自行车功率计哪家强 科研机构权威评测报告详解

   2017-12-21 11:28

近年来,自行车功率计如雨后春笋般,不断有新品牌新产品推出,同时售价持续走低,从10年前均价一万多元下滑至均价四五千元,极大地促进了功率计在普通业余爱好者中的普及,以及功率训练的推广。使用功率计进行训练的目的是“消除猜测”,而不仅仅是显示功率数字,因此功率计的信效度和可靠性就非常重要了。但面对这么多功率计产品,车友们又该如何选择呢?

为了回答这个问题,在最新一期(2017年12月)的《International Journal of Sports Physiology and Performance》(国际运动生理和运动表现期刊,IJSPP)中,Bouillod团队选择了PowerTap,StagesGarmin Vector功率计来和SRM进行比较。


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SRM功率计在2016年的UCI Pro Tour级别车队中占据了半壁江山,而由于其良好的功率测量精度和可靠性,在科研中也被广泛认可为金标准。

因此,本研究就以SRM为基准,从准确度、敏感度、可重复性、可靠度4个方面,比较了PowerTap(花鼓),Stages(左侧单边曲柄)以及Garmin Vector(脚踏)功率计。

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▲ 从左至右:PowerTap G3,Garmin Vector,Stages

准确度,指的是功率计是否能却精确测量功率;

敏感度,是指功率计可以测量到的最小变化;

可重复性,指的是在多变的条件下测得功率的变异性;

可靠性,是指功率计是否可以抵抗实验设计中的干扰因素。 

实验内容

实验测试者为一位国家级的男性自行车手(年龄23岁,身高1.88m,体重80kg),该车手的踩踏不对称指数非常低,仅4%(何为“不对称指数”?传送门——踩踏效率和不对称指数 职业选手踩踏模式的变化

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▲ 第一代SRM功率计和Power Control表头

SRM,PowerTap G3,Stages和Garmin Vector功率计均安装于同一辆公路自行车上,车胎充气至700kPa。SRM数据由SRM Power Control表头记录,其余3个功率计分别由3块Garmin码表采集数据,实验开始前,功率计均进行校准。每一次测试前,车手先进行一次短加速(踩踏6圈),用以同步数据。

测试共包含3项方案:

(1)次最大强度递增负荷测试;

(2)次最大强度30分钟持续性测试;

(3)冲刺测试。

3项测试方案在同一天内进行,然后每一项测试方案分3天重复3次,用以评估可重复性。在次最大强度递增负荷测试中使用3种不同踏频(60,80,100rpm),以及坐姿和站姿之间功率差来评估敏感度。可靠性采用12种不同的振动频率来进行评估。

除了上述3项在实验室内进行的测试外,本研究还进行了一次2小时的实地测试,在实地测试中亦包含了如坐姿和站姿,不同踏频,不同速度等变量。


实验结果

1. 准确度

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▲ Bland-Altman图:从上至下,SRM与PowerTap功率之差;SRM与Stages功率之差;SRM与Garmin Vector功率之差。虚线代表均值偏差,实线代表95%置信区间。

从上图可以看出,Stages与SRM的均值偏差较大,为-13.7±12.4W;而Powertap和Garmin Vector与SRM的均值偏差分别为1.3±6W和0.6±6.2W。

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▲ 5秒冲刺测试,分别使用53/19、53/17、53/15齿比。白色代表SRM,斜纹代表PowerTap,灰色代表Stages,黑色代表Garmin Vector

从上图可以看出,在5秒冲刺测试中,4种功率计的测量值都比较相近,但Garmin Vector在低齿比的冲刺中,测出的功率显著低于其它3种功率计。

另外,研究发现,在某些特订强度区间内,不同功率计测得的功率之间有显著差异,如下图所示,似乎当功率输出较低时,Stages和Garmin Vector的准确性会打折扣:Stages在2区和3区分别比SRM低5.1%和4.9%;而Garmin Vector在2区比SRM低4.5%。

6.jpg▲ 图中标注a的代表Stages与SRM的功率之间有显著差异,标注b的代表Garmin Vector与SRM的功率之间有显著差异。白色代表SRM,斜纹代表PowerTap,灰色代表Stages,黑色代表Garmin Vector.

2. 敏感度

不同踏频对于这些功率计并没有影响。然而踩踏动作(坐姿还是站姿)对功率的测量有影响。在自行车跑台上进行的测试中,相同速度下,SRM和PowerTap在站姿踩踏下测得的功率都要比坐姿来得高(意味着敏感度较好),分别为2.1%和2.4%,而Stages正相反,其在坐姿踩踏下测得的功率比站姿低4.4%。

3. 可重复性

4种功率计在所有测试中表现出来的可重复性没有显著差异,变异系数分别为,SRM: 1.9%±1.3%;PowerTap: 2.6%±1.5%;Stages: 3.0%±1.9%;Garmin Vector: 2.5%±1.3%

4. 可靠性

测试结果显示,Stages和Garmin Vector在48Hz到52Hz这个高频震动区间内,测得的功率值出现明显下降,而SRM和Powertap则不受震动的影响。

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▲ 图中标注a的代表Stages与SRM的功率之间有显著差异,标注b的代表Garmin Vector与SRM的功率之间有显著差异。白色代表SRM,斜纹代表PowerTap,灰色代表Stages,黑色代表Garmin Vector.

除了上述的测试结果外,作者又对测试数据做了进一步讨论。针对Stages在站姿骑行时测得的功率要低于坐姿骑行,只要归咎于其单边测量然后简单乘以2的算法,因此在站立骑行这种对侧发力(对侧手脚配合)的情况下可能会产生较大的误差。

另有其他研究表明,通常自行车手骑行时下肢发力的不对称性会随着功率输出的提高而减少,这也就解释了为何Stages在功率2区和3区这些较低的功率区间内准确度较差。

而对于Garmin Vector在站姿和坐姿下测得的功率没有差异,作者认为该功率计敏感度不够好,因为根据前人的研究,在站姿骑行中,由于车架和车胎的明显形变,要维持相同的速度,功率输出会呈系统性上升,而在本研究中,SRM和PowerTap测得的功率都体现了这种变化。

此外,尽管在统计学意义上没有显著差异,Stages在4区和5区的功率要分别低于SRM 10.2%和5%,Garmin Vector在4区和5区的功率分别低于SRM 12.7%和6.3%。

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▲ 没想到骑行路况都会对功率计产生这么大影响

关于震动对功率计测量精度的影响,作者特别提到,在粗糙路面上骑行(26-36km/h的速度),88%的震动频率位于10-50Hz这个区间。而在古典赛的鹅卵石路面上骑行(20-35km/h),平均震动频率在35-65Hz中。

所以,显而易见,Stages和Garmin Vector在粗糙颠簸的路面上使用时,其测量准确性会受影响。

尽管测试中的4种功率计都表现出了较好的可重复性,但在准确度、敏感度和可靠性方面,SRM和PowerTap G3显然都更胜一筹。

开元观点

尽管功率计工作原理比较简单,但其从扭矩测量,信号放大,滤波等到最后的功率计算这个实现过程还是存在着非常多的环节,任何一环出问题,最后都会影响到功率计的精确性。

所以,要让功率计测到功率并不难,困难的是日复一日稳定可靠得工作。其实本研究的结果并不意外,毕竟SRM和PowerTap是市面上历史最悠久的功率计,堪称“老字号”,经过20年以上的更新迭代,已经非常成熟。

除了选择靠谱的功率计之外,车友在使用中也应当注意,每次骑行前应该在码表中进行校准归零,方能确保功率计工作正常,亦保证自己能够获得准确的训练数据,毕竟这是我们使用功率计进行训练的全部意义。


文:王开元 编辑:HCY

转载自微信公众号Locomo耐力运动研究院《来自科研机构的功率计测评报告 | 学术派》

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