朱禮金

(菏澤學(xué)院體育系，山東菏澤 274015)

體育系統(tǒng)仿真理論與應(yīng)用研究

朱禮金

(菏澤學(xué)院體育系，山東菏澤 274015)

體育系統(tǒng)仿真作為一項應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但作為一門交叉學(xué)科進(jìn)行研究僅處于起步階段。通過對體育系統(tǒng)仿真的定義、基本特征、研究方法與步驟以及現(xiàn)階段的應(yīng)用情況幾個方面進(jìn)行分析、討論，試圖探索其內(nèi)在規(guī)律，為體育系統(tǒng)仿真學(xué)科體系的構(gòu)建提供參考。

系統(tǒng)科學(xué);系統(tǒng)仿真;體育系統(tǒng)仿真;體育科研方法

體育運(yùn)動經(jīng)歷了漫長的自然發(fā)展階段、大運(yùn)動量高強(qiáng)度的成長階段、科學(xué)訓(xùn)練探索階段，目前，已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代體育，歷史也賦予它更多的使命和內(nèi)涵。與之相適應(yīng)，體育科學(xué)研究方法一刻也沒有停止發(fā)展的腳步，以空前的速度和強(qiáng)大的親和力與數(shù)學(xué)、生理、心理、社會和計算機(jī)等學(xué)科相互交叉融合，尤其20世紀(jì)70年代末，系統(tǒng)科學(xué)的建立和成熟使得體育科研的發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段。人們開始自覺地運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的方法解決體育領(lǐng)域的問題。近幾十年來，系統(tǒng)仿真學(xué)作為一門新興的高新技術(shù)，被國內(nèi)外專家一致認(rèn)為是目前解決復(fù)雜巨系統(tǒng)的最有效的綜合集成法。毋庸置疑，系統(tǒng)仿真在體育領(lǐng)域的應(yīng)用，將產(chǎn)生積極的影響并將發(fā)揮重大作用。

1 體育系統(tǒng)仿真的定義

體育系統(tǒng)仿真是體育系統(tǒng)工程科學(xué)體系中的一種重要技術(shù)學(xué)科。它是為了解決體育領(lǐng)域中的復(fù)雜性問題而提出來的。是通過計算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)和模擬體育教師的教學(xué)經(jīng)驗、教練員的訓(xùn)練意圖、管理者的組織方案和運(yùn)動員的訓(xùn)練過程，從而達(dá)到對體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測、組織、評價的一種實驗技術(shù)科學(xué)，其主要觀點(diǎn)是利用定性、定量相結(jié)合的辦法，建立以人為主的人—機(jī)系統(tǒng)來輔助決策者更好地決策，執(zhí)行者更有效地行動［1］。

2 體育系統(tǒng)仿真的基本特征

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

2.1 實踐經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性是體育系統(tǒng)仿真的一個最為突出的特點(diǎn)。在研究中它相對于傳統(tǒng)實驗方法，具有無可比擬的優(yōu)越性。該技術(shù)使傳統(tǒng)的實驗方法從物理手段過渡到數(shù)字手段，不僅僅提高了效率，更重要的是節(jié)約了大量的科研經(jīng)費(fèi)。另外，系統(tǒng)仿真能卓有成效地解決體育運(yùn)動現(xiàn)實發(fā)展中所提出的、已經(jīng)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(wù)。這種實踐是通過人機(jī)對話，并在計算機(jī)上進(jìn)行虛擬現(xiàn)實的方式進(jìn)行的，因而它又具有經(jīng)濟(jì)實用、安全可靠、靈活多變、可多次重復(fù)使用等特點(diǎn)。

2.2 不受時空的限制性

這是體育系統(tǒng)仿真的另一個重要特點(diǎn)。由于體育系統(tǒng)仿真既可以根據(jù)現(xiàn)有的實體構(gòu)造仿真對象，也可以根據(jù)不存在的構(gòu)想的實體構(gòu)造仿真對象。并且仿真對象既可以等時運(yùn)行，也可以欠時或者超時運(yùn)行。這一超時空的特點(diǎn)，給體育系統(tǒng)仿真帶來了許多其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

2.3 研究對象的復(fù)雜性

體育系統(tǒng)仿真研究的對象大都不是某個單獨(dú)的自然現(xiàn)象與社會現(xiàn)象，而是一個簡單環(huán)境的簡單巨系統(tǒng)或是簡單環(huán)境的復(fù)雜巨系統(tǒng)，其中還包括系統(tǒng)的運(yùn)行、宏觀管理和決策等一系列的復(fù)雜問題，由此也決定了研究任務(wù)與研究手段的復(fù)雜性。

2.4 學(xué)科高度交叉融合性

體育系統(tǒng)仿真是利用系統(tǒng)分析方法，對體育系統(tǒng)的問題進(jìn)行分析，綜合利用數(shù)學(xué)、圖論、灰色理論、運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論等相關(guān)知識建立仿真模型，再利用計算機(jī)技術(shù)，結(jié)合圖形學(xué)、影視學(xué)、心理學(xué)在計算機(jī)上進(jìn)行實時、超實時、欠實時的模擬演示，最后，再由領(lǐng)域?qū)＜以u價、規(guī)劃、決策。這是一個典型的多學(xué)科交叉、多因素分析、超時空綜合集成的學(xué)科，它真正代表了解決體育復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究方向［2］。

3 體育系統(tǒng)仿真研究的步驟與方法

體育系統(tǒng)仿真研究包括體育系統(tǒng)建模、仿真試驗和模型的評估三大部分，其中，體育系統(tǒng)建模包括數(shù)學(xué)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(tǒng)仿真研究的一般步驟

3.1 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)分析是整個系統(tǒng)仿真研究的開端。問題一般由系統(tǒng)高層決策者提出，所提問題要清楚，描述要準(zhǔn)確。必要時應(yīng)當(dāng)起草計劃書、開發(fā)需求報告以及VV＆A計劃草案等文檔。

3.2 建立數(shù)學(xué)模型

首先，通過系統(tǒng)分析，明確系統(tǒng)的構(gòu)成、邊界、環(huán)境和約束條件，根據(jù)問題確定系統(tǒng)的目標(biāo)，以及目標(biāo)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。同時對解決問題的途徑，可能的花費(fèi)、預(yù)期的效益進(jìn)行分析，抽象系統(tǒng)的概念模型，驗證概念模型，形成系統(tǒng)的分析報告。其次，根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果，按照分析報告，確定系統(tǒng)中的變量，依據(jù)變量之間的相互關(guān)系以及約束條件，用數(shù)學(xué)形式描述出來，并確定其中的參數(shù)，即構(gòu)造出了數(shù)學(xué)模型。針對不同的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，對簡單系統(tǒng)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(fù)雜程度，模型過于簡單，無法完整地反映真實系統(tǒng)的特征，過于復(fù)雜又會降低仿真效率，因此，要反復(fù)地進(jìn)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(jī)上實現(xiàn)并運(yùn)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(jī)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(tǒng)開發(fā)工具，就應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)采用描述性好、集成功能強(qiáng)、開發(fā)效率高的通用語言，最好采用可視化面向?qū)ο蟮募砷_發(fā)環(huán)境，比如，Visual C++Visual Basic等。然后，根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)的仿真模型，包括確定仿真模型模塊結(jié)構(gòu)，確定各個模塊的輸入輸出接口，確定模型和數(shù)據(jù)的存儲方式。

3.4 編寫計算機(jī)程序、確認(rèn)軟件系統(tǒng)

現(xiàn)在由于仿真開發(fā)系統(tǒng)功能十分強(qiáng)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(fā)工具，只有從底層做起。當(dāng)計算機(jī)程序編寫完成后，必須經(jīng)過模型的驗證、模型的確認(rèn)工作，以確定所需的功能是否正確實現(xiàn)，這也就是軟件系統(tǒng)功能的校核，是對軟件系統(tǒng)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(yùn)行實驗

仿真運(yùn)行實驗就是將系統(tǒng)的仿真模型放在計算機(jī)執(zhí)行模擬真實系統(tǒng)的運(yùn)行情況。通過仿真模型的運(yùn)行了解模型對各種不同輸入數(shù)據(jù)及各種不同的仿真機(jī)制輸出的響應(yīng)情況，獲得所需的實驗數(shù)據(jù)，從而預(yù)測系統(tǒng)的實際運(yùn)行規(guī)律。模型的仿真運(yùn)行是一個動態(tài)交互的過程，需要進(jìn)行反復(fù)的運(yùn)行實驗。由于計算機(jī)的運(yùn)算是高速度進(jìn)行的，并且在整個反復(fù)運(yùn)行的過程中也不再需要過多的投入，這充分體現(xiàn)了系統(tǒng)仿真的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

3.6 仿真結(jié)果分析處理

仿真實驗結(jié)果分析的目的是為了研究真實系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和更好地為決策提供輔助支持。對仿真實驗中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果進(jìn)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(tǒng)的目標(biāo)要求，同時，為優(yōu)化系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)和信息。

將仿真結(jié)果分析整理成詳細(xì)報告，向決策者提供有關(guān)系統(tǒng)實際功能、性能、行為結(jié)果等數(shù)據(jù)，為決策者提供輔助支持，也為系統(tǒng)驗收提供參考。

4 體育系統(tǒng)仿真的應(yīng)用

體育系統(tǒng)仿真應(yīng)用可以從橫向和縱向兩個不同維度分析。

圖2 體育系統(tǒng)仿真應(yīng)用(橫向)

4.1 橫向應(yīng)用的廣泛性(如圖2)

4.1.1 運(yùn)動訓(xùn)練

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

4.1.2 健身娛樂

運(yùn)用基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體育系統(tǒng)仿真開發(fā)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(yùn)動有很大的促進(jìn)作用。具有代表性的有林柏偉等人開發(fā)的PCCAVESMASH系統(tǒng)，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(huán)境內(nèi)進(jìn)行逼真的乒乓球賽［3］。北京仿真中心、浙江大學(xué)等國內(nèi)科研所開發(fā)了幾個基于VR的健身器系統(tǒng)，如VR趣味健身車，保齡球游藝健身機(jī)等。

4.1.3 體育教育

體育教學(xué)仿真能將各種可以模擬的實物或情境呈現(xiàn)在計算機(jī)屏幕上，讓學(xué)習(xí)者進(jìn)入模擬情境進(jìn)行學(xué)習(xí)，并且應(yīng)用計算機(jī)科技分析學(xué)習(xí)者的動作，給予適當(dāng)?shù)幕仞?，配合特殊的仿真器材，仿真教?計算機(jī)課件)進(jìn)行。目前仿真體育教學(xué)一般分為3種。1)實體仿真:指在非現(xiàn)實的時空，呈現(xiàn)出某種人為或自然的客觀現(xiàn)象。如:運(yùn)動生理學(xué)、人體解剖學(xué)。2)現(xiàn)象模擬:以實現(xiàn)研究方式進(jìn)行模擬。如:運(yùn)動員機(jī)能的運(yùn)動訓(xùn)練技術(shù)專項化和動作熟練化，及表現(xiàn)出的機(jī)體生理生化指標(biāo)變化等現(xiàn)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(xué)。

4.1.4 人體生物信息檢測與計算機(jī)可視化

根據(jù)運(yùn)動項目的不同，可以通過各種傳感器和智能化儀器對運(yùn)動員的人體生物信息進(jìn)行采集、處理，建立運(yùn)動項目中關(guān)鍵技術(shù)動作的運(yùn)動生物力學(xué)模型，再利用計算機(jī)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)將結(jié)果實時或亞實時地以三維動畫的形式輸出，即數(shù)據(jù)計算的可視化表現(xiàn)。如李祥晨等設(shè)計的人體重心平衡能力測量分析與虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)就是此類應(yīng)用。

4.1.5 運(yùn)動器械設(shè)計

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

4.1.6 組織管理

體育系統(tǒng)仿真充分利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)、多媒體技術(shù)等優(yōu)勢，為教練員和組織管理者提供了逼真的交互手段，達(dá)到了高效地輔助決策和執(zhí)行目的。如紀(jì)慶革等研制的團(tuán)體操虛擬編排和演練原型系統(tǒng)。由于參加大型團(tuán)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(yè)演員，對這些人的培訓(xùn)往往會花費(fèi)很大的力氣，該系統(tǒng)的應(yīng)用則會大大提高效率。

4.1.7 康復(fù)治療

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

4.2 縱向應(yīng)用的一體化

體育系統(tǒng)仿真的縱向應(yīng)用主要包括運(yùn)動選材、訓(xùn)練目標(biāo)、運(yùn)動診斷、組織訓(xùn)練、運(yùn)動檢測以及用于運(yùn)動結(jié)果反饋再加工的訓(xùn)練控制等幾個過程。這幾個過程相輔相成，構(gòu)成一個統(tǒng)一體，共同完成運(yùn)動成績提高的目標(biāo)(如圖3)。

圖3 體育系統(tǒng)仿真應(yīng)用(縱向)

運(yùn)動員選材過程中，運(yùn)用體育系統(tǒng)仿真構(gòu)建優(yōu)秀運(yùn)動員模型、評估符合條件的運(yùn)動員的運(yùn)動能力，并預(yù)演其成長經(jīng)歷。另外，通過采集運(yùn)動員與競爭對手的訓(xùn)練信息數(shù)據(jù)，結(jié)合運(yùn)動項目規(guī)律設(shè)計模擬方案，運(yùn)用數(shù)字化虛擬人技術(shù)規(guī)劃該運(yùn)動員的階段與長期的訓(xùn)練目標(biāo)，并進(jìn)行虛擬演練和分析，驗證訓(xùn)練目標(biāo)的可行性，對制定訓(xùn)練目標(biāo)的準(zhǔn)確性有重要意義。在組織訓(xùn)練過程中運(yùn)用體育系統(tǒng)仿真技術(shù)可以構(gòu)建虛擬人和虛擬訓(xùn)練場景，根據(jù)項目要求設(shè)計虛擬訓(xùn)練器械，訓(xùn)練負(fù)荷的分析，管理訓(xùn)練計劃安排，預(yù)演組織過程防止突發(fā)事件的發(fā)生等。對于訓(xùn)練效果可以運(yùn)用基于虛擬現(xiàn)實的體育系統(tǒng)仿真進(jìn)行運(yùn)動檢測，如通過運(yùn)動捕獲技術(shù)采集訓(xùn)練數(shù)據(jù)，運(yùn)用計算機(jī)數(shù)據(jù)的可視化表現(xiàn)，圖示化訓(xùn)練效果，針對存在的不足，運(yùn)用體育系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)行編輯動作、優(yōu)化訓(xùn)練安排、構(gòu)建現(xiàn)階段的虛擬運(yùn)動員，并通過調(diào)整各訓(xùn)練因素和心理訓(xùn)練等措施進(jìn)行訓(xùn)練控制，根據(jù)反饋信息重新規(guī)劃下一個訓(xùn)練目標(biāo)，如此循環(huán)，最終完成訓(xùn)練任務(wù)。

5 結(jié)論

5.1 體育系統(tǒng)仿真是通過計算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)和模擬體育教師的教學(xué)經(jīng)驗、教練員的訓(xùn)練意圖、管理者的組織方案和運(yùn)動員的訓(xùn)練過程，從而達(dá)到對體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測、組織、評價的一種實驗技術(shù)科學(xué)，其主要有經(jīng)濟(jì)性、不受時空限制性、研究對象的復(fù)雜性和學(xué)科高度交叉融合性等基本特征。

5.2 體育系統(tǒng)仿真研究的一般步驟包括系統(tǒng)描述、建立數(shù)學(xué)模型、建立仿真模型、編寫計算機(jī)程序、確認(rèn)軟件系統(tǒng)、仿真運(yùn)行實驗和仿真結(jié)果分析處理。

5.3 體育系統(tǒng)仿真應(yīng)用可以從橫向和縱向兩個不同維度分析，橫向應(yīng)用主要表現(xiàn)在運(yùn)動訓(xùn)練、健身娛樂、體育教育、人體生物信息檢測與計算機(jī)可視化、運(yùn)動器械設(shè)計、組織管理和康復(fù)治療等方面;縱向應(yīng)用主要表現(xiàn)在運(yùn)動選材、訓(xùn)練目標(biāo)、運(yùn)動診斷、組織訓(xùn)練、運(yùn)動檢測以及用于運(yùn)動結(jié)果反饋再加工的訓(xùn)練控制等方面。

［1］李祥晨，孫晉海.體育系統(tǒng)仿真［M］.北京:人民體育出版社，2001.

［2］解毅飛，龍錦.關(guān)于創(chuàng)建體育系統(tǒng)仿真學(xué)科理論體系的構(gòu)想［J］.廣州體育學(xué)院學(xué)報，2002，(3).

［3］徐蘭君，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在排球教學(xué)中的應(yīng)用展望［J］.通化師范學(xué)院學(xué)報，2008，(4).

［4］馬勇.我國水上運(yùn)動器材流體動力性能研究進(jìn)展［J］.體育學(xué)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(xùn)練學(xué)，體育系統(tǒng)仿真。