劉義樂，劉峻巖，畢占東

(裝甲兵工程學院技術(shù)保障工程系，北京100072)

換擋是坦克駕駛訓練的基本內(nèi)容，同時也是充分發(fā)揮坦克戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要措施。我軍坦克駕駛員基礎(chǔ)訓練過程中，由于缺少信息化的輔助訓練手段，教員無法捕捉和再現(xiàn)駕駛員的操作細節(jié)，而只能憑借主觀感覺來判斷訓練效果。為了解決這一問題，筆者提出了采用位移傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄各操縱件位移信息，用狀態(tài)矩陣描述操縱件的變化時序，以給定的駕駛規(guī)則時序識別駕駛員特定操作動作的新方法，實現(xiàn)了坦克駕駛動作的數(shù)字化描述和智能化識別，為科學評價駕駛訓練效果奠定了理論基礎(chǔ)。

1 坦克駕駛動作數(shù)據(jù)的獲取

坦克駕駛艙內(nèi)，所有操縱件都以桿、手柄或者踏板的形式存在，都按照給定軌跡運動，因此只要能夠?qū)崟r記錄這些操縱件的運動軌跡，并通過一定處理，就有可能再現(xiàn)駕駛員的操作過程并進行更深層次的動作分析。

筆者獲取坦克駕駛動作數(shù)據(jù)的方法為:在離合器踏板、一倒擋縱拉桿、二三擋縱拉桿、制動器踏板和油門踏板等5個操縱件上安裝拉線式位移傳感器，利用YE6260數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄給定時間段內(nèi)的操縱件位移信息，從而形成各操縱件的位移記錄，如圖1所示。

圖1記錄了上述5個操縱件在0～16 s內(nèi)的位移信息，共包括一擋起車、一擋換二擋、二擋換三擋、三擋換一擋等4個連續(xù)動作。以圖中標識的“B”時間段內(nèi)的動作(一擋換二擋)為例，可以看出，按照時間順序，該駕駛員完成的動作包括:1——踏下加油踏板;2——松開加油踏板;3——踏下主離合器踏板;4——主離合器踏板踏到底后保持不動;5——摘一擋;6——空擋;7——開始掛二擋;8——掛上二擋;9——松開主離合器踏板;10——主離合器踏板回位。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，上述所有位移數(shù)據(jù)以圖2所示的位移數(shù)據(jù)矩陣方式存儲。

圖1 駕駛動作曲線

圖2 各操作件位移數(shù)據(jù)矩陣

2 坦克換擋動作的識別

圖1所示的動作曲線，很容易看出駕駛員各個操作動作的時機、程度和速度等信息，教員可以根據(jù)這些信息深入分析學員操作動作的完成情況和訓練效果。但是當有大量駕駛操作數(shù)據(jù)時，必須采用自動化的處理方法才能完成上述動作信息的識別，從而形成有價值的駕駛訓練記錄。本文重點討論圖2所示的操縱件位移矩陣中所包含的換擋動作自動識別方法。

為了便于敘述，這里引用2個概念:坦克駕駛的基本動作和組合動作［1］。基本動作是乘員對駕駛艙內(nèi)某一操縱件所進行的一次狀態(tài)改變活動，如前文提到的1－10個狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程;組合動作則是為了達到某一確定目標而進行的若干基本動作的組合，如圖1中“B”時間段內(nèi)完成的一擋換二擋動作。

換擋動作自動識別的思路是:首先識別出每一個基本動作，然后根據(jù)駕駛教范中規(guī)定的換擋動作要領(lǐng)(基本動作組合時序)來識別駕駛員的具體換擋動作［2－3］。

2.1 操縱件位移數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程

在圖1所示駕駛員動作曲線中，每一操縱件的基本動作，都表現(xiàn)為該操縱件所對應(yīng)位移曲線的上升或者下降，因此，可通過操縱件位移數(shù)據(jù)的增加或者減少來識別該操縱件是否動作。具體方法為:將圖2所示的操縱件位移數(shù)據(jù)記錄看作一個位移矩陣D，同時構(gòu)建另一操作動作狀態(tài)矩陣P，按照下述方法，實現(xiàn)位移矩陣D向狀態(tài)矩陣P的轉(zhuǎn)換。

1)將位移矩陣D轉(zhuǎn)置，使該位移矩陣中的行表示某一操縱件的連續(xù)變化位移，縱列表示不同操縱件。

2)構(gòu)建操作動作狀態(tài)矩陣P，其行數(shù)和列數(shù)與位移矩陣D相同;

3)將操作動作狀態(tài)矩陣P的第1列全部設(shè)置為 0，即 pi1=0，i=1，2，…，5。

4)設(shè)定一組判定各操縱件是否移動的閾值。由于裝甲車輛行駛條件較為惡劣，在顛簸狀態(tài)下，這些操縱件可能會有輕微移動;因此要求所設(shè)定閾值必須大于這種干擾造成的輕微移動，但要能夠識別出駕駛員有意識的操作動作，這里將其設(shè)定為1 mm。

5)用位移矩陣D中的第2列減去第1列，所得到的每列差值與設(shè)定閾值相比較。如果差值大于此閾值或者小于此閾值的相反數(shù)，說明該操縱件正在正向(反向)移動，動作狀態(tài)矩陣中相應(yīng)位置標明為“1”或者“－1”;如果小于此閾值，則說明該操縱件沒有移動，狀態(tài)矩陣中對應(yīng)位置標明為“0”;

6)重復(fù)步驟4)，直到所有位移數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)矩陣。最后所得到的部分狀態(tài)矩陣P如表1所示。

2.2 操作動作狀態(tài)矩陣的特點分析

結(jié)合駕駛動作教范，對表1所示的操作動作狀態(tài)矩陣進行分析。

1)狀態(tài)矩陣中的某一行反映了單個操縱件的狀態(tài)變化［4］。該列中，“1”表示正向運動，“－1”表示反向運動，“0”表示保持不動。由于數(shù)據(jù)采集頻率遠大于動作頻率，所以單個操縱件的狀態(tài)總是表示該列一段長度的“1”、“－1”或者“0”的組合。

表1 操作動作狀態(tài)矩陣P(一擋換二擋)

2)任何一個操縱件的運動都是由靜止－運動－靜止3種連續(xù)狀態(tài)組成，所以該操縱件的狀態(tài)矩陣總是表現(xiàn)為“00…11…00… －1－1…00”的連續(xù)穩(wěn)定變化過程。

3)可以動作狀態(tài)矩陣中“1”的列數(shù)計算該操縱件開始運動的時刻、運動持續(xù)時間等操作信息，利用“1”兩端的“0”狀態(tài)所對應(yīng)的操縱件位置，實現(xiàn)該操縱件運動狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的識別。

4)狀態(tài)矩陣中的一列代表了同一時刻不同操縱件的當前狀態(tài)［5］，這些狀態(tài)按照時序排列起來，可以表示某一組合動作中各操縱件的動作時機、前后時序關(guān)系和持續(xù)時間等。

5)在正常情況下的組合動作中，各操縱件總是從整體靜止狀態(tài)開始變化，按照教范規(guī)定的動作狀態(tài)不斷變化，最后達到一個新的靜止狀態(tài)。因此可利用所有操縱件兩端共同的靜止狀態(tài)“0”之間的矩陣列數(shù)，計算該組合動作的動作持續(xù)時間和各操縱件的動作時序，完成對操作動作訓練效果的判斷。

2.3 換擋組合動作的自動識別過程

換擋是坦克駕駛訓練的基本內(nèi)容，以一擋換二擋為例，完整的換擋過程均應(yīng)包括圖1中1－10的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。這種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程在動作狀態(tài)矩陣中呈現(xiàn)出固定的時序關(guān)系，可利用這種固定的時序關(guān)系來識別給定狀態(tài)矩陣中所包含的換擋組合動作。

識別時，應(yīng)首先識別出某擋縱拉桿的基本動作，這是換擋組合動作的核心內(nèi)容。因為換擋組合動作中，除變速桿動作外的其他動作，如加油門、踏離合、制動等，即使不在換擋過程中也可能存在，只有識別出了該擋位縱拉桿的基本動作，繼而才能識別與該動作有一定時序關(guān)系的其他動作，完成整個換擋組合動作的識別。識別步驟如下。

1)從狀態(tài)矩陣P中各擋縱拉桿所對應(yīng)的數(shù)據(jù)行(第 i行)查找各“0”、“1”或“0”、“－1”的轉(zhuǎn)換時刻，獲取該時刻矩陣的列數(shù) i1，i2，i3…。

2)從位移矩陣中查找對應(yīng)(i，j)位置的位移數(shù)值，與事先標定的各擋位位移數(shù)據(jù)進行對比，識別出變速桿運動前后的2個擋位狀態(tài)。標記為類似j1=空擋、j2=1擋的識別結(jié)果。

3)由于換擋總是伴隨著離合器的運動，并且變速桿運動過程中，離合器將一直處于踏到底的“0”(靜止)狀態(tài)，因此為了找到踏離合器的初始狀態(tài)點，可以換擋起始時的0到1轉(zhuǎn)換狀態(tài)(i，j1)點為起點，向前搜索離合器的“0”、“1”轉(zhuǎn)換點。搜索到第1個轉(zhuǎn)換點為離合器踏到底的時刻，然后還應(yīng)繼續(xù)向前搜索，找到整理離合器踏下過程所對應(yīng)的連續(xù)的“1”。當“1”第2次轉(zhuǎn)換為“0”時，即為離合器踏下的起始時刻。

4)同理，換擋結(jié)束后，乘員要松開離合器，因此也要找到變速桿由“1”變?yōu)椤?”的時刻后，離合器由踏到底的“0”到代表松開過程的“－1”再到松到底的“0”時刻。

按照上述方法，可以識別出一擋換二擋所對應(yīng)的10個操縱狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程恰恰對應(yīng)著表1中各列操縱動作的0列1轉(zhuǎn)換點。具體對應(yīng)關(guān)系如表2所示。因此只要在操作動作狀態(tài)矩陣P掃描出如表2“狀態(tài)”欄中所存在的時序狀態(tài)組合，就可識別出所采集的位移矩陣D中所包含的一擋換二擋動作。

換擋過程中，如果需要油門和制動的配合，也可以按照上述方法尋找其0到1轉(zhuǎn)換點，并把不同的動作轉(zhuǎn)換點排成一定的時序，從而完成整個動作組合的識別。

需要說明的是，由于不同駕駛員操作熟練程度不同，換擋組合動作中某一狀態(tài)的持續(xù)時間往往不同，但是這種持續(xù)只能是同一狀態(tài)的重復(fù)出現(xiàn)［6］，而不應(yīng)該出現(xiàn)違背規(guī)定時序的其他狀態(tài)組合。根據(jù)這一特點，可識別駕駛員的錯誤動作。

表2 狀態(tài)矩陣與具體操縱動作對應(yīng)關(guān)系

2.4 模型驗證和局限性分析

按上述方法，對某學員實車駕駛訓練數(shù)據(jù)進行分析，得到該學員換擋動作識別結(jié)果，包括單個操縱件動作時間，如表3所示。表3的識別結(jié)果不僅說明了本文所提操縱動作識別方法的正確性，而且定量描述了各操縱件動作與整個換擋組合動作的時間關(guān)系，以及學員換擋的動作水平。

表3 某學員操作動作識別結(jié)果

當然，僅靠本文提出的模型不能完全解決駕駛訓練效果評價的所有問題?；谒杉母鞑倏v件位移信息，只能識別出這些操縱件的狀態(tài)變化、動作時序以及整個動作的完成時間，這些結(jié)果是評價乘員基礎(chǔ)駕駛動作準確度和熟練度的最重要指標。

另外，由于不同乘員的駕駛動作習慣不同，在保證各操縱件動作時序、持續(xù)時間等參數(shù)符合給定駕駛規(guī)范的前提下，很難找出一條最佳操作曲線作為評價基準，這也是駕駛訓練效果評價的復(fù)雜性表現(xiàn)之一。

3 結(jié)論

本文提出了用操縱件位移數(shù)據(jù)記錄乘員動作，用狀態(tài)矩陣描述乘員動作，用給定的駕駛規(guī)則時序識別乘員特定操作動作組合的方法，實現(xiàn)了對坦克駕駛訓練過程進行數(shù)字化記錄和智能化識別，其研究成果可為教員現(xiàn)場指導訓練、總結(jié)訓練經(jīng)驗、評價訓練效果提供技術(shù)支持。

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