海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(tái) 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(lái)，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(jiān)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(kāi)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(xiǎn)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(dòng)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(duì)參訓(xùn)船艇、人員狀況及訓(xùn)練過(guò)程的安全掌控，如何進(jìn)行訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)定是長(zhǎng)期以來(lái)的組訓(xùn)難題。基于模塊化集成思想，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(cè)問(wèn)題。根據(jù)海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)需求分析

對(duì)海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)，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(duì)海上環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取，當(dāng)前可以通過(guò)查閱歷史天氣資料、收聽(tīng)天氣預(yù)報(bào)、訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中需要準(zhǔn)確掌握訓(xùn)練場(chǎng)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(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，及時(shí)做出訓(xùn)練計(jì)劃的調(diào)整；

2）海上訓(xùn)練過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)突發(fā)濃霧天氣，能見(jiàn)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(guò)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(yáng)直射、溫度過(guò)高、濕度過(guò)大等因素使學(xué)員體力消耗過(guò)快，組訓(xùn)人員往往只能通過(guò)間接詢問(wèn)學(xué)員體感等方法控制訓(xùn)練節(jié)奏，對(duì)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(shí)掌握；

4）訓(xùn)練過(guò)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(shí)效性滯后，從而造成訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)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(guò)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(píng)價(jià)指標(biāo)和軟件問(wèn)題，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)訓(xùn)練過(guò)程中的各種參數(shù)的記錄，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析理論，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，以天氣、海況等為依據(jù)分級(jí)（例如：區(qū)分大風(fēng)天、中風(fēng)天、小風(fēng)天等）計(jì)算出參訓(xùn)人員的量化成績(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)效果的評(píng)價(jià)問(wèn)題；

2）在當(dāng)前訓(xùn)練過(guò)程中，為了提高學(xué)員的訓(xùn)練積極性和訓(xùn)練效率，會(huì)通過(guò)各種形式的競(jìng)賽來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保證競(jìng)賽過(guò)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(duì)位置信息作為證據(jù)，系統(tǒng)的研制可以解決在競(jìng)賽過(guò)程中的信息監(jiān)控功能，為各競(jìng)賽的船艇自覺(jué)遵守規(guī)則提供了保證，從而提高了競(jìng)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(kāi)后，會(huì)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(shí)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(shí)信息和船隊(duì)遠(yuǎn)航的遠(yuǎn)程信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和遠(yuǎn)程控制，特別是在帆船拉力賽過(guò)程中，各船艇會(huì)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(guò)程中，組訓(xùn)人員需實(shí)時(shí)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(jiàn)，通過(guò)海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海上訓(xùn)練狀況的實(shí)時(shí)有效掌握與控制，有效預(yù)見(jiàn)事故隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，發(fā)生危急情況時(shí)可以提高救援時(shí)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(wèn)題。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擬采用單兵級(jí)、船艇級(jí)、編隊(duì)級(jí)以及遠(yuǎn)程級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)與分析子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)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(cè)與分析子系統(tǒng)主要完成單個(gè)參訓(xùn)人員身體狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與分析，并將相應(yīng)信息通過(guò)無(wú)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(guò)程中，要求每個(gè)單兵攜帶一套單兵生命參數(shù)監(jiān)測(cè)與分析子系統(tǒng)。因此，單兵生命參數(shù)監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)與分析子系統(tǒng)的信息，匯總并適當(dāng)處理后通過(guò)無(wú)線方式與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)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(jì)，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(jì)

基于總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)與分析子系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。

4.1 訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)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(guò)變換將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓模擬量，經(jīng)多路開(kāi)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(guò)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(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)如同無(wú)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(cè)流儀，采用超聲換能器，用超聲波探測(cè)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(cè)量?jī)x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(shí)差，結(jié)合超聲波在海水中的傳播速度得到其在該時(shí)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(jì)

項(xiàng)目在AIS提供信息的基礎(chǔ)上，采用DSP和FPGA設(shè)計(jì)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(wèn)時(shí)間。

根據(jù)船舶避碰系統(tǒng)的任務(wù)，設(shè)計(jì)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(jì)算量大，需要存儲(chǔ)擴(kuò)展。其他傳感器的輸出信號(hào)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(guò)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(jì)

船艇狀態(tài)及位置監(jiān)控子系統(tǒng)由船艇姿態(tài)監(jiān)測(cè)儀、船艇定位儀以及頻率監(jiān)測(cè)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(cè)儀可全程記錄訓(xùn)練時(shí)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(cè)儀將當(dāng)次訓(xùn)練數(shù)據(jù)保存于U盤等自身存儲(chǔ)設(shè)備，訓(xùn)練結(jié)束后可利用計(jì)算機(jī)對(duì)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(cè)儀能夠通過(guò)無(wú)線方式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，由遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與顯示，供組訓(xùn)人員（指揮員）及機(jī)關(guān)首長(zhǎng)調(diào)取與查看。海上訓(xùn)練過(guò)程中，船艇姿態(tài)監(jiān)測(cè)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(tái)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，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(guò)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(cè)儀采集參訓(xùn)人員的運(yùn)動(dòng)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(cè)與分析子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

1）生命參數(shù)監(jiān)測(cè)儀

從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)看，生命參數(shù)監(jiān)測(cè)儀雖然不是整個(gè)系統(tǒng)的核心，但它卻是單兵生命參數(shù)監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)體溫測(cè)量，心率測(cè)量擬采用壓力測(cè)量方式［12］。

2）生命參數(shù)分析儀

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各項(xiàng)生理指標(biāo)會(huì)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(cè)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(wèn)題［13］。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本課題需分析影響各項(xiàng)生理指標(biāo)變化的原因，通過(guò)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(gè)：一是基于參訓(xùn)人員生理指標(biāo)變化的體能消耗計(jì)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(jì)算，如圖6所示。

圖5 生命參數(shù)監(jiān)測(cè)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(gè)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(duì)參訓(xùn)人員進(jìn)行分類，針對(duì)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(shí)對(duì)不同身體素質(zhì)的單兵個(gè)體施加不同強(qiáng)度的訓(xùn)練，提高訓(xùn)練的科學(xué)性、針對(duì)性。

4.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)是海上軍事技能訓(xùn)練船艇信息采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)測(cè)訓(xùn)練環(huán)境、船艇及參訓(xùn)人員狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)匯總。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)主要工作過(guò)程為：首先，對(duì)所監(jiān)測(cè)的船艇、人員分別進(jìn)行編號(hào)注冊(cè)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(cè)狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)字信號(hào)上傳時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷、處理、存儲(chǔ)該數(shù)字信號(hào)并及時(shí)將參訓(xùn)船艇、人員的信息參數(shù)（編號(hào)、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(gè)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(duì)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(duì)參訓(xùn)船艇、人員狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌握。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)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(cè)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)開(kāi)發(fā)能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)單船、單兵參數(shù)信息的便攜式信息監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)。組訓(xùn)人員可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)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)異常或出現(xiàn)其他突發(fā)狀況時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)出報(bào)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(shí)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(cè)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(jìng)賽。比如，將船艇、人員監(jiān)測(cè)儀應(yīng)用于競(jìng)賽船艇，便可實(shí)現(xiàn)船艇狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生危急情況和犯規(guī)抗議時(shí)，及時(shí)給予救援、信息輔助，可顯著提高競(jìng)賽安全和仲裁準(zhǔn)確性。