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数据分析在体育界的应用

[日期:2013-06-21] 来源:科学时报  作者: [字体: ]

  现在,体育竞技已不单单是运动员体能与技术的比拼,更延伸到了体育科技的较量。尤其是在国际性赛事上,国家的科技、经济力量早已成为赛事背后的一场暗战。

  从游泳池中的“鲨鱼皮”、跳高场上的碳纤维杆,到短跑赛场上的黄金跑鞋,再到南非“刀锋战士”带着的碳纤维假肢在奥运赛场上留下的争议,高科技帮助运动员不断创造纪录,但也因为过度助力,高科技装备在赛场上历经沉浮。

  高科技装备在争议中发展

  卡因的实验室中,研究人员正在测试运动员的脚部力量 卡因供图

  看着如今体育竞技场上时尚感强而且又处处体现高科技的运动员的战衣,我们也很难想象在古代奥运会上,运动员们几乎赤身作战的场面,那时候是完全比拼个人体能和技术的时代。“更快、更高、更强”的奥运理念,让科技找到了一条发展的新途径,帮助运动员发挥出更大的潜能。

  英国拉夫堡大学体育技术和创新学院领导了多项推进体育设备和训练创新的工程计划,包括田径、自行车、游泳、赛艇,以及残奥会中的轮椅篮球等多种项目。该学院教授迈克·卡因就在不遗余力地推进体育技术的创新。

  鞋,对于普通人来说,能保护双脚不受外界伤害,也让人们能走更远的路,而对于运动员来说,只要是他所从事的项目需要双脚接触地面,那么一双合适,并且具有技术辅助作用的鞋子就更加重要了。

  观众们从短跑名将博尔特的那双黄金战靴中看到的,更多的是一种个性张扬、时尚的展示,但是对于博尔特来说,那双Complete Theseus II型运动鞋,鱼鳞纹路的网状真皮鞋面为他的双脚提供了良好的透气性,前掌与后跟都有科学设计的鞋垫以及外部弓垫的配合为博尔特提供了他在奔跑中所需的支撑力,超轻的重量减少了他的体能消耗。除了他的天才和刻苦的训练,这双顶级跑鞋在他成就“飞人”的荣誉之路上,绝对起到了重要的作用。

  在接受《中国科学报》记者的邮件采访中卡因写道,体育行业当前十分关注设备定制的问题,这并不仅仅是说运动员可以选择颜色或是将名字写在鞋子上,而是鞋底的一块底板的柔韧度和坚硬度能得到优化,从而为个别运动员带来最大的力量。这也是卡因他们倾力所做的事。

  卡因与其团队通过对不同运动员的双脚的几何学与生物机械学的测量和研究为个别运动员的鞋子创造出“经过调校的” 鞋底夹层,从而纠正步法畸形或软组织无效率。这些鞋子利用目前最流行的3D打印技术制造,并且申请了专利。卡因相信,这些产品能给田径场上的运动员带来新的成就。

  卡因说:“在空气动力学和流体动力学方面,我们还可以做很多事情,当我们的运算能力达到一种新的水平,就可以理解微小改变的细微差别。”

  在泳池中、自行车赛场、F1赛场上,这两种力学研究在体育中的发展最为引人关注。曾叱咤泳池的仿鲨鱼皮肤的高科技泳衣不断地刷新着奥运赛场的纪录;空气动力学原理在F1赛场上可谓发挥得淋漓尽致,这让车队间经济实力的差距在赛场上也一览无遗;自行车赛道上,紧身衣、弹性纤维鞋罩、航空头盔能减少空气阻力的8%,加上越来越轻的车身,令赛场上的每一块金牌的后面都附加着巨大的科研付出。

  除了力学,高科技的材料也是如今赛场上竞争的重点。力学性能优异的碳纤维材料几乎应用在了所有可使用它的体育器材上,球拍、自行车架、跳高杆、弓箭、赛艇……材料变化让体育成绩带来显著提高,其中撑杆跳可谓是大跃进式的变化:当竹竿和金属杆替代了木杆,世界纪录立刻从3.3米刷新到4.77米,而玻璃纤维杆与碳纤维杆则直接将男子世界纪录提升到6.14米,女子纪录提升到5.06米。

  不过,很多批判者认为,高科技的应用已经让很多比赛不再是个人技术的比拼,而更多的成为装备器材的比拼,并且将那些单纯提高了成绩的技术称为破坏性技术。其中国际自行车可谓先知先觉,早在1996年就颁布了“卢加诺章程”,限定了自行车设计的范围,但也未能阻挡强大的科研力量。2008年北京奥运会,各种科技力量似乎同时发威,自行车比赛、游泳比赛、田径赛场纪录被连连打破,一国包揽项目金牌之多也令人咋舌。于是在2008年北京奥运会之后,鲨鱼皮被国际泳联禁止、国际自行车联盟明确禁止了职业车队在比赛中使用空气动力学设计和附件。越来越像比车赛场的F1也受到了国际汽车运动联合会的限制,对赛车引擎、底盘、悬架系统及轮胎都进行了全方位设限,从而能够使车队之间的科技力量平衡。

  卡因告诉《中国科学报》记者,多数体育产品的发展和改进都是应体育界的中坚分子或职业运动员的要求去做的。而目前对于多种体育项目来说,装备已经是占有了非常重要的地位,经过几个世纪的发展,创新对于体育向着最高水平发展甚至起着决定性的作用。“但是由于不同国家的实力不等,这种差距也越来越大,这也是高科技在体育项目中不受欢迎的原因之一。”

  卡因认为,作为体育管理机构,应具有前瞻性地制定一些标准,在给予运动装备一定的创新空间的同时,也要限制那些可能影响到公平竞赛的装备。他说:“每个人都想看到一场最佳的运动员的比赛,但高水平竞技本身就存在一些内在的不公平,这种比赛中优势的积累比赛事本身更重要。但必须要求提供优势的方法是合法的,这才是取得最高水平的精髓。体育只有在结果未知的情况下才是最精彩、最吸引人的。”

  技术提升赛事感官享受

巴西世界杯将在足球中加入传感器,进球信号可直接传到裁判的腕表

  足球赛场常常是风云突变,也是造就各种冤案的场地。误判,是球员与球迷无法承受之痛,却也几乎成为一些赛事的看点。曾经完全依靠裁判一双眼睛监视的比赛,误判实际上也情有可原。这在其他比赛中也偶有发生,不过赛后引入的申诉、回放的机制,让很多运动员获得了第二次机会,但这也永远无法与赛场上的胜利相比拟。因此高科技助力裁判能在当场作出公正裁决,是运动员也是观众所期待的。

  早在2003年,网球比赛的赛事转播就广泛使用了被称为“鹰眼”的即时回放系统。实际上,“鹰眼”系统技术并不复杂,由8个或者10个高速摄像头、四台电脑和大屏幕组成。借助电脑的计算,把比赛场地内的立体空间分隔成以毫米计算的测量单位,然后利用高速摄像头从不同角度同时捕捉网球飞行轨迹的基本数据,再通过电脑计算,将这些数据生成三维图像,最后利用即时成像技术,由大屏幕清晰地呈现出网球的运动路线及落点。这个过程所需的时间不超过10秒钟。

  “鹰眼”的辅助判罚始于2006年的大满贯赛事美国网球公开赛,而如今它已经是网球赛场上裁判权威地位的挑战者。但是为了防止“鹰眼”的过度干预,国际网联也限定了每盘比赛每个运动员只能有2次鹰眼挑战的机会,除非进入抢7,则会增加一次。

  “鹰眼”在网球比赛中的成功应用,并没有迅速推进它的应用范围。同样存在可能出现误判等情况的羽毛球比赛、足球赛一直就是否使用“鹰眼”犹豫不决。这是否会将充满乐趣的赛事还原成一大堆枯燥无谓的数据。

  但是2010年南非世界杯的英格兰门线冤案,2012年欧洲杯再因进球是否过门线的误判让乌克兰蒙冤出局,接二连三的冤情终于让国际足联下定决心,在2012年7月全票通过了高科技的入球门线技术。这与网球中使用的“鹰眼”技术基本一样,不过除了在球门周围架设6台摄像机之外,还要让足球也多个“心眼儿”,足球内置的传感器可以将足球入门的信号直接传给裁判。目前“鹰眼”技术已经获得了英超联赛的欢迎,将在新赛季采用。而在明年举行的巴西世界杯也将恭迎“鹰眼”加入裁判团队。

  用于羽坛的即时回放系统原本定于本周正式加入印尼公开赛,但因技术原因推迟。但是由于羽毛球赛事是否采用“鹰眼”这一问题一直受到羽坛的不断争论、犹豫,因此此次推迟使用还是不免让人有其他的猜测。

  “鹰眼”在各种赛事中的应用,到底会是“天使”还是“魔鬼”,都有待运动员和观众的证实,但“鹰眼”在电视转播中,为观众们所呈现的比赛细节,对于观看比赛的感官享受还是会有很大程度的提升。

  数字分析席卷职业体育

  2011年,布拉德·皮特主演的讲述体育经理人故事的电影《点球成金》获得了第84届奥斯卡电影节的六项提名。而对于体育迷而言,最吸引他们的恐怕是影片中提出的“棒球统计学”一词。

  奥克兰运动家棒球队总经理比利·比恩破天荒地将“棒球统计学”作为球队的经营方针。他尽可能地将球员能力数据化,并以此作为衡量球员能力的唯一标准,而非基于传统主观经验的判断。通过这套统计学公式,比利以有限的预算去寻找那些表面上看去都身怀缺点、性格偏癖,但运动价值被低估的球员。此后,也正是他们,帮助球队取得了骄人的战绩。

  在英超赛场上,无论是刚刚退休的弗格森还是重新入主切尔西的穆里尼奥,都是“数字足球”的践行者。ProZone是英国著名的体育数据分析公司,它是国际足联数据库供应商,为英格兰代表队、曼联、切尔西等豪门球队提供专业数据分析。

  就在比赛开始前,依据ProZone提供的数据内容,在球队数据分析师的帮助下,球员们通过视频和图表,就可以清楚地知道自己的职责所在,对手的特点和弱点,教练的战术安排以及如何执行。

  在NBA,帕特·莱利在纽约尼克斯担任主教练期间,就特别注重收集一些冷门数据干扰对方出手的次数、篮板卡位次数、投篮角度的变化、机会球的争夺次数。莱利会在每节比赛后都收集类似的数据,以便在半场或者比赛中间作出调整。

  如今,莱利已经不需要指挥助理教练们辛苦地手动记录下每一个复杂的数据,他可以在各大数据分析公司订制服务。

  而从今年开始,NBA与SAP联合发布了联盟数据子站,全世界的篮球迷将可以通过该站对NBA比赛进行数据分析,也可以查询1946年联盟成立以来的所有历史数据。这意味着所有的篮球迷都与NBA的教练、球探一样掌握相同的数据信息,当他们观看一场比赛时,通过组合数据分析,他们能随时了解教练战术、阵容排布方面的数据依据。

  说到体育中的高技术据分析,不得不提到IBM 的SlamTracker应用软件,它与网球运动结缘已久。网球迷们恐怕已经记不清是从什么时候起,比赛的各项数据统计,以及球员的最合理战略、战术分析实时出现在了电视屏幕上。此外,SlamTracker中的Keys to the Match功能,还可以将球员及对手过去数年征战历史数据作科学的数据分析与统计,结合过去5年大满贯冠军的打法模式与风格分析,从而提炼出最佳战术的关键点,有助于球员出奇制胜。

  不过,北京体育大学运动生理教研室主任熊开宇在接受《中国科学报》记者采访时表示,比赛、训练数据的搜集、分析,一直是我们的薄弱环节。“数据服务是需要收费的,而且价格不菲,目前,国内体育界在这方面的理念还比较落后,因此,投入很有限。”

  据北京体育大学篮球教研室主任毕仲春透露,目前,在CBA球队中,主要是外教会使用一些自带的数据分析工具。

  英国的卡因在体育技术创新中也盯紧了数据分析,依靠科学仪器实时掌握运动员在训练中的状态变化,评估运动状态,从而及时纠正错误,调整训练方法。

  他告诉《中国科学报》记者,团队曾经帮助英国游泳队研发了一个能够追踪运动员在水中情况的设备。通过安装在运动员身上的陀螺仪和加速计,并在游泳池内安装摄像头和传感器,从而监控运动员的身体姿势、加速、速度和力量等各项指标。游程技术以及其他一些运动员与教练想要了解的变量也都可被记录,“这可以增强队员们的学习行为,也让教练们理解微小改变带来的细微差别”。

  在NFL新秀训练营, 每个选秀球员都需要穿上带有传感器的运动服,这些传感器能记录运动员的加速度、垂直弹跳力以及心率等等。这种生物传感技术本是用来帮助美国特种部队进行训练的。用来分析诸如脱水、疲劳或者受伤等因素对受训士兵的影响。而事实上,针对士兵们的一些训练原则也可以被运用到运动员身上。通过分析那些保障运动员健康的因素,就能够制订合理的训练计划,使得运动员既能够充分训练,又能够保证不因过度训练而导致受伤。





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