陳 騏，劉泳慶，肖書明，甄慶凱，何申杰，苑廷剛，胡 齊，黃希發(fā)，孫 奕

1 體育工程的概念和特征

1998年，英國謝菲爾德大學學者Haake和Steve等人組織了第一屆國際體育工程研討會，提出了“體育工程”這一概念，并從空氣動力學、生物力學、材料學、動力學、儀器與設(shè)備、設(shè)計、機械工程、建模技術(shù)、運動分析和振動等幾個方面研討、論述了工程技術(shù)對于體育和體育科研的價值，以及各種工程技術(shù)在自身基礎(chǔ)理論、研發(fā)與設(shè)計、應(yīng)用和發(fā)展等方面的實際問題。此后，國際上本領(lǐng)域的學者組織成立了“國際體育工程協(xié)會”（International Sports Engineering Association，ISEA）。該協(xié)會每2年舉辦1次國際體育工程學術(shù)會議。同時，為了填補經(jīng)典工程學和體育科學相交叉的特殊領(lǐng)域的空白，使體育工程的各類研發(fā)滿足體育的需求，促進學科發(fā)展，協(xié)會還編輯發(fā)行Sport Engineering（《體育工程》）季刊。該刊征文方向主要包括：體育領(lǐng)域的機械材料和電子工程應(yīng)用、運動力學和動力學、運動物理學和體育數(shù)學、運動設(shè)備應(yīng)用的生物力學、運動技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)分析技術(shù)、體育儀器儀表和設(shè)備的設(shè)計實驗和測試、體育場地表面的相互作用、體育材料和建模等，這些方向反應(yīng)了體育工程領(lǐng)域初始階段的研發(fā)需求。

中國體育科學學會體育儀器器材分會成立于1981年11月。30多年來，分會成員所從事的主要工作是體育儀器器材和裝備的研發(fā)、體育設(shè)施的設(shè)計建設(shè)和維護、體育標準的研制編寫等。體育工程的概念出現(xiàn)后，領(lǐng)域內(nèi)的學者們隨即對這一概念的理論問題進行探索，從學科建設(shè)的角度探討其內(nèi)涵和發(fā)展的方向，以及具有普遍意義的理論和方法，并取得了一些成果。在20世紀90年代后期，國內(nèi)一些院校開始建立相關(guān)的專業(yè)，系統(tǒng)、成規(guī)模地培養(yǎng)此領(lǐng)域的專業(yè)人才。國內(nèi)領(lǐng)域內(nèi)科研人員明確了體育儀器器材研發(fā)的本質(zhì)是工程技術(shù)，而“體育工程”這一概念更為準確，其內(nèi)涵也更全面，體育儀器器材研究應(yīng)當是體育工程領(lǐng)域中的一部分。

在國際體育工程學會的官方網(wǎng)站中，將體育工程的概念表述為，體育工程可以看作是數(shù)學和物理的技術(shù)應(yīng)用來解決體育問題。這些問題可能包括設(shè)計設(shè)備、建造設(shè)施、分析運動員表現(xiàn)、制定標準、確保安全要求得到滿足、開發(fā)教練工具等。另外，對體育工程的特征描述為，“采用數(shù)學、物理學、生物力學、計算機科學和流體力學等基礎(chǔ)學科，以及裝備和器材設(shè)計、設(shè)施建造、運動能力分析、規(guī)則和標準、安全防護裝備、訓練儀器器材研發(fā)等方面的技術(shù)和方法解決體育領(lǐng)域的問題和需求”。而體育科學與體育工程之間的關(guān)系是，“體育科學更多關(guān)注運動人群身體內(nèi)部因素的作用機制和相互關(guān)系，而體育工程關(guān)注的是運動人群與外部因素之間的作用機制和相互關(guān)系，包括裝備、用品、器材和儀器，以及環(huán)境等因素”。此外，還說明了體育工程研發(fā)人員所涉及的主要學科背景，包括物理學、數(shù)學、機械工程、生物力學、計算機科學和航空工程等，共同的因素是把工程學和工程技術(shù)的研究技能和背景知識應(yīng)用到體育領(lǐng)域。Medwell等（2012）在討論澳大利亞的體育工程的教育問題時，也強調(diào)了數(shù)學和力學是其“核心基礎(chǔ)工程技能”。

Baine（2004）認為，體育工程是一個快速發(fā)展的工程領(lǐng)域，包括體育設(shè)備和設(shè)施的設(shè)計和生產(chǎn)、性能測量和運動反饋系統(tǒng)，以及運動學、動力學和生物力學的研究。而該領(lǐng)域與其他科學和工程領(lǐng)域相似，包括物理學、機械工程、電氣工程和材料科學等。鄭偉濤等（2006）提出，體育工程學是一門嶄新的學科，是工程學與體育學的有機結(jié)合，其研究范圍涉及到流體力學、機械工程、計算機應(yīng)用技術(shù)、材料工程、生物工程與生物力學、檢測與控制技術(shù)、機器人技術(shù)等多學科邊緣交叉領(lǐng)域。王磊磊（2015）認為，體育工程學的研究領(lǐng)域非常寬泛，也似乎很難界定清楚體育工程學的概念。他結(jié)合體育工程研究的特殊性，嘗試初步給出了體育工程學的定義，即體育工程學是研究體育運動中的人造物質(zhì)和系統(tǒng)的制造、工作原理以及運動中的人與外在物相互作用規(guī)律的科學與技術(shù)。

美國工程師專業(yè)發(fā)展委員會（American Engineers'Council for Professional Development）把“工程”定義為，將科學原理創(chuàng)造性地應(yīng)用于設(shè)計或開發(fā)結(jié)構(gòu)、機器、儀器或制造過程，單獨或聯(lián)合使用這些原理的工作；在充分認識其設(shè)計的情況下，建造或操作該結(jié)構(gòu)；預測其在特定工況下的行為；所做的都是為了其預期的機能，運作的經(jīng)濟性，人員及財產(chǎn)的安全。工程學就是基于以上需求并服務(wù)于以上行為的學科。

借鑒以上成果，本研究提出“體育工程”的概念為：基于體育領(lǐng)域的需要，使用科學的原理來設(shè)計、開發(fā)、制造和改造物體，預測或者驗證這些物體的功能和工況，研究它們與體育活動的規(guī)律性關(guān)系的科學與技術(shù)。這些物體可以是體育用途的建筑、裝備、器材、設(shè)備、儀器，以及參與構(gòu)成的材料，所組成的系統(tǒng)等。

隨著體育自身需求的發(fā)展，以及工程技術(shù)不斷進步，純粹學術(shù)性質(zhì)的概念和定義仍然需要深入地探討。從以上的成果中可以看得到，“體育工程”的基本特征是以數(shù)學、物理學、力學和生物力學、計算機科學等理學領(lǐng)域的元素為基礎(chǔ)學科，利用工學領(lǐng)域的理論和方法、技術(shù)和成果等（例如，機械工程、電子工程、計算機和軟件工程、傳感器、通信工程以及人工智能技術(shù)等），針對體育領(lǐng)域內(nèi)的需求研發(fā)工程技術(shù)方案，并進行具體的工程實現(xiàn)。這些需求主要包括：1）競技體育的訓練、測試和科研；2）大眾體育的設(shè)施、器材和裝備；3）體育產(chǎn)業(yè)的技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)；4）體育教育的器材、設(shè)備和方法等；5）體育工程領(lǐng)域自身的研發(fā)、實踐及發(fā)展需求。這些工作也是體育工程的學科范圍。當然，在實際研發(fā)工作，所涉及到的工程專業(yè)和工程技術(shù)的數(shù)量大于以上所述，將在后文中詳述。

在中國，體育學已經(jīng)形成了相對獨立的學科體系。體育學是多學科集成的科學綜合體，學科交叉性是體育學主要特征之一，體育工程研發(fā)工作也體現(xiàn)出很強的交叉性。近年來，擁有其他科學背景的專家和學者，如機械工程學等，相繼介入到體育理論和實踐問題的探究中（方千華等，2017）。體育工程自身的發(fā)展以及外界對其的需求，必然會使其成為體育學不可或缺的一部分。目前，對于體育學的學科結(jié)構(gòu)，已經(jīng)有學者認為在縱向上可以分為體育哲學、體育基礎(chǔ)科學、體育技術(shù)科學、體育工程科學（席玉寶，2000）。

2 2016—2017年國內(nèi)外研發(fā)成果的分析

2.1 前期分析方法及成果的價值和本研究的目標

對于一個學科而言，“基本理論不是可有可無，而是非搞不可”（王甦，1997）。自上述體育工程概念提出以來，國內(nèi)外學者和科研人員針對學科的成果、基本理論、基礎(chǔ)和通用方法技術(shù)、學科教育和教學等方面，不斷進行理論探討（鄭偉濤 等，2006；王磊磊，2015；徐碧鴻，2012；王 太 生 ，2012；Cooke et al.，2002；Haake et al.，2004）。但是，總體而言，目前體育工程領(lǐng)域理論成果數(shù)量不多，基礎(chǔ)仍然薄弱。在萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺以“體育工程”和“Sports Engineering”為關(guān)鍵詞進行學術(shù)成果檢索發(fā)現(xiàn)，自1998年以來，國內(nèi)外面向體育工程基礎(chǔ)理論和學科建設(shè)研究的期刊論文、會議文章、學位論文等文獻僅有12篇，以體育工程教育和教學為主題的文獻共13篇。

中國體育科學學會以4年為周期，在2008－2011年、2012－2015年組織各分會編寫體育學領(lǐng)域內(nèi)各學科的研究發(fā)展報告，并分別于2006－2007年、2014－2015年在中國科學技術(shù)協(xié)會的組織下部署編寫這一時期的體育科學學科發(fā)展報告。中國體育科學學會體育儀器器材分會組織國內(nèi)體育工程領(lǐng)域的學者參與了2008－2011年、2012－2015年學科發(fā)展報告以及中國科協(xié)《體育科學學科發(fā)展報告》（2014—2015）中體育工程部分的編寫。

以上的研究和報告，將以往各個時期體育工程領(lǐng)域的主要成果、關(guān)鍵和熱點技術(shù)進行了詳細地介紹和分析，并總結(jié)了當時體育領(lǐng)域?qū)τ隗w育工程研發(fā)的需求，以及領(lǐng)域內(nèi)自身發(fā)展的需求。同時，對比了國內(nèi)外研究成果現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)與國際先進技術(shù)和成果的差距。通過研究和對比，得出國內(nèi)體育領(lǐng)域各方面工作對于體育工程的潛在需求，以及研究成果面對需求的不足，提出了后續(xù)研發(fā)的重點和關(guān)鍵。這些工作對當時的國內(nèi)體育工程研發(fā)工作起到良好的促進作用。借鑒前期工作的方法和成果，對分析當前我國各層面體育發(fā)展的需求以及體育工程研發(fā)如何能夠更好地滿足這些需求，非常有意義。

當前，我國以國家戰(zhàn)略的方式提出了建設(shè)體育強國的目標和需求，地方和區(qū)域也根據(jù)自身情況提出了社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，體育領(lǐng)域也提出了科技助力奧運和全民健身等需求。借鑒前期成果的方法，對當前的成果供給情況和以上新需求進行分析，并提出體育工程領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)的建議，是本文的主旨。

按照工程學的觀點和方法，滿足需求的前提是識別和明確需求，再將需求概念化為某種模型，分析模型的可行性后，有針對性地制定和迭代解決方案和技術(shù)路線，最后，利用工程的方法、設(shè)備和器材、零部件和原材料給予實施和實現(xiàn)（Hill，1970）（圖1），每個環(huán)節(jié)研發(fā)工作的進行，都會同時帶動和促進工程領(lǐng)域自身的發(fā)展。基于以上，本研究首先針對國內(nèi)外成果的分布進行量化的分析，再從國家層面的需求、地方和區(qū)域的需求、體育行業(yè)內(nèi)的需求和體育工程自身發(fā)展的需求等方面，提出當前我國體育工程研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，并對比數(shù)量分布討論當前成果供給總量與龐大需求之間的差距，提出后續(xù)體育工程研發(fā)投入的重點方向。

圖1 工程實施的一般性過程Figure 1. General Process of a Project Implementation

2.2 2016－2017年國內(nèi)外體育工程領(lǐng)域內(nèi)文獻分析

2.2.1 文獻來源

本研究將2016－2017年期間北京大學中文核心期刊、南京大學核心期刊目錄中的國內(nèi)14個體育類學術(shù)期刊、6個工程類學術(shù)期刊，以及國際體育工程學術(shù)專業(yè)期刊Sport Engineering和具有重要影響力的國內(nèi)外體育工程學術(shù)會議（全國體育工程學術(shù)大會、國際體育工程學術(shù)會議）作為資料來源，提取體育工程類期刊論文98篇、會議論文279篇，合計共377篇。其中，國外作者和研究機構(gòu)發(fā)布的論文共214篇，國內(nèi)作者發(fā)布的論文共163篇。

2.2.2 成果工作主題類型分布情況分析

如上所述，體育工程領(lǐng)域研發(fā)所涉及到的其他學科眾多、交叉性強，因此，各項研發(fā)和設(shè)計的主題也非常復雜。

國際體育工程學會將2016年國際體育工程學術(shù)會議論文的主題分為10類（表1）。

表1 2016年國際體育工程學術(shù)會議的論文主題分類Table 1 Themes Classification of Documents at the 2016 International Conference on Sports Engineering

這次會議對于論文主題的分類方法采用將研究所涉及的學科和研發(fā)工作類型進行了混合，例如，空氣動力學、流體力學與流體動力學、生物力學等是學科類型，而產(chǎn)品研發(fā)、測量反饋和仿真等則是研發(fā)工作的類型（表1）。

以上的分類方法，雖然包含了體育工程研發(fā)所涉及的學科和主題類型，但是不利于從學科和研發(fā)類型2個方面進行分析。為了更加清晰地從研發(fā)工作類型角度，對現(xiàn)階段文獻成果進行量化的分布分析，本研究提出了體育工程領(lǐng)域的研發(fā)工作主題類型分類方法，并據(jù)此方法對國內(nèi)外總體分布情況、國外和國內(nèi)的分布情況分別進行了統(tǒng)計（表2）。

表2 國內(nèi)外論文的主題分類和分布情況Table 2 Themes Classification and Distribution of Domestic andAbroad Documents

2.2.3 成果熱點方向以及面向需求的分布情況分析

2.2.3.1 成果方向的熱點分析

從表2中可以看出，當前國外與國內(nèi)成果的熱點分布有相似之處，包括：1）性能效應(yīng)的評估與測試；2）新型儀器器材、設(shè)備、裝備以及技術(shù)和方法的研發(fā)與設(shè)計；3）建模與仿真；4）體育材料。這4方面成果的總和在國內(nèi)外總體、國外和國內(nèi)占比分別為83.82%、91.59%、73.62%。國內(nèi)的第2類成果最多（36.81%），性能效應(yīng)的評估與測試情況（20.86%）、體育材料（10.43%）、建模與仿真（5.52%）等依次排后。在國內(nèi)外，體育工程教育類成果情況也類似。

而在國內(nèi)外的熱點中也存在差別，包括：國外的建模和仿真方面成果分布（24.77%）遠大于國內(nèi)（5.52%），而國內(nèi)的體育材料工程成果分布（10.43%）大于國外（5.14%）。

另外，國內(nèi)的體育理論研究成果和體育工程綜述也是成果分布的熱點，分別占比11.35%和6.75%。

2.2.3.2 面向奧運會項目的情況分析

按照工程學的觀念，工程項目的設(shè)計和實施是為了滿足社會的需求，因此，體育工程的研發(fā)成果是為了滿足體育領(lǐng)域的需求。其中，有直接面向競賽類運動項目需求的成果，可以為奧運會項目的訓練、競賽、科研、保障工作提供服務(wù)；也可以為大眾體育、體育康復和體育休閑、殘疾人體育、電子競技等非奧運會項目提供服務(wù)；還有一些成果，可以稱為“中間件”的成品和技術(shù)，不直接服務(wù)于競賽類運動項目或體育活動，而是面對基礎(chǔ)需求，包括通用的方法、材料、科研、檢測檢驗與標準化；此外，還有為滿足體育工程教育需求的成果。

根據(jù)2020年東京奧運會的競賽項目設(shè)置，統(tǒng)計了2016—2017年國外和國內(nèi)體育工程研發(fā)成果直接面向夏季和冬季奧運項目需求的情況，其中，國外成果覆蓋了22類（項）夏季奧運會項目和8項冬季奧運會項目；國內(nèi)成果覆蓋了12類（項）夏季奧運會項目和2項冬季奧運會項目。國內(nèi)外成果在冬奧會項目方面的數(shù)量差別較大。國外成果覆蓋的奧運項目總數(shù)為29項，國內(nèi)成果總數(shù)為14項，國外成果覆蓋面是國內(nèi)的2倍多（表3）。

表3 國內(nèi)外成果面向奧運會項目情況Table 3 Domestic and Abroad Achievements for the Olympic Games Events

國外成果中，面向自行車、足球、越野滑雪、網(wǎng)球、棒壘球、游泳、高爾夫、田徑、皮劃艇、高山滑雪、橄欖球、賽艇等項目的成果發(fā)布數(shù)量居前（表4）。而國內(nèi)成果，多集中面向帆船、越野滑雪、田徑、游泳、武術(shù)、乒乓球、自行車、足球、羽毛球、籃球、高爾夫、橄欖球等項目的需求（表5）。

表4 國外成果面向奧運會項目的數(shù)量分布Table 4 The Quantity Distribution of Foreign Achievements for Olympic Games Events

表5 國內(nèi)成果面向奧運會項目的數(shù)量分布Table 5 The Quantity Distribution of Domestic Achievements for Olympic Games Events

2.2.3.3 面向非奧運會項目以及“中間件”成果主要情況

除了直接服務(wù)于奧運會項目外，體育工程研發(fā)還必須有大量資源投入到基礎(chǔ)研究和非特定項目的應(yīng)用研究中，這是領(lǐng)域自身發(fā)展的規(guī)律和需求。從表6和表7中的數(shù)據(jù)可以看出，國內(nèi)外面向體育工程基礎(chǔ)理論、技術(shù)與方法研發(fā)，體育科研儀器，體育材料基礎(chǔ)研發(fā)，大眾體育這4個方面的數(shù)量和占比雖然略有差別，但是都位居前列。體育建筑與設(shè)施、安全防護是國外成果供給分布比較集中之處，而在國內(nèi)，體育教育、體育檢測與標準化是較多的成果供給方面。

表6 國外成果面向非奧運會項目等的分布情況Table 6 The Distribution of Foreign Achievements for Non-Olympic Events

表7 國內(nèi)成果面向非奧運會項目等的分布情況Table 7 The Distribution of Domestic Achievements for Non-Olympic Events

2.2.3.4 面向冬季項目和殘疾人體育

將表3中的所有冬奧會競賽項目合并計算，在2016—2017年期間，國外成果數(shù)量較多，涉及到了8個冬奧會項目，總數(shù)為28個，占比為13.08%；在國內(nèi)，面向冬奧項目需求的成果僅涉及了2項，數(shù)量為5個，占比為3.07%，總數(shù)量僅約為國外成果數(shù)量的1/5。

另外，在2016－2017年間，國外面向殘疾人體育的研發(fā)成果數(shù)量為21個，占比9.81%；在國內(nèi)，同期此類成果總數(shù)量僅為1個，占比為0.61%。

綜上，說明這一時期國內(nèi)外面對冬奧項目和殘疾人體育的成果供給數(shù)量差距較大。

工程的需求與供給之間存在聯(lián)系。通過將現(xiàn)階段成果的供給數(shù)量與體育領(lǐng)域內(nèi)各個方面的需求情況相對比，可以發(fā)現(xiàn)需求和供給差距，以供后續(xù)的研發(fā)投入立項時參考。

2.2.4 成果所依托的工科類專業(yè)及工程技術(shù)的情況分析

統(tǒng)計以上各個文獻成果所依托或采用的、最主要的工科類專業(yè)和工程技術(shù)情況，以及各個專業(yè)和技術(shù)在全部文獻中的占比（表8），分析得出，計算機視覺是人工智能領(lǐng)域的一個重要分支，模式識別的方法又服務(wù)于計算機視覺的問題，因此，對三者合并統(tǒng)計。有限元分析是利用數(shù)學近似的方法模擬真實的物理系統(tǒng)，廣泛用于工程設(shè)計和科研領(lǐng)域。數(shù)據(jù)挖掘是從大量數(shù)據(jù)中通過特定算法提煉出隱含的信息，數(shù)據(jù)分析是對特定數(shù)據(jù)集合進行有針對性的分析和診斷，大數(shù)據(jù)是一個專用名詞。在體育領(lǐng)域都是滿足數(shù)據(jù)研究和信息發(fā)現(xiàn)的需求，因此，也合并統(tǒng)計。而物理學中的經(jīng)典力學部分也是體育工程領(lǐng)域的常規(guī)理論和方法。

從表8中可以看出，傳感器技術(shù)、材料科學與工程、仿真科學與技術(shù)、機械設(shè)計制造、人工智能/計算機視覺/模式識別等，對于體育工程而言，是非常重要的組成部分。在國內(nèi)，傳感器技術(shù)、材料科學與工程、機械設(shè)計制造、人工智能/計算機視覺/模式識別、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘、計算機軟件與應(yīng)用等在現(xiàn)階段成果中被應(yīng)用的頻次較高，屬于“關(guān)鍵技術(shù)”。特別是傳感器技術(shù)、人工智能、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘、可穿戴設(shè)備等技術(shù)，隨著近幾年快速發(fā)展，對于體育發(fā)展的價值和作用越來越顯著。

3 當前我國體育發(fā)展對于體育工程的現(xiàn)實需求

大多數(shù)工程問題是開放式的，即沒有單一的解決方案（Brockman，2009），但是需求應(yīng)當是顯性的，否則無法設(shè)計和提出具有針對性的解決方案和技術(shù)方法。先于工程設(shè)計的需求識別、理解和驗證的失敗，是整個設(shè)計過程失敗的高頻誘因（Kosky et al.，2013）。

在需求提出階段（圖1），一般是在各自領(lǐng)域內(nèi)進行，例如，航天工程、農(nóng)業(yè)工程、土木工程、化學工程、計算機和軟件工程、電氣工程、機械工程等。各領(lǐng)域內(nèi)較復雜和共性的需求也往往是交叉的，融合了對多個基礎(chǔ)學科和工程技術(shù)的子需求（表8）。在圖1中的第2和第3個階段采用“質(zhì)量特性與顧客滿意度關(guān)系的分析方法”，例 如 ，Kano模 型（Cohen，1995；Mikuli? et al.，2011），對用戶的具體需求進行不同層次的分類，并分別針對各類進行分析、定義和建模（Dieter et al.，2013；Kosky et al.，2013）。

表8 國內(nèi)外成果所依托或采用的工科類專業(yè)和工程技術(shù)Table 8 Engineering Specialties and Engineering Technologies Based on or Adopted by Domestic and Abroad Achievements

當前，我國體育領(lǐng)域的任務(wù)需求是復雜多樣的。對于需求的分類，可以用競賽項目為分類標準，或者以競技體育、大眾體育、體育產(chǎn)業(yè)等為標準；在大眾體育方面，可以按年齡、職業(yè)特點、地域等進行分類。在同領(lǐng)域甚至同類型的工程任務(wù)中，需求也是分為不同層次和不同功能，例如，在大眾體育方面，追求體形健美的健身者和希望提高身體機能水平的傷病康復者，對于健身器材和設(shè)施的需求層次和功能是不同的。競技體育中，相同原理的技術(shù)參數(shù)（如動作頻率、加速度、運動位置、姿態(tài)等）的采集和分析設(shè)備，針對陸地、冰雪和水下項目的開發(fā)需求就存在差異。同樣是新型城市體育設(shè)施和空間的設(shè)計和建造，北京市需要規(guī)劃后冬奧會體育設(shè)施的有效利用，而在農(nóng)村地區(qū)，“建設(shè)和利用農(nóng)民群眾身邊的場地設(shè)施”，縮小和消除農(nóng)村與城鎮(zhèn)在此方面的較大差距則是主要需求。在同一個工程任務(wù)中，也需要多種不同的工程技術(shù)聯(lián)合解決復雜問題，例如，對于體育用途的可穿戴設(shè)備，需要平衡解決傳感器的采集帶寬和頻率要求與電源消耗需求之間的矛盾，還需要人機工程學來解決舒適性問題。

國家層面、地方和區(qū)域，以及體育行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃和任務(wù)在發(fā)布之前，已經(jīng)歷了調(diào)研階段，在一定程度上提出了實際需求。雖然在文字表述時，這些需求是偏于宏觀和高度概括的，但確實可以從中提煉出對于體育工程研發(fā)的共性和重大需求。因此，本研究基于以上考慮，根據(jù)各層次的規(guī)劃和政策，以及較重大的工作任務(wù)，來說明體育領(lǐng)域當前的共性需求，并提出滿足需求的重要工程技術(shù)。

3.1 國家層面的規(guī)劃對于體育工程的需求

1995年8月29日，全國人大第十五次全體會議上通過了《中華人民共和國體育法》，“發(fā)展體育教育和體育科學研究，推廣先進、實用的體育科學技術(shù)成果，依靠科學技術(shù)發(fā)展體育事業(yè)”成為國家使命。1995年，國務(wù)院頒布實施《全民健身計劃綱要》，至今已發(fā)展到2016－2020年階段。在新階段《全民健身計劃》中，“開展全民健身活動，提供豐富多彩的活動供給”是主要任務(wù)之一，“健身跑、健步走、騎行、登山、徒步、游泳、球類、廣場舞”等項目，以及“武術(shù)、太極拳、健身氣功和鄉(xiāng)村農(nóng)味農(nóng)趣運動”等特色運動項目是供給的主要項目；并且，“統(tǒng)籌建設(shè)全民健身場地設(shè)施，擴大與全民健身相關(guān)的體育用品及相關(guān)產(chǎn)品制造，鼓勵發(fā)展健身信息聚合、智能健身硬件、健身在線培訓，充分利用‘互聯(lián)網(wǎng)+’等技術(shù)開拓全民健身產(chǎn)品制造領(lǐng)域”，明確了體育設(shè)施設(shè)計和施工、信息技術(shù)、器材制造等體育工程手段對于滿足需求的作用；并進一步提出了利用工程技術(shù)的具體措施，包括：利用移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段提高全民健身方法和手段的科技含量；推進全民健身設(shè)施創(chuàng)新，“采用新技術(shù)、新材料、新工藝，提高產(chǎn)品科技含量，增加產(chǎn)品品種”。

2016年10月25日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》，針對“提高全民身體素質(zhì)”，提出了“完善全民健身公共服務(wù)體系”“加強體醫(yī)融合和非醫(yī)療健康干預”“積極發(fā)展健身休閑運動產(chǎn)業(yè)”等目標。

國家層面的規(guī)劃和目標反應(yīng)出國內(nèi)普遍存在的共性需求。綜上，對于體育工程技術(shù)的研發(fā)需求可以提煉為：1）利用工業(yè)設(shè)計和人機工程學方法設(shè)計新型全民健身的運動場地和設(shè)施；2）采用人工智能、計算機視覺、先進傳感器、可穿戴設(shè)備等技術(shù)研發(fā)新型體育訓練和科研裝備和器材；3）利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、知識庫和區(qū)塊鏈的方法研發(fā)科學健身知識庫和處方庫；4）以材料工程技術(shù)和方法研制環(huán)保、耐老化耐腐蝕的體育材料等。

3.2 地方與區(qū)域發(fā)展對于體育工程的需求

從地方和區(qū)域的發(fā)展規(guī)劃和目標中，同樣可以發(fā)現(xiàn)對于體育工程技術(shù)的需求。

《北京城市總體規(guī)劃（2016年—2035年）》的指導思想是要“把握首都城市戰(zhàn)略定位”，將“國際體育文化交流區(qū)”作為首都戰(zhàn)略定位之中的一部分，以建設(shè)“國際一流的和諧宜居之都”為發(fā)展目標。而豐富多彩的體育元素必然是“國際一流”與“和諧宜居”的特征之一。為了實現(xiàn)發(fā)展目標，根據(jù)北京各個區(qū)域的特點，明確了各個區(qū)域體育功能的建設(shè)方向。例如，延慶區(qū)的功能定位包括了“國際文化體育旅游休閑名區(qū)”，而“奧林匹克中心區(qū)是集體育、文化、會議會展、旅游、科技、商務(wù)于一體的現(xiàn)代體育文化中心區(qū)”，“應(yīng)突出國際交往、體育休閑、文化交流等功能”。新首鋼高端產(chǎn)業(yè)綜合服務(wù)區(qū)作為“后工業(yè)文化體育創(chuàng)意基地”，應(yīng)“打造國家體育產(chǎn)業(yè)示范區(qū)”。

在公共服務(wù)體系方面，要“全面推進全民健身條例實施，建設(shè)全民健身設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，提升配套水平，為市民提供更便捷、更多元、更綜合的體育健身場所。鼓勵體育設(shè)施與其他公共服務(wù)設(shè)施共建共享，鼓勵公園綠地及開敞空間提供體育健身服務(wù)功能”。

北京是2022年冬奧會舉辦城市之一，“辦好冬奧會，并借此促進區(qū)域整體發(fā)展水平提升”（劉國永，2016），必然是發(fā)展規(guī)劃的重要內(nèi)容之一。在規(guī)劃中，要求“高水平高質(zhì)量規(guī)劃建設(shè)各類場館和基礎(chǔ)設(shè)施”。比賽設(shè)施突出專業(yè)化、標準化、規(guī)范化，努力打造世界一流場館。促進體育場館和設(shè)施賽后綜合利用，為市民提供運動休閑服務(wù)。在群眾體育方面，提出“推動群眾性冰雪運動”，并將體育、休閑和旅游相結(jié)合，在北京和張家口地區(qū)打造體育產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

北京市的案例可以說明，符合首都城市戰(zhàn)略定位要求的新型體育場地和設(shè)施，以及體育空間的整體規(guī)劃、設(shè)計和建造，與后冬奧會體育設(shè)施的有效利用是北京市地方體育事業(yè)對于體育工程的重點需求。

對比國家層面和北京地方的需求，可以看到，新型全民健身的運動場地、體育設(shè)施和空間的整體規(guī)劃、設(shè)計和建造是全國和區(qū)域都存在的共性需求，而北京市還需要對后冬奧會體育設(shè)施進行有效利用。

3.3 體育行業(yè)的需求

在中央政府機構(gòu)之下，除地方政府外，大多數(shù)國家都有體育政策機構(gòu)，作為傳遞中央和地方政府舉措或向體育事業(yè)撥款的載體（Downward et al.，2011）。國家體育總局作為我國發(fā)揮此作用的載體，在《體育發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，主要從以下方面向體育工程技術(shù)提出了需求，并提出了滿足需求的措施（表9）。

表9 《體育發(fā)展“十三五”規(guī)劃》對于體育工程的需求及滿足需求的措施和任務(wù)Table 9 The Requirements for Sports Engineering and the Measures and Tasks to Meet it in The 13th Five-Year Plan for Sports Development

3.3.1 競技體育的需求

3.3.1.1 需求特點

1984年8月，國家體育總局提出實施“奧運戰(zhàn)略”，“以在奧運會上創(chuàng)成績?yōu)榘l(fā)展競技體育的最高戰(zhàn)略任務(wù)”（張彩珍，1990）。在此戰(zhàn)略實施的過程中，出現(xiàn)了項目發(fā)展不平衡的問題。針對此問題，國家體育總局在《體育發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出“促進群眾體育、競技體育、體育產(chǎn)業(yè)和體育文化等各領(lǐng)域全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展”，力促“競技體育發(fā)展方式有效轉(zhuǎn)變”，“項目結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，發(fā)展質(zhì)量和效益顯著提高”，并“統(tǒng)籌奧運會項目與非奧運會項目、夏季奧運會項目與冬季奧運會項目、優(yōu)勢項目與潛優(yōu)勢項目、基礎(chǔ)項目及集體球類項目協(xié)調(diào)發(fā)展，加快落后項目的發(fā)展進程”。

因此，在競技體育方面的需求特點表現(xiàn)為，在保持傳統(tǒng)優(yōu)勢項目領(lǐng)先地位的同時，對于群眾喜聞樂見和市場需求較大的項目加大投入，全面均衡地提升競技水平。

3.3.1.2 當前競技體育的重點需求

競技體育發(fā)展的上述需求，將“科技助力奧運”的作用提升到非常重要的位置。其中，科技助力備戰(zhàn)2022年北京冬奧會、高水平運動員成長規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和“冠軍模型”的研究構(gòu)建、智能化訓練場館等基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計和建設(shè)等方面的需求，是當前競技體育對于體育工程的需求重點。

1）科技助力2022年北京冬奧會

當前，國家體育總局提出了“科技助力奧運”的戰(zhàn)略方針，而科技助力2022年北京冬奧會是此戰(zhàn)略的一部分。國家科技部和北京冬奧組委等部門，于2018年3月2日發(fā)布了“科技冬奧”重點專項實施方案，面向北京冬奧會和冬殘奧會，提出了2018－2022年科技保障的重大需求，計劃圍繞冬奧會科學辦賽關(guān)鍵技術(shù)、冬季項目運動訓練與比賽關(guān)鍵技術(shù)、公共安全保障關(guān)鍵技術(shù)、全球影響傳播和智慧觀賽關(guān)鍵技術(shù)、建設(shè)綠色智慧綜合示范區(qū)等重點方向的關(guān)鍵科技瓶頸問題開展研究。

在2018年的任務(wù)指南中，基于以上4個方面提出了如下需求。

在冬奧會科學辦賽關(guān)鍵技術(shù)中，需要“數(shù)據(jù)挖掘、深度學習和人工智能技術(shù)和云計算技術(shù)”提供冬奧會氣象服務(wù)技術(shù)和系統(tǒng)，能夠在復雜地形和氣象條件下，提供不同時限要求、多個比賽地點的精確天氣預報；對于賽道和雪上場館建造，提出了賽道構(gòu)型、場館建造的工程設(shè)計需求；在兼顧環(huán)境和生態(tài)保護、訓練與休閑期的利用、訓練與比賽共享方面，需要研發(fā)新型體育材料。

在冬季項目運動訓練與比賽關(guān)鍵技術(shù)中，針對“運動員專項能力”“技能優(yōu)化”以及“冬季潛優(yōu)勢和落后項目”的關(guān)鍵技術(shù)，提出了多維度、多模態(tài)遠程信息采集與分析技術(shù)和系統(tǒng)研發(fā)的需求，以及運動功能和運動技術(shù)的監(jiān)測需求，涉及到數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘、計算機視覺、深度學習等技術(shù)。針對冬殘奧運動員的運動表現(xiàn)，提出了雪上項目夏季模擬訓練技術(shù)，采用功能性高新材料和3D打印技術(shù)定制假肢、矯形器和護具；并根據(jù)冬殘奧項目的特殊訓練和比賽要求，研發(fā)器材裝備和材料等。

在國家科學化冬季訓練基地建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)中，提出利用場景三維感知技術(shù)來重建和檢測場地環(huán)境，研發(fā)模擬滑雪訓練器，集成三維動作捕捉、非接觸式生理特征檢測、柔性傳感器和人工智能技術(shù)研發(fā)訓練智能化管理系統(tǒng)等需求。

在公共安全保障關(guān)鍵技術(shù)方面，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為重點技術(shù)，建設(shè)公共安全數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，冬奧項目常見運動創(chuàng)傷臨床診斷和治療大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

在冬奧智慧綜合示范區(qū)建設(shè)中，利用5G通信技術(shù)和先進無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)在復雜和極端條件下的高清視頻等多媒體數(shù)據(jù)的高速、安全、穩(wěn)定的傳輸。

在2019年的任務(wù)指南中，又基于以上4個方面提出了更多的需求。

在冬奧會科學辦賽關(guān)鍵技術(shù)中，提出利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)研制“冬奧會全局全過程態(tài)勢感知和運行指揮保障技術(shù)”；利用智能硬件和智能傳感器等工程技術(shù)研究建立場館數(shù)據(jù)管理平臺；利用VR/AR技術(shù)研究虛擬現(xiàn)實奧運技術(shù)。

在冬季項目運動訓練與比賽關(guān)鍵技術(shù)中，提出研發(fā)用于冬季項目運動員的體能快速恢復的吸氧和補氧儀器；研發(fā)提升運動員運動表現(xiàn)和促進疲勞恢復的電刺激儀；研發(fā)基于虛擬現(xiàn)實（Virtual reality，VR）的模擬訓練系統(tǒng)。研制多源信息融合與同步的訓練場和運動專項特征的數(shù)據(jù)系統(tǒng)、現(xiàn)場分析及診斷智能軟硬件系統(tǒng)等。在體育材料方面，研制冬季項目的碳纖維復合材料高性能器材和高性能服裝關(guān)鍵技術(shù)。

在傳播和智慧觀賽關(guān)鍵技術(shù)方面，研制能夠?qū)崿F(xiàn)北京冬奧會賽事、交通、氣象、票務(wù)、觀眾引導和服務(wù)等的專用APP，以及基于人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等的觀眾服務(wù)技術(shù)。2）高水平運動員培養(yǎng)模式和規(guī)律研究以及“冠軍模型”的研究構(gòu)建

運動員的技術(shù)水平和能力、戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行能力、體能和力量水平、身體機能和身體形態(tài)、心理狀態(tài)和調(diào)控能力等構(gòu)成了其競技能力的整體。每個方面都有各自的指標體系，如果能夠完整地記錄運動員個體在特定周期內(nèi)甚至整個運動生涯過程中的各方面指標數(shù)據(jù)，并與其運動成績和表現(xiàn)的時空分布和變化過程相對比，對于發(fā)現(xiàn)其成長規(guī)律非常有價值。通過不同運動員個體之間數(shù)據(jù)的橫向比對和分析，可以發(fā)現(xiàn)不同水平運動員之間的差異；對于群體項目，比較分析團隊整體各項戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)與成績數(shù)據(jù)的關(guān)系、團隊成員個體數(shù)據(jù)與團隊數(shù)據(jù)和成績數(shù)據(jù)之間的關(guān)系等，有利于團隊致勝規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和利用。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)解決數(shù)據(jù)的組織、存儲、查詢、簡單分析問題，數(shù)據(jù)管理技術(shù)解決數(shù)據(jù)的集成、流處理、圖結(jié)構(gòu)等問題，可應(yīng)對局部的、低維度的、密度適中的數(shù)據(jù)需求。而針對“高水平運動員培養(yǎng)模式和規(guī)律發(fā)現(xiàn)”的需求，在日常訓練、科研和比賽中，所要收集、融合、管理和分析的數(shù)據(jù)的深度、廣度和密度在不斷提升，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式也多樣化。而且，要提高對于數(shù)據(jù)的理解和利用效率，還需將數(shù)據(jù)與體育專業(yè)知識相結(jié)合，并從數(shù)據(jù)所反應(yīng)的表層現(xiàn)象中提煉出具有指導意義的一般性規(guī)律或知識，或發(fā)現(xiàn)影響個性化訓練的關(guān)鍵性因素。

競技體育“冠軍模型”的研究和構(gòu)建，是對這些一般性規(guī)律和知識進行提煉和應(yīng)用的具體實踐。通過對世界級運動員身體形態(tài)、身體機能、力量和素質(zhì)等維度的研究（莊薇等，2018），說明了雪上項目冠軍模型的特征。

數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠應(yīng)對多種來源和復雜結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理和利用，人工智能中的機器學習（如聚類和分類等）和深度學習可以幫助解決規(guī)律、知識的發(fā)現(xiàn)和提煉。

3）智能化訓練場館的設(shè)計和建造

國家體育總局體育科學研究所研究員陳小平（2018）提出，近年來，競技體育訓練發(fā)展的一個顯著特征是科研、訓練和保障“三位一體”的高度融合。一些競技體育強國已經(jīng)建設(shè)了具有以上特征的體育訓練場館和基地，如美國著名田徑運動員邁克爾·約翰遜創(chuàng)辦的Michael Johnson Performance、美國IMG學院（IMG Academy）和科羅拉多奧委會奧運集訓基地等。在這類設(shè)施中，運用可穿戴、數(shù)字化、智能化的裝備，隨時監(jiān)控運動員訓練過程中的技術(shù)、體能、機能等狀態(tài)，并對這些狀態(tài)數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場分析，為科學訓練提供快速的數(shù)據(jù)支持；還可在訓練中及時對運動疲勞進行恢復，對傷病進行發(fā)現(xiàn)、診斷和控制，對營養(yǎng)進行補充，對心理狀態(tài)進行診斷和調(diào)控。這種“訓練”與“科研”相融合的模式，相比傳統(tǒng)的訓練、科研、測試和保障彼此分離的模式具有顯著效果。由于這種設(shè)施在數(shù)據(jù)采集和分析、科研與保障、場地管理等方面開始具備了智能化的特征，可稱之為“智能訓練場館”。

在“智能化訓練場館”中，需要利用可穿戴技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、視頻技術(shù)、計算機和軟件技術(shù)等，采集運動員運動學和動力學信息、力量訓練和力量狀態(tài)數(shù)據(jù)、訓練過程的身體機能狀況和傷病情況、心理狀態(tài)等方面的數(shù)據(jù)；需要利用網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)傳送至教練員和保障團隊，實施現(xiàn)場的分析、指導和保障，并在后續(xù)實施數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)分析，以及數(shù)據(jù)挖掘；需要利用人工智能技術(shù)分析運動表現(xiàn)。同時，通過智能化采集和干預場館內(nèi)部環(huán)境信息（如空氣質(zhì)量、溫度、濕度、光照等），可對訓練環(huán)境實施優(yōu)化。

3.3.2 群眾體育的需求

參與群眾體育的人群數(shù)量巨大，地域、經(jīng)濟、文化和個體差異等因素會對需求造成影響。應(yīng)當分析共性需求和個性化需求的特點，在研發(fā)中盡可能予以兼顧。

3.3.2.1 共性需求

群眾體育的主要需求之一是多樣化的公共體育場地和設(shè)施。大型場館、小型場館和健身中心、公園綠地、街道小區(qū)（馬書軍，2018）、轉(zhuǎn)型拆遷的工業(yè)和商業(yè)區(qū)（馮曉露等，2017）等，均可以成為公共體育場地和設(shè)施的空間資源。這些資源的周邊環(huán)境特點、地面狀況、空間形式和面積、周邊居民的構(gòu)成和體育健身活動的特點和潛在需求等因素，要在公共體育設(shè)施的選址、設(shè)計和施工時進行調(diào)研和考慮，需要地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘（杜長亮等，2016）、城市規(guī)劃和景觀設(shè)計、環(huán)保、聲學（梁勤超等，2017）、工業(yè)設(shè)計、人機工程學、傳感器和通信技術(shù)、體育器材加工制造、體育材料、體育場地和設(shè)施等工程技術(shù)的融合運用。另外，建議建設(shè)“智能化公共體育設(shè)施”（張利，2017），利用人工智能技術(shù)輔助大眾健身。

公共體育信息化存在供給不足的問題。例如，全年健身信息化程度不高（盧文云等，2018）等，需要利用大數(shù)據(jù)、云服務(wù)等，來建設(shè)全民體育鍛煉信息庫、知識庫和運動處方庫；利用機器學習、數(shù)據(jù)挖掘等提供有針對性的個性化科學健身服務(wù)。

3.3.2.2 個性化體育的需求

1999年，英國學者Coalter（1999）描述了在非競爭性的基礎(chǔ)上靈活組織的健身活動，認為其反映出個性化體育的需求顯著增加。據(jù)Carter（2005）發(fā)布的報告估計，43%的大眾體育消費者以加入俱樂部的形式參加體育活動，而活動的形式不受比賽規(guī)則和組織方式的限制。澳大利亞體育委員會也確認了同樣的發(fā)展趨勢（Downward et al.，2011）。近年來，我國全民健身也呈現(xiàn)個性化的特點，一部分人追求運動健身效果最大化；另一部分人則偏愛娛樂運動來促進身心健康（周德書等，2018）。廣場舞、健步走的流行，滿足個性化需求的私人健身教練的出現(xiàn)等，都反映了群眾體育個性化發(fā)展的趨勢。

性別、年齡、職業(yè)、收入、受教育水平、文化背景、身體健康水平、愛好以及體育活動的形式等，都是影響群眾體育個性化需求的因素（劉興剛等，2018；劉雨辰，2018；宋亞偉，2018；張昕，2018；周德書 等，2018）。例如，參加瑜伽活動，需要訓練墊、合適的運動服裝、室內(nèi)活動空間、音響等設(shè)施；參加登山活動和戶外體育，需要合適的服裝、登山或戶外運動鞋以及步道和安全等設(shè)施；參加自行車運動，需要適合的服裝、頭盔、護目鏡和必要的自行車裝備。

3.3.2.3 不同職業(yè)人群體育的需求

針對不同職業(yè)人群的需求，有關(guān)部門規(guī)劃了相對應(yīng)的體育發(fā)展政策、標準和具體目標。2017年12月，農(nóng)業(yè)部和國家體育總局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進一步加強農(nóng)民體育工作的指導意見》，指出農(nóng)村“健身設(shè)施建設(shè)”是與城鎮(zhèn)居民有較大差距的4個方面之一。針對存在的問題，提出“建設(shè)和利用農(nóng)民群眾身邊的場地設(shè)施”，“將體育健身科學知識、器材用品”等送到農(nóng)民身邊。采用信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)“建設(shè)運行農(nóng)民體育管理資源庫、服務(wù)資源庫和公共服務(wù)信息平臺”，并研制適合農(nóng)民人群的“體質(zhì)監(jiān)測有效方式”和“體質(zhì)健康數(shù)據(jù)庫”，以及“適合農(nóng)民的運動處方庫、健身指導方案和健身活動指南”，此外，“要創(chuàng)辦‘億萬農(nóng)民健身網(wǎng)站’，制作農(nóng)民體育健身活動音視頻作品，開發(fā)應(yīng)用適應(yīng)農(nóng)民群眾實際需要的手機APP等，為農(nóng)民體育提供信息化綜合平臺和伴隨服務(wù)”。

教育部頒布的《普通高中體育與健康課程標準（2018年版）》明確提出了“為了應(yīng)對信息技術(shù)對教育發(fā)展所產(chǎn)生的革命性影響，促進體育與健康課程內(nèi)容、教學手段和方法的現(xiàn)代化”，鼓勵教師“以技術(shù)支持學習”的理念，“在體育與健康課程中重視利用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，將多媒體、智能手機、運動手表、心率監(jiān)測儀、計步器、加速度計等信息技術(shù)手段深度融合到體育與健康課程教學中”（季瀏，2018）。

3.3.2.4 殘疾人體育的需求

為了貫徹落實《“十三五”加快殘疾人小康進程規(guī)劃綱要》，推動殘疾人小康進程目標和提高殘疾人體育訓練科學化水平同步實現(xiàn)，中國殘疾人聯(lián)合會和中國殘疾人體育運動管理中心于2017年11月發(fā)布了《2017－2018年度殘疾人體育科研服務(wù)與攻關(guān)項目課題申報指南公告》。提出要“促進居家重度殘疾人參與康復體育鍛煉的實施方法和手段的研究”，針對“居家不易出戶的殘疾人”，進行“實用鍛煉器材開發(fā)”，“運用多媒體互聯(lián)網(wǎng)手段開展科普宣傳和健身指導，形成評價指標體系”，以工程技術(shù)手段帶動殘疾人康復健身、融入社會。

通過以上，可以發(fā)現(xiàn)群眾體育的共性需求，包括：1）體育公共設(shè)施的持續(xù)性研發(fā)和建設(shè)；2）數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)和產(chǎn)品的研發(fā)、建設(shè)和應(yīng)用；3）個性化及傳統(tǒng)體育項目和體育活動配套設(shè)施和器材用品的研發(fā)；4）體育教學器材研發(fā)和設(shè)施建設(shè)。

3.3.3 體育產(chǎn)業(yè)的需求

體育產(chǎn)業(yè)是以體育競賽和健身活動為中心開展的一系列相關(guān)的經(jīng)濟活動的總稱（黃海燕，2018），主要包括體育競賽表演、健身休閑、體育管理與組織、體育用品制造與銷售、體育設(shè)施與建筑、體育媒體與文化、體育康復、體育教育與培訓等方面。

目前，我國體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭雖然迅猛，但與體育強國相比，差距主要體現(xiàn)在規(guī)模不大、結(jié)構(gòu)不優(yōu)、區(qū)域發(fā)展不平衡等方面。體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求更加旺盛（趙勇，2018），體育產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和品質(zhì)、提供服務(wù)和滿足需求的能力亟待提高和優(yōu)化。

3.3.3.1 體育消費、體育休閑的需求

2014年10月2日，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于加快發(fā)展體育產(chǎn)業(yè)促進體育消費的若干意見》。在其主要任務(wù)中，反應(yīng)出對于體育工程的需求：1）積極支持體育用品制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，采用新工藝、新材料、新技術(shù)，提高產(chǎn)品科技含量；2）鼓勵可穿戴式運動設(shè)備、運動健身指導技術(shù)裝備等研發(fā)制造營銷；3）引導發(fā)展戶外營地、徒步騎行服務(wù)站、汽車露營營地、航空飛行營地、船艇碼頭等設(shè)施；4）完善體育設(shè)施，重點建設(shè)一批便民利民的中小型體育場館、公眾健身活動中心、戶外多功能球場、健身步道等場地設(shè)施。盤活存量資源，改造舊廠房、倉庫、老舊商業(yè)設(shè)施等用于體育健身。

2016年10月25日，國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于加快發(fā)展健身休閑產(chǎn)業(yè)的指導意見》中指出，目前健身休閑產(chǎn)業(yè)“還存在有效供給不足、大眾消費激發(fā)不夠、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、器材裝備制造落后”的問題。針對問題，提出了主要任務(wù)：第一，完善健身休閑服務(wù)體系；第二，優(yōu)化健身休閑產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局；第三，加強健身休閑設(shè)施建設(shè)，利用規(guī)劃設(shè)計、建筑設(shè)計、景觀設(shè)計、工業(yè)設(shè)計等工程技術(shù)手段，對“健身休閑基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)”“城市居住區(qū)有關(guān)配套建設(shè)健身設(shè)施”“健身休閑項目的空間布局”和“健身休閑設(shè)施”等進行設(shè)計和規(guī)劃；第四，提升健身休閑器材裝備研發(fā)制造能力，“提升冰雪運動、山地戶外運動、水上運動、汽車摩托車運動、航空運動等器材裝備制造水平。引導企業(yè)進軍健身休閑裝備制造領(lǐng)域”，以“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接健身休閑個性化需求”，“研發(fā)新型健身休閑器材裝備、可穿戴式運動設(shè)備、虛擬現(xiàn)實運動裝備等”。

3.3.3.2 康復產(chǎn)業(yè)的需求

2016年10月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快發(fā)展康復輔助器具產(chǎn)業(yè)的若干意見》，要求“提高康復輔助器具產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要領(lǐng)域創(chuàng)新能力”，“搭建康復輔助器具科技創(chuàng)新平臺和基礎(chǔ)共性技術(shù)研發(fā)平臺”，“加強相關(guān)基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)元器件、基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)和系統(tǒng)集成能力”。這些預設(shè)目標，非常明確地提出了需要體育工程基礎(chǔ)研究提供支撐，并指出了人工智能、腦機接口、虛擬現(xiàn)實、機器人、仿生技術(shù)等工程技術(shù)在“護理照料”“教育和就業(yè)輔助”，“康復”等方面的研發(fā)方向。

3.3.3.3 體育媒體的需求

體育媒體是體育產(chǎn)業(yè)非常重要的一部分。據(jù)統(tǒng)計，2010年，全世界有9.09億人次觀看了南非世界杯決賽，有214個國家的22億人次至少連續(xù)20 min觀看了該屆世界杯的比賽。2012年全球有27億人次至少連續(xù)15 min觀看了倫敦奧運會賽事（Nicholson et al.，2015）。信息技術(shù)的進步使體育信息的傳播實現(xiàn)了實時化和全球化，同時也使體育消費者成為體育媒體內(nèi)容的生產(chǎn)者（Nicholson et al.，2015）?；ヂ?lián)網(wǎng)、智能設(shè)備、數(shù)字電視、三維視頻等技術(shù)的發(fā)展，為體育媒體和體育消費提供了巨大的技術(shù)需求和市場空間。在線體育消費持續(xù)快速增長，中國和巴西的增長率分別為20%和12%，兩國有80%的體育愛好者在線消費（Perform et al.，2012）。體育消費的刺激，使體育媒體技術(shù)本身存在著發(fā)展需求，例如，在體育直播中提供技術(shù)和動作分析，以及技戰(zhàn)術(shù)和數(shù)據(jù)的實時分析和播報；提供高清晰度的三維體育賽事視頻；研發(fā)更多的體育電子游戲等。

以上的政策需求和市場需求，說明體育產(chǎn)業(yè)對于體育工程的需求集中在以下幾個方面：1）大眾日常體育健身活動設(shè)施場地的建設(shè)；2）以冰雪、山地、水上、航空、戶外、極限等特色體育活動和傳統(tǒng)體育活動為對象，進行資源開發(fā)和設(shè)施建造；3）廣泛利用以大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、可穿戴技術(shù)、新材料為代表的新技術(shù)和新工藝滿足體育的需求，傳播科學健身知識和信息的，設(shè)計研發(fā)建造能夠滿足不同需求的體育用品、休閑器材和裝備；4）體育產(chǎn)業(yè)與醫(yī)療、康復、養(yǎng)老服務(wù)、媒體、文化創(chuàng)意和設(shè)計服務(wù)、教育培訓、旅游、房地產(chǎn)、城市規(guī)劃等產(chǎn)業(yè)的融合度不斷提高，需要體育工程持續(xù)加強基礎(chǔ)研發(fā)和系統(tǒng)集成能力，研究開發(fā)兼具體育元素和更多其他元素的實體產(chǎn)品和服務(wù)產(chǎn)品。

3.4 體育工程領(lǐng)域自身發(fā)展的需求

3.4.1 用于體育工程研發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)手段

在競技體育方面，由于選材、訓練、競賽、科研、日常服務(wù)和保障等工作的復雜性和難度不斷發(fā)展，對于低粒度、高維度、高精度、長時域的原始數(shù)據(jù)和推算數(shù)據(jù)的需求增大。而數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低，直接影響了訓練監(jiān)控（尹亞晶，2017）、分析和決策的質(zhì)量。保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的3個要素“準確性”“完整性”和“一致性”（韓家煒，2012），對于如何獲取訓練數(shù)據(jù)提出了需求的原則性要求。

沒有數(shù)據(jù)就沒有研究。在“智能化訓練場館的設(shè)計和建造”的任務(wù)需求中，反應(yīng)出體育科研需要從實驗室走向訓練場，更精準地采集逼近訓練甚至比賽狀態(tài)的真實數(shù)據(jù)，更好地擬合理論模型與實驗數(shù)據(jù)等復雜需求。運動訓練學領(lǐng)域?qū)W者指出，“儀器的使用”問題已經(jīng)“成為阻礙中國運動訓練學發(fā)展的內(nèi)部因素”之一（張莉清等，2016）。

工程領(lǐng)域也需要應(yīng)用型的基礎(chǔ)研究，這些實際問題的解決，以及更新問題的出現(xiàn)，都需要不斷的以應(yīng)用為導向的基礎(chǔ)技術(shù)手段進行研發(fā)。例如，計算機視覺、機器學習等技術(shù)算法的發(fā)展，為體育視頻分析和運動技術(shù)的時空參數(shù)的提取提供了新的基礎(chǔ)手段；可穿戴設(shè)備和高性能柔性傳感器的利用，可以不斷提高體育數(shù)據(jù)的“準確性”“完整性”和“一致性”（蔣薇 等，2015；李鋒 等，2017；李海丹等，2015；孟昭莉等，2018）；高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和利用，可以大大提高體育視頻和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的傳送帶寬和吞吐量。

3.4.2 領(lǐng)域內(nèi)基礎(chǔ)理論、基本建設(shè)和人才培養(yǎng)的需求

目前，體育工程在體育領(lǐng)域內(nèi)的作用已經(jīng)得到了廣泛認可。但是，要使其成為一門真正意義上的學科，持續(xù)提高其學科生產(chǎn)力，還需要不斷地進行系統(tǒng)化、理論化建設(shè)。

一門學科的構(gòu)成應(yīng)該包括本領(lǐng)域內(nèi)的知識總和以及開展學術(shù)研究的方法。“工程學是一個十分浩大而門類繁多的領(lǐng)域”（歐陽瑩之，2008）。計算數(shù)學、物理學相關(guān)工程與技術(shù)、工程與技術(shù)科學是體育工程生存的基石；機械工程、電子技術(shù)、通信技術(shù)、信息科學與系統(tǒng)科學、流體力學和應(yīng)用力學、計算機軟件和應(yīng)用、儀器儀表技術(shù)、傳感器技術(shù)、材料科學等是體育工程研發(fā)的傳統(tǒng)手段；工業(yè)設(shè)計、人機工程學等提高研發(fā)成果的實用性和易用性；工程管理學等理論和方法保證工程實施的效率，化解或降低技術(shù)風險。體育科學的運動生物力學、運動訓練學、運動生理學、運動生物化學、運動心理學等為體育工程提供應(yīng)用理論、驗證方法等；人工智能和計算機視覺、數(shù)據(jù)科學和數(shù)據(jù)挖掘、可穿戴裝備技術(shù)、智能傳感器及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，正在成為當前體育工程研發(fā)的新動力和催化劑。

由于需求的提升，國內(nèi)越來越多的資源投入到體育工程領(lǐng)域中，領(lǐng)域內(nèi)的研發(fā)機構(gòu)也隨著需求的變化而進行調(diào)整。2009年，國家體育總局體育科學研究所體育儀器器材研究中心更名為體育工程研究中心，更全面地體現(xiàn)了體育工程的內(nèi)涵。清華大學、北京航空航天大學、北京理工大學、中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、華為技術(shù)有限公司、小米科技有限責任公司等也開展了體育工程研究。在體育工程教育方面，武漢體育學院體育工程與信息技術(shù)學院、沈陽工業(yè)大學體育器材研究所、華東理工大學體育科學與工程學院等設(shè)置了與體育器材裝備、體育材料工程相關(guān)的碩士和博士培養(yǎng)點。吉林大學工程仿生教育部重點實驗室開展了仿生學在體育工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究。2017年，北京體育大學籌建體育工程學院，包括智能體育工程、生物醫(yī)學工程、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)等專業(yè)和學科發(fā)展方向，并開展運動生物力學、智能體育、體育生物醫(yī)學工程、運動器械裝備與材料等工程實踐。

自身建設(shè)持續(xù)發(fā)展、研發(fā)機構(gòu)的建設(shè)、融合體育視野和工程經(jīng)驗的交叉型人才的培養(yǎng)等需求，幾乎涵蓋了體育工程領(lǐng)域內(nèi)全部基礎(chǔ)學科的應(yīng)用研發(fā)。并且，這種研發(fā)需要長期投入，需要基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識、應(yīng)用技術(shù)、效果驗證等多方面成果的高度集成。

4 滿足當前需求的重要工程技術(shù)

傳感器技術(shù)、材料科學與工程、仿真科學與技術(shù)、流體力學、機械設(shè)計與制造、空氣動力學、人工智能/計算機視覺、數(shù)學（有限元分析）、計算機軟件與應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘（包括大數(shù)據(jù)）、體育場地與設(shè)施、物理學和可穿戴設(shè)備是近期國內(nèi)外成果所依托的主要的工科類專業(yè)和工程技術(shù)（表8），也說明以上技術(shù)在體育工程領(lǐng)域內(nèi)的重要作用。

不同的階段，實際存在的社會需求也有所區(qū)別，有針對性地提出重要的關(guān)鍵技術(shù)，對于滿足需求非常重要。2016－2020年，全民健身計劃非常明確地提出了要采用“健身信息聚合、智能健身硬件、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)”等技術(shù)；在《體育發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，“可穿戴運動設(shè)備和智能運動裝備、大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)”等是顯性的關(guān)鍵技術(shù)；在“科技冬奧”重點專項實施方案中，“數(shù)據(jù)挖掘、深度學習和人工智能技術(shù)、云計算技術(shù)”“多維度、多模態(tài)遠程信息采集和分析技術(shù)”“5G通信技術(shù)和先進無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”、功能性高新材料和碳纖維復合材料高性能器材等已經(jīng)被明確地提出要在奧運辦賽、運動員訓練、基地建設(shè)、安全保障等方面應(yīng)用。在高水平運動員培養(yǎng)模式和規(guī)律研究以及“冠軍模型”的研究方面，由于數(shù)據(jù)來自運動員的技術(shù)水平和能力、戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行能力、體能和力量水平、身體機能和身體形態(tài)、心理狀態(tài)和調(diào)控能力等多個方面，數(shù)據(jù)來源復雜，有文本、報表、網(wǎng)頁、圖片、圖像和音頻/視頻信息等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也有數(shù)字、符號等結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，以及半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)已經(jīng)無法應(yīng)對數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析的需求，必須采用大數(shù)據(jù)技術(shù)。在當前國家體育總局的重點工作任務(wù)“智能化訓練場館建設(shè)”中，以及現(xiàn)有的國外訓練場館和設(shè)施中，已經(jīng)采用了傳感器、可穿戴設(shè)備、計算機視覺、數(shù)據(jù)科學、網(wǎng)絡(luò)和高速通信技術(shù)服務(wù)于高水平運動員的訓練與保障。在群眾體育中出現(xiàn)的“信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多媒體”“智能手機、運動手表、心率監(jiān)測儀、計步器、加速度計”等可穿戴設(shè)備和傳感器，以及在體育產(chǎn)業(yè)中出現(xiàn)的“新材料、可穿戴式運動設(shè)備、人工智能、虛擬現(xiàn)實、機器人、仿生技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備、數(shù)字電視、三維視頻”等技術(shù)名詞，都表明了對于關(guān)鍵和主要技術(shù)的顯性需求。對于“新型全民健身的運動場地、體育設(shè)施和空間的整體規(guī)劃、設(shè)計和建造”這一共性需求，“體育場地與設(shè)施、工業(yè)設(shè)計、人機工程學、體育材料、力學和結(jié)構(gòu)力學”等技術(shù)無疑發(fā)揮了重要作用，而傳感器、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)的融合，可以使這些場地和設(shè)施具有實時、無線、遠程采集人體活動數(shù)據(jù)和場地環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化控制的能力。

因此，人工智能、傳感器及其網(wǎng)絡(luò)、可穿戴設(shè)備等技術(shù)在滿足競技體育的訓練和科研中的數(shù)字化和智能化等方面具有重要作用；數(shù)據(jù)分析和挖掘為大眾體育提供大型數(shù)據(jù)處理和分析服務(wù)；傳感器和可穿戴設(shè)備已經(jīng)在競技體育訓練的實時化和數(shù)字化訓練方面，以及在大眾健身科學指導和體育產(chǎn)業(yè)新技術(shù)方面體現(xiàn)了應(yīng)用價值；通信和導航技術(shù)是實現(xiàn)智能化的數(shù)據(jù)通道；體育材料則為滿足需求提供原材料。

面對體育領(lǐng)域的需求，傳感器及可穿戴設(shè)備（包括智能終端、視頻設(shè)備）、導航技術(shù)和設(shè)備等主要負責采集數(shù)據(jù)，通過通信設(shè)備及技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)）向大數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘處理和利用，為體育領(lǐng)域的需求提供服務(wù)（圖2）。

圖2 傳感器及可穿戴設(shè)備、人工智能、大數(shù)據(jù)、通信等工程技術(shù)面對體育需求所提供的服務(wù)Figure 2. The Services Provided by Sensor and Wearable Devices，AI，Big Data，Communication and Other Engineering Technologies Base on the Requirements of Sports

4.1 傳感器及其網(wǎng)絡(luò)、可穿戴裝備

體育數(shù)據(jù)具有來源多元（比賽、訓練、科研、保障等多方面）、結(jié)構(gòu)類型多樣（文本、音頻、視頻、圖像）、采集環(huán)境復雜（動態(tài)人體、長距離、大空間、場地環(huán)境、干擾類型）、涉及頻段分布廣（視頻采集頻率25～200 Hz，心率采集5.3 kHz，Zigbee/BlueTooth/ANT＋等 2.4 GHz，LoRa通訊433/868/915 MHz）等特點，要達到體育數(shù)據(jù)特別是現(xiàn)場多類型數(shù)據(jù)采集的精度高、運行穩(wěn)定、實時性好、抗干擾能力強、性價比高、保密性好、同步性強、無創(chuàng)甚至無接觸的要求，是對傳感器、網(wǎng)絡(luò)和可穿戴裝備集成應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

在文獻、報告、應(yīng)用案例以及國際體育組織技術(shù)政策中，傳感器及其網(wǎng)絡(luò)、可穿戴裝備在體育領(lǐng)域目前的應(yīng)用情況和關(guān)鍵作用，包括：運動學和動力學數(shù)據(jù)采集（Lecoutere et al.，2014，2016）、運動員機能等狀態(tài)監(jiān)測（孫華 等，2017；Mercado-Aguirre et al.，2017）、運動姿態(tài)預估（房鵬飛 等，2017）、運動軌跡追蹤（Lecoutere et al.，2016）、人體動作建模（Tedesco et al.，2016）、運動強度監(jiān)測（韓子鵬等，2016；溫煦等，2017）、運動環(huán)境監(jiān)控、運動康復監(jiān)控（孫赫等，2017）、體育媒體數(shù)據(jù)和多媒體展示（Nicholson et al.，2015）等。Wagner（2018）的綜述性研究證明了包括加速度傳感器、陀螺儀和磁力在內(nèi)的可穿戴設(shè)備在運動生物力學領(lǐng)域的應(yīng)用價值和作用。2015年3月，國際足球聯(lián)合會（簡稱“國際足聯(lián)”，F(xiàn)édération Internationale de Football Association，F(xiàn)IFA）已允許在足球比賽中使用電子類運動表現(xiàn)與跟蹤系統(tǒng)（Electronic Performance and Tracking Systems，EPTS），其中包括加速度和陀螺儀等傳感器，以及心率、運動負荷和生理參數(shù)的監(jiān)測設(shè)備，并對運動員進行定位和追蹤，實現(xiàn)在比賽中對運動員個體和整個隊伍的有關(guān)參數(shù)的實時記錄。

對于大眾健身方面的需求，美國運動醫(yī)學會（American College of Sports Medicine，ACSM）每年發(fā)布關(guān)于次年的健身趨勢預測報告。可穿戴技術(shù)首次出現(xiàn)在2016年的預測報告中，并在2016年和2017年的預測報告中排行居第一位。在2019年的預測報告中（Thompson，2018），可穿戴設(shè)備和技術(shù)再次上升至排行榜第一位，并指出可穿戴設(shè)備和技術(shù)在2019年將變得更加普遍和強大，它可以幫助人們改變身體活動行為，提高訓練的依從性，促進和刺激積極的生活方式。黎涌明等（2018）借鑒美國運動醫(yī)學學會的全球健身趨勢調(diào)查經(jīng)驗，對中國健身趨勢進行了調(diào)查。結(jié)果顯示，可穿戴設(shè)備和技術(shù)在中國2018年健身趨勢調(diào)查中排名第二。

未來，可穿戴設(shè)備的智能化、柔性結(jié)構(gòu)、材料、運動狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳送、在極端環(huán)境下的耐用性和性能、電源技術(shù)，是其在體育領(lǐng)域應(yīng)用研發(fā)需要重點關(guān)注的問題。

4.2 體育材料

體育材料的特性、加工和制造工藝、材料表面結(jié)構(gòu)和特性會影響運動表現(xiàn)，因此，長期以來，體育材料的研發(fā)都是體育工程領(lǐng)域的熱點。而且，體育材料研發(fā)的特殊性，需要研發(fā)具有可持續(xù)性。

4.2.1 體育比賽器材材料關(guān)鍵特性的改善促進競賽成績的提升

撐桿跳項目的撐桿，最早是由堅硬的木材制造，而后改用長竹竿。20世紀40年代，改用鋁材和鋼材制造撐桿，但由于這兩種材料剛度較大，對于成績的提升沒有顯著作用。20世紀60年代，纖維增強塑料被用于撐桿制造，較大的彈性撓度可以傳遞更多的能量，撐桿跳的成績開始穩(wěn)步提升（Sven et al.，2018）（圖 3）。2000年悉尼奧運會上，使用能增加浮力的聚氨酯纖維材料制成的“鯊魚皮”泳裝，極大地提高了游泳比賽成績。這些都證明了體育材料關(guān)鍵特性對于比賽成績的作用。

圖3 撐桿跳世界紀錄成績的變化與撐桿材料的關(guān)系(Sven et al.，2018)Figure 3. The Relationship Between the Change of the World Record of Pole Vault and the Material of Pole

4.2.2 材料的制造工藝和加工工藝影響體育器材裝備的性能

撐桿加工采用層壓結(jié)構(gòu)，其纖維束的纏繞角度和撐桿的交叉部分決定了撐桿的彎曲強度（Jenkins，2003）。彎曲強度高，撐桿彎曲程度加大，彎曲時所存儲的彈性應(yīng)變能就會增加；撐桿回彈時，彈性應(yīng)變能釋放，使運動員升高，轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?；彈性?yīng)變能越大，提供給運動員的能量越大。

鈦金屬和鈦合金具有高強度和低密度的特性，廣泛用于賽車材料。但是，Dong（2003）對材料研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金耐磨性較差，如果未經(jīng)適當?shù)墓に囘M行處理，反而會影響賽車的整體性能。山地車的鈦合金管材車架在焊接時，會因為定位和焊接而出現(xiàn)剩余張力，在焊接后引起的微裂紋會使整個框架結(jié)構(gòu)失效；另外，在復雜地形中騎行時，受到的沖擊較大。這些因素都會對運動員安全造成威脅。因此，鈦合金的表面處理和焊接工藝必須能夠提高其耐磨性，以提高賽車整體性能。

20世紀60－70年代，層壓結(jié)構(gòu)和玻璃纖維材料的使用改善了冰球桿的柔韌性和機械特性的一致性。20世紀90年代，使用碳纖維材料制造的冰球桿，重量更輕，抗彎曲疲勞性能也更加顯著（Pearsall et al.，2007）。

Colonna等（2017）通過研究冬季運動靴塑料殼的熱形成過程，發(fā)現(xiàn)熱塑性材料的種類、加熱時間和冷卻過程對材料的初始變形和記憶效應(yīng)有很大影響。以尼龍和離聚物為基礎(chǔ)的聚合物共混物提供了最佳的熱形成，在熱形成過程中，不僅不會影響滑雪靴的彎曲剛度，還可以使滑雪者腳部壓力降低5倍以上，提高了滑雪者的舒適度。

4.2.3 運動器材的表面特性和結(jié)構(gòu)影響運動表現(xiàn)

高爾夫球桿的擊球面經(jīng)過特殊噴砂處理得到適當?shù)谋砻娼Y(jié)構(gòu)。現(xiàn)代滑雪板是由聚乙烯制成的，滑雪板使用后，與雪面的摩擦會導致磨損和劃痕，進而影響滑雪板表面結(jié)構(gòu)和滑雪板摩擦系數(shù)，Kaserer等（2016）的研究表明，與未劃傷的雪板相比，被劃傷雪板的摩擦系數(shù)幾乎翻了一番。經(jīng)過磨制的新滑雪板摩擦系數(shù)比未經(jīng)打磨的滑雪板摩擦系數(shù)降低約25%。

Colonna等（2016）研究了玻璃纖維/橡膠復合材料在滑雪靴底面的作用，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維對冰的抓地力影響顯著，其原因是玻璃纖維剛度的增強、鞋底以下水層形成的接觸角的增大以及纖維拒水能力的增加。

4.2.4 不同需求的特殊性對于體育材料的不同要求

體育服裝研發(fā)及其材料的選用和研制，主要目標是為運動員創(chuàng)建舒適的、具有保護功能的微環(huán)境，關(guān)鍵要素包括：溫度調(diào)節(jié)功能、水汽傳導功能、防水功能、防風功能。不同項目對于服裝主要功能的需求存在異同。冬季項目和登山項目的服裝主要功能之一是保暖，而田徑運動員的服裝主要需求之一是具有良好的透氣和散熱功能。但是，兩種項目都對服裝有穿著舒適、柔軟輕便的需求。

對于殘疾人運動員的運動器材和裝備的材料研發(fā)、選用、加工需要特殊考慮和設(shè)計實施。例如，脊柱損傷的殘疾人，對于壓力和摩擦造成的疼痛無感覺或不敏感，長時間施壓和摩擦會對皮膚和肌肉組織造成損傷，因此，專供殘疾人使用的馬鞍，采用多孔蜂窩狀的熱塑性彈性材料，可有效防止和釋放由壓力引起的疼痛，還可起到透氣的作用。殘疾人冰球運動中，為了防止對運動者造成損傷，器材盡可能采用木頭、塑料、輕質(zhì)鋁材或鈦合金制造。

體育材料的研發(fā)需求內(nèi)容主要是依據(jù)運動功能選擇或研制體育材料。在滿足體育器材和裝備、設(shè)施和建筑的主要功能的同時，材料的約束條件（Ashby，2011；Smith et al.，2006）也是研究的重點，其中包括：運動項目的特殊性、材料的物理和化學特性、材料的力學性能、材料的結(jié)構(gòu)、材料的制造過程、材料的經(jīng)濟性、對材料的環(huán)保要求（楊祎，2017）、地域和環(huán)境特點（喻汝青等，2017）等。

4.3 人工智能

1956 年，“人工智能（Artificial Intelligence，AI）”的概念出現(xiàn)。2016年3月，Google旗下DeepMind公司開發(fā)的AlphaGo戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍李世石，成為了以人工智能為代表的前沿技術(shù)在體育競技中應(yīng)用的標志性事件。

Dutt-Mazumder等（2011）介紹了各種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在團隊運動成績分析中的相對價值，并著重討論了其在足球項目中的潛在應(yīng)用。Bosch等（2015）將機器學習技術(shù)應(yīng)用于分析賽艇動作的優(yōu)劣。Fani等（2018）以手臂關(guān)鍵位置和角度作為特征集，使用多類支持向量機和隨機森林分類器來預測游泳力量的效率。Chen等（2017）利用隱馬爾可夫模型（Hidden Markow Model，OHMM）有效地優(yōu)化了體育攝像用的攝像機運動軌跡。AI服務(wù)于體育需求的潛力和實際價值顯著。

4.3.1 計算機視覺

競技體育的訓練和科研、體育教育和體育媒體，對于視頻影像數(shù)據(jù)的需求巨大，體現(xiàn)在動作識別和姿態(tài)估計 、動作數(shù)據(jù)提取（Ba?i?，2016）、速度測量和追蹤（Trangbaek et al.，2015）、技術(shù)動作分析（Tubez et al.，2017）、球體三維運動軌跡重建、識別發(fā)球、擊球動作和球體彈跳情況（Renò et al.，2017）等應(yīng)用場景，人工智能中的計算機視覺等前沿技術(shù)的發(fā)展，不僅可以推動現(xiàn)有技術(shù)的進步，而且可以滿足這些方面不斷產(chǎn)生的新需求。利用三維視頻對運動員的運動學參數(shù)進行分析，對運動姿態(tài)進行建模是運動生物力學的常規(guī)任務(wù)，傳統(tǒng)的需要標記的、無標記的光電式和普通視覺的三維視頻捕捉系統(tǒng)都需要架設(shè)和標定多臺設(shè)備，使用的時間成本較高，而計算機視覺和深度學習可以實現(xiàn)圖像自動分類、利用算法對視頻內(nèi)容進行理解、對視頻目標實施自動追蹤、對運動姿態(tài)的時空參數(shù)和運動學參數(shù)自動計算，極大地提高了技術(shù)分析和裁判判別的效率。運動技術(shù)分析需要采集和利用高幀率視頻，其存儲硬件和采集時間的耗費較大，人工智能的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和硬件技術(shù)還可以降低這方面的成本和開銷。

自2008年賽季，美國棒球大聯(lián)盟將視頻系統(tǒng)PITCHf/x安裝在大聯(lián)盟的全部30個球場上，系統(tǒng)將計算機視覺技術(shù)應(yīng)用在視頻上，用來預估在球場中央?yún)^(qū)域棒球飛行的三維軌跡，并根據(jù)分類算法，自動將投出的球分類為快球和曲線球。運動員可以利用系統(tǒng)監(jiān)測和提高技術(shù)動作，裁判員也可以通過系統(tǒng)協(xié)助提高裁判的準確率。自2015賽季，Statcast系統(tǒng)采用光學視頻傳感器陣列和立體視頻技術(shù)來追蹤場上多名運動員的位置，并在時間上同步了多普勒雷達和視頻設(shè)備，量化了分析反應(yīng)時間、跑動路徑效率和速度、評估防守時站位策略的有效性（Healey，2017）。

4.3.2 機器學習和深度學習

機器學習（Machine Learning）是人工智能領(lǐng)域中的具體技術(shù)，其特點是不需要人工明確地編程或者事先預設(shè)規(guī)則，即可從經(jīng)驗中學習，從數(shù)據(jù)中挖掘規(guī)律，發(fā)現(xiàn)輸入與預測結(jié)果之間的映射關(guān)系。深度學習（Deep Learning）是實現(xiàn)機器學習的技術(shù)和方法，在圖像識別等眾多領(lǐng)域取得成功，甚至在單一問題上超過人類的平均能力（詹劍鋒，2019）。體育數(shù)據(jù)的類型復雜，包括數(shù)值型數(shù)據(jù)和視頻、圖像和文本等非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，深度學習則非常適合處理這類數(shù)據(jù)（劉凡平，2018）。另外，機器學習的支持向量機、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隱馬爾可夫模型已經(jīng)被應(yīng)用于運動動作識別、動作效果比較和運動參數(shù)的預測（高慧，2014；Hoettinger et al.，2016）。此外，在運動員技術(shù)動作類型分類（王安聰，2009）、體育視頻分類（張龍飛 等，2006）、體育成績預測（張雅清，2015）等方面，也表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值。無監(jiān)督學習、聚類等方法將在冠軍模型的研究和構(gòu)建中發(fā)揮人力所不可及的作用。

更多的研發(fā)和應(yīng)用成果證明了機器學習方法在滿足體育需求方面的作用。Brock等（2016）提取了對體育動作的藝術(shù)表現(xiàn)力有決定作用的傳感器數(shù)據(jù)，并在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對動作自動評估和排名，用于體操和花樣滑冰的訓練和動作評判。Um等（2017）利用深度學習的典型算法之一的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN），對佩戴在前臂的加速度傳感器測量的時間序列數(shù)據(jù)進行鑒別特征提取，對50個類別的健身房鍛煉動作進行分類。Cust等（2018）的綜述性研究對IMU單元等在體育領(lǐng)域動作識別方面的應(yīng)用進行了系統(tǒng)性的梳理，對29個研究工作中的傳感器的使用情況，傳感器數(shù)據(jù)處理中的數(shù)據(jù)濾波、處理、探測、特征提取、特征選擇方法，動作識別、分類的機器學習和深度學習的算法，以及算法的性能進行了系統(tǒng)說明。Ardiyanto等（2018）利用智能手機和智能手表中的加速度計傳感器監(jiān)測強度較低的體育活動，如跳躍、俯臥撐、坐起、蹲跳，采用滑動方差和數(shù)據(jù)范圍算法提取動作數(shù)據(jù)中的特征，再結(jié)合K最近鄰（k-Nearest Neighbor，kNN）算法對特征提取的結(jié)果進行分類，平均精度達到了97.4%。Yang（2019）對機器學習算法和圖像識別與處理技術(shù)相結(jié)合進行了研究，以識別和分析籃球動作。

在體育活動中，面向團隊運動的多人活動識別和分類的難度大于單人的動作識別（Kautz et al.，2015）。Wundersitz等（2015）從加速度傳感器和陀螺儀數(shù)據(jù)中提取多個時域、頻域和自定義特征，使用隨機森林（Random Forest，RF）、支持向量機（Support Vector Machine，SVM）和Logistic模型（Logistic Model，LMT）算法進行活動分類，證明了對團隊體育相關(guān)活動進行分類的可行性。

4.3.3 模式識別

模式識別技術(shù)是信號處理與人工智能的一個重要分支，它采用數(shù)學的方法對客觀世界中存在的某一類事物的特征進行發(fā)現(xiàn)，并利用特征對事物進行判別和分類。

Seifert等（2014）利用模式識別技術(shù)，分別對不同技術(shù)水平的運動員在蛙泳25 m和室內(nèi)攀巖10 m時的關(guān)節(jié)角度和肢體方向進行了研究。劉猛猛（2018）使用NReJ3D技術(shù)對模式識別方法進行優(yōu)化，對武術(shù)連續(xù)動作進行高清晰度識別。正則化多任務(wù)學習（Regularized multi-task learning，MTL）算法逐漸在模式識別和計算機視覺領(lǐng)域得到應(yīng)用，能夠充分挖掘不同相關(guān)任務(wù)之間的關(guān)系。Gao等（2017）在兩個公共多視圖動作數(shù)據(jù)集上系統(tǒng)地研究了7種常用的、研究表明正則化MTL對動作識別非常有用、可以挖掘不同動作之間的潛在關(guān)系。這些基礎(chǔ)研究的成果可以用于體育動作的識別。

在體育領(lǐng)域，模式識別技術(shù)的研發(fā)需求體現(xiàn)在動作識別、動作分解和運動學數(shù)據(jù)捕捉（劉猛猛，2018；Seifert et al.，2014），運動員技戰(zhàn)術(shù)能力模型研究和能力評估、運動員選材等（曹立等，2015；司友志等，2008；楊青 等，2016），以及人體生理參數(shù)的非接觸式采集技術(shù)研究（梁智敏等，2018）等方面。

4.4 數(shù)據(jù)科學、數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)

中國科學院院士郭華東（2018）認為，“大數(shù)據(jù)的影響已觸及自然科學、社會科學、人文科學和工程科學的各個研究領(lǐng)域”，并且“利用大量數(shù)據(jù)的相關(guān)性可取代因果關(guān)系和理論模型，基于數(shù)據(jù)間的相關(guān)性能夠獲得新知識、新發(fā)現(xiàn)”。數(shù)據(jù)科學對于體育的價值體現(xiàn)在為體育工作提供整理數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)幫助教練員和科研人員發(fā)現(xiàn)競技體育內(nèi)在制勝規(guī)律，分析與運動員成績具有高度相關(guān)性因素的相互關(guān)系和作用。

數(shù)據(jù)挖掘是從大量數(shù)據(jù)中獲取知識的核心算法的集合。從體育大數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式，獲取人才選拔、高水平運動員培養(yǎng)、競賽致勝關(guān)鍵因素分析和發(fā)現(xiàn)等方面的知識，支持訓練和競賽的決策，是競技體育對于數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用需求。

在競技體育方面，由于數(shù)據(jù)來源多元，數(shù)據(jù)具有個性化、結(jié)構(gòu)復雜多樣、保密性高、時效性較高等特點，對于數(shù)據(jù)科學和數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用需求主要集中在數(shù)據(jù)的同步采集技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合和存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和可視化表示技術(shù)（張璇等，2017）、數(shù)據(jù)保護等方面。群眾體育和體育產(chǎn)業(yè)方面，主要需求體現(xiàn)在比賽數(shù)據(jù)融合和分析利用（周軼楓，2017）、訓練數(shù)據(jù)的采集和分析（黃謙等，2009）、技戰(zhàn)術(shù)能力評價和選材（尹倩，2017；尹志瓊，2015）、大眾健身情況調(diào)查和數(shù)據(jù)利用（溫煦等，2017）、體育媒體的信息處理（殷文明，2017）、體育產(chǎn)業(yè)和體育教育的數(shù)據(jù)分析和指導（吳元慶，2017；謝經(jīng)良 等，2015）。

競技體育團隊項目中數(shù)據(jù)分析師的職責就是利用數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)可視化手段，為團隊訓練和比賽提供以數(shù)據(jù)為支撐和驅(qū)動的分析、意見、決策。2015年，德國足協(xié)首席數(shù)據(jù)分析師Christofer Clemens（2015）指出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的體育分析的重要性。Rein等（2016）以足球為例，分析了比賽戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)、運動員生理機能數(shù)據(jù)對于團隊項目的作用，并提出了運用大數(shù)據(jù)和機器學習技術(shù)，解決缺乏幫助團隊運動進行戰(zhàn)術(shù)決策的方法論指導和理論模型問題，設(shè)計了用于足球項目大數(shù)據(jù)模型（圖4）。Manuel等（2017）介紹了團隊體育中大數(shù)據(jù)的重要組成部分，并闡明對團隊體育數(shù)據(jù)進行總體分析的方法，以及對于團隊體育的作用。楊振興等（2016）概述了美國NBA的數(shù)據(jù)分析體系，以及數(shù)據(jù)在人才選拔、戰(zhàn)術(shù)打法分析和訓練監(jiān)控等方面的作用。馬靜等（2016）采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析了生化指標與運動員技術(shù)等級間的關(guān)系，提出相對于生化指標及運動員技術(shù)等級關(guān)系的傳統(tǒng)一般性統(tǒng)計學研究，決策樹及關(guān)聯(lián)分析可進行深層次的決策及預測，有利于隱含信息的發(fā)掘及規(guī)律性研究。2019年，國家體育總局體育科學研究所研究員閆琪等（2018）介紹了國內(nèi)外先進的數(shù)字化體能訓練方法和大量精英運動員的真實案例，說明了隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)成為競技體育的核心競爭力。

圖4 足球項目大數(shù)據(jù)模型(Rein et al.，2016)Figure 4. Big Data Model of Football

對于智能化體育訓練場館建設(shè)和“高水平運動員培養(yǎng)模式和規(guī)律研究”工作而言，數(shù)據(jù)科學和數(shù)據(jù)挖掘是實現(xiàn)智能化和規(guī)律發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.5 通信和導航技術(shù)

雖然應(yīng)用通信和導航技術(shù)的文獻較少（表8），但在傳感器及其網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘、穿戴設(shè)備技術(shù)中都隱含了其深度應(yīng)用，并在體育運動的速度測量、運動路徑追蹤、運動量計算等方面起到關(guān)鍵作用。

在游泳和花樣游泳運動中，存在著對水下技術(shù)動作進行實時監(jiān)測和分析的需求。水下設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)目前主要利用甚低頻、超低頻、極低頻和聲波進行傳送。為了提升通信距離和傳輸速度，利用光通信、中微子通信、引力波通信、量子通信、中長波通信等技術(shù)研究工作也在進一步展開。

在2018年科技部“科技冬奧”重點專項實施方案所包含的“全球影響傳播和智慧觀賽關(guān)鍵技術(shù)”中，主要解決方案和技術(shù)就是通信技術(shù)。在冬奧智慧綜合示范區(qū)建設(shè)中，明確地提出了“利用5G通信技術(shù)和先進無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)在復雜和極端條件下的高清視頻等多媒體數(shù)據(jù)的高速、安全、穩(wěn)定的傳輸”。

無人機通信技術(shù)以無人機為載體，目前在體育領(lǐng)域的應(yīng)用大多集中在賽事直播中。2014年索契冬奧會的滑板和高臺速降項目直播已應(yīng)用該技術(shù)。無人機通信技術(shù)特別適合應(yīng)用在長距離、山地和樹木較多的復雜自然環(huán)境中，例如，冬季越野項目、公路賽車和公路自行車、鐵人三項等項目。

傳感器網(wǎng)絡(luò)等局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的作用體現(xiàn)在體育科學研究、現(xiàn)場訓練和比賽數(shù)據(jù)的實時、高速傳送方面。2016年，Anton等（2016）以足球比賽中采用的生物反饋系統(tǒng)為例，計算了數(shù)據(jù)通信在速率方面的要求，現(xiàn)場22名運動員以及3名裁判，每人高達13個維度的數(shù)據(jù)，以1 000 Hz采樣率采集數(shù)據(jù)，加上協(xié)議開銷和數(shù)據(jù)校驗，數(shù)據(jù)速率需達到104 Mbit/s，因此，只能采用IEEE 802.11技術(shù)來實現(xiàn)這樣的通信要求。量子通信技術(shù)的出現(xiàn)大幅提升傳送速度，為高效、實時地傳送海量數(shù)據(jù)提供可能性。

目前，世界上已經(jīng)成熟應(yīng)用的全球定位和導航技術(shù)、系統(tǒng)，包括中國的北斗、美國的GPS、俄羅斯的Glonass和歐洲的伽利略。針對體育領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用成果已經(jīng)覆蓋了室外運動項目（包括田徑和水上運動）（Roobeek，2017）、冬季項目（Fasel et al.，2016；Hayashi et al.，2018）、團隊項目（Alejandro et al.，2017；Beato et al.，2018；Hoppe et al.，2018；Scott et al.，2016）。例如，高山滑雪運動對于運動員的運動分析的一個關(guān)鍵要素是測量人體質(zhì)心（center of mass，CoM）的運動軌跡，F(xiàn)asel等（2016）采用差分的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）和慣性傳感器融合，得到了位置精確度為0.08 m的CoM軌跡數(shù)據(jù)。Scott等（2016）的綜述表明，所有全球定位系統(tǒng)，無論采樣率如何，都能夠跟蹤運動員在團隊運動期間的距離，并具有足夠的單位內(nèi)可靠性。2018年，Hoppe等（2018）驗證了18 Hz采樣率的GPS對于團隊運動中運動模式的判定具有更高效和可信度的特點。

我國研制的北斗導航系統(tǒng)在體育領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。對于自行車、賽車、馬拉松、戶外探險等體育活動，北斗導航系統(tǒng)在導航計時、賽程中人數(shù)和車數(shù)的密度監(jiān)控、救生搶險等方面充分體現(xiàn)重要價值。

由于數(shù)據(jù)維度的提高和數(shù)據(jù)量的增大等原因，體育數(shù)據(jù)實時通信的要求會持續(xù)性的存在和提高，后續(xù)對于通信和導航技術(shù)的需求依然很大，主要表現(xiàn)在：1）應(yīng)對賽事集中的時段和地域的通信高峰，需要采用數(shù)字集群通信系統(tǒng)的方式，從信源規(guī)模的取定、中心機房的建設(shè)、室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)以及應(yīng)急通信車的設(shè)置等方面提供解決方案。2）移動互聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)與體育的結(jié)合應(yīng)用，主要體現(xiàn)在智能可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)傳送、體育媒體、線上賽事信息和票務(wù)業(yè)務(wù)服務(wù)等方面。

5 問題討論和今后的研發(fā)投入

社會的需要是工程設(shè)計的動力（Dieter et al.，2013）。社會需求的旺盛和變化，可能會提高工程的復雜性和艱巨性，需要工程技術(shù)人員必須關(guān)注和研究社會需求、政府法規(guī)以及工程對于環(huán)境的影響（歐陽瑩之，2008）。當前，我國體育工程要很好地滿足新時代社會發(fā)展的需求，進行以上各方面的需求分析，進而發(fā)現(xiàn)問題、有針對性地提出工程方案，是非常必要的。

以上結(jié)合2016－2017年國內(nèi)外體育工程領(lǐng)域成果的分析數(shù)據(jù)，對比國家層面規(guī)劃、地方規(guī)劃、體育行業(yè)和體育工程自身領(lǐng)域的需求，發(fā)現(xiàn)以當前的研發(fā)成果情況來應(yīng)對巨大的需求，還存在著差距，具體包括：1）多方面的需求分析充分說明了體育設(shè)施的數(shù)量和質(zhì)量的提升是共性需求之一，特別是群眾體育方面，但這一時期國內(nèi)“體育設(shè)施的設(shè)計與建造”方面的成果數(shù)量極少（1.23%）（表2）。2）在競技體育領(lǐng)域，技術(shù)動作分析始終是需求重點之一，而這一時期也未見國內(nèi)成果發(fā)表（表2）。3）科技助力奧運是競技體育的重點需求，而這一時期的國內(nèi)成果僅僅覆蓋了12類（項）夏季奧運會和2項冬季奧運會項目（表3），面對2022年北京冬奧會的舉辦和備戰(zhàn)的龐大需求，當前的成果供給差距明顯。4）在群眾體育方面，國外面向殘疾人體育的研發(fā)成果數(shù)量共21個，在國外成果占比為9.81%，但在國內(nèi)面向殘疾人體育的成果總數(shù)量僅為1個，在國內(nèi)成果占比為0.61%。5）當前體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需求體育工程利用人工智能、傳感器、可穿戴設(shè)備等為代表的新技術(shù)，研發(fā)新成果，提供新產(chǎn)品和新型服務(wù)，而這一時期，國內(nèi)體育工程面向體育產(chǎn)業(yè)的成果數(shù)量為3項，僅占全部的1.84%（表2）。6）基于體育工程自身發(fā)展的需求，需要大量的體育工程教育成果來培養(yǎng)領(lǐng)域內(nèi)人才、實現(xiàn)人力資源儲備。

綜上所述，當前國內(nèi)體育需求的特點有：1）多樣化和個性化突出。國家整體、區(qū)域和地方、行業(yè)發(fā)展的需求存在共性和個性的區(qū)別，例如，新型體育設(shè)施和場地的設(shè)計和建造是共性的需求。因地域、職業(yè)、文化背景、年齡、性別、個人愛好、健康水平等因素，需求群體及其需求呈現(xiàn)多樣化；需求個體及其需求個性化突出。2）融合性逐漸提高。國家和地方各級政府在發(fā)展體育事業(yè)，提高大眾身體健康水平的同時，也期待體育產(chǎn)業(yè)參與甚至帶動和促進社會、經(jīng)濟、環(huán)境、技術(shù)等其他多方面的同步發(fā)展，因此，需求在具有體育元素的同時，也兼具如文化傳媒、旅游休閑、娛樂與康復等方面的元素。3）基本需求不斷提升。需求期望基線越來越高，特別是大眾體育和殘疾人體育的需求提升，迫切需要工程研發(fā)和設(shè)計的理念和技術(shù)保持適當?shù)南冗M性和集成度。

根據(jù)當前的需求特點、成果情況以及重要的工程技術(shù)，體育工程領(lǐng)域研發(fā)在以下幾個方面還需要重點關(guān)注和加大投入：1）滿足國家層面、地方規(guī)劃和行業(yè)內(nèi)部的重大共性需求，例如，在質(zhì)的方面，需要新型的體育設(shè)施和場地及其科技含量的提升；在量的方面，需要體育設(shè)施總數(shù)量的增加以及密度的合理分布。此外，還有體育行業(yè)與其他行業(yè)的相互促進和發(fā)展，體育元素與其他元素的不斷融合。2）在競技體育領(lǐng)域，針對科技助力奧運、高水平運動員成長規(guī)律發(fā)現(xiàn)和總結(jié)、智能化訓練模式和場館的建設(shè)、技術(shù)戰(zhàn)術(shù)能力提高和培養(yǎng)等重點，挖掘傳統(tǒng)技術(shù)的潛力，加快利用人工智能等前沿技術(shù)的巨大優(yōu)勢和現(xiàn)有成果；擴大研發(fā)和成果服務(wù)對于奧運會項目的覆蓋面；3）在大眾體育方面，滿足共性需求的同時，關(guān)注個性化需求，研究利用工程技術(shù)滿足各類人群的特殊需求；增強大眾體育產(chǎn)品和服務(wù)的科學性、安全性、娛樂性、觀賞性、經(jīng)濟性和便捷性。4）對于體育產(chǎn)業(yè)，重點是對技術(shù)和產(chǎn)品的安全性、功能和性能進行驗證；結(jié)合工業(yè)設(shè)計、人機工程學和管理學，將成熟的研發(fā)成果進行大規(guī)模適用性研發(fā)和推廣。5）體育工程領(lǐng)域內(nèi)，保持理論研究的持續(xù)性；重點開展人工智能、數(shù)據(jù)科學、可穿戴設(shè)備、先進傳感器和通信技術(shù)等前沿技術(shù)的應(yīng)用研究；引入更多資源，投入到新型體育設(shè)施中，包括大眾體育設(shè)施、現(xiàn)代化競技體育設(shè)施和體育科研設(shè)施的設(shè)計建造；將新成果不斷轉(zhuǎn)化為體育工程教育的素材，用于領(lǐng)域內(nèi)人力資源的培養(yǎng)。