賽艇可視化多功能智能測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)的研制

韓小燕

（山東省水上運(yùn)動(dòng)管理中心，山東 日照 276800）

賽艇可視化多功能智能測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)的研制

韓小燕

（山東省水上運(yùn)動(dòng)管理中心，山東 日照 276800）

20世紀(jì)80年代末，西方國(guó)家率先研究開(kāi)發(fā)出可視化技術(shù)。可視化技術(shù)可將圖形和數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，把圖形的生成與圖像的理解技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，不僅能夠通過(guò)電腦圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，還能夠利用多維而復(fù)雜的數(shù)據(jù)形成圖像。這一技術(shù)運(yùn)用了電腦圖形學(xué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、電腦視覺(jué)技術(shù)等多種技術(shù)。現(xiàn)實(shí)中，可視化技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如船舶駕駛員和航空駕駛員，通過(guò)仿真模擬的器具，對(duì)器具上的操縱工具進(jìn)行相應(yīng)操作，能夠模擬出真實(shí)的航行場(chǎng)景和駕駛位變化。電腦運(yùn)用傳感器對(duì)有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)不同風(fēng)力、風(fēng)向、水流、海浪的情況進(jìn)行判斷，通過(guò)專業(yè)的流體力學(xué)程序?qū)ψ饔迷诤叫衅髦系牧M(jìn)行計(jì)算，從而確定航行器將要確定的位置，通過(guò)電腦屏幕快速給予呈現(xiàn)。近年來(lái)，可視化技術(shù)的應(yīng)用范圍領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，涉及到運(yùn)動(dòng)體育、醫(yī)療手術(shù)、數(shù)學(xué)研究、氣象觀察、空氣動(dòng)力技術(shù)以及流體力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，目前正由后期數(shù)據(jù)處理向?qū)崟r(shí)的信息交互控制與跟蹤轉(zhuǎn)變。

但是，可視化技術(shù)應(yīng)用于賽艇運(yùn)動(dòng)還比較鮮見(jiàn)。賽艇運(yùn)動(dòng)是一種體能型運(yùn)動(dòng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行體能訓(xùn)練非常重要，同時(shí)技術(shù)訓(xùn)練也非常關(guān)鍵，甚至成為決定成績(jī)的關(guān)鍵性因素。當(dāng)前，我國(guó)在賽艇運(yùn)動(dòng)方面，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員的體能訓(xùn)練已具有較高的水平，但在大賽中往往難以取得與之相匹配的成績(jī)，其中的關(guān)鍵就是技術(shù)技能方面的不足。

本文在實(shí)踐研究的基礎(chǔ)上，探討了賽艇可視化多功能智能測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)。這一系統(tǒng)將液壓技術(shù)作為阻力源，可科學(xué)仿真地模擬出賽艇槳葉劃動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力。對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)各項(xiàng)力學(xué)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)特定計(jì)算機(jī)軟件對(duì)賽艇運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬，從而形成了賽艇可視化多功能智能測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)。這一系統(tǒng)既能夠用于賽艇運(yùn)動(dòng)的力量訓(xùn)練，也能夠從生物力學(xué)的視角對(duì)技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行分析研究，從而對(duì)技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行完善與評(píng)價(jià)，可用于分析評(píng)估、數(shù)據(jù)測(cè)試、競(jìng)賽模擬、日常訓(xùn)練，是一種智能化、可視化、多功能的系統(tǒng)。本研究旨在通過(guò)可視化智能測(cè)試系統(tǒng)，提高賽艇運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)水平與應(yīng)變能力，有效彌補(bǔ)技術(shù)訓(xùn)練方面的不足。

1 可視化

1.1 測(cè)功儀

賽艇中的測(cè)功儀是賽艇運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行訓(xùn)練的重要器具，其功能主要為訓(xùn)練、提高并測(cè)試賽艇運(yùn)動(dòng)員做功的能力，這種器具已在世界上得到廣泛應(yīng)用。在選拔賽艇運(yùn)動(dòng)員時(shí)，許多賽隊(duì)把做功能力作為重要的指標(biāo)，也是我國(guó)國(guó)家賽艇隊(duì)選拔運(yùn)動(dòng)員的重要指標(biāo)之一。

目前在賽艇訓(xùn)練中所使用的測(cè)功儀，一般采用直接風(fēng)輪型，因?yàn)檫@種測(cè)功儀利用慣性作阻力源，所以與實(shí)戰(zhàn)相比，其與賽艇槳葉在水中遇到的阻力在性能方面有很大的差別，因而不能科學(xué)地模擬出實(shí)戰(zhàn)中的水中阻力。從技術(shù)動(dòng)作方面來(lái)講，該測(cè)功儀與實(shí)際比賽也存在較大的差別。從技術(shù)指標(biāo)的反映看，該測(cè)功儀可計(jì)算出槳頻、功率等少數(shù)指標(biāo)，這些指標(biāo)的產(chǎn)生完全依靠風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，因而也無(wú)法正確反映攔槳過(guò)程中力學(xué)數(shù)據(jù)的變化。近年來(lái)，國(guó)外對(duì)該種測(cè)功儀進(jìn)行了廣泛深入地研究探討，有的對(duì)其功能和使用情況進(jìn)行了分析，有的從運(yùn)動(dòng)員體能消耗的角度對(duì)測(cè)功儀與實(shí)戰(zhàn)情況進(jìn)行了對(duì)比分析?？傮w來(lái)看，這些研究大部分都著眼于生理生化，分析研究了實(shí)戰(zhàn)中體能消耗功率與測(cè)功儀體能消耗功率之間的關(guān)系，而且這種分析已經(jīng)非常精確，普遍認(rèn)為賽艇測(cè)功儀在體能訓(xùn)練與體能測(cè)試方面發(fā)揮了重要作用。但是，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作的研究分析還不多。

當(dāng)前，賽艇測(cè)功儀較為先進(jìn)的是德國(guó)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的沃夫液壓測(cè)功儀。這種測(cè)功儀可以對(duì)賽艇運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作進(jìn)行較好地模擬，還可以通過(guò)圖形呈現(xiàn)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)技術(shù)參數(shù)。但是其價(jià)格不菲，而且操作系統(tǒng)較為復(fù)雜，沒(méi)有對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行的分析，所以對(duì)我國(guó)運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)不很適用。山東省水上運(yùn)動(dòng)管理中心研制出一種新型的模擬系統(tǒng)，可以用以進(jìn)行體能訓(xùn)練、模擬比賽、數(shù)據(jù)測(cè)試與分析評(píng)估等，是智能化、可視化的訓(xùn)練系統(tǒng)。尤其是其可以對(duì)水流阻力的特性、運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行模擬，被普遍認(rèn)為達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)的水平。

1.2 可視化訓(xùn)練

美國(guó)宇航局在研究虛擬風(fēng)尚項(xiàng)目時(shí)誕生了可視化技術(shù)，研究人員利用數(shù)據(jù)手套，對(duì)流場(chǎng)中物理模型位置等參數(shù)進(jìn)行改變，運(yùn)用電腦對(duì)流場(chǎng)信息變化進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)在屏幕上得以呈現(xiàn)。計(jì)算機(jī)是可視化技術(shù)賴以實(shí)現(xiàn)與發(fā)展的基礎(chǔ)，它對(duì)計(jì)算的過(guò)程、計(jì)算的結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)圖形或圖像的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，而且可以開(kāi)展信息的交互處理，是發(fā)現(xiàn)并理解計(jì)算過(guò)程與現(xiàn)象的科學(xué)有效的手段。

計(jì)算過(guò)程的可視化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是對(duì)計(jì)算或者測(cè)量得出的數(shù)據(jù)脫機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)圖像的形式將數(shù)據(jù)再現(xiàn)。之前，大多數(shù)科學(xué)計(jì)算限于這種方式。二是對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行顯示并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的跟蹤。當(dāng)前，氣象學(xué)研究、有限元分析研究和流體力學(xué)技術(shù)研究正在向這個(gè)方向發(fā)展。三是對(duì)科學(xué)計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互處理和實(shí)時(shí)顯示。利用這一技術(shù)，既可以對(duì)科學(xué)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，還能夠?qū)吔鐥l件和其他方面的參數(shù)進(jìn)行交互式改變，用以引導(dǎo)干預(yù)計(jì)算過(guò)程，這也是可視化技術(shù)發(fā)展要達(dá)到的目標(biāo)?？梢暬夹g(shù)以其數(shù)據(jù)處理、圖像分析的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在體育訓(xùn)練中已得到普遍的應(yīng)用。

在現(xiàn)實(shí)中，因?yàn)橘愅н\(yùn)動(dòng)是一種突變式、耗散式的過(guò)程，對(duì)于高水平的運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行比賽意識(shí)層次的訓(xùn)練，經(jīng)常因?yàn)闂l件的突變而導(dǎo)致重復(fù)模擬的不可能性，這種水平的訓(xùn)練僅依賴于臨場(chǎng)狀態(tài)訓(xùn)練和實(shí)戰(zhàn)探索。但是，我國(guó)的賽艇運(yùn)動(dòng)員因?yàn)楦鞣矫嬉蛩?，參與高水平競(jìng)賽的機(jī)會(huì)不是很多，這就使其競(jìng)賽的意識(shí)、技巧、技能得不到很好的訓(xùn)練培養(yǎng)機(jī)會(huì)，這也是我國(guó)賽艇運(yùn)動(dòng)員達(dá)到一定水平后很難進(jìn)一步提高的重要原因。若將可視化技術(shù)應(yīng)用于訓(xùn)練中，為運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)設(shè)不同強(qiáng)度、不同水平、不同場(chǎng)景的仿真環(huán)境，可使運(yùn)動(dòng)員身心投入到模擬的現(xiàn)實(shí)競(jìng)賽場(chǎng)景中，以形象生動(dòng)的方式進(jìn)行定量定性的訓(xùn)練。而且，在多種傳感器的作用下，能夠?qū)Ω鞣N技術(shù)動(dòng)作的合理性、科學(xué)性進(jìn)行判斷與分析，將會(huì)極大地提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效率。

2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)的主要組成部分可對(duì)賽艇技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行仿真化模擬的測(cè)試臺(tái)架、可對(duì)賽艇運(yùn)動(dòng)時(shí)水流阻力進(jìn)行模擬的液壓系統(tǒng)、可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、處理信息、呈現(xiàn)圖像式分析結(jié)果的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。座式臺(tái)架之上有賽艇槳柄以及活動(dòng)式滑凳，其形式、規(guī)格與現(xiàn)實(shí)中的賽艇完全一致，可達(dá)到對(duì)賽艇用力方式、運(yùn)動(dòng)方式的真實(shí)性模擬?；手掠谢墸壈惭b于臺(tái)架中間位置，在滑軌之上滑凳可以實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)。為模擬單槳訓(xùn)練情景，滑軌可拆卸，根據(jù)需要安裝于左側(cè)或右側(cè)。

在該系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)是最為關(guān)鍵的組成部分。液壓系統(tǒng)的部件有液壓管道、節(jié)流閥、單向閥和液壓油缸。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員想要改變運(yùn)動(dòng)負(fù)荷時(shí)，可調(diào)節(jié)節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)阻力值與回路中液壓油流速二次方成正比例，即與運(yùn)動(dòng)員劃速成正比例，從而實(shí)現(xiàn)了訓(xùn)練與實(shí)踐劃槳阻力的一致。

處理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下幾種部件：數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)放大器、打印機(jī)、顯示器、計(jì)算機(jī)、角度與測(cè)力傳感器。

3 主要功能

該系統(tǒng)利用多個(gè)傳感器，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和處理，以圖形圖像方式進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，創(chuàng)設(shè)出模擬仿真的訓(xùn)練場(chǎng)景，運(yùn)動(dòng)員可以據(jù)此進(jìn)行定量定性訓(xùn)練，也能夠?qū)夹g(shù)動(dòng)作進(jìn)行分析判斷，從而極大地提高訓(xùn)練效率。

3.1 測(cè)試功能

該系統(tǒng)依照生物力學(xué)對(duì)最佳的用力標(biāo)準(zhǔn)與最佳劃槳角度進(jìn)行定義，在起航、劃行和沖刺過(guò)程中，可將有關(guān)數(shù)據(jù)顯示于顯示屏上，以便于運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練時(shí)參考。運(yùn)動(dòng)員可自由選擇最大力矩、測(cè)試時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)用力曲線。

3.2 競(jìng)賽功能

該系統(tǒng)可以對(duì)賽艇競(jìng)賽過(guò)程進(jìn)行模擬，可根據(jù)需要制定體力分配方案，也可進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。比賽程序的設(shè)置有雙人比賽和單人比賽兩種模式。雙人比賽模式可調(diào)入存盤(pán)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可為運(yùn)動(dòng)員原有競(jìng)賽的數(shù)據(jù)，也可以是國(guó)際國(guó)內(nèi)重大比賽的真實(shí)數(shù)據(jù)，這有利于增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的動(dòng)機(jī)。這兩種方式供自由選擇，競(jìng)賽的距離也可自由設(shè)置，競(jìng)賽訓(xùn)練完畢系統(tǒng)對(duì)競(jìng)賽數(shù)據(jù)自動(dòng)存盤(pán)。

在競(jìng)賽訓(xùn)練中，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)競(jìng)賽場(chǎng)景的完全模擬，如前10秒鐘倒計(jì)時(shí)，可由系統(tǒng)進(jìn)行模擬發(fā)令，亦可對(duì)搶航等特殊情況進(jìn)行識(shí)別。在計(jì)算機(jī)顯示屏上，呈現(xiàn)出仿真的競(jìng)賽場(chǎng)地，由此運(yùn)動(dòng)員可直觀判斷自己在賽程中所處的位置、其他選手的位置、與其他運(yùn)動(dòng)員之間的距離等。屏幕上同時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)員所處的局部場(chǎng)地，運(yùn)動(dòng)員賽艇前后50米范圍的場(chǎng)景可一覽無(wú)余。

為使系統(tǒng)呈現(xiàn)的場(chǎng)景更加真實(shí)，系統(tǒng)運(yùn)用了分形繪圖技術(shù)，可以隨機(jī)產(chǎn)生背景色彩與形態(tài)，使競(jìng)賽訓(xùn)練充滿趣味。運(yùn)動(dòng)員每劃出一槳，屏幕都會(huì)顯示劃槳運(yùn)動(dòng)功率、賽艇運(yùn)動(dòng)的速度、每槳前進(jìn)的距離以及用時(shí)情況。

3.3 訓(xùn)練功能

該系統(tǒng)有著強(qiáng)大的陸上訓(xùn)練功能，對(duì)訓(xùn)練的平均力矩、訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)、最大速度、最大功率、最大力矩都可以進(jìn)行自主設(shè)置。訓(xùn)練時(shí)，運(yùn)動(dòng)員也可根據(jù)訓(xùn)練需要通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥來(lái)設(shè)置訓(xùn)練負(fù)荷。平均力矩即訓(xùn)練時(shí)每一槳平均要達(dá)到的力矩值。運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練時(shí)可在系統(tǒng)屏幕上直觀觀測(cè)到自己訓(xùn)練過(guò)程中的平均力矩，從而適當(dāng)調(diào)整訓(xùn)練負(fù)荷。

3.4 評(píng)估功能

系統(tǒng)可以對(duì)測(cè)試的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估。評(píng)估過(guò)程中，每30秒鐘采集一次記錄數(shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)員據(jù)此可觀測(cè)到自己每一槳的詳細(xì)情況，如需要也可打印測(cè)試曲線圖。此外，系統(tǒng)還可以對(duì)技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行分析與評(píng)估。如標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試以6分鐘為一個(gè)單位，可呈現(xiàn)12槳圖形，可測(cè)出每一時(shí)間段的平均功率、每槳功率、最大力矩、入水角、出水角、最大力矩的對(duì)應(yīng)角度、曲線面積的形心所對(duì)應(yīng)的角度與力矩與最大最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等。這些數(shù)據(jù)的值可全面科學(xué)地反映運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作的合理性與科學(xué)性。

4 結(jié) 語(yǔ)

賽艇可視化多功能智能測(cè)試訓(xùn)練系統(tǒng)的研究，有效地把賽艇運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的訓(xùn)練、測(cè)試和研究結(jié)合在一起，對(duì)于賽艇陸上訓(xùn)練是一種良好的現(xiàn)代化裝置，它可以全面科學(xué)地測(cè)試運(yùn)動(dòng)員在各種訓(xùn)練中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其不僅是一種測(cè)試裝置，也是一種診斷裝置，還是一種賽艇運(yùn)動(dòng)的專業(yè)研究工具。在現(xiàn)階段，該系統(tǒng)還處于可視化技術(shù)發(fā)展的第二階段，尚不能實(shí)現(xiàn)交互性處理，然而卻是下一步交互性處理的基礎(chǔ)，這就為根據(jù)不同水流、風(fēng)力及槳葉情況下的訓(xùn)練奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[ 1 ]高建深.影響賽艇訓(xùn)練與比賽的綜合因素分析[ J ].當(dāng)代體育科技，2013 （25）.

[ 2 ]王廣磊，宋旭，劉揚(yáng)，等.賽艇訓(xùn)練中常見(jiàn)技術(shù)問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究：以安徽省賽艇公開(kāi)級(jí)隊(duì)員為例[ J ].安徽體育科技，2016（5）.

[ 3 ]李鑫彤.賽艇運(yùn)動(dòng)體能訓(xùn)練的再認(rèn)識(shí)[ J ].當(dāng)代體育科技，2013（36）.

[ 4 ]王尚強(qiáng).國(guó)內(nèi)外力量訓(xùn)練研究的可視化分析[ D ].聊城：聊城大學(xué)，2015.

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1674-151X（2017）05-067-02

投稿日期：2017-04-10

韓小燕（1986～），中級(jí)，本科。研究方向：從事運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練研究。