CC BY
0
ALGORITHM OF DATA PROCESSING IN SEQUENTIAL SCALES FOR SYSTEMS OF ANALYSIS OF EVALUATION OF DISCIPLINES
A.A. Danichev, A.I. Karnaukhov, S.A. Voinash, S.I. Zatenko
Every semester, university students, during a survey, give points on various aspects of the educational process. The difference in the sets of subjects studied leads to a large number of omissions in the source data. In this paper, we consider the possibility of increasing the relevance of the final rating of disciplines using data analysis methods in ordinal scales.
Key words: educational process, indicator, discipline rating, data analysis, ordinal scale.
Danichev Alexey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, adanichev@sfu-kras. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Karnaukhov Andrey Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,
Voinash Sergey Alexandrovich, junior researcher, [email protected], Russia, Rubtsovsk, Rubtsovsk Industrial Institute (branch) of Polzunov Altai State Technical University,
Zatenko Svetlana Ivanovna, candidate of technical sciences, docent, s [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Forest Technical University named after S.M. Kirov
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-150-151
БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЛЕЙБОЛА И ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ДВИЖЕНИЙ
ВОЛЕЙБОЛИСТОВ
С.Л. Горобченко, Д.А. Ковалев, С.А. Войнаш, Т.Н. Бахтина, О.Ю. Воронов
Рассмотрены основные положения биомеханики движений волейболистов. Проведен биомеханический анализ техники приема подачи в волейболе с целью выработки алгоритма, позволяющего проводить машинный анализ движений и выработки практических рекомендаций по их коррекции или совершенствованию. Продемонстрированы основные биомеханические модели движения волейболистов. Показаны возможности применения интеллектуального анализа данных для повышения качества движений волейболистов. Разработана структурная схема анализа биомеханических движений волейболистов. Указанные разработки позволяют проводить анализ биомеханических движений волейболистов и вырабатывать оптимальные варианты для игры и коррекции биомеханических движений игроков различной физической конституции.
Ключевые слова: волейбол, биомеханика движений на подаче и приеме, интеллектуальных анализ данных, повышение качества движений.
Искусственный интеллект предоставляет большие возможности в анализе данных и способен значительно облегчить подготовку спортсменов к выполнению технических приемов. Интеллектуальный анализ данных использует методы машинного обучения для извлечения нетривиальной и потенциально полезной информации из огромной выборки данных.
Использование более сложных инструментов, таких как методы обработки больших данных (Data mining) позволяет работать непосредственно с большими данными. Методы обработки больших данных указывают тенденции в данных, которые выходят за рамки простого статистического анализа. Современные методы искусственного интеллекта, такие как ассоциативные правила, деревья решений, модель гауссовых смесей, алгоритмы регрессии, нейронные сети, векторные машины поддержки, байесовские сети ит.д., используются во многих областях для решения проблем ассоциации, классификации, сегментации, диагностики и прогнозирования.
Зачастую вопросы применения методов искусственного интеллекта к задачам биомеханической оценки качества движения волейболистов остаются без внимания. Об этом свидетельствуют многочисленные потери на подачах, особенно силовой подаче в прыжке, недостатки приема сильных ударов и другие проблемы в технике работы волейболистов. В большой степени они связаны с недостатками или белыми пятнами в понимании волейболистами своих собственных движений.
В статье ставится задача рассмотреть возможные методы применения методик интеллектуального анализа данных к биомеханическим основам движений волейболистов для повышения качества движений.
Литературный обзор. Несмотря на то, что волейбол занимает третье место в стране по массовости и популярности, многие вопросы систематизируются и освещаются недостаточно. Тем не менее, появилось несколько монографий, создающих основы для дальнейшей информатизации интеллектуализации задач совершенствования биомеханики движений волейболистов [1-3].
Среди наиболее передовых методик, которые могут быть положены в основу алгоритмизации и интеллектуализации процесса подготовки волейболистов, можно отметить рассмотрение биомеханических движений тела как основу тренировочного процесса в волейболе [4], выделение разных сторон биомеханического движения для совершенствования нападающего удара [5], силовой подачи в прыжке [7].
Специалисты изучают и проблемы организации комплексных движений, в частности, интеграции разнородных психомоторных качеств в целостных двигательных действиях спортсменов [6], разбирают принципы формирования рациональных двигательных действий [8], используя для этого такие современные методы измерений как стабилографический тренинг с обратной связью для повышения точности движений [9], в т.ч. и в разных физиологических положениях [10]. Полезную роль в анализе сложных биомеханических движений играет анализ различий в биомеханике движений, например, в положении ударного звена в фазе замаха при нападающем ударе в волейболе [11], в развитии подходов к созданию взрывной силы нижних конечностей [13]. Эти подходы создают основу для формирования методик развития координационных способностей на занятиях по волейболу [12]. Анализу подвергаются алгоритмы совершенствования нападающего удара на основе биомеханического анализа [14], создания биомеханических моделей перемещений [15], а с учетом необходимости быстрой корректировки и совершенствования движения, формируются экспресс-методики анализа параметров движения [16-18]. Многие из представленных методик могут быть включены в интеллектуальные алгоритмы для совершенствования биомеханики движений волейболистов.
Задачи информатизации и интеллектуализации анализа биомеханических движений также находят отражение в работах некоторых исследователей [19, 20, 23]. Основное внимание разработчиков сосредотачивается на связи параметров двигательных возможностей спортсменов в условиях тренажерного или машинного воздействия [21], возможностей использования фазового пространства в информационном обеспечении анализа спортивных движений [22], использовании механизмов анализа влияния зрительных образов на формирование вариативности приемов и создания идеомоторных тренировочных комплексов [25]. Достижения в этой области также уже находят отображение в теоретических обобщениях [24, 26].
Биомеханические основы движений волейболиста. Основу локомоторных движений волейболиста на площадке составляют перемещения и прыжки, как с места, так и с разбега. Основные биомеханизмы приведены ниже:
1. Разгибание ног и выпрямление туловища.
2. Движение маховых звеньев.
3. Поворотное движение тела как целого относительно точки опоры ("Механизм перевернутого маятника").
Каждый из перечисленных биомеханизмов может выполняться независимо от другого и приводить к изменению положения и скорости общего центра масс (тяжести) тела ОЦМ. Любой из видов двигательной деятельности может "складываться" из одного или нескольких биомеханизмов, взаимосвязанных на динамическом уровне, вклад которых различен. Понимание феноменологии и закономерностей проявления каждого из биомеханизмов, с учетом режима сокращения мышц, позволяет найти рациональную технику выполнения двигательных действий.
Феноменология этого механизма во всех видах перемещений и прыжков в волейболе сводится к следующим трем основным факторам:
- оптимальному сгибанию ног (ноги) в коленном суставе в зависимости от начальных условий выполнения отталкивания от опоры;
- последовательному разгибанию тазобедренного и коленного суставов при отталкивании;
- разнонаправленному изменению углов в тазобедренном и коленном суставах при амортизации (уступающий режим) и последующем разгибании ноги в коленном суставе.
Биомеханический анализ техники приема подачи в волейболе. Высокая значимость приема подачи в волейболе объясняется тем, что ошибка на приеме - это очко противнику практически без игры. Модельные характеристики эффективности отдельных технических приемов требуют от игроков команд высших разрядов 75-80 % мячей от общего количества приемов направлять в зону связующего, при 3-4 % ошибок (потерянные мячи). Характерным является значительные неточности в выполнении первого условия и значительное превышение количества ошибок, иногда в разы, по сравнению со вторым условием.
Характеристика игрового технического приема. Прием подачи снизу относится к амортизационно-точностным движениям, связанным, во-первых, с амортизацией удара мяча в пределах, допускаемых правилами соревнований, и оставлением мяча в игре в пределах игрового пространства (программа минимум), и, во-вторых, с точным направлением мяча в цель после приема подачи (программа максимум).
Решение задачи целевой точности требует:
- пространственной координации движений, безошибочного приведения рабочей зоны кинематической цепи к заданной точке движущегося мяча;
- временной координации, точного согласования во времени движений тела и мяча;
- тонкой дифференцировки усилий в рабочей зоне тела, динамической мышечной координации, как в пространстве, так и во времени.
Модели биомеханики движений волейболистов. С позиций биомеханики результатом решения перечисленных задач является придание оптимального значения вектору начальной скорости отскока мяча, что обеспечивает попадание траектории полета мяча с заданными кинематическими параметрами в заданную точку пространства. Учитывая необходимость амортизации ударного взаимодействия с мячом, представляется рациональным обеспечить контакт предплечий игрока с мячом с минимально возможной абсолютной скоростью Vабс. Эта скорость складывается векторно из скоростей относительных движений общего центра тяжести Vоцт принимающего игрока, активного движения точки контакта предплечий Vпр в момент контакта с мячом и скорости полета мяча Vм в этот момент.
Уабс = Ум + Уоцт + Упр. (1)
Вектор скорости полета мяча Vм по условиям игры всегда направлен от сетки к лицевой линии, частично меняя угол в пределах игровой площадки. Движения ОЦТ и предплечий в момент контакта игрока с мячом являются управляемыми и могут в зависимости от техники игрока менять их направление относительно траектории мяча:
движение навстречу, движение от мяча («осаживание» рук) и неподвижное положение. В последнем случае скорость соударения мяча и предплечий будет равна скорости полета мяча. В первом случае все три составляющие скалярно суммируются, и скорость соударения будет максимальной, во втором случае они будут вычитаться, и, следовательно, скорость соударения мяча с ударной поверхностью предплечий - минимальна.
Приведенные соображения позволяют выдвинуть ряд возможных решений, особенно актуальных при приеме силовой подачи соперника в прыжке, когда мяч летит с огромной скоростью, и у принимающего подачу игрока две задачи:
- попасть на траекторию полета мяча
- максимально смягчить его прием, амортизируя ударное взаимодействие.
При этом немаловажным фактором становится то, что общее время, отпущенное игроку на безошибочное действие, приближается ко времени его простой реакции в пределах 0,1-0,2 с.
На рис.1 показано положение тела и рук при разной траектории отскока мяча в заданную точку.
1 Л
Ь Н, I
Рис. 1. Приём при разной траектории отскока мяча в заданную точку
Минимально необходимая скорость отскока мяча от рук принимающего в зону связующего определяется из задачи обеспечения целевой точности (попадание траектории отскока в заданную точку) с учетом упругопласти-ческих свойств соударяющихся тел, коэффициента восстановления при ударе и вращения мяча.
Исходными предпосылками для дальнейшего анализа могут служить:
а) главное значение для точности приема имеет положение ударного звена (плечо-предплечье) относительно горизонта и высота от пола точки контакта с мячом;
б) предплечья должны быть супинированы и сведены так, чтобы их внутренние поверхности составляли одну плоскость;
в) все остальные характеристики многозвенника кинематической цепи являются производными от вышеназванных и сугубо индивидуальны.
Общими особенностями описываемого технического приема являются:
- плечо-предплечье в момент контакта представляют собой единое целое, с полным разгибанием в локтевом суставе, с идеальным их сведением и супинацией;
- разгибание кистей в запястье с целью натяжения мышц рабочей поверхности предплечья и улучшения супинации, разгибания в локтевом суставе;
- все остальные характеристики положения (суставные углы в коленном, тазобедренном и плечевом суставах и высота точки контакта мяча с руками от пола) весьма разнообразны, часть из них может быть отнесена к техническим погрешностям, но в большей мере они ситуативны и индивидуальны, так что жесткие детерминированные рекомендации в этой части могут быть приняты только как ориентировочные;
- концентрированное внимание на летящий мяч, причем точка контакта с мячом (положение плеч и предплечий) выбирается так, что в поле прямого зрения оказываются: мяч, предплечья и дальние зоны площадки в направлении приема.
Основные требования к технике приема в данной фазе:
1. Минимальное встречное движение рук в плечевом и локтевом суставах.
2. Минимальное встречное движение корпуса за счет разгибания ног в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах (за исключением слабых по силе подач на лицевую линию площадки с длинной доводкой).
3. Фронтальная плоскость туловища и общая плоскость соединенных предплечий должны быть перпендикулярны траектории полета мяча после приема на связующего.
4. Предплечья обеих рук должны быть максимально разогнуты, супинированы и сведены (в идеале с касанием медиальных поверхностей супинированных предплечий) и составлять одну плоскость.
5. Мяч должен попасть на среднюю треть предплечий.
6. Кисти должны быть разогнуты для большего напряжения ударных поверхностей предплечий.
7. Наклон рук и туловища должен соответствовать положению точки приема относительно сетки и связующего: ближе к сетке, спина ровнее, руки горизонтальнее.
Точность приема подачи. Проблема точности игровых действий - главная в волейболе. Оценка точности двигательных актов по конечному результату, по попаданию мяча во всех игровых действиях в определенную точку игрового пространства определяет целевую точность, которая оценивается по величине отклонения от цели или по процентному отношению удачных и неудачных попыток. Указанные во введении модельные характеристики качества приема и есть, по сути, оценка целевой точности по второму методу.
Биомеханическая характеристика точности движений предполагает рассмотрение техники движения, роль которой основана на расположении звеньев тела в пространстве и наличии внутренних ориентиров (голова, лицо, плечи). Совершенная техника создает стандартные условия, наиболее благоприятные для достижения требуемой целевой точности. При этом «зона точностных действий» достаточно узкая - ноги создают необходимый двигательный фон для точностной работы рук. Управление движениями за счет работы соответствующих мышц может быть реализовано двумя путями:
а) соблюдением заданных характеристик - параметров вылета мяча, определенных заранее и дающих решение задачи целевой точности;
б) коррекцией по ходу движения, в процессе контакта с мячом.
В данном случае первый путь - основной, базовый. Реализация управления в процессе соударения рук и мяча принципиально возможна исключительно по причине некоторого отличия ударных взаимодействий в волейболе от классической теории удара. Классическое определение ударных явлений в механике приводит к пренебрежению силами неударными по причине бесконечно малого времени удара. Время соударения мяча с руками игрока на приеме подачи должно быть, с одной стороны, достаточно малым, чтобы не нарушались требования правил соревнований, с другой стороны, достаточно большим, чтобы возможно было осуществить управляющую коррекцию движения. На приеме подачи это время составляет 0,3 с, что позволяет на участке траектории 20-30 см осуществлять управление движением на завершающем этапе действия конечным звеном многозвенной цепи.
На рис.2 показаны два вида выполнения приема подача в прыжке правильное (А) и неправильное (Б).
Рис. 2. Виды выполнения приема подача в прыжке: правильное (А) и неправильное (Б)
Факторы, влияющие на точность приема
Конечным результатом действий игрока на приеме подачи является финальная целевая точность попадания принятого мяча в заданную точку игрового пространства с заданными параметрами (время полета, скорость полета мяча в зоне связующего, координаты). Попадание в цель зависит от ряда факторов, которые необходимо учитывать при обучении и совершенствовании приема. К ним отнесена связь с точностью следующих переменных:
- расстояние до цели,
- масса мяча,
- амплитуда движения конечностей (сопровождение мяча в пределах времени контакта),
- угол расположения по отношению к цели,
- ширина цели и горизонтальное расстояние до нее,
- начальные условия вылета мяча после приема (начальная скорость Vo и угол вылета ао). Рассмотрим более подробно влияние последних факторов. На рис. 3 представлена траектория полета мяча
после приема с начальной скоростью Vo под углом к горизонту ао в зону связующего (точка А), отстоящую от зоны приема на расстояние L на высоте Н.
Рис. 3. Траектория полета мяча на приеме подачи
153
Уравнение траектории полета мяча без учета сил сопротивления имеет вид:
---2
у = хгда - -
>Е__(2)
2Ч02соБ2а0 к '
Достижение целевой точности возможно разными по виду траекториями и начальными условиями, а критерии оптимальности - различны для разных игроков и ситуаций:
а) для принимающего игрока скорость вылета мяча после приема подачи должна быть минимальной:
Уо = Уошт;
б) для пасующего скорость мяча в точке А - желательно минимальная:
Уа = УаШГП;
в) с тактической точки зрения для обеспечения быстрой ответной атаки время полета должно быть оптимальным для конкретной тактической ситуации:
Та = Топт.
Из уравнения (2) следует, что при выполнении целевой точности и попадании мяча в точку нахождения связующего А - Ха = Ь, У а = Н, и выражение скорости отрыва мяча от рук принимающего игрока Vо как функция угла вылета ао принимает следующий вид:
Vo =■
cos a0^Ltga0- Н
Из практических условий проведения игры и математической логики: - минимальное значение угла вылета ао, при котором возможно попадание в точку А:
н
(3)
imin > arctg -
(4)
- максимальное значение угла вылета ао, при котором достигается целевая точность попадания мяча в точку А ограничено реальной высотой потолка в игровом зале
_ = ур;з1п2а0 (5)
Утах 2д ^ '
Анализ функциональной зависимости (3) начальной скорости полета мяча Vо от угла вылета ао, а, следовательно, и наклона рук игрока на приеме подачи, проводится в поиске существования минимума функции Vо = £(ао) в области действительных решений математической задачи производной функции (3) Р(ао) = 0. Решение поставленной задачи приводит к поиску действительных решений трансцендентного уравнения (6), не имеющего аналитического решения в области значений 0 <ао< 9о°.
■ 2 г\ с . н ^1п2а
31П2а = 0,5 +--
2. " (6) Предполагая, что оптимальная для связующего высота доводки мяча Н = 2,5 м, а в реальных пределах игровой площадки L = 3-10 м решение уравнения (6) проводится на ПЛК, в результате расчета по которому, в зависимости от зоны приема, получают оптимальные значения наклона предплечий принимающего игрока, при которых скорость вылета мяча минимальна (рис.4) [1,3].
v «-с ы
1i
» 30 -И ill <Н) 7» Oj Рис. 4. Оптимальные параметры приема подачи
Анализ полученных результатов показывает, что для всего диапазона значений L = 3-10 м существуют значения углов вылета (наклона предплечий), при которых траектория полета мяча оптимальна с точки зрения минимальности скорости вылета Vo и скорости в точке передачи Va. В ряде случаев особый интерес может представлять случай, когда в точке передачи А, вертикальная составляющая скорости Vyа обращается в ноль. Это точка траектории, где мяч как бы «повисает», что создает определенные удобства для пасующего. Время полета Та не имеет экстремальных значений и в области оптимальных углов ао колеблется в пределах 0,9-1,4 с в зависимости от расстояния между принимающим и связующим игроками и может варьироваться за счет наклона предплечий в зависимости от принятой тактики игры, индивидуальных особенностей принимающего и нападающего игроков.
Рекомендации по устранению технических недостатков:
1. Ошибки, связанные с индивидуальными анатомическими особенностями и низким развитием подвижности в суставах, в движениях и положениях, лимитируют технически правильное выполнение приема.
2. Причины ошибок относительного положения ног, туловища, плеч и предплечий при выходе к мячу состоят в недостаточном внимании на начальной стадии обучения к правильным стойкам, исходным положениям, перемещениям в имитационных упражнениях без мяча.
3. Ошибки внимания и зрительного контроля связаны с несвоевременным сосредоточением на приеме, а также с недостаточным прямым зрительным контролем мяча в момент его касания рук. Этот недостаток усугубляется при опускании предплечий ниже коленных суставов, и при недостаточном сгибании ног мяч исчезает из поля периферического зрения.
4. Недостаточная различительная чувствительность временных микроинтервалов, кинематических и динамических характеристик (усилий, суставных углов, оценка траектории, скорости полета мяча) снижает способность к тонкой дифференцировке усилий, точному расположению звеньев, оценке временных последовательностей.
Представленные уравнения могут быть положены в основу интеллектуального анализа данных волейболистов для совершенствования их техник приема, паса, подачи, выбора позиции на поле и блоке и пр.
Методы интеллектуального анализа данных. Методы интеллектуального анализа данных позволяют специалистам по данным и пользователям (в данном случае - волейболистам, тренерам, комментаторам и др.) более эффективно использовать большие объемы данных. Среди методов можно назвать следующее:
Отслеживание паттернов - это фундаментальный метод выявления закономерностей, например, увеличение эффективности прыжка с ростом количества силовых тренировок. Но только нужные закономерности не столь очевидны.
Ассоциация - метод, связанный с отслеживанием паттернов. Он ищет переменные, связанные друг с другом в определенные моменты. Примером может служить понимание того, что происходит, когда волейболист совершает прыжок перед ударом. Так, в зависимости от подлета мяча и движения волейболиста к мячу (например, прямой подход, боковой подход), можно с определенной вероятностью спрогнозировать выбор его следующего действия (удара или скидки), а после действия, можно классифицировать его возможные действия в защите, например, возможность принятия мяча после блока.
Классификация - это метод, который позволяет распределить данные по разным категориям и присвоить им какой-либо класс. Например, на основе анализа успешных/неуспешных ударов волейболиста можно классифицировать его способности к ударам с низким, средним или высоким уровнем эффективности.
Выявление аномалий - метод интеллектуального анализа данных, который ищет исключения в наборах данных. Примером может служить резкий всплеск реакции после тренировок по концентрации и идеомоторным тренировкам.
Кластеризация - этот метод по своей природе похож на метод классификации. Данные сгруппированы на основе их сходства. Например, волейболисты объединяются в группы (кластеры) на основе их сыгранности, наиболее выгодной позиции, умению сочетать друг с другом комбинации (волна, крест, пайп и др.).
Модель смеси Гаусса - это вероятностная модель, которая предполагает, что все точки данных генерируются из смеси конечного числа распределений Гаусса с неизвестными параметрами. Можно думать о смешанных моделях как об обобщении кластеризации к-средних для включения информации о ковариационной структуре данных, а также о центрах скрытых гауссиан.
Регрессия - это способность предсказывать значение на основе прошлых значений. Регрессия определяет среднее значение с течением времени, потому что такие вещи, как рост высоты прыжка, повышение точности и силы подачи, качество приема со временем будут колебаться немного выше или ниже текущих значений.
Прогнозирование - это метод интеллектуального анализа данных, который позволяет волейболисту прогнозировать свою эффективность в будущем.
На основе представленных положений по биомеханике движений волейболиста и рассмотренных перспективных методов интеллектуального анализа данных разработана структурная схема интеллектуальной системы управления, рис.5.
Рис.5. Структурная схема интеллектуальной системы управления
Входом системы является блок ввода информации, предназначенный для ввода числовых данных, текста, речи, распознавания изображений. Информация на вход системы может поступать (в зависимости от решаемой задачи) от пользователя, внешней среды или объекта управления. Сюда поступает вся полученная информация об игре. В нашем примере это может быть видеоматериал или же просто запрос пользователя.
Далее входная информация поступает в блок логического вывода, может поступать как в базу данных (БД), так и в блок логического вывода (БЛВ), в котором могут быть сформированы решения, вопреки даже нечетко сформулированной задаче. В волейболе это может быть комбинация противника, в ответ на которую необходимо сформулировать ответ.
В этом БЛВ помогают база данных (БД) - являющаяся хранилищем классифицированной информации, разделенной на тематические и классовые участки для лучшей упорядоченности, базы целей (БЦ), где содержатся целевые структуры. Они являются сценариями, которые позволяют организовать процессы движения от исходных фактов, правил и процедур к достижению цели, которая поступила в систему от пользователя или была сформулирована самой системой в процессе ее деятельности. На примере волейбола целью будет являться победа в игре путем набора нужного количества очков.
Также должен быть разработан блок алгоритмических методов решений (БАМР). БАМР содержит программные модули решения задач предметной области по алгоритмам. На примере волейбола это может быть запрос по типу - «как научиться бить быстрее».
Блок усвоения знаний (БАЗ) осуществляет анализ динамических знаний с целью их усвоения и сохранения в базы знаний, в волейболе это может быть анализ вида приема, например, если предметом запроса являлся видеоматериал, подлежащий анализу, то этот блок позволит сохранить выводы, сделанные системой из игры, и система пополнит свою базу данных новыми знаниями.
Блок объяснения решений (БОР) показывает пользователю последовательность логического вывода, примененную для достижения текущего результата. Он требуется пользователю для пояснения и демонстрации того, почему и как именно было принято решение для той или иной рекомендации или вывода на заданный запрос.
Для создания интеллектуальной системы помощника, которая будет помогать и значительно ускорить обучение человека игре в волейбол, необходим большой объем данных для обработки. Это необходимо, чтобы, помимо изначально внесенных данных в систему, она могла самообучаться и делать выводы по тактике в игре с помощью машинного обучения и анализа большого количества видеоматериалов игр; понять, какие действия или их последовательность наиболее вероятно ведет к победе и поражению. Необходима аналитическая распознавательная система, которая по видеоматериалам может определить положение игроков, мяча и воспринимать биомеханику игроков для дальнейшего обучения. Также альтернативным или дополнительным вариантом обучения может являться обучение по реальным играм игроков с анализом большинства мест, куда обычно совершаются удары.
Исходя из полученных данных, система сможет сделать очень полезные выводы об эффективности конкретных действий игроков и, исходя из этого, сможет дать совет по поводу эффективности применения ударов или скидок в той или иной ситуации. Это было бы дорогостоящим, ввиду привлечения людей в исследовательскую работу. Из эффективных способов интеллектуального анализа данных можно отметить использование алгоритма кластеризации гауссовых моделей, так как он может работать с целыми кластерами данных и составлять статистику исходя из разбора данных.
Приведенные положения позволят намного быстрее и точнее анализировать игру волейболистов и давать полноценные рекомендации по совершенствованию биомеханики их движений.
Список литературы
1. Шалманов А.А., Зафесов А.М., Доронин А.М. Биомеханические основы волейбола. Майкоп, 2007. 90 с.
2. Марков К.К. Техника современного волейбола: монография; М-во образования и науки Российской Федерации, Сибирский федеральный ун-т. Красноярск: СФУ, 2013. 218 с.
3. Олейников Р.В. Биомеханические основы техники спортивных двигательных действий в волейболе // Биомеханика двигательных действий и биомеханический контроль в спорте. Материалы V Всероссийской с международным участием научно-практической конференции. Министерство спорта Российской Федерации; Российский государственный университет физической культуры, спорта, молодежи и туризма; Московская государственная академия физической культуры. 2017. С. 79-84.
4. Летаиеф А., Белянский И.В. Биомеханическое движение тела как основа тренировочного процесса в волейболе // Донецкие чтения 2018: образование, наука, инновации, культура и вызовы современности. Материалы III Международной научной конференции. Под общей редакцией С.В. Беспаловой. 2018. С. 349-352.
5. Гайков Э.А., Бондаренко А.Е., Сычова В.А. Совершенствование техники нападающего удара в волейболе на основе биомеханических характеристик движения // Физическая культура и спорт в современном мире. Сборник научных статей. К 70-летию факультета физической культуры. Редколлегия: Г.И. Нарскина. Гомель, 2019. С. 266-269.
6. Марков К.К. Проблемы интеграции разнородных психомоторных качеств в целостных двигательных действиях спортсменов в различных видах спорта // Современные наукоемкие технологии. 2016. №2-3. С. 528-532.
7. Яковлев Д.С., Сидоров А.В., Половников Е.В. Биомеханические особенности выполнения военнослужащими волейбольной силовой подачи в прыжке // Психологические и педагогические аспекты научного становления личности. Сборник статей международной научно-практической конференции. 2017. С. 218.
8. Томилов В.Н. Принципы формирования рациональных двигательных действий в спорте: автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра пед. наук: 01.02.08; [Адыгейс. гос. ун-т]. - Майкоп, 2009. 64 с.
9. Капилевич Л.В., Кошельская Е.В., Кривощеков С.Г Физиологические основы совершенствования точности движения на основе стабилографического тренинга с биологической обратной связью // Физиология человека. 2015. Т. 41. №4. С. 73.
10. Кошельская Е.В. Физиологическое обеспечение точностно-целевых действий в безопорном положении в волейболе: автореферат дис. ... кандидата медицинских наук: 03.03.01. Место защиты: Сиб. гос. мед. ун-т МЗ РФ. Томск, 2011. 22 с.
11. Полежаева О.Н. Биомеханические различия в положении ударного звена в фазе замаха при нападающем ударе в волейболе // Биомеханика двигательных действий и биомеханический контроль в спорте. Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Редактор-составитель А.Н. Фу-раев. 2019. С. 152-159.
12. Мохова К.С., Витман Д.Ю., Бобровский Д.А. Методика развития координационных способностей на занятиях по волейболу // Здоровье человека, теория и методика физической культуры и спорта. 2020. № 2 (18). С. 280-285.
13. Гусев А.А. Средства воспитания взрывной силы нижних конечностей пляжных волейболистов высокой квалификации // Тенденции и инновации развития современного волейбола. Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием, посвященная подготовке к чемпионату мира по волейболу 2022 года. Москва, 2022. С. 55-59.
14. Бужинский А.В. Алгоритм совершенствования нападающего удара в пляжном волейболе на основе биомеханического анализа // Информационно-инновационные технологии в педагогике и образовании. Сборник статей Международной научно-практической конференции: в 2 частях. 2017. С. 49-52.
15. Горчанюк Ю.А. Усовершенствование технической подготовки спортсменов в пляжном волейболе на основе биомеханических моделей перемещений // Физическое воспитание студентов творческих специальностей. 2008.№2. С. 11-17.
16. Бужинский А.В. Технология совершенствования техники нападающего удара в пляжном волейболе на основе биомеханического экспресс-анализа параметров движения // Обучение, развитие, воспитание в современном образовательном процессе. Сборник статей IX Международной научно-практической конференции. Петрозаводск, 2023. С. 87-94.
17. Бужинский А.В. Возможности совершенствования техники нападающего удара в пляжном волейболе // Физическая культура. Спорт. Туризм. Двигательная рекреация. 2018. Т. 3. № 3. С. 19-24.
18. Бужинский А.В., Павлов П.В. Биомеханический анализа атакующих движений в пляжном волейболе как эффективный путь подготовки спортсмена // Ученые записки. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2014. № 3 (31). С. 196-198.
19. Колентеев Н.Я., Кобелева А.С., Щербакова Н.Л. Об основных понятиях интеллектуальных систем // Информационные технологии в современном инженерном образовании. Материалы II межвузовской научно-практической конференции. Петергоф, 2021. С. 189-198.
20. Нечушкин Ю.В., Чубуков Н.Н. Информатизация спортивной подготовки в волейболе. Физическая культура: воспитание, образование, тренировка. 2020. №2. С. 11-14.
21. Черкесов Т.Ю. Сопряженное развитие двигательных возможностей спортсменов в условиях, создаваемых модернизированной машиной управляющего воздействия: автореферат дис. ... кандидата педагогических наук: 01.02.08 / Кабард.-Балкар. гос. ун-т им. Х. М. Бербекова. Нальчик, 2001. 26 с.
22. Самсонова А.В., Ципин Л.Л., Барникова И.Э. Перспективы использования фазового пространства в информационном обеспечении анализа спортивных движений // Научно-технический вестник Поволжья. 2019. № 9. С. 40-43.
23. Храмов В.В. Специфика потребностей в информатизации образовательного процесса по физической культуре // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. №11. С. 123-134.
24. Родин А.В. Теоретико-методическое обоснование биомеханического компонента индивидуальных тактических действий спортсменов в игровых видах спорта // Теория и практика физической культуры. 2016.№2. С. 47.
25. Мельникова Т.И. Влияние зрительного образа на формирование вариативности игровых приемов волейболистов // Проблемы физкультурного образования в силовых ведомствах (структурах): содержание, направленность, технологии, организация. Сборник статей по материалам VIII международного научного конгресса. Санкт-Петербург, 2022. С. 58-61.
26. Карева Ю.Ю. Основные направления научных исследований в сфере волейбола // Российская наука: актуальные исследования и разработки. Сборник научных статей VIII Всероссийской научно-практической конференции. В 2-х частях. Редколлегия: С.И. Ашмарина, А.В. Павлова и др. 2019. С. 306-308.
Горобченко Станислав Львович, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Ковалёв Дмитрий Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник, [email protected], Россия, Рубцовск, Рубцовский индустриальный институт (филиал) Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова,
Бахтина Татьяна Николаевна, канд. пед. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова,
Воронов Олег Юрьевич, студент, top4ik8 7@gmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова
BIOMECHANICAL FUNDAMENTALS OF VOLLEYBALL AND THE POSSIBILITY OF USING DATA MINING TO IMPROVE THE QUALITY OF VOLLEYBALL PLAYERS' MOVEMENTS
S.L. Gorobchenko, D.A. Kovalev, S.A. Voinash, T.N. Bakhtina, O.Yu. Voronov
The main provisions of the biomechanics of volleyball players' movements are considered. A biomechanical analysis of the technique of receiving serve in volleyball was carried out in order to develop an algorithm that allows for machine analysis of movements and development of practical recommendations for their correction or improvement. The basic biomechanical models of volleyball players' movement are demonstrated. The possibilities of using data mining to improve the quality of volleyball players' movements are shown. A block diagram of the analysis of biomechanical movements of volleyball players has been developed. These developments make it possible to analyze the biomechanical movements of volleyball players and develop optimal options for playing and correcting the biomechanical movements ofplayers of various physical constitutions.
Key words: volleyball, biomechanics of movements at the attack and reception, data mining, improving the quality of movements.
Gorobchenko Stanislav Lvovich, candidate of technical sciences, sgorobchenko@yandex. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Kovalev Dmitry Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher, [email protected], Russia, Rubtsovsk, Rubtsovsk Industrial Institute (branch) of Polzunov Altai State Technical University,
Bakhtina Tatyana Nikolaevna, candidate of pedagogical sciences, docent, tanyal 60198@mail. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Forest Technical University named after S.M. Kirov,
Voronov Oleg Yurievich, student, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Forest Technical University named after S.M. Kirov
УДК 629
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-158-159
БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ДВИЖЕНИЙ БОКСЕРА И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ БОКСУ
С.Л. Горобченко, Д.А. Ковалев, С.А. Войнаш, В.Н. Беженарь, О.Ю. Воронов
Рассмотрены вопросы анализа биомеханики движений боксеров и принципы построения систем искусственного интеллекта для обучения боксу. Показана основная классификация ударов и защит, а также движений боксера, которые являются основой для построения основных подсистем системы искусственного интеллекта для обучения боксу. Показаны наиболее применимые модели искусственного интеллекта для анализа биомеханических движений боксера и предложена структурная схема интеллектуальной системы для обучения боксу.
Ключевые слова: бокс, биомеханика, движения боксера, системы искусственного интеллекта, обучение боксу, структурная схема.
Интеллектуальные системы не так давно стали пытаться применять в более «творческих» сферах, например, для анализа биомеханики человека, в т.ч. в спорте. Эта сфера применения является востребованной, поскольку она будет полезна как профессиональным, так и рядовым любителям спорта. Некоторые основные положения по применению искусственного интеллекта для биомеханики спортсменов показаны в работах [1, 2].
В статье рассматриваются возможности применения интеллектуальных систем для анализа биомеханики бокса. Это позволит в дальнейшем создать систему, которая будет способна помогать спортсменам в обучении. В отличие от обычных систем, содержащих простые базы данных, интеллектуальные системы будут содержать в себе не только обширную базу данных по боксу, но и иметь возможность самообучаться, делать выводы и становиться совершеннее со временем, чтобы взаимодействие с ней было все более полезным и продуктивным.
Техника в боксе играет ведущую роль, так как представляет собой умение наносить наиболее сильные и быстрые удары самым оптимальным способом. Однако трудно определить, какая техника ударов правильная, особенно у спортсменов высокого уровня. Чаще всего техника ударов - это схема, под которую тренер пытается подогнать спортсмена, что не всегда является хорошей стратегией. Поэтому нередки случаи, когда спортсмен обладает правильной, красивой техникой ударов, но удары при этом не очень сильные и быстрые, и спортсмен имеет мало побед. Вместе с тем, человек обладает мощным регуляторным механизмом, который уже давно используется в методиках биологической обратной связи, и применяется, к примеру, в реабилитации неврологических больных, а также в спорте. Вместо того чтобы пытаться объяснить боксеру, как правильно наносить удары, можно давать оперативную информацию о качестве ударов, для того чтобы тело спортсмена само находило верную позицию.
Биомеханические основы движений боксера. Удары и защитные действия боксера заключают в себе как поступательное, так и вращательное движения. Поступательным называется такое движение, когда любая линия, условно проведенная внутри тела, перемещается параллельно самой себе (например, движение боксера вперед при атаке прямым ударом левой в голову). При вращательном движении все точки тела описывают окружности, центры которых лежат на прямой, называемой осью вращения.
Мышцы, сокращаясь в разной последовательности и сочетании, приводят в движение отдельные части (конечности, туловище) тела. При частом повторении одних и тех же движений мышцы совершенствуются качественно, движения делаются быстрыми и точными.
Движения в боксе в зависимости от морфологических, физиологических и психологических особенностей боксера имеют свои пространственные, временные, скоростные и динамические характеристики. Поэтому их вариативность не имеет предела.
От кинематической цепи "стопа - голень - бедро" движение передается в следующую трехсуставную цепь: "плечо - предплечье - кисть". Звенья пояса верхней конечности подвижны, например, одна половина пояса может производить движения независимо от другой (правая от левой или левая от правой).
Эти данные являются необходимыми для общего понимания биомеханического принципа действий в боксе, а интеллектуальная система должна содержать в себе даже самые базовые вещи, чтобы стать прикладным методическим пособием для любого, кто хочет освоить это боевое спортивное направление.
Двигательные движения в боксе следует классифицировать по комплексному проявлению физических качеств. Вместе с классификацией действия систематизируют, т.е. устанавливают взаимосвязь между группами приемов и распределяют их в определенной последовательности - по степени трудности, сложности структуры и т.д. Это способствует формированию у занимающихся правильного представления о технике, последовательности этапов овладения ею и эффективному процессу обучения.
В настоящее время действия боксера, которые составляют технику, подразделяют на три вида: удары, защиты и контрудары. Из этого следует, что методическая система обучения должны содержать в своей базе данных классификации действий и их сложности в зависимости от задействуемых групп мышц.
158
