為運動員插上“隱形翅膀”
——記中國石油大學（華東）李宗民教授團隊
◎? 王大勇 趙金曉 王瑞雪 常婷
中國石油大學（華東）青島軟件學院、計算機科學與技術學院李宗民教授團隊開發(fā)的冰壺現(xiàn)場分析和輔助決策支持系統(tǒng),，被成功運用到北京冬殘奧會賽事訓練中去,，為運動員們插上“隱形翅膀”,，助力中國輪椅冰壺隊成功衛(wèi)冕,。
實時獲取運動隊滑冰數(shù)據(jù)并生成軌跡與速度曲線
參與“科技冬奧”兩項研究
在本次冬奧會和冬殘奧會中,，科技創(chuàng)新貫穿于備賽,、參賽,、觀賽等各環(huán)節(jié),。2018年至2021年,，國家科技部組織實施了包含“智慧冰雪場關鍵技術研究”在內(nèi)的國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項項目60項。在科技推動下,，殘奧運動員不斷探索著體能與運動的極限,，詮釋著更高、更快,、更強,、更團結(jié)的奧林匹克精神。
中國石油大學（華東）計算機科學與技術學院李宗民教授課題組參與了國家“科技冬奧”系列重點研發(fā)計劃“智慧冰雪場關鍵技術研究”,，承擔了“冰壺運動現(xiàn)場分析輔助決策系統(tǒng)”和“短道速滑速度滑冰的多目標跟蹤及姿態(tài)識別”兩個課題項目研究,，研發(fā)具備多目標檢測、跟蹤,、軌跡分析,、典型姿態(tài)識別和同步數(shù)據(jù)疊加功能的典型冰上項目多源數(shù)據(jù)分析和輔助訓練系統(tǒng)，為教練員和運動員制定針對性訓練計劃提供技術支撐,，成功實現(xiàn)了攜手科技入冬奧,、“我”與國家共筑智慧冰雪場的目標。
李宗民教授課題組由4名教師,、4名博士生,、30名碩士生和3名本科生組成。2019年10月,，課題組承擔的兩個項目正式啟動,，2020年初進行調(diào)研并給出項目研究計劃，2020年下半年于校園內(nèi)進行初始數(shù)據(jù)人為模擬,，隨后引進校園旱冰壺賽道等相關模擬設備,，后期分階段進入訓練館采集數(shù)據(jù)等。
“借助計算機視覺和人工智能技術助力北京冬奧會和冬殘奧會,，為的就是在未來幾年大幅度提升冰上項目運動成績,，并改善我國競技體育格局?！崩钭诿窠淌诮榻B,，在體育競技方面計算機視覺一直是最優(yōu)先的解決方案之一,，團隊多年來專注計算機視覺相關內(nèi)容研究。
賦能運動員判斷和調(diào)整決策
據(jù)介紹,，冰壺運動現(xiàn)場分析輔助決策系統(tǒng)可以有效分析冰壺運動規(guī)律,，在訓練比賽過程中輔助教練員和運動員的投壺決策，給出投壺建議,，并可以大幅度減少冰壺比賽分析所需時間,，在比賽結(jié)束后幾分鐘內(nèi)將分析結(jié)果反饋給教練團隊，以做出及時有效的運動員狀態(tài)或技術調(diào)整,。
相比于其他傳統(tǒng)方法,，該方法無干擾，無需在冰壺上安裝信號接收器,?！拔覀兊南到y(tǒng)側(cè)重于冰壺投壺決策建議以及分析復盤，戰(zhàn)略決策意義更加明顯,；北京工業(yè)大學信息學部教授毋立芳開發(fā)的系統(tǒng)偏重輔助運動員把控冰壺運動軌跡,，提高運動員的投壺瞄準技術。策略和技術相結(jié)合,，冰壺運動成績才能更好地提升,。”李宗民介紹,，為了支持國家輪椅冰壺隊續(xù)寫傳奇,，兩個團隊聚集人工智能、虛擬現(xiàn)實,、圖形圖像處理等研究領域的專家學者,，形成強大人才合力。
團隊另外一個項目是“短道速滑速度滑冰的多目標跟蹤及姿態(tài)識別”,，主要為了精確快速獲取運動員滑行數(shù)據(jù),。該項技術可以判斷比賽運動員的數(shù)量，從而實現(xiàn)逐個追蹤,，這意味著在激烈的賽場上,，即使運動員互相遮擋，每位運動員的速度,、姿態(tài)等信息也會清晰、實時地呈現(xiàn),，從而實現(xiàn)運動員訓練與人工智能技術有機結(jié)合,，為運動員和教練員制定針對性訓練計劃提供技術支撐，該技術目前已在冬奧會,、冬殘奧會的多個訓練場地實現(xiàn)應用,。
持續(xù)攻關服務國家重大需求
冰壺運動現(xiàn)場分析輔助決策系統(tǒng)在研發(fā)中遇到很多困難與挑戰(zhàn),。輪椅冰壺臨近靜止前，運動軌跡曲度變化大,，加大了團隊的檢測和訓練難度,，也影響團隊在進行強化學習模擬時對摩擦參數(shù)的調(diào)節(jié)和擾動的控制。另外,，輪椅對冰壺的遮擋情況嚴重,，對數(shù)據(jù)采集設備設計、安裝造成一定的困難,。同時,，遮擋問題也困擾著短道速滑速度滑冰的多目標跟蹤及姿態(tài)識別團隊。
李宗民教授介紹,，為了解決技術方面的問題,，團隊成員查閱論文，開會討論,，有針對性地調(diào)研,，實驗不同算法，并一一實踐對比,。雖然過程辛苦,，但每在一個問題上取得突破或者解決了某個困難都讓團隊成員為之振奮。通過改進,、優(yōu)化算法,，冰壺運動課題組將冰壺決策方法由原本的離散轉(zhuǎn)化為連續(xù)，極大縮短了決策時間,、提高了策略質(zhì)量,。短道速滑速度滑冰課題組將多目標追蹤算法擴展到短道速滑接力項目中后，又一一實踐對比,，優(yōu)化傳統(tǒng)算法,，最終確定了使用單目標追蹤算法，實現(xiàn)了很好的追蹤效果,。
團隊的研究還受到疫情影響,。由于疫情期間管控嚴格，進入運動員訓練場館,、錄制相關數(shù)據(jù)等都比較困難,。為了不影響項目進程，冰壺運動課題組成員在正式進場獲得真實數(shù)據(jù)前,，積極調(diào)用已有資源,，引進一套校園旱地冰壺賽道，提前實驗多種采集設備架設方案,，進行了不同角度的旱地冰壺數(shù)據(jù)采集與初步算法測試,。后期,，中國殘疾人奧林匹克管理中心、國家體育總局,、國家輪椅冰壺隊岳清爽教練針對上述問題給予很大幫助,，課題組成員也得以進入訓練館，與輪椅運動員,、教練員同吃同住,，實時獲取訓練數(shù)據(jù)。
“在工作期間,，運動員們的堅強毅力深深地打動著我,，與其說是我們幫助他們，不如說是我們合作共贏,。每當遇到困難而焦慮的時候,，想起他們奮進的身影，我們總能充滿力量繼續(xù)鉆研,?！眻F隊成員肖倩表示。課題組克服線下交流機會較少的不利因素,，增大線上交流力度,，按時召開項目會，將項目取得的成果及時共享給運動員與教練員,。尤其是在發(fā)現(xiàn)教練員對冰壺戰(zhàn)術板的實際需求后,，團隊設計了冰壺戰(zhàn)術板小程序，將數(shù)據(jù)可視化到手機界面,。當?shù)弥袊喴伪鶋仃犎〉媒鹋茣r,，課題組成員非常激動，大家都為中國輪椅冰壺隊感到驕傲,，同時對自己為國家貢獻的綿薄力量感到自豪,。
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