A server-based mobile coaching system integrating ubiquitous data acquisition technologies and intelligent real-time analysis

Abstract

Der aufstrebende Bereich der "Sportinformatik" und insbesondere das aufkommende Gebiet des "Ubiquitous Computing im Sport" sind stark von den Fortschritten der Informationstechnik (IT) beeinflusst. Im Allgemeinen folgt der aktuelle Trend des Ubiquitous oder Pervasive Computing der Entwicklung der Informationsverarbeitung in Richtung miniaturisierten, vernetzten und intelligenten Computergeräten als integrierter Bestandteil des täglichen Lebens. Vor allem angesichts der kontinuierlichen Fortschritte und des jüngsten Aufschwungs des mobilen Technologiesektors sind heutzutage auch Sportlösungen mit ubiquitären eingebetteten Systemen in ständiger Entwicklung. Besonders mobile Feedbacksysteme sind immer mehr verbreitet und wichtig für die Überwachung der sportlichen Leistungen. Die heutigen Sensorgeräte werden immer kleiner, zunehmend drahtlos und gleichzeitig auch intelligenter, so dass effizientere Methoden für die Erfassung von Sportparametern vorhanden sind. Auf der anderen Seite ermöglichen die Vielfalt, Leistungs- und Netzwerkfähigkeit sowie das handliche Design der heutigen Mobilgeräte die Umsetzung von wirksamen Überwachungs- und sofortigen Eingriffsmethoden. Die vorliegende Arbeit zeigt zunächst die Implementierung und praktische Umsetzung eines leicht anpassbaren Sportsystems, welches innovative Analyse- und Echtzeit-Feedback-Interventionen über das Internet einbindet. Ein erstes Ziel dieser Arbeit ist es, die Bedeutung des Pervasive Computing für den Sport- bzw. Sportwissenschaftsbereich und einige der wichtigsten Entwicklungen zu demonstrieren. Deswegen wird eine Übersicht über typische Implementierungen und Einsatzgebiete unter Verwendung von ubiquitärem Equipment gegeben und anhand der Realisierung des entwickelten Mobile Coaching Systems, welches als Ziel die unmittelbare Unterstützung von Athleten und Trainern während der Sportausübung hat, tiefgründig dargestellt. Das Grundkonzept des implementierten Systems schließt eine Serverkomponente für die bidirektionale Kommunikation zwischen Sportlern und Trainern ein. Dabei werden Athleten mit drahtlosen Sensoren und einem modernen Handheld Personal Computer (PC) zwecks Datenerfassung ausgestattet, während Trainer auf die gemessenen Daten online zugreifen und entsprechendes Feedback über den Server an die Geräte der Athleten rücksenden können. Erste Implementierungen des Ansatzes konzentrieren sich auf die Anwendung im Laufsport und darüber hinaus auf den Einsatz durch Schüler und Lehrer im Schulsport. Der Empfang der Sensordaten beruht auf ubiquitäre Technologien wie ANT TM (ein drahtloses Sensornetzwerk-Protokoll, das im Sportbereich weit verbreitet ist)-fähige Smartphones, realisiert entweder über einen ANT Universal Serial Bus (USB) Stick, einer (mini/micro) Secure Digital (SD)-Karte, einem eigens entworfenen Bluetooth®-to-ANT Adapter oder einem integrierten ANT Modul. Die gesammelten Daten werden umgehend über das Internet-fähige Mobilgerät an den Server weitergeleitet, wo diese dauerhaft gespeichert werden. Auf diese Weise können Trainer und andere Experten über Webanwendungen auf die erfassten Echtzeitdaten zugreifen, welche nicht nur sofortige Analyse- sondern auch zeitnahe Feedbackroutinen zur Verfügung stellen. Somit können Spezialisten Athleten direkt unterstützen, in dem sie in das Training eingreifen und dieses durch Kontrolle der Leistungsergebnisse optimieren, um dabei auch Ermüdungen bzw. Verletzungen zu vermeiden. Mit den zunehmenden Möglichkeiten der Datenerfassung und den dadurch wachsenden Datenmengen bekommen gleichzeitig auch die rechnergestützte Analyse der gesammelten Informationen sowie die unmittelbare Rückmeldung eine immer größere Bedeutung. Folglich sind intelligente Verfahren erforderlich, um aus den gemessenen Kenngrößen signifikante Muster extrahieren und automatisierte Echtzeitmeldungen an die trainierenden Athleten senden zu können. Daher ist ein weiteres wichtiges Ziel der Arbeit, fortschrittliche Routinen für die computergestützte Analyse der erfassten Parameterwerte vorzuschlagen bzw. zu entwickeln. In Bezug auf das Server-basierte Mobile Coaching System scheinen Verfahren aus der Künstlichen Intelligenz (KI/AI), welche auf dem Host-Computer laufen, ein effizienter Ansatz zur Datenauswertung zu sein. Dementsprechend richtet sich eine besondere Anpassung des Systems auf den Einsatz im Krafttrainingsbereich und insbesondere auf die automatische Bewertung der ausgeführten Übungen an Fitnessgeräten unter Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens einschließlich Klassifikationsalgorithmen wie Künstliche Neuronale Netze (KNN/ANN) oder Konzepte der Fuzzy-Logik. Im Laufsport liegt andererseits der Fokus auf der Integration eines antagonistischen Metamodells für die Analyse von physiologischen Adaptionsprozessen namens Performance Potential (PerPot), welches die unmittelbare Optimierung und Verbesserung von Langstreckenläufen, wie zum Beispiel Marathonläufen, ermöglichen soll. Das Hauptziel dabei ist es, eine eventuell auftretende Müdigkeit in Echtzeit zu erkennen und auf diese Weise eine Erschöpfung frühzeitig zu vermeiden. Aber auch andere relevante Anwendungsszenarien wie die Überwachung für medizinische Zwecke gewinnen an Bedeutung und werden daher in der Arbeit behandelt.

The emerging area of "computer science in sport" and particularly the upcoming field of "ubiquitous computing in sport" are highly influenced by the progress of Information Technology (IT). In general, the current tendency of ubiquitous or also called pervasive computing describes the movement of information processing towards miniaturized, interconnected and intelligent computer devices as integral parts of everyday life. Given the continuous advances and recent boom in the mobile technology sector, in particular, nowadays also sports frameworks integrating pervasive equipment are in ongoing development. Especially mobile feedback systems are getting continuously widespread and important for the monitoring of sports performances. Sensor devices are becoming smaller, increasingly cable-free and, at the same time, smarter, enabling efficient methods for the acquisition of sports-related parameters. The diversity, capacity, networking ability and handy design of today's mobile devices, on the other hand, allow the implementation of effective supervision and instant intervention routines. The present thesis demonstrates the design and practical realization of an easy adaptable sports framework integrating innovative online analysis and real-time feedback techniques. A first goal of this work is to point out the implication of pervasive computing for sport and sport science and to demonstrate some of the most important developments. For such purposes, an overview of typical implementations and fields of application regarding the use of ubiquitous computing equipment is given and illustrated in detail by the realization of the developed mobile coaching framework, aiming at the instant support of athletes and coaches during the training process. The overall concept of the implemented system includes a server component for the bidirectional communication between sportsmen and coaches. Thereby, athletes are equipped with wireless sensors and an up-to-date handheld Personal Computer (PC) for data acquisition purposes, while coaches can access the measured information online and return appropriate feedback via the host computer to the athletes- devices. First implementations of the approach concentrate on the application in running and moreover for the use of pupils and teachers in school sport. The reception of the sensor data is based on ubiquitous technologies such as ANT TM (a wireless sensor protocol commonly applied in the field of sport)-enabled smartphones, facilitated either via an ANT Universal Serial Bus (USB) stick, a (mini/micro) Secure Digital (SD) card, an individually designed Bluetooth®-to-ANT adapter or a built-in ANT module. The collected data is immediately forwarded from the Internet-connected mobile device to the server, where it is permanently stored. In this way, coaches and other experts can access the acquired real-time characteristics via developed web applications, providing not only instant analysis but also prompt feedback routines. Thus, specialists can assist athletes and intervene in their training by looking at the performance outcomes, thereby optimizing the achievements and also avoiding fatigue or injuries. At the same time, with the increasing measurement possibilities and hence the growing data amount, also the computer-based analysis of the collected information and the immediate return of feedback become more significant. Consequently, intelligent methods are needed in order to extract significant patterns out of the measured items and send automated real-time notifications to the performing athletes. Therefore, another major aim of the thesis is to propose sophisticated routines for the computerized analysis of the gathered parameter values. Regarding the server-based mobile coaching framework, Artificial Intelligence (AI) techniques running on the host component appear to be an efficient approach for data evaluation purposes. Accordingly, a particular adaptation of the system aims at the use in fitness and the automatic assessment of the executed exercises on weight training machines on the basis of machine learning techniques including classification algorithms like Artificial Neural Networks (ANNs) or fuzzy logic concepts. In running, on the other hand, the focus is set on the integration of an antagonistic meta-model for the analysis of physiological adaptation processes called Performance Potential (PerPot) for the optimization and enhancement of long-distance runs like marathons. The main goal thereby is to detect a possibly occurring fatigue in real-time and, in this way, to avoid exhaustion at an early stage. But also related application scenarios such as monitoring routines for medical purposes gain in importance and are therefore addressed throughout the thesis.