智能化條件下軍事體能訓(xùn)練體系研究

（國防科技大學(xué) 湖南 長沙 410072）

軍事體能訓(xùn)練作為軍事訓(xùn)練的重要組成部分，加速其科學(xué)化、信息化和智能化發(fā)展已成為我軍未來必然發(fā)展趨勢。隨著基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等技術(shù)的突飛猛進，特別是智能化可穿戴設(shè)備、檢測評估設(shè)備、運動監(jiān)控設(shè)備和大數(shù)據(jù)平臺的廣泛應(yīng)用，利用最新的智能化方法手段來解決體能訓(xùn)練中存在的問題，研究設(shè)計出基于智能化條件下具有軍事特色的軍事體能訓(xùn)練體系，已經(jīng)成為必然趨勢，對提升部隊軍事體能訓(xùn)練水平，有著重要的現(xiàn)實意義。

1、智能化條件下軍事體能訓(xùn)練體系設(shè)計總體設(shè)想

借助可穿戴設(shè)備、傳感器技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算等智能化手段，可以構(gòu)建起集能力評估、計劃制定、動作學(xué)習(xí)、訓(xùn)練監(jiān)控、信息管理于一體的智能化體能訓(xùn)練系統(tǒng)（見圖1），系統(tǒng)主要包括體質(zhì)能評估、方案制訂、動作學(xué)習(xí)訓(xùn)練、監(jiān)控反饋和大數(shù)據(jù)平臺5個分系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)對體能訓(xùn)練的教、訓(xùn)、學(xué)、管、用多維度開發(fā)，對體能的評、測、計、訓(xùn)、監(jiān)、反的多功能實現(xiàn)，對體能訓(xùn)練由入伍到退伍的全周期跟蹤管理，達到體能評估精確化、訓(xùn)練計劃科學(xué)化、動作學(xué)習(xí)專業(yè)化、訓(xùn)練手段多樣化、訓(xùn)練監(jiān)控實時化，數(shù)據(jù)管理智能化的目的，有效解決部隊訓(xùn)練存在的方法不科學(xué)、隊伍不專業(yè)、計劃不系統(tǒng)、監(jiān)控不精準、手段不先進、管理不高效等問題，為科學(xué)提升實戰(zhàn)化體能訓(xùn)練水平提供術(shù)支撐。

圖1 智能化軍事體能訓(xùn)練體系示意圖

2、智能化條件下軍事體能訓(xùn)練各分系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析

2.1、體質(zhì)能評估分系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對個體體型、體質(zhì)、機能、體能的自動化測評，對健康狀況、體能水平、風(fēng)險因素進行科學(xué)評估，并提出訓(xùn)練干預(yù)措施和康復(fù)建議。從測量內(nèi)容上可以分為形態(tài)測量與動作評估、健康篩查、運動能力測試（能量代謝測試）、和康復(fù)評估4個部分，實現(xiàn)全要素、全過程監(jiān)控。

（1）形態(tài)測量與動作評估。借助三維人體參數(shù)化建模成像系統(tǒng)，開展身體形態(tài)、運動潛力和運動風(fēng)險評估。技術(shù)方法和路徑是：被測者分別完成解剖姿態(tài)站立、立正、單腿站立、立位體前屈、深蹲等5個動作的三維成像，利用參數(shù)化建模系統(tǒng)掃描得到三維人體原始點云數(shù)據(jù)，使用poisson表面重建與三維人體參數(shù)化建模算法，完成體形尺寸的測量與變化追蹤，并與標(biāo)準動作模式評估數(shù)據(jù)對比，通過大樣本篩選，建立針對軍人特殊群體的建模算法和操作系統(tǒng)，實現(xiàn)身體形態(tài)標(biāo)準化測量、基本運動能力和運動風(fēng)險的有效評估；

（2）健康篩查。借助人體機能分析儀、身體成分分析儀、數(shù)字化肌肉功能評估系統(tǒng)等，采用生物電阻抗技術(shù)等進行身體成分分析、脂肪分析、營養(yǎng)分析、節(jié)段分析、生理機能分析和健康狀況分析等，可以實現(xiàn)對心率、血壓、基礎(chǔ)代謝率、肌肉質(zhì)量、肥胖度等參數(shù)進行精確測量，對個體身體機能狀況和健康情況進行準確分析，對訓(xùn)練風(fēng)險進行提前篩選和預(yù)判，提高訓(xùn)練的針對性和科學(xué)性；

（3）運動能力測試。利用3D傳感和紅外成像技術(shù)、體感交互技術(shù)等，借助平衡診斷訓(xùn)練儀、肌力測定訓(xùn)練儀、視頻步態(tài)分析跑臺等設(shè)備，對人體上肢力量、下肢力量、核心力量、爆發(fā)力、耐力、靈敏、平衡、柔韌八大運動能力，采用縱跳、俯臥撐、卷腹、體前屈、快走、單腳站立、高抬腿等動作進行有效測量，最終形成可視化的體能分析報告，為下一步科學(xué)合理的訓(xùn)練計劃制訂奠定基礎(chǔ)；

（4）康復(fù)評估。針對測試對象身體機能缺陷和傷病恢復(fù)情況，提供專業(yè)化的康復(fù)評估和訓(xùn)練建議，實現(xiàn)自動化篩查、智能化評估、專業(yè)化訓(xùn)練和閉環(huán)管理，康復(fù)評估內(nèi)容主要包括柔韌性不足、平衡功能缺失、肌力發(fā)展受限、局部功能喪失等，能夠為傷病預(yù)防和康復(fù)提供有效載體。

2.2、訓(xùn)練方案制訂分系統(tǒng)

依據(jù)體能訓(xùn)練的金字塔模型理論、周期訓(xùn)練理論、板塊訓(xùn)練理論等，借助數(shù)據(jù)庫技術(shù)、智能代理技術(shù)、深度學(xué)習(xí)算法等，在對受訓(xùn)對象體質(zhì)、體能情況科學(xué)判斷的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)對體能訓(xùn)練方案的自動化制訂、檢查分析與訓(xùn)練診斷，提高體能訓(xùn)練的科學(xué)性和智能化水平。

（1）體能訓(xùn)練方案制訂理論模型。

根據(jù)體能訓(xùn)練金字塔理論、板塊訓(xùn)練理論等，結(jié)合軍事體能訓(xùn)練特點，可以開發(fā)具有軍隊特色的漸進式模塊化體能訓(xùn)練理論模型，制訂出相應(yīng)的有針對性的體能訓(xùn)練方案。

模型中最下層為基礎(chǔ)訓(xùn)練模塊，包括關(guān)節(jié)的柔韌性、靈活性，核心的穩(wěn)定性、控制能力，以及推、拉、蹲、弓步、屈體、扭轉(zhuǎn)、步態(tài)等基本動作模式的準確性。這一部分是體能訓(xùn)練的基石，是運動效率、運動表現(xiàn)和傷病預(yù)防的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。倒數(shù)第二層為力量素質(zhì)訓(xùn)練環(huán)節(jié)，力量是體能訓(xùn)練的基礎(chǔ)，沒有力量就談不上速度、耐力、靈敏和技能生成。力量素質(zhì)通常包括力量耐力、肌肥大、最大力量和爆發(fā)力等，它們是一個循序漸進的過程，通常先進行力量耐力訓(xùn)練，再進行最大力量和爆發(fā)力訓(xùn)練，效果和安全性更佳。倒數(shù)第三層是耐力、速度和靈敏訓(xùn)練，3種素質(zhì)與運動表現(xiàn)和作戰(zhàn)行動密切相關(guān)，三者通常按照耐力、速度和靈敏順序進行訓(xùn)練，首先提升心肺有氧能力，然后再提高速度和靈敏性，靈敏要以耐力和速度為基礎(chǔ)。最后一層為專項能力，具體到軍隊，就是軍事技能和作戰(zhàn)行動表現(xiàn)，是在前三種素質(zhì)基礎(chǔ)上的綜合運用，是戰(zhàn)斗力釋放的最終體現(xiàn)，這階段通常與具體的技戰(zhàn)術(shù)相配合共同實現(xiàn)。

（2）體能訓(xùn)練方案制訂的模塊化周期性重構(gòu)。

在漸進式模塊化金字塔體能訓(xùn)練理論模型基礎(chǔ)上，結(jié)合周期性訓(xùn)練理論，可以對力量、耐力、速度等主要素質(zhì)進行模塊化周期性安排。

①力量計劃

力量訓(xùn)練包括4個階段，力量耐力訓(xùn)練階段、增肌階段、最大力量階段、力量爆發(fā)力階段。根據(jù)力量訓(xùn)練狀態(tài)（訓(xùn)練年限）進行分級，每個級別對應(yīng)不同的訓(xùn)練階段、訓(xùn)練頻率（見表1），再根據(jù)前述測試模塊中的學(xué)員測試成績及訓(xùn)練目標(biāo)確認訓(xùn)練強度、訓(xùn)練時間，自動生成符合個體差異的力量訓(xùn)練計劃。

表1 力量訓(xùn)練周期性訓(xùn)練表

②耐力計劃

主要使用LSD（長距離慢跑）、節(jié)奏訓(xùn)練、間歇訓(xùn)練、重復(fù)訓(xùn)練和法特萊克訓(xùn)練等方法進行訓(xùn)練，并采取周期性訓(xùn)練方法來實施。

周期性訓(xùn)練可以分為4個階段（見表2），每個訓(xùn)練階段均是上一個訓(xùn)練階段的基礎(chǔ)。

表2 耐力訓(xùn)練周期性訓(xùn)練表

根據(jù)受訓(xùn)者體能成績進行分級，每個級別對應(yīng)不同的訓(xùn)練階段，自動生成包含有氧耐力訓(xùn)練方法、訓(xùn)練頻率、訓(xùn)練強度、訓(xùn)練時間的訓(xùn)練計劃。

③速度計劃

速度的發(fā)展需要建立在一定的力量基礎(chǔ)之上，因此速度訓(xùn)練同樣根據(jù)力量訓(xùn)練狀態(tài)（訓(xùn)練年限）進行分級。在達到了一定的力量基礎(chǔ)后（設(shè)定值），再進行速度訓(xùn)練，并且仍要根據(jù)力量計劃的執(zhí)行過程來設(shè)計速度計劃，如速度訓(xùn)練可以在單獨日安排，也可以穿插安排進力量訓(xùn)練課起始階段。

（3）訓(xùn)練方案制訂系統(tǒng)功能實現(xiàn)。

借助數(shù)據(jù)庫技術(shù)、智能代理技術(shù)、深度學(xué)習(xí)算法等，可以實現(xiàn)對體能訓(xùn)練方案的自動化制訂、檢查分析與訓(xùn)練診斷，主要包括基本信息、訓(xùn)練計劃制訂、檢查與分析、訓(xùn)練診斷、數(shù)據(jù)倉庫等部分（功能結(jié)構(gòu)如圖2）。

圖2 訓(xùn)練方案制訂模塊功能結(jié)構(gòu)圖

2.3、動作學(xué)習(xí)訓(xùn)練分系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對體能各類專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，對動作模式的掌握，對虛擬與增強訓(xùn)練手段的運用，載體主要有文字、視頻、三維動畫、交互平臺、模擬軟件等。主要包括體育知識庫、MOOC課程庫、動作視頻庫、運動技術(shù)診斷與訓(xùn)練平臺、虛擬訓(xùn)練平臺等。

（1）體育知識庫。把體能訓(xùn)練相關(guān)的知識按照學(xué)科體系進行梳理歸納并數(shù)字化，形成體育知識專家?guī)?，為體能訓(xùn)練提供理論支撐。主要包括運動生理學(xué)、運動解剖學(xué)、運動力學(xué)、運動生物化學(xué)、運動保健學(xué)、運動損傷與防護等體育運動科學(xué)知識；籃球、足球、排球、游泳、體操、武術(shù)等競技項目專項知識、技術(shù)與裁判法，以及體育史、體育管理、體育心理學(xué)、運動訓(xùn)練學(xué)、體育教學(xué)法等相關(guān)外延知識；

（2）MOOC課程庫?？梢钥醋黧w育知識庫的一部分，主要內(nèi)容包括各訓(xùn)練項目的MOOC課程、微課等，如體操、游泳、格斗、障礙、越野以及籃球、足球、排球等各類競技項目MOOC課程、微課程等，能夠為受訓(xùn)者提供完整的學(xué)習(xí)資源和考核需求；

（3）動作視頻庫。把體能訓(xùn)練方案相關(guān)的訓(xùn)練內(nèi)容以視頻、動畫等形式呈獻出來，為受訓(xùn)者提供直觀、生動的訓(xùn)練體驗，能夠有效提升訓(xùn)練效率和準確性。其主要內(nèi)容包括熱身、放松、力量訓(xùn)練、速度訓(xùn)練、耐力訓(xùn)練、靈敏訓(xùn)練、平衡訓(xùn)練、穩(wěn)定性訓(xùn)練等科目的視頻動畫等，也包括一些各項目國內(nèi)外經(jīng)典比賽與訓(xùn)練視頻；

（4）運動技術(shù)診斷與訓(xùn)練平臺。主要利用視頻成像、動作捕捉、深度學(xué)習(xí)和智能分析技術(shù)，對比標(biāo)準技術(shù)動作要求，自動或半自動實現(xiàn)各主要項目的動作演示、技術(shù)動作診斷和針對性訓(xùn)練，有效糾正和提高動作要領(lǐng)和技術(shù)水平，如器械、格斗等項目的運動技術(shù)診斷與訓(xùn)練系統(tǒng)等；

（5）虛擬訓(xùn)練平臺。虛擬技術(shù)應(yīng)用于運動訓(xùn)練領(lǐng)域主要表現(xiàn)為通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備向受訓(xùn)者展示可交互的、由計算機或現(xiàn)實攝影生成的、與體育運動情景相關(guān)的虛擬環(huán)境，以此來評估、訓(xùn)練、提高受訓(xùn)者在特定項目或技術(shù)動作上的表現(xiàn)。虛擬技術(shù)在體能訓(xùn)練中的應(yīng)用主要包括：虛擬試驗項目，就是把一些抽象的、復(fù)雜的運動與生理生化試驗用虛擬技術(shù)直觀的、生動的呈現(xiàn)出來，能夠節(jié)約成本、提高重復(fù)使用率和訓(xùn)練質(zhì)量；虛擬專項訓(xùn)練系統(tǒng)，包括游泳、格斗、越野以及技術(shù)比較復(fù)雜的各類競技項目的虛擬訓(xùn)練，能夠提供一個沉浸式、多感知、交互性的運動訓(xùn)練環(huán)境；虛擬情境互動訓(xùn)練系統(tǒng)，利用計算機3D成像、運動人體捕捉和摳像技術(shù)，使受訓(xùn)者根據(jù)屏幕上情景的適時變化和提示及時完成各種訓(xùn)練動作，并達到預(yù)設(shè)訓(xùn)練目標(biāo)，該系統(tǒng)可用于傷病康復(fù)訓(xùn)練與各類動作模式訓(xùn)練中。

2.4、監(jiān)控反饋分系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對訓(xùn)練過程的適時監(jiān)控，對考核數(shù)據(jù)的及時收集，對訓(xùn)練效果的及時反饋。主要包括智能考核系統(tǒng)、動態(tài)運動監(jiān)控系統(tǒng)、智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)和移動APP信息終端等幾部分。

（1）智能考核系統(tǒng)。主要利用射頻技術(shù)、動作識別技術(shù)、可穿戴技術(shù)等，結(jié)合大綱考核要求和國家體能測試標(biāo)準，分階段對3000m、引體向上、俯臥撐、仰臥起坐、30m×2m往返跑、障礙、游泳等項目進行自動化考核評估，考核數(shù)據(jù)作為體能監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)的一部分納入大數(shù)據(jù)平臺，測量可以定期也可以不定期，能夠階段性反映受測者的體能狀況；

（2）動態(tài)運動監(jiān)控系統(tǒng)。借助可穿戴技術(shù)、傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)等，利用智能化運動手表、手環(huán)、心率帶、運動衣、運動鞋等設(shè)備，實現(xiàn)對心率、能耗、路徑、距離、配速等參數(shù)的測量，適時監(jiān)控受測者的運動表現(xiàn)，與大數(shù)據(jù)平臺一起能夠?qū)崿F(xiàn)對被觀測者全過程、全時段、動態(tài)運動監(jiān)控，全面掌握分析受測者運動表現(xiàn)和體能訓(xùn)練科學(xué)性與合理性；

（3）智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)。借助Omegawave等設(shè)備，運用訓(xùn)練窗理論，可以對人體的機能與體能狀態(tài)作出實時的綜合性診斷和評估，測量內(nèi)容包括靜心率指標(biāo)、安全心率閥值、功能狀態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、能量代謝系統(tǒng)數(shù)據(jù)、心電圖和心臟功能數(shù)據(jù)等，可以實現(xiàn)對人體身體疲勞和恢復(fù)狀況、能量代謝狀況、神經(jīng)功能狀況和肌肉功能狀況的有效測量，從而實現(xiàn)對運動狀況的適時監(jiān)測，為訓(xùn)練計劃的及時調(diào)整和訓(xùn)練傷病預(yù)防提供有力支撐。該系統(tǒng)側(cè)重于對人體內(nèi)在環(huán)境參數(shù)進行精細化測量與監(jiān)控，而動態(tài)運動監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)重于對外在運動數(shù)據(jù)進行大批量的收集與監(jiān)測，二者相配合能夠?qū)崿F(xiàn)對個體的全角度、全要素監(jiān)控；

（4）移動APP信息終端。主要是指應(yīng)用于面向受測者手機的應(yīng)用軟件開發(fā)，通過APP可以實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和訓(xùn)練各項功能的有效反饋。它可以通過編程語言進行開發(fā)，也可以利用成熟應(yīng)用平臺進行二次開發(fā)。

2.5、大數(shù)據(jù)平臺

主要運用大數(shù)據(jù)、云計算和深度學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)對訓(xùn)練各類數(shù)據(jù)的收集、存儲、統(tǒng)計分析、深層挖掘和科學(xué)管理，它是整個智能化體能訓(xùn)練系統(tǒng)的基石，是系統(tǒng)信息終端?？梢苑譃閿?shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)訪問層及應(yīng)用層等幾個大的部分。市場上已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)和系統(tǒng)可提供二次開發(fā)，亦可委托專業(yè)公司進行研發(fā)。

3、小結(jié)

上文對智能化條件下軍事體能訓(xùn)練體系進行了初步研究，構(gòu)設(shè)了包括體質(zhì)能測評、方案制訂、動作學(xué)習(xí)訓(xùn)練、監(jiān)控反饋、大數(shù)據(jù)管理平臺五位一體智能化體能訓(xùn)練系統(tǒng)，可以實現(xiàn)體能訓(xùn)練的全要素、全過程、全維度管理。對全面提升我軍體能訓(xùn)練質(zhì)量，提升部隊信息化水平，加強部隊?wèi)?zhàn)斗力建設(shè)具有重要意義和廣闊應(yīng)用前景。但系統(tǒng)的實現(xiàn)還需要智能化技術(shù)的支持，需要軟硬件環(huán)境的支撐，當(dāng)前智能化體能訓(xùn)練設(shè)備無論從性能上、功能上、體系上，還是從智能化程度上都有較大差距，需要投入大量人力財力進行研發(fā)，離真正開發(fā)出智能化系統(tǒng)、形成訓(xùn)練能力還有很長的路要走。