身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)

劉 挺，郝霖霖

《體育強國建設(shè)綱要》強調(diào)要利用科技創(chuàng)新助力競技體育綜合實力提升，推進全民健身智慧化快速發(fā)展，激活體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展主體活力[1]。身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)是一款智能化的身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)，其面向訓練隊、學校體育以及廣大健身愛好者，利用計算機技術(shù)的數(shù)據(jù)處理、儲存能力，實現(xiàn)個人或團隊的身體素質(zhì)數(shù)據(jù)的快速處理和信息共享，現(xiàn)場或遠程了解隊員訓練計劃的執(zhí)行進度和狀態(tài)，追蹤隊員身體素質(zhì)的階段性變化，方便教練員實時掌握隊員的各項身體素質(zhì)數(shù)據(jù)，監(jiān)控身體素質(zhì)訓練過程，為訓練隊及時發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整訓練方案、提高隊員訓練水平提供準確可靠的數(shù)據(jù)服務支持。

1 用戶群體及功能需求

1.1 用戶群體分析

面向運動隊教練員與隊員。身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)身體素質(zhì)訓練計劃的制定、發(fā)布、采用，實現(xiàn)訓練數(shù)據(jù)的記錄、查看、統(tǒng)計，實現(xiàn)個人及全隊的訓練進度、強度、量、時間、曲線等信息的查看，方便教練員對身體素質(zhì)訓練過程的監(jiān)控與管理。

面向?qū)W校體育教師與學生。利用身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)，教師可根據(jù)不同身體素質(zhì)狀況的學生群體有針對性地布置課后體育作業(yè)(即訓練計劃)，學生領(lǐng)取作業(yè)后按照規(guī)定時間進行鍛煉打卡，教師可遠程監(jiān)督學生作業(yè)的完成情況，掌握學生身體素質(zhì)的變化狀況。

面向健身房教練與學員。通過本系統(tǒng)，健身教練可在線制定健身計劃(即訓練計劃)，系統(tǒng)會自動提醒學員按時健身打卡，隊員在健身過程中，健身教練能夠隨時了解學員的健身狀態(tài)，獲取健身周期內(nèi)的身體素質(zhì)變化曲線。

面向廣大健身愛好者。同Keep、咕咚等運動類APP，身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)也具有鍛煉計劃、鍛煉打卡功能，并且借助于神經(jīng)網(wǎng)絡、圖像識別技術(shù)給予用戶智能化的評價，針對性地推薦適合用戶體質(zhì)的鍛煉計劃，為健身愛好者提供幫助。

1.2 功能需求分析

訓練數(shù)據(jù)記錄：記錄力量、速度、耐力等運動數(shù)據(jù)，也可記錄用戶的身高、體重、心率等健康數(shù)據(jù)，以及記錄身體形態(tài)、肌肉發(fā)達程度等體型數(shù)據(jù)。

訓練指導：基于神經(jīng)網(wǎng)絡、圖像識別模型可以自動評價用戶的身體素質(zhì)類型和訓練狀況，智能化的、針對性地推薦給用戶訓練計劃、訓練方法。

訓練計劃：能夠靈活地制定為期多天或者多周的大周期計劃，也可以制定一堂訓練課計劃。

訓練群組：組成多人訓練小組，能夠進行一(教練)對多(隊員)的指導訓練工作。群組具有制定群計劃、發(fā)布群計劃、領(lǐng)取群計劃、執(zhí)行群計劃、監(jiān)督群計劃、查看訓練日志等功能。

訓練評測：匯集眾多用戶的數(shù)據(jù)至后臺數(shù)據(jù)庫中，通過數(shù)據(jù)分析能夠智能化地評測用戶的身體素質(zhì)、身體形態(tài)、身體機能水平，給予準確的定位。

訓練直方圖：能夠根據(jù)用戶指定的時間節(jié)點及練習項目生成圖表，掌握階段性訓練效果。

2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)是一款運動類手機應用程序(Application，簡寫APP)，專注于解決個人或團隊的身體素質(zhì)訓練監(jiān)控需求。它使用手機作為信息交互的終端，相對于電腦PC，手機的用戶群體更加廣泛，信息傳輸具有快捷性、即時性和便利性，并且易于攜帶和操作。系統(tǒng)采用android5.1開發(fā)，系統(tǒng)中涉及的圖像識別模型以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型采用Python6.0以及Keras框架。后臺采用Apache服務器響應APP的各種請求，個人數(shù)據(jù)儲存在用戶手機內(nèi)置的Sqlite數(shù)據(jù)庫中，群組數(shù)據(jù)儲存在服務器端Mysql數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)具有五大功能模塊：訓練群組、訓練計劃、訓練打卡、訓練直方圖、訓練評測。

圖1 身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

五大核心功能模塊既有各自的功能特點，又相互依賴、緊密聯(lián)系。訓練群組將教練員、隊員組成一個小組，實現(xiàn)組內(nèi)訓練信息交互與共享，組外信息隔離。在群組中，隊員可領(lǐng)取群組內(nèi)教練員制定的計劃，也可自行制定訓練計劃。訓練打卡是對訓練計劃的實施，并記錄訓練數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫中。訓練直方圖是匯總多次訓練打卡的數(shù)據(jù)，并以圖表形式直觀地顯示。訓練評測是將身體素質(zhì)數(shù)據(jù)進行智能化的分析和評價，為教練員和隊員評估訓練狀態(tài)以及調(diào)整訓練計劃提供參考。

3 系統(tǒng)基本功能模塊

3.1 訓練計劃模塊

訓練計劃是根據(jù)身體素質(zhì)訓練目標制定的為期多天的訓練任務安排。每一個訓練計劃都有特定主題，如“30天力量練習”(圖2左)。訓練計劃由若干堂訓練課組成，且一天只能有一堂訓練課，每堂訓練課有特定的主題，如“上肢力量”(圖2中)。每一堂訓練課包含著課時計劃，即訓練內(nèi)容的具體安排，由需要完成的多個具體練習項目組成，如深蹲、器械俯臥勾腿等等，每個練習項目需要完成多組，每組有數(shù)量和強度要求(圖2右)。訓練計劃首頁面中羅列著制定好的訓練計劃，訓練計劃有“待開始”“進行中”“暫停中”“已結(jié)束”四種狀態(tài)，只允許一個計劃處于“進行中”。點擊某計劃的開始按鈕，設(shè)定開始時間，該計劃轉(zhuǎn)為“進行中”狀態(tài)，隨后可在“訓練打卡”頁面的日歷中顯示該計劃的每堂訓練課。

圖2 訓練計劃首頁面、訓練課列表頁面、練習項目列表頁面

除了系統(tǒng)推薦的計劃外，用戶可根據(jù)自身需求靈活制定計劃。點擊首頁面中的創(chuàng)建計劃，填寫計劃主題，而后進入訓練課列表頁面，在該頁面中可對訓練課進行新建、復制、編輯、順序調(diào)整以及刪除操作(圖3左)。點擊新建按鈕進入選擇練習項目頁面(圖3中)，為新建訓練課選擇練習項目。練習項目按照三個等級進行樹狀列表顯示，一級指標為類型，如力量練習、耐力練習、速度練習；二級指標是一級指標的細分，如力量練習按照練習部位分為上肢力量、腰腹力量、胸部力量等等；三級指標是每個二級指標下的具練習項目，如胸部力量下的寬距俯臥撐、蝴蝶夾胸、平板臥推等等。練習項目選擇完成后，點擊“下一步”進入設(shè)置項目參數(shù)頁面，調(diào)整練習項目順序，設(shè)定每個練習項目的組數(shù)，制定每組練習達到的數(shù)量和強度目標(圖3右)。點擊“保存課時計劃”按鈕保存設(shè)計好的訓練課，同樣的方法繼續(xù)制定訓練計劃中其他訓練課。

圖3 訓練課列表頁面、選擇練習項目頁面和設(shè)置項目參數(shù)頁面

3.2 訓練打卡模塊

訓練打卡是某次訓練課的具體實施，是記錄訓練數(shù)據(jù)的主要模塊。訓練打卡首頁面的日歷中，以圖標形式標記著“已完成”“未完成”“待開始”“進行中”的訓練課(圖4左)。當天有訓練課時，系統(tǒng)會提醒隊員按時訓練打卡，未到時間的訓練課無法提前打卡。用戶可以對選中的訓練課進行開始、推遲、放棄、復制操作。點擊開始按鈕，進入項目列表頁面，顯示著當天需要完成的練習項目(圖4右)。

圖4 訓練打卡首頁面、項目列表頁面

在項目列表頁面中，用戶逐個完成練習項目，點擊開始按鈕彈出練習開始對話框(圖5左)，此時用戶按照練習數(shù)量和強度目標開始練習。每完成一項，需填寫實際完成的數(shù)量和強度(圖5右)。在記錄練習項目的訓練數(shù)據(jù)時，分為數(shù)量和強度兩個指標。數(shù)量和強度的單位可根據(jù)不同的項目靈活設(shè)置，如力量性練習中，數(shù)量設(shè)為“次”，強度為“kg”，耐力性練習中，數(shù)量可設(shè)為完成的總時間“分”，強度設(shè)為心率“次”。某些練習項目也可只設(shè)定數(shù)量或只設(shè)定強度，如平板卷腹可只記錄數(shù)量，不設(shè)定強度。除了數(shù)量和強度外，系統(tǒng)還記錄每個項目開始的時間，結(jié)束的時間以及耗時。點擊結(jié)束本次訓練后，當天訓練課數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中。

圖5 練習開始對話框、練習完成對話框

3.3 訓練直方圖模塊

訓練直方圖模塊分為健康數(shù)據(jù)直方圖、運動數(shù)據(jù)直方圖和體型數(shù)據(jù)直方圖，其功能是按照時間、項目查找數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，以圖表的形式顯示，直觀地顯示指標的階段性變化狀態(tài)。

健康數(shù)據(jù)包括身高、體重、胸圍、腰圍等指標，點擊相應的指標，系統(tǒng)會以時間為橫軸，指標數(shù)據(jù)為縱軸，顯示數(shù)據(jù)隨時間變化的折線圖(圖6上左)，可通過觀察折線圖了解訓練效果。點擊記錄數(shù)據(jù)，可記錄當天的指標數(shù)據(jù)。

圖6 健康數(shù)據(jù)頁面、體型數(shù)據(jù)頁面、運動數(shù)據(jù)頁面

運動數(shù)據(jù)是按照選取的練習項目和時間段，從數(shù)據(jù)庫中查找訓練課打卡數(shù)據(jù)，然后以時間為橫軸，以數(shù)量和強度為縱軸，顯示數(shù)量和強度隨時間變化的柱狀圖和折線圖，直觀地展示訓練效果(圖6下)。

體型數(shù)據(jù)包括身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)和肌肉發(fā)達程度。BMI是根據(jù)身高、體重計算得到，用于衡量用戶胖瘦程度。肌肉發(fā)達程度評測是利用圖像識別技術(shù)對肌肉輪廓、外形、線條等特征進行提取，并判斷發(fā)達程度的等級，包括胸肌、腹肌、背肌、大腿和手臂五個部位的評測。通過點擊頁面上的拍照按鈕，拍攝相應部位的肌肉照片，系統(tǒng)自動調(diào)用內(nèi)嵌的圖像識別模型對照片進行掃描、分析，得出對應的評價等級，方便健身、健美愛好者了解自身增肌訓練的效果。同時，系統(tǒng)會針對性地檢索到適合該肌肉發(fā)達等級的訓練計劃并推薦給用戶，以此實現(xiàn)智能化指導健身的目的(圖6上右)。受照片拍攝限制，目前該功能僅針對男性肌肉發(fā)達程度識別，不適用于女性。

3.4 訓練群組模塊

訓練群組模塊是實現(xiàn)訓練信息組內(nèi)交流的重要模塊。訓練群組三個主要功能是組內(nèi)訓練計劃管理、隊員訓練進度監(jiān)督以及隊員訓練日志查看。組內(nèi)訓練計劃管理包括對群組計劃的制定、修改、刪除、采用；隊員訓練進度監(jiān)督是以百分數(shù)顯示每個隊員計劃執(zhí)行進度；訓練日志顯示了隊員的訓練時間、練習項目、練習數(shù)量、練習強度等信息。

圖7 群組訓練操作流程

實施組群訓練的操作流程為：教練員與隊員建立群組，教練員制定訓練計劃并發(fā)布至群組計劃列表中，隊員從列表中領(lǐng)取并執(zhí)行計劃，隊員按時訓練打卡，每完成一個練習項目，記錄訓練數(shù)據(jù)。在隊員執(zhí)行群組計劃的過程中，教練員擁有查看隊員訓練進度、訓練日志、訓練數(shù)據(jù)、訓練直方圖的權(quán)限，能夠隨時隨地監(jiān)督每個隊員的訓練情況。

圖8 大周期群組頁面

訓練群組模塊包括大周期群組和訓練課群組。大周期群組適用于為期多天的訓練活動，訓練時間比較長，訓練計劃包括多次訓練課。大周期群組也適用于健身教練為學員制定長周期訓練計劃，或體育教師為學生布置課外體育作業(yè)。在群計劃頁面中，點擊群成員列表中的頭像可查看隊員正在進行的計劃，監(jiān)督該隊員執(zhí)行計劃的進度，掌握隊員健康數(shù)據(jù)、運動數(shù)據(jù)和體型數(shù)據(jù)，從而針對性地給予指導。

不同于大周期群組，訓練課群組中不能發(fā)布大周期訓練計劃，僅能發(fā)布一堂訓練課的課時計劃，適用于教練員臨時組織的一次訓練課。訓練課群組在創(chuàng)建時必須指定訓練日期，訓練課過后無法再執(zhí)行發(fā)布任務、領(lǐng)取任務、添加隊員等操作，但可以查看訓練日志。教練員與多名隊員創(chuàng)建訓練課群組后，頁面中顯示群組成員的頭像和姓名，并顯示每名隊員訓練課任務的完成百分比進度(圖9左)。教練員和隊員都可在群中發(fā)布本次訓練課的課時計劃，隊員領(lǐng)取課時計劃后即可在訓練打卡頁面進行訓練打卡。在訓練課群組中，點擊頭像可查看隊員的課時計劃信息，包括每個練習的狀態(tài)、完成的數(shù)量與強度、耗時、組間休息時間等等(圖9中)。點擊日志可以表格的形式查看全隊課時計劃的執(zhí)行情況，方便教練員整體上監(jiān)控訓練過程(圖9右)。

圖9 訓練課群組界面、個人訓練日志、全隊訓練日志

3.5 訓練評測模塊

訓練評測模塊是通過后臺大數(shù)據(jù)的對比分析，為隊員的力量素質(zhì)、柔韌素質(zhì)、耐力素質(zhì)、速度素質(zhì)以及綜合身體素質(zhì)進行評價，發(fā)現(xiàn)隊員身體素質(zhì)的薄弱環(huán)節(jié)，向用戶提供針對性的訓練計劃，為隊員訓練提供參考和指導，以此達到智能化指導身體素質(zhì)訓練的目的。對于單項身體素質(zhì)的評價，如力量素質(zhì)評價，采用離差法劃分為優(yōu)秀、良好、一般、較差、很差五個等級。對于用戶綜合身體素質(zhì)的評價，是基于K-means聚類以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型對用戶身體素質(zhì)進行分類和判別，準確的識別身體素質(zhì)類型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡在處理非線性關(guān)系映射方面具有強大的優(yōu)勢，利用神經(jīng)網(wǎng)絡評價綜合身體素質(zhì)能夠較好地保證評價結(jié)果的客觀性和準確性。

圖10 訓練評測模塊頁面

4 系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足

4.1 系統(tǒng)的優(yōu)勢

數(shù)據(jù)錄入、交互、保存更加便利。相較于紙筆、電腦，手機更加的便利、便攜，使用人群更廣泛，訓練數(shù)據(jù)錄入、查看、保存、處理以及信息交互更加快速，并且具有遠程監(jiān)控的功能。

群組功能面向團隊訓練。訓練群組功能是其他運動監(jiān)控類軟件所不具備的主打功能，它實現(xiàn)了訓練團隊的組內(nèi)信息交互和共享，一站式解決了訓練計劃制定、發(fā)布、使用以及訓練日志的統(tǒng)計、查看等工作，極大地方便了訓練監(jiān)控過程。

指導訓練更加智能化。神經(jīng)網(wǎng)絡和圖像識別等機器學習技術(shù)的引入，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的身體素質(zhì)類型，針對性地推薦訓練計劃，實現(xiàn)智能化指導訓練的目的。

訓練計劃、訓練項目的制定更加靈活。身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)中除了推薦的訓練計劃以及練習項目外，用戶可以根據(jù)需求自定義，也可以相互分享，與其他運動類APP相比更加靈活。

4.2 系統(tǒng)的不足

在訓練打卡模塊中，練習項目的開始、暫停、結(jié)束以及數(shù)據(jù)的錄入需要手動操作，需要多次點擊屏幕，這讓APP的使用過程略顯煩瑣，如果能與智能手環(huán)、智能跑鞋等設(shè)備連接，自動記錄運動數(shù)據(jù)，可以大大增強用戶體驗。

5 小結(jié)

身體素質(zhì)訓練監(jiān)控系統(tǒng)是一款運動監(jiān)控類手機應用程序，用戶群體主要面向?qū)I(yè)訓練隊，亦面向體育課堂、健身工作室以及廣大健身愛好者，專注于解決個人或團隊的身體素質(zhì)訓練監(jiān)控需求。軟件具有五大功能模塊：訓練群組、訓練計劃、訓練打卡、訓練直方圖以及訓練評測。在實際應用中，軟件可以靈活制定訓練計劃，提供群組訓練監(jiān)控服務以及智能化的訓練指導服務，為用戶實時掌握身體素質(zhì)訓練數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)問題和調(diào)整訓練方案提供準確可靠的數(shù)據(jù)服務支持。