基于大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)的智能體育健康管理系統(tǒng)研究

鄧峰 樊永鋒

摘 要：構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)的智能體育健康管理系統(tǒng)，向居民推薦科學(xué)的、個性化的體育健身方式，有助于居民避免運(yùn)動損傷和預(yù)防疾病，有利于政府實(shí)時把控居民的體質(zhì)狀況。本文分析了大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)在構(gòu)建智能體育健康管理系統(tǒng)中的應(yīng)用和優(yōu)勢，提出該系統(tǒng)有四個功能：基本信息管理功能、健康狀況評估功能、運(yùn)動損傷和疾病預(yù)測功能、科學(xué)健身方式推薦功能。該系統(tǒng)由用戶層、物聯(lián)網(wǎng)層、通信層、網(wǎng)絡(luò)層、功能層、規(guī)則層、數(shù)據(jù)層等構(gòu)成。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)挖掘;物聯(lián)網(wǎng);體育健康;智能管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP393.09;TP311.13文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）07-0014-04

Intelligent Sport-health Management System Based on Big Data Mining and Internet of Things

DENG Feng FAN Yongfeng

（College of Physical Education， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450044）

Abstract： The intelligent sports-health management system based on big data mining and Internet of Things is helpful to evaluate residents' sports health behavior， recommend scientific and personalized sports fitness methods to residents， and avoid sports injuries and prevent diseases. It can help the government to control residents' physical health in real time and build a healthy China in an all-round way. This paper analyzed the application methods and advantages of big data mining and Internet of Things in the construction of intelligent sport-health management system. The system should include basic information management function， health assessment function， sports injury and disease prediction function and scientific fitness mode recommendation function. The system should be composed of user layer， Internet of Things layer， communication layer， network layer， function layer， rule layer and data layer.

Keywords： big data mining;Internet of Things;sports health;intelligent management system

新時代，科學(xué)的體育健身行為是滿足人民日益增長的美好生活需要的重要支撐條件之一。而不科學(xué)的運(yùn)動方式和過度運(yùn)動會引發(fā)肌肉損傷、關(guān)節(jié)變形、心功能損傷、缺鐵性貧血、運(yùn)動性血尿蛋白尿、運(yùn)動性哮喘等疾病。目前，居民對體育健身方式的認(rèn)知不盡科學(xué)，出現(xiàn)了很多不規(guī)范、易損傷的體育健身方式，損害居民健康。

2019年1月，國家體育總局與國家發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布《進(jìn)一步促進(jìn)體育消費(fèi)的行動計劃（2019—2020年）》，計劃中提出要大力推行《國家體育鍛煉標(biāo)準(zhǔn)》，引導(dǎo)和支持社會力量開發(fā)不同人群的體育技能培訓(xùn)課程，充分借助互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等手段，提供形式多樣、有針對性的運(yùn)動處方和健身指導(dǎo)。2019年8月，國務(wù)院發(fā)布《體育強(qiáng)國建設(shè)綱要》，提出要建立面向全民的體育運(yùn)動水平等級標(biāo)準(zhǔn)和評定體系，要運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，提升智慧化全民健身公共服務(wù)能力。

我國“十四五”規(guī)劃中提出要全面建設(shè)健康中國，居民健康應(yīng)以防范為主，治療為輔?？茖W(xué)的健身方式是促進(jìn)健康的主要方式。當(dāng)前，居民面臨諸多健身方法和運(yùn)動項(xiàng)目，究竟哪一種健身方式適合自己，如何科學(xué)地選擇運(yùn)動項(xiàng)目和健身方式，這對居民來說是一個難題。基于大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)的智能體育健康管理系統(tǒng)可以隨時隨地收集所有居民的健身、健康數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)挖掘的聚類算法和推薦算法，實(shí)時監(jiān)控居民的健康狀況，向居民推薦個性化的體育健身方式。

1 大數(shù)據(jù)挖掘在智能體育健康管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)挖掘是從海量數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息。大數(shù)據(jù)挖掘要完成兩個任務(wù)：一是將各種結(jié)構(gòu)類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類或聚類，將海量的數(shù)據(jù)分為幾種類型，便于處理，以減少計算量;二是采用預(yù)測模型和推薦模型分析數(shù)據(jù)，找出有用的信息，探尋事物發(fā)展規(guī)律，幫助用戶做出決策。常用的預(yù)測模型有時間序列模型、決策樹、貝葉斯分類模型等，常用的推薦算法主要有基于內(nèi)容的推薦算法、協(xié)同過濾推薦算法、基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的推薦算法、基于效用的推薦算法等。

大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以將收集到的海量的居民體育健身和健康數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析和整理，評估居民的健康狀況和運(yùn)動損傷狀況[1]。將大數(shù)據(jù)處理技術(shù)用于運(yùn)動損傷的評估，可以提高運(yùn)動損傷評估的準(zhǔn)確性和有效性，并提升運(yùn)動損傷數(shù)據(jù)處理的效率[2]。具體來說，通過預(yù)測模型為用戶預(yù)測可能出現(xiàn)的運(yùn)動損傷和由過度運(yùn)動造成的慢性疾病;采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對人們的健身行為進(jìn)行分析，以指導(dǎo)體育訓(xùn)練[3];采用推薦模型為用戶推薦適合于自己的個性化的科學(xué)健身方式。

2 物聯(lián)網(wǎng)在智能體育健康管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)是利用網(wǎng)絡(luò)和各種傳感設(shè)備收集信息，將人與人、人與物、物與物相連，實(shí)現(xiàn)智能化的遠(yuǎn)程管理控制。5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量高達(dá)每秒10 G，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間低于1 ms，超高的傳輸量和超低的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間加速了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。利用5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能將居民、可穿戴設(shè)備、智能步道、智能健身器材、智能健身場館等連接起來，為智能體育健康管理系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)推薦的科學(xué)健身方式推送給居民。物聯(lián)網(wǎng)在健身數(shù)據(jù)收集和信息輸出方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

2.1 多端口的數(shù)據(jù)收集

收集居民健身行為數(shù)據(jù)和健康狀況數(shù)據(jù)是構(gòu)建智能體育健康管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了真實(shí)的、海量的數(shù)據(jù)，才能采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建精準(zhǔn)的科學(xué)健身方式的推薦模型。物聯(lián)網(wǎng)通過可穿戴式裝備、智能健身器材、智能步道、智慧場館等收集居民運(yùn)動數(shù)據(jù)。

可穿戴式設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于體育活動中[4]。用于體育的可穿戴式設(shè)備有智能手環(huán)、智能運(yùn)動鞋、智能頭帶、智能服裝等?？纱┐魇皆O(shè)備常與手機(jī)、電腦、電子屏等顯示設(shè)備相連，以便用戶查看數(shù)據(jù)?？纱┐魇皆O(shè)備通常收集用戶的心率、運(yùn)動時間、運(yùn)動強(qiáng)度、消耗的卡路里、肌肉乳酸堆積量等數(shù)據(jù)。

智能健身器材在健身和體能訓(xùn)練中運(yùn)用較多。智能健身器材配置各種傳感器、控制器、計算模型、顯示器，用于收集和顯示用戶運(yùn)動時的心率、阻力、爆發(fā)力、運(yùn)動時間、身體部位的動作軌跡、消耗的卡路里等數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析用戶健身動作的規(guī)范性、健身方式的科學(xué)性。

智能步道由智能硬件、云平臺、小程序組成。智能硬件主要由人流量探測系統(tǒng)、智能互動大屏、健康心率柱、體質(zhì)檢測屋等組成。智能步道可以實(shí)時收集在步道上運(yùn)動的居民數(shù)量、居民運(yùn)動步數(shù)、居民運(yùn)動時間、消耗的卡路里等數(shù)據(jù)。

智慧場館是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的智能化體育場館。目前，智慧場館用于收集用戶健身數(shù)據(jù)的設(shè)備和智能步道的設(shè)備相似，都是通過接觸式裝備、小程序來實(shí)現(xiàn)的。未來，在5G網(wǎng)絡(luò)的支持下，智慧場館應(yīng)通過紅外設(shè)備、移動信號、定位系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)自動收集每個居民的運(yùn)動數(shù)據(jù)。

2.2 多端口的信息輸出

通過物聯(lián)網(wǎng)能將居民健康的評估結(jié)果和個性化科學(xué)健身方式的推薦結(jié)果推送給居民，信息輸出的端口除了傳統(tǒng)的電腦、手機(jī)、電視外，還有可穿戴性設(shè)備、健身器材的顯示屏、公用的智能互動屏幕、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）設(shè)備等。

可穿戴式設(shè)備一般都配置有小型的顯示屏。未來，裝載有全息影像技術(shù)的可穿戴式設(shè)備將以立體的形式更加形象地顯示居民健康的評估結(jié)果，會更加逼真地呈現(xiàn)規(guī)范、科學(xué)的健身方式，將居民的運(yùn)動軌跡與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動軌跡進(jìn)行對比，讓居民對自己錯誤的健身動作有深刻的了解。

健身器材的顯示屏?xí)皶r顯示居民健身數(shù)據(jù)曲線，讓居民看到生理特征、肌肉乳酸堆積量、韌帶承受力量、疲勞程度隨運(yùn)動時間和運(yùn)動強(qiáng)度變化的曲線，了解自己在運(yùn)動時的生理極限，有效地預(yù)防運(yùn)動所造成的肌肉損傷、關(guān)節(jié)損傷、骨骼損傷和運(yùn)動疾病。

公用的智能互動屏幕可顯示大眾健康統(tǒng)計數(shù)據(jù)、大眾健身統(tǒng)計數(shù)據(jù)、個人與他人比較的健身數(shù)據(jù)等。通過了解自己的健身排名，激發(fā)居民的運(yùn)動競爭欲望，獲得運(yùn)動成就感，讓居民享受健身的快樂，養(yǎng)成良好的健身習(xí)慣。

使用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備，可以模擬居民的健身動作，將健身動作與標(biāo)準(zhǔn)動作進(jìn)行對比，讓居民形象地看到自己的錯誤動作，預(yù)測在錯誤動作下可能產(chǎn)生的運(yùn)動損傷和慢性疾病。居民采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）設(shè)備能模仿標(biāo)準(zhǔn)動作，糾正錯誤動作，達(dá)到體育健身的效果。

3 基于大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)智能體育健康管理系統(tǒng)的功能

基于大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)的智能體育健康管理系統(tǒng)有兩類用戶：一類是參與運(yùn)動的普通居民，另一類是從事大眾體育、大眾健康公共管理的工作人員。該系統(tǒng)應(yīng)包含四個功能：基本信息管理功能、健康狀況評估功能、運(yùn)動損傷和疾病預(yù)測功能、科學(xué)健身方式推薦功能。

3.1 基本信息管理功能

該功能用于管理用戶的基本健康信息，具體功能為：個人基本運(yùn)動數(shù)據(jù)的錄入和查看（數(shù)據(jù)包括居民編號、姓名、地區(qū)、年齡、性別、體重、項(xiàng)目、持續(xù)運(yùn)動時段、每次運(yùn)動時間、運(yùn)動損傷史、既往病史等），個人體育運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)錄入和查看（數(shù)據(jù)包括個人基本信息、運(yùn)動時的最大心率、運(yùn)動時間、運(yùn)動量、消耗的卡路里、乳酸堆積量等），個人健身和健康信息導(dǎo)入（居民將微信運(yùn)動信息、可穿戴智能設(shè)備信息、智能健身器材信息自動導(dǎo)入系統(tǒng)），健身和健康信息統(tǒng)計結(jié)果查看（每個時期的健身統(tǒng)計圖和健康狀況統(tǒng)計圖）。

3.2 健康狀況評估功能

該功能可根據(jù)居民輸入的信息、可穿戴式設(shè)備和智能健身器材收集的信息和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，適時評估居民個人的健康狀況。該功能采用預(yù)定的健康狀況評估模型，根據(jù)實(shí)時收集的用戶個人基本運(yùn)動信息和運(yùn)動狀態(tài)信息，評估用戶在靜止時的健康狀況和運(yùn)動時的健康狀況。這些預(yù)定的健康狀況評估模型來自運(yùn)動醫(yī)學(xué)中的健康評估模型。

3.3 運(yùn)動損傷和疾病預(yù)測功能

該功能根據(jù)大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和運(yùn)動醫(yī)學(xué)模型，預(yù)測用戶在健身過程中可能出現(xiàn)的運(yùn)動損傷和疾病。首先，采用模糊聚類技術(shù)，根據(jù)用戶的年齡、體重、性別、運(yùn)動項(xiàng)目、持續(xù)運(yùn)動時段、既往病史五個指標(biāo)將用戶聚類，分成多個用戶類型。然后，采用協(xié)同過濾技術(shù)和模糊時間序列預(yù)測模型預(yù)測用戶在健身時可能出現(xiàn)的運(yùn)動損傷和疾病。

3.4 科學(xué)健身方式推薦功能

該功能基于內(nèi)容的協(xié)同過濾、關(guān)聯(lián)規(guī)則等大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以及運(yùn)動醫(yī)療模型，根據(jù)居民的年齡、性別、體重、既往病史、運(yùn)動環(huán)境等信息，為其推薦科學(xué)的體育健身方式，防止居民從事不良的體育運(yùn)動，避免造成運(yùn)動損傷、身體機(jī)能疾病、意志品質(zhì)下降等不良影響，提高體育健身對健康的促進(jìn)效果。

4 基于大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)的智能體育健康管理系統(tǒng)的構(gòu)成

基于大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)的智能體育健康管理系統(tǒng)由七層構(gòu)成（見圖1），分別是用戶層、物聯(lián)網(wǎng)層、通信層、網(wǎng)絡(luò)層、功能層、規(guī)則層、數(shù)據(jù)層。

①用戶層。用戶層是居民應(yīng)用界面的集合，用戶通過健身APP、微信小程序、健身器材自帶的用戶界面、電腦網(wǎng)頁等與物聯(lián)網(wǎng)層交互，錄入或查看個人信息。

②物聯(lián)網(wǎng)層。物聯(lián)網(wǎng)層包括可穿戴式設(shè)備、手機(jī)或電腦、智能健身器材、智慧健身場館、智能步道、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）設(shè)備等硬件。硬件設(shè)備中預(yù)先存儲與用戶交互的界面程序、健身數(shù)據(jù)的計算和存儲模型，能實(shí)現(xiàn)簡單的信息查詢、評估、預(yù)測等功能。

③通信層。通信層主要包括4G和5G無線網(wǎng)絡(luò)。通過無線網(wǎng)絡(luò)，將用戶信息傳入Internet網(wǎng)，或者將Internet網(wǎng)的信息傳給用戶。

④網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層為Internet網(wǎng)絡(luò)，遵循國際通用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)，將用戶信息傳入預(yù)定網(wǎng)站，或者將用戶需要的信息從預(yù)定網(wǎng)站傳入用戶界面。

⑤功能層。功能層是智能體育健康管理系統(tǒng)的核心部分。該層從數(shù)據(jù)層獲取需要計算的健身數(shù)據(jù)，從規(guī)則層選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，獲得運(yùn)算結(jié)果后將健康狀況評估信息、運(yùn)動損傷及疾病預(yù)測信息、科學(xué)的健身方式等推薦信息通過網(wǎng)絡(luò)層、通信層、物聯(lián)網(wǎng)層推送給用戶。

⑥規(guī)則層。規(guī)則層是智能體育健康系統(tǒng)的智能化部分，包含運(yùn)動損傷和疾病評估模型庫、數(shù)據(jù)挖掘方法庫、科學(xué)健身方式知識庫等。運(yùn)動損傷和疾病評估模型庫存儲運(yùn)動損傷和評估模型，基于運(yùn)動醫(yī)學(xué)已有的研究成果以及數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果，根據(jù)用戶的年齡、性別、體重、靜止時心率、運(yùn)動時心率、持續(xù)運(yùn)動時段、既往病史等指標(biāo)評估用戶的健康狀況，預(yù)測可能出現(xiàn)的運(yùn)動損傷和疾病。數(shù)據(jù)挖掘方法庫存儲了各種聚類算法、推薦算法、時間序列預(yù)測算法、遺傳算法等，用以推測可能出現(xiàn)的運(yùn)動損傷和疾病?？茖W(xué)健身知識庫存儲運(yùn)動醫(yī)療的專業(yè)知識和標(biāo)準(zhǔn)的健身動作，與數(shù)據(jù)挖掘算法結(jié)合推薦科學(xué)的健身方案。

⑦數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層存儲用戶運(yùn)動信息，包括個人基本運(yùn)動數(shù)據(jù)庫、個人體育運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)庫兩個數(shù)據(jù)庫。個人基本運(yùn)動數(shù)據(jù)庫存儲用戶的年齡、性別、體重、靜止時心率、運(yùn)動周期、運(yùn)動時間、運(yùn)動項(xiàng)目、運(yùn)動損傷史等基本數(shù)據(jù)。個人體育運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲用戶運(yùn)動時的最大心率、運(yùn)動時消耗的卡路里、運(yùn)動時間、運(yùn)動量、運(yùn)動時乳酸堆積量、運(yùn)動時肌肉和骨骼受重等數(shù)據(jù)。

5 基于大數(shù)據(jù)挖掘和物聯(lián)網(wǎng)的智能體育健康管理系統(tǒng)的意義

借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)檢測居民的體育健康行為，是提升全民健身公共服務(wù)能力的重要環(huán)節(jié)，是建設(shè)健康中國的技術(shù)支撐。將物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與體育、健康知識、運(yùn)動醫(yī)學(xué)知識相融合構(gòu)建智能體育健康管理系統(tǒng)，提高國民體育健康行為評估的精確度，及時、有效地監(jiān)測居民體育健康行為，為居民提供科學(xué)的體育健身指導(dǎo)，能夠有效預(yù)防疾病的發(fā)生，降低醫(yī)療費(fèi)用，從而節(jié)省國家的醫(yī)療資源。

5.1 變革了數(shù)據(jù)收集方式

現(xiàn)有的智能健身器材、可穿戴性設(shè)備、健身APP收集的數(shù)據(jù)比較單一，不能對居民的身體狀況進(jìn)行全面分析。在物聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)下，可以通過并入物聯(lián)網(wǎng)的多種設(shè)備全面地、實(shí)時地收集用戶的健康和健身數(shù)據(jù)[5]，不需要居民再穿戴或使用任何設(shè)備，采用無線的圖像收集和分析方式可直接獲取健身數(shù)據(jù)。

5.2 變革了數(shù)據(jù)處理方式

系統(tǒng)中存儲了運(yùn)動醫(yī)學(xué)的定性數(shù)據(jù)、海量的用戶健身數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)大多是非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，要用數(shù)據(jù)挖掘中的特別算法來處理這些非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，甚至要根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)設(shè)計新的模型和算法，使分析結(jié)果與實(shí)際狀況相契合，以達(dá)到居民健康狀況的精準(zhǔn)評估，為居民智能推薦個性化的、科學(xué)的健身方式。大數(shù)據(jù)挖掘變革了數(shù)據(jù)處理方式，以適應(yīng)海量的健身健康數(shù)據(jù)、運(yùn)動醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的處理，提高處理效率。

5.3 變革了居民健身方式

根據(jù)每個居民的健康狀況，智能體育健康系統(tǒng)會推薦個性化的、科學(xué)的健身方式，使每個居民的健身方式符合其體質(zhì)和健康需要，不再使用千篇一律的健身方法和運(yùn)動模式。同時，智能體育健康系統(tǒng)能指導(dǎo)居民采用規(guī)范的健身動作，更好地預(yù)防運(yùn)動損傷和慢性疾病的發(fā)生[6]。

5.4 變革了體質(zhì)健康的管理模式

以往，政府通過指派專職的工作組測試居民健康狀況，這將耗費(fèi)大量的人力和物力。采用智能體育健康系統(tǒng)實(shí)時收集居民的運(yùn)動健身數(shù)據(jù)，可以實(shí)時監(jiān)控居民的體育健身情況，把控居民體質(zhì)健康狀況，了解居民的健身需求，制定符合實(shí)際情況的體育健身引導(dǎo)措施，對每位居民實(shí)施精準(zhǔn)的健身方式宣傳。

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