身体素质训练监控系统的研发

刘 挺，郝霖霖

《体育强国建设纲要》强调要利用科技创新助力竞技体育综合实力提升，推进全民健身智慧化快速发展，激活体育产业发展主体活力[1]。身体素质训练监控系统是一款智能化的身体素质训练监控系统，其面向训练队、学校体育以及广大健身爱好者，利用计算机技术的数据处理、储存能力，实现个人或团队的身体素质数据的快速处理和信息共享，现场或远程了解队员训练计划的执行进度和状态，追踪队员身体素质的阶段性变化，方便教练员实时掌握队员的各项身体素质数据，监控身体素质训练过程，为训练队及时发现问题、调整训练方案、提高队员训练水平提供准确可靠的数据服务支持。

1 用户群体及功能需求

1.1 用户群体分析

面向运动队教练员与队员。身体素质训练监控系统实现身体素质训练计划的制定、发布、采用，实现训练数据的记录、查看、统计，实现个人及全队的训练进度、强度、量、时间、曲线等信息的查看，方便教练员对身体素质训练过程的监控与管理。

面向学校体育教师与学生。利用身体素质训练监控系统，教师可根据不同身体素质状况的学生群体有针对性地布置课后体育作业(即训练计划)，学生领取作业后按照规定时间进行锻炼打卡，教师可远程监督学生作业的完成情况，掌握学生身体素质的变化状况。

面向健身房教练与学员。通过本系统，健身教练可在线制定健身计划(即训练计划)，系统会自动提醒学员按时健身打卡，队员在健身过程中，健身教练能够随时了解学员的健身状态，获取健身周期内的身体素质变化曲线。

面向广大健身爱好者。同Keep、咕咚等运动类APP，身体素质训练监控系统也具有锻炼计划、锻炼打卡功能，并且借助于神经网络、图像识别技术给予用户智能化的评价，针对性地推荐适合用户体质的锻炼计划，为健身爱好者提供帮助。

1.2 功能需求分析

训练数据记录：记录力量、速度、耐力等运动数据，也可记录用户的身高、体重、心率等健康数据，以及记录身体形态、肌肉发达程度等体型数据。

训练指导：基于神经网络、图像识别模型可以自动评价用户的身体素质类型和训练状况，智能化的、针对性地推荐给用户训练计划、训练方法。

训练计划：能够灵活地制定为期多天或者多周的大周期计划，也可以制定一堂训练课计划。

训练群组：组成多人训练小组，能够进行一(教练)对多(队员)的指导训练工作。群组具有制定群计划、发布群计划、领取群计划、执行群计划、监督群计划、查看训练日志等功能。

训练评测：汇集众多用户的数据至后台数据库中，通过数据分析能够智能化地评测用户的身体素质、身体形态、身体机能水平，给予准确的定位。

训练直方图：能够根据用户指定的时间节点及练习项目生成图表，掌握阶段性训练效果。

2 系统功能架构

身体素质训练监控系统是一款运动类手机应用程序(Application，简写APP)，专注于解决个人或团队的身体素质训练监控需求。它使用手机作为信息交互的终端，相对于电脑PC，手机的用户群体更加广泛，信息传输具有快捷性、即时性和便利性，并且易于携带和操作。系统采用android5.1开发，系统中涉及的图像识别模型以及人工神经网络模型采用Python6.0以及Keras框架。后台采用Apache服务器响应APP的各种请求，个人数据储存在用户手机内置的Sqlite数据库中，群组数据储存在服务器端Mysql数据库中。系统具有五大功能模块：训练群组、训练计划、训练打卡、训练直方图、训练评测。

图1 身体素质训练监控系统功能模块

五大核心功能模块既有各自的功能特点，又相互依赖、紧密联系。训练群组将教练员、队员组成一个小组，实现组内训练信息交互与共享，组外信息隔离。在群组中，队员可领取群组内教练员制定的计划，也可自行制定训练计划。训练打卡是对训练计划的实施，并记录训练数据至数据库中。训练直方图是汇总多次训练打卡的数据，并以图表形式直观地显示。训练评测是将身体素质数据进行智能化的分析和评价，为教练员和队员评估训练状态以及调整训练计划提供参考。

3 系统基本功能模块

3.1 训练计划模块

训练计划是根据身体素质训练目标制定的为期多天的训练任务安排。每一个训练计划都有特定主题，如“30天力量练习”(图2左)。训练计划由若干堂训练课组成，且一天只能有一堂训练课，每堂训练课有特定的主题，如“上肢力量”(图2中)。每一堂训练课包含着课时计划，即训练内容的具体安排，由需要完成的多个具体练习项目组成，如深蹲、器械俯卧勾腿等等，每个练习项目需要完成多组，每组有数量和强度要求(图2右)。训练计划首页面中罗列着制定好的训练计划，训练计划有“待开始”“进行中”“暂停中”“已结束”四种状态，只允许一个计划处于“进行中”。点击某计划的开始按钮，设定开始时间，该计划转为“进行中”状态，随后可在“训练打卡”页面的日历中显示该计划的每堂训练课。

图2 训练计划首页面、训练课列表页面、练习项目列表页面

除了系统推荐的计划外，用户可根据自身需求灵活制定计划。点击首页面中的创建计划，填写计划主题，而后进入训练课列表页面，在该页面中可对训练课进行新建、复制、编辑、顺序调整以及删除操作(图3左)。点击新建按钮进入选择练习项目页面(图3中)，为新建训练课选择练习项目。练习项目按照三个等级进行树状列表显示，一级指标为类型，如力量练习、耐力练习、速度练习；二级指标是一级指标的细分，如力量练习按照练习部位分为上肢力量、腰腹力量、胸部力量等等；三级指标是每个二级指标下的具练习项目，如胸部力量下的宽距俯卧撑、蝴蝶夹胸、平板卧推等等。练习项目选择完成后，点击“下一步”进入设置项目参数页面，调整练习项目顺序，设定每个练习项目的组数，制定每组练习达到的数量和强度目标(图3右)。点击“保存课时计划”按钮保存设计好的训练课，同样的方法继续制定训练计划中其他训练课。

图3 训练课列表页面、选择练习项目页面和设置项目参数页面

3.2 训练打卡模块

训练打卡是某次训练课的具体实施，是记录训练数据的主要模块。训练打卡首页面的日历中，以图标形式标记着“已完成”“未完成”“待开始”“进行中”的训练课(图4左)。当天有训练课时，系统会提醒队员按时训练打卡，未到时间的训练课无法提前打卡。用户可以对选中的训练课进行开始、推迟、放弃、复制操作。点击开始按钮，进入项目列表页面，显示着当天需要完成的练习项目(图4右)。

图4 训练打卡首页面、项目列表页面

在项目列表页面中，用户逐个完成练习项目，点击开始按钮弹出练习开始对话框(图5左)，此时用户按照练习数量和强度目标开始练习。每完成一项，需填写实际完成的数量和强度(图5右)。在记录练习项目的训练数据时，分为数量和强度两个指标。数量和强度的单位可根据不同的项目灵活设置，如力量性练习中，数量设为“次”，强度为“kg”，耐力性练习中，数量可设为完成的总时间“分”，强度设为心率“次”。某些练习项目也可只设定数量或只设定强度，如平板卷腹可只记录数量，不设定强度。除了数量和强度外，系统还记录每个项目开始的时间，结束的时间以及耗时。点击结束本次训练后，当天训练课数据保存至数据库中。

图5 练习开始对话框、练习完成对话框

3.3 训练直方图模块

训练直方图模块分为健康数据直方图、运动数据直方图和体型数据直方图，其功能是按照时间、项目查找数据库中的数据，以图表的形式显示，直观地显示指标的阶段性变化状态。

健康数据包括身高、体重、胸围、腰围等指标，点击相应的指标，系统会以时间为横轴，指标数据为纵轴，显示数据随时间变化的折线图(图6上左)，可通过观察折线图了解训练效果。点击记录数据，可记录当天的指标数据。

图6 健康数据页面、体型数据页面、运动数据页面

运动数据是按照选取的练习项目和时间段，从数据库中查找训练课打卡数据，然后以时间为横轴，以数量和强度为纵轴，显示数量和强度随时间变化的柱状图和折线图，直观地展示训练效果(图6下)。

体型数据包括身体质量指数(BMI)和肌肉发达程度。BMI是根据身高、体重计算得到，用于衡量用户胖瘦程度。肌肉发达程度评测是利用图像识别技术对肌肉轮廓、外形、线条等特征进行提取，并判断发达程度的等级，包括胸肌、腹肌、背肌、大腿和手臂五个部位的评测。通过点击页面上的拍照按钮，拍摄相应部位的肌肉照片，系统自动调用内嵌的图像识别模型对照片进行扫描、分析，得出对应的评价等级，方便健身、健美爱好者了解自身增肌训练的效果。同时，系统会针对性地检索到适合该肌肉发达等级的训练计划并推荐给用户，以此实现智能化指导健身的目的(图6上右)。受照片拍摄限制，目前该功能仅针对男性肌肉发达程度识别，不适用于女性。

3.4 训练群组模块

训练群组模块是实现训练信息组内交流的重要模块。训练群组三个主要功能是组内训练计划管理、队员训练进度监督以及队员训练日志查看。组内训练计划管理包括对群组计划的制定、修改、删除、采用；队员训练进度监督是以百分数显示每个队员计划执行进度；训练日志显示了队员的训练时间、练习项目、练习数量、练习强度等信息。

图7 群组训练操作流程

实施组群训练的操作流程为：教练员与队员建立群组，教练员制定训练计划并发布至群组计划列表中，队员从列表中领取并执行计划，队员按时训练打卡，每完成一个练习项目，记录训练数据。在队员执行群组计划的过程中，教练员拥有查看队员训练进度、训练日志、训练数据、训练直方图的权限，能够随时随地监督每个队员的训练情况。

图8 大周期群组页面

训练群组模块包括大周期群组和训练课群组。大周期群组适用于为期多天的训练活动，训练时间比较长，训练计划包括多次训练课。大周期群组也适用于健身教练为学员制定长周期训练计划，或体育教师为学生布置课外体育作业。在群计划页面中，点击群成员列表中的头像可查看队员正在进行的计划，监督该队员执行计划的进度，掌握队员健康数据、运动数据和体型数据，从而针对性地给予指导。

不同于大周期群组，训练课群组中不能发布大周期训练计划，仅能发布一堂训练课的课时计划，适用于教练员临时组织的一次训练课。训练课群组在创建时必须指定训练日期，训练课过后无法再执行发布任务、领取任务、添加队员等操作，但可以查看训练日志。教练员与多名队员创建训练课群组后，页面中显示群组成员的头像和姓名，并显示每名队员训练课任务的完成百分比进度(图9左)。教练员和队员都可在群中发布本次训练课的课时计划，队员领取课时计划后即可在训练打卡页面进行训练打卡。在训练课群组中，点击头像可查看队员的课时计划信息，包括每个练习的状态、完成的数量与强度、耗时、组间休息时间等等(图9中)。点击日志可以表格的形式查看全队课时计划的执行情况，方便教练员整体上监控训练过程(图9右)。

图9 训练课群组界面、个人训练日志、全队训练日志

3.5 训练评测模块

训练评测模块是通过后台大数据的对比分析，为队员的力量素质、柔韧素质、耐力素质、速度素质以及综合身体素质进行评价，发现队员身体素质的薄弱环节，向用户提供针对性的训练计划，为队员训练提供参考和指导，以此达到智能化指导身体素质训练的目的。对于单项身体素质的评价，如力量素质评价，采用离差法划分为优秀、良好、一般、较差、很差五个等级。对于用户综合身体素质的评价，是基于K-means聚类以及BP神经网络模型对用户身体素质进行分类和判别，准确的识别身体素质类型。人工神经网络在处理非线性关系映射方面具有强大的优势，利用神经网络评价综合身体素质能够较好地保证评价结果的客观性和准确性。

图10 训练评测模块页面

4 系统的优势与不足

4.1 系统的优势

数据录入、交互、保存更加便利。相较于纸笔、电脑，手机更加的便利、便携，使用人群更广泛，训练数据录入、查看、保存、处理以及信息交互更加快速，并且具有远程监控的功能。

群组功能面向团队训练。训练群组功能是其他运动监控类软件所不具备的主打功能，它实现了训练团队的组内信息交互和共享，一站式解决了训练计划制定、发布、使用以及训练日志的统计、查看等工作，极大地方便了训练监控过程。

指导训练更加智能化。神经网络和图像识别等机器学习技术的引入，使得系统能够根据用户的身体素质类型，针对性地推荐训练计划，实现智能化指导训练的目的。

训练计划、训练项目的制定更加灵活。身体素质训练监控系统中除了推荐的训练计划以及练习项目外，用户可以根据需求自定义，也可以相互分享，与其他运动类APP相比更加灵活。

4.2 系统的不足

在训练打卡模块中，练习项目的开始、暂停、结束以及数据的录入需要手动操作，需要多次点击屏幕，这让APP的使用过程略显烦琐，如果能与智能手环、智能跑鞋等设备连接，自动记录运动数据，可以大大增强用户体验。

5 小结

身体素质训练监控系统是一款运动监控类手机应用程序，用户群体主要面向专业训练队，亦面向体育课堂、健身工作室以及广大健身爱好者，专注于解决个人或团队的身体素质训练监控需求。软件具有五大功能模块：训练群组、训练计划、训练打卡、训练直方图以及训练评测。在实际应用中，软件可以灵活制定训练计划，提供群组训练监控服务以及智能化的训练指导服务，为用户实时掌握身体素质训练数据，及时发现问题和调整训练方案提供准确可靠的数据服务支持。