帆船直線航行比賽最優(yōu)路徑的規(guī)劃設計

王國興

(福建省帆船帆板運動管理中心 福建廈門 363021)

帆船運動是水上運動的重要項目之一,帆船在行駛中和機動船的動力源不同,它主要是依靠風對帆產生的作用進而推動船前進的。帆船項目是運動員駕駛帆船在一定的距離內比試航速的運動。結合海洋信息制定最優(yōu)路徑是帆船比賽取得最終勝利的關鍵。當前,普通船舶的氣象導航系統(tǒng)已經逐漸的完善,但是帆船在海上航行中受海浪、海風和海流的影響比較大,因此，在規(guī)定的航程和航道寬度內制定航行時間最短的最優(yōu)路徑要比普通的船舶困難許多。

1 帆船航行比賽中的主要特征

1.1 帆船運動員的體能因素

帆船運動對運動員的身體素質要求是全面的,主要要求的內容有運動員的基礎性耐力,相對強大的力量,身體核心的力量,全身肌肉的協(xié)調合作能力還有個人的力量和速度爆發(fā)力。帆船運動和其他速度競技運動不同的是,比賽的速度不是來源于運動員而是海風,體能在運動中主要用來對風的控制。航速的是人體對風能利用率的體現(xiàn),運動員只有利用好風,掌握海風的變化特點才能得到較好的航速。除了以上復雜了各項要求以外,帆船比賽的航程一般比較長,比賽時間也很長,這樣對比賽選手的專業(yè)綜合素質和能力是有比較高的要求的。

1.2 復雜的比賽技術

帆船選手在比賽中要根據(jù)不同區(qū)域內的實際情況,例如:海風風向、梯度風的形狀以及運動員自身的身體情況等對自身的技術等進行適當?shù)目刂坪驼{整,爭取在比賽中以最短的時間完成比賽規(guī)定的路程。在整個比賽過程中帆船選手不可能單一的按照某一個操控技術完成整個比賽航程,在帆船運動員的靈活掌握下根據(jù)實際情況的變化對帆船進行掌控。

1.3 強大的心理素質和較高的智力要求

圖1

帆船項目是一個涉及了多種學科和知識類型的需要運動員具備高智商的運動,運動員除了要有強大的知識能力和素質,帆船項目看似是各個運動員之間的競賽,其實在比賽中運動員需要面對的自然環(huán)境變化的考驗要遠遠強于比賽中對手給予的壓力,因此,帆船運動員還要具備良好的心理素質,方便其隨時面對各種自然變化,在面對各種驚險心中不起一絲波瀾,要有強大的心理素質調節(jié)能力和頑強的意志力以及高速劃行的感知力。帆船的動力性能涉及到海上各種氣象的影響,此外還要掌握海上救生、快速航行等問題,帆船比賽的規(guī)則十分的多。綜上可知,帆船運動對運動員的素質要求是十分的高的。

1.4 復雜的影響因素

帆船比賽是在海上,海上的氣候條件是隨時有肯能發(fā)生變化的,極有可能會出現(xiàn)無法正常舉行比賽的變化,賽事的時間也可能會被重新安排。比賽成績極易受到天氣的影響,比賽很有可能由于外部因素進行十幾次的調整,運動員如何在長時間的跨度下進行自我調節(jié)和控制,選手的穩(wěn)定性在比賽中也是十分重要的,運動員的體能條件和相關訓練是比賽取得勝利的基本保障,比賽最終能夠取得勝利的關鍵在于運動員可以對比賽中出現(xiàn)的各種因素進行及時合理的調節(jié)。

2 項目特征的相互聯(lián)系

帆船比賽的是對運動員的體能、知識、技能等許多方面的綜合,但是整個比賽最為關鍵的還是速度。下面對帆船項目取勝的關鍵規(guī)律進行分析和介紹。

2.1 技術的施展要以運動員的體能為前提

一般帆船比賽的賽程和時間都比較長,運動員在長期的運動環(huán)境中需要強大心肺活量,比如:在帆船球型帆的升降操作中,為了在比賽中搶占有力的先機,獲得更快的速度,升降球型帆技術在帆船比賽中獲得了十分廣泛的使用,相應的對選手的體能要求也越來越高。良好且全面的體能是帆船運動員實現(xiàn)技術的正常發(fā)揮,心智能力的正常體現(xiàn),達到最佳運動競技狀態(tài)的保證和前提。

2.2 技術是體能展現(xiàn)的載體

運動員的比賽技術是非常重要的,要求帆船運動員掌握綜合風向、海洋流等多方因素,將體能在技術中達到最佳狀態(tài),在運動過程中有效的運用運動技巧提升帆船的速度,最大的節(jié)省身體能量的消耗,以最適宜的狀態(tài)進行比賽。一旦,操作的技術不熟練導致運動員對洋流涌浪的方式判斷發(fā)生錯誤,致使航線失去原來的有力位置,導致比賽失敗。在訓練中養(yǎng)成扎實、專業(yè)并且靈活度的技巧可以更好的幫助運動在比賽中更好地發(fā)揮自己的體能效應。

2.3 智力能力的重要性

在比賽中除了要有頑強的拼搏奮進精神,同時還要對天氣的變化具有預知的能力,綜合性的準確判斷力、果敢的決策力;并且頭腦的思路要清晰、記憶力要強,在遇到不同的狀況時要在短時間內迅速的做出正確的判斷;敏捷、精確、果斷的技術隨機應變能力;一心一意、心無雜念的專注力。只有這樣帆船運動員才能摒棄其他全面的實現(xiàn)心智能力的發(fā)揮。

3 帆船直線航行比賽的優(yōu)化方案

3.1 基本航線模型的建立

對基本航行的模型進行建立,主要的賽場形式是以三個浮標為正三角形頂點的模式,比賽開始后,運動員以直線運動的方式先到達最短的浮標,隨后再依次繞行其他兩個浮標,在繞行浮標的圈數(shù)達到比賽的要求后,最后以直線航行的方式行駛至終點。

3.2 全程最優(yōu)路線

現(xiàn)在將整個路線分為幾個主要的路段,并且對整個賽程進行分段優(yōu)化:(1)起點到1號浮標;(2)1號浮標到2號浮標;(3)2號浮標到3號浮標;(4)3號浮標到終點。各個區(qū)段的拐彎處實行單獨優(yōu)化。

在帆船的航行過程中,第1區(qū)段的中心位置線是OM,第2區(qū)段中心位置線是NP,依次第3、4區(qū)段中心位置線分別是QE、FD。以上四段中心線也同時是航行路徑中的最短路徑。其中△ABC是正三角形。比賽中運動員可以駕駛帆船沿最短路徑以直線運動的方式從M運動至N,P運動至Q,從區(qū)段3到區(qū)段4的相應優(yōu)化拐彎方法和前四段一樣,區(qū)段2、3、4區(qū)段3向區(qū)段4的轉彎處需要實行坐標的平移和旋轉后得到虛擬的各區(qū)段坐標。在各區(qū)段的優(yōu)化中風向角 θ、海浪風向角和海流方向角 φ也要發(fā)生轉換,成為各段虛擬坐標系的角度,進而確定各區(qū)段的最短航程L,最短路徑通過最優(yōu)規(guī)劃方案分析得出,隨后在坐標系的位置變換中變換航程坐標系中的坐標。

3.3 不同區(qū)段的優(yōu)化

在帆船比賽的起始點中劃分n個區(qū)段,n的值主要是航行的距離和航行的實踐經驗來確定的,并用評價函數(shù)的線性加權法在每個區(qū)間中對航行的目標進行管理。在k區(qū)間內的Pkj航行方向上帆船航向的決策評價函數(shù)EVkj定義成:

式中,Tkj=L/(n·Vkj)為整個k區(qū)間的航行時間;Vkj為帆船方向運動時在最短的路徑方向上的分速度Vkj=Vy=VBcosψ;(Xkj,Ykj)是帆船在k區(qū)間到k+1區(qū)間交界點Pkj的坐標;Z(Xkj,Ykj)為帆船運動到(Xkj,Ykj)位置的隸屬函數(shù),指的是距離目標點的大小; τ2為加權系數(shù), τ1≥0, τ2≥0,并且 τ1、 τ2的和是1; η為負值,以上函數(shù)需要滿足的條件是帆船在從這一目標航行至下一目標的過程中不能超過航道的寬度,對航道決策條件的約束函數(shù)描述為:

上面的式子中,f0=0,k=1,2….,n0Xkj。 Xkj表示k區(qū)間和k+1區(qū)間的交界點Pkj橫坐標的值;M為航道寬度。

無約束航向決策綜合評價函數(shù):

上式中,r為一個極大的正數(shù)。通過公式(3)可以看出:

(1)當(M-Xkj)0≥時,max{0-(M-Xkj)}=0對可行點不進行懲罰。

(2)當(M-Xkj)<0時,max{0-(M-Xkj)}-(M-Xkj)對不可行點進行大的懲罰。

在以上優(yōu)化的整體方案中計算需要注意的主要內容有以下幾個方面。

(1)種群的初始化要求,在不同要求的帆船比賽中,根據(jù)不同的比賽規(guī)定和情況,將帆船航道的邊界條件展開相應的變化,在符合邊界約束條件的情況下均勻選擇m個量當做初始種群。

(2)適當選擇函數(shù),文中的公式(3)是航向決策綜合評價函數(shù)。

(3)變異算子,初始種群是附帶,其中要采用的自適應變異機制進行相應的變異。

(4)算子的選擇,每一個父子在經歷變異后悔產生子個體,并且子個體和父個體的數(shù)量是一致的。

(5)收斂判斷,最終經過試探和應用,最大的迭代次數(shù)被確定。

4 結語

綜上可知,帆船直線航行比賽影響的因素比較多。該文對直線航行的路徑進行規(guī)劃得到最優(yōu)路徑,該結果可以在比賽中具有一定參考價值。

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