Onlinemonitoring und Trainingssteuerung beim Gruppentraining im Radsport

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Onlinemonitoring und Trainingssteuerung beim Gruppentraining im Radsport-Trainingssteuerung, SRM, Quarq, Powermeter

Die Steuerung der Trainingsintensität ist ein wesentlicher Faktor im Radsport, um die Leistung eines Sportlers zu verbessern und Übertraining zu vermeiden. Dies gilt insbesondere für das Gruppentraining, da hier die Beanspruchung des einzelnen Fahrers von der Position in der Gruppe, und bedingt u. a. durch Führungswechsel, vom Leistungszustand der gesamten Mannschaft abhängt. Durch den Windschatteneffekt wird der Luftwiderstand je nach Position um bis zu 38 % verringert und somit die aufzubringende Leistung stark minimiert (Neumann, 2000).

Für eine optimierte Trainingssteuerung des einzelnen Athleten sowie der gesamten Gruppe müssen dementsprechend leistungsdiagnostische Kennwerte sowie aktuelle Messwerte aller Radsportler berücksichtigt werden.

In diesem Beitrag werden zwei Prototypen vorgestellt, die im Rahmen des interdisziplinären Forschungsschwerpunkts „Ambient Systems“ entwickelt wurden. Das Trainer-Assistenz-System (TAS) ermöglicht die simultane Übertragung von Leistungsparametern mehrerer Fahrer auf ein externes Notebook sowie eine funkgestützte Kommunikation zwischen Trainer und Athlet.

Das Trainingssteuerungssystem (TSS) steuert das Training für eine Gruppe von Fahrern auf der Basis eines vorgegeben Trainingsplans unter Berücksichtigung der Intensität und Dauer der Belastung. Das Trainer-Assistenz-System (TAS) setzt sich aus drei Ebenen zusammen (Abb. 1): – einer Sensorplattform, die Daten über kommerzielles Leistungsmessgerät (Quarq, SRM) oder eigene Sensoren erfasst sowie eine Vorverarbeitung und Speicherung der Daten ermöglicht, – einer Kommunikationsplattform, durch die Verbindung zwischen den einzelnen Fahrrädern und einem externen PC aufgebaut wird und – der Traineranwendung, die Leistungsdaten aller Fahrer erfasst, grafisch darstellt sowie zur späteren Auswertung speichert. Aufgrund der ständig variierenden Abstände zwischen Sportler und Trainer wahrend des Trainings (insbesondere wenn die Traineranwendung beim Straßentraining in einem Begleitfahrzeug bedient wird), stellt das Gruppentraining besondere Anforderungen an funkbasierte Sensornetzwerke.

Um eine hohe Flexibilität und eine hohe Zuverlässigkeit der Datenübertragung bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch zu gewährleisten wurden das TAS hardwareseitig mit Low-Power-Funknoten (MicaZ) realisiert und spezielle Kommunikationsprotokolle entwickelt, die robuste Multi-Hop-Kommunikation in hoch-mobilen Umgebungen unterstützen (Fliege, Geraldy, Gotzhein, Jaitner, Kuhn & Webel, 2006). Neben den mobilen Knoten auf den Fahrrädern und den stationären oder mobilen Knoten der Traineranwendung kann die Netzabdeckung durch stationäre Repeater-Knoten erweitert werden (Kuhn, Jaitner & Gotzhein, 2008). Repeater werden z. B. dazu eingesetzt, um beim Training auf der Rundbahn eine zuverlässige Datenübertragung zum Standpunkt des Trainers sicherzustellen. Die Sensordaten aller Fahrräder werden über das Netzwerk zu allen Trainerknoten propagiert und dort unverzüglich präsentiert.

Die Traineranwendung ist auf einem Notebook installiert und verfügt über eine grafische Oberfläche, auf der die Momentanwerte der Geschwindigkeit, der Leistung, der Trittfrequenz und der Herzfrequenz jedes einzelnen Fahrers sowie die Trainingsdauer dargestellt sind. Zusätzlich werden für jeden Fahrer die individuellen Trainingsvorgaben angezeigt. Der Trainer kann damit das Training aller Fahrer überwachen und bei Bedarf eingreifen. Anweisungen des Trainers können über die Software direkt an einzelne Fahrer oder an die gesamte Gruppe gesendet werden. Dadurch hat der Trainer die Möglichkeit, schnell und unmittelbar in den Trainingsprozess einzugreifen und diesen z. B. durch Anpassung der Herzfrequenz- oder Leistungsvorgaben zu steuern. Die Traineranwendung speichert alle während des Trainings erhobenen Daten und stellt diese für eine anschließende Auswertung zur Verfügung. Das TrainingsSteuerungsSystem (TSS) setzt sich zusammen aus Hardwarekomponenten und einem Softwaresystem sowie aus den Algorithmen zur Trainingssteuerung (Jaitner & Trapp, 2008a, c). Jedes Fahrrad ist mit einem kommerziellen Leistungsmesssystem (Ergomo oder SRM) sowie mit einem Ultra Mobile Personal Computer (UMPC) ausgestattet. Das Leistungsmesssystem ist über eine serielle Schnittstelle (RS 232) mit dem UMPC verbunden und übermittelt die aktuellen Sensorwerte der Geschwindigkeit, der Leistung, der Trittfrequenz und der Herzfrequenz als Eingangswerte für die Trainingssteuerung. Der UMPC ist am Lenker befestigt. Die UMPCs aller Fahrräder sind miteinander mittels Wi-Fi-Technologie verbunden und bilden ein Ad-hoc-Netzwerk. Alle während des Trainings erhobenen Daten können mit einem minimalen Messintervall von 1 s gespeichert und zur späteren Auswertung verwendet werden. Bei dem TSS handelt es sich um ein flexibles und adaptives System, das für einen weiten Anwendungsbereich mit unterschiedlichen sowie variierenden Anforderungen eingesetzt werden kann (vgl. Jaitner & Trapp, 2008c). Die Entwicklung von laufzeitadaptiven Systemen wird durch die Verwendung einer dienstorientierten Architektur (engl. service oriented architecture (SOA), Bartel, Fischer, Niebuhr, Rausch, Seidl & Trapp, 2005) erleichtert. Verschiedene Hardware-Software-Konfigurationen können dadurch flexibel genutzt werden, ohne dass das System selbst geändert oder ersetzt werden muss. So können beispielsweise Fahrräder mit unterschiedlichen Leistungsmesssystemen für das Gruppentraining genutzt werden, solange sie die gleichen Dienste anbieten.

Auch ist dadurch die Anzahl von Trainingsteilnehmern in keiner Weise begrenzt, wenn der Trainingsalgorithmus für beliebige Gruppengrößen ausgelegt ist. Die Schnittstelle zwischen Softwaresystem und dem Sportler bildet eine grafische Oberfläche, auf der Trainingsparameter wie Herzfrequenz, Leistung, Trittfrequenz und Trainingsdauer sowie die Position in der Gruppe dargestellt werden können. Zusätzlich werden Trainingsanweisungen, z. B. eine Aufforderung schneller zu fahren oder die Position zu wechseln, angezeigt. Jede Trainingsanweisung wird durch ein akustisches Signal unterstützt und direkt über einen Lautsprecher oder Kopfhörer übermittelt. Das Gruppentraining zielt auf eine Optimierung des Trainingseffekts für jeden einzelnen Fahrer, während alle Fahrer in der Gruppe trainieren. Die Geschwindigkeit der Trainingsgruppe wird daher initial so bestimmt, dass die Abweichungen der Sollwerte aller Fahrer von den neu berechneten Vorgaben für die Gesamtgruppe in der Summe minimiert werden. Während des Trainings kann das System folgende Maßnahmen ergreifen, um die Trainingsbelastungen an den aktuellen Leistungs- bzw. Beanspruchungszustand anzupassen:

  • die Position der Fahrer innerhalb der Gruppe wird geändert
  • die Formation der Gruppe wird geändert
  • die Geschwindigkeit der Gruppe wird reduziert oder erhöht
  • die Gruppe wird geteilt

Die Trainingssteuerung basiert auf einem nicht-linearen Trainingsalgorithmus (Modell-prädiktiver Controller MPC; Le, Jaitner & Litz, 2009). Er basiert auf einem dynamischen Prozessmodell, das über einen definierten Zeithorizont die physiologische Beanspruchung eines jeden Fahrers online unter Berücksichtigung des bisherigen Verlaufs des Trainings sowie künftiger Belastungen prädiziert. Zur Fehlerminimierung wird die Prädiktion dabei fortlaufend mittels einer definierten Kostenfunktion unter ständiger Rückkopplung mit realen Messwerten optimiert. Der MPC nutzt zwei Modelle zur Vorhersage: ein biomechanisches Modell der (äußeren) Belastung, die zu erbringenden Tretleistung, und ein physiologisches Modell, das die korrespondierende physiologische Reaktion (Herzfrequenz) quantifiziert.

Das biomechanische Modell determiniert für jeden Sportler die zu erbringende Tretleistung zu jedem Zeitpunkt unter Berücksichtigung der äußeren Bedingungen, z. B. Streckenprofil, Gegenwind, Geschwindigkeit und Position in der Gruppe (Le, Litz & Jaitner, 2008). Die korrespondierende Beanspruchung wird unter Verwendung eines individuell angepassten dynamischen physiologischen Modells eines jeden Radsportlers berechnet, das die Herzfrequenz in Abhängigkeit der bereits absolvierten Belastungen und der individuellen Leistungsfähigkeit determiniert. Die Optimierung des Gruppentrainings erfolgt mittels einer Kostenfunktion unter der Maßgabe, dass jeder Sportler möglichst nahe an seinen Trainingsvorgaben trainieren soll, also die Differenz zwischen prädizierter Herzfrequenz und Sollwert minimiert wird. Erste Untersuchungen zeigen für den Modell-prädiktiven-Regelungsalgorithmus (MPC) eine bis zu 40 % geringere Abweichung von der vorgegebenen Herzfrequenz bei höherer Durchschnittsgeschwindigkeit gegenüber einer statischen, rein herzfrequenzschwellenbasierten Steuerung (SBA). Gleichzeitig ist die Durchschnittsgeschwindigkeit hoher Vergleich zwischen einer Modell-prädiktiven-Regelung und einer herzfrequenz-schwellenbasierten Regelung). Der MPC kommt dabei mit einer deutlich geringeren Anzahl von Geschwindigkeitsänderungen aus, während die Positionen jedoch häufiger gewechselt werden. Die daraus resultierenden Führungslängen liegen im Bereich der vom Bund Deutscher Radfahrer für den Nachwuchssport empfohlen Zeiträume (BDR, 2009). Entsprechend der ersten Ergebnisse erscheint die Modell-prädiktive-Regelung als eine effektive Unterstützung zur Optimierung des Gruppentrainings im Radsport. Mit dem Trainer-Assistenz-System (TAS) und dem Trainingssteuerungssystem (TSS) wurden zwei technologische Systeme zur Unterstützung und Optimierung des Gruppentrainings im Nachwuchsradsport vorgestellt. Beiden Systemen liegen unterschiedliche Schwerpunkte bei der Entwicklung zugrunde.

Das TAS wurde als ein energieoptimiertes System mit einer robusten Kommunikation für kurze Übertragungsstrecken konzipiert. Die Funktionalität des TAS ist dadurch auf eine Übertragung und Darstellung von Trainingsdaten unter annähernden Real-Time-Bedingungen sowie auf eine beidseitige Kommunikation zwischen Trainer und Athlet ausgelegt. Beim TSS liegt der Schwerpunkt auf einer Steuerung des Trainings durch Unterstützung einer intelligenten und adaptiven Softwareumgebung. Im Bereich des Leistungssports wird das TAS in Kooperation mit einem Landesstützpunkt zur Unterstützung des Nachwuchstrainings eingesetzt und kann praktisch erprobt werden.

In I. Fichtner (Hrsg.), 13. Frühjahrsschule "Informations- und Kommunikationstechnologien in der angewandten Trainingswissenschaft" am 13./14. April 2011 in Leipzig (Frühjahrsschule "Informations- und Kommunikationstechnologien in der angewandten Trainingswissenschaft", 13). (S. 11-25). Leipzig: IAT.

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