RU2474878C1 - Интеллектуальная система диагностирования и управления ходом футбольной игры - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к спортивным играм в просторных помещениях и на открытом воздухе, в частности к футболу, и может быть использовано для построения систем диагностирования и управления ходом игры. Техническим результатом является повышение точности и быстродействия управления, приводящее к повышению результативности игры футбольной команды, за счет оперативного диагностирования и своевременного принятия мер в процессе проведения игры. Играющая футбольная команда является сложным мультиагентным объектом, представляемым некоторым единством всех согласованно действующих в нем процессов, органов и систем, не относящихся к животному миру, но обладающим всеми основными свойствами живых организмов. Система содержит блоки задания общих командных параметров и индивидуальных параметров состояния игроков команды, блоки измерения текущих значений общих командных параметров и индивидуальных параметров состояния игроков команды, робастные фильтры, блоки сравнения, блок диагностирования текущего состояния играющей футбольной команды, блок экстраполяции, блок пороговых элементов, блок оценки и регистрации ошибок играющих футболистов команды, информационно-управляющий блок и исполнительный орган. 1 ил.

Description

Изобретение относится к спортивным играм в просторных помещениях и на открытом воздухе, в частности к футболу, и может быть использовано для построения систем диагностирования и управления ходом футбольной игры в соревновательных и учебных играх. При этом играющая футбольная команда рассматривается как сложный организованный мультиагентный объект (СОМО), представляемый некоторым единством всех согласованно действующих в нем процессов, органов и систем, не относящихся к животному миру, но обладающим всеми основными свойствами живых организмов. Взаимодействующие интеллектуальные агенты (игроки) образуют органы команды по соответствующему функциональному назначению. Такими органами футбольной команды являются:

а) оборона;

б) средняя линия (полузащита);

в) нападение.

Определяющим свойством любого сложного организованного объекта является его состояние, которое описывается определенным числом внутренних параметров состояния. Текущие значения этих внутренних параметров определяют результат деятельности СОМО. Применительно к футбольной команде, состояние каждого органа команды в процессе игры с учетом возможных игровых схем можно представить следующими индивидуальными параметрами состояния (ИПС) игроков в соответствии с их амплуа, руководствуясь, например, [1, 2].

А) Орган "Оборона" содержит:

- ИПС голкипера: количество пропущенных голов; процент неточных вбросов (выбиваний) мяча в поле; процент ошибок при перехвате мяча; процент ошибок выбора позиции при отражении ударов и др.

- ИПС крайнего защитника: процент ошибок при: «закрытии» подопечного игрока; отборе мяча; страховке центральной зоны при атаке противника с противоположного фланга; создании искусственного положения «вне игры»; передачах мяча партнеру; передачах мяча партнеру или в штрафную площадь противника при проходе по флангу и пр.

- ИПС центрального защитника: процент ошибок при: «закрытии» игрока противника, оказавшегося в зоне защитника; «закрытии» подопечного игрока при подаче угловых; отборе мяча, по предупреждению ударов по воротам и пр.

Б) Орган "Средняя линия" содержит:

- Общие ИПС для полузащитников:

- преодоленное расстояние с начала матча относительно максимального значения для конкретного полузащитника; процент брака по длинным и средним передачам, состояние скоростной выносливости, передержка мяча, процент необоснованных ударов по воротам противника с нереальной позиции от всех ударов по воротам. Процент ошибок при: выключении своего подопечного из игры, страховке партнера-нападающего при потере им мяча, диагональной страховке партнера-защитника, подключенного в глубокую атаку,

В) Орган "Нападение" содержит:

- ИПС крайнего нападающего. Процент ошибок при: передачах мяча партнеру в центральную зону, при обводке опекуна, проходах по линии ворот у боковой линии штрафной площади соперника и др.

- ИПС центрального нападающего. Процент ошибок при: ударах по воротам противника, игре головой в штрафной площади соперника; процент: проигранных единоборств, не использованных передач за спину свободного защитника и др.

Г) Общие командные параметры (ОКП):

результат игры (выигрыш, ничья), необходимая разность забитых и пропущенных мячей, расстановка, процент владения мячом, средняя дальность передач, средняя точность передач, процент голевых ударов от суммарного количества, обстрел ворот противника с дальних и средних дистанций, процент брака при исполнении типичных тактических ситуаций и др.

Обеспечивая непрерывное диагностирование общих командных параметров (ОКП) и ИПС каждого играющего футболиста, можно с достаточной вероятностью предсказать (прогнозировать) величину приближения или удаления от поставленной цели (результата игры). Оптимальное игровое состояние команды, соответствующее достижению или приближению к поставленной цели, обеспечивается в случае, когда основные ОКП и ИПС, входящие в состав соответствующих органов, находятся в заданных интервалах. Эти интервалы задаются тренерским штабом команды в виде нормативов, исходя из максимально достигнутых тактико-технических, физических и психологических кондиций каждого игрока команды с учетом его амплуа ("паспорт игрока"). В количественном или логическом выражении это означает максимально допустимый с начала игры процент ошибок при исполнении технических приемов и типичных тактических ситуаций, "запрограммированных" в процессе тренировочной работы от их общего числа. Под функциональным расстройством состояния играющей команды понимается нарушение нормального функционирования какого-либо органа или какого-либо процесса, носящее периодический или постоянный характер. Для оценки состояния используются так называемые объективные симптомы, наблюдаемые в игровом процессе. Симптом расстройства - это устойчивое отклонение текущего значения любого общекомандного или индивидуального параметра состояния за установленный диапазон. Основываясь на приведенных представлениях, можно сформулировать основную концепцию предлагаемой интеллектуальной системы. Суть ее заключается в оперативном обнаружении возможных расстройств игры команды в ходе проходящего матча, выявлении причин и принятии своевременных мер по ликвидации этих расстройств.

Для качественного диагностирования состояния объектно-ориентированных сложных организованных объектов существенной проблемой является создание и использование специальной терминологии расстройств и заболеваний, которые применительно к рассматриваемым областям деятельности носят в основном прецедентный характер. В этом отношении только в медицине существуют не только понятия общего расстройства функционирования отдельных органов (сердца, желудка, печени, кроветворения и др.) или систем (сердечно-сосудистой, нервной, пищеварительной, опорно-двигательной и др.), но и создана достаточно определенная терминология конкретных заболеваний этих органов и систем (гипертония, рак, ишемия, катары и т.д.).

Футбольная практика не имеет в настоящее время оформленной терминологии расстройств командного игрового процесса. Поэтому интеллектуальная система диагностирования хода футбольной игры производит выявление и оценку состояния каждого органа или процесса по текущему значению и тренду кривой вероятности развития расстройства с принятием решения о принадлежности к заранее определенному терму состояния типа: "нормальное", "удовлетворительное", "неудовлетворительное", "хорошее" и т.д. Это позволяет оперативно оценивать текущее состояние "здоровья" играющей команды как в целом, так и ее отдельных органов. Очевидно, что для СОМО, не имеющих своей собственной терминологии расстройств и заболеваний, эти приемы нечеткой логики при оперативном диагностировании состояния остаются пока единственным решением.

Известна интеллектуальная система регулирования [3] с координатной и параметрической обратными связями, предназначенная для управления технологическими процессами. Недостатком системы является невозможность ее использования в других областях деятельности.

Наиболее близкой к изобретению (прототип) является интеллектуальная система управления сложными организованными объектами (коборгами) [4], предназначенная для автоматизированного управления в различных отраслях деятельности. Она содержит объект управления, два исполнительных блока, два регулирующих блока, первый блок измерения текущего значения выходной координаты, второй блок измерения текущего значения внутренних параметров состояния объекта, два робастных фильтра, первый блок задания выходной координаты, модель объекта без запаздывания, второй блок задания параметров состояния объекта, четыре блока сравнения, два сумматора, блок задержки, блок оценки состояния объекта, два блока экстраполяции, блок пороговых элементов, блок формирования параметрических управляющих воздействий, инвертор сигналов параметрических воздействий, схему совпадения, блок задания эталонной ошибки регулирования, ключевую схему. Недостаток известной интеллектуальной системы управления обусловлен тем, что в ней отсутствует возможность в явном виде диагностировать сложные организованные мультиагентные объекты, к которым относится, например, играющая футбольная команда.

Цель изобретения - повышение результативности игры футбольной команды за счет оперативного диагностирования и своевременного принятия мер при намечающемся расстройстве хода игры.

На чертеже приведена блок-схема интеллектуальной системы диагностирования и управления ходом футбольной игры. Она включает сложный организованный мультиагентный объект (футбольную команду) 1, характеризующийся расстройствами состояния под влиянием собственных и внешних (от соперника) возмущений, первый блок 2 измерения текущих значений S общих командных параметров, второй блок 3 измерения текущих значений I индивидуальных параметров состояния футболиста, участвующего в игре, первый 14 и второй 15 робастные фильтры, первый блок 6 заданных на игру значений S* общих командных параметров, второй блок 7 задания значений I* индивидуальных параметров состояния для каждого игрока команды, первый 4 и второй 5 блоки сравнения, блок 8 диагностирования текущего состояния играющей футбольной команды, блок экстраполяции 9, блок 10 пороговых элементов, информационно-управляющий блок 11, исполнительный орган 12 и блок 13 оценки и регистрации ошибок играющих футболистов команды. Задаваемыми (планируемыми) в первом блоке задания 6 на игру значениями S*-параметрами могут быть, например: процент владения мячом, средняя дальность передач, средняя точность передач, процент голевых ударов от их суммарного количества, количество обстрелов ворот противника с дальних и средних дистанций, результат игры, в том числе с разницей забитых и пропущенных мячей и др. ΔS - величина рассогласования между заданными (запланированными) и текущими значениями общих командных параметров по ходу игры. Задаваемые I^* параметры предусматривают набор индивидуальных значений параметров состояния, характеризующих максимальные тактико-технические, физические и психологические возможности каждого игрока команды с учетом его амплуа. Эти параметры вводятся и запоминаются во втором блоке 7 задания значений I* индивидуальных целевых показателей для каждого игрока команды, как некий «футбольный паспорт» максимально возможных кондиций игрока. Заданными индивидуальными целевыми параметрами I* могут быть:

а) для голкипера: возможно допустимый процент ошибок при: неточных вбросах (выбиваний) мяча в поле, перехватах мяча, выборе позиции при отражении ударов и др.,

б) для крайнего защитника: возможно допустимый процент ошибок при: «закрытии» подопечного игрока, отборе мяча, страховке центральной зоны при атаке противника с противоположного фланга, создании искусственного положения «вне игры», передачах мяча партнеру, передачах мяча партнеру или в штрафную площадь противника при проходе по флангу и пр.,

в) для центрального защитника: возможно допустимый процент ошибок при: «закрытии» игрока противника, оказавшегося в зоне защитника, «закрытии» подопечного игрока при подаче угловых, проигранных единоборств, предупреждению ударов по воротам и др.,

г) для полузащитника: минимально «набеганный» километраж; допустимый процент брака: по длинным и средним передачам, необоснованных ударов по воротам противника с нереальной позиции, допустимый процент ошибок при: выключении своего подопечного из игры, страховке партнера-нападающего при потере им мяча, диагональной страховке партнера-защитника, подключенного в глубокую атаку и др.,

д) для нападающего: допустимый процент ошибок при: передачах мяча в центральную зону, при обводке опекуна, ударах по воротам противника, игре головой в штрафной площади противника и др.

ΔI - величина рассогласования между количеством фактических и возможно допустимых ошибок по индивидуальным целевым параметрам каждого игрока по ходу игры.

Кроме этого, в блок 7 задания индивидуальных целевых показателей предусматривается ввод дополнительных персональных заданий на предстоящий матч отдельным игрокам команды. Под U понимается управляющее параметрическое воздействие, которым может быть принятие решения по замене игрока или смена тактического замысла (например, переход на дальние обстрелы ворот противника) и др. Блоки 2 и 3 представляют собой датчики для автоматического и ручного ввода текущей информации об общих командных параметрах и индивидуальных параметрах состояния игроков. Блок экстраполяции 9 может быть представлен реальным форсирующим звеном или прогнозатором скользящего среднего с учетом тенденции. Робастные фильтры 14, 15 предназначены для исключения грубых ошибок при вводе информации. Информационно-управляющий блок 11 представляет собой формирователь управляющих параметрических воздействий с устройством отображения информации. Исполнительный орган 12 представляет тренерский штаб футбольной команды. Блок 13 оценки и регистрации ошибок играющих футболистов команды может быть представлен цифровым запоминающим устройством.

Интеллектуальная система диагностирования и управления ходом футбольной игры работает следующим образом.

Сигналы об измеряемых (регистрируемых) первым блоком 2 текущих значений выходных командных параметрах S поступают на вход первого робастного фильтра 14, в котором подавляются грубые помехи, вызванные при вводе информации в систему. Очищенные от случайных помех в фильтре 14 сигналы вычитаются в первом блоке сравнения 4 из заданных значений общих командных параметров, поступающих с выхода блока 6 заданных на игру значений S* общих командных параметров. Значения этих параметров задаются исходя из условий положения команды, знаний о противнике, укомплектованности команды и др. Сигнал с выхода блока сравнения 4 поступает на второй вход блока 8 диагностирования состояния играющей команды и на третий вход информационно-управляющего блока 11. Сигналы об измеряемых (регистрируемых) в блоке 3 текущих значениях индивидуальных целевых параметров футболистов I, участвующих в игре, поступают на вход второго робастного фильтра 15, в котором подавляются грубые помехи, вызванные, например, при вводе информации в систему. Очищенные от случайных помех в фильтре 15 сигналы, вычитаются во втором блоке сравнения 5 из заданных значений параметров, поступающих с выхода блока 7 заданных на игру значений индивидуальных целевых параметров игроков I*. Значения этих параметров задаются исходя из условий максимально достигнутых футболистом тактических, технических, физических и др. показателей на данный момент. Сигналы полученной разности с выхода блока сравнения 5 поступают на первый вход блока 8 диагностирования, предназначенный для своевременного выявления возникающих расстройств игры команды и на вход блока 13 оценки и регистрации ошибок играющих футболистов. В блоке диагностирования 8 заложена так называемая база знаний, при помощи которой производится количественная оценка достоверности развития расстройства или нежелательного изменения состояния игры команды. При этом база знаний представляется так называемым коллективным экспертом, содержащим некую совокупность знаний, извлекаемых из прикладных трудов по тактике и технике футбольной игры, методических инструкций, знаний футбольных экспертов и т.п.

Например, база знаний позволяет диагностировать следующие состояния игры как всей футбольной команды, так и отдельно каждого органа команды ("Оборона", "Средняя линия", "Нападение" и "Вся команда"), как:

1) нормальное (оптимальное);

2) хорошее;

3) удовлетворительное;

4) неудовлетворительное.

Каждое из этих состояний характеризуется так называемым коэффициентом уверенности вывода CFi, принимающим значения из интервала (-1,1). При этом CFi, принадлежащее к интервалу (0,1), интерпретируется как вероятность наличия одного из этих состояний, а абсолютное значение CFi, принадлежащее к интервалу (-1,0),- как вероятность отсутствия какого-нибудь из этих состояний. Количественная оценка развития расстройства игры футбольной команды производится по следующим алгоритмам нечеткой логики [5]:

1.При связи логического И:

CF[A]=CF[X и Y,.]=min{CF[X,.], CF[Y,.]}

2. При связи логического ИЛИ:

CF[A]=CF[X или Y,.]=max {CF[X,.], CF[Y,.]}

3. При комбинированной связи (КОМБ):

где CF[A,X], CF[A,Y] - коэффициент уверенности нежелательного развития расстройства А, определяемый экспертными знаниями или промежуточными результатами доказательств на непрерывном интервале [-1+1] от соответствующих симптомов x и y, появление которых обуславливается отклонением текущих значений параметров состояния объекта от установленного диапазона. Коэффициент CF, полученный из трех и более независимых доказательств, можно вывести последовательно, используя указанные выше формулы.

База знаний представляет собой набор продукции, позволяющий сочетать логический вывод и вычисления коэффициентов уверенности вывода. Он представляется правилами теории нечетких множеств, которые в простейшем случае применительно к реальным понятиям из футбольной области имеют вид:

ЕСЛИ (x=a И y=b), ТО (z=c),

где x - переменные (например, "процент ошибок при ударах по воротам"), а y - переменные, отражающие тенденцию изменения x (например, изменение процента ошибок при ударах по воротам за последний интервал времени), то z может принимать соответствующие значения (например, - "заданный допустимый интервал", "выше заданного допустимого интервала", "ниже заданного допустимого интервала"),

Сигнал о текущем значении вероятности состояния каждого органа ("Оборона", "Средняя линия" и "Нападение") и всей команды ("Вся команда") с выхода блока диагностирования 8 экстраполируется (прогнозируется) в блоке экстраполяции 9. Экстраполированное значение вероятности расстройства или нежелательного состояния командной игры поступает на вход блока 10 пороговых элементов. На выходе этого блока появляется логический сигнал «1» в случае, когда экстраполированные значения вероятности превышают заранее установленные значения для каждого соответствующего расстройства и состояния. Эти значения устанавливаются при настройке и тестировании системы. Сигнал о диагностируемом состоянии органов команды поступает на первый вход информационно-управляющего блока 11. Кроме этого, на второй вход этого блока поступает информация с выхода блока 13 об ошибках играющих футболистов, а на третий - с выхода первого блока сравнения 4 об отклонениях командных параметров от заданных значений. На основании поступающей информации информационно-управляющий блок 11 обеспечивает визуальное представление динамики состояния команды и ее органов, а также формирует рекомендации по управляющим параметрическим воздействиям на ход футбольной игры, например, по принятию решения по замене игрока или смена тактического замысла (переход на дальние обстрелы ворот соперника и др). Информация с выхода информационно-управляющего блока 11 поступает к исполнительному органу 12, где принимаются окончательные решения по реализации управляющих параметрических воздействиях.

Введение новых представлений для диагностирования и управления сложными мультиагентными объектами, к которым относится играющая футбольная команда, обеспечивающих предотвращение нежелательных изменений состояния в условиях противодействия соперника, позволяет повысить результативность игры футбольной команды.

Источники информации

1. Качалин Г.Д. Тактика футбола. - М.: Физкультура и спорт, 1986. - 128 с.

2. Горбунов А.А., Б. Аркадьев. - М.: Физкультура и спорт, 1990. - 175 с.

3. Патент на изобретение RU 2251721, Кл. G05B 13/02, 10.05.2005.

4. Патент на изобретение RU №2435187 С2, Кл. G05 13/02, 27.11.2011 (прототип).

5. Представление и использование знаний: Пер. с япон. / Под ред. Х.Уэно, М.Исидзука - М: Мир, 1989. - 220 с., ил.

Claims (1)

1. Интеллектуальная система диагностирования и управления ходом футбольной игры, содержащая мультиагентный (играющую футбольную команду) объект управления, первый блок задания общих командных параметров, выход первого блока задания соединен с первым входом первого блока сравнения, последовательно соединенные первый блок измерения текущих значений общих командных параметров, первый робастный фильтр, выход первого робастного фильтра соединен со вторым входом первого блока сравнения, выход первого блока сравнения соединен с третьим входом информационно-управляющего блока, второй блок задания индивидуальных параметров состояния игроков команды, выход второго блока заданий соединен с первым входом второго блока сравнения, последовательно соединенные второй блок измерения текущих значений индивидуальных параметров состояния игроков команды, второй робастный фильтр, выход второго робастного фильтра соединен со вторым входом второго блока сравнения, выход второго блока сравнения соединен с первым входом блока диагностирования текущего состояния играющей футбольной команды, последовательно соединенные блок диагностирования, блок экстраполяции, блок пороговых элементов, информационно-управляющий блок, исполнительный орган, выход блока пороговых элементов соединен с первым входом информационно-управляющего блока, отличающаяся тем, что в нее введен блок оценки и регистрации ошибок играющих футболистов команды, вход которого соединен с выходом второго блока сравнения, а выход - со вторым входом информационно-управляющего блока, выход первого блока сравнения соединен со вторым входом блока диагностирования текущего состояния играющей футбольной команды.