НИИТ МГАФК – 20 лет: научные направления и перспективы их развития

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА

НИИТ МГАФК - 20 ЛЕТ: НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ

Аннотация

Целью работы является представление основных направлений и результатов научной деятельности НИИТ МГАФК за 20-летний период: информатизация отрасли «Физическая культура и спорт»; основные подходы, используемые при создании систем искусственного интеллекта (экспертных систем), предназначенных для планирования спортивной тренировки; технология и этапы создания экспертных систем; биомеханический анализ техники спортсменов высокой квалификации с применением математического моделирования и скоростной видеосъемки; выявление микроструктуры движения спортсменов высокой квалификации, используемой при нахождении путей совершенствования технического мастерства; подходы к математическому моделированию движений человека, основанные на аналогии опорно-двигательного аппарата человека с антропоморфным механизмом; генерация движения антропоморфного механизма с заданными условиями; тестирование и результаты многолетнего мониторинга физической подготовленности школьников. Разработанный тест имеет хорошие эргонометрические и метрологические показатели, прост в использовании. Упражнения имеют четкую регламентацию, их результаты измеряются с высокой точностью, а выполнение не требует использования сложного оборудования и длительного обучения. Мониторинг, проводившийся с 1993 по 2011 г., показал, что в среднем уровень физической подготовленности школьников снижается на один процент в год для всех возрастов. С 1999 по 2016 г. проводилось научно-методическое обеспечение подготовки сборных команд России по следующим видам спорта: бобслею и скелетону, легкой атлетике (выносливость), легкой атлетике (метанию), прыжкам в воду, тяжелой атлетике (женщины и мужчины), санному спорту, спортивной гимнастике. Проводились исследования в других предметных областях: медицине, психологии и др.

Ключевые слова: планирование спортивной тренировки, биомеханический анализ, математическое моделирование движений человека, тестирование физической подготовленности, информационные технологии в спорте.

Л.А. ХАСИН, НИИТ МГАФК, п. Малаховка

Abstract

The purpose of the current work is to present

the main directions and results of scientific work

of NIIT MGAFK during the 20-year period, as follows:

informatization in the field of "Physical Culture

and Sport"; the main approaches have been used

for creating systems of artificial intelligence

(expert systems) designed for planning sports training,

technology and the stages of creating expert systems;

biomechanical analysis of high qualification sportsmen's

techniques based on mathematical modeling

and high-speed video shooting; investigation

of the movement microstructure of high-qualified athletes

used in discovering ways to improve technical skills;

approaches to mathematical modeling

of human movements, based on the analogy

of the musculoskeletal system of a person

to an anthropomorphic mechanism;

creating the anthropomorphic mechanism movement

with given conditions; testing and results analysis

of long-term physical qualification monitoring

of school students (the developed test

has high ergonometrical and metrological indicators,

it is easy in usage, the exercises have a precise regulation,

the results in the exercises are measured

with high accuracy, their implementation

does not require complex equipment and long training).

Monitoring conducted from 1993 to 2011

has shown that on average the level of physical

qualification of school students has been reducing

by one percent per year for all ages.

From 1999 to 2016 scientific and methodological support

has been provided for the preparation

of Russian national teams in the following sports:

bobsled and skeleton, athletics (endurance),

athletics (throwing), diving, weightlifting (women),

weightlifting (men), luge, gymnastics.

Studies were conducted in other subject areas

such as medicine, psychology, etc.

Keywords: sports training planning, biomechanical analysis, mathematical modeling of human movements, testing of physical qualification, informational technologies in sports.

Научно-исследовательский институт информационных технологий Московской государственной академии физической культуры (НИИТ МГАФК) был образован в результате реорганизации Проблемной научно-исследовательской лаборатории в 1995 г. для решения задач информатизации сферы «Физическая культура и спорт» (ФКиС). Проблемы, с которыми нам пришлось столкнуться, состояли в невысоком уровне компьютерной грамотности, дефиците специализированного программного обеспечения, недостаточной оснащенности организаций сферы ФКиС вычислительной и оргтехникой, системами передачи информации [1, 2].

Основные направления деятельности НИИТ МГАФК

• Информатизация отрасли

С момента образования НИИТ МГАФК решал задачи создания и внедрения программного обеспечения, сетевых технологий, внедрения Интернета, обучения персонала организаций нашей сферы: ГКФТ РФ, ОКР, ФГУ ЦСП, Москомспорта, Мособлкомспорта, Министерства образования Московской области, Управления спортмероприятий при ГКФТ, МГФСО, федераций по видам спорта и др.

Разработанные компьютерные программы использовались в процессе управления, учебно-тренировочном процессе спортивных вузов, сборных команд России по видам спорта, УОР, ДЮСШОР, ДЮСШ и в научных исследованиях.

НИИТ МГАФК одним из первых в России в 1990-е годы занялся разработкой интернет-сайтов и мультимедийных лекций. В том числе был разработан наиболее крупный для того времени спортивный интернет-сайт для ВЮИ-98. Информация была представлена на трех языках: русском, английском и французском.

В начале 2000-х годов был разработан проект Единой всероссийской отраслевой информационной системы для сферы ФКиС [3].

• Системы искусственного интеллекта (экспертные системы) для планирования тренировочной нагрузки в различных видах спорта

Экспертные системы (ЭС) представляют собой компьютерный модуль, основными компонентами которого является база знаний, почерпнутых как в научно-методической литературе, так и от экспертов, и функции обработки заложенных в систему знаний и данных: алгоритмы обработки информации о спортсмене и алгоритмы планирования тренировочной нагрузки [4-7].

Теоретико-методические основы построения ЭС предполагают наличие следующих этапов разработки: а) создание вербального описания методики планирования тренировочной нагрузки для конкретного вида спорта; б) разработка системы планирования тренировки, в осно-

ве которой лежит морфофункциональная специализация организма спортсмена в конкретном виде спорта. Система включает элементы: меры, нормы, принципы распределения, классификацию тренировочной нагрузки, связи между ними; в) постановка задачи планирования в формализованном виде; г) разработка алгоритмов и программного обеспечения; д) тестирование, апробация, коррекция.

Используемые понятия и отношения между ними, меры, нормы, принципы распределения и классификация тренировочной нагрузки, алгоритмы планирования, знания и данные, закладываемые в базу знаний, должны обладать свойствами полноты и непротиворечивости.

Первые системы были разработаны: в 1989 г. - «Тяжелая атлетика» (авторы А.Н. Воробьев, А.И. Екушов, Л.А. Хасин); в 1990 г. - «Атлетизм» (авторы А.И. Екушов, Л.А. Хасин, И.Н. Галактионов); в 1992 г. - «Бег» (на 800 м) (авторы Л.А. Хасин, А.И. Екушов, С.В. Минков, А.М. Якимов). Системы описаны в соответствующих публикациях [4-7] и научных отчетах1. В дальнейшем были разработаны ЭС для планирования тренировочной нагрузки в легкоатлетических метаниях, оздоровительном беге, беге на средние дистанции.

В 2007-2008 гг. была разработана технология создания ЭС для планирования тренировочной нагрузки в различных видах спорта, включающая универсальную систему понятий, алгоритмов планирования (метод рекурсии, лексико-графический критерий и др.) и программное обеспечение [4].

Экспертные системы позволяют осуществлять планирование на принципиально новом уровне, повышают качество подготовки спортсменов. Разработанные в НИИТ системы и технология их создания не имеют аналогов в мире. Создано 14 ЭС для различных видов спорта.

• Биомеханический анализ движений человека с использованием скоростной видеосъемки и математического моделирования

Одним из основных направлений деятельности с первых лет существования НИИТ является математическое моделирование движений человека. В основе моделирования лежит аналогия ОДА человека с антропоморфным механизмом (АМ). Решалась полупрямая-полуобратная задача динамики для АМ. Разработанная нами система функций дает возможность генерировать движение АМ с заранее заданными условиями.

Такой подход позволил теоретически задавать движение и осуществлять его анализ. Нами было разработано соответствующее программное обеспечение CHENS, которое позволило построить математические модели ряда движений в спортивной гимнастике, прыжках и других видах спорта. Результаты исследований отражены в научных отчетах и публикациях [8-10].

Начиная с 2006 г. биомеханический анализ спортивных упражнений проводился с использованием скорост-

1 Составлено и отмикрофильмировано более 60 научных отчетов, содержащих результаты всех исследований, проводимых в НИИТ по госзаданиям, тематическому плану Минспорта РФ и конкурсной тематике.

ФНЦ ВНИИФК

ной видеосъемки - 250, 500 и выше кадров в секунду (регистрация движений), математического моделирования и современных методов обработки данных. Такой подход позволил выявлять микроструктуру спортивных упражнений, то есть, говоря словами знаменитого русского физиолога А.А. Ухтомского, нам удалось осуществить «микроскопию живого движения». Знание микроструктуры изменило представления о рациональной технике выполнения изучаемых нами соревновательных упражнений спортсменами высокой квалификации (тяжелой атлетики, спортивной гимнастики, легкоатлетических-метаний, бега) и способствовало нахождению путей совершенствования индивидуальной техники. Полученные результаты не имеют аналогов в мире.

• Тестирование и мониторинг физической подготовленности школьников и студентов

В 1992 г. ректор МОГИФК, профессор, заслуженный тренер СССР и РСФСР В.В. Громыко предложил проводить регулярное тестирование физической подготовленности школьников и студентов. В качестве тестовых упражнений им было предложено использовать три упражнения для мальчиков (бег на 1000 м, подтягивание, прыжок в длину с места) и три - для девочек (бег на 1000 м, отжимание от пола, прыжок в длину с места). Для определения уровня физической подготовленности им было предложено использовать комплексную оценку. Нами были разработаны шкалы регрессирующего типа для оценивания результатов в тестовых упражнениях и уровня физической подготовленности. Настоящий тест имеет хорошие эргонометрические и метрологические показатели, прост в использовании, упражнения имеют четкую регламентацию, результаты в упражнениях измеряются с высокой точностью, их выполнение не требует использования сложного оборудования и длительного обучения. Тестовые упражнения позволяют косвенно оценивать работоспособность морфофункциональных систем и механизмов энергообеспечения человека, от которых зависит успешность выполнения широкого спектра физических упражнений.

С 1993 по 2011 год проводился мониторинг физической подготовленности школьников. Мониторинг показал, что в среднем уровень физической подготовленности школьников снижается на один процент в год для всех возрастов. Степень снижения одинакова, как в комплексной оценке уровня физической подготовленности, так и в отдельных упражнениях. Полученные данные согласуются с данными литературных источников. Такая ситуация связана с понижением двигательной активности школьников и студентов, которая имеет социальные корни - широкое внедрение в жизнь информационных технологий, увеличение объема учебной нагрузки, внедрение технических средств, понижающих физическую активность (автоматизация производственных процессов, широкое внедрение автотранспорта, ухудшение экологии и др.). Адаптация к условиям жизни на данном этапе развития человечества не способствует повышению

двигательной активности и соответственно физической подготовленности людей. В связи с вышесказанным актуальным является решение проблемы повышения уровня физической подготовленности как одного из факторов физического благополучия, здоровья и качества жизни человека [11].

• Научно-методическое обеспечение подготовки спортивных сборных команд России по видам спорта

С 1999 по 2016 г. в НИИТ работало 8 комплексных научных групп (КНГ), осуществлявших научно-методическое обеспечение (НМО) подготовки сборных команд России по следующим видам спорта: бобслею и скелетону, легкой атлетике (выносливость), легкой атлетике (метания), прыжкам в воду, тяжелой атлетике (женщины и мужчины), санному спорту, спортивной гимнастике.

По различным аспектам подготовки в этих видах спорта проводилась научно-исследовательская работа. В работе КНГ по легкой атлетике, спортивной гимнастике, тяжелой атлетике, в проведении НИР и НИОКР использовались скоростная видеосъемка, математические методы анализа данных и математическое моделирование.

• Внедрение

Разработки НИИТ были внедрены в учебный процесс МГАФК и в НМО подготовки сборных команд России (по легкой атлетике, тяжелоя атлетике, спортивной гимнастике), использовались в деятельности организаций управления сферы ФКиС (Минспорта России, ОКР, ФГУ «ЦСП», ГКФТ и др.).

По результатам НИР и НИОКР, проведенных в НИИТ, был разработан авторский курс «Компьютерное моделирование спортивной подготовки» (Л.А. Хасин), который читался студентам на кафедре биомеханики и информационных технологий МГАФК.

В НИИТ проводились исследования в других областях знаний (прикладной математике, прикладной механике).

НИИТ МГАФК имеет разработки в области медицины и психологии (и др.). На протяжении ряда лет НИИТ МГАФК проводил НИОКР совместно с Всероссийским центром охраны здоровья матери и ребенка. Результатом работы явилось создание и внедрение в практику центра компьютерной кардиотокографии [12].

На протяжении ряда лет НИИТ МГАФК сотрудничал со старейшим российским научным периодическим изданием «Вопросы психологии». Был создан сайт журнала (www.voppsy.ru), полнотекстовый интернет-ресурс журнала, включающий все публикации за период 1980-1999 гг., словарь психологических терминов, составленный на основе публикаций журнала (700 терминов и персоналий), частотный словарь терминов по корпусу журнала за период 1980-2010 гг. По динамике частотности терминов были выявлены тенденции развития отечественной психологии [13]. Полнотекстовый ресурс, словарь психологических терминов и частотный словарь размещены на сайте: www. voppsy.ru

Сотрудники НИИТ МГАФК неоднократно становились лауреатами и дипломантами всероссийских и международных конкурсов, фестивалей, выставок; в 19902000-е гг. многократно являлись грантополучателями РГНФ, неоднократно выигрывали конкурсы на проведение НИР, НИОКР и НМО подготовки сборных команд России по видам спорта. В НИИТ МГАФК работали: двукратный олимпийский чемпион, проф., д.м.н., ЗМС СССР, ЗТР СССР А.Н. Воробьев; проф., ЗТР СССР

и РСФСР В.В. Громыко; ЗТР СССР, д.п.н. Ю.М. Бака-ринов; проф., д.п.н., ЗТР РФ Н.Г. Сучилин; ЗТР РФ В.Г. Сафонов; ЗТР РФ Ю.С. Куканов; засл. деят. науки РФ, проф., д.м.н. В.А. Доскин; проф., д.ф-м.н., почетный проф. МГУ И.В. Новожилов и другие известные специалисты. В НИИТ МГАФК работали и продолжают работать выпускники ведущих российских вузов.

С момента образования НИИТ по настоящее время директором института является к.п.н., доц. Л.А. Хасин.

Заключение

Разработки НИИТ МГАФК, в первую очередь экспертные системы (системы искусственного интеллекта) для планирования спортивной тренировки в различных видах спорта и биомеханический анализ с использованием скоростной видеосъемки, компьютерного моделирования и современных математических методов анализа данных относятся к федеральным критическим

технологиям и имеют большие научно-практические и коммерческие перспективы. Эти разработки могут использоваться в процессе подготовки спортсменов высокой квалификации, в детско-юношеском спорте, подготовке и переподготовке кадров для сферы ФКиС. Естественным является углубление и расширение работы по этим направлениям.

Литература

1. Хасин, Л.А. Информатизация отрасли «Физическая культура и спорт» и экспертные технологии (сообщение первое) / Л.А. Хасин, С.Б. Бурьян, С.В. Минков, А.Б. Рафа-лович // Теория и практика физической культуры. -1996. - № 4. - 7 с.

2. Хасин, ЛА. Информатизация отрасли «Физическая культура и спорт» и экспертные технологии (сообщение второе) / Л.А. Хасин, С.Б. Бурьян, С.В. Минков, А.Б. Рафа-лович // Теория и практика физической культуры. -1996. - № 10. - 41 с.

3. Хасин, Л.А. Единая информационная система отрасли «Физическая культура и спорт» / Л.А. Хасин, А.Л. Дроздов, В.В. Громыко, С.С. Щелков // На рубеже ХХ1 века. Год 2003-й : научный альманах МГАФК / Моск. гос. акад. физ. культуры; под ред. В.Б. Коренберга. - Малаховка, 2004. - С. 176-185.

4. Хасин, Л.А. Экспертные системы для планирования спортивной тренировки: Теоретико-методические подходы и перспективы развития / Л.А. Хасин // Теория и практика физической культуры. - 2007. - № 2. -С. 43-47.

5. Хасин, Л.А. Расчет травмоопасности упражнений, используемых в атлетической тренировке / Л.А. Хасин, Д.Ю. Тараховский / в сборнике: Материалы XXVIII научно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава МГАФК / Московская государственная академия физической культуры. - Малаховка, 2007. - С. 105-114.

6. Хасин, Л.А. Планирование тренировки в атлетизме с использованием экспертных систем / Л.А. Хасин, Д Ю. Тараховский // Вестник спортивной науки. - 2014. -№ 5. - С. 22-26.

7. Хасин, Л.А. Планирование атлетической тренировки для начинающих спортсменов / Л.А. Хасин, Д.Ю, Тараховский // Теория и практика физической культуры. - 2009. - № 5. - С. 69-71.

8. Хасин, Л.А. Биомеханический анализ техники тяжелоатлета при выполнении рывка классического на основе скоростной видеосъемки и компьютерного моделирования / Л.А. Хасин // Теория и практика физической культуры. - 2013. - № 11. - С. 100-104.

9. Хасин, Л.А. Диагностика ошибок в тяжелоатлетических упражнениях на основе скоростной видеосъемки / Л.А. Хасин, В.И. Фролов // Теория и практика физической культуры. - 2013. - № 1. - С. 34-36.

10. Хасин, Л.А. Анализ микроструктуры легкоатлетических метаний на основе скоростной видеосъемки как средство индивидуализации тренировочного процесса спортсменов высокой квалификации / Л.А. Хасин // Теория и практика физической культуры. - 2014. - № 2. -С. 99-104.

11. Хасин, Л.А. Тест для оценки физической подготовленности студентов институтов физической культуры / Л.А. Хасин, А.Б. Рафалович // Теория и практика физической культуры. - 1997. - № 12. - С. 43-47.

12. Чернуха, Е.А. Диагностика нарушений состояния плода в родах с помощью компьютерной кардиотоко-графии / Е.А. Чернуха, А.З. Хасин, Ю.Н. Задорожный, Л.А. Хасин // Акушерство и гинекология. - 1991. - № 9. -С. 38-41.

13. Потёмкин, С.Б. Анализ тенденций развития психологии на основе выявления динамики частоты использования психологических терминов / С.Б. Потемкин, Л.А. Хасин, П.Л. Хасина, Е.В. Щедрина // Вопросы психологии. - 2015. - № 6. - С. 95-103.

References

1. Khasin, L.A. Informatization of the "Physical Education and Sport" field and expert technologies (first statement) / L.A. Khasin, S.B. Buryan, S.V. Minkov, A.B. Rafalovich // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. - 1996. - No. 4. - 7 p.

2. Khasin, L.A. Informatization of the "Physical Education and Sport" field and expert technologies (second statement) / L.A. Khasin, S.B. Buryan, S.V. Minkov, A.B. Rafa-lovich // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. - 1996. -No. 10. - 41 p.

3. Khasin, L.A. Unified informational system of the "Physical Education and Sports" industry / L.A. Khasin, A.L. Drozdov, V.V. Gromyko, S.S. Shchelkov // Na rubezhe XXI veka. God 2003: nauchniy almanakh MGAFK / Mosk. gos. akad. fiz. kul'turi; pod red. V.B. Korenberga. - Mala-khovka, 2004. - Pp. 176-185.

4. Khasin, L.A. Expert systems for sports training planning: Theoretical and methodological approaches and development prospects / L.A. Khasin // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. - 2007. - No. 2. - Pp. 43-47.

5. Khasin, L.A. Traumatic danger calculation concerning exercises used in athletic training / L.A. Khasin, D.Yu. Ta-rakhovsky // v sbornike: Materialy XXVIII nauchno-meto-dicheskoy konferentsii professorsko-prepodavatelskogo i nauchnogo sostava MGAFK / Moskovskaya gosudarstven-naya akademiya fizicheskoy kul'turi. - Malakhovka, 2007. -Pp. 105-114.

6. Khasin, L.A. Training planning in athletic gymnastics using expert systems / L.A. Khasin, D.Yu. Tarakhovsky // Vestnik sportivnoy nauki. - 2014. - No. 5. - Pp. 22-26.

7. Khasin, L.A. Planning of athletic training for sportsmen beginners / L.A. Khasin, D.Yu. Tarakhovsky // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. - 2009. - No. 5. - Pp. 69-71.

8. Khasin, L.A. Biomechanical analysis of weightlifter during classic jerk based on high-speed video recording and computer simulation / L.A. Khasin // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. - 2013. - No. 11. - Pp. 100-104.

9. Khasin, L.A. Diagnostics of failures in weightlifting exercises based on high-speed filming / L.A. Khasin, V.I. Fro-lov // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. - 2013. -No. 1. - Pp. 34-36.

10. Khasin, L.A. Analysis of microvasculature of athletic throws based on speed video recording as a method of in-dividualization of training process among elite athletes / L.A. Khasin // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. -2014. - No. 2. - Pp. 99-104.

11. Khasin, L.A. Test for the physical qualification assessment of physical education institutes students / L.A. Khasin, A.B. Rafalovich // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. -1997. - No. 12. - Pp. 43-47.

12. Chernuha E.A. Diagnosis of violations of the fetal condition in childbirth using computerized cardiotocography / E.A. Chernuha, A.Z. Khasin, Yu.N. Zadorozhniy, L.A. Khasin // Akusherstvo i ginekologiya. - 1991. - No. 9. - Pp. 38-41.

13. Potemkin S.B. Tendencies in the development of psychology on the basis of dynamics of the use of psychological terminology / S.B. Potemkin, L.A. Khasin, P.L. Khasina, E.V. Shchedrina // Voprosi psikhologii. - 2015. - No. 6. -Pp. 95-103.