球场上的科技与狠活|三大球运动会|科学|足球

— 精彩书摘 —

赛场智能系统

现代体育赛场已越来越多地由一系列精密、高效的智能系统所支撑。如视频助理裁判（VAR）系统和半自动越位识别技术（SAOT），在减少误判、增强裁判权威性方面发挥着关键作用。以Sport VU系统为代表的多镜头追踪技术，通过对场上所有运动轨迹进行高频捕捉与数据化分析，为战术制定与实时调整提供深度洞察。而智能可穿戴设备则通过对运动员内外负荷的实时监测，实现对训练的精细化控制与科学化管理。同时，这些技术的应用也带来了比赛流畅性、数据隐私安全等新的挑战。

一 VAR技术

在全球化的浪潮中，体育赛事被赋予了象征国家、象征民族的重要价值。体育裁判是体育比赛的重要参与者，是体育赛事规则的执行者、传播者和维护者，在实现规则价值方面具有不可或缺的作用。体育裁判的判罚公平与否是影响运动员比赛成绩的重要因素。为了树立裁判的权威性，同时确保比赛结果的公平性，裁判必须做出公正的判罚。“公平”是曼德拉体育思想的核心之一，但是在比赛过程中，裁判难免会有误判或者漏判的情况发生，这在一定程度上影响了赛场的公平性。数字技术与体育裁判的结合，可以帮助减少因人体机能限制所导致的裁判不公现象。

举例来说，随着科学训练理念与高科技训练设备的发展，运动员的技术水平不断提高，在瞬息万变的足球比赛中，球的速度越来越快，球队之间的攻防转换节奏也不断加快，球的轨迹以及球与运动员的肢体接触很多时候难以被裁判准确界定，球员的假动作与假摔等情况具有隐蔽性与欺骗性，这导致裁判员的判罚与处理突发事件的难度增加，从而容易造成误判、漏判等问题的出现，直接影响到竞赛主体的权益。因此，国际足联在2018年的俄罗斯世界杯上首次引入VAR系统，允许裁判员利用录像回放来进行比赛判罚，这一做法体现了国际足联维护公正的信念。VAR系统由多个高速摄像机组成，主要帮助裁判员解决点球判罚、进球是否有效、处罚对象判断以及是否出示红牌四个方面的问题。视频裁判团队包括1名视频助理裁判和3名视频助理裁判助理。此外还包括多名回放专员，从高速摄像机所拍摄的海量信息中筛选出有用信息，为视频裁判团队提供协助。在2018年俄罗斯世界杯小组赛瑞典对阵韩国的比赛当中，韩国队出现了犯规但是主裁判并未吹罚，视频助理裁判通过录像回放，认定韩国队犯规并将视频反馈给主裁判，当值主裁判确认后改判韩国队犯规，瑞典队获得一次点球。目前，VAR系统已经广泛应用于各大足球联赛。在引入VAR系统以后，各级联赛的犯规、越位数量都有所下降。

二 SAOT技术

越位是足球比赛的一项重要规则，对于足球比赛的结果尤为重要，在越位判罚中，助理裁判可能会出现错判与漏判两种情况。其中，漏判使得进攻方获益，错判则导致防守方获益。纵观全世界各级足球联赛，越位判罚出现错判或者漏判的情况在总越位判罚中均占据一定比例，虽然国际级助理裁判在做出越位判罚时比国家级助理裁判更加准确，但即便是世界杯这样的顶级比赛仍无法避免失误的情况。在2018年俄罗斯世界杯决赛阶段的比赛中，VAR系统一共吹罚了29次越位犯规。传统吹罚越位犯规的方法不仅容易引起竞赛主体和球迷的争议，而且较为耗时，影响比赛的流畅度。因此，2022年卡塔尔世界杯引入了SAOT技术。

SAOT的全称是Semi-Automated Offside Technology，它是一项半自动越位识别技术，是VAR技术的进化。SAOT系统主要由跟踪摄像头、AI系统和球内传感器三部分组成。使用SAOT技术时，工作人员会在球场顶部安装12个专用的跟踪摄像头，用来跟踪场上的足球和每个球员的位置。卡塔尔世界杯官方比赛用球中安装有中心内置传感器，传感器会以每秒500次的频率将足球的实时定位数据传递给VAR团队，从而帮助视频助理裁判更加准确地定位踢球点。摄像机与传感器所收集到的数据会由AI系统进行分析，判断球员是否形成越位。一旦AI系统判定越位事件发生，SAOT系统会自动发出警报，随后VAR团队会在申请主裁判介入判罚之前验证SAOT系统的判罚是否正确，再根据现场情况与主裁判进行沟通。该系统为主裁判提供了更加快速和准确的判罚依据，从而提高了判罚效率，对全场比赛的流畅性影响更小。当主裁判完成判罚以后，SAOT系统会生成3D越位图，方便教练和球迷更加直观地了解球员的越位情况。

从某种程度上来说，如VAR和SAOT等科技辅助裁判系统的引入使得裁判的判罚更加公正和准确，赢得了场内外的一致认可。VAR与SAOT为体育带来的积极影响还不止于此，它们不仅促进了足球比赛朝着规范化、专业化的方向发展，还提高了人们对“科技+体育”的认可度。越来越多数据驱动的技术进入了体育领域，促使传统体育项目逐步适应当今时代的发展。

三 Sport VU技术

Sport VU系统，意为多镜头追踪系统，由科学家塔米尔于2005年发明，最初应用于军事领域。美国STATS公司于2008年收购了这项技术，并将其运用于篮球数据分析。在应用Sport VU技术的过程中，首先由球场上空安装的高清移动摄像头追踪场上裁判、球员和球的运动轨迹，这些摄像头会以25fps的频率拍摄图像，并记录时间；随后利用光学识别软件捕捉球员的每个动作，如传球、投篮、运球等，并将其记录下来；通过专业软件，可以生成比赛详情数据，并在比赛详情数据的基础上于90s内生成比赛报告。

NBA球员的基础数据体现在得分、助攻、盖帽、抢断、篮板、犯规、失误等方面。然而这些基础数据有时并不能完全展现球员在场上的表现情况。例如2016赛季雷霆对阵鹈鹕的一场比赛中，雷霆队员安德烈·罗伯森全场出战22分钟，得到了0分0板0助攻0抢断0盖帽0失误0犯规的数据，仅凭这些基础数据的统计并不能衡量罗伯森在雷霆防守体系中的贡献与作用。而Sport VU系统会记录球员的防守位置、防守倾向、攻防类型、防守成功与失败等信息，这些数据无法在传统的数据统计表中得到体现，但是却与比赛结果密切相关。Sport VU技术的最大优势就是其数据的实时应用性。通常在一场篮球比赛中，教练员可以根据Sport VU系统所提供的上半场比赛的数据，灵活地进行战术调整。在2024年NBA季后赛雄鹿对阵步行者的一场比赛中，雄鹿球员利拉德在上半场得到了35分，19投11中，其中6球为三分球。步行者教练基于现代高阶光学追踪系统（Sport VU改进系统）所传递的数据，布置了针对利拉德的战术，将利拉德下半场的得分限制到0分。当然，Sport VU系统的作用远不止为教练组布置战术提供依据这么简单，它还可以应用在制订训练计划等方面。例如通过数据来观察运动员的比赛状态，若运动员出现移动速度下降、投篮命中率下降、弹跳高度与弹速下降，但心率仍维持在较高水平的情况，说明运动员此时正处于疲劳状态。教练团队可以根据这些数据来决定是否调整运动员的训练与轮休计划。

四智能可穿戴设备

智能可穿戴设备是将无线通信、运动监测传感器等技术嵌入人们直接穿戴的运动装备中，实现人体运动和生理数据的采集，是实现人机信息智能交互的纽带。在竞技体育领域中，以交互理念为主的智能可穿戴设备通过收集用户的生理信号并对其进行能量的收集、储存和监测，从而为运动员、教练员提供实时、准确的数据反馈。运动员竞技能力的提高与日常训练中的运动负荷密切相关，运动负荷是指运动员进行运动训练时，机体生理与心理所承受的训练刺激。适度的运动负荷有助于运动员竞技能力的提高，过度的运动负荷则容易导致运动员出现运动损伤。因此，量化运动负荷并对其进行精细控制是科学化训练的关键。智能可穿戴设备可以对人体内部负荷及外部负荷进行监测，人体内部负荷的指标主要包括体液指标、心肺指标和神经肌肉指标，外部负荷的指标包括跑动距离、间歇时间、训练频率等。教练员通过智能可穿戴设备所反馈的实时数据能够了解运动员的身体状况并调整训练计划。同时在大众体育领域中，智能可穿戴设备已经成为大众健身的重要辅助手段。

— 内容简介 —

在人工智能与大数据技术浪潮下，体育工程正迈向智能化转型的关键阶段。本书系统阐述了数据驱动下体育工程的理论框架、核心技术与应用实践。

全书首先从技术革命的宏观视角出发，探讨现代体育工程的战略意义，梳理该学科的学术谱系、发展现状与前沿动态，构建智能体育工程的核心理论范式，阐明体育工程与数据科学的融合路径。其次，在技术层面，聚焦智能体育工程的关键技术环节，详细论述运动数据的多源感知、采集、预处理与质量控制全流程；在方法层面，深入探讨运动仿真与虚拟重构的建模方法、应用场景及面临的挑战；在应用层面，通过多维场景展示智能技术在体育核心领域的应用潜力。最后，以前瞻性视角全面剖析智能体育工程面临的核心技术挑战，并对数据隐私、算法偏见等关键伦理与治理问题进行反思。

— 作者简介 —

赵毅博，副教授，河北师范大学体育学院研究生教务办公室主任。兼任中国高校校办产业协会数字体育工作委员会副会长，现于中国科学技术大学攻读模式识别与智能系统专业博士学位。主要研究方向为体育工程、体育人工智能、运动生物力学。主持河北省社会科学基金项目、河北省教育厅自然科学基金项目等多项课题。在《中国体育科技》等高水平学术期刊发表论文多篇，获国家发明专利4项，科研成果荣获2013年中国体育科学学会科学技术奖三等奖。

— 目录 —

绪论

第一章智能体育工程的核心范式

第一节数据驱动的内涵、价值与应用领域

第二节体育工程与数据科学的融合路径

第三节智能体育工程的定义与范畴

第二章体育工程学的基础理论

第一节力学与材料科学

第二节人体系统动力学

第三节计算科学

第三章数据科学与人工智能核心理论

第一节从数据到知识的数据科学