“同心協力”策略研究

張子倫

摘?要：在顛球的理想狀態下，隊員的發力的時機、強度和方向都可以完美控制，排球每次都可以落在鼓的中心，為討論團隊的最佳協作策略，我們將其轉化為求使用最小的力顛球高度至少為40cm，使得顛球者的做功最少，對排球下降和人作用于鼓使其上升過程通過微元法進行能量守恒分析，其次對球與鼓發生彈性碰撞過程進行動量和能量守恒分析，最后對排球上升和鼓下降過程采用微元法進行動能分析，建立以隊員拉力最小為目標的非線性的單目標優化模型，通過粒子群算法求解得到最佳策略。

關鍵詞：微元法;非線性規劃;粒子群算法

1.引言

隨著人民生活的水平不斷提高，娛樂活動越來越多，一個團隊想要齊心協力就必須通過一些手段來增強它們之間的配合程度，“同心協力”活動就可以提升它們之間的默契程度[1]。為了能夠使一個團隊在活動中持續的時間更長，我們對“同心協力”活動中的團隊的最佳協作策略進行了研究[2][3]。

2.模型的建立與求解

首先，對排球從鼓面中心上方下落到隊員手腕平面的自由落體運動過程進行能量守恒分析。設排球質量為m排，排球下降過程中所受阻力為F阻a，排球距離平面距離為ha，排球下降過程速度為v排，排球下降到平面的速度為v1，重力加速度為g=9.8N/kg。

由于人對繩子的拉力是變力，為了保持每次拉力在豎直方向上對球做功的力為恒力，需要采用微云法對繩子拉力進行處理。對排球自由落體過程從距離平面ha到平面做得功通過微元法求出為：

由于此過程中排球滿足能量守恒定律，排球下落過程做得功全部轉變為排球的動能，可以得到以下方程：

其次，對鼓的初始平面（位于平面以下）到平面的運動過程，假設人給定的力均為恒定的力，由于繩子在此運動過程中的角度在變化，因此鼓在這段做變加速直線運動。設繩子對鼓的拉力恒為T拉，鼓的質量為m鼓，鼓上升過程的阻力為F阻b，鼓上升過程中的速度為v鼓，鼓上升到平面的速度為v1，繩子與鼓所在平面的夾角為β，鼓平面到平面的距離為hb，繩子長度為l。

在鼓做變加速直線運動的過程中，可以采用微元法對此過程的功進行求解得：

在這段運動過程中，鼓也滿足能量守恒定律，將外力對鼓做得功均轉化為鼓的動能得到以下方程：

在平面鼓和排球發生完全彈性碰撞，沒有動能損失，假設碰撞之后排球的速度變為，鼓的速度變為，對此過程進行動量守恒和動能守恒分析得到下列方程：

最后，對碰撞后排球做上拋運動并且撞擊之后排球恰好都能回到一開始下落處的過程和鼓碰撞后下降到鼓初始平面的過程利用微元法進行動能平衡分析得到以下方程（假設排球和鼓上升和下降過程所受阻力相同）：

假設鼓碰撞后運動到初始位置停止，可以得到：

通過對題意和以上分析，可以得出鼓在低于平面拉到手腕平面時進行受力分析如圖2所示。

當鼓在初始平面時，繩子的拉力和隊員的發力方向不同，因此將隊員的發力方向沿著繩子和垂直于繩子方向進行分解，進行受力平衡分析得到繩子上的力如下：。鼓從初始平面到平面時，隊員手會有一個水平移動，水平移動的距離為，因此，對隊員的手的水平移動過程采用微元法求得隊員做得功：

最后，建立非線性優化模型如下：

2.2 模型求解

運用粒子群算法的具體程序流程如下：

第一步：進行粒子群的初始化。其中包括對群體規模N、單個粒子的位置xi和速度vi的初始化。

第二步：計算出每個粒子的適應度的值F0[i]。

第三步：將每個粒子的適應度值F0[i]與個體極值Pi相比較，如果F0[i]大，則用F0[i]替換Pi。其中

第四步：將每個粒子的適應度值F0[i]和全局極值Pg比較，如果F0[i]大，則用F0[i]代替Pg。其中

第五步：根據公式和，更新粒子的速度vi和位置xi。

第六步：如果滿足誤差足夠小或者已到達最大循環次數則退出循環，否則返回第二步。

根據粒子群優化算法，得當人數為8人時的最佳策略為繩長1.8m，隊員發力力度為75N，在此狀態下的顛球高度為50cm。

參考文獻

[1]原文惠，吳劍，魏亮.排球運動扣球起跳和落地動作的髖、膝、踝動力學分析[J].湖北體育科技，2017，36（12）：1085-1089.

[2]蘇文明.斜拉橋懸臂式索梁錨固區受力分析[C].中國公路學會.全國斜拉橋關鍵技術論文集（2012）.中國公路學會：《中國公路》雜志社，2012：207-211.

[3]張麗平.粒子群優化算法的理論及實踐[D].浙江大學，2005.