體育系統仿真理論與應用研究

朱禮金

(菏澤學院體育系，山東菏澤 274015)

體育系統仿真理論與應用研究

朱禮金

(菏澤學院體育系，山東菏澤 274015)

體育系統仿真作為一項應用技術已經得到廣泛應用，但作為一門交叉學科進行研究僅處于起步階段。通過對體育系統仿真的定義、基本特征、研究方法與步驟以及現階段的應用情況幾個方面進行分析、討論，試圖探索其內在規律，為體育系統仿真學科體系的構建提供參考。

系統科學;系統仿真;體育系統仿真;體育科研方法

體育運動經歷了漫長的自然發展階段、大運動量高強度的成長階段、科學訓練探索階段，目前，已經發展成為現代體育，歷史也賦予它更多的使命和內涵。與之相適應，體育科學研究方法一刻也沒有停止發展的腳步，以空前的速度和強大的親和力與數學、生理、心理、社會和計算機等學科相互交叉融合，尤其20世紀70年代末，系統科學的建立和成熟使得體育科研的發展進入了一個新的階段。人們開始自覺地運用系統科學的方法解決體育領域的問題。近幾十年來，系統仿真學作為一門新興的高新技術，被國內外專家一致認為是目前解決復雜巨系統的最有效的綜合集成法。毋庸置疑，系統仿真在體育領域的應用，將產生積極的影響并將發揮重大作用。

1 體育系統仿真的定義

體育系統仿真是體育系統工程科學體系中的一種重要技術學科。它是為了解決體育領域中的復雜性問題而提出來的。是通過計算機模擬技術再現和模擬體育教師的教學經驗、教練員的訓練意圖、管理者的組織方案和運動員的訓練過程，從而達到對體育系統的解釋、分析、預測、組織、評價的一種實驗技術科學，其主要觀點是利用定性、定量相結合的辦法，建立以人為主的人—機系統來輔助決策者更好地決策，執行者更有效地行動［1］。

2 體育系統仿真的基本特征

我們之所以把體育系統仿真作為一門獨立的學科研究，是因為它與其他的學科存在著許多不同之處，在處理體育復雜性問題上具有許多其他學科不能替代的優勢。

2.1 實踐經濟性

經濟性是體育系統仿真的一個最為突出的特點。在研究中它相對于傳統實驗方法，具有無可比擬的優越性。該技術使傳統的實驗方法從物理手段過渡到數字手段，不僅僅提高了效率，更重要的是節約了大量的科研經費。另外，系統仿真能卓有成效地解決體育運動現實發展中所提出的、已經或可能面臨的綜合性問題，并為決策者提供方案選擇和決策性建議服務。這種實踐是通過人機對話，并在計算機上進行虛擬現實的方式進行的，因而它又具有經濟實用、安全可靠、靈活多變、可多次重復使用等特點。

2.2 不受時空的限制性

這是體育系統仿真的另一個重要特點。由于體育系統仿真既可以根據現有的實體構造仿真對象，也可以根據不存在的構想的實體構造仿真對象。并且仿真對象既可以等時運行，也可以欠時或者超時運行。這一超時空的特點，給體育系統仿真帶來了許多其他技術不可比擬的優勢。

2.3 研究對象的復雜性

體育系統仿真研究的對象大都不是某個單獨的自然現象與社會現象，而是一個簡單環境的簡單巨系統或是簡單環境的復雜巨系統，其中還包括系統的運行、宏觀管理和決策等一系列的復雜問題，由此也決定了研究任務與研究手段的復雜性。

2.4 學科高度交叉融合性

體育系統仿真是利用系統分析方法，對體育系統的問題進行分析，綜合利用數學、圖論、灰色理論、運籌學、控制論、信息論等相關知識建立仿真模型，再利用計算機技術，結合圖形學、影視學、心理學在計算機上進行實時、超實時、欠實時的模擬演示，最后，再由領域專家評價、規劃、決策。這是一個典型的多學科交叉、多因素分析、超時空綜合集成的學科，它真正代表了解決體育復雜巨系統的研究方向［2］。

3 體育系統仿真研究的步驟與方法

體育系統仿真研究包括體育系統建模、仿真試驗和模型的評估三大部分，其中，體育系統建模包括數學模型和仿真模型。主要研究過程可以通過以下幾個步驟完成(如圖1)。

圖1 體育系統仿真研究的一般步驟

3.1 系統描述

系統分析是整個系統仿真研究的開端。問題一般由系統高層決策者提出，所提問題要清楚，描述要準確。必要時應當起草計劃書、開發需求報告以及VV＆A計劃草案等文檔。

3.2 建立數學模型

首先，通過系統分析，明確系統的構成、邊界、環境和約束條件，根據問題確定系統的目標，以及目標的衡量標準。同時對解決問題的途徑，可能的花費、預期的效益進行分析，抽象系統的概念模型，驗證概念模型，形成系統的分析報告。其次，根據系統分析結果，按照分析報告，確定系統中的變量，依據變量之間的相互關系以及約束條件，用數學形式描述出來，并確定其中的參數，即構造出了數學模型。針對不同的系統建立數學模型，對簡單系統一般采用微分方程或偏微分方程建模。在此要注意模型的復雜程度，模型過于簡單，無法完整地反映真實系統的特征，過于復雜又會降低仿真效率，因此，要反復地進行模型的校核、驗證使得模型能夠滿足仿真需求。

3.3 建立仿真模型

仿真模型是指能夠在計算機上實現并運行的模型。在建立仿真模型之前，首先來考慮仿真所用到的計算機語言和工具。如果有符合仿真要求的專用仿真語言或者仿真系統開發工具，就應當首選這些專用語言或工具，原因是專用語言和工具可以大大提高工作效率，并且可以減少錯誤。否則，應當采用描述性好、集成功能強、開發效率高的通用語言，最好采用可視化面向對象的集成開發環境，比如，Visual C++Visual Basic等。然后，根據系統的數學模型建立系統的仿真模型，包括確定仿真模型模塊結構，確定各個模塊的輸入輸出接口，確定模型和數據的存儲方式。

3.4 編寫計算機程序、確認軟件系統

現在由于仿真開發系統功能十分強大，有時并不需要編程或僅需少量的編程工作，但是如果沒有選擇專用的仿真開發工具，只有從底層做起。當計算機程序編寫完成后，必須經過模型的驗證、模型的確認工作，以確定所需的功能是否正確實現，這也就是軟件系統功能的校核，是對軟件系統的集成測試，在檢驗完成以后要形成驗收與驗證報告。

3.5 仿真運行實驗

仿真運行實驗就是將系統的仿真模型放在計算機執行模擬真實系統的運行情況。通過仿真模型的運行了解模型對各種不同輸入數據及各種不同的仿真機制輸出的響應情況，獲得所需的實驗數據，從而預測系統的實際運行規律。模型的仿真運行是一個動態交互的過程，需要進行反復的運行實驗。由于計算機的運算是高速度進行的，并且在整個反復運行的過程中也不再需要過多的投入，這充分體現了系統仿真的經濟優勢。

3.6 仿真結果分析處理

仿真實驗結果分析的目的是為了研究真實系統的運行規律和更好地為決策提供輔助支持。對仿真實驗中所產生的數據和實驗結果進行綜合分析，確定仿真實驗中得到的信息是否合理和充分，是否滿足系統的目標要求，同時，為優化系統提供必要的數據和信息。

將仿真結果分析整理成詳細報告，向決策者提供有關系統實際功能、性能、行為結果等數據，為決策者提供輔助支持，也為系統驗收提供參考。

4 體育系統仿真的應用

體育系統仿真應用可以從橫向和縱向兩個不同維度分析。

圖2 體育系統仿真應用(橫向)

4.1 橫向應用的廣泛性(如圖2)

4.1.1 運動訓練

在競技運動訓練中運用體育系統仿真可以構建體育訓練場景和器材，如自行車運動訓練往往受到風、雨、霧等自然條件的影響。虛擬自行車訓練模擬器可以通過計算機仿真技術構造出逼真的訓練比賽的場景和天氣變化，用6個自由度的(6DOF)運動平臺動態模擬真實路況的顛簸、上下坡等動作。由此，使得運動員可以從模擬訓練器上進入一個虛擬的訓練和比賽世界。另外，體育系統仿真還可以進行技術動作的編排及重現，如王兆其等研制的Digital 3D Trampoline Simulating Sys-tem。

4.1.2 健身娛樂

運用基于虛擬現實技術的體育系統仿真開發出了許多集健身和娛樂于一體的健身器材，對我國的全民健身運動有很大的促進作用。具有代表性的有林柏偉等人開發的PCCAVESMASH系統，通過CAVE的大視野立體顯示以及自然的交互方式(跟蹤器放在球拍上)，用戶就能在CAVE環境內進行逼真的乒乓球賽［3］。北京仿真中心、浙江大學等國內科研所開發了幾個基于VR的健身器系統，如VR趣味健身車，保齡球游藝健身機等。

4.1.3 體育教育

體育教學仿真能將各種可以模擬的實物或情境呈現在計算機屏幕上，讓學習者進入模擬情境進行學習，并且應用計算機科技分析學習者的動作，給予適當的回饋，配合特殊的仿真器材，仿真教材(計算機課件)進行。目前仿真體育教學一般分為3種。1)實體仿真:指在非現實的時空，呈現出某種人為或自然的客觀現象。如:運動生理學、人體解剖學。2)現象模擬:以實現研究方式進行模擬。如:運動員機能的運動訓練技術專項化和動作熟練化，及表現出的機體生理生化指標變化等現象。3)程序仿真:可以仿真特定的時空因子，建立自然真實的情境。如:體操空翻動作，田徑項目等仿真教學。

4.1.4 人體生物信息檢測與計算機可視化

根據運動項目的不同，可以通過各種傳感器和智能化儀器對運動員的人體生物信息進行采集、處理，建立運動項目中關鍵技術動作的運動生物力學模型，再利用計算機技術、圖形圖像技術將結果實時或亞實時地以三維動畫的形式輸出，即數據計算的可視化表現。如李祥晨等設計的人體重心平衡能力測量分析與虛擬訓練系統就是此類應用。

4.1.5 運動器械設計

在體育運動訓練和器械設計中運用體育系統仿真技術，使得傳統的實驗方法從物理手段過渡到數字手段，不僅提高了效率，更重要的是節約了大量的科研經費。比如，帆板運動項目中訓練人在船(板)上的技術動作時，如果利用系統仿真中的流體力學數值仿真技術(CFD)［4］，建立數學模型逼近物理空間，就很容易通過計算實現傳統試驗的目的，從而避免了采用風洞試驗和水槽試驗等傳統手段時無法考慮運動員的因素的問題。

4.1.6 組織管理

體育系統仿真充分利用現代計算機技術、圖形學、多媒體技術等優勢，為教練員和組織管理者提供了逼真的交互手段，達到了高效地輔助決策和執行目的。如紀慶革等研制的團體操虛擬編排和演練原型系統。由于參加大型團體操的人員動輒成千上萬人，并且參加的演員大都是非專業演員，對這些人的培訓往往會花費很大的力氣，該系統的應用則會大大提高效率。

4.1.7 康復治療

運用體育系統仿真情境模擬功能，可以在非現實的時空背景下，探究人際之間的互動模式，為心理訓練提供支持，可用來治療心理疾病。

4.2 縱向應用的一體化

體育系統仿真的縱向應用主要包括運動選材、訓練目標、運動診斷、組織訓練、運動檢測以及用于運動結果反饋再加工的訓練控制等幾個過程。這幾個過程相輔相成，構成一個統一體，共同完成運動成績提高的目標(如圖3)。

圖3 體育系統仿真應用(縱向)

運動員選材過程中，運用體育系統仿真構建優秀運動員模型、評估符合條件的運動員的運動能力，并預演其成長經歷。另外，通過采集運動員與競爭對手的訓練信息數據，結合運動項目規律設計模擬方案，運用數字化虛擬人技術規劃該運動員的階段與長期的訓練目標，并進行虛擬演練和分析，驗證訓練目標的可行性，對制定訓練目標的準確性有重要意義。在組織訓練過程中運用體育系統仿真技術可以構建虛擬人和虛擬訓練場景，根據項目要求設計虛擬訓練器械，訓練負荷的分析，管理訓練計劃安排，預演組織過程防止突發事件的發生等。對于訓練效果可以運用基于虛擬現實的體育系統仿真進行運動檢測，如通過運動捕獲技術采集訓練數據，運用計算機數據的可視化表現，圖示化訓練效果，針對存在的不足，運用體育系統仿真技術進行編輯動作、優化訓練安排、構建現階段的虛擬運動員，并通過調整各訓練因素和心理訓練等措施進行訓練控制，根據反饋信息重新規劃下一個訓練目標，如此循環，最終完成訓練任務。

5 結論

5.1 體育系統仿真是通過計算機模擬技術再現和模擬體育教師的教學經驗、教練員的訓練意圖、管理者的組織方案和運動員的訓練過程，從而達到對體育系統的解釋、分析、預測、組織、評價的一種實驗技術科學，其主要有經濟性、不受時空限制性、研究對象的復雜性和學科高度交叉融合性等基本特征。

5.2 體育系統仿真研究的一般步驟包括系統描述、建立數學模型、建立仿真模型、編寫計算機程序、確認軟件系統、仿真運行實驗和仿真結果分析處理。

5.3 體育系統仿真應用可以從橫向和縱向兩個不同維度分析，橫向應用主要表現在運動訓練、健身娛樂、體育教育、人體生物信息檢測與計算機可視化、運動器械設計、組織管理和康復治療等方面;縱向應用主要表現在運動選材、訓練目標、運動診斷、組織訓練、運動檢測以及用于運動結果反饋再加工的訓練控制等方面。

［1］李祥晨，孫晉海.體育系統仿真［M］.北京:人民體育出版社，2001.

［2］解毅飛，龍錦.關于創建體育系統仿真學科理論體系的構想［J］.廣州體育學院學報，2002，(3).

［3］徐蘭君，等.虛擬現實技術及其在排球教學中的應用展望［J］.通化師范學院學報，2008，(4).

［4］馬勇.我國水上運動器材流體動力性能研究進展［J］.體育學刊，2008，(2).

Theory and application of sports system simulation

ZHU Li－jin
(Dept.of PE，Heze University，Heze 274015，China)

As an applied technology，sports system simulation has been widely used，but as an interdisciplinary research，it is only at the initial stage.This paper analyzed and discussed the definition，basic characteristics，research method，steps，and the current application of sports system simulation，and tried to explore the laWof it，so as to propose some suggestion for the establishment of sports system simulation science structure.

system science;system simulation;sports system simulation;sports science research methods

G80－05

A

1009－9840(2010)04－0060－03

2010－11－15

朱禮金(1978－ )，男，山東臨沂人，講師，碩士，研究方向體育教育訓練學，體育系統仿真。