智能化运动训练计划系统的研究与设计

刘颖华

0 引言

训练计划的制定和实施是竞技体育运动项目的重要实践活动，它是训练过程中的关键技术。一个科学、合理的训练计划决定了一个优秀运动员在世界高水平比赛中能够达到的最佳竞技水准。训练计划的制定需要有科学的理论依据，而训练计划的实施则需要有技巧的组织和灵活的运用。训练计划是对将要进行的运动训练的一个事先的规划，它需要针对不同运动员的情况进行训练方法、训练内容及训练量的科学设计，使得运动员通过这个训练能够在不损伤机体能力的情况下有效提升整体竞技水平从而在比赛中获得好的成绩。训练计划的实施则需要教练员根据运动员训练过程中的各种生理心理变化进行及时有效的调整，来帮助运动员顺利完成整个训练过程。所以说训练计划的制定和实施是运动员的运动状态从现实转向目标的一个过程，它完成了运动员竞技能力状态的转变，是提升运动员竞技水平的核心技术[1-2]。

传统的运动训练过程中，训练计划的制定是靠教练员用笔来记录下训练科目和运动量，即便少数教练员使用计算机来辅助也仅仅限于将训练计划从纸质搬运到计算机中采用文本的方式进行存储而已，这些都不利于进行现代化的训练计划管理。运用计算机辅助进行训练计划的制定与管理，可以系统、规范地保存训练过程的手段与方法，运动负荷、运动量以及技战术统计数据信息，便于教练员对运动员的竞技能力进行现实状态和竞技潜力的科学诊断、分析与预测。它不仅能够提高教练员的工作效率还能有效的避免训练中因为对运动量预判不准导致的各种对运动员的伤害，为训练阶段的不同时期提供准确可靠的负荷强度和训练量，提高教练员决策过程的科学性。

1 系统开发和运行环境

开发环境采用Windows XP SP2、Microsoft Visual Studio 2005、Microsoft.NET Framework、使用 C/C++、C#语言编写,数据库采用 Microsoft SQL Server 2000，图表控件使用MSCHART 2.0。系统运行环境为Windows操作系统，能够支持 Windows XP操作系统的各版本,需要安装Microsoft.NET Framework和Microsoft SQL Server 2000才能正常运行。知识库模块的运行基于网络，使用时接入互联网即可。

2 智能化运动训练计划系统设计

智能化运动训练计划系统是依据各个竞技体育运动项目的不同特点，运用数据库技术、数据挖掘技术和知识工程技术进行设计的。系统采用了数据库技术来实现训练计划的存储，训练计划部分依据运动训练理论精心设计了各个训练计划的数据表，还设计了检查与分析模块，对该训练计划的实施可以进行检查和分析，训练诊断部分能够对训练效果进行诊断分析。在此基础上还构建了一个知识库系统对各种训练方法和手段进行系统的分析，给出对应的隐性知识提示，利于教练员掌握和学习各种不同的训练方法和手段[7-8]。

2.1 系统总体架构

系统总体架构以模块化开发为原则，整个系统分为几大模块，各个模块功能的实现是独立开发完成的，但数据之间建立关联，其中检查分析模块和训练诊断模块的数据来源于基本信息模块和训练计划制定模块，而知识库模块作为独立的模块，单独设计开发以DLL的形式引入，其数据来源于智能化数据采集分析系统。从开发设计的角度，各个模块均采用类似于MVC的分层结构进行设计，如显示窗体类、业务处理类、实体对象类等。系统总体架构如图1所示：

图1 系统总体架构图

2.2 系统功能设计

从功能角度，智能化训练计划系统由以下几个部分组成：知识库、训练诊断、基本信息、检查与分析、训练计划的制定，系统功能结构如图2所示：

图2 系统功能结构图

2.2.1 基本信息模块

基本信息模块主要提供基本信息数据的输入、编辑、查询、添加和删除界面。其基本功能如表1所示：

表1 训练计划系统基本信息模块功能表

基本信息数据库由3个部分组成：运动员信息、对手信息和比赛信息。其中运动员信息由一般信息、技战术的心理特征、比赛成绩、运动员的心理特征、运动员身体形态、运动员身体素质组成；对手信息包括对手一般信息、对手比赛成绩；比赛信息记录了重要比赛的相关信息，如时间、地点、比赛项目、参赛人员等。

2.2.2 训练计划制定模块

训练计划制定部分是训练计划系统最重要的组成部分和核心功能模块，主要是实现多级训练计划的制定、关联和管理，以及制定和管理参赛方案等功能。参赛方案分为全队参赛方案和个人参赛方案主要以文本对话框的方式来实现其添加、编辑等功能。

（1）训练计划制定的理论依据

前苏联学者马特维也夫（Matweijew，1964）的运动训练分期理论是我们制定训练计划的理论依据，也是运动训练学的基础理论。随着体育赛事组织水平的提高，高水准运动员每年参加各种商办赛事以及各个协会举办的系列赛事的比赛次数不断增加，前苏联学者博伊科（Boiko，1988）和维尔霍山斯基（Verchoschanskij，1988）提出了板块训练理论。训练计划的制定与实施主要以这两种理论为基本指导思想。

（2）训练计划的类型划分

根据马特维也夫的训练分期理论，依据各个训练周期的时间间隔的不同，可以把训练计划依次划分为多年训练计划、年度训练计划、周期训练计划和课训练计划[2-3]。这些训练计划之间具有时间上的关联性，如多年训练计划可以由多个年度计划组合而成，而年度训练计划可以由多个周期训练计划组合而成，依此类推。对于比较长时间范围内的训练计划主要用多年计划和年度计划来安排，此时需要注意从全局来考虑做出一个有战略性的规划。而对于周期训练计划和具体的课训练计划来说，因为他们是训练过程的较小的实施单位，所以此时在内容设计上要比较详细一些，要考虑训练过程中运动员状态的变化给出有选择的调整计划[4]。

基于以上训练分期理论，我们对系统的训练计划模块进行了框架设计，将训练计划模块逐级划分为多年、年度、阶段、周期、课等五个层次，其级联关系为：多年—年度、年度—阶段、阶段—周期、周期—课。存在级联关系的训练计划相关内容必须吻合，如制定计划时存在相关联计划的日期范围、阶段数目等数据需要进行数据检验，若有不合理的情况系统会给出提示并且中止保存。

（3）训练计划的内容设计

根据田麦久的《论运动训练计划》，不同种类的训练计划尽管在内容的设置上重点会有不一样的地方，但是他们在训练内容的结构设计上还是有着一些基本相通之处。具体可以归纳为以下一些要点，例如：对运动员开始训练状态的判断、对训练指标的确定、对训练阶段的划分、确定各个不同训练阶段的主要任务、确定实现目标的基本对策、安排比赛序列、规划训练负荷的动态变化趋势、选择训练方法和手段、确定各手段、练习的负荷要求、制订恢复措施、规划检查评定训练效果的内容和时间标准等[5]。根据上述训练计划的基本内容对运动训练的影响可以将它们总结为以下几个过程：准备过程、指导过程、实施过程和控制过程。

通常在制订多年训练计划和年度训练计划时，应特别重视指导性部分，而在制订具体的周、课训练计划时则要认真考虑实施性部分。

基于此运动训练基本原理，在具体的训练计划制定界面我们依据不同阶段训练计划的特点设计了不同的数据表来实现训练计划的存储与管理。在不同的训练阶段训练计划制订的特点各不相同，因此我们需要分别进行设计如下：

多年训练计划是对超过两年以上的运动员的训练过程作出的安排，是一个总体上的规划和构思。它是用来指导年度计划、周期计划的，因此它是一个战略性的规划，需要对一个比较长的时间内的训练活动做预测，无法进行详细的设计。在具体实施过程中为了保持一定的稳定性，可以进行一些小范围的修改和调整，但在执行过程中还是需要保持总体规划的稳定有序进行，控制好原定的训练方向。因此多年训练计划的数据表主要由以下字段组成：多年训练计划名称、教练姓名、队别、制定时间、起始日期、划分年度计划的个数、多年训练计划的任务。

年度训练计划是进行系统训练的一个基础要素，在运动训练的过程中，运动员竞技状态的基本形成、状态的保持以及状态的消退是通过许多大大小小的训练周期进行循环往复的变化的。以运动员参加各种重要比赛获取的比赛成绩为目标，一个训练大周期的划分是根据运动员竞技状态发展过程的阶段性不同为基础来进行的。年度训练计划中包含的周期训练计划数目可以反映运动员在本年度训练过程中的一个结构特征，通常可以划分为单周期训练计划、双周期训练计划和多周期训练计划等不同类型。故而年度训练计划的数据表主要字段有：年度计划名称、教练姓名、队别、年度计划基本任务、起始日期、队伍现状分析、对手分析、年度训练基本任务、年度训练和比赛目标、年度训练指导思想。

阶段训练计划依据年度重要比赛数目来进行划分，该数据表的主要字段如下：阶段计划名称、教练姓名、队别、阶段计划基本任务、起始日期、阶段训练与比赛目标、阶段训练指导思想、阶段队伍现状。

周训练计划是组织训练活动的基本单位，可以分为四种基本类型：基本训练周、赛前训练周、比赛周以及恢复周，周训练计划是为了适应不同的训练任务来尽心制订的，因而它在训练负荷的变化上表现出了明显的特点。周训练课程的主要任务是要根据运动员掌握和熟悉的某个专项技术和战术，通过专门的程序和反复的进行练习，使得运动员的身体能够适应这种依据负荷改变引起的新的生物适应，从而使得运动员的竞技能力得到提高。在比赛前的训练周主要的训练任务是调节运动员的机体使得它能够适应比赛的要求和条件。把各种竞技能力集中到专项竞技区中；而比赛训练周中则需要对运动员的理想竞技状态进行一个调节；在运动员的恢复适应周中主要任务是要消除队员的生理和心理的疲劳，促进超量恢复现象，激发运动员的训练心理动机，准备投入新的训练周期。该数据表的主要字段有：周期训练计划名称、教练名称、周期计划起始日期、周次（所从属的阶段计划中的第几个周期、应到人数、实到人数、周期计划主要任务、周期计划训练重点。

课训练计划执行的质量对运动员的训练过程和运动水平的提高有着直接的影响。它主要包括训练内容的选定和安排、训练课的具体组成、训练方法的选择、训练手段的实施、训练负荷的大小设定、运动恢复的过程设计等等。依据训练课的主要任务和内容不同可以把训练课分为不同的类型：针对身体部分的训练课、针对技战术的训练、综合训练课、小测验的安排、训练效果的检查和比赛训练课。而训练课通常由准备部分、基本部分和结束部分组成[5-6]。故该数据表的主要字段设计为：训练课名称、起始时间、教练姓名、队别、训练课任务、课程结构、持续时间、练习内容、练习名称、练习手段、技战术练习运动量、体能与其它练习运动量、目的、要求。

2.2.3 检查与分析模块

检查与分析模块是提供训练计划系统的信息反馈、分析功能的。主要有实施情况分析、运动负荷分析、训练内容分析、训练时间分析、积分排名分析、教学比赛分析（包括内部对抗赛、内部循环赛、内部淘汰赛）以及总结所构成。其中训练计划实施情况检查、运动负荷分析、训练内容分析、训练时间分析均有理论设计与具体实施计划的两种检查和分析，训练负荷分析、训练内容分析和训练时间分析均以图表的形式进行形象化的显示，使得教练员很容易进行比较分析。总结部分仍然以文本方式进行编辑，方便教练员的输入习惯。

2.2.4 训练诊断模块

训练诊断模块主要包括技战术训练诊断（其中包括技战术统计和多媒体资料两个诊断内容）、体能诊断、身体机能诊断、身体形态诊断、心理状态诊断和运动损伤诊断等。技战术训练诊断根据运动项目的不同，诊断指标有所不同，主要是技战术诊断的指标各不相同。如乒乓球的技战术指标主要有：发球得失分、接发球得失分、第三拍得失分、第四拍得失分、相持球得失分、发球强攻段得分率和使用率、接发球抢攻段得分率和使用率、相持球段得分率和使用率。而击剑的技战术指标有：准备进攻得失分、进攻得失分、防守得失分、反攻得失分、最后一剑得失分、决一剑得失分、前三剑得失分、4-11剑得失分、后三剑得失分以及各个阶段的使用率等。体能诊断、身体机能诊断、身体形态诊断和心理状态以及运动损伤诊断等等都是根据记录的相应数据进行诊断分析并能够对数据进行图形化显示。

2.2.5 知识库模块

在知识库模块中可以完成准备活动、体能训练、整理活动、运动心理学、运动人体科学、等子模块中词条和知识的添加。其添加的过程是：首先在相应的文本框中输入要添加的词条名称，输入完毕后，点击“添加”按钮就可以为此词条添加新的知识，在知识内容编辑框中可以输入文本、表格、图形、图像，还可以设置字体和颜色，可以连续为词条添加知识，每添加一条知识，相应的会在窗体上进行显示，并可以对添加的知识进行编辑。

知识库模块中包含技战术分析子模块，该模块的数据来源是相应的技战术采集与智能分析系统中的相关数据，通过数据导入功能将数据进行导入，在该模块中教练员可以查找出相关的比赛技战术分析数据。

知识库模块中的在线知识库主要通过选择的范围（网址、时间、关键词）收集internet网络中与训练、比赛、对手等相关的信息，为训练和比赛计划制定提供信息帮助。首次使用前需要通过系统配置的“知识库注册码生成器”进行注册，然后使用配置面板对网页保持文件夹、搜索网站范围进行配置。

知识库模块还有一个非常重要的功能是进行隐性知识的发现，该功能依托于训练计划制定窗口，在教练员进行练习方法与练习手段的选择时，可以进行知识发现。例如在进行个人课计划制定时，选择练习手段，知识库会进行查询看库中是否存有相关知识，如果没有则知识库系统会从数据库中获取与当前课计划相关的其它训练计划历史数据，调用粗糙集算法进行隐性知识的生成和显示，教练员可以根据显示的隐性知识进行评估选择，同时知识库中根据教练员的选择进行知识的更替，统计当前课计划所在周期计划的各种练习手段的安排，教练员对比参考来调整当前的计划完成制定[7]。

3 系统关键技术

系统在数据库的存储结构上选取了富文本格式这种超文本技术来解决训练方法和手段的知识库系统中对显性知识的存储，利用粗糙集算法对知识库中的隐性知识进行知识发现从而实现智能化的运动训练计划系统。下面对这两种关键技术进行说明如下：

3.1 超文本技术

超文本技术是信息管理技术的一种，它是根据人脑的思维模式具有联想式的记忆特点来设计的一种非线性结构，其主要组成成分是节点和链，用信息节点来表示现实中的信息数据，用链的结构来表示各种信息相互之间的关系，从而组成一个能够代表语义关系并且具有一定的逻辑结构的非线性网络。它是由数据库层、表现层和抽象层三层组成的，支持文本格式、图形、颜色、图像信息的处理，而且能够支持多用户对同一超文本数据的操作。

常用的超文本格式主要有：超文本标记语言、富文本格式。其中超文本标记语言具有很强的信息收集能力，它能够根据收集的相关信息实现一个完整的文档库的组合，进而链接该文档库和网络上的其它文档库，实现超级链接。链接的位置可以是本文档的内容，也可以是网络中的任何文档内容。富文本格式是微软开发的一种跨平台文档格式，它是由未格式化文本、控制符号、组和控制字这几个基本要素组成的。其中控制字是以字符“”开头的，其主要格式如下：

LetterSequence即字符序列，是由ASCII码表示的大小写字母字符组成。Delimiter 即分隔符其作用是控制字的结束，它可以是空格字符、数字字符、连接符号、或是任意的非字母和数字字符。

组是一个集合，其集合元素包括：文本、控制字、控制符号等。组中的文本由组的属性来控制，其基本格式为：‘｛’

‘｝’。

由于本系统可以运用到多个运动项目中，各个项目的训练方法和手段虽然各不相同，但它们可以具有同样的层次结构如某个训练方法可以分为多个练习分类，而练习分类又可以分为多个练习名称，练习名称下面在分为多个练习手段。以课训练计划为例，它的练习分类主要有：专项战术训练、一般体能训练、专项体能训练、专项技术训练；而一般体能训练分为：各种力量练习、速度练习、耐力练习、柔韧练习、灵敏练习。速度练习又可以分成多个练习手段。因此练习分类、练习名称和练习手段它们之间是逐级递进的关系，其中练习手段的文献中可以有多种信息结构如：文字信息和图片信息。为了保证信息资料的完整存储并且考虑到在线知识库中练习手段的在线搜索，故而采用富文本格式来对之进行存储。此方法可以实现对文献中各种文本格式以及表格数据、图片数据的同时存储，实现编码方式的有序统一。

3.2 基于粗糙集的知识发现方法

3.2.1 粗糙集理论

粗糙集理论是一种处理不完整和不确定性信息的数学方法，它可以通过对各种分析不一致，不确定、不完整的数据进行推理和分析，找出其中隐含的知识。粗糙集理论利用分类机制将知识进行划分，对不确定的知识用已知的知识来进行划分。以等价关系来表示分类，将知识理解为：应用等价关系集合对离散空间进行划分的结果。应用粗糙集理论进行知识发现包括以下几个步骤：对数据的预处理、进行约简数据、规则的生成和获取数据依赖关系。

3.2.2 基于粗糙集的知识发现

粗糙集中使用信息表来描述数据集合，为了实现对练习手段的安排与运动员竞技状态的影响的隐性知识的数据挖掘，定义信息表的属性集合=｛练习时间、比重排名、运动负荷｝，结果属性集合=｛运动员的竞技状态｝。根据运动训练的安排进行离散化，设定练习时间的离散值为 50，以 0作为最小练习时间，对运动负荷进行离散化设定断点间隔为5，起点为 0，对竞技状态设定离散值 1、2、3、4、5分别对应运动员的竞技状态为最佳、次佳、一般、较差、最差。

利用Johnson算法对属性进行约简，得到约简后的信息表，再对此信息表依据多数优先的原则进行规则的提取，优先选择覆盖率高的规则就可以得到该练习手段的隐性知识。

4 系统特色

本系统相比同类系统具有以下特色：

（1）能够对运动训练计划进行科学化的存储管理，能够对大量的历史训练数据如训练量、训练负荷、运动员的训练生理数据、训练过程中的技战术变化数据、相关训练方法和手段等进行保存、查询、更新操作。

（2）能够调用技战术分析系统的数据，实现数据的共享，从而能够对运动员训练过程中的技战术分析数据进行分析和检测，更好的了解运动员的竞技状态。

（3）具有检查与分析功能，可以根据运动训练的普遍规律，即诊断—>训练计划制定—>训练的实施与反馈—>比赛，结合运动项目的特点，对训练计划的执行情况进行检查从而能够确定该计划制订的合理性。

（4）训练诊断部分能够结合运动员的生理指标数据的变化对运动员的训练过程进行监控，实现最大程度的避免运动员训练过程中的运动损伤。

（5）知识库部分能够分析大量的历史训练数据，对训练过程中的各种训练手段和训练方法进行知识发现，这些发现的隐性知识对提高教练员的训练水平具有重要意义，能够有效的提高教练员的工作水平，加快训练的科学化进程。

5 总结

本系统已经在乒乓球羽毛球运动管理中心、网球运动管理中心、国家击剑队、拳击跆拳道运动管理中心、全国羽毛球培训中心得到了广泛的应用，用户广泛评价该系统具备了完善的功能、训练计划制定的流程符合教练员的日常训练工作、各种训练计划格式非常规范、训练检查与分析模块、训练诊断模块和知识库模块非常新颖，能够为教练员获取相关信息资料，积累原始训练数据，进行训练诊断与分析从而科学制定训练计划提供极大的便利，是个很实用的系统，对教练员的训练工作有很大的帮助。

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