自动控制理论在体育中的发展态势研究

2011-10-28邓翠翠王朝军

运动 2011年4期

关键词：自动控制体育运动自动

邓翠翠，王朝军

（中国矿业大学体育学院，江苏徐州 221116）

自动控制理论在体育中的发展态势研究

邓翠翠，王朝军

（中国矿业大学体育学院，江苏徐州 221116）

本文通过自动控制理论的发展以及该理论在体育运动训练、赛事管理和体育场馆管理中的应用研究，分析了自动控制理论与体育运动结合的特征以及该理论在体育运动中的发展态势和应用前景。自动控制理论必将与前沿科学技术相结合渗入到体育的各领域，从而提高体育运动技术水平，促进全民健身的发展，为体育运动的发展提供强大的推动力。

自动控制理论；体育；应用；发展态势

随着世界科技向高新领域迈进和体育运动迅猛的发展，自动控制理论作为一门论述自动控制系统共同规律的技术科学，已经渗透到体育运动中的各个领域，它对体育运动技术水平的提高有着不可估量的作用，并已成为体育运动发展的强大推动力。

1 自动控制理论的发展

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使整个生产过程或工作机械自动地按预先规定的状态或性能指标运行，或使它的某些物理量按预先的要求产生变化[1]。自动控制理论是一门包括许多不同学科的技术领域，它与相关学科之间高级复合化，从而有效作用于运动控制系统，实现过程的智能控制，关系图如图1。

自动控制理论自创立至今已经过了三代的发展。第一代为20世纪初开始形成并于50年代趋于成熟的经典反馈控制理论；第二代为20世纪50、60年代在线性代数的数学基础上发展起来的现代控制理论；第三代为20世纪70年代提出，在发展过程中综合了人工智能、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论。随着信息技术的迅速发展，2005年智能控制理论下的新兴网络技术—物联网被正式提出。物联网亦称传感网，是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种智能控制网络[2]。以此，“物联网”与“互联网”整合起来，实现人类社会和物理系统的整合，其服务原理如图2。

2 自动控制理论与体育运动的结合

2.1 自动控制系统在运动训练中的应用

肖毅等在体育科学2009年第4期“基于位移传感器的超等长重量训练系统研究”中，通过在现有的重量训练器材（史密斯训练器）上加装位移传感器，即基于位移传感器的超等长重量训练系统，并研制相应的超等长重量训练数据，实现了训练过程数据的自动采集、传输、处理、存储、显示和综合诊断分析等功能，为科学地测试和评价运动员的训练负荷和强度提供量化的依据，实现了对训练过程的有效自动控制和科学管理[4]。王冬舟在 “现代科学技术对竞技运动的影响与发展取向”中提到，一些先进技术如利用无线遥控技术和计算机技术制成的运动心率遥测系统，用电脑控制对运动的各项参数进行采集和准确量化训练效果的智能化肌肉力量训练系统，用计算机、激光技术制成的激光测速仪等分别用于运动训练中。符文康在“现代运动训练行为与现代科学技术发展”中指出，利用卫星雷达计算机分析反馈系统，能够监测自行车、水上项目比赛和训练过程，并进行技战术诊断与指挥等，从而实现训练过程的智能控制。

上述可见，有些研究与论文在体能训练或个别项目中已有自动控制理论的应用，但都没有深入研究自动控制系统在动态的项目训练和比赛中的控制过程和应用理论，更没有向群分类项目中的研究。总之，关于该理论在运动训练的研究没有形成体系，缺少系统性、科学性研究。

2.2 自动控制系统在赛事管理中的应用

体育赛事管理包括市场营销、竞赛管理、人力资源管理、财务管理和风险管理等具体运作程序与方法。现今我国有专业的赛事管理软件，包含各类参赛者信息、比赛日程管理以及成绩分析管理，比分显示，以及报名表、成绩表的打印，比赛期间的各类显示设备服务，包括LED、LCD等专业的比赛设备。在2008年北京奥运会上，源讯科技提供了两套主要的IT系统，它们分别是Games Management Systems （GMS）赛会管理系统和 Information Diffusion Systems （IDS）信息传播系统。2008年北京奥运会还开发了RFID（射频识别）电子票，能自动识别持票人真实身份、票价、比赛场地、时间、场次、座次等，通过当地售票或远程售票确定门票的上述信息。

随着科技的进步，在体育赛事管理系统中每个管理模块都有自动控制理论的应用，通过自动控制装置实现信息收集、计算机软件处理分析和互联网传输系统的自动管理，在保证赛事安全、高效运行的前提下，又节省人力和物力，体现人文、绿色和科技的理念。

2.3 自动控制系统在体育场馆中的应用

2.3.1 火灾自动报警系统火灾自动报警系统采用多种感应器，根据不同属性分别安装在场馆的不同位置。每个感应器都设有联动控制系统，可根据情况与火灾报警、消防系统和排烟系统联动，启动应急照明系统、消防专用通信，切断非消防电源功能、电梯控制等。在奥运会场馆中，国家体育馆和国家游泳中心等多处都实际应用了此类设备，从而高效、便捷地保障了场馆的消防安全。

2.3.2 门禁系统门禁系统由感应设备、控制设备、信号传输设备以及中心控制设备组成，报警系统联动，形成统一管理平台。门禁系统使用指定嵌入式CPU身份识别卡，自动控制出入口。门禁系统与报警系统、火灾自动报警系统联动，在火警时能自动打开疏散通道。

2.3.3 场馆温度自动调控系统场馆温度自动调节系统的感应器分布在比赛区和观众区的各个单元，根据不同需要，预编不同程序的感应器，通过数据传输和控制系统，空调管理系统或其他温度调节系统联动，自动实施场馆温度调节。例如，北京奥运射击馆的双层幕墙之间，一套温度感应“神经”默默运作，场馆可随时调节室内温度，让场内四季如春，体现了人文奥运和科技奥运的融合。

自动控制理论在体育场馆系统和赛事管理系统中的应用比较广泛，也都有深入的研究，在有条件的基础上基本实现了自动化管理；但在运动训练中的应用不够普及，特别是在动态技术训练中，研究停留在提高运动员体能训练中，缺乏在具体项目的技战术训练和比赛的研究，像同场对抗性、隔网对抗性项目以及新兴起的户外定向越野运动等。

3 自动控制理论与体育结合的特征

3.1 运动训练的科学化

基于自动控制理论的运动训练系统，可以检测训练过程中所需参数的变化，并对这些参数进行综合的诊断分析，实现了训练过程数据的自动采集、处理和显示，并将分析的结果实时反馈给使用者，从而实现训练过程的可视化，为科学的评价训练效果提供可靠的依据。

3.2 体育比赛的竞技化

随着运动训练系统的科学化和体育管理的智能化，高尖端科技产品的发展必将提高运动员的运动训练成绩，使体育比赛更加精彩、激烈，提高体育比赛的竞技化水平。

3.3 体育管理的智能化

在体育管理系统中每个管理模块都有自动控制理论的应用，系统自动实行收集信息、计算机软件处理分析和互联网的传输，实现系统的全自动管理，在保证体育赛事安全、高效运行的前提下，又节省人力和物力，体现体育管理的智能化。

4 自动控制理论在体育运动中发展的主要态势

4.1 科学化与人性化的结合

体育运动是以现代科技为依托发展起来的，同时体育运动给自动控制理论的发展予以极大的推动力；体育运动给自动控制理论提出挑战，促使高新科技去解决体育领域里的实际问题。科学精神和体育精神有着共同本质，都是以人为中心，为人服务为目的，促进社会的和谐发展，致以人的体质和心智都将朝着“更快、更高、更强”发展。

随着社会老龄化的到来，社会对于身体健康引擎系统有很大的需求。在我们国家相对来讲，目前发展得比较落后，做这方面研究得比较少。但自动控制理论中物联网技术的开发解决了身体健康引擎系统的关键技术，使身体健康引擎系统逐渐由理论到可实践阶段。现今有一些手机厂商和传感网一起合作，做一些相关的应用。人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。由此，基于物联网的身体健康引擎系统流程图设想如图3。

该系统利用无线通信将各传感器联网，可高效传递必要的信息，从而方便病人接受护理，还可以减轻护理人员的负担；该系统中健康参数根据需要自行设定，可以是体温、血压、血脂、血糖、心率、心电图、血氧监测、肌电图等心理生化指标。如应用到运动员运动训练中，通过系统监测可以提高运动员的多项体能或技术水平，同时减少训练过程中伤害的发生，预防运动损伤，体现科学化与人性化的结合。

4.2 自动控制技术与相关学科的结合更加紧密

经过一百多年的发展，自动控制技术已成长为一个包括许多不同学科的的技术领域，它与周边技术有机结合实现运动过程的智能控制。如自动控制系统的计算机仿真，是一门涉及很多技术的综合性学科，并演化为Matlab仿真，仿真技术与体育的结合形成体育仿真；随着高科技和网络的发展，自动控制系统与最新技术相结合，形成了复杂网络和物联网技术等，自动控制技术与多门技术共同完成智能控制过程。例如，同场对抗性、隔网对抗性等集群项目的模拟仿真，可以借用物联网，通过节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测出包括温度、湿度、噪声、压力、移动物体的大小、速度、方向、位移和弹跳力等物质现象，利用复杂网络组织连成小世界网络，然后通过计算机中的Matlab仿真工具进行图像处理技术，从而得到我们需要的数据，并进行仿真模拟得出科学合理的技战术指导。

4.3 自动控制理论将在体育领域得到广泛应用

随着智能化时代的到来，自动控制理论将被广泛应用在体育领域，为体育运动的发展做出巨大的贡献。例如，体育仿真系统已成功应用在蹦床、跳水、体操、武术、举重等个人竞技体育项目中，通过形象化的方式让运动员更容易、更快速地掌握技术动作要领，大幅度地提高运动员整体运动技能水平，并且可以挑选出最优的编排，确定科学合理的训练方案。

自动控制理论作为一门边缘学科，已渗透到体育运动中的各个领域，并在体育领域中有广阔的应用前景，这必将是体育科学发展的趋势所在。

[ 1 ] 卢子广.自动控制理论[M].北京：机械工业出版社，2009.

[ 2 ] 黄孝斌.物联网应用实践[ J ].信息化建设，2009（11）：21-22.

[ 3 ] Zhong Dong.Object Service Provision in Internet of Things.2010 International Conference on e-Education，2010.

[ 4 ] 肖毅.基于位移传感器的超等长重量训练系统研究[ J ].体育科学，2009，29（4）：84-88.

[ 5 ] 王冬舟.现代科学技术对竞技运动的影响与发展取向[ J ].体育世界，2009（1）：91-92.

[ 6 ] 符文康.现代运动训练行为与现代科学技术发展[ J ].内蒙古体育科技，2008，21（4）：70-71.

[ 7 ] 王国军，陈松乔.自动控制理论发展综述[ J ].微型机与应用，2000（6）：4-7.

[ 8 ] 张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用[ J ].体育科技，2005，26（1）：17-20 .

[ 9 ] 汪小帆.复杂网络理论及其应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[ 10 ] 徐殿国.运动控制技术中的自动控制理论[R].第二届科技委员会自动控制学科组专题报告，1994：322-324.

[ 11 ] 魏新华，黄春.浅谈国家体育馆智能化系统设计和建设[ J ].智能建筑电气技术，2008，2（1）：15-18.