体育系统仿真理论与应用研究

朱礼金

(菏泽学院体育系，山东菏泽 274015)

体育系统仿真理论与应用研究

朱礼金

(菏泽学院体育系，山东菏泽 274015)

体育系统仿真作为一项应用技术已经得到广泛应用，但作为一门交叉学科进行研究仅处于起步阶段。通过对体育系统仿真的定义、基本特征、研究方法与步骤以及现阶段的应用情况几个方面进行分析、讨论，试图探索其内在规律，为体育系统仿真学科体系的构建提供参考。

系统科学;系统仿真;体育系统仿真;体育科研方法

体育运动经历了漫长的自然发展阶段、大运动量高强度的成长阶段、科学训练探索阶段，目前，已经发展成为现代体育，历史也赋予它更多的使命和内涵。与之相适应，体育科学研究方法一刻也没有停止发展的脚步，以空前的速度和强大的亲和力与数学、生理、心理、社会和计算机等学科相互交叉融合，尤其20世纪70年代末，系统科学的建立和成熟使得体育科研的发展进入了一个新的阶段。人们开始自觉地运用系统科学的方法解决体育领域的问题。近几十年来，系统仿真学作为一门新兴的高新技术，被国内外专家一致认为是目前解决复杂巨系统的最有效的综合集成法。毋庸置疑，系统仿真在体育领域的应用，将产生积极的影响并将发挥重大作用。

1 体育系统仿真的定义

体育系统仿真是体育系统工程科学体系中的一种重要技术学科。它是为了解决体育领域中的复杂性问题而提出来的。是通过计算机模拟技术再现和模拟体育教师的教学经验、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、组织、评价的一种实验技术科学，其主要观点是利用定性、定量相结合的办法，建立以人为主的人—机系统来辅助决策者更好地决策，执行者更有效地行动［1］。

2 体育系统仿真的基本特征

我们之所以把体育系统仿真作为一门独立的学科研究，是因为它与其他的学科存在着许多不同之处，在处理体育复杂性问题上具有许多其他学科不能替代的优势。

2.1 实践经济性

经济性是体育系统仿真的一个最为突出的特点。在研究中它相对于传统实验方法，具有无可比拟的优越性。该技术使传统的实验方法从物理手段过渡到数字手段，不仅仅提高了效率，更重要的是节约了大量的科研经费。另外，系统仿真能卓有成效地解决体育运动现实发展中所提出的、已经或可能面临的综合性问题，并为决策者提供方案选择和决策性建议服务。这种实践是通过人机对话，并在计算机上进行虚拟现实的方式进行的，因而它又具有经济实用、安全可靠、灵活多变、可多次重复使用等特点。

2.2 不受时空的限制性

这是体育系统仿真的另一个重要特点。由于体育系统仿真既可以根据现有的实体构造仿真对象，也可以根据不存在的构想的实体构造仿真对象。并且仿真对象既可以等时运行，也可以欠时或者超时运行。这一超时空的特点，给体育系统仿真带来了许多其他技术不可比拟的优势。

2.3 研究对象的复杂性

体育系统仿真研究的对象大都不是某个单独的自然现象与社会现象，而是一个简单环境的简单巨系统或是简单环境的复杂巨系统，其中还包括系统的运行、宏观管理和决策等一系列的复杂问题，由此也决定了研究任务与研究手段的复杂性。

2.4 学科高度交叉融合性

体育系统仿真是利用系统分析方法，对体育系统的问题进行分析，综合利用数学、图论、灰色理论、运筹学、控制论、信息论等相关知识建立仿真模型，再利用计算机技术，结合图形学、影视学、心理学在计算机上进行实时、超实时、欠实时的模拟演示，最后，再由领域专家评价、规划、决策。这是一个典型的多学科交叉、多因素分析、超时空综合集成的学科，它真正代表了解决体育复杂巨系统的研究方向［2］。

3 体育系统仿真研究的步骤与方法

体育系统仿真研究包括体育系统建模、仿真试验和模型的评估三大部分，其中，体育系统建模包括数学模型和仿真模型。主要研究过程可以通过以下几个步骤完成(如图1)。

图1 体育系统仿真研究的一般步骤

3.1 系统描述

系统分析是整个系统仿真研究的开端。问题一般由系统高层决策者提出，所提问题要清楚，描述要准确。必要时应当起草计划书、开发需求报告以及VV＆A计划草案等文档。

3.2 建立数学模型

首先，通过系统分析，明确系统的构成、边界、环境和约束条件，根据问题确定系统的目标，以及目标的衡量标准。同时对解决问题的途径，可能的花费、预期的效益进行分析，抽象系统的概念模型，验证概念模型，形成系统的分析报告。其次，根据系统分析结果，按照分析报告，确定系统中的变量，依据变量之间的相互关系以及约束条件，用数学形式描述出来，并确定其中的参数，即构造出了数学模型。针对不同的系统建立数学模型，对简单系统一般采用微分方程或偏微分方程建模。在此要注意模型的复杂程度，模型过于简单，无法完整地反映真实系统的特征，过于复杂又会降低仿真效率，因此，要反复地进行模型的校核、验证使得模型能够满足仿真需求。

3.3 建立仿真模型

仿真模型是指能够在计算机上实现并运行的模型。在建立仿真模型之前，首先来考虑仿真所用到的计算机语言和工具。如果有符合仿真要求的专用仿真语言或者仿真系统开发工具，就应当首选这些专用语言或工具，原因是专用语言和工具可以大大提高工作效率，并且可以减少错误。否则，应当采用描述性好、集成功能强、开发效率高的通用语言，最好采用可视化面向对象的集成开发环境，比如，Visual C++Visual Basic等。然后，根据系统的数学模型建立系统的仿真模型，包括确定仿真模型模块结构，确定各个模块的输入输出接口，确定模型和数据的存储方式。

3.4 编写计算机程序、确认软件系统

现在由于仿真开发系统功能十分强大，有时并不需要编程或仅需少量的编程工作，但是如果没有选择专用的仿真开发工具，只有从底层做起。当计算机程序编写完成后，必须经过模型的验证、模型的确认工作，以确定所需的功能是否正确实现，这也就是软件系统功能的校核，是对软件系统的集成测试，在检验完成以后要形成验收与验证报告。

3.5 仿真运行实验

仿真运行实验就是将系统的仿真模型放在计算机执行模拟真实系统的运行情况。通过仿真模型的运行了解模型对各种不同输入数据及各种不同的仿真机制输出的响应情况，获得所需的实验数据，从而预测系统的实际运行规律。模型的仿真运行是一个动态交互的过程，需要进行反复的运行实验。由于计算机的运算是高速度进行的，并且在整个反复运行的过程中也不再需要过多的投入，这充分体现了系统仿真的经济优势。

3.6 仿真结果分析处理

仿真实验结果分析的目的是为了研究真实系统的运行规律和更好地为决策提供辅助支持。对仿真实验中所产生的数据和实验结果进行综合分析，确定仿真实验中得到的信息是否合理和充分，是否满足系统的目标要求，同时，为优化系统提供必要的数据和信息。

将仿真结果分析整理成详细报告，向决策者提供有关系统实际功能、性能、行为结果等数据，为决策者提供辅助支持，也为系统验收提供参考。

4 体育系统仿真的应用

体育系统仿真应用可以从横向和纵向两个不同维度分析。

图2 体育系统仿真应用(横向)

4.1 横向应用的广泛性(如图2)

4.1.1 运动训练

在竞技运动训练中运用体育系统仿真可以构建体育训练场景和器材，如自行车运动训练往往受到风、雨、雾等自然条件的影响。虚拟自行车训练模拟器可以通过计算机仿真技术构造出逼真的训练比赛的场景和天气变化，用6个自由度的(6DOF)运动平台动态模拟真实路况的颠簸、上下坡等动作。由此，使得运动员可以从模拟训练器上进入一个虚拟的训练和比赛世界。另外，体育系统仿真还可以进行技术动作的编排及重现，如王兆其等研制的Digital 3D Trampoline Simulating Sys-tem。

4.1.2 健身娱乐

运用基于虚拟现实技术的体育系统仿真开发出了许多集健身和娱乐于一体的健身器材，对我国的全民健身运动有很大的促进作用。具有代表性的有林柏伟等人开发的PCCAVESMASH系统，通过CAVE的大视野立体显示以及自然的交互方式(跟踪器放在球拍上)，用户就能在CAVE环境内进行逼真的乒乓球赛［3］。北京仿真中心、浙江大学等国内科研所开发了几个基于VR的健身器系统，如VR趣味健身车，保龄球游艺健身机等。

4.1.3 体育教育

体育教学仿真能将各种可以模拟的实物或情境呈现在计算机屏幕上，让学习者进入模拟情境进行学习，并且应用计算机科技分析学习者的动作，给予适当的回馈，配合特殊的仿真器材，仿真教材(计算机课件)进行。目前仿真体育教学一般分为3种。1)实体仿真:指在非现实的时空，呈现出某种人为或自然的客观现象。如:运动生理学、人体解剖学。2)现象模拟:以实现研究方式进行模拟。如:运动员机能的运动训练技术专项化和动作熟练化，及表现出的机体生理生化指标变化等现象。3)程序仿真:可以仿真特定的时空因子，建立自然真实的情境。如:体操空翻动作，田径项目等仿真教学。

4.1.4 人体生物信息检测与计算机可视化

根据运动项目的不同，可以通过各种传感器和智能化仪器对运动员的人体生物信息进行采集、处理，建立运动项目中关键技术动作的运动生物力学模型，再利用计算机技术、图形图像技术将结果实时或亚实时地以三维动画的形式输出，即数据计算的可视化表现。如李祥晨等设计的人体重心平衡能力测量分析与虚拟训练系统就是此类应用。

4.1.5 运动器械设计

在体育运动训练和器械设计中运用体育系统仿真技术，使得传统的实验方法从物理手段过渡到数字手段，不仅提高了效率，更重要的是节约了大量的科研经费。比如，帆板运动项目中训练人在船(板)上的技术动作时，如果利用系统仿真中的流体力学数值仿真技术(CFD)［4］，建立数学模型逼近物理空间，就很容易通过计算实现传统试验的目的，从而避免了采用风洞试验和水槽试验等传统手段时无法考虑运动员的因素的问题。

4.1.6 组织管理

体育系统仿真充分利用现代计算机技术、图形学、多媒体技术等优势，为教练员和组织管理者提供了逼真的交互手段，达到了高效地辅助决策和执行目的。如纪庆革等研制的团体操虚拟编排和演练原型系统。由于参加大型团体操的人员动辄成千上万人，并且参加的演员大都是非专业演员，对这些人的培训往往会花费很大的力气，该系统的应用则会大大提高效率。

4.1.7 康复治疗

运用体育系统仿真情境模拟功能，可以在非现实的时空背景下，探究人际之间的互动模式，为心理训练提供支持，可用来治疗心理疾病。

4.2 纵向应用的一体化

体育系统仿真的纵向应用主要包括运动选材、训练目标、运动诊断、组织训练、运动检测以及用于运动结果反馈再加工的训练控制等几个过程。这几个过程相辅相成，构成一个统一体，共同完成运动成绩提高的目标(如图3)。

图3 体育系统仿真应用(纵向)

运动员选材过程中，运用体育系统仿真构建优秀运动员模型、评估符合条件的运动员的运动能力，并预演其成长经历。另外，通过采集运动员与竞争对手的训练信息数据，结合运动项目规律设计模拟方案，运用数字化虚拟人技术规划该运动员的阶段与长期的训练目标，并进行虚拟演练和分析，验证训练目标的可行性，对制定训练目标的准确性有重要意义。在组织训练过程中运用体育系统仿真技术可以构建虚拟人和虚拟训练场景，根据项目要求设计虚拟训练器械，训练负荷的分析，管理训练计划安排，预演组织过程防止突发事件的发生等。对于训练效果可以运用基于虚拟现实的体育系统仿真进行运动检测，如通过运动捕获技术采集训练数据，运用计算机数据的可视化表现，图示化训练效果，针对存在的不足，运用体育系统仿真技术进行编辑动作、优化训练安排、构建现阶段的虚拟运动员，并通过调整各训练因素和心理训练等措施进行训练控制，根据反馈信息重新规划下一个训练目标，如此循环，最终完成训练任务。

5 结论

5.1 体育系统仿真是通过计算机模拟技术再现和模拟体育教师的教学经验、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、组织、评价的一种实验技术科学，其主要有经济性、不受时空限制性、研究对象的复杂性和学科高度交叉融合性等基本特征。

5.2 体育系统仿真研究的一般步骤包括系统描述、建立数学模型、建立仿真模型、编写计算机程序、确认软件系统、仿真运行实验和仿真结果分析处理。

5.3 体育系统仿真应用可以从横向和纵向两个不同维度分析，横向应用主要表现在运动训练、健身娱乐、体育教育、人体生物信息检测与计算机可视化、运动器械设计、组织管理和康复治疗等方面;纵向应用主要表现在运动选材、训练目标、运动诊断、组织训练、运动检测以及用于运动结果反馈再加工的训练控制等方面。

［1］李祥晨，孙晋海.体育系统仿真［M］.北京:人民体育出版社，2001.

［2］解毅飞，龙锦.关于创建体育系统仿真学科理论体系的构想［J］.广州体育学院学报，2002，(3).

［3］徐兰君，等.虚拟现实技术及其在排球教学中的应用展望［J］.通化师范学院学报，2008，(4).

［4］马勇.我国水上运动器材流体动力性能研究进展［J］.体育学刊，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

朱礼金(1978－ )，男，山东临沂人，讲师，硕士，研究方向体育教育训练学，体育系统仿真。