From Atomic Events to Sequences: Analyzing Soccer Data on Various Time Scales

In den letzten Jahren hat die angewandteWissenschaft der Sportanalytik die Strategien
in US-amerikanischen Sportarten wie Baseball, Basketball und American Football
maßgeblich beeinflusst. Im Fußball hingegen sind trotz Fortschritten in Technologien
und Datenerhebung derartige Ver¨anderungen bisher kaum sichtbar.
Die vergleichsweise geringere Adaption datengetriebener Analysen im Fußball l¨asst
sich auf verschiedene Faktoren wie die torarme Natur des Spiels, die taktische Komplexit
¨at und die Fluidit¨at durch wenig strukturellen Komponenten zur¨uckf¨uhren. Um
die L¨ucke zu schließen, zielt die vorliegende Dissertation darauf ab, die grundlegenden
Voraussetzungen f¨ur ein tieferes Verst¨andnis des Fußballs zu verbessern. Insbesondere
wird der Mangel an verbindenden Ans¨atzen zwischen dom¨anenspezifischen Begriffen
und Konzepten sowie deren U¨ berfu¨hrung in konkrete, regelbasierte Definitionen
adressiert.
In der Sportwissenschaft existieren verschiedene Taxonomien und Annotationsschemata
f¨ur Angriffs- und Verteidigungsprozesse im Fußball. Allerdings erm¨oglicht die oft
eher narrative als deskriptive Natur dieser Schemata keine granulare Annotation, wie in
der Informatik ben¨otigt. Dar¨uber hinaus beinhalten die Schemata mitunter semantisch
komplexe, subjektive Beschreibungen, sind nicht ausreichend validiert oder beinhalten
keine klaren Definitionen, die regelbasierte Entscheidungen erm¨oglichen. Dadurch sind
sie weder leicht durch Menschen nachvollziehbar noch durch automatische Modelle replizierbar.
Die vorliegende Dissertation adressiert diese L¨ucke auf verschiedenen Zeitskalen.
Bez¨uglich eines kurzen Zeithorizonts wurde eine einheitliche, hierarchische Taxonomie
f¨ur die Annotation atomarer Ereignisse vorgeschlagen, welche durch eine Annotationsstudie
mit Experten validiert wurde. Außerdem wurden die Ereignisannotationen durch
einen Ansatz der zeitreihenbasierten Ereigniserkennung verfeinert, um die atomaren
Ereignisse mit den zugrunde liegenden Positionsdaten zu synchronisieren. Bez¨uglich
l¨angerer Zeithorizonte wurde, unter Beibehaltung der Hierarchie zwischen den Zeitskalen,
ein hierarchisches Annotationsschema f¨ur Sequenzannotationen zum Konzept
der taktischen Periodisierung vorgeschlagen und ebenfalls in einer Annotationsstudie
mit Experten validiert. Schließlich wurde eine grundlegende Struktur zur sequenzspezifischen
Analyse im Fußball vorgestellt und auf das Konzept von Konterangriffen
angewandt.
Ein zentrales Ergebnis der Annotationsexperimente war die Wichtigkeit einer hierarchischen
Struktur in Annotationsschemata, welche die semantische Komplexit¨at effektiv
abbildet und es erm¨oglicht, unterschiedliche Annotationen durch Experten in
gemeinsame ¨ubergeordnete Klassen zu integrieren.
Ein wichtiger Befund beim Training automatischer Modelle war, dass die Nachbildung
manueller Sequenzannotationen zwar gelang, jedoch Uneinigkeit zwischen
Experten die Genauigkeit der automatischen Modelle erheblich beeintr¨achtigte. Dies
zeigte, dass automatische Ans¨atze zwar f¨ur dom¨anenspezifische Konzepte mit hoher
U¨ bereinstimmung zwischen Experten zielfu¨hrend sind, manuelle Annotationen trotz
ihres Arbeitsaufwands f¨ur semantisch komplexe Konzepte aber weiterhin notwendig
bleiben.
Die Ergebnisse der sequenzspezifischen Analyse in dieser Dissertation zeigten, dass
iv
manuell erstellte, nachvollziehbare Merkmale wertvoll bleiben, da sie es im Vergleich
zu maschinenbasierten Merkmalen erm¨oglichen, Forschungsergebnisse in umsetzbare
Richtlinien zu ¨ubersetzen.
Abschließend wurden negative Ergebnisse in der Vorhersage verschiedener Sequenzresultate
mit unterschiedlichen Kombinationen von Modelltypen unter Verwendung
von Merkmalen wie Teamposition, Kompaktheit, oder Anzahl von Spielern zwischen
Ball und Tor erreicht. Dies ließ keine Aussage zu der konkreten Verbindung der
untersuchten Merkmale mit Sequenzresultaten zu.
Zusammenfassend sind die gewonnenen Erkenntnisse f¨ur Fußballpraktiker und Forscher
sowohl in der Sportwissenschaft als auch in der Informatik von Bedeutung.Wenn
Annotationen in einem dieser Bereiche vorgenommen werden, sollte die Bedeutung
klarer, regelbasierter Definitionen und hierarchischer Annotationsschemata beachtet
werden, um die semantische Komplexit¨at der untersuchten Konzepte zu erfassen. F¨ur
das Training automatisierter Studien muss die U¨ bereinstimmung zwischen Experten
bei den untersuchten Konzepten gew¨ahrleistet sein, w¨ahrend die Interpretierbarkeit der
verwendeten Merkmale und Modelle ein zentraler Punkt der verwendeten Architektur
sein sollte. Diese Leitlinien k¨onnen dazu beitragen, die L¨ucke zwischen theoretischer
Forschung und praktischer Anwendung in Fußballvereinen zu schließen. Letztlich legt
diese Arbeit das Fundament f¨ur weitere Fortschritte in der Verbindung zwischen Informatik
und Sportwissenschaft, bei denen ¨ahnliche experimentelle Studien auf anderen
Zeitskalen zu einem ganzheitlichen Verst¨andnis des Spiels beitragen k¨onnen.