Complex networks analysis in team sports performance: multilevel hypernetworks approach to soccer matches

Abstract

Humans need to interact socially with others and the environment. These interactions lead to complex systems that elude naïve and casuistic tools for understand these explanations. One way is to search for mechanisms and patterns of behavior in our activities. In this thesis, we focused on players’ interactions in team sports performance and how using complex systems tools, notably complex networks theory and tools, can contribute to Performance Analysis. We began by exploring Network Theory, specifically Social Network Analysis (SNA), first applied to Volleyball (experimental study) and then on soccer (2014 World Cup). The achievements with SNA proved limited in relevant scenarios (e.g., dynamics of networks on n-ary interactions) and we moved to other theories and tools from complex networks in order to tap into the dynamics on/off networks. In our state-of-the-art and review paper we took an important step to move from SNA to Complex Networks Analysis theories and tools, such as Hypernetworks Theory and their structural Multilevel analysis. The method paper explored the Multilevel Hypernetworks Approach to Performance Analysis in soccer matches (English Premier League 2010-11) considering n-ary cooperation and competition interactions between sets of players in different levels of analysis. We presented at an international conference the mathematical formalisms that can express the players’ relationships and the statistical distributions of the occurrence of the sets and their ranks, identifying power law statistical distributions regularities and design (found in some particular exceptions), influenced by coaches’ pre-match arrangement and soccer rules.

Os humanos necessitam interagir socialmente com os outros e com o envolvimento. Essas interações estão na origem de sistemas complexos cujo entendimento não é captado através de ferramentas ingénuas e casuísticas. Uma forma será procurar mecanismos e padrões de comportamento nas atividades. Nesta tese, o foco centra-se na utilização de ferramentas dos sistemas complexos, particularmente no contributo da teoria e ferramentas de redes complexas, na Análise do Desempenho Desportivo baseado nas interações dos jogadores de equipas desportivas. Começámos por explorar a Teoria das Redes, especificamente a Análise de Redes Sociais (ARS) no Voleibol (estudo experimental) e depois no futebol (Campeonato do Mundo de 2014). As aplicações da ARS mostraram-se limitadas (por exemplo, na dinâmica das redes em interações n-árias) o que nos trouxe a outras teorias e ferramentas das redes complexas. No capítulo do estadoda- arte e artigo de revisão publicado, abordámos as vantagens de utilização de outras teorias e ferramentas, como a análise Multinível e Teoria das Híperredes. No artigo de métodos, apresentámos a Abordagem de Híperredes Multinível na Análise do Desempenho em jogos de futebol (Premier League Inglesa 2010-11) considerando as interações de cooperação e competição nos conjuntos de jogadores, em diferentes níveis de análise. Numa conferência internacional, apresentámos os formalismos matemáticos que podem expressar as relações dos jogadores e as distribuições estatísticas da ocorrência dos conjuntos e a sua ordem, identificando regularidades de distribuições estatísticas de power law e design (encontrado nalgumas exceções estatísticas específicas), promovidas pelos treinadores na preparação dos jogos e constrangidas pelas regras do futebol.