賽艇可視化多功能智能測試訓練系統的研制

韓小燕

（山東省水上運動管理中心，山東 日照 276800）

賽艇可視化多功能智能測試訓練系統的研制

韓小燕

（山東省水上運動管理中心，山東 日照 276800）

20世紀80年代末，西方國家率先研究開發出可視化技術?？梢暬夹g可將圖形和數據進行相互轉換，把圖形的生成與圖像的理解技術進行有機結合，不僅能夠通過電腦圖像進行數據解析，還能夠利用多維而復雜的數據形成圖像。這一技術運用了電腦圖形學技術、圖像處理技術、電腦視覺技術等多種技術。現實中，可視化技術已經得到廣泛應用，如船舶駕駛員和航空駕駛員，通過仿真模擬的器具，對器具上的操縱工具進行相應操作，能夠模擬出真實的航行場景和駕駛位變化。電腦運用傳感器對有關的數據進行采集，對不同風力、風向、水流、海浪的情況進行判斷，通過專業的流體力學程序對作用在航行器之上的力進行計算，從而確定航行器將要確定的位置，通過電腦屏幕快速給予呈現。近年來，可視化技術的應用范圍領域越來越廣泛，涉及到運動體育、醫療手術、數學研究、氣象觀察、空氣動力技術以及流體力學等多個領域，目前正由后期數據處理向實時的信息交互控制與跟蹤轉變。

但是，可視化技術應用于賽艇運動還比較鮮見。賽艇運動是一種體能型運動，對運動員進行體能訓練非常重要，同時技術訓練也非常關鍵，甚至成為決定成績的關鍵性因素。當前，我國在賽艇運動方面，對于運動員的體能訓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，其中的關鍵就是技術技能方面的不足。

本文在實踐研究的基礎上，探討了賽艇可視化多功能智能測試訓練系統的相關技術。這一系統將液壓技術作為阻力源，可科學仿真地模擬出賽艇槳葉劃動時產生的阻力。對運動員運動時各項力學技術指標進行測試，并運用計算機采集相關數據，通過特定計算機軟件對賽艇運動情況進行模擬，從而形成了賽艇可視化多功能智能測試訓練系統。這一系統既能夠用于賽艇運動的力量訓練，也能夠從生物力學的視角對技術動作進行分析研究，從而對技術動作進行完善與評價，可用于分析評估、數據測試、競賽模擬、日常訓練，是一種智能化、可視化、多功能的系統。本研究旨在通過可視化智能測試系統，提高賽艇運動員的技術水平與應變能力，有效彌補技術訓練方面的不足。

1 可視化

1.1 測功儀

賽艇中的測功儀是賽艇運動員進行訓練的重要器具，其功能主要為訓練、提高并測試賽艇運動員做功的能力，這種器具已在世界上得到廣泛應用。在選拔賽艇運動員時，許多賽隊把做功能力作為重要的指標，也是我國國家賽艇隊選拔運動員的重要指標之一。

目前在賽艇訓練中所使用的測功儀，一般采用直接風輪型，因為這種測功儀利用慣性作阻力源，所以與實戰相比，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，因而不能科學地模擬出實戰中的水中阻力。從技術動作方面來講，該測功儀與實際比賽也存在較大的差別。從技術指標的反映看，該測功儀可計算出槳頻、功率等少數指標，這些指標的產生完全依靠風輪的轉速，因而也無法正確反映攔槳過程中力學數據的變化。近年來，國外對該種測功儀進行了廣泛深入地研究探討，有的對其功能和使用情況進行了分析，有的從運動員體能消耗的角度對測功儀與實戰情況進行了對比分析。總體來看，這些研究大部分都著眼于生理生化，分析研究了實戰中體能消耗功率與測功儀體能消耗功率之間的關系，而且這種分析已經非常精確，普遍認為賽艇測功儀在體能訓練與體能測試方面發揮了重要作用。但是，對于運動員技術動作的研究分析還不多。

當前，賽艇測功儀較為先進的是德國開發生產的沃夫液壓測功儀。這種測功儀可以對賽艇運動的動作進行較好地模擬，還可以通過圖形呈現相關的運動技術參數。但是其價格不菲，而且操作系統較為復雜，沒有對測試結果進行的分析，所以對我國運動員來說不很適用。山東省水上運動管理中心研制出一種新型的模擬系統，可以用以進行體能訓練、模擬比賽、數據測試與分析評估等，是智能化、可視化的訓練系統。尤其是其可以對水流阻力的特性、運動員的技術動作進行模擬，被普遍認為達到了國際先進的水平。

1.2 可視化訓練

美國宇航局在研究虛擬風尚項目時誕生了可視化技術，研究人員利用數據手套，對流場中物理模型位置等參數進行改變，運用電腦對流場信息變化進行計算，同時在屏幕上得以呈現。計算機是可視化技術賴以實現與發展的基礎，它對計算的過程、計算的結果等數據進行轉換，通過圖形或圖像的形式進行呈現，而且可以開展信息的交互處理，是發現并理解計算過程與現象的科學有效的手段。

計算過程的可視化主要體現在三個方面。一是對計算或者測量得出的數據脫機進行處理，通過圖像的形式將數據再現。之前，大多數科學計算限于這種方式。二是對計算過程進行顯示并實現實時的跟蹤。當前，氣象學研究、有限元分析研究和流體力學技術研究正在向這個方向發展。三是對科學計算的數據進行交互處理和實時顯示。利用這一技術，既可以對科學計算過程進行實時的顯示，還能夠對邊界條件和其他方面的參數進行交互式改變，用以引導干預計算過程，這也是可視化技術發展要達到的目標?？梢暬夹g以其數據處理、圖像分析的獨特優勢，在體育訓練中已得到普遍的應用。

在現實中，因為賽艇運動是一種突變式、耗散式的過程，對于高水平的運動員進行比賽意識層次的訓練，經常因為條件的突變而導致重復模擬的不可能性，這種水平的訓練僅依賴于臨場狀態訓練和實戰探索。但是，我國的賽艇運動員因為各方面因素，參與高水平競賽的機會不是很多，這就使其競賽的意識、技巧、技能得不到很好的訓練培養機會，這也是我國賽艇運動員達到一定水平后很難進一步提高的重要原因。若將可視化技術應用于訓練中，為運動員創設不同強度、不同水平、不同場景的仿真環境，可使運動員身心投入到模擬的現實競賽場景中，以形象生動的方式進行定量定性的訓練。而且，在多種傳感器的作用下，能夠對各種技術動作的合理性、科學性進行判斷與分析，將會極大地提高運動員的訓練效率。

2 系統組成

該系統的主要組成部分可對賽艇技術動作進行仿真化模擬的測試臺架、可對賽艇運動時水流阻力進行模擬的液壓系統、可實時采集數據、處理信息、呈現圖像式分析結果的計算機系統。座式臺架之上有賽艇槳柄以及活動式滑凳，其形式、規格與現實中的賽艇完全一致，可達到對賽艇用力方式、運動方式的真實性模擬?；手掠谢?，滑軌安裝于臺架中間位置，在滑軌之上滑凳可以實現前后移動。為模擬單槳訓練情景，滑軌可拆卸，根據需要安裝于左側或右側。

在該系統中，液壓系統是最為關鍵的組成部分。液壓系統的部件有液壓管道、節流閥、單向閥和液壓油缸。當運動員想要改變運動負荷時，可調節節流閥來實現。運動阻力值與回路中液壓油流速二次方成正比例，即與運動員劃速成正比例，從而實現了訓練與實踐劃槳阻力的一致。

處理系統與數據采集系統有以下幾種部件：數據采集板、信號放大器、打印機、顯示器、計算機、角度與測力傳感器。

3 主要功能

該系統利用多個傳感器，通過計算機對數據信息進行采集和處理，以圖形圖像方式進行直觀呈現，創設出模擬仿真的訓練場景，運動員可以據此進行定量定性訓練，也能夠對技術動作進行分析判斷，從而極大地提高訓練效率。

3.1 測試功能

該系統依照生物力學對最佳的用力標準與最佳劃槳角度進行定義，在起航、劃行和沖刺過程中，可將有關數據顯示于顯示屏上，以便于運動員在訓練時參考。運動員可自由選擇最大力矩、測試時間和標準用力曲線。

3.2 競賽功能

該系統可以對賽艇競賽過程進行模擬，可根據需要制定體力分配方案，也可進行戰術訓練。比賽程序的設置有雙人比賽和單人比賽兩種模式。雙人比賽模式可調入存盤數據，該數據可為運動員原有競賽的數據，也可以是國際國內重大比賽的真實數據，這有利于增強運動員訓練的動機。這兩種方式供自由選擇，競賽的距離也可自由設置，競賽訓練完畢系統對競賽數據自動存盤。

在競賽訓練中，系統可實現對真實競賽場景的完全模擬，如前10秒鐘倒計時，可由系統進行模擬發令，亦可對搶航等特殊情況進行識別。在計算機顯示屏上，呈現出仿真的競賽場地，由此運動員可直觀判斷自己在賽程中所處的位置、其他選手的位置、與其他運動員之間的距離等。屏幕上同時顯示運動員所處的局部場地，運動員賽艇前后50米范圍的場景可一覽無余。

為使系統呈現的場景更加真實，系統運用了分形繪圖技術，可以隨機產生背景色彩與形態，使競賽訓練充滿趣味。運動員每劃出一槳，屏幕都會顯示劃槳運動功率、賽艇運動的速度、每槳前進的距離以及用時情況。

3.3 訓練功能

該系統有著強大的陸上訓練功能，對訓練的平均力矩、訓練時長、最大速度、最大功率、最大力矩都可以進行自主設置。訓練時，運動員也可根據訓練需要通過調節節流閥來設置訓練負荷。平均力矩即訓練時每一槳平均要達到的力矩值。運動員在訓練時可在系統屏幕上直觀觀測到自己訓練過程中的平均力矩，從而適當調整訓練負荷。

3.4 評估功能

系統可以對測試的結果數據進行分析評估。評估過程中，每30秒鐘采集一次記錄數據，運動員據此可觀測到自己每一槳的詳細情況，如需要也可打印測試曲線圖。此外，系統還可以對技術動作進行分析與評估。如標準測試以6分鐘為一個單位，可呈現12槳圖形，可測出每一時間段的平均功率、每槳功率、最大力矩、入水角、出水角、最大力矩的對應角度、曲線面積的形心所對應的角度與力矩與最大最小值、平均值、標準差等。這些數據的值可全面科學地反映運動員的技術動作的合理性與科學性。

4 結 語

賽艇可視化多功能智能測試訓練系統的研究，有效地把賽艇運動訓練的訓練、測試和研究結合在一起，對于賽艇陸上訓練是一種良好的現代化裝置，它可以全面科學地測試運動員在各種訓練中的運動數據，并對數據進行分析。其不僅是一種測試裝置，也是一種診斷裝置，還是一種賽艇運動的專業研究工具。在現階段，該系統還處于可視化技術發展的第二階段，尚不能實現交互性處理，然而卻是下一步交互性處理的基礎，這就為根據不同水流、風力及槳葉情況下的訓練奠定了堅實的基礎。

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

[ 2 ]王廣磊，宋旭，劉揚，等.賽艇訓練中常見技術問題的運動生物力學研究：以安徽省賽艇公開級隊員為例[ J ].安徽體育科技，2016（5）.

[ 3 ]李鑫彤.賽艇運動體能訓練的再認識[ J ].當代體育科技，2013（36）.

[ 4 ]王尚強.國內外力量訓練研究的可視化分析[ D ].聊城：聊城大學，2015.

G861

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1674-151X（2017）05-067-02

投稿日期：2017-04-10

韓小燕（1986～），中級，本科。研究方向：從事運動訓練研究。