— 精彩書摘 —

賽場智能系統(tǒng)

現(xiàn)代體育賽場已越來越多地由一系列精密、高效的智能系統(tǒng)所支撐。如視頻助理裁判（VAR）系統(tǒng)和半自動越位識別技術(shù)（SAOT），在減少誤判、增強(qiáng)裁判權(quán)威性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以Sport VU系統(tǒng)為代表的多鏡頭追蹤技術(shù)，通過對場上所有運(yùn)動軌跡進(jìn)行高頻捕捉與數(shù)據(jù)化分析，為戰(zhàn)術(shù)制定與實(shí)時(shí)調(diào)整提供深度洞察。而智能可穿戴設(shè)備則通過對運(yùn)動員內(nèi)外負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對訓(xùn)練的精細(xì)化控制與科學(xué)化管理。同時(shí)，這些技術(shù)的應(yīng)用也帶來了比賽流暢性、數(shù)據(jù)隱私安全等新的挑戰(zhàn)。

一 VAR技術(shù)

在全球化的浪潮中，體育賽事被賦予了象征國家、象征民族的重要價(jià)值。體育裁判是體育比賽的重要參與者，是體育賽事規(guī)則的執(zhí)行者、傳播者和維護(hù)者，在實(shí)現(xiàn)規(guī)則價(jià)值方面具有不可或缺的作用。體育裁判的判罰公平與否是影響運(yùn)動員比賽成績的重要因素。為了樹立裁判的權(quán)威性，同時(shí)確保比賽結(jié)果的公平性，裁判必須做出公正的判罰。“公平”是曼德拉體育思想的核心之一，但是在比賽過程中，裁判難免會有誤判或者漏判的情況發(fā)生，這在一定程度上影響了賽場的公平性。數(shù)字技術(shù)與體育裁判的結(jié)合，可以幫助減少因人體機(jī)能限制所導(dǎo)致的裁判不公現(xiàn)象。

舉例來說，隨著科學(xué)訓(xùn)練理念與高科技訓(xùn)練設(shè)備的發(fā)展，運(yùn)動員的技術(shù)水平不斷提高，在瞬息萬變的足球比賽中，球的速度越來越快，球隊(duì)之間的攻防轉(zhuǎn)換節(jié)奏也不斷加快，球的軌跡以及球與運(yùn)動員的肢體接觸很多時(shí)候難以被裁判準(zhǔn)確界定，球員的假動作與假摔等情況具有隱蔽性與欺騙性，這導(dǎo)致裁判員的判罰與處理突發(fā)事件的難度增加，從而容易造成誤判、漏判等問題的出現(xiàn)，直接影響到競賽主體的權(quán)益。因此，國際足聯(lián)在2018年的俄羅斯世界杯上首次引入VAR系統(tǒng)，允許裁判員利用錄像回放來進(jìn)行比賽判罰，這一做法體現(xiàn)了國際足聯(lián)維護(hù)公正的信念。VAR系統(tǒng)由多個高速攝像機(jī)組成，主要幫助裁判員解決點(diǎn)球判罰、進(jìn)球是否有效、處罰對象判斷以及是否出示紅牌四個方面的問題。視頻裁判團(tuán)隊(duì)包括1名視頻助理裁判和3名視頻助理裁判助理。此外還包括多名回放專員，從高速攝像機(jī)所拍攝的海量信息中篩選出有用信息，為視頻裁判團(tuán)隊(duì)提供協(xié)助。在2018年俄羅斯世界杯小組賽瑞典對陣韓國的比賽當(dāng)中，韓國隊(duì)出現(xiàn)了犯規(guī)但是主裁判并未吹罰，視頻助理裁判通過錄像回放，認(rèn)定韓國隊(duì)犯規(guī)并將視頻反饋給主裁判，當(dāng)值主裁判確認(rèn)后改判韓國隊(duì)犯規(guī)，瑞典隊(duì)獲得一次點(diǎn)球。目前，VAR系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大足球聯(lián)賽。在引入VAR系統(tǒng)以后，各級聯(lián)賽的犯規(guī)、越位數(shù)量都有所下降。

二 SAOT技術(shù)

越位是足球比賽的一項(xiàng)重要規(guī)則，對于足球比賽的結(jié)果尤為重要，在越位判罰中，助理裁判可能會出現(xiàn)錯判與漏判兩種情況。其中，漏判使得進(jìn)攻方獲益，錯判則導(dǎo)致防守方獲益。縱觀全世界各級足球聯(lián)賽，越位判罰出現(xiàn)錯判或者漏判的情況在總越位判罰中均占據(jù)一定比例，雖然國際級助理裁判在做出越位判罰時(shí)比國家級助理裁判更加準(zhǔn)確，但即便是世界杯這樣的頂級比賽仍無法避免失誤的情況。在2018年俄羅斯世界杯決賽階段的比賽中，VAR系統(tǒng)一共吹罰了29次越位犯規(guī)。傳統(tǒng)吹罰越位犯規(guī)的方法不僅容易引起競賽主體和球迷的爭議，而且較為耗時(shí)，影響比賽的流暢度。因此，2022年卡塔爾世界杯引入了SAOT技術(shù)。

SAOT的全稱是Semi-Automated Offside Technology，它是一項(xiàng)半自動越位識別技術(shù)，是VAR技術(shù)的進(jìn)化。SAOT系統(tǒng)主要由跟蹤攝像頭、AI系統(tǒng)和球內(nèi)傳感器三部分組成。使用SAOT技術(shù)時(shí)，工作人員會在球場頂部安裝12個專用的跟蹤攝像頭，用來跟蹤場上的足球和每個球員的位置。卡塔爾世界杯官方比賽用球中安裝有中心內(nèi)置傳感器，傳感器會以每秒500次的頻率將足球的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)傳遞給VAR團(tuán)隊(duì)，從而幫助視頻助理裁判更加準(zhǔn)確地定位踢球點(diǎn)。攝像機(jī)與傳感器所收集到的數(shù)據(jù)會由AI系統(tǒng)進(jìn)行分析，判斷球員是否形成越位。一旦AI系統(tǒng)判定越位事件發(fā)生，SAOT系統(tǒng)會自動發(fā)出警報(bào)，隨后VAR團(tuán)隊(duì)會在申請主裁判介入判罰之前驗(yàn)證SAOT系統(tǒng)的判罰是否正確，再根據(jù)現(xiàn)場情況與主裁判進(jìn)行溝通。該系統(tǒng)為主裁判提供了更加快速和準(zhǔn)確的判罰依據(jù)，從而提高了判罰效率，對全場比賽的流暢性影響更小。當(dāng)主裁判完成判罰以后，SAOT系統(tǒng)會生成3D越位圖，方便教練和球迷更加直觀地了解球員的越位情況。

從某種程度上來說，如VAR和SAOT等科技輔助裁判系統(tǒng)的引入使得裁判的判罰更加公正和準(zhǔn)確，贏得了場內(nèi)外的一致認(rèn)可。VAR與SAOT為體育帶來的積極影響還不止于此，它們不僅促進(jìn)了足球比賽朝著規(guī)范化、專業(yè)化的方向發(fā)展，還提高了人們對“科技+體育”的認(rèn)可度。越來越多數(shù)據(jù)驅(qū)動的技術(shù)進(jìn)入了體育領(lǐng)域，促使傳統(tǒng)體育項(xiàng)目逐步適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展。

三 Sport VU技術(shù)

Sport VU系統(tǒng)，意為多鏡頭追蹤系統(tǒng)，由科學(xué)家塔米爾于2005年發(fā)明，最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。美國STATS公司于2008年收購了這項(xiàng)技術(shù)，并將其運(yùn)用于籃球數(shù)據(jù)分析。在應(yīng)用Sport VU技術(shù)的過程中，首先由球場上空安裝的高清移動攝像頭追蹤場上裁判、球員和球的運(yùn)動軌跡，這些攝像頭會以25fps的頻率拍攝圖像，并記錄時(shí)間；隨后利用光學(xué)識別軟件捕捉球員的每個動作，如傳球、投籃、運(yùn)球等，并將其記錄下來；通過專業(yè)軟件，可以生成比賽詳情數(shù)據(jù)，并在比賽詳情數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上于90s內(nèi)生成比賽報(bào)告。

NBA球員的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體現(xiàn)在得分、助攻、蓋帽、搶斷、籃板、犯規(guī)、失誤等方面。然而這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有時(shí)并不能完全展現(xiàn)球員在場上的表現(xiàn)情況。例如2016賽季雷霆對陣鵜鶘的一場比賽中，雷霆隊(duì)員安德烈·羅伯森全場出戰(zhàn)22分鐘，得到了0分0板0助攻0搶斷0蓋帽0失誤0犯規(guī)的數(shù)據(jù)，僅憑這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)并不能衡量羅伯森在雷霆防守體系中的貢獻(xiàn)與作用。而Sport VU系統(tǒng)會記錄球員的防守位置、防守傾向、攻防類型、防守成功與失敗等信息，這些數(shù)據(jù)無法在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表中得到體現(xiàn)，但是卻與比賽結(jié)果密切相關(guān)。Sport VU技術(shù)的最大優(yōu)勢就是其數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)應(yīng)用性。通常在一場籃球比賽中，教練員可以根據(jù)Sport VU系統(tǒng)所提供的上半場比賽的數(shù)據(jù)，靈活地進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)調(diào)整。在2024年NBA季后賽雄鹿對陣步行者的一場比賽中，雄鹿球員利拉德在上半場得到了35分，19投11中，其中6球?yàn)槿智颉２叫姓呓叹毣诂F(xiàn)代高階光學(xué)追蹤系統(tǒng)（Sport VU改進(jìn)系統(tǒng)）所傳遞的數(shù)據(jù)，布置了針對利拉德的戰(zhàn)術(shù)，將利拉德下半場的得分限制到0分。當(dāng)然，Sport VU系統(tǒng)的作用遠(yuǎn)不止為教練組布置戰(zhàn)術(shù)提供依據(jù)這么簡單，它還可以應(yīng)用在制訂訓(xùn)練計(jì)劃等方面。例如通過數(shù)據(jù)來觀察運(yùn)動員的比賽狀態(tài)，若運(yùn)動員出現(xiàn)移動速度下降、投籃命中率下降、彈跳高度與彈速下降，但心率仍維持在較高水平的情況，說明運(yùn)動員此時(shí)正處于疲勞狀態(tài)。教練團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來決定是否調(diào)整運(yùn)動員的訓(xùn)練與輪休計(jì)劃。

四 智能可穿戴設(shè)備

智能可穿戴設(shè)備是將無線通信、運(yùn)動監(jiān)測傳感器等技術(shù)嵌入人們直接穿戴的運(yùn)動裝備中，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動和生理數(shù)據(jù)的采集，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息智能交互的紐帶。在競技體育領(lǐng)域中，以交互理念為主的智能可穿戴設(shè)備通過收集用戶的生理信號并對其進(jìn)行能量的收集、儲存和監(jiān)測，從而為運(yùn)動員、教練員提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋。運(yùn)動員競技能力的提高與日常訓(xùn)練中的運(yùn)動負(fù)荷密切相關(guān)，運(yùn)動負(fù)荷是指運(yùn)動員進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練時(shí)，機(jī)體生理與心理所承受的訓(xùn)練刺激。適度的運(yùn)動負(fù)荷有助于運(yùn)動員競技能力的提高，過度的運(yùn)動負(fù)荷則容易導(dǎo)致運(yùn)動員出現(xiàn)運(yùn)動損傷。因此，量化運(yùn)動負(fù)荷并對其進(jìn)行精細(xì)控制是科學(xué)化訓(xùn)練的關(guān)鍵。智能可穿戴設(shè)備可以對人體內(nèi)部負(fù)荷及外部負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測，人體內(nèi)部負(fù)荷的指標(biāo)主要包括體液指標(biāo)、心肺指標(biāo)和神經(jīng)肌肉指標(biāo)，外部負(fù)荷的指標(biāo)包括跑動距離、間歇時(shí)間、訓(xùn)練頻率等。教練員通過智能可穿戴設(shè)備所反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠了解運(yùn)動員的身體狀況并調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃。同時(shí)在大眾體育領(lǐng)域中，智能可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為大眾健身的重要輔助手段。

— 內(nèi)容簡介 —

在人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)浪潮下，體育工程正邁向智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段。本書系統(tǒng)闡述了數(shù)據(jù)驅(qū)動下體育工程的理論框架、核心技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐。

全書首先從技術(shù)革命的宏觀視角出發(fā)，探討現(xiàn)代體育工程的戰(zhàn)略意義，梳理該學(xué)科的學(xué)術(shù)譜系、發(fā)展現(xiàn)狀與前沿動態(tài)，構(gòu)建智能體育工程的核心理論范式，闡明體育工程與數(shù)據(jù)科學(xué)的融合路徑。其次，在技術(shù)層面，聚焦智能體育工程的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，詳細(xì)論述運(yùn)動數(shù)據(jù)的多源感知、采集、預(yù)處理與質(zhì)量控制全流程；在方法層面，深入探討運(yùn)動仿真與虛擬重構(gòu)的建模方法、應(yīng)用場景及面臨的挑戰(zhàn)；在應(yīng)用層面，通過多維場景展示智能技術(shù)在體育核心領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。最后，以前瞻性視角全面剖析智能體育工程面臨的核心技術(shù)挑戰(zhàn)，并對數(shù)據(jù)隱私、算法偏見等關(guān)鍵倫理與治理問題進(jìn)行反思。

— 作者簡介 —

趙毅博，副教授，河北師范大學(xué)體育學(xué)院研究生教務(wù)辦公室主任。兼任中國高校校辦產(chǎn)業(yè)協(xié)會數(shù)字體育工作委員會副會長，現(xiàn)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻讀模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位。主要研究方向?yàn)轶w育工程、體育人工智能、運(yùn)動生物力學(xué)。主持河北省社會科學(xué)基金項(xiàng)目、河北省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目等多項(xiàng)課題。在《中國體育科技》等高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文多篇，獲國家發(fā)明專利4項(xiàng)，科研成果榮獲2013年中國體育科學(xué)學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎三等獎。

— 目錄 —

緒論

第一章 智能體育工程的核心范式

第一節(jié) 數(shù)據(jù)驅(qū)動的內(nèi)涵、價(jià)值與應(yīng)用領(lǐng)域

第二節(jié) 體育工程與數(shù)據(jù)科學(xué)的融合路徑

第三節(jié) 智能體育工程的定義與范疇

第二章 體育工程學(xué)的基礎(chǔ)理論

第一節(jié) 力學(xué)與材料科學(xué)

第二節(jié) 人體系統(tǒng)動力學(xué)

第三節(jié) 計(jì)算科學(xué)

第三章 數(shù)據(jù)科學(xué)與人工智能核心理論

第一節(jié) 從數(shù)據(jù)到知識的數(shù)據(jù)科學(xué)

第二節(jié) 機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)的核心原理

第三節(jié) 數(shù)據(jù)驅(qū)動方法論在體育工程中的構(gòu)建

第四章 體育數(shù)據(jù)的采集、處理與管理

第一節(jié) 運(yùn)動數(shù)據(jù)的多源感知與采集技術(shù)

第二節(jié) 數(shù)據(jù)的處理與質(zhì)量控制

第五章 運(yùn)動仿真與虛擬重構(gòu)

第一節(jié) 運(yùn)動仿真的基本原理與建模方法

第二節(jié) 運(yùn)動仿真在體育工程中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

第六章 競技表現(xiàn)的智能化分析與優(yōu)化

第一節(jié) 運(yùn)動表現(xiàn)的量化分析與診斷

第二節(jié) 賽場技戰(zhàn)術(shù)分析與決策支持

第七章 智能裝備、設(shè)施與場館

第一節(jié) 智慧體育場館的構(gòu)建與運(yùn)營

第二節(jié) 賽場智能系統(tǒng)

第八章 智能體育工程的社會影響

第一節(jié) 智能體育工程對體育從業(yè)者的影響

第二節(jié) 數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)在學(xué)校體育中的應(yīng)用

第三節(jié) 智能體育工程引發(fā)的復(fù)雜社會問題

第四節(jié) 構(gòu)建負(fù)責(zé)任的智能體育生態(tài)

第九章 體育工程智能化的挑戰(zhàn)

第一節(jié) 智能體育工程面臨的核心技術(shù)挑戰(zhàn)

第二節(jié) 體育工程智能化轉(zhuǎn)型中的治理困境

第十章 體育工程的未來研究方向與學(xué)科發(fā)展前沿

第一節(jié) 人工智能技術(shù)在體育工程中的最新應(yīng)用進(jìn)展

第二節(jié) 數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)的未來發(fā)展

第三節(jié) 體育工程學(xué)與其他學(xué)科的融合

第四節(jié) 新興技術(shù)在體育產(chǎn)業(yè)中的潛在應(yīng)用

附錄：體育工程智能化轉(zhuǎn)型的案例研究

參考文獻(xiàn)

供稿：張思瑩

責(zé)編：馬寧

審校：佟譞 趙夢雅