基于機(jī)器學(xué)習(xí)的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方推薦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李寧寧，梁天一，盧朝霞

（山東體育學(xué)院，濟(jì)南 250102）

1 引言

自1995年我國(guó)頒布《全民健身計(jì)劃綱要》至今，已走過(guò)20多年的歷程，在這一政策驅(qū)動(dòng)下，大眾健身運(yùn)動(dòng)得到了極大的發(fā)展；群眾的健身觀念發(fā)生了轉(zhuǎn)變；健身運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地設(shè)施明顯改善；熱衷健身運(yùn)動(dòng)人群、社會(huì)體育指導(dǎo)員數(shù)量都有了很大提高。人們不再滿足于盲目的健身運(yùn)動(dòng)，或者購(gòu)買健身器材，而是希望在專業(yè)人員的指導(dǎo)下有計(jì)劃、有步驟地增強(qiáng)體質(zhì)，但由于專業(yè)化健身指導(dǎo)信息資源和途徑的匱乏，導(dǎo)致目前的健身鍛煉活動(dòng)存在一定的盲目性、隨意性和風(fēng)險(xiǎn)。雖然大眾健身熱情催生出形形色色的手機(jī)APP和客戶端軟件產(chǎn)品，但其功能僅局限在采集特定的人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)和生理指標(biāo)，按照后臺(tái)預(yù)設(shè)的模板提供運(yùn)動(dòng)處方，無(wú)法根據(jù)健身用戶的個(gè)體需求提供及時(shí)的專業(yè)化個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)處方。機(jī)器學(xué)習(xí)作為一門多領(lǐng)域交叉學(xué)科，致力于研究如何利用經(jīng)驗(yàn)改善系統(tǒng)自身的性能[1]。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)成績(jī)預(yù)測(cè)、體能數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域[2-4]。其中支持向量機(jī)作為一種新型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，在小樣本條件下仍可以獲得良好的擬合能力[3]，更適合個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方的推薦。

本文將支持向量機(jī)算法應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)處方自動(dòng)推薦過(guò)程中，設(shè)計(jì)基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方推薦系統(tǒng)。

2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方推薦系統(tǒng)

系統(tǒng)以用戶的體質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合考慮影響體質(zhì)健康的諸多因素（包括營(yíng)養(yǎng)狀況、生活方式、作息規(guī)律和慢性疾病等），評(píng)估用戶的運(yùn)動(dòng)能力、預(yù)測(cè)其可能的運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，給出體質(zhì)健康評(píng)估報(bào)告；并結(jié)合用戶的健身需求制定個(gè)性化的健身運(yùn)動(dòng)處方，實(shí)現(xiàn)體質(zhì)狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和科學(xué)指導(dǎo)，并為運(yùn)動(dòng)處方的有效性校驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)集體質(zhì)測(cè)試與評(píng)價(jià)、運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方推薦、信息管理等功能為一體，為健身愛(ài)好者推薦更科學(xué)、更具針對(duì)性的運(yùn)動(dòng)處方。

2.1 體質(zhì)測(cè)試與評(píng)價(jià)

用戶的體質(zhì)狀況數(shù)據(jù)通過(guò)體檢及體質(zhì)測(cè)試儀器進(jìn)行收集，數(shù)據(jù)包括身高、體重、握力、縱跳、俯臥撐、仰臥起坐、坐位體前屈、閉眼單腳站立、肺活量、臺(tái)階測(cè)試、反應(yīng)時(shí)等11項(xiàng)國(guó)民體質(zhì)健康指標(biāo)，還包括血壓、血脂、血糖、骨密度、體脂率等進(jìn)階指標(biāo)。系統(tǒng)根據(jù)不同項(xiàng)目數(shù)據(jù)，確定相應(yīng)的數(shù)值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)用戶數(shù)據(jù)逐項(xiàng)評(píng)定；將所有項(xiàng)目的得分按照項(xiàng)目所占的比例，得到綜合分?jǐn)?shù)，并進(jìn)行健康分級(jí)，如健康、亞健康、體質(zhì)較差、體質(zhì)差等。

2.2 運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

近年來(lái)，運(yùn)動(dòng)性損傷、運(yùn)動(dòng)性疾病乃至運(yùn)動(dòng)性猝死等運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)事件頻繁發(fā)生[5]。因此，運(yùn)動(dòng)前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估成為運(yùn)動(dòng)處方開(kāi)具前不可省略的步驟。運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊通過(guò)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)前健康篩查，詢問(wèn)用戶的運(yùn)動(dòng)需求、生活習(xí)慣等，確定用戶是否具有從事某項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的禁忌表現(xiàn)，將其作為運(yùn)動(dòng)處方推薦的重要依據(jù)。運(yùn)動(dòng)前健康篩查問(wèn)題包括：有無(wú)已確診的心血管疾病、代謝性疾病以及腎臟疾病；有無(wú)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)；是否出現(xiàn)過(guò)不明原因的呼吸困難；是否出現(xiàn)過(guò)心跳過(guò)快、過(guò)強(qiáng)或不規(guī)律的不適感等若干問(wèn)題。

2.3 個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方推薦

根據(jù)用戶體質(zhì)評(píng)定分?jǐn)?shù)，判斷用戶是否需要處方干預(yù)，如需要，則以支持向量機(jī)算法為基礎(chǔ)，將包含多個(gè)參數(shù)的健康向量為輸入，結(jié)合領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)和運(yùn)動(dòng)處方庫(kù)進(jìn)行知識(shí)推理，生成個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方。健康向量參數(shù)包括性別、年齡、體脂率、血壓、血糖等體質(zhì)指標(biāo)，還包括運(yùn)動(dòng)需求、生活習(xí)慣、飲食習(xí)慣、運(yùn)動(dòng)偏好、地理位置等個(gè)性化指標(biāo)。運(yùn)動(dòng)處方包括運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)頻率、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間及運(yùn)動(dòng)注意事項(xiàng)等五項(xiàng)內(nèi)容。

2.4 信息管理

信息管理包括用戶管理、運(yùn)動(dòng)處方管理和系統(tǒng)管理三個(gè)模塊。用戶管理模塊包括用戶注冊(cè)、體質(zhì)健康管理、運(yùn)動(dòng)建議管理及基本信息管理。用戶可查看體質(zhì)健康評(píng)價(jià)報(bào)告，通過(guò)體質(zhì)健康數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析圖，監(jiān)控體質(zhì)狀況；還可對(duì)系統(tǒng)推薦的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方進(jìn)行評(píng)價(jià)。運(yùn)動(dòng)處方管理模塊由管理員和專家共同維護(hù)，系統(tǒng)運(yùn)行初期，運(yùn)動(dòng)處方庫(kù)中存儲(chǔ)的為基礎(chǔ)處方，隨著用戶訓(xùn)練樣本的增加，不斷對(duì)運(yùn)動(dòng)處方進(jìn)行自我完善，同時(shí)，領(lǐng)域?qū)＜乙矔?huì)對(duì)處方進(jìn)行人工干預(yù)。系統(tǒng)管理模塊包括權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)維護(hù)、模塊設(shè)置等。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)體質(zhì)健康數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和知識(shí)挖掘，研究多因素體質(zhì)健康綜合評(píng)估，建立個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方推薦模型。系統(tǒng)分為三個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方推薦系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（1）體質(zhì)數(shù)據(jù)收集階段，用戶的體質(zhì)狀況數(shù)據(jù)如血壓、血脂、血糖、骨密度、心肺耐力、體脂率等數(shù)據(jù)通過(guò)體檢及體質(zhì)測(cè)試獲得。體檢信息由用戶通過(guò)系統(tǒng)界面自行輸入；體質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)由體質(zhì)檢測(cè)中心工作人員錄入，或由系統(tǒng)掃描用戶體質(zhì)檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行采集；生活習(xí)慣、興趣愛(ài)好、地理位置和既往病史等信息通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷（PAR-Q）獲取。

（2）數(shù)據(jù)整理、建模階段，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)清洗、去噪和標(biāo)準(zhǔn)化后，系統(tǒng)會(huì)形成用戶-體質(zhì)項(xiàng)健康等級(jí)矩陣。

（3）在運(yùn)動(dòng)處方構(gòu)建階段，推理機(jī)會(huì)根據(jù)用戶的健康向量，結(jié)合領(lǐng)域知庫(kù)和運(yùn)動(dòng)處方庫(kù)進(jìn)行知識(shí)推理，生成運(yùn)動(dòng)處方。運(yùn)動(dòng)處方推理機(jī)以用戶的健康向量為輸入，從中檢索健康等級(jí)＜=2的體質(zhì)項(xiàng)目，然后結(jié)合用戶性別、年齡和興趣愛(ài)好和地理位置數(shù)據(jù)從領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)和運(yùn)動(dòng)處方庫(kù)中搜索合適的運(yùn)動(dòng)處方。

體質(zhì)發(fā)展趨勢(shì)分析，為了增強(qiáng)自動(dòng)處方的可解釋性，系統(tǒng)將使用最近鄰算法（KNN），分析用戶群體大數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)用戶當(dāng)前身體發(fā)展趨勢(shì)和運(yùn)動(dòng)處方介入后發(fā)展趨勢(shì)。

處方有效性校驗(yàn)，根據(jù)最近鄰算法思想對(duì)運(yùn)動(dòng)處方的有效性進(jìn)行校驗(yàn)，具體做法如下：系統(tǒng)首先會(huì)收集用戶對(duì)處方的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，具體評(píng)價(jià)數(shù)值為0～5，數(shù)值越高表明處方越有效。為目標(biāo)用戶m選擇處方pm后，系統(tǒng)會(huì)讀取歷史處方評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于pm的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)用戶間相似度計(jì)算處方pm的加權(quán)平均值，如果此數(shù)值低于一定閾值（默認(rèn)為3），則認(rèn)為處方生成失敗，申請(qǐng)專家人工介入。

4 待解決的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）多因素體質(zhì)健康評(píng)估模型。中國(guó)成年人體質(zhì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)只參考包括年齡、性別、體重、身高、肺活量、握力等在內(nèi)的11項(xiàng)國(guó)民體質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，不包括血糖、血壓、血脂、體脂率、骨密度等指標(biāo)。因此，以用戶體質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，增加血壓、血糖、血脂、體脂率、骨密度等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，量化各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，并通過(guò)技術(shù)手段挖掘用戶的行為習(xí)慣、健康狀況和特點(diǎn)喜好等各因素之間的復(fù)雜內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以及各因素的組合對(duì)最終效果的影響，訓(xùn)練多因素體質(zhì)健康評(píng)估綜合模型，為個(gè)性化健身運(yùn)動(dòng)處方推薦提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

（2）基于特定需求的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方推薦算法。這是本系統(tǒng)的核心算法。傳統(tǒng)的人工開(kāi)具的運(yùn)動(dòng)處方依賴于專家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，難以大規(guī)模推廣，現(xiàn)有工作中大多采用人工智能技術(shù)自動(dòng)化生成運(yùn)動(dòng)處方。然而，已有研究基本完全依賴規(guī)則推理技術(shù)進(jìn)行處方推理，沒(méi)有考慮到用戶群體數(shù)據(jù)之間的隱藏關(guān)系，也難以適應(yīng)用戶體質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)生整體性遷移的狀況。本系統(tǒng)結(jié)合體質(zhì)健康評(píng)估模型，利用基于支持向量機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，針對(duì)減肥等特定目標(biāo)應(yīng)用需求，構(gòu)建個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方，根據(jù)用戶體質(zhì)特征、健康狀況、運(yùn)動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，以及用戶個(gè)人特征與運(yùn)動(dòng)處方建議的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，模擬專家決策過(guò)程，推薦最適合的運(yùn)動(dòng)處方。支持向量機(jī)中需要的健康向量參數(shù)，需要通過(guò)探究用戶體質(zhì)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度和隱層關(guān)系獲得。同時(shí)研究引入運(yùn)動(dòng)處方解釋機(jī)制和處方有效性校驗(yàn)，定量分析個(gè)體運(yùn)動(dòng)健身的作用和效果，預(yù)測(cè)用戶當(dāng)前身體發(fā)展趨勢(shì)和運(yùn)動(dòng)處方介入后發(fā)展趨勢(shì)，以指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)處方和干預(yù)措施的調(diào)整和校正，形成“檢測(cè)-評(píng)估-干預(yù)-效果”的閉環(huán)反饋。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著全民健身的大力推廣，僅依靠少數(shù)專業(yè)人員制定運(yùn)動(dòng)處方，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了健身居民的專業(yè)健身指導(dǎo)需求。本文將基于支持向量機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)處方自動(dòng)推薦系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)處方推薦系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的普適化運(yùn)動(dòng)處方相比，系統(tǒng)推薦的運(yùn)動(dòng)處方充分考慮了用戶個(gè)體的健身需求、生活習(xí)慣、飲食習(xí)慣等因素，科學(xué)化、個(gè)性化程度更高。