王國(guó)興

(福建省帆船帆板運(yùn)動(dòng)管理中心 福建廈門 363021)

帆船運(yùn)動(dòng)是水上運(yùn)動(dòng)的重要項(xiàng)目之一,帆船在行駛中和機(jī)動(dòng)船的動(dòng)力源不同,它主要是依靠風(fēng)對(duì)帆產(chǎn)生的作用進(jìn)而推動(dòng)船前進(jìn)的。帆船項(xiàng)目是運(yùn)動(dòng)員駕駛帆船在一定的距離內(nèi)比試航速的運(yùn)動(dòng)。結(jié)合海洋信息制定最優(yōu)路徑是帆船比賽取得最終勝利的關(guān)鍵。當(dāng)前,普通船舶的氣象導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)逐漸的完善,但是帆船在海上航行中受海浪、海風(fēng)和海流的影響比較大,因此，在規(guī)定的航程和航道寬度內(nèi)制定航行時(shí)間最短的最優(yōu)路徑要比普通的船舶困難許多。

1 帆船航行比賽中的主要特征

1.1 帆船運(yùn)動(dòng)員的體能因素

帆船運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的身體素質(zhì)要求是全面的,主要要求的內(nèi)容有運(yùn)動(dòng)員的基礎(chǔ)性耐力,相對(duì)強(qiáng)大的力量,身體核心的力量,全身肌肉的協(xié)調(diào)合作能力還有個(gè)人的力量和速度爆發(fā)力。帆船運(yùn)動(dòng)和其他速度競(jìng)技運(yùn)動(dòng)不同的是,比賽的速度不是來(lái)源于運(yùn)動(dòng)員而是海風(fēng),體能在運(yùn)動(dòng)中主要用來(lái)對(duì)風(fēng)的控制。航速的是人體對(duì)風(fēng)能利用率的體現(xiàn),運(yùn)動(dòng)員只有利用好風(fēng),掌握海風(fēng)的變化特點(diǎn)才能得到較好的航速。除了以上復(fù)雜了各項(xiàng)要求以外,帆船比賽的航程一般比較長(zhǎng),比賽時(shí)間也很長(zhǎng),這樣對(duì)比賽選手的專業(yè)綜合素質(zhì)和能力是有比較高的要求的。

1.2 復(fù)雜的比賽技術(shù)

帆船選手在比賽中要根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)的實(shí)際情況,例如:海風(fēng)風(fēng)向、梯度風(fēng)的形狀以及運(yùn)動(dòng)員自身的身體情況等對(duì)自身的技術(shù)等進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂坪驼{(diào)整,爭(zhēng)取在比賽中以最短的時(shí)間完成比賽規(guī)定的路程。在整個(gè)比賽過(guò)程中帆船選手不可能單一的按照某一個(gè)操控技術(shù)完成整個(gè)比賽航程,在帆船運(yùn)動(dòng)員的靈活掌握下根據(jù)實(shí)際情況的變化對(duì)帆船進(jìn)行掌控。

1.3 強(qiáng)大的心理素質(zhì)和較高的智力要求

圖1

帆船項(xiàng)目是一個(gè)涉及了多種學(xué)科和知識(shí)類型的需要運(yùn)動(dòng)員具備高智商的運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)員除了要有強(qiáng)大的知識(shí)能力和素質(zhì),帆船項(xiàng)目看似是各個(gè)運(yùn)動(dòng)員之間的競(jìng)賽,其實(shí)在比賽中運(yùn)動(dòng)員需要面對(duì)的自然環(huán)境變化的考驗(yàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于比賽中對(duì)手給予的壓力,因此,帆船運(yùn)動(dòng)員還要具備良好的心理素質(zhì),方便其隨時(shí)面對(duì)各種自然變化,在面對(duì)各種驚險(xiǎn)心中不起一絲波瀾,要有強(qiáng)大的心理素質(zhì)調(diào)節(jié)能力和頑強(qiáng)的意志力以及高速劃行的感知力。帆船的動(dòng)力性能涉及到海上各種氣象的影響,此外還要掌握海上救生、快速航行等問(wèn)題,帆船比賽的規(guī)則十分的多。綜上可知,帆船運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的素質(zhì)要求是十分的高的。

1.4 復(fù)雜的影響因素

帆船比賽是在海上,海上的氣候條件是隨時(shí)有肯能發(fā)生變化的,極有可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常舉行比賽的變化,賽事的時(shí)間也可能會(huì)被重新安排。比賽成績(jī)極易受到天氣的影響,比賽很有可能由于外部因素進(jìn)行十幾次的調(diào)整,運(yùn)動(dòng)員如何在長(zhǎng)時(shí)間的跨度下進(jìn)行自我調(diào)節(jié)和控制,選手的穩(wěn)定性在比賽中也是十分重要的,運(yùn)動(dòng)員的體能條件和相關(guān)訓(xùn)練是比賽取得勝利的基本保障,比賽最終能夠取得勝利的關(guān)鍵在于運(yùn)動(dòng)員可以對(duì)比賽中出現(xiàn)的各種因素進(jìn)行及時(shí)合理的調(diào)節(jié)。

2 項(xiàng)目特征的相互聯(lián)系

帆船比賽的是對(duì)運(yùn)動(dòng)員的體能、知識(shí)、技能等許多方面的綜合,但是整個(gè)比賽最為關(guān)鍵的還是速度。下面對(duì)帆船項(xiàng)目取勝的關(guān)鍵規(guī)律進(jìn)行分析和介紹。

2.1 技術(shù)的施展要以運(yùn)動(dòng)員的體能為前提

一般帆船比賽的賽程和時(shí)間都比較長(zhǎng),運(yùn)動(dòng)員在長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)環(huán)境中需要強(qiáng)大心肺活量,比如:在帆船球型帆的升降操作中,為了在比賽中搶占有力的先機(jī),獲得更快的速度,升降球型帆技術(shù)在帆船比賽中獲得了十分廣泛的使用,相應(yīng)的對(duì)選手的體能要求也越來(lái)越高。良好且全面的體能是帆船運(yùn)動(dòng)員實(shí)現(xiàn)技術(shù)的正常發(fā)揮,心智能力的正常體現(xiàn),達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)競(jìng)技狀態(tài)的保證和前提。

2.2 技術(shù)是體能展現(xiàn)的載體

運(yùn)動(dòng)員的比賽技術(shù)是非常重要的,要求帆船運(yùn)動(dòng)員掌握綜合風(fēng)向、海洋流等多方因素,將體能在技術(shù)中達(dá)到最佳狀態(tài),在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有效的運(yùn)用運(yùn)動(dòng)技巧提升帆船的速度,最大的節(jié)省身體能量的消耗,以最適宜的狀態(tài)進(jìn)行比賽。一旦,操作的技術(shù)不熟練導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員對(duì)洋流涌浪的方式判斷發(fā)生錯(cuò)誤,致使航線失去原來(lái)的有力位置,導(dǎo)致比賽失敗。在訓(xùn)練中養(yǎng)成扎實(shí)、專業(yè)并且靈活度的技巧可以更好的幫助運(yùn)動(dòng)在比賽中更好地發(fā)揮自己的體能效應(yīng)。

2.3 智力能力的重要性

在比賽中除了要有頑強(qiáng)的拼搏奮進(jìn)精神,同時(shí)還要對(duì)天氣的變化具有預(yù)知的能力,綜合性的準(zhǔn)確判斷力、果敢的決策力;并且頭腦的思路要清晰、記憶力要強(qiáng),在遇到不同的狀況時(shí)要在短時(shí)間內(nèi)迅速的做出正確的判斷;敏捷、精確、果斷的技術(shù)隨機(jī)應(yīng)變能力;一心一意、心無(wú)雜念的專注力。只有這樣帆船運(yùn)動(dòng)員才能摒棄其他全面的實(shí)現(xiàn)心智能力的發(fā)揮。

3 帆船直線航行比賽的優(yōu)化方案

3.1 基本航線模型的建立

對(duì)基本航行的模型進(jìn)行建立,主要的賽場(chǎng)形式是以三個(gè)浮標(biāo)為正三角形頂點(diǎn)的模式,比賽開(kāi)始后,運(yùn)動(dòng)員以直線運(yùn)動(dòng)的方式先到達(dá)最短的浮標(biāo),隨后再依次繞行其他兩個(gè)浮標(biāo),在繞行浮標(biāo)的圈數(shù)達(dá)到比賽的要求后,最后以直線航行的方式行駛至終點(diǎn)。

3.2 全程最優(yōu)路線

現(xiàn)在將整個(gè)路線分為幾個(gè)主要的路段,并且對(duì)整個(gè)賽程進(jìn)行分段優(yōu)化:(1)起點(diǎn)到1號(hào)浮標(biāo);(2)1號(hào)浮標(biāo)到2號(hào)浮標(biāo);(3)2號(hào)浮標(biāo)到3號(hào)浮標(biāo);(4)3號(hào)浮標(biāo)到終點(diǎn)。各個(gè)區(qū)段的拐彎處實(shí)行單獨(dú)優(yōu)化。

在帆船的航行過(guò)程中,第1區(qū)段的中心位置線是OM,第2區(qū)段中心位置線是NP,依次第3、4區(qū)段中心位置線分別是QE、FD。以上四段中心線也同時(shí)是航行路徑中的最短路徑。其中△ABC是正三角形。比賽中運(yùn)動(dòng)員可以駕駛帆船沿最短路徑以直線運(yùn)動(dòng)的方式從M運(yùn)動(dòng)至N,P運(yùn)動(dòng)至Q,從區(qū)段3到區(qū)段4的相應(yīng)優(yōu)化拐彎方法和前四段一樣,區(qū)段2、3、4區(qū)段3向區(qū)段4的轉(zhuǎn)彎處需要實(shí)行坐標(biāo)的平移和旋轉(zhuǎn)后得到虛擬的各區(qū)段坐標(biāo)。在各區(qū)段的優(yōu)化中風(fēng)向角 θ、海浪風(fēng)向角和海流方向角 φ也要發(fā)生轉(zhuǎn)換,成為各段虛擬坐標(biāo)系的角度,進(jìn)而確定各區(qū)段的最短航程L,最短路徑通過(guò)最優(yōu)規(guī)劃方案分析得出,隨后在坐標(biāo)系的位置變換中變換航程坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

3.3 不同區(qū)段的優(yōu)化

在帆船比賽的起始點(diǎn)中劃分n個(gè)區(qū)段,n的值主要是航行的距離和航行的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的,并用評(píng)價(jià)函數(shù)的線性加權(quán)法在每個(gè)區(qū)間中對(duì)航行的目標(biāo)進(jìn)行管理。在k區(qū)間內(nèi)的Pkj航行方向上帆船航向的決策評(píng)價(jià)函數(shù)EVkj定義成:

式中,Tkj=L/(n·Vkj)為整個(gè)k區(qū)間的航行時(shí)間;Vkj為帆船方向運(yùn)動(dòng)時(shí)在最短的路徑方向上的分速度Vkj=Vy=VBcosψ;(Xkj,Ykj)是帆船在k區(qū)間到k+1區(qū)間交界點(diǎn)Pkj的坐標(biāo);Z(Xkj,Ykj)為帆船運(yùn)動(dòng)到(Xkj,Ykj)位置的隸屬函數(shù),指的是距離目標(biāo)點(diǎn)的大小; τ2為加權(quán)系數(shù), τ1≥0, τ2≥0,并且 τ1、 τ2的和是1; η為負(fù)值,以上函數(shù)需要滿足的條件是帆船在從這一目標(biāo)航行至下一目標(biāo)的過(guò)程中不能超過(guò)航道的寬度,對(duì)航道決策條件的約束函數(shù)描述為:

上面的式子中,f0=0,k=1,2….,n0Xkj。 Xkj表示k區(qū)間和k+1區(qū)間的交界點(diǎn)Pkj橫坐標(biāo)的值;M為航道寬度。

無(wú)約束航向決策綜合評(píng)價(jià)函數(shù):

上式中,r為一個(gè)極大的正數(shù)。通過(guò)公式(3)可以看出:

(1)當(dāng)(M-Xkj)0≥時(shí),max{0-(M-Xkj)}=0對(duì)可行點(diǎn)不進(jìn)行懲罰。

(2)當(dāng)(M-Xkj)<0時(shí),max{0-(M-Xkj)}-(M-Xkj)對(duì)不可行點(diǎn)進(jìn)行大的懲罰。

在以上優(yōu)化的整體方案中計(jì)算需要注意的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面。

(1)種群的初始化要求,在不同要求的帆船比賽中,根據(jù)不同的比賽規(guī)定和情況,將帆船航道的邊界條件展開(kāi)相應(yīng)的變化,在符合邊界約束條件的情況下均勻選擇m個(gè)量當(dāng)做初始種群。

(2)適當(dāng)選擇函數(shù),文中的公式(3)是航向決策綜合評(píng)價(jià)函數(shù)。

(3)變異算子,初始種群是附帶,其中要采用的自適應(yīng)變異機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)的變異。

(4)算子的選擇,每一個(gè)父子在經(jīng)歷變異后悔產(chǎn)生子個(gè)體,并且子個(gè)體和父?jìng)€(gè)體的數(shù)量是一致的。

(5)收斂判斷,最終經(jīng)過(guò)試探和應(yīng)用,最大的迭代次數(shù)被確定。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上可知,帆船直線航行比賽影響的因素比較多。該文對(duì)直線航行的路徑進(jìn)行規(guī)劃得到最優(yōu)路徑,該結(jié)果可以在比賽中具有一定參考價(jià)值。

[1]邢惠麗,胡西厚,葛艷.帆船比賽航行路徑優(yōu)化與仿真[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010(27):245-248.

[2]葛艷,孟慶春,閆傳軍,等.帆船行駛最優(yōu)控制策略分析[C]//.中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)控制理論專業(yè)委員會(huì).第二十三屆中國(guó)控制會(huì)議論文集(上冊(cè)).中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)控制理論專業(yè)委員會(huì).2004.

[3]楊檸語(yǔ).必讀的帆船賽事小知識(shí)[J].海洋世界,2013（1）：22-23.

[4]韓海燕,肖一晨.你的小帆船,我的大夢(mèng)想——2015年青島市青少年暑期帆船訓(xùn)練活動(dòng)拉開(kāi)大幕[J].走向世界,2015（34）：72-75.

[5]徐海亮,梅澤元.海軍軍事三項(xiàng)賽帆船團(tuán)體比賽項(xiàng)目特征及最優(yōu)航行路徑規(guī)劃研究[J].體育世界（下旬刊),2013(10）:57-59.