В настоящее время в научных центрах Российской Федерации разработано и используется в практике подготовки спортсменов различных видов спорта большое количество оригинальных тренажерно-диагностических стендов. Эти разработки в большей степени ориентированы на использование в циклических видах спорта. Рассмотрим основные приемы разработки и использования тренажерно-диагностических стендов на примере многофункционального изокинетического стенда "ТИКИ-1" и гребного эргометра "ИГЛ", разработанных в начале 90-х годов XX века в Санкт-Петербургском научно-исследовательском институте физической культуры.
Тренажерно-диагностические стенды предназначены для автоматизированного проведения тестирующих процедур в различных режимах, в процессе которых осуществляется сбор, обработка и визуализация информации, регистрируемой датчиками биомеханических параметров.
Тренажерно-диагностические стенды, созданные на базе гребного эргометра типа "Concept-II" (на примере академической гребли) позволяют реализовать два типа тестирующих процедур:
с количественным лидированием, которое может осуществляться по темпу или мощности выполнения упражнения;
с качественным лидированием, которое может осуществляться по визуальной форме кривой динамики любого регистрируемого параметра в цикле движения спортсмена в сравнении с формой модельной кривой.
Предложен оригинальный алгоритм обработки информации, который позволяет получать "паттерны" любого первичного или производного параметра, каждый из которых представляет собой массив данных, содержащий информацию о типичной динамике параметра в цикле движений. Паттерны рассчитываются на основе множества циклов движений, выполненных на протяжении определенного отрезка времени, так называемом времени усреднения. Многочисленные исследования подтвердили валидность применяемого алгоритма и возможность его применения для оценки количественной и качественной структуры циклических движений спортсмена. Ценность алгоритма получения паттернов заключается в высокой статистической достоверности результатов оценок и критериев, а также в возможности получения такой информации (например, паттернов дисперсии и
вариации), которая недоступна при других методах обработки.
Кроме того, в тренажерно - диагностических стендах реализованы следующие функции:
автоматизированная калибровка датчиков и сохранение калибровочной информации в специальной базе данных;
дизайнер тестов - открытое для пользователя средство управления алгоритмом выполнения тестовой процедуры (продолжительность, интенсивность, лидирование и др.);
набор функций для просмотра, редактирования и воспроизведения записанной с датчиков первичной информации;
) механизм получения и визуализации информации о динамике отдельных параметров (мощность, ЧСС и др.) на протяжении теста (от цикла к циклу);
первичный анализ полученных паттернов в графической или текстовой форме;
просмотр циклически движущейся анимационной картинки, отражающей типичный характер движений спортсмена на основе полученных паттернов;
экспорт паттернов для финального анализа в любых базах данных или электронных таблицах;
) встроенный макроязык для получения производных паттернов и количественных критериев на основе первичных паттернов;
набор функций для установки, просмотра и редактирования модельных паттернов, используемых для выполнения тестов с применением качественного лидирования.[21]
Компьютеризированный комплексный контроль специальной подготовленности спортсменов с использованием тренажерно-диагностнческих стендов (на примере академической гребли)
Контроль функциональной подготовленности спортсменов осуществляется с использованием стандартного гребного эргометра "Concept-H", который модернизирован путем добавления датчиков усилия на рукоятке и ее перемещения. Информация вводится в компьютер, обрабатывается и на монитор выводится информация о темпе и мощности гребли.
Процедура тестирования представляет собой модификацию ступенчато-возрастающей методики Конкони и состоит из 10 отрезков по 1 минуте; мощность гребли на первом отрезке равна 180 Вт и повышается на 30 Вт на каждой ступени нагрузки.
Контроль физической подготовленности спортсменов. Для тестирования и тренировки специальных силовых качеств, локальной и региональной работоспособности гребцов используется многофункциональный изокинетический стенд "ТИКИ-l", который содержит специальный электронно - тиристорный нагрузочный блок, обеспечивающий изокинетический режим работы. Процедура тестирования состоит из пяти попыток по 1 минуте для каждого сегмента тела: ног, туловища и рук, разделенных 10-15 минутным интервалом отдыха. Регламентируемые скорости выполнения движения следующие: 0,1; 0,2; 0,4; 0,7 и 1,0 м/с; используется случайный порядок чередования скоростей для каждого спортсмена.
Контроль технической подготовленности спортсменов. Для контроля технической подготовленности гребцов разработаны и используются несколько устройств, с достаточной степенью точности воспроизводящих биомеханические условия гребли в реальной лодке: гребной бассейн с подвижными рабочими местами и гребной эргометр "ИГЛ-1".
Гребной эргометр "ИГЛ-1" оборудован датчиками, регистрирующими следующие механические параметры движений спортсмена: три параметра усилий (на рукоятке, на подножке и усилие возвратного амортизатора, имитирующего сопротивление воды движению лодки); три параметра перемещений (рукоятки, верхней части туловища и подвижного сидения), а также ускорение снаряда. Тестирующая процедура состоит из трех упражнений продолжительностью одна минута (интервал отдыха - до восстановления).
Контроль психомоторного статуса спортсменов. Оценка психомоторного статуса осуществляется на трех уровнях: осознаваемом (самооценка состояния), двигательном (моторика) и вегетативном. Для оценки состояния спортсменов используется компьютеризированный вариант унифицированного комплекса методов, в состав которого входят следующие блоки:
) блок оценки состояния психики (тест на ситуативную тревожность по Спилбергеру - Ханину, тест Люшера и др.);
) блок оценки показателей моторики (теппинг-тест, время простой и сложных двигательных реакций, динамическая и кинематическая точность и др.)
Методика автоматизированной обработки информации. Информация с датчиков вводится в персональный компьютер через аналого-цифровой преобразователь и обрабатывается по специально разработанным программам, основу которых составил алгоритм получения паттернов биомеханических параметров циклических движений спортсмена.
Экспериментальная апробация эффективности использования тренажерно - диагностических стендов осуществлялась в процессе научно-методического обеспечения подготовки квалифицированных гребцов. Показано, что использование стендов позволяет получить интересную и важную научную информацию. [22]
В процессе исследований установлено, что оптимизацию техники гребли следует осуществлять с учетом индивидуальных особенностей спортсмена и условий внешней среды с учетом того, что, во-первых, движения спортсмена должны быть непрерывны (одновершинность всех кривых усилий, скоростей и мощностей); во-вторых, специальные упражнения должны соответствовать режимам работы основных мышечных групп в условиях соревновательной деятельности по их динамическим, кинематическим и энергетическим параметрам; в-третьих, должна соблюдаться последовательность включения в работу сегментов от более близких к более дальним от опоры (ноги, туловище, руки).
Экспертные системы для планирования тренировочного процесса спортсменов
Одним из перспективных направлений совершенствования системы подготовки спортсменов является использование экспертных систем для повышения эффективности планирования, программирования и управления тренировочным процессом.
Под экспертными системами понимаются сложные программные комплексы, в формализованном виде аккумулирующие знания экспертов (высококвалифицированных специалистов в конкретных предметных областях) и используемые для разработки управленческого решения на основе анализа исходных данных. Экспертные системы относятся к системам искусственного интеллекта.
Систему принято считать интеллектуальной, если в ней реализованы следующие функции и процедуры:
функции представления и обработки данных, обеспечивающие выполнение таких процедур, как накопление знаний в предметной области, классификация знаний по критерию прагматической полезности и непротиворечивости, структурирование знаний в направлении их использования в конкретной области, автоматическая поддержка базы знаний при ее пополнении, получение и обработка знаний от нескольких экспертов;
функции анализа данных и рассуждения, обеспечивающие выполнение таких процедур, как инициализация процессов получения новых знаний, соотнесение новых знаний со старыми, пополнение знаний с помощью логического анализа, отражающего закономерности в предметной области и накопленных знаниях, обобщение знаний на основании более частных
знаний, логического планирования деятельности, подготовку заключения на основе рассуждения по аналогии и т.п.;
Функции диалогового общения с пользователем, обеспечивающие выполнение таких процедур, как общение на естественном языке, обучение, адаптация в процессе взаимодействия со специалистами, введения знаний о целях и возможностях пользователя, формирования по запросу пользователя объяснений типа "как это сделано", документирование информации в
удобной для пользователя форме. Основными отличительными свойствами экспертных систем являются: во-первых, возможность накопления знаний экспертов (специалистов высокой квалификации) и, во-вторых, возможность использования этих знаний практическими работниками (пользователями экспертных систем).[23]
Обобщенная структура экспертной системы включает следующие компоненты:
) интерфейс пользователя;
) база данных (формируемая пользователем);
) база знаний (ядро экспертной системы, которое аккумулирует совокупность знаний высококвалифицированных специалистов);
) алгоритм обработки эмпирических данных ("решатель" - программа,
которая моделирует процесс анализа данных (хранимых в базе данных) на основании знаний экспертов (хранимых в базе знаний));
) интеллектуальный редактор базы знаний (программа, создаваемая инженером по знаниям и реализующая алгоритм обработки данных в диалоговом режиме).
Функциональным организационным принципом разработки экспертных систем является разделение баз данных, баз знаний и механизма логического вывода, что позволяет добавлять в экспертную систему новые данные, знания и отношения, делая систему все более гибкой по отношению к классу решаемых задач (обучаемой) и более дружественной по отношению к пользователю.
Экспертная система "Бег". Для решения задач планирования тренировочного процесса спортсменов в научно-исследовательском институте информационных технологий Московской государственной академии физической культуры разработана экспертная система "Бег" (автор проекта -Л.А.Хасин). Экспертная система "Бег" позволяет осуществлять планирование тренировки бегунов на средние дистанции (800 и 1500м) сроком до двух месяцев для общеподготовительного и предсоревновательного этапов подготовки.
В экспертной системе "Бег" заложена возможность использования пяти видов нагрузки, классифицированных авторами следующим образом:
) равномерно-длительный бег;
) повторная мягкая работа;
) повторная жесткая работа;
) скоростная работа;
) специальная работа.
Для более тщательного учета направленности воздействия на морфофункциональные системы спортсмена авторами предлагается использовать различные методы, на основе которых разработаны десять типов тренировки. База данных экспертной системы "Бег" насчитывает более 3000 упражнений.
В процессе разработки алгоритма работы экспертной системы авторы базировались на "принципе равномерности", суть которого состоит в том, что, во-первых, все "большие" тренировки распределяются равномерно; во-вторых, "большие" тренировки каждого типа распределяются равномерно; в-третьих, "средние", "малые" тренировки и дни отдыха распределяются таким образом, чтобы минимизировать колебания генеральной нагрузки за любые одинаковые периоды тренировочного цикла; в-четвертых, "средние" тренировки всех типов распределяются таким образом, чтобы минимизировать колебания каждого типа нагрузки за любые одинаковые периоды тренировочного цикла.
Задача планирования тренировочного процесса сводится к последовательному выполнению пяти частных подзадач:
) расстановка тренировок различных типов по дням тренировочного цикла;
) выбор "цепочек" работ;
) выбор методов тренировки;
) расстановка методов тренировки;
) выбор упражнений.
Экспериментальная оценка эффективности использования экспертной системы "Бег" осуществлялась в процессе подготовки юных бегунов на средние и длинные дистанции.
Экспертная система "АКСОН". Для решения задач планирования физической подготовки в прыжковых видах легкой атлетики разработана экспертная система "АКСОН". Базу знаний экспертной системы "АКСОН" составляют сведения из общей, спортивной и возрастной физиологии, спортивной анатомии и морфологии, биохимии, спортивной медицины, теории и методики физической подготовки, разделов дисциплины "Легкая атлетика". Базу данных составляют результаты сильнейших спортсменов России. В блоке планирования экспертная система опрашивает пользователя о сроках соревнований в будущем спортивном сезоне и предлагает пользователю один из вариантов планирования тренировочной нагрузки на годичный цикл и ее распределение на первом этапе годичного цикла. Пользователь имеет возможность внести свои предложения по объему и распределению тренировочной нагрузки, если они не противоречат логике системы.
Таким образом, разработка экспертных систем с целью научно-методического обеспечения подготовки квалифицированных спортсменов является важной и интересной научной проблемой, хотя и достаточно сложной для реализации
Автоматизированные системы для контроля и управления тренировочным процессом спортсменов
Важнейшим элементом системы управления подготовкой спортсменов является комплексный контроль, под которым понимается совокупность организационных мероприятий для оценки различных сторон подготовленности спортсменов, реакций организма на тренировочные и соревновательные нагрузки, эффективности тренировочного процесса, а также учета адаптационных перестроек функций организма спортсменов.
Комплексный контроль в спорте предусматривает практическую реализацию различных видов контроля (этапного, текущего, оперативного), применяемого в структурных звеньях тренировочного процесса (годичный цикл, мезоцикл, микроцикл, отдельные занятия) для получения объективной разносторонней информации о состоянии спортсмена и его динамике с целью управления процессом спортивной подготовки.[24]
В настоящее время хорошо разработаны: система контроля тренировочных и соревновательных нагрузок, теория и методика педагогического контроля в спорте, система комплексного контроля в отдельных циклических видах спорта; основы управления подготовкой юных спортсменов.
Вместе с тем, бурный прогресс в спорте, характеризующийся исключительно высокой напряженностью соревновательной борьбы, возросшей
плотностью спортивных результатов, достижением объемов тренировочных нагрузок предельных величин, свидетельствует о возрастании сложности в обеспечении двигательной деятельности спортсменов.