競技體育訓練PDSC-CAD系統研究與設計

鄭軍紅

(武漢體育學院 體育工程與信息技術學院，湖北 武漢 430079)

0 引言

現代競技體育運動作為人類文化活動領域最為特殊的核心內容之一，以其獨特的魅力和多重功能，潛移默化地改變著世界上數以億計、不同膚色人們的精神世界和生活觀念，其特有的對抗性、公平性、娛樂性及富有激情與活力的表演性，使各種類別的體育運動賽事獲得了全世界的廣泛支持和熱愛，成為最受關注的焦點[1]。競技體育運動不再是單純的體育專項活動，專業運動員的競技能力、競技表現和競技成績不僅成為各級體育競賽中最為熱門的焦點話題，還被人們廣泛地認為是一個國家和民族綜合實力的直接體現[2]。為了有效提高運動員的綜合成績，廣大體育工作者不斷地對體育競技運動的各種訓練過程、訓練方法及技術手段進行探索，競技運動訓練過程設計及其監控成為體育領域重點研究的課題。

競技體育運動訓練是一項過程繁瑣、經驗性強、監控復雜、對訓練方案依賴性大、執行周期長的系統工程，為達到最佳訓練效果，教練員和運動員需要不斷對訓練過程中的各種數據進行分析處理，并適時調整訓練方案[3]。因此，研發專門用于競技體育運動訓練過程設計及其監控的計算機輔助設計系統(Computer aided design for the training process design and supervision control of the competitive sports 簡稱競技體育訓練PDSC-CAD系統)，為競技體育訓練提供決策支持，對提高訓練效果和訓練質量有著重要意義[4]。

目前，競技體育項目CAD輔助訓練方法應用較廣泛，也取得了一定成效，但在文獻資料可知范圍內，國內外利用數據庫技術、軟件工程技術和知識管理等技術進行競技體育運動訓練計算機輔助設計系統的研發工作進展緩慢，還沒有成熟的軟件技術解決方案和比較完善的智能PDSC-CAD系統。

本文從競技體育運動訓練客觀需要出發，著重進行以下幾個方面的研究：

(1)從競技運動訓練過程設計及其監控實際應用出發，分別從體育運動訓練方法學角度和體育運動訓練知識再生角度，對競技體育訓練活動進行認知和分解，發掘競技體育運動訓練過程的業務規則。

(2)結合CAD輔助訓練方法，利用現代軟件設計技術和知識管理方法，系統研究競技體育訓練PDSC-CAD系統的設計技術，建立相應的軟件模型，提出競技體育訓練PDSC-CAD系統總體設計方法。

(3)結合數據庫技術，創建基于知識管理與發現的PDSC-CAD系統的總體框架和系統原型，并將其用于系統開發實踐。

1 競技體育訓練活動概念

競技體育訓練活動實質是在運動訓練過程中，發揮教練員的指導作用和運動員的主體作用，結合當前訓練需求，采用預先制定的訓練方法，充分挖掘、培養人體機能潛力，通過過程控制，快速提高運動員的競技能力和身體綜合素質，創造并保持優異運動成績，達到最佳訓練效果。競技體育運動訓練過程是一個不斷重復修正訓練方案和執行訓練方案的過程。競技體育運動訓練控制中最常用、最有效的方法有模式訓練法、程序訓練法、CAD輔助訓練法3種，其中，CAD輔助訓練法主要依靠計算機技術對訓練過程實施控制，針對性強，效果較為明顯。競技體育運動訓練活動可分為常規訓練、賽前調整訓練、賽后休整訓練3類。常規訓練指在日常訓練中根據運動員的個性特點和身體素質，分階段調整訓練內容及強度，幫助運動員穩步提高競技能力；賽前調整訓練指根據競賽要求，有針對性地調整訓練內容和訓練強度，提高運動員的專項運動素質，獲得最佳競技狀態，保證在競賽中獲得優異成績；賽后休整訓練指為了消除競賽引起的身心疲勞，適當降低訓練負荷，為下一期訓練做好準備。

競技體育訓練活動過程可分解為運動員當前狀態測評、訓練任務管理、訓練方案創建、訓練方案分析與評價、訓練方案調整、訓練方案執行與監控、訓練信息反饋與效果評價7個子過程。運動員當前狀態測評主要對運動員當前的競技能力、競技狀態、競技潛力等方面進行綜合測評，獲得運動員當前的競技綜合狀況，便于后續采用有針對性的訓練；訓練任務管理是明確下一階段的訓練目標，確定相應訓練任務；訓練方案創建指教練員根據以往的訓練經驗，構建出能達到預期訓練目標、完成訓練任務的初始訓練方案；訓練方案分析與評價指通過運動生理學、運動生物力學、競技運動訓練方法學等領域知識，對已有的訓練方案進行論證，判別訓練方案是否滿足訓練要求、是否優越可靠、是否能達成訓練目標；訓練方案調整指對評價為不合理或不可行的訓練方案進行調整修改，并重新進行分析和評價，直至得到合理和可行的訓練方案；訓練方案執行與監控是按照合理和可行的訓練方案對運動員進行訓練，并監控訓練的全過程。訓練信息反饋與效果評價是在執行訓練方案的過程中，對訓練方案實施情況和訓練效果進行信息采集、對比分析，并返回分析結論，對訓練效果進行綜合評價。

圖1 PDSC-CAD系統設計對象

2 PDSC-CAD系統設計模型分析

2.1 PDSC-CAD系統對象模型

為準確表示和存儲多種類別的體育運動項目訓練知識，系統設計采用面向對象軟件工程方法(OOSE)，以“對象”為單位組織和管理體育運動項目訓練知識。

本文采用OMT方法建立PDSC-CAD系統的設計對象，(以下簡稱STOM，如圖1所示)和對象模型[5](如圖2所示)。STOM包含4部分內容：屬性領域包含STOM屬性，即關于STOM的基本數據值等；方法領域包含STOM的基本操作，即關于STOM的方法、對應的操作等；聯系領域包含STOM之間的各種關系，即STOM之間繼承、派生等關系；案例領域包含STOM的各種可用案例。

圖2 PDSC-CAD系統對象模型

2.2 PDSC-CAD系統智能方法與動態模型

根據競技體育項目訓練的主要任務和訓練監控過程，利用軟件工程知識和智能篩選算法，從系統數據庫中檢索已有的競技項目訓練參考案例和訓練知識，根據訓練對象的個體特征參數，對檢索到的參考案例和知識進行加工處理和人工干預，制定出新的訓練策略，達到輔助和支持項目訓練的目標，為教練員提供決策支持[6]。系統行為動態模型如圖3所示，其主要的行為方法如下[7]。

圖3 PDSC-CAD系統行為動態模型

2.2.1 運動員訓練狀態測評

根據競技項目類別、特點和競技要求，從競技能力構成角度出發，分別從運動員生理機能、運動素質、運動技術、運動戰術、運動智力、運動心理、文化知識、身體狀況等方面，對運動員當前的競技能力、競技狀態、競技潛力等方面進行綜合測評，獲得該運動員當前的競技綜合狀況，為后續項目訓練方案創建提供參考[8]。

2.2.2 訓練任務管理

明確下一階段的訓練目標，根據目標確定相應訓練任務，并對具體任務進行分解、細化，將這個完整的訓練任務分成幾個不同的相互獨立又互為聯系的階段，每個階段都有相應的訓練時間、具體任務、訓練目標、訓練要求、訓練內容等。

2.2.3 訓練方案創建

根據競技項目的類別、訓練階段、力量特征、技能要求、競技目標、訓練要求等，采用基于案例的CAD輔助設計方法，對軟件知識庫和訓練案例庫進行檢索、篩選，從中選擇一個或多個訓練參考案例[9]。然后針對具體的運動訓練項目及其訓練階段和參考案例之間的差異值，以及不同運動員之間的個體差異值，對選出的訓練參考案例提出修改建議，幫助訓練方案制定者創建出初始的訓練方案。

2.2.4 訓練方案分析與評價

項目訓練方案分析主要包括運動生物力學分析、運動生理學分析、階段訓練負荷程度分析、競技能力因素分析、訓練周期分析、成績目標分析等。分析過程是對方案的性能和行為進行量化，采用數據信息參照對比的方法對當前訓練方案進行數據分析，然后根據當前訓練方案表現出的性能和行為，參照相應的評價體系對訓練方案的可行性作出評判，判定是否滿足訓練要求。為保證分析與評價的科學性與全面性，適當提高人工干預程度。

2.2.5 訓練方案調整

針對評價階段反映出的問題，運用相應運動訓練知識規則，幫助方案制定者對訓練方案進行適當調整，制定出合理的、便于執行、監控與干預的運動訓練方案。

2.2.6 訓練方案執行與監控

按照訓練方案的要求和步驟對運動員進行綜合訓練，并對訓練過程實施監督與調控，隨時記錄運動員在訓練中的各種信息和訓練數據，為后續的訓練工作改進提供科學的參考依據。

2.2.7 訓練信息反饋與效果評價

對訓練過程中反饋的各種數據和訓練信息進行整理、對比分析，正確評價訓練目標與訓練結果的差異，確定是否達到訓練目標。幫助教練員及時總結訓練過程中的成功經驗與失敗教訓，使訓練結果科學地逼近訓練目標。

2.2.8 訓練案例與訓練知識采集與管理

主要由教練員、運動員或輔助訓練人員通過手工采集、計算機聯機采集、網絡采集等方式，收集與本項目相關的競賽案例、訓練案例，通過對案例進行綜合分析、評價，獲得相應的訓練知識，并將這些案例和知識及時地補充到系統中，對系統中已有的項目訓練案例和訓練知識進行管理。

2.3 PDSC-CAD系統功能模型

體育CAD訓練系統按具體訓練項目可劃分成一系列的結構單元，其結構單元又由一系列的功能模塊組成[10]。軟件的層次結構如圖4所示。

圖4 PDSC-CAD系統功能模型

參照體育項目訓練控制過程的主要內容和實施步驟，根據其競技特點，綜合提取訓練控制參數，將訓練過程控制參數實例化，并將訓練控制信息和經驗信息封裝在訓練實例中，建立基于特征的訓練信息模型。

整個系統分為輔助訓練和輔助服務部分。其中輔助訓練部分由若干個運動項目訓練子系統構成，每個訓練子系統相對獨立、互不干擾，且都包含相應的運動項目輔助訓練行為和功能模塊。通過這些子系統，可以直接為運動訓練提供幫助。服務子系統由6個服務行為及相應功能模塊構成，主要為整個系統的維護、運行和管理提供服務輔助功能。

2.4 PDSC-CAD系統架構

PDSC-CAD系統以動態管理訓練案例和訓練知識為主要出發點，建立相應的分布式數據庫支持環境，采用人工錄入案例與知識等基本數據[11]。根據競技項目的類別、特點、競技要求及運動員狀態參數，動態提取案例庫和知識庫中的案例與知識，并對提取的案例與知識進行分析、診斷、評價。同時，將案例與知識用于項目訓練，監控訓練過程，采集訓練過程中的反饋信息，評價訓練方案和訓練過程，實現項目訓練集成化管理。

PDSC-CAD系統采用B/S體系結構，系統架構如圖5所示。通過客戶端提交服務請求，可以瀏覽和提取系統資源，實現數據交換、數據傳輸和數據共享[12]。服務器主要包括數據庫服務器和文件服務器，負責管理和維護文件傳輸、系統數據資源等。終端用戶通過客戶端瀏覽器向服務器發出請求，然后由服務器執行相應的服務，并將執行結果通過瀏覽器返回給終端用戶[13]。

圖5 PDSC-CAD系統架構

2.5 PDSC-CAD系統數據存儲處理

數據信息與訓練案例的存儲方式對于系統十分重要，直接決定了訓練案例的檢索與提取[14]。基于實際應用考慮，采用將訓練控制參數與訓練案例、訓練知識分別保存的方式，即將訓練控制參數和運動特征參數、運動員和教練員信息數據直接保存在數據庫中，訓練案例、知識案例、競賽案例等則以Microsoft Word文件形式保存在特定的目錄下。這種存儲方式有利于簡化檢索機制，提高檢索效率。

3 體育CAD訓練系統實現

體育訓練CAD系統的研究主要利用軟件工程、知識工程的技術與方法，收集和存儲競技體育項目訓練案例和訓練知識，并在后續的訓練實踐中加以運用，以提高訓練效果。因此，競技體育項目訓練案例和訓練知識是整個系統開發的關鍵，即使在系統使用過程中也需要不斷對訓練案例庫和訓練知識庫加以擴充和維護，特別在系統應用初期，應側重于訓練案例與訓練知識的搜集、整理與存儲，供用戶檢索和使用[16]。

為保證系統的可擴充性和維護性，系統應具備開放性體系，因此在設計模式上采取面向對象的軟件開發方式，在訓練案例檢索和訓練知識檢索時，采取優先檢索與并行檢索相結合的方式，借助ADO.NET數據訪問技術對數據信息進行多重參數檢索，確保檢索的順利進行[15]。

4 結語

本文從體育競技項目訓練方法學和體育運動訓練知識再生角度，描述了競技體育項目訓練PDSC-CAD系統的業務規則，建立了基于面向對象的PDSC-CAD系統設計模型，提出了競技體育訓練PDSC-CAD系統總體設計方法和總體框架。系統原型開發與應用初步驗證了本文提出的PDSC-CAD系統開發技術的有效性、合理性與可行性，能夠進一步提高競技體育項目訓練方案的制定與實施，有助于提高訓練效果和運動員競技水平。本文的研究工作為競技體育項目訓練PDSC-CAD系統的研發奠定了總體實施技術和方法基礎，對其它領域的CAD系統研發工作也具有一定借鑒意義。