張 倩，彭 建

(合肥科技職業(yè)學(xué)院 體育系，安徽 合肥 230000)

足球運(yùn)動(dòng)是目前世界上最流行的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一，受到越來越多人的喜愛，各個(gè)國(guó)家對(duì)足球運(yùn)動(dòng)的重視程度也逐漸提高[1-2].在足球比賽中，贏得勝利的關(guān)鍵是足球射門.射門的過程具有較強(qiáng)的靈活性和技巧性，因此，合理規(guī)劃足球射門的最優(yōu)路徑成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)話題.相關(guān)專家給出了一些較好的研究成果，李根等[3]通過對(duì)研究區(qū)域的地形進(jìn)行建模，結(jié)合柵格法，通過蟻群算法進(jìn)行全局最優(yōu)路徑搜索，同時(shí)對(duì)螞蟻數(shù)量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，獲取最優(yōu)參數(shù)組合.馮煒等[4]組建海流模型以及阻礙物模型，結(jié)合量子行為粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解，獲取最優(yōu)路徑.上述兩種系統(tǒng)雖然取得了較為滿意的研究結(jié)果，但是隨著足球技術(shù)的迅猛發(fā)展，該技術(shù)的搜索效率和時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前需求.因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng).

1 基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)

足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)需要充分掌握?qǐng)龅氐幕拘畔?，形成電子地圖，方便使用.通過系統(tǒng)在完全陌生的環(huán)境下進(jìn)行路徑規(guī)劃，找到最優(yōu)的足球射門路徑.同時(shí)，通過系統(tǒng)的電子地圖，用戶可以實(shí)時(shí)查詢球場(chǎng)的情況，球員可以結(jié)合足球場(chǎng)的實(shí)際情況調(diào)節(jié)自己的射門路線，隨時(shí)搜索最佳路線，提高足球射門成功的概率.

結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，給出足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)，具體如圖1所示.

圖1 足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)功能示意圖

(1)地圖瀏覽模塊：地圖瀏覽功能通過eSuperMap控件的縮放功能實(shí)現(xiàn).同時(shí)，縮放功能也是重點(diǎn)針對(duì)地圖大小進(jìn)行縮放，加快系統(tǒng)的引導(dǎo)速度.

(2)路徑規(guī)劃分析模塊：路徑規(guī)劃分析模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，主要功能是用戶優(yōu)先選取最佳路徑，例如最短的路徑或者最短時(shí)長(zhǎng)的路徑等；在地圖上標(biāo)記多個(gè)起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)[5-6]，結(jié)合實(shí)時(shí)計(jì)算方法獲取最短時(shí)間內(nèi)的最佳射門路徑.

影響優(yōu)化路徑的因素有距離及時(shí)間等因素，綜合考慮影響因素，采用統(tǒng)一的參數(shù)進(jìn)行說明.圖1為足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)功能示意圖.

(3)屬性查詢模塊：對(duì)于足球射門的最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)而言，查詢功能是整個(gè)系統(tǒng)不可或缺的一部分，為用戶在使用該系統(tǒng)時(shí)提供更優(yōu)質(zhì)和便捷的服務(wù)，因此，在系統(tǒng)中加入屬性查詢功能.由于已有的嵌入設(shè)備并不支持鍵盤輸入，所以通過點(diǎn)選的方式明確查詢對(duì)象[7].當(dāng)用戶選取任意一點(diǎn)或者任意一條路徑時(shí)，系統(tǒng)給出研究對(duì)象對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù).

(4)人機(jī)接口模塊：人機(jī)接口模塊是提供用戶和計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的模塊.構(gòu)建一個(gè)人機(jī)交互的界面，通過一定的流程進(jìn)行問題分析，其中主要包含功能支持以及界面類型規(guī)范等.針對(duì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)而言，需要利用人機(jī)接口得到路徑的起始點(diǎn)以及目的地點(diǎn)等數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取用戶的需求.

(5)系統(tǒng)用例圖模塊：用例是描述系統(tǒng)外在的需求情況，用于系統(tǒng)的階段性需求的分析.模塊所描述的內(nèi)容即用戶所理解的功能，主要代表內(nèi)部用戶和交互系統(tǒng)兩者間的全部操作，該模塊需要對(duì)系統(tǒng)的外部屬性進(jìn)行建模，全面展示各個(gè)系統(tǒng)間的交互[8].系統(tǒng)的總體功能用圖2描述.

圖2 足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)用例圖

因?yàn)橛脩艄ぷ鳝h(huán)境的需求，需要系統(tǒng)具備良好的人機(jī)交互系統(tǒng)[9-10]，同時(shí)，系統(tǒng)以占用存儲(chǔ)空間小，并且實(shí)時(shí)性好等為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)需要滿足以下條件：①滿足目的地的多點(diǎn)需求，同時(shí)具有一定的時(shí)效性;②能夠根據(jù)用戶的需求提供最短以及耗時(shí)最低的路徑;③考慮路況變化情況以及足球場(chǎng)的射門規(guī)則;④最終的結(jié)果呈現(xiàn)給用戶.

足球射門的最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示.由圖3可知，整個(gè)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成.①人機(jī)交互界面：主要負(fù)責(zé)獲取數(shù)據(jù)，并且顯示最終的規(guī)劃結(jié)果；②數(shù)據(jù)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)：主要負(fù)責(zé)獲取足球場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);③路況數(shù)據(jù)庫(kù)：主要負(fù)責(zé)獲取足球場(chǎng)對(duì)應(yīng)的路況信息.

圖3 路徑規(guī)劃系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖

從技術(shù)方面出發(fā)，將路徑規(guī)劃系統(tǒng)嵌入電子地圖，將其設(shè)定為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過用戶需求規(guī)劃出一條最佳足球射門路徑.

地理信息系統(tǒng)是集收集、管理以及操作等為一體的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)[11].地圖瀏覽模塊主要實(shí)現(xiàn)以下幾方面的功能：①放大：地圖的放大功能通過選熱區(qū)實(shí)現(xiàn);②縮?。旱貓D的縮小功能通過選熱區(qū)實(shí)現(xiàn);③平移：用戶點(diǎn)擊移動(dòng)操作時(shí)，地圖可以通過指定的方向以及平移量進(jìn)行平移;④中心顯示：用戶點(diǎn)擊操作按鈕時(shí)，整體將以地圖為中心進(jìn)行移動(dòng)，并且研究區(qū)域最大化顯示，對(duì)重要的影響因素進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整.路徑規(guī)劃的模塊是在特定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行足球射門的最優(yōu)路徑規(guī)劃，使用的技術(shù)是獲取最小旅行代價(jià)路線.

人機(jī)接口模塊的基本設(shè)計(jì)原理為：①界面設(shè)計(jì)全部保持一致；②系統(tǒng)控制和顯示功能具有人們期望的功能等.人機(jī)接口模塊硬件構(gòu)成主要由顯示器以及觸摸屏等子模塊組成.用戶在系統(tǒng)上輸入足球射門的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，系統(tǒng)開始規(guī)劃路徑，最終通過人機(jī)顯示模塊完成路徑顯示.

2 足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃方法

路徑規(guī)劃是在行駛路徑存在障礙物的情況，制定一條標(biāo)準(zhǔn)且無障礙物的路徑.將粒子群算法應(yīng)用到足球射門的最優(yōu)路徑規(guī)劃中.環(huán)境建模是完成路徑規(guī)劃的前提和基礎(chǔ)，關(guān)鍵點(diǎn)是障礙物的表示，即機(jī)器人的人際環(huán)境需要結(jié)合一定的策略轉(zhuǎn)換進(jìn)行路徑規(guī)劃的模擬.路徑規(guī)劃是針對(duì)有限個(gè)障礙物并且存在路障的規(guī)劃環(huán)境，尋找起點(diǎn)到終點(diǎn)全部路徑的集合[12-13].

設(shè)定足球分布在大小不一的有障礙物的二維有限區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，足球場(chǎng)是尺寸為r的正方形區(qū)域，將空間劃分為r×r的柵格，其中各行的柵格數(shù)量為：

Nx=xmax/R.

(1)

采用圖4表示柵格中的數(shù)據(jù)，優(yōu)先對(duì)研究區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行建模分析，借助粒子群算法在模型搜索最優(yōu)解.其中，通過粒子群的優(yōu)化，獲取一條無障礙的射門路徑.

圖4 柵格坐標(biāo)和序號(hào)間的關(guān)系

對(duì)于足球場(chǎng)的二維地圖而言，進(jìn)行足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃的主要目的就是獲取耗時(shí)和距離最短的可行路徑.設(shè)定粒子第i和第i+1兩個(gè)相鄰元素的適應(yīng)度值為fit(i,i+1)，則整個(gè)路徑的可選擇適應(yīng)度函數(shù)為

(2)

(3)

粒子群中的全部路徑都是由相鄰兩個(gè)元素構(gòu)成，各個(gè)元素間的路徑必須在環(huán)境數(shù)組的第i行和第i+1行.通過粒子群算法獲取足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃具體操作流程如下：①將研究區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行初始化處理[14]，確定柵格大小，并且進(jìn)行環(huán)境建模，得到對(duì)應(yīng)的環(huán)境數(shù)組Circum;②將粒子群算法中的參數(shù)進(jìn)行初始化處理;③將初始化迭代次數(shù)進(jìn)行初始化處理，同時(shí)依次檢測(cè)粒子是否有效，重新進(jìn)行初始化處理無效粒子，直至形成有效的粒子為止;④分別計(jì)算不同粒子的適應(yīng)度取值，同時(shí)將其存入到fitval中，對(duì)比各個(gè)粒子當(dāng)前適應(yīng)值和歷史最優(yōu)適應(yīng)值.如果取值低于pbestfitval，則將當(dāng)前粒子的位置以及粒子的適應(yīng)值放入到歷史最優(yōu)中;⑤獲取歷史最優(yōu)值pbestfitval的最小值，將其和之前的全局最優(yōu)值進(jìn)行對(duì)比，如果歷史最優(yōu)適應(yīng)值的最小值低于之前的全部最優(yōu)pbestfitval，則將對(duì)應(yīng)的適應(yīng)值和粒子位置放置到全局最優(yōu)中;⑥對(duì)粒子的速度和位置進(jìn)行更新;⑦對(duì)更新后的粒子進(jìn)行有效檢查，將無效的粒子重新進(jìn)行初始化處理;⑧將當(dāng)前的迭代次數(shù)設(shè)定為依據(jù)[15]，將慣性權(quán)重進(jìn)行線性處理;⑨停止迭代，整個(gè)粒子群經(jīng)過進(jìn)化后能夠獲取最優(yōu)路徑Gbest.

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)的可行性，需要在表1所設(shè)置的參數(shù)配置下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

將文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)作為對(duì)比系統(tǒng)，在相同環(huán)境下，重復(fù)進(jìn)行30次測(cè)試，分別對(duì)比三種系統(tǒng)的性能，以圖5作為測(cè)試對(duì)象，分別對(duì)比三種系統(tǒng)的足球射門最優(yōu)路徑長(zhǎng)度和平均耗時(shí)，以此作為衡量指標(biāo)，具體實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表2，不同系統(tǒng)的最優(yōu)路徑長(zhǎng)度變化曲線如圖6所示.

圖5 測(cè)試圖像

圖6 不同系統(tǒng)的最優(yōu)路徑長(zhǎng)度變化曲線

表2 不同系統(tǒng)的足球射門最優(yōu)路徑長(zhǎng)度和平均耗時(shí)對(duì)比

綜合分析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠得到如下結(jié)論：①分析表2和表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)規(guī)劃的最優(yōu)路徑平均長(zhǎng)度為2.8 m，其他兩種系統(tǒng)的平均路徑長(zhǎng)度都在3.0 m以上，均高出本文系統(tǒng)，除此之外，在計(jì)算最優(yōu)路徑的耗時(shí)上，本文系統(tǒng)耗時(shí)只有10 s，而文獻(xiàn)[4]的系統(tǒng)耗時(shí)是本文的兩倍以上，文獻(xiàn)[3]的耗時(shí)也高出本文系統(tǒng)5 s，其耗時(shí)均超過本文方法0.5倍以上，因此本文系統(tǒng)的足球射門最優(yōu)路徑在三種系統(tǒng)中是效率最高的系統(tǒng);②分析圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最短路徑長(zhǎng)度明顯更低一些，主要是唯一通過局部信息素全面拓展了粒子的搜索能力，確保其能夠以最快的速度獲取最優(yōu)路徑.

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)足球射門路徑規(guī)劃系統(tǒng)存在的一系列問題，結(jié)合深度卷積網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)并提出基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的足球射門最優(yōu)路徑規(guī)劃系統(tǒng)，構(gòu)建人機(jī)交互系統(tǒng)，完成地圖瀏覽、平移等功能，通過粒子群算法進(jìn)行環(huán)境建模，進(jìn)而完成路徑規(guī)劃的模擬，最終完成最優(yōu)路徑的選擇.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提高了搜索的效率，有效規(guī)劃最短的路徑的同時(shí)，降低了路徑規(guī)劃耗時(shí)，可促進(jìn)足球研究的發(fā)展.