基于UWB的中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用研究

李國(guó)民，施蘭平

?

基于UWB的中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用研究

李國(guó)民1，施蘭平2

1.浙江理工大學(xué) 體育教研部, 浙江 杭州 310018; 2.浙江工商大學(xué) 體育工作部, 浙江 杭州 310018

以自主開發(fā)的基于超寬帶技術(shù)（UWB）中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理和應(yīng)用方面的問題，并通過對(duì)236名大學(xué)生進(jìn)行測(cè)試后檢驗(yàn)了系統(tǒng)在測(cè)試精度、效度等方面的可靠性。研究結(jié)果：1）超寬帶技術(shù)（UWB）在7種通用無線定位技術(shù)中精度最高，其精度誤差最小為6~15 cm；2）本系統(tǒng)定位標(biāo)簽計(jì)時(shí)精確到納秒級(jí)別，每秒發(fā)送25次信號(hào)，信號(hào)傳播距離為150 m。在室外復(fù)雜的環(huán)境下，只要兩個(gè)定位標(biāo)簽間隔50 cm以上，系統(tǒng)就能通過定位分辨前后次序確定名次；3）本系統(tǒng)在測(cè)量效度上比手動(dòng)計(jì)時(shí)更加可靠，通過對(duì)比兩組數(shù)據(jù)之間的變異系數(shù)，UWB系統(tǒng)變異系數(shù)值比手動(dòng)計(jì)時(shí)低，其測(cè)試成績(jī)效度比手動(dòng)計(jì)時(shí)要高；4）本系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)圈計(jì)時(shí)，成績(jī)統(tǒng)計(jì)完全自動(dòng)化，測(cè)試結(jié)束即可立刻查詢測(cè)試成績(jī)；5）本系統(tǒng)通過測(cè)試者指靜脈識(shí)別、定位標(biāo)簽防拆卸、地圖電子圍欄、自動(dòng)計(jì)圈計(jì)時(shí)等功能解決了手動(dòng)秒表測(cè)試過程中作弊、替跑、抄近道等問題。研究結(jié)論：基于UWB設(shè)計(jì)開發(fā)的中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)具有精度高、效率高、防作弊、成績(jī)統(tǒng)計(jì)功能強(qiáng)大、標(biāo)簽功耗低、體積小等優(yōu)勢(shì)。

UWB；中長(zhǎng)跑測(cè)試；耐力素質(zhì)；定位跟蹤；

1 前言

《國(guó)家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》不僅是學(xué)生體質(zhì)健康的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也是激勵(lì)學(xué)生參加身體鍛煉，促進(jìn)學(xué)生體質(zhì)健康和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)體系的教育手段。我國(guó)學(xué)生體質(zhì)健康調(diào)研和監(jiān)測(cè)開始于1985年，經(jīng)過30多年持續(xù)監(jiān)測(cè)，其結(jié)果表明：“耐力素質(zhì)持續(xù)下降”是當(dāng)前我國(guó)學(xué)生體質(zhì)健康存在的最大問題，而大學(xué)生尤為突出。因此，不斷加強(qiáng)對(duì)大學(xué)生耐力素質(zhì)項(xiàng)目跑的技術(shù)干預(yù)，改進(jìn)耐力素質(zhì)項(xiàng)目的測(cè)試方法，就成為諸多高校探索實(shí)踐的熱點(diǎn)課題。

目前用于學(xué)生中長(zhǎng)跑測(cè)試的計(jì)時(shí)方法主要有手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)、電動(dòng)終點(diǎn)計(jì)時(shí)和射頻識(shí)別（RFID）計(jì)時(shí)3種，通過多年的實(shí)踐證實(shí)這3種計(jì)時(shí)方式各自存在一定的問題。手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)存在人為失誤，精度低，計(jì)時(shí)誤差可達(dá)0.24 s[2]，當(dāng)出現(xiàn)學(xué)生對(duì)成績(jī)有疑問時(shí)無法查對(duì)。電動(dòng)終點(diǎn)計(jì)時(shí)使用成本大，不能識(shí)別個(gè)體，只適合距離短、分道比賽、每組人數(shù)較少的項(xiàng)目[1]。射頻識(shí)別（RFID）計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)了多人同時(shí)計(jì)時(shí)計(jì)圈，但射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)存在著碰撞問題，當(dāng)有多個(gè)感應(yīng)標(biāo)簽同時(shí)進(jìn)入同一閱讀器時(shí)，閱讀器可能得不到準(zhǔn)確識(shí)別，存在數(shù)據(jù)丟失的問題[4,9]，這就造成終點(diǎn)計(jì)時(shí)存在數(shù)據(jù)無法記錄的情況，所以目前采用射頻識(shí)別（RFID）計(jì)時(shí)測(cè)試的學(xué)校，還同時(shí)配備手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失的問題。超寬帶技術(shù)（Ultra-wideband,簡(jiǎn)稱UWB)是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極?。{秒級(jí)）的脈沖通訊方式，是一種低耗電、高速傳輸?shù)臒o線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[11]。2002年2月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communication Commission, FCC）首次批準(zhǔn)該技術(shù)應(yīng)用于民用通信，同年4月，將3.1 GHz~10.6 GHz的頻帶免費(fèi)授權(quán)給UWB 使用[7]。UWB具有非接觸、非視距、功耗低、安全性高、多徑分辨能力強(qiáng)和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)[10]。國(guó)內(nèi)在2001年9月初發(fā)布的“十五”國(guó)家863計(jì)劃通信技術(shù)主題研究項(xiàng)目中，首次將“超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)”作為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)學(xué)者加強(qiáng)這方面的研究工作[5]。UWB技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用于足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練與比賽時(shí)的定位與監(jiān)控中[6]。

本研究以自主開發(fā)的基于超寬帶技術(shù)（UWB）中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理和應(yīng)用方面的問題，并通過對(duì)236名大學(xué)生進(jìn)行測(cè)試后檢驗(yàn)了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在測(cè)試原理、測(cè)試精度和效度等方面的問題。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

在《國(guó)家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試過程中，通過隨機(jī)數(shù)碼表不重復(fù)抽樣方法選取大一到大四男、女大學(xué)生共236人為研究對(duì)象，基本情況如表1所示。

表1 研究對(duì)象基本情況表

2.2 研究方法

2.2.1 文獻(xiàn)資料調(diào)研

通過以“超寬帶技術(shù)”“中長(zhǎng)跑測(cè)試”“運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)”“運(yùn)動(dòng)軌跡”“終點(diǎn)計(jì)時(shí)”為關(guān)鍵詞，在中國(guó)知識(shí)資源總庫(CNKI)數(shù)據(jù)庫檢索所得的40余篇文獻(xiàn)進(jìn)行深入分析，為本研究提供理論基礎(chǔ)和實(shí)證參考。

2.2.2 軟件工程

以Windows系統(tǒng)為操作平臺(tái)，通過矢量化圖形技術(shù)，給使用者提供可視化的操作界面，系統(tǒng)原型軟件的開發(fā)使用Visual Studio .net為開發(fā)工具來完成。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在《國(guó)家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試時(shí)，通過隨機(jī)數(shù)碼表方法選擇236名男、女學(xué)生參加中長(zhǎng)跑測(cè)試，其中男生測(cè)試1 000 m，女生測(cè)試800 m。測(cè)試時(shí)同時(shí)使用手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)和UWB定位跟蹤系統(tǒng)計(jì)時(shí)，每位同學(xué)測(cè)試中長(zhǎng)跑時(shí)，同時(shí)獲得2種計(jì)時(shí)方法的測(cè)試成績(jī)。測(cè)試使用設(shè)備：超寬帶(UWB)無線電收發(fā)設(shè)備，該設(shè)備由美國(guó)Zebra公司生產(chǎn)。UWB系統(tǒng)的定位精度可通過合理的接收器安裝，理論上實(shí)現(xiàn)15 cm以內(nèi)的實(shí)時(shí)定位；定位標(biāo)簽（超寬頻信號(hào)發(fā)射裝置）佩戴方式為采用肩帶，定位標(biāo)簽固定在右肩上，標(biāo)簽更新率為25 Hz。手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)采用多人共用一塊秒表計(jì)時(shí)的方式進(jìn)行。

測(cè)試方法：每個(gè)學(xué)生右肩佩戴UWB定位標(biāo)簽，按要求分組進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試前：信息處理。將學(xué)生信息導(dǎo)入U(xiǎn)WB測(cè)試系統(tǒng)，學(xué)號(hào)、姓名、性別與UWB定位標(biāo)簽ID號(hào)對(duì)應(yīng)，每組測(cè)試人數(shù)為15人，最后導(dǎo)出一份名單用于秒表成績(jī)記錄。

測(cè)試中：充分做好準(zhǔn)備活動(dòng)，按測(cè)試前的分組進(jìn)行測(cè)試。先進(jìn)行女生800 m測(cè)試，然后再進(jìn)行男生1 000 m測(cè)試。終點(diǎn)處安排一位測(cè)試教師秒表計(jì)時(shí)，2名志愿者負(fù)責(zé)秒表計(jì)時(shí)成績(jī)記錄工作。

測(cè)試后：收集整理測(cè)試成績(jī)，進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果與分析

3.1 UWB中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1 硬件連接

一組簡(jiǎn)單的UWB定位系統(tǒng)主要是由3個(gè)部分組成：1）定位標(biāo)簽(Tag)，它是通過電池供電，能夠發(fā)射UWB信號(hào)；2）傳感器(Sensor)，它是固定在已知坐標(biāo)的位置上，能夠接收從定位標(biāo)簽發(fā)送過來的信號(hào)；3）軟件平臺(tái)(Software Platform)，主要包括是定位處理器、軟件系統(tǒng)和核心算法。它能夠綜合所有位置信息，獲取、分析、計(jì)算并傳輸信息給用戶和其他相關(guān)信息系統(tǒng)?；赨WB的中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)以超寬帶（UWB）定位技術(shù)為核心，結(jié)合信息定位技術(shù)（LBS），采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來布置測(cè)試系統(tǒng)：在標(biāo)準(zhǔn)田徑場(chǎng)四周布設(shè)固定8個(gè)已知坐標(biāo)位置信息的傳感器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)田徑場(chǎng)范圍內(nèi)定位標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)接收，傳感器接收的信號(hào)被同步傳送到軟件平臺(tái)，通過一定算法后保存到計(jì)算機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。本系統(tǒng)使用美國(guó)Zebra公司生產(chǎn)的超寬帶無線電收發(fā)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及安全性獲得歐盟電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)、美國(guó)國(guó)家認(rèn)證的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室MET實(shí)驗(yàn)室、中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部認(rèn)證。這為其在中長(zhǎng)跑測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用提供了相當(dāng)有利的條件，其性能及安全性可以滿足要求，同時(shí)具有體積小、抗干擾、性能好、供電時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大、定位精度高和數(shù)據(jù)及時(shí)反饋等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)硬件參數(shù)見表2。

表2 系統(tǒng)硬件參數(shù)表

3.1.2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于UWB的中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主控界面和定位軟件兩部分。主控界面由6大模塊構(gòu)成，分別是工具欄、菜單欄、標(biāo)簽欄、監(jiān)控界面、報(bào)警欄和狀態(tài)欄。定位軟件包括了4大模塊：分別是數(shù)據(jù)源設(shè)置、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)庫管理以及網(wǎng)絡(luò)通信。為了實(shí)現(xiàn)定位標(biāo)簽的定位跟蹤，采用到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）作為本定位系統(tǒng)的定位算法。軟件開發(fā)環(huán)境主要應(yīng)用Microsoft Visual Studio 10版，數(shù)據(jù)庫使用Access 2003中文版，用C#為軟件開發(fā)語言完成了定位軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

TDOA定位算法是測(cè)量定位標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)到達(dá)不同固定位置傳感器的時(shí)間差，利用雙曲線的特性，建立雙曲線方程組，采用相應(yīng)的算法解方程組，得出定位標(biāo)簽的位置，TDOA定位的雙曲線模型見圖1。

圖1 TDOA定位雙曲線模型

Figure 1. TDOA Positioning Hyperbolic Model

假設(shè)有3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)分別是BS1、BS2和BS3，定位標(biāo)簽到3個(gè)固定位置傳感器的距離分別是d1、d2和d3。定位標(biāo)簽到BS1和BS2之間的距離差d21=d2-d1，依據(jù)雙曲線原理，定位標(biāo)簽位于以BS1, BS2為焦點(diǎn)，以d21為焦距的雙曲線上；同理可知定位標(biāo)簽也必然位于以BS1、BS2為焦點(diǎn)，以d31為焦距的雙曲線上[3]：因此，2條雙曲線的交點(diǎn)就是定位標(biāo)簽的位置。

3.1.3 軟件結(jié)構(gòu)

3.1.3.1 主控界面結(jié)構(gòu)

菜單欄、工具欄的功能是配置各模塊的參數(shù)，設(shè)計(jì)的菜單欄包括文件、視圖、設(shè)置3個(gè)彈出菜單。工具欄的功能主要是管理跟蹤區(qū)域顯示效果并刷新。把跟蹤區(qū)域嵌入到主窗體容器中，載入主窗體的時(shí)候，會(huì)載入跟蹤區(qū)域視圖，顯示實(shí)時(shí)跟蹤情況。標(biāo)簽信息欄和報(bào)警欄的功能是顯示系統(tǒng)的狀態(tài)。

3.1.3.2 定位軟件結(jié)構(gòu)

1. 網(wǎng)絡(luò)通信。中長(zhǎng)跑定位跟蹤系統(tǒng)通過超寬帶UWB的網(wǎng)絡(luò)通信，用以太網(wǎng)連接的方式把定位標(biāo)簽、定位傳感器、定位處理器及服務(wù)器組網(wǎng)連接，能夠?qū)崟r(shí)接收來自客戶端的命令信息，以及能夠?qū)崟r(shí)上傳定位標(biāo)簽的狀態(tài)及其它的測(cè)量信息。

2. 測(cè)量數(shù)據(jù)采集。通過網(wǎng)絡(luò)通信，定位傳感器獲得定位標(biāo)簽實(shí)時(shí)的位置信息以及ID信息后再上傳服務(wù)器軟件。

3. 定位標(biāo)簽坐標(biāo)位置計(jì)算。如何把獲得的定位標(biāo)簽數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成具體坐標(biāo)位置，這主要是通過一定的算法實(shí)現(xiàn)，通過計(jì)算轉(zhuǎn)化后的坐標(biāo)位置可以實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)觀測(cè)讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

4. 參數(shù)設(shè)置信息。各個(gè)硬件組成部分的參數(shù)設(shè)置可以從配置文件中讀取，如傳感器配置、IP地址配置和坐標(biāo)位置信息等。

5. 地圖參數(shù)。為了更直觀的顯示定位標(biāo)簽相對(duì)于真實(shí)環(huán)境中的位置，將田徑場(chǎng)各條跑道以一定比例畫出，并在服務(wù)器軟件平臺(tái)界面顯示。

6. 報(bào)警及處理。在報(bào)警監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，定位標(biāo)簽進(jìn)入電子圍欄、定位標(biāo)簽數(shù)據(jù)發(fā)送和接收異常、傳感器之間斷開連接等，提供警報(bào)以及各類處理工作。

7. 客戶端界面。中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)的工作原理是依據(jù)UWB技術(shù)為定位標(biāo)簽提供精確的定位。這要求整個(gè)服務(wù)器軟件具有高效的數(shù)據(jù)處理能力和較高的數(shù)據(jù)響應(yīng)速度，以滿足整個(gè)定位過程的實(shí)時(shí)性要求。此外，軟件的直觀性和易用性也是需要考慮的重要問題。因此，需要設(shè)計(jì)用戶接口，讓用戶無需深入了解整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就可以方便直觀地使用系統(tǒng)。

3.2 UWB中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)定位與測(cè)試精度

3.2.1 定位精度

表3是目前常用的7種無線定位技術(shù)精度統(tǒng)計(jì)表。這7種定位技術(shù)之間各有利弊，在定位精度上存在較大的差異。其中超寬帶（UWB）定位精度最好，理論定位精度為6~15 cm。而目前在中長(zhǎng)跑測(cè)試中常用的射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)精度在5 cm~5 m，這會(huì)造成中長(zhǎng)跑測(cè)試時(shí)，終點(diǎn)閱讀器可能在測(cè)試者離終點(diǎn)5 m處就感應(yīng)到信號(hào)而停止計(jì)時(shí)，這也是造成射頻識(shí)別（RFID）計(jì)時(shí)系統(tǒng)精度低的主要原因。因此，射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)只能滿足于精度要求不是很高的定位需求。對(duì)于中長(zhǎng)跑測(cè)試計(jì)時(shí)有高精度定位需求應(yīng)用，超寬帶（UWB）技術(shù)有很大的優(yōu)勢(shì)：厘米級(jí)的定位精度、低能耗、收發(fā)器體積小、多徑分辨率高[5]。

表3 通用定位技術(shù)精度統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 定位算法

無線定位的精度主要依靠定位算法，常用的算法有4種：信號(hào)強(qiáng)度定位法（RSS）、信號(hào)到達(dá)角度定位法（AOA）、信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位法（TOA）和信號(hào)到達(dá)時(shí)間差定位法（TDOA）。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)4種定位算法的分析，雖然4種算法都可以實(shí)現(xiàn)定位，但由于定位測(cè)量的數(shù)據(jù)以及測(cè)量方式不同，導(dǎo)致在定位精度上存在很大不同。RSS定位算法是通過信號(hào)強(qiáng)度與距離對(duì)應(yīng)關(guān)系來估算距離，定位精度低，只能進(jìn)行粗略定位；AOA定位算法比 RSS 定位算法理論上分析應(yīng)該更精確，但是，在復(fù)雜環(huán)境中多徑干擾下，到達(dá)角度方向識(shí)別能力大幅下降，只適合作為輔助定位；TOA定位算法是基于信號(hào)到達(dá)基站時(shí)間的測(cè)距方法，任何影響傳播時(shí)間的因素都會(huì)對(duì)測(cè)距產(chǎn)生誤差，其最大難點(diǎn)是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和基站之間時(shí)鐘無法完全同步，而實(shí)際可用性不高；本系統(tǒng)采用的TDOA定位算法是利用信號(hào)到達(dá)基站的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)量，時(shí)鐘同步要求有所降低，定位基站之間只需要用線纜連接就可以解決問題，而且相對(duì)不同基站的信號(hào)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行差值計(jì)算會(huì)消除部分誤差，提高了定位精度。

3.2.3 定位標(biāo)簽

本系統(tǒng)采用的定位標(biāo)簽每秒可發(fā)送25次信號(hào)，信號(hào)傳播的距離達(dá)到150 m，位置固定的傳感器每接收到一次信號(hào)就對(duì)其進(jìn)行一次定位計(jì)算，計(jì)時(shí)精確到納秒級(jí)別，定位原理如圖4所示。在二維平面內(nèi)，已知3個(gè)位置固定的傳感器坐標(biāo)信息1、2和3，當(dāng)定位標(biāo)簽位于3個(gè)傳感器接收信號(hào)范圍內(nèi)時(shí)，將周期性地向3個(gè)傳感器發(fā)送UWB無線信號(hào)，UWB無線信號(hào)傳播速率已知，而定位標(biāo)簽與3個(gè)位置固定的傳感器的距離不同，信號(hào)到達(dá)3個(gè)傳感器存在時(shí)間差，利用傳感器已知位置坐標(biāo)信息，通過公式推導(dǎo)和結(jié)合解析理論知識(shí)即可求出定位標(biāo)簽的位置坐標(biāo)X。

圖2 定位標(biāo)簽TDOA算法定位原理

Figure 2. Positioning Principle of Mobile Tag TDOA Algorithm

3.2.4 實(shí)際測(cè)試精度

為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，抽取一組女學(xué)生800 m跑測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。通過檢測(cè)，在室外復(fù)雜的環(huán)境下，只要兩個(gè)定位標(biāo)簽間隔50 cm以上，本系統(tǒng)就能通過定位分辨前后次序，特別是在終點(diǎn)沖線時(shí)的名次判斷也非常精準(zhǔn)。另外，通過系統(tǒng)平臺(tái)軟件統(tǒng)計(jì)，參加本組800 m跑測(cè)試的15名女學(xué)生，系統(tǒng)測(cè)距如表4所示，本組測(cè)距均值為80 011 cm，實(shí)際測(cè)距誤差為±50 cm，測(cè)距誤差率僅為0.0625%，由此可以認(rèn)為本系統(tǒng)的測(cè)距精度接近了UWB理論定位的精度。

表4 800 m測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.3 測(cè)試效度評(píng)估

UWB定位測(cè)試系統(tǒng)的有效性是本系統(tǒng)是否成功的關(guān)鍵指標(biāo)，UWB定位精度直接體現(xiàn)在學(xué)生的測(cè)試成績(jī)上，通過與手動(dòng)秒表記錄236名學(xué)生成績(jī)之間的結(jié)果比較可以看出本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。目前全國(guó)各類學(xué)校的學(xué)生中長(zhǎng)跑測(cè)試，基本采用手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，《國(guó)家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)也是按手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)成績(jī)進(jìn)行制定。因此，同時(shí)采用手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)與UWB系統(tǒng)計(jì)時(shí)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較分析，可以很好的檢驗(yàn)出本系統(tǒng)測(cè)試成績(jī)準(zhǔn)確度和有效性。

3.3.1 兩種測(cè)試方法結(jié)果變異系數(shù)比較

變異系數(shù)是衡量樣本觀測(cè)值離散程度的重要統(tǒng)計(jì)量，其值越大說明數(shù)據(jù)越分散。用UWB中長(zhǎng)跑定位跟蹤系統(tǒng)測(cè)試與手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)兩種方法對(duì)236位男、女學(xué)生分別進(jìn)行 1 000 m或800 m測(cè)試，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)和兩種測(cè)量方法變異系數(shù)見表5。從表5中兩種測(cè)試方法的變異值發(fā)現(xiàn)，通過秒表計(jì)時(shí)得出的變異系數(shù)（CV%）是12.92，UWB測(cè)試方法的變異系數(shù)（CV%）是12.89，在變異系數(shù)值上秒表測(cè)試方法比UWB測(cè)試方法要大，由此說明手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)在成績(jī)離散度上比UWB要高，成績(jī)的精度比UWB要低。因?yàn)槭峭唤M人同時(shí)跑步所得出的兩種統(tǒng)計(jì)成績(jī)，由此可以認(rèn)為，UWB測(cè)試成績(jī)和秒表計(jì)時(shí)成績(jī)無差異，在成績(jī)精度上UWB測(cè)試比秒表計(jì)時(shí)要更加精準(zhǔn)。

3.3.2 兩種測(cè)試方法結(jié)果差異性檢驗(yàn)

兩種測(cè)試結(jié)果采用配對(duì)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)兩種測(cè)試方法的測(cè)試成績(jī)是否存在差異。檢驗(yàn)結(jié)果見表6和表7。

表5 兩種測(cè)試計(jì)時(shí)方法變異系數(shù)CV比較

表6 成對(duì)樣本相關(guān)系數(shù)

表7 成對(duì)樣本檢驗(yàn)

從表6可以看出，兩種測(cè)試結(jié)果存在顯著相關(guān)關(guān)系，由此可以推斷兩組數(shù)據(jù)之間無差異，測(cè)量的精度接近。從表7可以看出，兩種測(cè)試成績(jī)不存在差異（T=-1.881，=0.61>0.05），說明UWB計(jì)時(shí)系統(tǒng)完全能達(dá)到目前的中長(zhǎng)跑測(cè)試要求，具備較高的準(zhǔn)確度和有效性，可以替代手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)。

4 討論

1. 成績(jī)精度上達(dá)到并超過了手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)成績(jī)。手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)測(cè)試，是目前全國(guó)各類學(xué)校進(jìn)行中長(zhǎng)跑測(cè)試的傳統(tǒng)方法，通過對(duì)比基于UWB的中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)成績(jī)和手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)成績(jī)，雙方成績(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間>0.05（無顯著性差異），說明本系統(tǒng)測(cè)試成績(jī)符合中長(zhǎng)跑測(cè)試要求。此外，在通過兩種方法測(cè)量同一組受試者的數(shù)據(jù)分析中，本系統(tǒng)所測(cè)量數(shù)據(jù)變異系數(shù)比手動(dòng)秒表要低，表明了本系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲得值的離散度比手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)低，因此在測(cè)試精度上比手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)更加準(zhǔn)確。

2. 在自動(dòng)計(jì)圈計(jì)時(shí)和測(cè)試效率上優(yōu)勢(shì)明顯?；赨WB的中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)將超寬帶技術(shù)(UWB)和位置信息技術(shù)（LBS）應(yīng)用在中長(zhǎng)跑項(xiàng)目測(cè)試中，以超寬帶（UWB）定位跟蹤技術(shù)為核心，結(jié)合信息定位技術(shù)（LBS），設(shè)計(jì)了中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)，可自動(dòng)計(jì)圈計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了中長(zhǎng)跑自助測(cè)試的目的，解決中長(zhǎng)跑測(cè)試時(shí)需要記錄學(xué)生行進(jìn)圈數(shù)和成績(jī)的急迫問題，具有明顯的實(shí)際意義。在測(cè)試效率上，本系統(tǒng)可以多組多人同時(shí)連續(xù)進(jìn)行，不需要人工記錄終點(diǎn)的名次與成績(jī)，測(cè)試效率非常高。而手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，只能一組測(cè)試完成并在終點(diǎn)處記錄好名次和成績(jī)后才能進(jìn)行下一組測(cè)試。通過實(shí)際操作比較，本系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)時(shí)測(cè)試效率比手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)測(cè)試高。本系統(tǒng)可以長(zhǎng)期對(duì)測(cè)試者的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，對(duì)測(cè)試者的體能、狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)有全面的了解，并可根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的鍛煉計(jì)劃等。

3. 解決了很多手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)所遇到的問題。本系統(tǒng)自助測(cè)試不需要發(fā)令，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄到測(cè)試者通過起點(diǎn)線和終點(diǎn)線的時(shí)刻，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試計(jì)時(shí)的功能，因此就不會(huì)出現(xiàn)測(cè)試時(shí)搶跑的問題，進(jìn)而提高了測(cè)試成績(jī)的準(zhǔn)確性及測(cè)試效率。此外，在運(yùn)動(dòng)軌跡上，本系統(tǒng)測(cè)試時(shí)定位標(biāo)簽每秒可發(fā)送信號(hào)25次，系統(tǒng)對(duì)定位標(biāo)簽每秒可進(jìn)行25次定位。在測(cè)試過程中，把每次定位的點(diǎn)連接起來，就形成了測(cè)試時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示，可對(duì)測(cè)試者進(jìn)行跟蹤，對(duì)在測(cè)試過程抄近路的情況直接進(jìn)行顯示，對(duì)測(cè)試成績(jī)的有效性提供了準(zhǔn)確的判斷。手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，測(cè)試者沒有運(yùn)動(dòng)軌跡顯示。在中長(zhǎng)跑測(cè)試過程中，作弊的情況主要有替跑、少跑、抄近路等情況。本系統(tǒng)在測(cè)試前，通過指靜脈身份識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試者的身份進(jìn)行確認(rèn)，然后再綁定定位標(biāo)簽，定位標(biāo)簽具有防拆卸功能，解決了替跑的問題。本系統(tǒng)在測(cè)試過程中，在終點(diǎn)設(shè)置了檢測(cè)功能，如果檢測(cè)少通過一次，則不會(huì)計(jì)算成績(jī)，解決了少跑的問題。本系統(tǒng)結(jié)合田徑場(chǎng)跑道的二維地圖設(shè)置了電子圍欄，在測(cè)試過程中測(cè)試者定位點(diǎn)有越過電子圍欄的情況，系統(tǒng)可進(jìn)行報(bào)警提示，判定為抄近路，因此本系統(tǒng)通過電子圍欄解決了抄近路的問題。手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)測(cè)試時(shí)，只能依靠肉眼來解決各種作弊的情況，工作量較大且精確性很低。

4.在成績(jī)統(tǒng)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。測(cè)試時(shí)，本系統(tǒng)通過定位標(biāo)簽終點(diǎn)時(shí)刻與起點(diǎn)時(shí)刻的計(jì)算得出測(cè)試成績(jī)，并將測(cè)試成績(jī)自動(dòng)記錄到數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行所有測(cè)試者的名次排列。測(cè)試結(jié)束后立刻能查詢各種統(tǒng)計(jì)結(jié)果，功能強(qiáng)大，效率極高。手動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，必須在終點(diǎn)線處安排測(cè)試工作人員，當(dāng)測(cè)試者通過終點(diǎn)線時(shí)，先記錄測(cè)試者完成測(cè)試的名次，同時(shí)依次記錄測(cè)試成績(jī)，當(dāng)全部測(cè)試者完成測(cè)試后，再根據(jù)名次與對(duì)應(yīng)的成績(jī)進(jìn)行匹配和登記，當(dāng)存在錯(cuò)誤時(shí)還需要再復(fù)核，工作強(qiáng)度大，工作效率低。

表8 兩種測(cè)試方法比較一覽表

5 結(jié)論

基于UWB技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)的中長(zhǎng)跑定位跟蹤測(cè)試系統(tǒng)具有精度高、效率高、防作弊、成績(jī)統(tǒng)計(jì)功能強(qiáng)大、標(biāo)簽功耗低、體積小等優(yōu)勢(shì)，極具推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 程幼新,馮再金,孫劍峰.電動(dòng)計(jì)時(shí)的普及推廣[J].體育學(xué)刊,2003,10(4):130-133.

[2] 丁同春.論“人工計(jì)時(shí)”的準(zhǔn)確性[J].浙江體育科學(xué),1986,5(2):62-63.

[3] 杜海兵,王民北.數(shù)據(jù)融合技術(shù)在無線移動(dòng)定位中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,6(1):53-155.

[4] 馮曉虹,程崇虎,程景清.兩個(gè)重要改進(jìn)提高了RFID讀寫器的性能[J].電子學(xué)報(bào),2014,12(12):2495-2497.

[5] 任小麗.基于UWB/GIS技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究[D].上海：華東師范大學(xué),2010:7-8.

[6] 王晨,馬良行,楊進(jìn)波.超寬帶技術(shù)在足球訓(xùn)練負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用[J].中國(guó)體育科技,2013,8(6):46-50.

[7] 楊志紅,周娟.超寬帶無線通信技術(shù)[J].科技信息,2009,3(9):51-52.

[8] 楊貴仁.2000年全國(guó)學(xué)生體質(zhì)健康狀況調(diào)研結(jié)果[J].中國(guó)學(xué)校衛(wèi)生, 2002,23(2):2-3.

[9] 祝建平,王廣志,丁輝，等.射頻識(shí)別技術(shù)的競(jìng)時(shí)自動(dòng)計(jì)圈及計(jì)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,2(01):112-115.

[10] LIU Q Y,GLANNAKIS G B. Ultra-wideband communications: An idea whose time has come[J]. IEEE Signal Proc Mag,2004,21(6):26-54.

[11] GUNDERSONS J.Naval Total Asset Visibility Precision Asset Location[R], 2002:4-22.

Applied Research on Location Tracking System of Middle-Distance Race Based on UWB Techniques

LI Guo-min1, SHI Lan-ping2

1.Zhejiang Sci-Tech University, Hangxhou 310018, China;2.Zhejiang Gongshang University,Hangzhou 310018, China.

The study is based on the self-developed, ultrawideband (UWB)-based positioning and tracking test system for middle-distance race. Problems in system architecture, operation principle and application are analyzed. The reliability of the system in its precision, validity and other aspects has been tested towards 236 college students. Results: 1) The ultrawideband technology (UWB) used by the system has the highest precision among 7 kinds of general wireless positioning technologies with a minimum accuracy error of 6-15cm; 2) The positioning label timing of the system can be accurate to nanosecond level, transmitting signal 25 times per second with a signal propagation distance of 150 meters. In a complex outdoor environment, as long as the distance between two positioning labels exceeds 50 cm, the system can distinguish the sequence and determine the ranking through positioning; 3) The system is more reliable in measurement validity than manual timing. Through the comparison of the coefficient of variation between two groups of data, the variation of UWB system is lower than that of manual timing while its test result validity is higher; 4) The system is equipped with the automatic lap timing, fully automated test scores and immediate query results after the test; 5) The finger vein recognition of testers, anti-disassembly of positioning label, map electronic fence, automatic lap timing and other functions of the system help solve cheating, alternate running, short cut and other problems during the test. Conclusion: UWB-based positioning and tlacking test system for middle-distance race has many advantages, such as high precision, high efficiency, cheating prevention, powerful function for result statistics, low power consumption of label, small volume.

G818

A

1002-9826(2018)06-0103-06

10.16470/j.csst.201806014

2018-02-24；

2018-07-13

浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目(1160XJ2916069); 浙江省教育廳一般項(xiàng)目(Y201534567); 浙江工商大學(xué)高等教育改革項(xiàng)目(1160KU21723)。

李國(guó)民,男,講師,主要研究方向?yàn)轶w育教學(xué)與學(xué)生體質(zhì)健康干預(yù), E-mail: zstutc@126.com。

施蘭平,男,講師,碩士,主要研究方向?yàn)榇髮W(xué)生健康體適能干預(yù)與促進(jìn), E-mail: suke2011@126. com。