超宽带技术在体育训练中应用的热点与趋势——基于CiteSpace 的可视化分析

宋懿芪 朱飞龙 谢永涛、3

（1.北京师范大学 北京 100875；2.华北科技学院 河北 廊坊 065201；3.河北体育学院 河北 石家庄 050041）

1、引言

超宽带（Ultra-wideband，UWB）技术是一种使用1G Hz 以上频率带宽的无线载波通信技术，其具有穿透力强、功耗低、系统复杂度低、能精确定位等特点。UWB 技术始于20 世纪60 年代兴起的脉冲通信技术，与其他定位技术相比，UWB 技术特点非常明显。如，全球定位系统（GPS）需要与多颗卫星进行通信，仅能提供数米的定位精度，且它主要适用于室外定位，在室内精度会显著降低；无线局域网（WLAN）技术最近已成为室内定位的候选技术，但它提供的定位精度很低，而且WLAN 终端的功耗较高。正是由于UWB 技术具备GPS 和WLAN 不具备的技术优势，因此，UWB 技术有许多可应用及潜在的应用领域，如地理、医学、计算机科学、体育等。UWB技术的广泛应用表明它的强大功能和适用性，UWB 技术在世界范围内的研究程度如何，相关应用领域到底有哪些，其在体育训练中的使用情况又如何，目前尚缺乏系统性研究报道。本文基于WOS 数据库的文献资源，选择信息可视化计量分析软件CiteSpace，通过信息可视化方法、文献资料法和数据挖掘算法对前述问题开展分析与探究。

2、研究方法

2.1、文献数据来源

以英文数据库WOS(Web of Science)为文献来源，通过核心数据库（Web of Science Core Collection）进行文献收集。构建检索式：TS=（Ultra Wide Band）OR TS=（Ultra-Wide Band）OR TS=（UWB）；时间跨度为1900-2023；检索时间为2023 年3月12 日，对检索出的文献进行筛选，得到14394 条检索信息并导出相关文献信息。在此基础上，构建检索式：TI=（Ultra Wide Band and exercise）OR TI=（Ultra-Wide Band and sport）OR TI=（UWB and exercise）OR TI=（UWB and sport）；检索时间为2023 年10 月14 日，对检索出的文献进行筛选，得到91 条检索信息，根据引文主题筛选体育领域文献27 篇并导出相关文献信息。

2.2、数据分析工具

研究采用陈超美教授开发的文献计量工具CiteSpace 6.1R6对文献进行了计量分析。CiteSpace 6.1R6 是一个引文可视化分析软件，从科学计量学和知识可视化的背景开发而来，专门用于识别科学文献中包含的潜在知识。该软件可以帮助研究人员了解该学科的知识，发现该领域的经典文献，发现研究前沿，并阐明研究演变的背景（Chen，2016）。CiteSpace 将研究领域概念转化为研究前沿和知识基础之间的映射功能，在该映射功能概念框架内创建的三个概念对于解决以下三个问题非常重要：（1）确定研究前沿；（2）注释研究领域；（3）随着时间的推移确定新的趋势和突变。

3、结果与讨论

3.1、UWB 技术研究领域的国家分析

通过CiteSpace 软件对文献数据进行处理，Node Types 设置为Country，其余设置选用默认值，得到UWB 技术研究国家知识图谱。不同国家在UWB 技术研究领域发文量排名如表1 所示。发文量前五名分别为中国（3463 篇）、美国、印度（1214 篇）、韩国（805 篇）、加拿大（645 篇）。中国发文量居世界UWB 技术相关研究发文量第一，占发文总量的24%；美国占发文总量的12%，发文量为1783 篇；印度发文量为1214 篇，占发文总量的8%；韩国发文量为805 篇，占发文总量的6%；加拿大发文量为645 篇，占发文总量的5%。

通过CiteSpace 软件生成UWB 技术研究热点国家图谱，发现在UWB 技术研究领域涉及到的国家中，英格兰居于核心地位，它与大部分国家在UWB 技术研究上有合作关系。与我国合作较为紧密的国家主要有英格兰、加拿大、德国、匈牙利等。通过对中心度出现时间分析发现，中心度排名前十的国家中8 个为发达国家，排名最靠前的发展中国家是马来西亚，排名第3。澳大利亚是发文量第13、中心度第1 的国家，显示其在相关技术研究领域的研究质量较高，影响较大。中国虽然在发文量指标上排名第1，但是中心度仅为0.03，中心度排名并不靠前，表明中国在国际上的UWB 技术研究相关领域的研究数量虽然位列前茅，但在国际上的影响力还有进一步上升的空间。

3.2、UWB 技术热点研究学科领域

在CiteSpace 软件中，Node Types 栏选择Country，其余选择默认值，在图像中选择Timeline 模式，聚类源选择Subject Categories，聚类方式选择Log-likelihood Ratio（LLR），生成UWB 技术相关领域结果。结果显示，UWB 技术研究主题类别聚类排名靠前的7 个类别分别为：天文学或天文物理、运动科学、电子商务、肿瘤学（#3 ONCOLOGY）、电气工程或电子工程、计算机科学-信息系统、多学科科学。这7 个类别代表了UWB 技术相关领域中的热门学科。该结果反映，作为一种信息传输技术，UWB 技术在传统的天文学领域有极高的关注度，研究文献涉及多，除此以外，医学、计算机、电子和电气工程学科也较多地开展了UWB 技术的应用研究。以人为研究对象的运动科学中较多的UWB技术应用研究文献展现了该技术在健康科学中的光明前景。

3.3、UWB 技术在体育训练领域的应用研究

借助CiteSpace 软件的文献数据可视化分析发现，我国对UWB 技术的研究和应用水平并不落后，尤其是近年来的相关研究文献数量居世界前茅。就UWB 技术本身而言，其应用范围较广，几乎遍及自然科学的各个领域。人体运动科学是自然科学中生命科学的一个重要领域，UWB 技术在体育运动中的应用，特别是目前所涉及的项目以及该技术能够发挥的作用都值得总结，以便今后能够更好地利用UWB 技术优势促进我国竞技体育的发展。

（1）开展UWB 技术在体育训练中应用研究的热点国家分析。

开展UWB 技术在体育训练中应用研究国家的知识图谱分析发现，当前开展过此类研究的国家并不普遍，其中西班牙的研究文献数量居世界第一，中心度为0.42，为世界第二。西班牙学者发表的相关文献统计结果显示，其UWB 技术在体育领域的应用研究始于2018 年，晚于澳大利亚，但前面的分析结果显示其研究内容涉及理论和实践应用领域，其文献的引用频率达到276 次，占总被引频率的52%，由此可见西班牙是全面推动UWB 技术在体育运动中应用的典范国家。

在体育训练中UWB 技术应用研究走在世界前列可能是西班牙成为体育大国的侧面写照。西班牙是一个“三大球”成绩不俗的体育强国，其足球项目实力雄厚，夺得一次世界杯冠军、两次欧洲杯冠军，西甲联赛享誉全球，皇家马德里和巴塞罗那是欧洲最成功的俱乐部之一，西班牙女足也曾斩获欧洲U17 和U19 锦标赛等多项青年冠军。同时，西班牙的篮球和排球成绩同样并不逊色，西班牙男篮两夺世界杯冠军，三届奥运会银牌，女篮同样长期位于世界前列。在排球方面，西班牙男排在2007 年夺得欧锦赛冠军。只有4600 万人口的西班牙在三大项目上都取得过傲人的成绩。这些成绩的取得应该与其在运动项目上的科技创新和研究投入密不可分。

澳大利亚的UWB 技术用于体育相关研究最早始于2014 年，中心度最高，为0.45，显示其在相关研究中的影响力高于其他国家。截至目前，还未发现我国在体育领域中应用UWB 技术的报道。结果提示，我国在体育领域中UWB 技术研发与应用存在空白并与上述国家有较大差距。

（2）UWB 技术应用热点体育项目分析。

通过发表文献关键词的聚类分析并根据项目特征进行筛选，结果显示，UWB 技术在体育训练中应该可以适用较多体育锻炼和运动项目，目前研究较多的项目有以下特征：①集体性项目，如足球、篮球、手球、曲棍球；②有限空间范围开展的室内外陆上项目，马拉松、游泳等不适用该技术。

（3）UWB 技术在体育训练中的应用热点领域分析。

通过关键词的聚类分析结果显示，UWB 技术在体育训练中的应用主要是集中于技术应用可行性分析、轨迹跟踪定位、训练监测等方面的应用分析。在UWB 技术研究的不同关键词中，“技术（Technology）”的频率最高，反映了研究的核心内容是该技术在运动训练中的适用性研究；关键词“训练（training）”排名第二，表明UWB 技术研究坚持科学研究为训练服务的基本理念，表明该项技术在训练中的作用较为重要；关键词“indoor tracking”的频率排名第三，提示该项技术更适用于室内环境，表明其技术优势在室内的定位追踪；“负荷监控”的出现频率排名第四，说明该技术在运动员的训练负荷监控中有较为突出的作用；“GPS”的频率排名第五，较多研究进行了GPS 和UWB 的技术优势比较，以便更好地了解UWB 的技术特征；“internal workload”的出现频率排名第六，可见负荷监控是体育训练领域的研究重点，运动员的训练负荷科学规划，对运动训练的效果意义重大；“team sports assessment procedure”的出现频率排名第七，提示群体项目是UWB 技术应用于训练的重点领域，这可能与UWB 技术设备有利于提高对运动员的监控与评估效率，提高训练的科学化水平有关。

在国外，几乎每个集体项目的职业运动队都配备有全球定位系统GPS，运动定位技术的应用可以帮助运动员提升运动表现，为教练员丰富训练手段。目前，有三种类型的系统可用于体育中的位置追踪：基于GPS 的设备、基于视频的设备和基于无线电的设备，而基于无线电波中的超宽带（UWB）信号传输技术是最为准确的。UWB 技术优势在于厘米级的高度精确定位和校准、同步、设置等方面的便携性。体育训练中运动员的运动轨迹追踪特别是在室内举办的运动项目就成为该技术在体育训练中的重要应用领域。国外一项研究针对UWB 技术在剧烈运动条件下的追踪定位性能进行研究后发现，人体在方向、速度发生快速变化的运动中的确对仪器设备的追踪定位能力造成影响，但是通过一些优化与改进可以将定位误差降低31%，位置估计的平均误差为20cm，表明UWB 能够完成跟踪动态运动活动任务。一项针对室内自行车运动员定位追踪精度的研究结果显示，对运动员进行追踪的硬件设备应置于其下背部，在此条件下可追踪范围在32.6-43.8m 之间，中位测距误差22cm。在网球训练中，UWB 技术被应用于球员在不同网球场区出现频率的定位分析，在4.7-14.9m 的区域范围内，距离定位误差在0.1-1.8cm。从上述研究结果可见，UWB 技术的定位精度在有限范围内是较为适用的。

视频追踪定位系统需要提前在运动员身上手动贴标签过程且影像重叠、服装颜色和光影条件等影响制约了其在群体运动项目上的使用。GPS 系统虽然有较高的定位功能，但低频采样率对高速运动、方向变化的物体的定位追踪功能存在局限。有研究采用UWB 技术对运动员在直线运动和45°变向运动的速度和加速度的均值与峰值的准确性进行测试，结果显示基于UWB 的定位系统在评估室内运动方面具有可接受的有效性。另有一项研究使用基于UWB 技术的本地定位系统（Local positioning systems，LPS），对6 名运动员在赛道上步行、慢跑和短跑冲刺及变向运动过程进行了监控分析，除了对速度指标进行分析外，还计算了距离和冲刺力学特征，即力和功率输出，研究结果显示LPS 是可靠有效的定位系统。

除了进行运动学指标的评估，生理学指标数据的传输和测量也是UWB 技术在体育训练领域应用的一个方面。有研究通过基于UWB 技术的无线电设备对运动员运动前后心率变异性做了研究分析，结果显示该技术可以实现非接触式的心率变异性分析以判断运动员的疲劳程度。在实际的训练和比赛中使用跟踪设备进行监控，能够实现三个主要目标：①对训练和比赛负荷和运动需求的客观评估；②帮助制定团队层面的最佳训练负荷；③设计运动员个性化训练方案提升运动表现并防止运动损伤。例如，为了帮助教练建立成绩档案实现根据队员情况进行个性化训练，有研究根据女子篮球运动员的比赛位置、比赛时间、距离变量（比赛中跑动距离、不同速度区间距离、高强度运动距离和覆盖场区范围）和速度变量（冲刺次数、冲刺持续时间、最大速度和平均速度）等数据对U18 女子篮球运动员在竞技比赛中的运动需求和速度特征做了数据采集与分析。通过分析能够对球队的整体成绩表现做出预测。另外一项研究运用包括UWB 定位技术在内的多项实验设备对女子五人制足球运动员在不同训练任务中的各类数据进行了调查，在训练负荷监测过程中帮助教练制定训练计划提供了科学依据。

4、小结

通过对热点国家、热点领域等一系列知识图谱的综合分析，发现UWB 技术的研究与应用范围较广，技术特点突出，尤其是在局域的精确定位方面优势明显。世界范围内，UWB 技术在运动训练中的应用研究国家数量还不多，基于UWB 的技术产品在足球、篮球等群体性项目中应用相对普遍，且多为运动学特征分析服务；基于UWB 的技术产品与其他有关设备相互配合使用可对运动员的各种表现进行监控，帮助运动员提升运动表现，帮助教练员科学安排训练。我国运动训练领域中使用该项技术的研究和报道还是空白，提示我国在体育训练中的技术和设备创新与世界体育强国、大国还存在差距。