Директор Научно-исследовательского института информационных технологий МГАФК (Малаховка), кандидат педагогических наук, доцент Л.А. Хасин

Предмет исследования - теория и методики планирования спортивной тренировки.

Объект исследования - технология и алгоритмы планирования тренировочной нагрузки

В ФГУ "ЦСП" 27 октября 2006 г. по предложению руководства Росспорта нами было проведено совещание по вопросу "Перспективы использования экспертных систем для планирования спортивной тренировки". На совещание были приглашены известные специалисты в области спорта - научные сотрудники, тренеры, преподаватели, руководители и члены научных групп, осуществляющие научно методическое обеспечение сборных команд России по видам спорта. Они представляли ведущие организации нашей сферы ФГУ "ЦСП", ВНИИФК, РГУФК, МГАФК, всероссийские федерации по видам спорта и др. Целью совещания была выработка заключения, в котором оценивались целесообразность и перспективы развития направления "Экспертные системы, предназначенные для планирования спортивной тренировки".

Директором НИИТ МГАФК был сделан доклад и проведена демонстрация экспертных систем "Бег" и "Тяжелая атлетика". Участниками совещания было разработано и принято представленное ниже заключение.

Подходы к планированию спортивной тренировки, являющиеся методической основой экспертных систем, разработанных и прошедших апробацию в НИИТ МГАФК, позволяют строить сбалансированные планы тренировок, использование которых минимизирует риски перетренировок и получения травм, а также формировать необходимые двигательные навыки и соразмерно тренировать морфофункциональные системы организма, работоспособность которых определяет спортивный результат. Аналогов таких систем в мире не существует. Они имеют несомненную новизну и практическую значимость, позволяют аккумулировать передовой опыт специалистов (тренеров, физиологов, медиков, математиков, программистов и др.) и знания, почерпнутые в научной методической литературе, а также представлять эти знания в формализованном виде, освободить тренера от рутинной работы, осуществлять планирование на принципиально новом уровне, анализировать такие объемы информации, обработка которых выше человеческих возможностей. Эти системы могут быть использованы в процессе подготовки как спортсменов высшей квалификации, так и спортивного резерва. Представляемые подходы позволяют осуществлять индивидуальное планирование тренировочной нагрузки, что особенно важно при подготовке спортсменов высшей квалификации. Направление НИОКР "Экспертные системы для планирования спортивной тренировки" имеет большие научно практические перспективы и требует дальнейшего развития.

Для сложнокоординационных видов спорта большое научно практическое значение имеют экспертные системы, предназначенные для биомеханического анализа спортивных упражнений, при разработке которых могут быть использованы результаты НИОКР, проводящихся в НИИТ МГАФК по темам "Математическое моделирование движений человека", "Видеокомпьютерный анализ спортивных упражнений".

Данное заключение - важная веха, поскольку оно отражает необходимость использования высоких технологий в подготовке спортсменов. Именно к такого рода технологиям, разработка которых поддерживается государством (см. Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Президентом РФ 30.03. 2002 г., пр. 578), относятся экспертные системы (системы искусственного интеллекта) и компьютерное моделирование спортивной подготовки и техники выполнения спортивных упражнений.

Развитие указанного направления научных исследований позволит разработать теоретико-методические основы компьютерного планирования спортивной тренировки для различных видов спорта, а также создать широкий спектр программ для планирования тренировочной нагрузки на различных этапах спортивной подготовки. Эти разработки относятся к высоким технологиям; они обладают высокой конкурентоспособностью и имеют хорошую экспортную перспективу, поскольку, как отмечалось в приведенном выше заключении, во-первых, не имеют аналогов в мире, во-вторых, позволяют осуществлять планирование на более высоком уровне и, в-третьих, освобождают тренера от рутинной работы. Эти системы могут быть использованы в учебно-тренировочном процессе сборных команд России по видам спорта, ДЮСШ, СДЮСШОР, спортивных вузов, спортивных клубов и физических лиц.

Впервые задача планирования тренировки в строгой постановке была решена нами в 1988 г. для тяжелой атлетики. Планирование осуществлялось с помощью специально созданной экспертной системы.

Особенностью первых систем было то, что используемые в них модуль знаний и алгоритмы планирования опирались главным образом на опыт эксперта.

С самого начала было весьма заманчиво поста вить и решить задачу планирования тренировки как задачу многокритериальной оптимизации. С определенными оговорками мы научились это делать. В данной статье будут представлены подходы компьютерного планирования тренировки в беге на 800 м; на мой взгляд, они могут быть использованы без потери общности для многих видов спорта, в которых доминирующими являются функциональная и техническая подготовка (бег, тяжелая атлетика, атлетизм и т.д.).

Компьютерное планирование тренировки требует решения следующих общих задач:

- объективизация знаний, используемых при планировании тренировки;

- параметризация знаний экспертов;

- создание системы планирования тренировки, обладающей свойствами непротиворечивости и полноты;

- математическая постановка задачи планирования и разработка алгоритмов ее решения.

Создание системы планирования тренировки и математическую постановку и алгоритмы решения этой задачи рассмотрим на примере экспертной системы, предназначенной для планирования тренировочной нагрузки в беге на 800 м.

Используемый в теории спорта понятийный аппарат не позволяет ставить задачу планирования в математической форме. Поэтому вначале нам пришлось заняться разработкой системы понятий, а также норм, мер, принципов распределения и классификации тренировочной нагрузки, т.е. созданием собственно системы планирования тренировки. Эта система позволяет: а) аккумулировать как знания экспертов, так и знания, почерпнутые в научно методической литературе; б) осуществлять постановку задачи планирования тренировочной нагрузки в математической форме.

Система планирования тренировки обладает свойствами непротиворечивости и полноты. Под пол нотой мы понимаем следующее: процесс планирования и план тренировки могут быть выражены в терминах указанной системы, и для их описания не требуется использование дополнительных понятий, принципов, знаний и данных.

Создание непротиворечивой системы знаний и данных - нетривиальная задача, возникающая главным образом в результате того, что методика тренировки, как, например, в тяжелой и легкой атлетике, оперирует как количественными показателями, в первую очередь нормами нагрузки, так и качественными (вер бальное описание отдельного тренировочного занятия, тренировочного цикла и т.д.). На этапе вербализации, как правило, возникают противоречия, диагностика которых крайне затруднительна.

Осуществлена постановка задачи планирования спортивной тренировки в математической форме. Разработан алгоритм ее решения. Рассмотрим наш подход на примере планирования тренировки в беге на 800 м. (Более полная постановка задачи описана в работе [2].)

Классификация тренировочной нагрузки включает: а) классификацию упражнений; б) типизацию тренировочных занятий.

Для разработки классификации упражнений были решены три задачи: а) определение множества всех упражнений; б) выявление классификационных признаков; в) разбивка множества всех упражнений на подклассы в соответствии с классификационными признаками.

Классификационные признаки были выбраны в соответствии с морфофункциональной специализацией организма бегуна на средние дистанции. К морфо функциональным и энергетическим системам, определяющим результат в беге на средние дистанции, отнесены: гормональная, опорно-двигательная, кислород-транспортная системы, ЦНС, нервно мышечный аппарат, аэробный и анаэробный механизмы энергообеспечения. В качестве основного классификационного признака был выделен режим энергообеспечения (анаэробный, анаэробно аэробный, аэробный). Общая ситуация для многих видов спорта состоит в том, что, как правило, классификационные признаки разработаны, а сама классификация - нет, так как ее создание даже при наличии выделенных классификационных признаков - вовсе не простая задача. Нам удалось создать такую классификацию для бега на средние дистанции.

По направленности воздействия нами были выделены следующие типы беговой тренировочной нагрузки (работ) и соответствующие им ведущие физиологические системы и механизмы, обеспечивающие выполнение данного типа нагрузки:

1) равномерно длительный бег (Рб) - кислород- транспортная система и кислородная (окислительная) энергетическая система;

2) повторная мягкая (Пм) - кислородтранспортная система, кислородная, а также лактацидная (гликолитическая) энергетические системы;

3) повторная жесткая (Пж) - кислородтранспортная система, нервно мышечный аппарат, кислородная и лактацидная (гликолитическая) энергетические системы;

4) скоростная (Ск) - ЦНС, нервно-мышечный аппарат и фосфагенная энергетическая система;

5) специальная (Сп) - нервно мышечный аппарат, кислородтранспортная система, лактацидная, а так же кислородная энергетические системы.

Кроме того, при подготовке бегунов на средние дистанции был применен восстановительный бег.

Упражнения, включенные в каждый тип работ, были разделены на три группы в зависимости от степени напряжения, возникающего при их выполнении (низкая, средняя, высокая). При планировании тренировочной нагрузки нами было использовано более 5000 упражнений.

Типы тренировок. По уровню генеральной нагрузки выделены четыре типа тренировок: большая, средняя, малая, отдых. В свою очередь, большие тренировки подразделяются в зависимости от того, на развитие или поддержание каких морфофункциональных систем и механизмов энергообеспечения они преимущественно направлены. С учетом этого выделены семь типов тренировок:

Таблица 1

БСк - тренировка с большим объемом спринтерской работы и малыми объемами равномерно дли тельных и/или повторных мягких методов тренировки; БП - тренировка с большим объемом повторной жесткой работы и малым объемом равномерно длительного бега;

БСп - тренировка с большим объемом специальной и малыми объемами равномерно длительной или повторной мягкой работ;

БРб - тренировка с большим объемом равномерно длительного и/или повторного мягкого бега и малыми объемами скоростной и/или повторной жесткой работ;

С - тренировки, средние по общей нагрузке, со средними объемами включенных в них типов работ. Объемы работ, из которых состоит средняя тренировка, определяются при помощи весовой функции и зависят от объемов работ в ближайших тренировках;

М - малые тренировки, состоящие из восстановительного бега (кроссовый бег низкой интенсивности);

О - отдых.

Следует отметить, что классификация тренировок и алгоритмы планирования зависят от постановки задачи планирования. В настоящей статье рассматривается одна из возможных постановок.

Отдельное тренировочное занятие. Каждая большая или средняя тренировка - это последовательное выполнение одного или нескольких из указанных выше пяти видов нагрузки (Рб, Пм, Пж, Ск, Сп) через определенные промежутки отдыха. При задании последовательности работ учитываются тип тренировки, а также правила чередования и совместимости работ в одной тренировке. Работы одинаковой направленности не могут стоять рядом, в одной тренировке не используются "специальная" и "скоростная", а так же "специальная" и "повторная жесткая" нагрузки. Для каждого типа тренировки задается множество допустимых последовательностей (цепочек) работ (табл. 1).

Для каждой цепочки задается частота ее использования. Для каждого фрагмента работы всех цепочек задается допустимый диапазон объемов.

Нормы нагрузки. Нормы нагрузки задают количество тренировок различного типа на планируемом тренировочном цикле, объемы работ и методов для планируемого цикла и отдельного тренировочного занятия.

Распределение типов тренировок в тренировочном цикле. Наличие больших тренировок, с одной стороны, обеспечивает высокий тренировочный эффект, а с другой - ведет к перетренированности и травмированию спортсмена. Очевидно, что эти условия находятся в противоречии. Для понижения риска перетренировки при расстановке тренировок различных типов используется принцип равномерности, который описывается ниже.

Расстановка тренировок в планируемом периоде проводится с учетом критериев качества, которые также накладывают ограничения на задание норм нагрузки. Так, разведение повторных и специальных тренировок (данные тренировки не должны стоять друг за другом на множестве больших тренировок) определяет соотношение количества больших тренировок разного типа:

|N₁ - N₂| < 1, N₁ = N_БСп + N_БП, N₂ = N_БСк + N_БРб

N_БСп, N_БП , N_БСк, N_БРб - количества больших тренировок соответствующих направленностей.

Кроме понятия "локальная нагрузка", нами введено понятие интегральной нагрузки (I), величина которой является мерой воздействия на организм в целом.

Приводимые нами ниже критерии качества должны обеспечить следующее: минимизируются максимальные значения как интегральной, так и локальной тренировочных нагрузок в окне любой ширины. Выполнение критериев приводит к равномерному распределению всех типов нагрузки.

Планирование осуществляется в соответствии с критериями качества и нормами нагрузки.

Критерии качества для интегральной нагрузки

Алгоритмы планирования. Планирование тренировочного процесса осуществляется в такой последовательности: 1) расстановка больших тренировок (алгоритм рекурсии); 2) расстановки больших тренировок каждого типа на множестве больших тренировок (алгоритм рекурсии); 3) расстановка средних тренировок (эвристический поиск с использованием лексикографического критерия); 4) расстановка малых тренировок и дней отдыха (эвристический поиск с использованием лексикографического критерия); 5) расстановка цепочек работ (алгоритм Балаша, или эвристический поиск); 6) расстановка упражнений с учетом норм нагрузки на планируемый цикл и отдельные тренировочные занятия (эвристический алгоритм перебора); 7) коррекция плана тренировок (решение системы целочисленных уравнений, эвристические алгоритмы).

Алгоритм рекурсии позволяет расставить большие тренировки на планируемом периоде так, чтобы выполнялось следующее условие: все большие тренировки распределяются равномерно, т.е. количество таких тренировок в любых двух окнах одинаковой ширины должно отличаться не больше чем на единицу (под окном шириной L понимается L любых стоящих подряд дней тренировочного цикла). Более подробно алгоритм рекурсии описан в работе [3].

Требования к расстановке средних, а тем более малых тренировок - существенно более слабые в смысле равномерности по сравнению с расстановкой больших. Поэтому при их построении используется весовая функция предпочтения. После первоначальной расстановки тренировок происходит уточнение их расстановки, производимое методом "шлифовки" с использованием "Лексикографического критерия". Суть его состоит в следующем. По текущей расстановке вычисляются следующие коэффициенты:

Ψ (k, l) - это сумма весов в окне шириной L, начинающемся с k-й позиции;

Ω (l) - максимальная сумма весов в окне шириной L;

Κ (l) - множество индексов, на которых достигается максимум;

Η (l) - количество окон шириной L, имеющих один и тот же максимум.

Предпочтение задается на множестве всех расстановок тренировочных занятий по убыванию следующего лексикографического критерия:

Ω (2), H(2), Ω (3), H(3), Ω (4), H(4), ...

На основе разработанных алгоритмов планирования было создано программное обеспечение - экспертная система "Бег" для планирования тренировки в беге на средние дистанции. Распределение тренировочной нагрузки (табл. 2), планируемое экспертной системой, осуществляется таким образом, что бы не было значительных сгущений и разряжений всех типов максимальных нагрузок и нагрузок среднего и малого уровней. Это способствует синхронной тренировке всех функций организма, с одной стороны, и снижению риска перетренировки и травм - с другой.

Как видно из рис. 1-3, экспертная система строит программу тренировок таким образом, чтобы интегральная нагрузка и нагрузка аэробного и анаэробного характера были распределены равномерно (равномерно распределены большие нагрузки и нагрузки низкого и среднего уровней).

То есть система строит сбалансированные планы тренировок, что соответствует нашим представлениям о необходимости соразмерного развития морфо функциональных систем, работоспособность которых обеспечивает спортивный результат, и минимизации рисков перетренировок и травм.

В заключение хочу высказать несколько соображений общего характера.

Первое. Сегодняшняя ситуация в отечественной спортивной науке имеет одну малоприятную особенность. С одной стороны, пишутся и защищаются диссертации, выпускаются монографии, публикуются статьи и пр., а с другой - приращение знаний, ради чего, собственно, и затевается научный процесс, находится на очень низком уровне.

Второе. В условиях широкого распространения коллективных и комплексных исследований субъектом научной деятельности является не индивид, а научная группа [4].

Таблица 2. Распределение нагрузок в каждом типе тренировок

Примечание. С1 - средняя, стоящая рядом с БРб; С2 - средняя, стоящая рядом с БСк; С3 - средняя, стоящая межу БРб и БСп или между БРб и БП; С4 - средняя, стоящая между БСк и БСп или между БСк и БП.

Рис. 1. Уровень интегральной нагрузки в различные дни цикла

Рис. 2. Уровень нагрузки аэробного характера в различные дни цикла

Рис. 3. Уровень нагрузки анаэробного характера в различные дни цикла

Третье. В предметном плане научную группу объединяют проблема, над которой группа работает, принципы, общий подход, план изучения предмета исследования и т.д. Все это - составные части собирательного понятия "научная программа".

Совместная исследовательская программа включает в себя общий замысел групповой деятельности (постановка проблемы и возможные пути ее решения), теоретические, операциональные, методические и даже нравственно познавательные ориентации ее автора, содержит более или менее четкое представление о проектируемом результате и стратегии его достижения, обозначает конкретные стадии работы, "пункты" необходимого и возможного научного взаимодействия членов группы, включает планирование ориентировочных сроков и форм научного общения и обсуждения промежуточных результатов исследования и т.п. [1, с. 123].

Четвертое. Описанные выше задачи и подходы к их решению могут быть использованы в качестве основы научно-исследовательских программ научных групп, ставящих перед собой задачу разработки аналогичных экспертных систем в других видах спорта. А в сегодняшних условиях отсутствия программы развития спортивной науки эти научно-исследовательские программы могут стать общими ориентирами, за дающими направление исследований. Это позволит повысить эффективность НИОКР, увеличить приращение знаний.

1. Аллахвердян А.Г. Психология науки / А.Г. Аллахвердян и др. - М., 1998.

2. Хасин Л.А. Компьютерное планирование спортивной тренировки - теоретические подходы // Материалы Всероссийской научной конференции "Информационные технологии и технические средства обучения и тренировки в сфере физической культуры и спорта" / под общ. ред. Л.А. Хасина. - Малаховка: НИИТ МГАФК, 2004.

3. Хасин Л.А. Информатизация отрасли "Физическая культура и спорт" и экспертные технологии (сообщение второе) / Л.А. Хасин, С.Б. Бурьян, С.В. Минков, А.Б. Рафалович // Теория и практика физ. культуры. - 1996. - № 10. - С. 41 - 45.

4. Ярошевский М.Г. Программно ролевой подход и современная наука / М.Г. Ярошевский, А.В. Юревич, А.Г. Аллахвердян // Вопросы психологии. - 2000. - № 6. - С. 3 - 18.