戚學(xué)文 楊大偉 李偉波

（海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院 煙臺 264001）

1 引言

海軍院校承擔(dān)著學(xué)員海上軍事技能的培養(yǎng)，軍事訓(xùn)練是部隊(duì)提高戰(zhàn)斗力的根本途徑［1］。近年來，軍事院校著眼崗位任職需求，注重提高學(xué)員的軍事素養(yǎng)，堅持從嚴(yán)從難訓(xùn)練、錘煉學(xué)員的戰(zhàn)斗作風(fēng)［2］，拓展了學(xué)員海上軍事技能訓(xùn)練的廣度和深度，訓(xùn)練成效顯著。然而，隨著各項(xiàng)訓(xùn)練的深入開展，尤其是海上訓(xùn)練的特殊性導(dǎo)致訓(xùn)練安全隱患隨之增多，訓(xùn)練風(fēng)險加大［3］，引發(fā)部分學(xué)員的畏懼心理和抵觸情緒，成為制約訓(xùn)練效果與安全保障的關(guān)鍵因素［4］。

此外，海上軍事技能訓(xùn)練中，出動船艇的數(shù)量較多，在高難度、高強(qiáng)度訓(xùn)練下，組訓(xùn)人員如何確保對參訓(xùn)船艇、人員狀況及訓(xùn)練過程的安全掌控，如何進(jìn)行訓(xùn)練成績評定是長期以來的組訓(xùn)難題?；谀K化集成思想，利用最新發(fā)展的傳感器技術(shù)，解決訓(xùn)練船艇信息數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測問題。根據(jù)海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，通過監(jiān)測理論進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)異常立即進(jìn)行信息告警，采取相應(yīng)的處理措施，組訓(xùn)人員在必要時可終止訓(xùn)練或根據(jù)預(yù)案處置突發(fā)狀況（人員落水、船艇走失等、突發(fā)疾病），從而消除安全隱患，極大地提高訓(xùn)練安全保障。

2 訓(xùn)練信息采集與監(jiān)測需求分析

對海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息進(jìn)行采集與監(jiān)測，主要用于解決訓(xùn)練安全管理、訓(xùn)練效果分析以及訓(xùn)練指揮控制等方面的訓(xùn)練需求。

2.1 訓(xùn)練安全管理

1）海上軍事技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)是對海上環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取，當(dāng)前可以通過查閱歷史天氣資料、收聽天氣預(yù)報、訓(xùn)練現(xiàn)場實(shí)地觀察等方法解決，多數(shù)取決于訓(xùn)練指揮員的經(jīng)驗(yàn)，而訓(xùn)練過程中需要準(zhǔn)確掌握訓(xùn)練場地的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、流向、流速、水深等參數(shù)信息，通過對數(shù)據(jù)的分析，及時做出訓(xùn)練計劃的調(diào)整；

2）海上訓(xùn)練過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)突發(fā)濃霧天氣，能見度下降導(dǎo)致與其他船只失去聯(lián)系，船艇的導(dǎo)航定位缺乏有效的手段；

3）海上訓(xùn)練過程中，由于某些訓(xùn)練科目的體能要求較高，特別在夏季訓(xùn)練太陽直射、溫度過高、濕度過大等因素使學(xué)員體力消耗過快，組訓(xùn)人員往往只能通過間接詢問學(xué)員體感等方法控制訓(xùn)練節(jié)奏，對于參訓(xùn)學(xué)員的體能消耗情況缺乏科學(xué)有效的實(shí)時掌握；

4）訓(xùn)練過程中，由于風(fēng)浪搖擺、操作不當(dāng)、撞船事故等情況造成人員落水后的信息傳送缺乏有效手段，救援的時效性滯后，從而造成訓(xùn)練風(fēng)險增大。

2.2 訓(xùn)練效果分析

1）海上技能訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)主要通過定性的檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，缺乏量化分析手段。系統(tǒng)的研制需要解決訓(xùn)練評價指標(biāo)和軟件問題，通過系統(tǒng)對訓(xùn)練過程中的各種參數(shù)的記錄，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析理論，通過數(shù)據(jù)對比，以天氣、海況等為依據(jù)分級（例如：區(qū)分大風(fēng)天、中風(fēng)天、小風(fēng)天等）計算出參訓(xùn)人員的量化成績，從而實(shí)現(xiàn)對教學(xué)效果的評價問題；

2）在當(dāng)前訓(xùn)練過程中，為了提高學(xué)員的訓(xùn)練積極性和訓(xùn)練效率，會通過各種形式的競賽來實(shí)現(xiàn)，為了保證競賽過程的安全順利，各船艇都需要遵守一定的規(guī)則，在發(fā)生犯規(guī)情況之后，需要一定的船艇相對位置信息作為證據(jù)，系統(tǒng)的研制可以解決在競賽過程中的信息監(jiān)控功能，為各競賽的船艇自覺遵守規(guī)則提供了保證，從而提高了競賽的真實(shí)性結(jié)果。

2.3 訓(xùn)練指揮控制

1）海上軍事技能訓(xùn)練中各船艇展開后，會在一定范圍的海域內(nèi)進(jìn)行各自訓(xùn)練，組訓(xùn)人員需要實(shí)時掌握各船艇的位置狀態(tài)，岸上指揮所領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)需要掌握部隊(duì)海上訓(xùn)練的實(shí)時信息和船隊(duì)遠(yuǎn)航的遠(yuǎn)程信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制和遠(yuǎn)程控制，特別是在帆船拉力賽過程中，各船艇會根據(jù)海況情況選擇不同的航線，造成船艇分布較廣，位置較遠(yuǎn)，而缺乏有效的指揮控制手段；

2）訓(xùn)練過程中，組訓(xùn)人員需實(shí)時了解編隊(duì)信息和編隊(duì)外其它地方船只的位置信息，為船艇海上避碰提供有效手段。

可見，通過海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)對海上訓(xùn)練狀況的實(shí)時有效掌握與控制，有效預(yù)見事故隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，發(fā)生危急情況時可以提高救援時效性與救援效果，從而提高海上軍事技能訓(xùn)練的安全保障，解決海上軍事技能訓(xùn)練領(lǐng)域的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)擬采用單兵級、船艇級、編隊(duì)級以及遠(yuǎn)程級結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、編隊(duì)船舶避碰子系統(tǒng)、船艇狀態(tài)及位置監(jiān)控子系統(tǒng)、單兵生命參數(shù)監(jiān)測與分析子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺等部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 中，單兵生命參數(shù)監(jiān)測與分析子系統(tǒng)主要完成單個參訓(xùn)人員身體狀態(tài)的監(jiān)測與分析，并將相應(yīng)信息通過無線方式發(fā)送至船艇狀態(tài)及位置監(jiān)控子系統(tǒng)。在訓(xùn)練和作戰(zhàn)過程中，要求每個單兵攜帶一套單兵生命參數(shù)監(jiān)測與分析子系統(tǒng)。因此，單兵生命參數(shù)監(jiān)測與分析子系統(tǒng)必須采用小巧的便攜式結(jié)構(gòu)，在不影響單兵訓(xùn)練前提下保證信息采集實(shí)時準(zhǔn)確，便于實(shí)際使用。

船艇狀態(tài)及位置監(jiān)控子系統(tǒng)接收單兵生命參數(shù)監(jiān)測與分析子系統(tǒng)的信息，匯總并適當(dāng)處理后通過無線方式與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺進(jìn)行通信。編隊(duì)船舶避碰子系統(tǒng)保證編隊(duì)訓(xùn)練期間的安全，既要求體積的小巧設(shè)計，又要保證較高的信息處理速度。

4 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，設(shè)計訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、編隊(duì)船舶避碰子系統(tǒng)、船艇狀態(tài)及位置監(jiān)控子系統(tǒng)、單兵生命參數(shù)監(jiān)測與分析子系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。

4.1 訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計

訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)主要監(jiān)測溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、流向、流速、水深、氣壓等參數(shù)，經(jīng)過變換將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓模擬量，經(jīng)多路開關(guān)依次輸入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由單片機(jī)處理，并由八位LED七段數(shù)碼顯示管顯示，它可通過標(biāo)準(zhǔn)RS-422串行通訊口進(jìn)行遠(yuǎn)距離分顯示通訊或與外系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，風(fēng)向風(fēng)速測量儀結(jié)構(gòu)如同無機(jī)翼的小飛機(jī)狀［5］；超聲多普勒流向流速儀是應(yīng)用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理制成的測流儀，采用超聲換能器，用超聲波探測流速［6～7］；溫度傳感器采用熱敏電阻溫度敏感元件；濕度傳感器采用高分子薄膜式濕敏電容敏感元件；大氣壓力傳感器采用擴(kuò)散硅壓阻式應(yīng)變電橋壓力敏感元件；水深測量儀垂直發(fā)射的超聲波經(jīng)海底反射后被接收系統(tǒng)接收，記錄發(fā)射、接收時差，結(jié)合超聲波在海水中的傳播速度得到其在該時差內(nèi)傳播的往返路程，除以2即為單程傳播路程，亦即海區(qū)的水深。

4.2 編隊(duì)船舶避碰子系統(tǒng)設(shè)計

項(xiàng)目在AIS提供信息的基礎(chǔ)上，采用DSP和FPGA設(shè)計船舶避碰系統(tǒng)［8～9］。其中高速浮點(diǎn)DSP作為AIS數(shù)據(jù)接收、船舶避碰算法和系統(tǒng)控制的微處理器。一塊容量合適的FPGA集成船舶避碰系統(tǒng)所需其他的I/O功能，實(shí)現(xiàn)外圍輸入輸出接口如其他串行口、ADC數(shù)據(jù)采集緩存等硬件電路，使部分?jǐn)?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信的I/O任務(wù)由DSP和FPGA協(xié)同承擔(dān)，從而使DSP減輕負(fù)擔(dān)，可以更專注于避碰的復(fù)雜算法。FPGA還可以實(shí)現(xiàn)液晶顯示接口和鍵盤接口。通常，液晶顯示器帶有液晶顯示控制器，可以方便與微處理器接口連接，液晶顯示接口減少了DSP的外設(shè)訪問時間。

根據(jù)船舶避碰系統(tǒng)的任務(wù)，設(shè)計系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中，AIS信息經(jīng)解碼、電平轉(zhuǎn)換進(jìn)入DSP串口，由于DSP芯片計算量大，需要存儲擴(kuò)展。其他傳感器的輸出信號經(jīng)調(diào)理及補(bǔ)償之后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入FPGA；定位終端、雷達(dá)等輸出的串行數(shù)據(jù)由DSP通過FPGA內(nèi)串行口采集；系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)則由FPGA內(nèi)的液晶顯示接口送到液晶顯示控制器；為方便系統(tǒng)調(diào)試，在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)4×4小鍵盤接口；另外，DSP和FPGA內(nèi)各模塊需要進(jìn)行通信。

4.3 船艇狀態(tài)及位置監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計

船艇狀態(tài)及位置監(jiān)控子系統(tǒng)由船艇姿態(tài)監(jiān)測儀、船艇定位儀以及頻率監(jiān)測儀組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 船艇狀態(tài)及位置監(jiān)控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，船艇姿態(tài)監(jiān)測儀可全程記錄訓(xùn)練時間、船艇航向、橫搖角度、縱搖（俯仰）角度［10］。而且，船艇姿態(tài)監(jiān)測儀將當(dāng)次訓(xùn)練數(shù)據(jù)保存于U盤等自身存儲設(shè)備，訓(xùn)練結(jié)束后可利用計算機(jī)對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，便于總結(jié)訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而改進(jìn)訓(xùn)練方案。此外，船艇姿態(tài)監(jiān)測儀能夠通過無線方式將實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，由遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、處理與顯示，供組訓(xùn)人員（指揮員）及機(jī)關(guān)首長調(diào)取與查看。海上訓(xùn)練過程中，船艇姿態(tài)監(jiān)測儀若發(fā)現(xiàn)船艇狀態(tài)出現(xiàn)異常（如橫搖或縱搖角度大于設(shè)定值），則立即向遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺自動發(fā)送報警信號，為訓(xùn)練安全提出預(yù)警。船艇定位儀可全程記錄訓(xùn)練過程中船艇的航速及地理位置數(shù)據(jù)并定期刷新，經(jīng)船艇狀態(tài)及位置監(jiān)控子系統(tǒng)整合與處理后進(jìn)行顯示。頻率監(jiān)測儀采集參訓(xùn)人員的運(yùn)動頻率和重復(fù)次數(shù)［11］，以考察其訓(xùn)練強(qiáng)度以及體能消耗率。

4.4 單兵生命參數(shù)監(jiān)測與分析子系統(tǒng)設(shè)計

單兵生命參數(shù)監(jiān)測與分析子系統(tǒng)主要由生命參數(shù)監(jiān)測儀以及生命參數(shù)分析儀組成。

1）生命參數(shù)監(jiān)測儀

從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)看，生命參數(shù)監(jiān)測儀雖然不是整個系統(tǒng)的核心，但它卻是單兵生命參數(shù)監(jiān)測與分析子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中，體溫測量可選用PHILIPS醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀專用的YSI400體腔體溫探頭進(jìn)行實(shí)時體溫測量，心率測量擬采用壓力測量方式［12］。

2）生命參數(shù)分析儀

在運(yùn)動過程中，各項(xiàng)生理指標(biāo)會發(fā)生相應(yīng)的變化，例如心率加快、體溫上升等，如何根據(jù)所測得的生命參數(shù)判斷參訓(xùn)人員的身體狀態(tài)是本系統(tǒng)應(yīng)著重解決的問題［13］。針對這個問題，本課題需分析影響各項(xiàng)生理指標(biāo)變化的原因，通過大量的臨床試驗(yàn)進(jìn)行分析。生命參數(shù)分析儀的功能主要有兩個：一是基于參訓(xùn)人員生理指標(biāo)變化的體能消耗計算；二是基于不同參訓(xùn)人員身體素質(zhì)及體能狀況的訓(xùn)練強(qiáng)度（如上面所述的槳頻、總劃槳次數(shù)等）計算，如圖6所示。

圖5 生命參數(shù)監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 生命參數(shù)分析儀功能示意圖

考慮到參訓(xùn)單兵個體身體素質(zhì)不盡相同、參差不齊，將單兵身高、體重等身體指標(biāo)劃分區(qū)間階段，對參訓(xùn)人員進(jìn)行分類，針對每一類單兵的具體情況分析其體能消耗量與自身體能的關(guān)系，必要時對不同身體素質(zhì)的單兵個體施加不同強(qiáng)度的訓(xùn)練，提高訓(xùn)練的科學(xué)性、針對性。

4.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺是海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)的終端，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對所監(jiān)測訓(xùn)練環(huán)境、船艇及參訓(xùn)人員狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測及數(shù)據(jù)匯總。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺主要工作過程為：首先，對所監(jiān)測的船艇、人員分別進(jìn)行編號注冊以及相關(guān)信息的詳細(xì)備案，然后將其設(shè)置進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)字信號上傳時，監(jiān)測系統(tǒng)判斷、處理、存儲該數(shù)字信號并及時將參訓(xùn)船艇、人員的信息參數(shù)（編號、體溫、心率、位置信息等）反饋給組訓(xùn)人員，組訓(xùn)人員可查看單個參訓(xùn)船艇、人員狀態(tài)、生理參數(shù)和生理參數(shù)曲線圖［14］。這樣，組訓(xùn)人員便可根據(jù)曲線圖對參訓(xùn)人員的生理狀況進(jìn)行全面了解，實(shí)現(xiàn)組訓(xùn)人員對參訓(xùn)船艇、人員狀態(tài)的實(shí)時掌握。

5 結(jié)語

本文主要對海上軍事技能訓(xùn)練中參訓(xùn)船艇、人員參數(shù)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，通過開發(fā)能遠(yuǎn)程監(jiān)測單船、單兵參數(shù)信息的便攜式信息監(jiān)測與保障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)參訓(xùn)船艇、人員狀態(tài)參數(shù)的自動監(jiān)測。組訓(xùn)人員可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺對參訓(xùn)船艇、人員的狀態(tài)和位置信息進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)參訓(xùn)人員身體參數(shù)異?；虺霈F(xiàn)其他突發(fā)狀況時，系統(tǒng)可發(fā)出報警信息并確定參數(shù)異常人員、突發(fā)狀況的位置，便于組訓(xùn)人員及時采取救援措施，從而大大降低海上軍事技能訓(xùn)練的事故發(fā)生率。

該系統(tǒng)除應(yīng)用于海上軍事技能訓(xùn)練之外，也可作為海軍陸戰(zhàn)隊(duì)海上訓(xùn)練的輔助控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)部隊(duì)訓(xùn)練信息監(jiān)測和保障，可應(yīng)用于特戰(zhàn)隊(duì)反恐隊(duì)員、小型船艇執(zhí)法中的信息監(jiān)控；另外，還可推廣應(yīng)用于地方帆船競賽。比如，將船艇、人員監(jiān)測儀應(yīng)用于競賽船艇，便可實(shí)現(xiàn)船艇狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生危急情況和犯規(guī)抗議時，及時給予救援、信息輔助，可顯著提高競賽安全和仲裁準(zhǔn)確性。