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球类项目惯性动作分析及运动员负荷特征

2018-06-29陈小平蔡旭旦周年生

浙江体育科学 2018年4期
关键词:球类冲刺次数

冯 锐,陈小平,蔡旭旦,周年生

(1.宁波大学 体育学院,浙江 宁波 315211;2.国家体育总局 体育科学研究所,北京 100061; 3.上海体育学院 体育教育训练学院,上海 200438)

0 前 言

目前,球类项目监测身体运动的需求已经越来越受重视[1-12]。运动员在训练和比赛中的身体运动可以为教练员、体育科研人员以及医务人员提供有价值的信息,通过对这些数据的分析能够量化运动员的运动能力与运动需求,为科学化训练和参赛奠定基础。同时,对运动员训练和比赛的持续监测可以获得课、日、周、月和周期等不同训练单位(区间)的身体负荷,不仅可以了解各个训练区间的各类不同等级的身体运动,对训练负荷进行管理和调整,而且还能够在总体上把控身体状态,对损伤、疲劳以及过度训练进行有效的监控。

21世纪以来,随着科学技术的发展,通过在训练和比赛中使用佩戴微型传感器(可穿戴设备),如:GPS系统、加速度计、陀螺仪、磁力计,来对球类项目中身体运动进行监测的研究日渐增长[1-8]。通过对这些数据进行专业的处理,使得这些技术能够监测运动员在运动中身体活动的各个方面。

惯性动作分析(Inertial Movement Analysis, IMA)和运动员负荷(PlayerLoadTM)则是近年来出现的基于加速度传感器技术对运动员比赛和训练中运动形式深入分析的两个较为重要的新型指标。这两个指标的出现弥补了原有GPS技术在反应运动员运动形式上的不足——即GPS只能对运动员运动过程中的位移进行监测,而无法反映出运动过程中产生大量能量消耗的加速、减速、变向活动的情况。为此,本文使用“中国知网(CNKI)”、“谷歌学术(Google Scholar)”、“研究之门(Research Gate)”等国内外学术搜索引擎,以“惯性动作分析(IMA)”、“运动员负荷(PlayerLoadTM)”、“加速和减速(Acceleration And Deceleration)”为关键词,检索中外相关研究文献80余篇(国内文献约5篇,国外文献约80篇)。通过逻辑分析、归纳和总结出球类项目惯性动作分析和运动员负荷的特征,并对这些特征的生物学背景做进一步深入分析,以期达到对我国球类项目训练及监控提供参考和借鉴作用。

1 惯性动作分析、运动员负荷的定义及其应用

1.1 惯性动作分析的定义及其应用

惯性动作分析(Inertial Movement Analysis, IMA)根据先进的卡尔曼滤波算法,使用原始加速计和陀螺仪数据来创建非重力加速向量(或数据)。IMA的目的是检测某加速活动,并计算其大小和方向,具体而言,这类加速活动被称为IMA活动,并定义为即时一步动作范围内的动作撷取(如:突发的变向活动)。根据特效算法,在加速曲线中识别这类活动的起点和终点。根据前后轴和横向中间加速度之和,活动大小(IMA大小)可计算为曲线下面积。根据Δ速度(m·s-1)测量该值——即脉冲测量。此外,活动方向(IMA方向)可根据所施加的加速度角度来进行计算,并以度为单位(±180°)进行度量[13]。

根据IMA大小,生产软件(Catapult Sprint 5.14,澳大利亚墨尔本Catapult Sports公司)可对活动期间所发生的IMA活动次数进行计数(IMA计数)。为将基于跑动的活动排除在估算外,仅纳入了大于且等于1.5 m·s-2的活动,另外,这些IMA计数可归类为窄强度频带,如低强度为1.5~2.5 m·s-2,中强度为2.5~3.5 m·s-2,高强度为>3.5 m·s-2(默认强度)。也可根据IMA方向,在特定的定向频带内对IMA计数进行归类。它包括向前(-45°至45°),向后(-135°至135°),向左(-135°至-45°),向右(45°至135°)4个方向(见图1)。

图1 IMA计数依据IMA的量级能够被分为低、中、高强度,或根据IMA方向分为向前、向后、向左、向右4个方向 注:本图根据Catapult Sports(2013a)修改

目前,该技术已经被用于足球、橄榄球等球类项目,监测比赛和训练中运动员不同方向和强度的加速和减速运动[14-19]。该指标弥补了GPS和摄像技术的不足,与GPS比较IMA可以获得对运动员体能影响更大的不同级别(强度)的加速和减速次数,更加全面和客观地反映和评价球类项目运动员的训练和比赛负荷;与摄像分析技术比较拥有传感性能的IMA不仅可以获得动力学数据而且还能够快速反馈测试的结果[20]。

1.2 运动员负荷的定义及其应用

运动员负荷(PlayerLoadTM,PL)是惯性动作分析(IMA)所专门制定的一种人体运动负荷,是三维轴加速数据衍生出的合力向量值。它可以由“这三个向量上(X、Y和Z轴)每个向量加速度瞬时变化率平方之和,再除以100的平方根”表示(见公式)[4,13]。

注:aY=前后轴加速度;aX=中侧加速度;aZ=垂直加速度

运动员负荷的公式变化包括2D身体负荷和单个轴的身体负荷:前后轴(Y轴身体负荷),左右轴(X轴身体负荷)和垂直轴(Z轴身体负荷)。

“运动员负荷”不同于传统的一般意义上的训练负荷,它只是专指球类运动员加速和减速,即启动和急停而产生的身体负荷,该负荷尽管只是全部运动负荷的一部分,但它在球类项目比赛和训练中扮演重要的角色,对运动员的竞技表现、机体疲劳以及运动损伤具有重要影响(见下文)。同时,“运动员负荷”也不同于传统的运用心率(HR)和主观疲劳系数(RPE)的负荷测量,它通过三维轴加速传感装置获得的数据更具精确性和客观性。目前,该指标已经应用于球类项目训练和比赛负荷分析及其伤病预防[21-31],在运用过程中人们仍在不断改进该指标的测量方法,例如进一步分析三轴传感器不同方向力值对运动员水平速度和跳跃高度的不同影响作用,以期获得与运动形式更加一致的信息。

2 球类项目IMA特征应用分析

2.1 球类项目IMA与GPS指标特征比较分析

表1是不同研究者对不同强度段加速与减速的划分区间[13,32],涉及加速与减速的文献基本都以表中两种划分区间为标准。两种划分方式虽然存在微小的差别,但各强度之间都仅相差1m·s-2,且最低与最高强度之间也仅相差0.5 m·s-2,以此将加速与减速划分为低、中和高强度三个级别。

表1 不同强度段加速与减速区间

注:根据Benjamin Reksten Holme等,2015;Richard Akenhead等,2013

表2是意大利职业男子曲棍球运动员和挪威职业男子足球运动员全场比赛加速与减速次数的统计。结果显示职业足球比赛总加减速次数均高于曲棍球,这可能与足球比赛的场地和时间特点有关,更大场地和更长的比赛时间使得足球运动员需要进行更频繁的加减速。这两项数据的对比能够为教练员训练时有氧与无氧训练频率的不同安排提供指导。

表2 职业男子足球和曲棍球加速与减速次数比较

注:根据Terje Dalen等,2016;Antonio Buglions等,2013

图2是英国职业男子足球运动员全场比赛各项跑动指标距离占总跑动距离的比例,从中可以看出加速与减速大约共占了总跑动距离的18%,而高速跑和冲刺跑只占了7%,这说明加速与减速在职业足球运动中具有十分重要的研究价值,相比高速跑和冲刺跑这类高速的跑动特征,加速和减速会带来更高的身体紧张度与能量消耗,因为即便处于低速的跑动中也可能存在高强度的加速与减速。因此,对于足球等这类充斥着高强度间歇性以及重复冲刺的球类项目,仅仅研究速度以及相关衍生指标容易忽视总的能量消耗和负荷特征以及因此产生的疲劳,更应该对加速与减速等爆发式的运动形式进行深入分析。另一方面也说明这类运动除了对于运动员有氧能力的需求外,同样需要具备更强的无氧能力,因此提示教练员向心与离心训练在这类项目中具有重要价值。

表3是英国职业男子足球运动员全场各项跑动指标的距离,从中可以看出下半场的总加速与总减速距离相对上半场明显下降。

图2 英国职业男子足球运动员各项跑动指标比例注:根据Richard Akenhead等,2013;高速跑(≥5.8 m·s-1);冲刺跑(≥6.7 m·s-1;加速(>1m·s-2);减速(>-1m·s-2)

2.2 球类项目上下半场IMA特征分析

表3 英国职业男子足球运动员各项跑动指标距离(m)

注:根据Richard Akenhead等,2013;高速跑(≥5.8 m·s-1),冲刺跑(≥6.7 m·s-1),总加速度(>1m·s-2),总减速度(>-1m·s-2),低于上半场(+)

表4是英超俱乐部预备队男子足球运动员各项跑动指标的情况,该数据显示下半场的总加速与减速次数相对上半场也同样出现明显下降。

表4 英超俱乐部男子预备队足球运动员各项跑动指标情况

注:根据Mark Russell等,2016;高强度跑(>5.5 m·s-1),高强度加速(>3 m·s-2),总加速次数(>0.5m·s-2),总减速次数(>-0.5m·s-2);上下半场具有显著性差异(P≤0.01)

由此可见,随着比赛时间的不断推进,不同水平职业足球运动员的加速与减速次数均出现明显的下降趋势[33]。然而,表3与表4的数据还同时显示,上下半场的高强度跑动距离(高速跑、冲刺跑、高强度加速)基本没有发生变化甚至略有增加。这表明,占据能量消耗较大比例的加速与减速次数是反映足球运动员体能消耗的一个相对敏感的指标,当足球运动员疲劳之后,他们可以通过增加低速跑的比例代偿性地保持甚至增加占跑动比例较小的高速跑量,达到维持比赛强度的目的,但是其体能的下降却无法避免加速和减速次数的降低。

2.3 球类项目不同位置IMA特征分析

图3是挪威职业男子足球运动员全场不同位置的加速与减速次数,从图3中可以看出边前卫和边后卫的加速与减速次数均高于中卫和中后卫,中后卫全场的加速与减速次数最低。

图3 挪威职业男子足球运动员不同位置加速与减速次数对比

图4 澳大利亚职业男子足球运动员不同位置最大加速次数与冲刺次数(a)以及高速跑动次数(b)的关系 注:根据M.C.Varley等,2013;●中后卫▲中卫△边前卫○边后卫;最大加速2.78m·s-2,高速跑动≥4.17 m·s-1,冲刺6.94-10.00 m·s-1

图4是澳大利亚职业男子足球运动员全场不同位置最大加速、高速跑动以及冲刺三者次数的关系,根据图4所示中后卫和中卫的最大加速、高速跑动以及冲刺次数均少于边前卫和边后卫,边后卫三项指标的次数最高,中后卫最低。

结合图3和图4的结果显示,当前足球的进攻多由边路发动[34],所以边锋和边后卫需要不断进行前后的折返跑动,加速和减速次数较多,其中又由于边后卫不仅需要频繁地参与进攻而且还要承担对方边路进攻的防守任务,所以其加速和减速次数更为频繁。同时,中路球员则更多地担任攻防的组织角色,加之活动区域相对狭小、球员人数相对密集的限制,其跑动虽然频繁但其速度达不到加速或减速的要求,所以他们的加速和减速次数较少。由此可见,IMA的数据不仅可以从负荷的角度显示运动员的场上比赛能力及其变化,而且还可以通过不同位置球员的加速和减速次数分析比赛的战术变化。

2.4 球类项目不同速度区间IMA特征分析

表5是Jocelyn K Mara等根据不同的初始以及末速度区间对不同区间加速与减速进行划分(A表示加速,D表示减速)[35]。这种划分是以“强度”为标准将加速和减速分为6个不同等级,1~5级是按照初始速度和最终速度的大小划分,而第6级则是按照初始与最终速度差划分,即加速时从低的初始速度到最高的最终速度,减速时则相反,这样的划分显然是考虑到不同加速和减速对人体骨骼和肌肉的刺激程度,将该指标更加紧密地与训练、疲劳和恢复结合,指导球类项目运动员的训练。

表5 不同初始及末速度区间划分加速与减速强度

注:根据Jocelyn K Mara等,2017;加速(≥2m·s-2),减速(≥-2m·s-2)

表6是澳大利亚职业女子足球运动员不同位置不同强度的加速与减速次数。结果显示,各个位置球员在纵向上都出现1~5级加速或减速次数递减的趋势,而第6级次数均高于第5级。从各个不同位置来看,中后卫的加速或减速次数不同于其它位置,在总次数上明显少于其它位置,尤其在A2和D2以上的强度等级上少于其它位置。

表6 澳大利亚职业女子足球运动员不同位置不同强度的加速与减速次数

注:根据Jocelyn K Mara等,2017;加速(≥2m·s-2),减速(≥-2m·s-2)

这一结果表明,女子足球运动员的加速和减速分级次数与运动员不同强度的跑动一样,可以反映运动员的比赛跑动强度,并且具有明显的规律,可以作为教练员训练的依据。例如,可以根据不同强度出现的频率次数设计不同的加速或减速(启动和急停)训练组数和次数,对不同位置球员训练的区别对待,例如中后卫的训练等等。同时,该强度的划分还可以客观反映足球运动员肢体的负荷,如果能够不断持续获得训练中的此类数据,就可以推断出训练的质量,并且及时跟进相应的恢复手段,预防和减少运动损伤的发生。

表7 澳大利亚职业女子足球运动员不同强度每次加速与减速距离

注:根据Jocelyn K Mara等,2017;加速(≥2m·s-2),减速(≥-2m·s-2)

表7的数据显示了运动员在不同强度级别每次的加速和减速的距离,该指标从另一个角度反映了加速和减速的负荷。总体上各种加速和减速的平均距离大约在1~4m之间,大多数强度级别的距离集中在1~3m,只有最高强度的6级加速和减速平均距离达到4m。同时,该指标还可以测出每一个强度级别的最大距离,结合平均距离可以作为跑动训练的依据。在训练中,教练员可以根据这些比赛中出现的加速和减速距离设计针对不同强度级别训练的距离,例如强度1~5级和第6级运用不同的距离等等。

综上所述,加速与减速等爆发式的运动形式在球类运动中具有十分重要的研究价值,在比赛中相比高速跑和冲刺跑这类高速跑动特征占据了更多的运动负荷。因此,对于具有高强度间歇性以及重复冲刺的球类项目,更应该对加速与减速等爆发式的运动形式进行深入分析。应用三维加速度计的惯性传感器能够对加速和减速等爆发式离散型的身体活动特征进行有效监测,进而更加准确全面地获知比赛中不同半场以及不同位置运动员加速与减速的分布情况,从而利于对比赛中疲劳的产生进行更深入的认识。另外,针对球类项目除了对运动员有氧能力具有较高要求外,同样要求运动员具有较强的加减速及变向等瞬间爆发能力,以及具备出色的短距离反复冲刺的能力,以适应球类项目间歇性高强度的运动特征。因此,通过对球类项目IMA特征的分析对于运动员训练提出了更为科学化的要求,如何更加合理安排有氧和无氧训练比例、离心与向心训练强度,如何更加精细化训练不同速度区间的加速和减速能力以便在攻防快速变换、高低强度不停转变的比赛中始终保持良好的加速、减速以及变向等跑动能力,已成为当前球类项目训练的重点和难点,也是我国球类项目发展的关键所在。

3 球类项目运动员负荷特征分析案例

表8是挪威职业男子足球运动员不同位置全场、加速和减速的运动员负荷统计。根据数据可以得出全场比赛加速产生的运动员负荷占总运动员负荷的7%~10%,总运动员负荷中减速负荷占了5%~7%。因此为了更加准确全面地获取全场比赛的运动员负荷特征,除了对不同速度段的运动员负荷进行监测外,同时不能忽视加速与减速的负荷量。

表8 挪威职业男子足球运动员运动员负荷特征

注:根据Terje Dalen等,2016

表9是挪威职业男子足球运动员不同位置每米其余运动员负荷、每米加速负荷以及每米减速负荷的分布情况。

表9 挪威职业男子足球运动员每米运动员负荷特征

注:根据Terje Dalen等,2016;▲每米其余运动员负荷(不包含加速和减速产生的运动员负荷)

结合表8和表9可以看出中后卫的总运动员负荷、每米其余运动员负荷以及每米加减速负荷相对较高,然而根据先前的研究可知中后卫相对其他位置除了走动外,在高速以及加减速距离和次数相对更低[36],从中可以看出三维轴加速度传感器对于低速运动(例如走动)所产生的运动员负荷的监测具有重要意义,另外也说明仅仅使用GPS以及心率值对二维的跑动指标参数进行运动员负荷的评估会造成对总运动员负荷的低估。根据表9可以计算得出,总每米加速负荷和总每米减速负荷均高于每米其余运动员负荷,从中也可以看出加速与减速产生的负荷在总运动员负荷中的重要性。

综上所述,仅使用GPS技术会造成对比赛中运动员总负荷量的片面监测,从而造成对总能量消耗的低估,进而无法准确评价运动员的疲劳程度。另外,相比高速跑动与冲刺跑,加速和减速会带来更高的身体紧张度与能量消耗,即便处于低速的跑动中也可能存在高强度的加速与减速,这尤其体现在比赛中后卫位置的高速跑、冲刺以及加速次数和距离均少于其余位置,然而总运动员负荷和每米运动员负荷均高于其余位置,若仅使用GPS监测则会导致对于中后卫负荷量的低估,从而造成训练中不合理的运动强度的安排。

4 总结及建议

GPS技术只能对与速度相关的位移型跑动指标(例如:高速跑、冲刺等)进行监测,一方面忽略了比赛中频繁的加速和减速等身体活动特征,另一方面会造成对比赛总能量消耗以及总运动负荷的轻视,从而无法准确全面地进行相关训练的指导和安排。应用三维惯性加速度传感器的微动作捕捉设备能够对加速、减速、弹跳以及碰撞等爆发式离散型的身体活动特征进行有效监测,进而更加准确全面地获知比赛中的能量代谢和运动员负荷情况,从而利于对比赛中疲劳的产生有更进一步的认识。

全场足球比赛中总加速与减速距离约占总跑动距离的18%,总加速与减速负荷约占总运动员负荷的15%,体现了加速与减速在团体球类项目中的重要性。因此在团体球类项目的训练中,应将有氧耐力训练同向心(加速)和离心(减速)训练相结合作为训练的重点。

加速与减速作为一种短距离的高强度跑动在足球、曲棍球等球类运动中对于一对一争夺球至关重要。优秀的加速能力能够使得带球时不易被追击拦截,能够在防守时更有效拦截抢断,并且能够在一对一争夺时占得先机。减速能力与变向能力密切相关,优秀的减速能力使得在带球的时候更有效地控球,避免在高速带球急停时失球,并且能够有效避开对方的抢断。另外,变向以及急停中恰当地减速能够预防非接触性损伤,例如前交叉韧带损伤。

足球比赛中不同位置球员均表现出不同的加减速以及运动员负荷特征。边路球员总加减速的次数和距离均高于中路球员,中后卫总运动员负荷和每米运动员负荷均高于其余位置。不同位置不同的身体活动特征启示教练员在训练中针对不同位置球员需进行针对性的训练量与训练次数以期达到相适应的负荷刺激使得比赛中不同位置达到各自最优的效用。

通过将不同速度区间与加减速相结合的研究可以得出针对提高不同加减速能力的训练。教练员可以设定3~6m的距离,让运动员以高速到冲刺的速度来训练高速跑中“主导型”的加速能力。可以设定4~7m的距离,让运动员从静止或低速到冲刺的速度对爆发式的加速能力进行训练。另外,训练从高速到低速的减速能力可以设定3~6m的距离,从冲刺到低速则可以设定为4~8m。

目前缺少对比赛中IMA不同时间段变化特征的研究,即将整场比赛时间段进行不同时间间隔的细分,例如在一场足球比赛中以15min为一个时间间隔将整场比赛划分为6个时间段来分析IMA的时间变化特征,也可以进一步以5min为一个时间间隔将整场比赛划分为18个时间段对IMA的瞬时变化特征进行分析,针对不同时间段划分的分析能够对比赛中的瞬时疲劳进行更加深入的研究。

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