球場上的科技與狠活

— 精彩書摘 —

賽場智能系統

現代體育賽場已越來越多地由一系列精密、高效的智能系統所支撐。如視頻助理裁判（VAR）系統和半自動越位識別技術（SAOT），在減少誤判、增強裁判權威性方面發揮著關鍵作用。以Sport VU系統為代表的多鏡頭追蹤技術，通過對場上所有運動軌跡進行高頻捕捉與數據化分析，為戰術制定與實時調整提供深度洞察。而智能可穿戴設備則通過對運動員內外負荷的實時監測，實現對訓練的精細化控制與科學化管理。同時，這些技術的應用也帶來了比賽流暢性、數據隱私安全等新的挑戰。

一 VAR技術

在全球化的浪潮中，體育賽事被賦予了象征國家、象征民族的重要價值。體育裁判是體育比賽的重要參與者，是體育賽事規則的執行者、傳播者和維護者，在實現規則價值方面具有不可或缺的作用。體育裁判的判罰公平與否是影響運動員比賽成績的重要因素。為了樹立裁判的權威性，同時確保比賽結果的公平性，裁判必須做出公正的判罰。“公平”是曼德拉體育思想的核心之一，但是在比賽過程中，裁判難免會有誤判或者漏判的情況發生，這在一定程度上影響了賽場的公平性。數字技術與體育裁判的結合，可以幫助減少因人體機能限制所導致的裁判不公現象。

舉例來說，隨著科學訓練理念與高科技訓練設備的發展，運動員的技術水平不斷提高，在瞬息萬變的足球比賽中，球的速度越來越快，球隊之間的攻防轉換節奏也不斷加快，球的軌跡以及球與運動員的肢體接觸很多時候難以被裁判準確界定，球員的假動作與假摔等情況具有隱蔽性與欺騙性，這導致裁判員的判罰與處理突發事件的難度增加，從而容易造成誤判、漏判等問題的出現，直接影響到競賽主體的權益。因此，國際足聯在2018年的俄羅斯世界杯上首次引入VAR系統，允許裁判員利用錄像回放來進行比賽判罰，這一做法體現了國際足聯維護公正的信念。VAR系統由多個高速攝像機組成，主要幫助裁判員解決點球判罰、進球是否有效、處罰對象判斷以及是否出示紅牌四個方面的問題。視頻裁判團隊包括1名視頻助理裁判和3名視頻助理裁判助理。此外還包括多名回放專員，從高速攝像機所拍攝的海量信息中篩選出有用信息，為視頻裁判團隊提供協助。在2018年俄羅斯世界杯小組賽瑞典對陣韓國的比賽當中，韓國隊出現了犯規但是主裁判并未吹罰，視頻助理裁判通過錄像回放，認定韓國隊犯規并將視頻反饋給主裁判，當值主裁判確認后改判韓國隊犯規，瑞典隊獲得一次點球。目前，VAR系統已經廣泛應用于各大足球聯賽。在引入VAR系統以后，各級聯賽的犯規、越位數量都有所下降。

二 SAOT技術

越位是足球比賽的一項重要規則，對于足球比賽的結果尤為重要，在越位判罰中，助理裁判可能會出現錯判與漏判兩種情況。其中，漏判使得進攻方獲益，錯判則導致防守方獲益。縱觀全世界各級足球聯賽，越位判罰出現錯判或者漏判的情況在總越位判罰中均占據一定比例，雖然國際級助理裁判在做出越位判罰時比國家級助理裁判更加準確，但即便是世界杯這樣的頂級比賽仍無法避免失誤的情況。在2018年俄羅斯世界杯決賽階段的比賽中，VAR系統一共吹罰了29次越位犯規。傳統吹罰越位犯規的方法不僅容易引起競賽主體和球迷的爭議，而且較為耗時，影響比賽的流暢度。因此，2022年卡塔爾世界杯引入了SAOT技術。

SAOT的全稱是Semi-Automated Offside Technology，它是一項半自動越位識別技術，是VAR技術的進化。SAOT系統主要由跟蹤攝像頭、AI系統和球內傳感器三部分組成。使用SAOT技術時，工作人員會在球場頂部安裝12個專用的跟蹤攝像頭，用來跟蹤場上的足球和每個球員的位置。卡塔爾世界杯官方比賽用球中安裝有中心內置傳感器，傳感器會以每秒500次的頻率將足球的實時定位數據傳遞給VAR團隊，從而幫助視頻助理裁判更加準確地定位踢球點。攝像機與傳感器所收集到的數據會由AI系統進行分析，判斷球員是否形成越位。一旦AI系統判定越位事件發生，SAOT系統會自動發出警報，隨后VAR團隊會在申請主裁判介入判罰之前驗證SAOT系統的判罰是否正確，再根據現場情況與主裁判進行溝通。該系統為主裁判提供了更加快速和準確的判罰依據，從而提高了判罰效率，對全場比賽的流暢性影響更小。當主裁判完成判罰以后，SAOT系統會生成3D越位圖，方便教練和球迷更加直觀地了解球員的越位情況。

從某種程度上來說，如VAR和SAOT等科技輔助裁判系統的引入使得裁判的判罰更加公正和準確，贏得了場內外的一致認可。VAR與SAOT為體育帶來的積極影響還不止于此，它們不僅促進了足球比賽朝著規范化、專業化的方向發展，還提高了人們對“科技+體育”的認可度。越來越多數據驅動的技術進入了體育領域，促使傳統體育項目逐步適應當今時代的發展。

三 Sport VU技術

Sport VU系統，意為多鏡頭追蹤系統，由科學家塔米爾于2005年發明，最初應用于軍事領域。美國STATS公司于2008年收購了這項技術，并將其運用于籃球數據分析。在應用Sport VU技術的過程中，首先由球場上空安裝的高清移動攝像頭追蹤場上裁判、球員和球的運動軌跡，這些攝像頭會以25fps的頻率拍攝圖像，并記錄時間；隨后利用光學識別軟件捕捉球員的每個動作，如傳球、投籃、運球等，并將其記錄下來；通過專業軟件，可以生成比賽詳情數據，并在比賽詳情數據的基礎上于90s內生成比賽報告。

NBA球員的基礎數據體現在得分、助攻、蓋帽、搶斷、籃板、犯規、失誤等方面。然而這些基礎數據有時并不能完全展現球員在場上的表現情況。例如2016賽季雷霆對陣鵜鶘的一場比賽中，雷霆隊員安德烈·羅伯森全場出戰22分鐘，得到了0分0板0助攻0搶斷0蓋帽0失誤0犯規的數據，僅憑這些基礎數據的統計并不能衡量羅伯森在雷霆防守體系中的貢獻與作用。而Sport VU系統會記錄球員的防守位置、防守傾向、攻防類型、防守成功與失敗等信息，這些數據無法在傳統的數據統計表中得到體現，但是卻與比賽結果密切相關。Sport VU技術的最大優勢就是其數據的實時應用性。通常在一場籃球比賽中，教練員可以根據Sport VU系統所提供的上半場比賽的數據，靈活地進行戰術調整。在2024年NBA季后賽雄鹿對陣步行者的一場比賽中，雄鹿球員利拉德在上半場得到了35分，19投11中，其中6球為三分球。步行者教練基于現代高階光學追蹤系統（Sport VU改進系統）所傳遞的數據，布置了針對利拉德的戰術，將利拉德下半場的得分限制到0分。當然，Sport VU系統的作用遠不止為教練組布置戰術提供依據這么簡單，它還可以應用在制訂訓練計劃等方面。例如通過數據來觀察運動員的比賽狀態，若運動員出現移動速度下降、投籃命中率下降、彈跳高度與彈速下降，但心率仍維持在較高水平的情況，說明運動員此時正處于疲勞狀態。教練團隊可以根據這些數據來決定是否調整運動員的訓練與輪休計劃。

四 智能可穿戴設備

智能可穿戴設備是將無線通信、運動監測傳感器等技術嵌入人們直接穿戴的運動裝備中，實現人體運動和生理數據的采集，是實現人機信息智能交互的紐帶。在競技體育領域中，以交互理念為主的智能可穿戴設備通過收集用戶的生理信號并對其進行能量的收集、儲存和監測，從而為運動員、教練員提供實時、準確的數據反饋。運動員競技能力的提高與日常訓練中的運動負荷密切相關，運動負荷是指運動員進行運動訓練時，機體生理與心理所承受的訓練刺激。適度的運動負荷有助于運動員競技能力的提高，過度的運動負荷則容易導致運動員出現運動損傷。因此，量化運動負荷并對其進行精細控制是科學化訓練的關鍵。智能可穿戴設備可以對人體內部負荷及外部負荷進行監測，人體內部負荷的指標主要包括體液指標、心肺指標和神經肌肉指標，外部負荷的指標包括跑動距離、間歇時間、訓練頻率等。教練員通過智能可穿戴設備所反饋的實時數據能夠了解運動員的身體狀況并調整訓練計劃。同時在大眾體育領域中，智能可穿戴設備已經成為大眾健身的重要輔助手段。

— 內容簡介 —

在人工智能與大數據技術浪潮下，體育工程正邁向智能化轉型的關鍵階段。本書系統闡述了數據驅動下體育工程的理論框架、核心技術與應用實踐。

全書首先從技術革命的宏觀視角出發，探討現代體育工程的戰略意義，梳理該學科的學術譜系、發展現狀與前沿動態，構建智能體育工程的核心理論范式，闡明體育工程與數據科學的融合路徑。其次，在技術層面，聚焦智能體育工程的關鍵技術環節，詳細論述運動數據的多源感知、采集、預處理與質量控制全流程；在方法層面，深入探討運動仿真與虛擬重構的建模方法、應用場景及面臨的挑戰；在應用層面，通過多維場景展示智能技術在體育核心領域的應用潛力。最后，以前瞻性視角全面剖析智能體育工程面臨的核心技術挑戰，并對數據隱私、算法偏見等關鍵倫理與治理問題進行反思。

— 作者簡介 —

趙毅博，副教授，河北師范大學體育學院研究生教務辦公室主任。兼任中國高校校辦產業協會數字體育工作委員會副會長，現于中國科學技術大學攻讀模式識別與智能系統專業博士學位。主要研究方向為體育工程、體育人工智能、運動生物力學。主持河北省社會科學基金項目、河北省教育廳自然科學基金項目等多項課題。在《中國體育科技》等高水平學術期刊發表論文多篇，獲國家發明專利4項，科研成果榮獲2013年中國體育科學學會科學技術獎三等獎。

— 目錄 —

緒論

第一章 智能體育工程的核心范式

第一節 數據驅動的內涵、價值與應用領域

第二節 體育工程與數據科學的融合路徑

第三節 智能體育工程的定義與范疇

第二章 體育工程學的基礎理論

第一節 力學與材料科學

第二節 人體系統動力學

第三節 計算科學

第三章 數據科學與人工智能核心理論

第一節 從數據到知識的數據科學

第二節 機器學習與深度學習的核心原理

第三節 數據驅動方法論在體育工程中的構建

第四章 體育數據的采集、處理與管理

第一節 運動數據的多源感知與采集技術

第二節 數據的處理與質量控制

第五章 運動仿真與虛擬重構

第一節 運動仿真的基本原理與建模方法

第二節 運動仿真在體育工程中的應用與挑戰

第六章 競技表現的智能化分析與優化

第一節 運動表現的量化分析與診斷

第二節 賽場技戰術分析與決策支持

第七章 智能裝備、設施與場館

第一節 智慧體育場館的構建與運營

第二節 賽場智能系統

第八章 智能體育工程的社會影響

第一節 智能體育工程對體育從業者的影響

第二節 數據驅動技術在學校體育中的應用

第三節 智能體育工程引發的復雜社會問題

第四節 構建負責任的智能體育生態

第九章 體育工程智能化的挑戰

第一節 智能體育工程面臨的核心技術挑戰

第二節 體育工程智能化轉型中的治理困境

第十章 體育工程的未來研究方向與學科發展前沿

第一節 人工智能技術在體育工程中的最新應用進展

第二節 數據驅動技術的未來發展

第三節 體育工程學與其他學科的融合

第四節 新興技術在體育產業中的潛在應用

附錄：體育工程智能化轉型的案例研究

參考文獻

供稿：張思瑩

責編：馬寧

審校：佟譞 趙夢雅