平，使我国速度滑冰项目达到较高的水平，是困扰运动员与教练员的首要难题[1]，因为传统的、经验式的训练方法很难在短时间内达到很好的效果。

我国速滑冰场测速系统的研发和应用，为我国速滑运动成绩的提高提供了无限的可能，为教练员制定训练方案提供了可靠的理论保证，使运动员的训练质量得到有效控制。我国速滑冰场测速系统的研发从最初的购买、改进、提升，到最后的自主创新、形成具有自主知识产权的智能化冰场测速系统，经历了一个漫长的过程，广大体育工作者为此付出了艰辛的努力。速度滑冰类似于田径比赛中的竞速项目，运动员在400 m的环形冰面跑道上滑行。比赛中，优秀速滑运动员之间的比拼主要是滑行速度的合理调配与技战术的恰当使用，运动员要根据比赛中的具体情况，对体能进行科学合理的安排，使滑行速度保持在一个合理的区间，充分利用好体能，从而在彼此能力相差不大的情况下战胜对手、赢得比赛[2]。因此，针对速滑运动员速度动态特征进行研究，建立和完善训练质量控制体系，可以很大程度地解决我国速度滑冰项目研究方法上的徘徊与停滞。通过创新思路，开辟新的科研理念[3]，为速度滑冰项目的研究与发展提供新的方向。

2 速滑测速冰场的设计思路

2.1 荷兰“数字化冰场”借鉴

荷兰将Heerenveen冰场建成了世界上第一个具有测速功能系统的冰场，也称之为“数字化冰场”，即在设定的位置，于浇冰之前进行感应装置的铺设与固定。感应装置与跑道垂直并贯穿内外道，称为测速点，通过这些设定的测速点，可对速滑運动员比赛、训练中实时的滑行速度等参数进行采集，了解速滑运动员在不同段落的滑行情况[4]。通过与荷兰该冰场相关测速专家的交流，我们获得了我国参赛队员及主要对手的比赛部分段落的速度信息。该技术信息明确了我国运动员在比赛中各段落速度的变化、存在的问题以及与对手的差异，对我国速度滑冰运动员在今后的比赛中如何更好地运用技战术和对体能进行更合理有效的分配都具有很大的帮助，值得我国体育工作者深入研究和探讨。

在与荷兰专家的交流中，我们对荷兰Heerenveen冰场有了进一步的了解。2006年都灵冬奥会后，速滑王国荷兰Heerenveen测速冰场于2007年9月正式建成，它是世界上第一个根据AMB计时测速系统进行研发而建立的、测量速度滑冰运动员滑行速度的冰场，得到了国际滑联的认可，可以在比赛中使用，对参赛运动员进行滑行速度的测量。该冰场设定了12个测速点[5]（图1），能够采集运动员在比赛全程中不同区段的滑行速度数据，可以用于分析评价运动员的技战术能力和对体能分配的运用。

2.2 多种测速系统的冰场建设方案的优化

研究显示国内外现有多种测速系统的冰场建设方案，采用的技术也各有不同，但与AMB计时测速系统相比，均存在技术过于复杂、适用性差等问题。其中主要影响在于对运动员的负担较大，干扰运动员在比赛中的正常发挥，并且受限于国际滑联的规则和裁判要求，无法在高水平赛事中使用，通常仅用于学术理论研究。AMB计时测速系统的开发基于符合国际滑联要求的计时裁判系统，完全符合国际和国内赛事要求，参赛运动员仅需在脚踝或附近区域佩戴2个质量为50 g的发射器。该发射器具有重量轻、体积小的特点，对运动员在比赛中的各种动作不会造成影响，也不会对其产生心理或生理上的干扰。在近几年的国内外重大赛事（例如世界杯、世锦赛、国内联赛）中，均得到了参赛运动员、教练员、裁判员及技术官员的认可。由于该套系统可以在国内外最高水平比赛中使用，受测运动员的能力、状态及发挥均属于较高水准，从而使采集到的测试数据具有较高的分析和利用价值。

美国MJP训练中心主任Mark Pryer博士指出[6]：数据是计划的依据，测试是训练的基础。荷兰之行，使我们对速滑运动员科学研究的方法有了新的认识，在对购买的相关速度数据资料进行研究与分析之后，我们认为通过对数字化冰场的引进，可以使我们掌握速度滑冰比赛中运动员滑行速度的精确数据，为我们通过速度特征分析指导速滑专项训练、比赛决策、战术选择、技术优化等提供有力工具。

2.3 我国速滑测速冰场的设计方案

2.3.1 测速点的设置

在国家体育总局冬季项目管理中心和黑龙江省体育局的大力支持下，我国第一个数字化冰场于2009年在哈尔滨冰上基地速滑馆正式建成并投入使用。数字化冰场项目建设规划和技术要求由荷兰Heerenveen冰场提供，在此基础上根据我国速度滑冰项目发展的特点和要求，在冰场整体建设规划以及运动员滑行数据的采集、分析、利用等方面进行了改进和完善，只对其数据采集的相关设备进行了引进，而对相关的分析、利用等系统及器材则开展自主研发。通过对采集的速度数据进行研究分析后，结合我国速度滑冰项目发展的特点，我们发现速滑运动员滑行速度特征可作为判断运动员的直线、弯道及其衔接技术优劣的科学依据。该冰场是世界上第二个测速冰场，也是我国唯一的数字化测速冰场，核心技术基于AMB计时测速系统。通过对荷兰Heerenveen数字化冰场购买的我国运动员滑行速度数据进行研究，结合目前我国速度滑冰发展的现状，我们对测速点的设置和分布进行了改进：共设置了14个测速点（图2）。对直道测速点的位置、测速点之间的距离进行了调整;在弯道上增加了2个测速点，由2个测速点增加到4个，每个测速点的位置都与原来不同，并重新进行了设定。这样的调整有利于发现我国速滑运动员直道滑行、弯道加速、进出弯道衔接、技战术安排等方面存在的问题。

该项目的基础研究数据来源于AMB计时测速系统的数据采集，该系统设计合理、可靠、安全、实用，采用目前世界上最先进的异频雷达测速技术，即在滑冰馆浇冰之前进行感应装置的铺设与固定。感应装置与跑道垂直并贯穿内外道，以闭合状态存在，整个安装过程要在不违反比赛规则、综合考虑多种因素后，再根据设计方案进行。进行测试时，被测运动员要求在每条腿上各佩戴1个发射器，在冰上滑行通过感应装置时，感应装置就可收到发射器的信号。这些接收到的信号通过系统中的解码程序转变成运动员滑行数据参数，再通过计算机控制的存储分析软件，对数据参数进行存储、整理、分析，最后将分析结果传输到计算机终端并反馈给教练员和运动员。

2.3.2  速度数据处理分析系统的基础功能架构

根据我国速度滑冰项目发展的特点和要求，冰场在整体建设规划以及运动员滑行数据的采集、分析、利用等方面进行了改进。在速度数据处理分析系统设计的过程中，通过前期对国外引进的速度数据的分析，科研人员基本掌握了AMB测速系统的原理及原始数据的手工化处理分析方法。在引进了AMB测速系统平台后，我们对该系统进行了详细的研究，并通过在训练和比赛中的使用，基本摸清了该系统的工作方式、建设步骤、数据采集及处理方式，确立了速度数据处理分析系统的基础功能架构（图3）。

2.3.3 强化实效性功能

通过在比赛和训练中的测试与应用，根据发现的问题和教练员、运动员的实际需求，科研人员对该系统的结构和功能进行了一定程度的改进。

2.3.3.1 增加实时数据采集处理功能

为了可以实时地对运动员经过测速点时传输的信号进行采集，科研人员对系统增加了实时数据采集处理功能。该功能根据系统设定的程序，结合比赛或训练现场的实际情况，自动生成相关数据参数。并可根据用户需要，通过文字、图形、表格的方式，向操作人员显示出受测对象的速度、位置、距离等情况，有效地解决了原有系统对海量数据处理能力不足的缺点。

2.3.3.2 改进原始数据采集处理功能

通过对软件代码的优化，科研人员对系统的原始数据采集处理功能进行了改进，使该系统可以在数字化冰场任一或若干测速点参数丢失等多种异常情况下进行数据的自动计算和处理，提高了系统的稳定性和可靠性。

2.3.3.3 增加速度动态特征个体分析与群体比较功能

通过长时间以来基于速度信息的对比赛速度动态特征的研究与分析方法的逐步完善，科研人员开发了速度动态特征分析功能。该功能可自动生成受测运动员的速度动态特征分析报告，并且可以在不同运动员或主要对手中进行群体比较，报告主要采用图表的形式显示。通过对系统生成的报告进行综合分析，可以对运动员改进训练方法和个性化比赛模式提供全面准确的依据。

速滑数据分析系统依照软件工程的开发原则，采用结构化的设计方法[7]，是一套具有数据采集、数据处理、数据分析及结果输出等功能的集成化软件系统[8]。其中，数据采集功能是参考AMB计时测速系統，来对运动员经过测速点时信号的发送与传输进行研究和设计;数据处理功能是按照国际滑联的要求，根据冰场建设方案以及运动员的原始数据信息格式进行研究和开发;数据分析及结果输出功能是对已有自主研发的速滑运动员速度分析软件进行升级，形成具有个体分析和群体对比功能的数据分析系统，并通过文字、图标、表格等方式对结果进行输出[9]，实现对运动员滑行数据的进一步开发和利用。

3 数字化冰场在训练和比赛中的应用与改进

3.1 早期的应用

我国数字化冰场建成后，先后在2011～2013年的全国速滑联赛、黑龙江省测验赛以及日常训练中进行过应用，对包括于静、于凤桐、王霏、张虹、张忠奇等在内的国家队及国内优秀运动员进行了数据采集及速度特征分析，并将分析成果反馈给教练员和运动员，为其改进训练方法和技战术决策提供科学依据。在第22届索契冬奥会上，张虹在1 000 m速度滑冰比赛中滑出了她个人平原冰场的最好成绩，以1 min 14 s 02的成绩创造了索契冰场场地纪录，并获得了冬奥会速度滑冰女子1 000 m项目的冠军，为中国速滑实现等待了34年的梦想，取得了中国在冬奥会速滑历史上的首枚金牌。

3.2 技术改进

随着数字化冰场在训练和比赛中的广泛使用，来数字冰场进行运动员滑行速度数据采集及对滑行速度数据特征进行个体分析和群体对比成为一种界内时尚。广大教练员和运动员认为这些数据分析结果对于制定训练计划、指导训练、保证训练的质量具有重要的价值，同时根据训练中遇到的一些实际问题，也想要了解更多的运动员在比赛和训练中的各种参数（如实时速度、最大速度、峰值速度持续时间、即时动作等）。对2022年北京冬奥会的备战紧锣密鼓，如何使所获数据更加全面、客观、精准地反映出运动员在比赛中的状况，如何快速有效地提高我国速滑运动员训练质量以及技战术水平，使我国速滑项目达到较高的水平，是困扰运动员、教练员和科研人员的首要任务。根据国家体育总局局长苟仲文同志提出的“实施科技助力冬奥，尤其是重视大数据等先进技术的应用”要求[10]，随着计算机视频捕捉识别技术、多种传感器集成化、无线传输技术以及大数据分析技术的成熟，使建设一个全新的、智能化的测速冰场成为可能。

新的测速冰场的设计理念是基于非接触与接触式数据采集相结合，且以非接触式数据采集为主，采用目前最先进的计算机视频捕捉识别、传感器集成化、无线数据传输以及大数据处理分析等技术来建设，同时赋予其自我学习和完善的功能，我们将其称为“智能速滑冰场”。智能速滑冰场项目依托于黑龙江省冰上训练基地速滑馆和短道速滑馆进行建设，系统主要由非接触式运动员定位测速系统和技术动作捕捉系统、接触式动力学与运动生理采集系统、无线数据传输系统、数据处理中心以及大数据分析系统等组成，可以对速滑场地中每名运动员的各种运动数据（如滑行速度、实时位置、滑行轨迹、滑行姿势、蹬冰力量、频率、心率等）进行实时同步的采集、处理与存储。同时，利用内置的大数据分析系统对所监测的多维全息数据进行分析，最后通过可移动智能终端将监控数据与综合分析结果进行反馈，使教练员和运动员能够通过量化的反馈结果掌握自身以及对手训练或比赛的实际状态，辅助他们对训练的质量进行精确控制，为冬奥选手及时、准确地把握训练的方向与比赛的策略提供科学依据。

国际标准速滑赛道长400 m，分为外道、内道和训练道，每2人为1组进行比赛。每滑1圈到达换道区时，内道起跑的运动员须换到外道滑行，而外道运动员则须换到内道滑行[11]。根据速滑项目实际场地特点与项目规则，智能速滑冰场进行了以下主要功能的改进：

1. 基于非接触式传感器系统，能够实时监控场地中进行比赛的每名运动员的运动学参数，包括运动员的滑行速度、加速度、位置、轨迹、区段滑行时间等信息，主要通过基于图像的多运动目标跟踪、模式识别等技术方法来实现。

2. 基于非接触式传感器系统，能够实时监控场地中进行比赛的每名运动员的滑行技术参数，包括基于运动生物力学研究的三维空间位置、线速度、角速度、位移等基础数据，以及蹬冰步幅、步频、步长、蹬伸角度、蹲屈角度等专项技术信息，并通过AR技术模拟还原运动员任意时刻的动作姿态[12]。

3. 基于接触式传感器系统，能够实时监控进行比赛的每名运动员的动力学参数，主要为运动员的蹬冰力量、足底动态压力分布等信息。

4. 基于接触式传感器系统，能够实时监控进行训练或比赛的每名运动员滑行过程中的生理学信息，主要为运动员的心率、最大心率等信息。

5. 系统中全部接触式传感器均采用无线传输的方式进行通讯，通讯距离满足标准室内速滑场任意两点间的传输，同时采用低功耗网络来满足系统整体安全、稳定的传输需要。

6. 提供时间戳功能，使系统具备多模态实时监控数据同步功能。

7. 提供综合化管理软件系统，可以实时监测智能速滑冰场的全息信息，同时提供数据管理与分析功能，确保系统具有清晰简洁的界面和良好的人机交互体验。

8. 提供可移动终端实时反馈功能，使系统终端用户通过智能手机、平板电脑、笔记本电脑等设备随时对系统进行访问，系统整体反馈延时不超过1 s。

9. 提供大数据分析软件系统，可以对智能速滑冰场全息运动参数（多模态数据信息）进行大数据分析，提供高水平运动员理想滑行效果的必要条件，为教练员和运动员优化技术、调整训练方向提供科学依据。

智能速滑冰场系统的构成包括成像设备安装机构及控制器、成像设备阵列、动作捕捉成像装置、成像设备控制装置、多通道图像采集装置、数据处理分析设备以及在其上运行的软件系统。智能速滑冰场系统结构，见图4。

3.3 改进后的应用

速度滑冰项目中，速度的快慢是胜负的决定性因素[13]，在比赛中主要涉及运动员的技术、体能及战术三方面素质，运动员在比赛时的滑行速度特征是其个人能力的体现。通过科技手段的介入进行训练质量控制，是体育强国普遍采用的有效方式，智能速滑冰场是实现冰上运动训练质量控制的重要手段。只有借助精准量化的训练质量控制，才能制定科学的训练方法、进行有针对性的强化训练，从而提高速度滑冰项目的训练和比赛成绩[14]。2017～2018年黑龙江省体育科学研究所在黑龙江省体育局的大力支持下，对黑龙江省速滑馆和短道速滑馆进行了升级改造。在共建单位的协助支持下，于2年的时间内，完成了速度滑冰智能冰场、短道速滑智能冰场的建设任务，实现了从“数字冰场”向“智能冰场”的转型。智能冰场不需要运动员穿戴任何的设备和装置，只要运动员在冰场进行训练和比赛，就能采集到其相关的运动学参数和滑行技术动作参数。智能冰场的数据参数较数字冰场的数据参数更加全面和准确，更能客观、全面、准确地反映运动员速度滑行特征和訓练质量，使速滑速度特征分析体系更加完善。智能冰场实时动态图像和相关分析数据可在终端显示屏呈现，教练员通过显示屏可以清楚地看到运动员实时的比赛和训练情况，同时我们所关注的运动员的滑行速度、加速度、滑行距离、运动轨迹、实时位置、单圈时间等参数也可以同步显示（图5）。

根据智能冰场对运动员日常训练情况的监控及对所采集的运动员数据参数的整理和分析，科研人员将整理和分析的结果反馈给教练员，使其及时了解运动员每日训练计划的完成情况，并对运动员的训练强度、训练量及训练内容进行合理的、个性化的调整，从而保证训练质量[15]。通过智能冰场升级改造的数据分析系统，能对每名运动员训练比赛中的运动参数进行个性化分析，并进行纵向对比。再结合运动员自身的技术特点，有针对性地制定训练计划，以智能冰场测试分析数据为依据，设定运动员训练应达到的目标。使我国速滑运动队科学化训练成为常态是智能冰场的主要功能。智能冰场曾在2020～2021年全国速滑冠军赛、2019年上海短道速滑世界杯、2021年首都体育馆短道速滑世界杯等国内外重要赛事上大显身手，为我国备战2022年冬奥会的高亭宇、宁忠岩、李奇石、武大靖、任子威、范可欣等运动员进行过数据采集和分析。通过滑行速度特征分析系统的分析并与国外对手进行比较，提出了相对应的训练方法和策略，为我国运动员有针对性地进行训练、弥补不足、调整技战术、尽快提高运动成绩提供了科学依据。

4 结语

自2009年从荷兰购进相关技术，建成我国第一个高科技速滑测速冰场——数字冰场以来，到2018年速度滑冰、短道速滑智能冰场的建成，科研人员付出了艰辛的努力。速滑智能测速冰场的建立，使运动员滑行速度特征更加鲜明，滑行速度特征分析系统更加完善，通过对滑行速度特征的分析研究，可以发现每名运动员的优势与不足。由于每名运动员的自身情况不同，其训练方法和技战术策略就需要因人而异，而个性化的速度特征分析恰好可以为解决上述问题提供量化依据。个性化速度特征分析体系的建立，为各项目竞技比赛与体能战术决策提供了参考依据，并为训练质量监控体系的研究提供了理论基础。结合我国优秀运动员实际情况建立的智能化冰场研究与应用系统，进一步完善了速滑运动员滑行速度数据库。通过速滑运动员滑行速度特征分析系统和训练质量控制体系，能够完善速度调控能力训练的手段和方法，为我国速度滑冰比赛技战术决策提供科学依据，为今后更深入地开展相关研究打下良好基础。

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