作者：缪律，史国生，黎涌明

来源：成都体育学院学报 2020年第2期

足球比赛负荷是球员在比赛情景下完成各类动作所承受的物理、生理和心理等方面刺激之和。比赛负荷的量化结构分为外部和内部负荷,外部负荷的量化方法包括人工视频分析技术、自动轨迹追踪技术和全球定位设备,通过球员体能或技术表现的负荷量和强度来评定足球比赛中的行为活动特点,外部负荷特征表现为间歇性运动下频繁变向和短距离变速跑,高比例的中低强度无球跑穿插较少的高强度带球跑。内部负荷的量化方法包括耗氧量、心率和血乳酸等指标的测定,通过上述指标的变化幅度来评定足球比赛中的能量代谢水平;内部负荷特征表现为有氧供能为主、无氧磷酸原和糖酵解供能交替进行。现有研究局限为外部负荷低估了变向运动对足球比赛负荷的影响,内部负荷无法概括正式比赛的供能特征等。未来可尝试在优化量化方法基础上结合内外负荷,从而更精准地量化比赛负荷。

足球比赛负荷是球员在比赛情景下完成各类动作时所承受的物理、生理和心理等方面刺激之和。竞技体育领域,量化比赛负荷是认识项目特征的重要途径,也是教练员制定训练计划、评价训练效果的主要依据。传统的比赛负荷研究,通常将某一指标从比赛中提取出来,在时间轴上建立体能(如跑动距离、速度和加速度等)、技术(如射门、传球和拦截次数等)或生理指标(如心率、摄氧量和血乳酸等)的量化体系。然而从结果的完整性和系统性看,单一指标量化体系片面概括了比赛特征,忽视了不同指标间的交互关系,由此模糊了对项目特征的认识,降低了结果的参考价值。随着学界对负荷量化探究的渐进,以内外负荷为结构的量化体系不仅为揭示足球项目特征提供了全新视角,而且让人对足球比赛负荷有了崭新认识。

基于上述分析,本研究在Web of Science核心合集数据库对国外运动科学类(Sport Sciences)文献进行检索,检索条件设定为:主题“Load Quantification in Soccer”,语种“English”,文献类型“Article”,检索时间为2018年10月14日,数据库最后更新时间为2018年10月13日。对检索到的文献进行查重、标题筛选、摘要筛选和全文筛选后,选择其中55篇文献作为参考,以回顾足球比赛负荷量化结构、方法与特征研究进展,并对未来研究做出展望。

1 足球比赛负荷量化结构

为清晰了解足球比赛负荷量化结构,下文将从外部和内部视角对比赛负荷进行介绍。外部负荷是球员在比赛情景下完成各类动作时所承受的物理刺激,外部负荷的量化遵循先定性后定量的范式,即在划分基本行为活动的基础上,统计不同活动类型的负荷量与强度。比赛中球员的物理刺激既有跑动、变向和起跳状态下的体能负荷,也有进攻、传控和防守状态下的技术负荷(表1)。量化外部负荷时既要考虑不同类型行为活动负荷量的积累,又要考虑相同类型活动下不同负荷强度的分布。宏观上,距离和次数是负荷量的直观反映;微观上,速度、加速度和功率是负荷强度的客观衡量依据。因此,量化外部负荷时需综合考虑各类行为活动的负荷量与强度。

表1足球比赛负荷量化结构

内部负荷是球员在比赛情景下所承受的生理、心理和化学刺激的总和,内部负荷的量化遵循先定量后定性的范式,即在测定生物指标变化幅度基础上,分析球员的能量代谢水平。比赛中球员既要依靠糖的氧化为中高强度无氧活动输送能量,又需要通过糖和脂肪的分解为低强度有氧活动提供保障。量化内部负荷时不仅要考虑机体摄氧量、血乳酸、心率和主观疲劳度等指标的变化幅度,而且要观察运动刺激下各类指标的变化规律。静态上,血乳酸浓度、主观疲劳等级和能量消耗等指标的变化幅度能够衡量机体对比赛刺激的反应程度;动态上,心率变异性和摄氧量动力学的变化过程能够反映比赛中个体机能的适应过程。所以量化内部负荷时需要在关注结果评定的同时认识变化过程。

2 足球比赛外部负荷

2.1 外部负荷量化方法

外部负荷的量化方法有人工视频分析技术(Manual video coding)、自动轨迹追踪技术(Automatic video tracking)和全球定位设备(Global positioning system)。20世纪60年代,Reilly教授就采用速写绘图和磁带录音分析了球员的比赛跑量。20世纪80年代后期,以Bangsbo教授为代表的北欧学者对比赛展开研究,通过视频采集录像和回看逐个分析球员的跑动和技术特征。人工视频分析技术需多人协作处理大量数据、过程繁琐,在此背景下自动轨迹追踪技术推动了负荷量化的大幅进步。法国足协在该领域做出了巨大贡献,1990年法国足协研发的AMISCO Pro是全球首个实现团队比赛数据采集、传输和分析集成化的系统。以AMISCO Pro为原型的诸多系统被投入欧罗巴联赛,为比赛负荷量化提供了高同步、高实时的自动化解决方案。进入21世纪,负荷量化呈现日常化趋势,便携式全球定位设备被推向主流。以澳大利亚科研机构研发的TrakPerformance和GPSports为代表的定位设备不仅实现了比赛负荷量化,而且被广泛应用于日常训练,从而实现了赛练负荷的一体化监控。

不同外部量化方法性能上的差异,势必给现实中的研究带来难题。足球作为集体球类项目,量化负荷既要考虑个体的跑位,还要挖掘整体阵型的移动和技战术配合。人工视频分析技术虽然能够完整地还原球员跑动,但前提是架设多台摄录设备并有专人负责统计。视频处理时间为24～36 h,其效率对职业俱乐部而言是滞后的,因此实用价值低于科研贡献。自动轨迹追踪虽然实现了数据分析自动化,降低了误差与数据比,但是面对繁琐的操作,俱乐部要聘请第三方处理数据,结果无法满足教练员的个性化需。全球定位设备虽然在便捷性、实效性和经济性上有着均衡表现,但是要求球员佩戴传感器,各大职业体育联盟的劳资协议对传感器有着不同的准入标准,因此其使用情景停留在非正式比赛。总体上看,不同方法在量化足球比赛外部负荷时各有利弊,要根据实践或科研目的合理选取。

2.2 外部视角下比赛特征

2.2.1 时间结构特征

国际足球协会理事会规则规定,正式比赛时长90 min。高水平比赛中,实际活动时间占比赛时长的61%～69%,间歇占31%～39%(德甲38%、意甲和法甲32%、1990年世界杯39%、1994年世界杯32%、1998年世界杯31%),活动与间歇比约为2:1。比赛中约有100次间歇,最常见的间歇方式是掷界外球和定位球,此外,球门球、角球、换人、出界、伤停和点球等均会造成比赛停顿。根据时长,可将间歇分为短间歇(0.0～15.0 s)、中间歇(15.1～60 s)和长间歇(60s)。短间歇占47.6%,常见的短间歇是掷界外球,平均时长8.6 s;中间歇占50.3%,常见的中间歇为定位球,平均时长21.6 s;长间歇占2.1%,常见的长间歇为伤停,平均时长79.1s。就整体水平而言,足球比赛中97.9%的间歇在1 min以内,所以足球比赛的间歇以中短间歇为主。

2.2.2 体能特征

评价比赛中球员体能负荷量的指标包括跑量、起跳次数和变向次数。跑动是比赛中的基本活动形式,男子优秀球员比赛跑量为9.0～12.0 km,青少年球员为7.2～9.9 km;女子优秀球员比赛跑量为9.6～10.4 km,青少年球员为6.9～8.5 km;起跳是比赛中球员创造空间的常用方式,男子优秀球员场均起跳10次,男子青少年球员为4次;变向是球员衔接跑动和起跳频繁进行的动作,顶级联赛男子球员比赛中的变向高达727次。变向的直观反映是角度,Bloomfield等分析英超比赛后发现比赛中球员0°～90°变向超过600次,90°～180°变向有43～49次,180°～270°变向有2～3次,270°～360°变向有1次,不同位置球员的变向次数存在差异,例如前卫变向总次数、0°～90°变向次数,显著低于前锋和后卫。两次变向间最常见的转换方式是变速跑,研究显示足球比赛中的变速跑距离集中在10～20 m,球员围绕这一距离进行不同类型的跑动,例如21～84次大步跑(步长1.13 m)和19～62次冲刺跑(步长1.24 m)。

足球比赛中体能负荷强度的集中体现是跑动速度。早期对球员跑速的报道多采用人工视频分析技术,Bangsbo等根据球员跑速,将比赛强度分为四级:站、走(1.68 m/s)、低速跑(3.36 m/s)和高强度跑(4.2 m/s)。虽然Bangsbo的四级划分为界定负荷强度提供了依据,但不可否认的是,其对高强度跑的界定过于笼统,导致了学界对高速跑和冲刺跑划分的疑议。随着计算机技术的成熟,自动轨迹追踪技术逐渐取代人工技术,成为探究比赛负荷的主要手段。目前主流的自动轨迹追踪系统是AMISCO Pro和Prozone,意大利的Di Salvo团队对此展开了深入研究。Di Salvo等将跑动划分为五级:站、走和慢跑(0～7.2 km/h)、低速跑(7.3.1～14.4 km/h)、中速跑(14.5～19.8 km/h)、高速跑(19.9～25.2 km/h)和冲刺跑(25.2 km/h)。这一分类得到了学界普遍认可,成为跑动强度的主流划分标准。

2011年,中国足协引进了AMISCO Pro系统并将其投入中超联赛,整理国内外联赛数据,发现球员的高速跑和冲刺跑距离分别为180～330 m和160～300 m,说明比赛中球员的无球跑动以中低强度为主。虽然高速跑和冲刺跑占总跑动距离比例较低,但是对比赛的节奏控制有着重要作用。对比中超和欧洲联赛数据(图1),发现中超比赛的跑量、高强度跑距离低于英超和西甲,说明中超比赛的整体节奏低于欧洲,提示中超球队攻在防转换中的持续跑动能力有待加强。自动轨迹追踪系统还为记录足球比赛中不同跑动形式(有球/无球)下的距离提供了可能。Rampinini等研究发现,意甲比赛中场均带球跑距离占比赛总跑动距离的1.7%;Carling研究发现,法甲比赛中场均带球跑距离为191 m,占总跑动距离的4.6%,其中高、中、低强度带球跑分别占34.3%、25.6%和41.1%。与无球跑强度分布有所区别,高水平比赛中球员带球跑呈“两极化”分布,提示训练中球员的有球训练应以高强度为主。

图1中超、英超和西甲联赛的总跑动和高强度跑距离

注: 英超和西甲数据来源于2006-2007赛季的600场比赛,包括中卫后2 328人次,边后卫344人次,中前卫2 130人次,边前卫150人次,前锋986人次;中超数据来源于2011赛季中超联赛39场比赛。

2.2.3 技术特征

技术是构成足球比赛外部负荷的另一要素,比赛中球员往往要在身体对抗情况下以最快速率完成技术动作。现阶段,虽然Blue Trident(Vicon公司)和PlayerMaker(Motionize公司)等设备已经实现了对技术发力的强度量化,遗憾的是这类设备的信效度尚不知晓。所以,多数研究依旧采用动作次数来评价球员的技术负荷量。人工视频技术粗犷地分析了技术指标的负荷量(如触球50次、传球30次和头球10次),但未对某一指标下的亚类(如传球指标下的短、中和长距离传球)展开统计。

自动轨迹追踪技术的诞生,推动技术负荷研究转向了更深的环节。先后有研究报道了自动轨迹追踪技术下意甲、法甲、英超和西甲联赛中球员的技术特征,上述研究结果可归为两点:第一,不同联赛对球员技术有着不同的侧重,如西甲传球次数和成功率高于英超,英超头球争顶、拦截次数高于西甲,提示西甲联赛更注重球员的传控技术,而英超联赛对球员的身体对抗能力要求较高;第二,不同位置对球员技术提出了不同要求,如中后卫场均头球次数显著高于边后卫、前卫和前锋,中前卫场均传球次数显著高于其它位置,提示中后卫应尽加强头球能力培养,而中前卫培养应着重发展其传接球、出球能力。为探究不同位置球员技术表现的差异,本研究分析了2018年世界杯小组赛阶段、首发打满全场比赛球员的技术负荷量(图2),发现前锋、前卫和后卫队员在进攻、传控和防守上表现各异,说明现代足球强调不同位置球员的职责分工,提示球员技术发挥不仅受自身特点影响,而且很大程度依赖于其场上站位。综上可知,量化技术负荷时既要对球队整体水平进行评价,亦要加强不同位置球员的特点分析,在保证球队整体战术高效执行的同时,充分发挥个人特点。

图2不同位置球员的技术指标

注: 数据由国际足联合作公司STATS的实时追踪系统采集,对象为2018年世界杯小组赛阶段的48场比赛;短传10 m,中传10～30 m,长传30 m。

3 足球比赛内部负荷

3.1 内部负荷量化方法

如果说体能和技术反映了足球比赛外部负荷,那么能量消耗则从内部视角探究了比赛中球员的机能水平。检测能量消耗的常用方法是气体代谢法,20世纪60年代,道格拉斯气袋法(Douglas bags)被认作测定能量消耗的“金标准”,但由于气袋过重(1.2 kg)、受试者水平偏低(普通大学生和业余爱好者)、模拟比赛时间过短(5～20 min),因此结果不能完全概括正式比赛的能耗水平。20世纪90年代,便携式氧耗检测设备融入了轻型遥测装置,例如意大利的Cosmed K2和德国的Cortex Metamax,其便捷的背负方式和精确的信效度备受运动领域推崇。日常训练中频繁检测氧耗不切实际,在此情形下,使用心率带(表)记录心率与负荷间的关系,成为量化内部负荷的首选。随着团队心率系统(Team Heart Rate Systems)的诞生,心率监测凭借集体、实时和同步监控脱颖而出。血乳酸检测和主观疲劳度测量同样具有价值,它们从整体视角反映了球员对足球比赛负荷的适应程度。

测试内部负荷的常见情景有实验室和训练场。实验室情景下,内部负荷的量化结果虽然准确,但是只能反映直线跑动或单个动作刺激下的负荷变化情况,忽略了足球比赛随机、多变和复杂的情景。将气体代谢技术、心率监控和血乳酸检测等方法带入训练场,为的是更全面地测定正式比赛的负荷水平。受项目规则限制,正式比赛无法使用检测仪器,对内部负荷的研究被迫转入了非正式比赛。气体代谢法能够监控个体的能量消耗变化情况,是反映内部负荷的最佳方法,但是对技术设备和操作使用有着高要求,少有研究能够达到大面积覆盖,结果多存在样本量小的问题。心率监测法的设备要求不高且操作难度低、通过区间内的心率变化能够量化个体的反应程度和恢复状况,但是其信效度不及摄氧量和血乳酸。血乳酸检测法的设备要求和操作难度适中,但是结果只能反映比赛前后个体指标变化的增减幅度,无法描述过程中的变化规律,且结果易受人为因素干扰。实际研究需在提高研究方案合理性的基础上,选择恰当的量化方法,以无限接近真实比赛结果。

3.2 内部视角下比赛特征

3.2.1 有氧供能特征

人体能量代谢是指运动引起营养物质氧化产生能量的过程,可用能量消耗来反映,因此能量消耗亦是衡量内部负荷水平的重要指标。早期对足球比赛能量消耗的探究以模拟比赛为主,受试者佩戴道格拉斯气袋,通过单位时间的摄氧量(VO2)推演正式比赛能耗水平。Seliger安排普通大学生进行10 min的模拟比赛,测得其能量消耗为0.75 kJ/kg/min。此后,Yamaoka、Durnin和Covell分别安排受试者进行5 min、15 min和20 min模拟比赛,测得能量消耗为32.4 kJ/min、21～50 kJ/min和22～44 kJ/min。足球间歇性运动的特征意味着场上球员的行为活动存在高度随机性和偶然性,因此基于模拟比赛片断复制的完整结果势必与真实比赛存在差异。这一差异的缩小得益于便携式气体代谢仪的应用,Reilly、Bangsbo和Mohr等运用气体代谢仪测得业余球员整场比赛能耗为5 023～6 279 kJ,这些能量来源于球员的有氧和无氧(无氧磷酸原和无氧糖酵解)供能系统。

基于足球比赛时间结构,Bangsbo等发现高水平比赛中球员有氧供能比例超过90%。结合11人制足球比赛特点,Bangsbo、Esposito和Krustrup等先后在实验室和场测试中监控了球员的心率和摄氧量,发现两者高度相关(r=0.991～0.984)。随着心率遥测技术的成熟,关于足球比赛中球员心率的报道也逐渐增多。汇总比赛中球员的心率数据(表2),发现比赛中球员平均心率为85%HRmax,运用心率—摄氧量关系推得比赛中球员摄氧量约为70%VO2max,说明球员有氧供能始终处于较高水平。虽然心率易受到温度、湿度和海拔等因素干扰,进而影响对摄氧量的判断,但考虑到比赛中球员心率极少低于65% HRmax,因此有氧供能对足球比赛的贡献毋庸置疑。

表2足球比赛中球员心率

注: HR表示每分钟心跳次数,HRmax(%)表示最大心率百分比。

3.2.2 无氧供能特征

比赛中球员大致进行7 min的高强度活动,这些高强度活动由150～250次剧烈运动构成,常见的剧烈运动有重复冲刺跑、连续加减速、变向和起跳。剧烈运动的持续时间较短(10 s),大多通过无氧磷酸原系统提供能量。骨骼肌中储存的三磷酸腺苷和磷酸肌酸含量有限,只够维持球员进行数秒的剧烈运动,需要通过间歇性恢复进行再合成。虽然磷酸肌酸再合成的速率高达每公斤干肌0.5 mmol/s,但并不意味可以低估比赛中球员的无氧磷酸原供能。Krustrup等研究发现,比赛前后球员每公斤干肌三磷酸腺苷含量(26.4 mmol vs. 23.0 mmol)和磷酸肌酸的含量(88.0 mmol vs. 79.0 mmol)发生了明显下降。Bangsbo研究发现,高强度活动后球员的磷酸肌酸较安静水平下降了30%。上述两则研究证明,足球比赛对球员的磷酸原供能能力提出了较高要求。

除了磷酸原供能,糖酵解供能在足球比赛中同样发挥着关键作用。比赛中间歇性运动和恢复伴随着乳酸生成和消退,乳酸作为无氧糖酵解的代谢产物,其测定方法包括血乳酸和肌乳酸浓度检测。汇总文献中的比赛、赛后血乳酸数据(表3),发现男子优秀球员赛后血乳酸浓度为3～10 mmol/L,女子优秀球员为2～7.3 mmol/L,说明比赛中机体的乳酸生成率处于较高水平。相比于血乳酸检测,肌乳酸检测造成的创伤大、操作难度高,因此只有一篇研究报道了比赛前后肌乳酸浓度变化情况。Krustrup等在教学赛前后对业余球员进行了肌肉活检,发现球员赛后每公斤干肌的肌乳酸含量为13.0 mmol,显著高于赛前的4.2 mmol 。虽然比赛后肌乳酸含量显著低于间歇性力竭运动后肌乳酸含量(YoYo测试,测试时长为5.1～18.6 min,测试后每公斤干肌的肌乳酸含量为48.9 mmol),但考虑到无法实时检测比赛中球员的肌乳酸,因此赛后肌乳酸含量不能完全概括比赛的无氧糖酵解供能特征。结合比赛前后血乳酸变化幅度,运用积累血乳酸算得足球比赛过程中的糖酵解系统总供能量,男子优秀球员为9.5～32.8 kJ(体重为75 kg),女子为3.8～24.0 kJ(体重为60 kg),说明良好的糖酵解能力对球员维持场上表现至关重要。综上可知,足球比赛中球员的内部负荷特征表现为有氧供能为主,无氧磷酸原和糖酵解供能交替进行。

表3足球比赛中球员血乳酸(mmol/L)

注: 上、下半场期间血乳酸采集时间为开赛后15 min和30 min

4 局限与展望

4.1 局限

伴随足球比赛负荷量化技术的升级和革新,学界对足球项目特征的认识逐渐完善。然而,现有研究依旧存在若干局限。长期以来足球比赛外部负荷的研究热点集中在跑量、高强度跑比例和技术动作完成次数等指标,忽视了足球比赛间歇性变向运动的特点。比赛中不同角度的变向和不同距离的变速跑随机组合,亦对球员变向能力提出了相应要求。有研究对葡萄牙足球运动员Christiano Ronald与西班牙短跑名将David Rodriguez直线跑和变向跑进行了测试,结果显示后者25 m直线跑比前者快0.3 s,但后者Z型变向跑比前者慢0.5 s,这就是显而易见的变向能力。现有研究较少关注变向,不仅低估了变向对足球比赛负荷的影响,而且限制了球员竞技能力的提升。

虽然通过摄氧量检测等方法能够反映球员足球比赛中的机能变化,但是上述技术方法的使用情景集中在季前赛、友谊赛和教学赛等非正式比赛,其结果势必与正式比赛存在偏差。即使非正式比赛的外部负荷结果接近正式比赛,但是比赛性质、赛场情景和奖金刺激等因素对球员心理刺激造成的影响是无法估量的。因此,非正式比赛情景下研究结果的失真,影响了对足球比赛内部负荷的认识。

4.2 展望

足球比赛的负荷量化涉及训练学、生理学、心理学和工程学等多门学科的交叉,准确量化不仅有助于提高项目的训练科学水平,而且对预防损伤、安排营养摄入和提高运动表现有着重要参考价值。未来研究和实践中,应尽可能选取可行性强、信效度高的量化方法,在监控足球比赛负荷的同时将上述方法融入日常训练,加强赛练结合。此外,可尝试将外部负荷参数与内部负荷指标相结合,构建一体式的负荷量化体系,在监控球队整体负荷水平的同时跟踪个体球员的负荷变化情况,提高负荷量化的个体化和针对性。

来源文献：

缪律,史国生,黎涌明.足球比赛的负荷量化—结构、方法和特征.成都体育学院学报,2020,46(02):93-99 106.

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