2025年大學(xué)《智能體育工程》專業(yè)題庫(kù)——運(yùn)動(dòng)員危險(xiǎn)行為監(jiān)測(cè)與干預(yù)技術(shù)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述IMU（慣性測(cè)量單元）在運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)監(jiān)測(cè)中可以提供哪些關(guān)鍵信息，并說明其存在的局限性。2.在運(yùn)動(dòng)員危險(xiǎn)行為監(jiān)測(cè)中，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)主要面臨哪些挑戰(zhàn)？請(qǐng)列舉至少三種。3.解釋什么是多源數(shù)據(jù)融合，并說明其在提高運(yùn)動(dòng)員危險(xiǎn)行為監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率方面的主要優(yōu)勢(shì)。4.對(duì)于運(yùn)動(dòng)員疲勞過度的監(jiān)測(cè)，心率變異性（HRV）指標(biāo)可以提供哪些信息？簡(jiǎn)述其原理。二、論述題（每題10分，共30分）5.論述利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員危險(xiǎn)行為識(shí)別的基本流程，并說明在模型選擇和訓(xùn)練過程中需要考慮的關(guān)鍵因素。6.結(jié)合某一具體運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目（如籃球、長(zhǎng)跑、滑雪等），論述對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)行為（如受傷風(fēng)險(xiǎn)、違規(guī)動(dòng)作）監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)如何選擇合適的傳感器組合，并說明選擇依據(jù)。7.設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)員膝部損傷風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警的監(jiān)測(cè)干預(yù)系統(tǒng)框架，說明系統(tǒng)的主要組成部分及其功能。三、計(jì)算/設(shè)計(jì)題（20分）8.假設(shè)我們正在開發(fā)一個(gè)利用可穿戴傳感器監(jiān)測(cè)馬拉松運(yùn)動(dòng)員跑步姿態(tài)的異常行為（如過度旋后）的系統(tǒng)。請(qǐng)簡(jiǎn)述從數(shù)據(jù)采集、特征提取、異常檢測(cè)到實(shí)時(shí)反饋（如通過振動(dòng)手環(huán)）的整個(gè)技術(shù)流程。在流程中，你需要說明關(guān)鍵的步驟、可能使用的技術(shù)方法以及各步驟之間的聯(lián)系。試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.答案：IMU可以提供運(yùn)動(dòng)員的角速度、加速度信息，由此可以解算出角位移、姿態(tài)（俯仰、翻滾、偏航角）以及一些運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（如沖擊力、振動(dòng)頻率等）。局限性包括易受外部沖擊和振動(dòng)干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移、無法直接提供絕對(duì)位置信息（除非配合GPS等）、功耗相對(duì)較高、解析算法定義復(fù)雜等。解析思路：考察對(duì)IMU基本原理和功能的理解。需要知道IMU包含的傳感器類型（加速度計(jì)、陀螺儀）及其測(cè)量物理量，以及通過傳感器數(shù)據(jù)可以計(jì)算出哪些運(yùn)動(dòng)學(xué)或姿態(tài)參數(shù)。同時(shí)，也要了解IMU作為一種傳感器技術(shù)，其固有的缺點(diǎn)和限制。2.答案：計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)包括：光照變化、遮擋、視角限制導(dǎo)致的目標(biāo)識(shí)別困難；復(fù)雜背景干擾；實(shí)時(shí)性要求高，尤其在高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景下；動(dòng)作識(shí)別的復(fù)雜性和對(duì)精細(xì)動(dòng)作捕捉的難度；倫理問題（如監(jiān)控隱私）等。解析思路：考察對(duì)計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于體育監(jiān)測(cè)時(shí)實(shí)際困難的認(rèn)知。需要列舉出影響視覺識(shí)別效果的關(guān)鍵環(huán)境因素（光照、遮擋、視角）和內(nèi)容因素（運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)作復(fù)雜度），以及技術(shù)本身的局限性和社會(huì)倫理方面的考量。3.答案：多源數(shù)據(jù)融合是指將來自不同傳感器或不同類型數(shù)據(jù)（如生理數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)）進(jìn)行整合處理，以獲得比單一數(shù)據(jù)源更全面、準(zhǔn)確、可靠的信息。其主要優(yōu)勢(shì)在于：彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源的不足和盲區(qū)；提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性；提供更豐富的上下文信息，有助于更深入地理解運(yùn)動(dòng)員狀態(tài)和行為；增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜情況的綜合判斷能力。解析思路：考察對(duì)多源數(shù)據(jù)融合概念及其價(jià)值的理解。需要解釋清楚什么是數(shù)據(jù)融合，并能夠清晰闡述融合帶來的核心好處，如提高信息質(zhì)量、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性、提供更全面的視角等。4.答案：心率變異性（HRV）是心跳間隔時(shí)間的變化。疲勞時(shí)，自主神經(jīng)系統(tǒng)失衡，交感神經(jīng)活動(dòng)相對(duì)增強(qiáng)，副交感神經(jīng)活動(dòng)減弱，導(dǎo)致HRV降低。HRV指標(biāo)可以反映運(yùn)動(dòng)員的疲勞程度、恢復(fù)狀態(tài)、訓(xùn)練負(fù)荷以及壓力水平。其原理基于心臟自主神經(jīng)調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)平衡，疲勞狀態(tài)下這種平衡被打破，心跳間隔的變異性減小。解析思路：考察對(duì)生理指標(biāo)（HRV）在疲勞監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的理解。需要知道HRV的定義（心跳間隔變化），并能解釋疲勞狀態(tài)下自主神經(jīng)系統(tǒng)如何影響HRV（導(dǎo)致其降低），以及HRV能反映哪些與疲勞相關(guān)的信息。二、論述題5.答案：利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員危險(xiǎn)行為識(shí)別的基本流程包括：①數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，收集包含正常和危險(xiǎn)行為的多源數(shù)據(jù)（如傳感器數(shù)據(jù)、視頻），進(jìn)行清洗、去噪、標(biāo)注；②特征工程，從原始數(shù)據(jù)中提取能夠有效區(qū)分不同行為的特征（時(shí)域、頻域、時(shí)頻域特征，或深度學(xué)習(xí)自動(dòng)提取特征）；③模型選擇，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)和任務(wù)需求選擇合適的機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如SVM、決策樹、隨機(jī)森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）；④模型訓(xùn)練與驗(yàn)證，使用標(biāo)注數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，并通過交叉驗(yàn)證等方法評(píng)估模型性能；⑤模型部署與測(cè)試，將訓(xùn)練好的模型部署到實(shí)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，進(jìn)行實(shí)時(shí)或離線行為識(shí)別，并持續(xù)評(píng)估其準(zhǔn)確率、召回率等指標(biāo)。關(guān)鍵因素包括：數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量、特征的選擇是否有效、選擇的算法是否適合任務(wù)、模型的泛化能力（能否處理未見過的行為）、以及模型的實(shí)時(shí)性要求。解析思路：考察對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)在行為識(shí)別領(lǐng)域完整工作流程的理解。需要覆蓋從數(shù)據(jù)到模型再到應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，并能在每個(gè)階段說明關(guān)鍵步驟和考慮因素。重點(diǎn)在于理解特征工程的重要性、模型選擇的依據(jù)以及模型評(píng)估的指標(biāo)。6.答案：以籃球運(yùn)動(dòng)員膝部損傷風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)為例，合適的傳感器組合可能包括：①加速度計(jì)和陀螺儀組成的IMU佩戴在膝蓋上，用于監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)的角度變化、沖擊力、振動(dòng)模式；②肌電傳感器（EMG）粘貼在膝蓋周圍的肌肉上，用于監(jiān)測(cè)肌肉活動(dòng)狀態(tài)和力量輸出；③GPS模塊用于記錄運(yùn)動(dòng)員的位置、速度和加速度，判斷運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和模式；④可能結(jié)合壓力墊或地面反作用力傳感器，用于更精確地測(cè)量落地沖擊。選擇依據(jù)是：IMU可以直接測(cè)量膝關(guān)節(jié)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和沖擊，是核心傳感器；EMG可以反映肌肉狀態(tài)，與損傷風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)；GPS提供整體運(yùn)動(dòng)背景信息；壓力墊可提供關(guān)鍵的沖擊數(shù)據(jù)。需要根據(jù)具體監(jiān)測(cè)目標(biāo)（如ACL損傷風(fēng)險(xiǎn)側(cè)重角度和沖擊，半月板損傷側(cè)重旋轉(zhuǎn)和壓力）進(jìn)行組合優(yōu)化。解析思路：考察根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇傳感器的綜合能力。需要結(jié)合籃球運(yùn)動(dòng)中膝部損傷的風(fēng)險(xiǎn)因素（如急停、變向、跳躍落地的沖擊、過度扭轉(zhuǎn)等），理解不同傳感器的作用原理及其在監(jiān)測(cè)這些風(fēng)險(xiǎn)因素方面的優(yōu)勢(shì)，并能夠組合使用以獲得更全面的信息。7.答案：籃球運(yùn)動(dòng)員膝部損傷風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)框架：①數(shù)據(jù)采集層：部署IMU（佩戴于膝部）、EMG（粘貼于膝部）、GPS（隨身攜帶）等傳感器，實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)員的生理信號(hào)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和位置信息；②數(shù)據(jù)傳輸層：通過無線方式（如藍(lán)牙、Wi-Fi、LoRa）將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭吘売?jì)算設(shè)備或云平臺(tái)；③數(shù)據(jù)處理與分析層：在邊緣端或云端進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理（濾波、校準(zhǔn)），提取關(guān)鍵特征（如膝關(guān)節(jié)角度、沖擊加速度、肌肉活動(dòng)頻率等）；利用訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)危險(xiǎn)行為（如高沖擊落地、異常扭轉(zhuǎn)角度）或損傷風(fēng)險(xiǎn)（如基于特征的統(tǒng)計(jì)模型或預(yù)測(cè)模型）評(píng)估；④預(yù)警決策層：根據(jù)分析結(jié)果和預(yù)設(shè)閾值，判斷是否觸發(fā)預(yù)警；⑤干預(yù)執(zhí)行層：通過連接的設(shè)備（如振動(dòng)手環(huán)、智能口哨、APP推送）向運(yùn)動(dòng)員或教練發(fā)出實(shí)時(shí)預(yù)警信號(hào)；⑥用戶界面層：為教練和醫(yī)療人員提供監(jiān)控界面，展示運(yùn)動(dòng)員狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)和預(yù)警記錄。解析思路：考察系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。需要從系統(tǒng)功能角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出包含數(shù)據(jù)輸入、處理、分析、決策、輸出等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的完整框架，并簡(jiǎn)述各部分的功能和相互關(guān)系。要求體現(xiàn)“實(shí)時(shí)性”、“預(yù)警”、“干預(yù)”的核心需求。三、計(jì)算/設(shè)計(jì)題8.答案：該系統(tǒng)技術(shù)流程：首先，在運(yùn)動(dòng)員膝部佩戴IMU，實(shí)時(shí)采集三軸加速度和角速度數(shù)據(jù)；同時(shí)，可能佩戴EMG傳感器監(jiān)測(cè)大腿、小腿肌肉活動(dòng)。數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至處理單元。在處理單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)同步、噪聲濾波（如巴特沃斯濾波去除低頻漂移和高頻噪聲）和姿態(tài)解算（使用如互補(bǔ)濾波或卡爾曼濾波算法，結(jié)合陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)估計(jì)膝關(guān)節(jié)的俯仰、翻滾、偏航角）。接著，提取特征：計(jì)算關(guān)鍵動(dòng)作周期內(nèi)的角速度峰值/均值、角加速度變化率、沖擊力（通過加速度積分或特定算法估算）、振動(dòng)頻率等。將提取的特征輸入到預(yù)訓(xùn)練的異常檢測(cè)模型（如基于SVM或LSTM的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），該模型能識(shí)別出與過度旋后等異常姿態(tài)模式相對(duì)應(yīng)的特征組合。如果模型判定當(dāng)前姿態(tài)或沖擊模式為異常（超過設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)閾值），則觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。最后，通過連接的振動(dòng)手環(huán)，向運(yùn)動(dòng)員發(fā)送振動(dòng)信號(hào)（如特定頻率或模式的震動(dòng)）進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋