坦克駕駛協(xié)同動(dòng)作模式表示與匹配方法

劉義樂(lè)， 劉峻巖

(陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072)

坦克駕駛訓(xùn)練中，對(duì)基礎(chǔ)駕駛動(dòng)作的考核要求為：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)要完成規(guī)定次數(shù)的指定動(dòng)作，且要保證一定的動(dòng)作正確率。如：坦克基礎(chǔ)駕駛練習(xí)要求,駕駛員在模擬器和駕駛椅訓(xùn)練時(shí)，在100 s內(nèi)完成發(fā)動(dòng)(1次)、1擋起車(1次)、制動(dòng)轉(zhuǎn)向(10次)、換2擋(10次)、換1擋(10次)、停車(1次)、熄火(1次)，共計(jì)34個(gè)(次)動(dòng)作，且錯(cuò)誤次數(shù)在7個(gè)(次)以內(nèi)[1]。在使用駕駛椅訓(xùn)練時(shí)，上述動(dòng)作評(píng)定只能通過(guò)教員目視判定。由于操作件多、動(dòng)作頻率快，大多數(shù)教員只能目視挑選一些典型錯(cuò)誤動(dòng)作，難以準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。若引入模擬器和駕駛教練車等具備相應(yīng)動(dòng)作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的專用訓(xùn)練器材，則整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程的各種操作數(shù)據(jù)均可記錄下來(lái)，如文獻(xiàn)[2-4]的作者雖然提出了離合器動(dòng)作識(shí)別方法，但無(wú)適合的方法對(duì)基礎(chǔ)駕駛中多操作件協(xié)同動(dòng)作進(jìn)行分析和自動(dòng)考核。

車載傳感器和訓(xùn)練裝備技術(shù)的發(fā)展，使得全方位全過(guò)程的存儲(chǔ)訓(xùn)練數(shù)據(jù)變?yōu)榭赡埽矠閿?shù)字化評(píng)估駕駛訓(xùn)練效果提供了海量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然而，如何把這些數(shù)據(jù)所包含的駕駛信息與教材教范中自然語(yǔ)言所描述的駕駛動(dòng)作相對(duì)應(yīng)，并根據(jù)考核標(biāo)準(zhǔn)提取相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)，是駕駛動(dòng)作分析的重難點(diǎn)工作。鑒于此，筆者結(jié)合駕駛過(guò)程中離合、擋位、油門等操作件的動(dòng)作特點(diǎn)和所采集的駕駛動(dòng)作數(shù)值特征，提出了采用字符和字串分別表示駕駛單一動(dòng)作和協(xié)同動(dòng)作的編碼方法，并依據(jù)《各型坦克駕駛員教材》[5](以下簡(jiǎn)稱《教材》)中規(guī)定的動(dòng)作要領(lǐng)，編制了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作字符串，最后借鑒成熟的字符串模式匹配算法實(shí)現(xiàn)了駕駛協(xié)同動(dòng)作的準(zhǔn)確識(shí)別，以期為駕駛訓(xùn)練自動(dòng)化考核提供技術(shù)支持。

1 坦克駕駛單一動(dòng)作模式表示

基于駕駛動(dòng)作數(shù)據(jù)的獲取來(lái)源和存儲(chǔ)形式，把駕駛動(dòng)作區(qū)分為單一動(dòng)作和協(xié)同動(dòng)作。所謂單一動(dòng)作，是指單一操作件所做的一次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，用指定的模式編碼表示。如：離合器單一動(dòng)作，可根據(jù)離合器踏板的位置以及運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行識(shí)別和分類，并編碼為離合器踏板保持在原始位置C0、踩離合踏板C1、離合器踏板保持在分離位置C2、松離合踏板C3、離合器踏板在半聯(lián)動(dòng)位置附近運(yùn)動(dòng)C4及非上述狀態(tài)的錯(cuò)誤動(dòng)作C5等6種動(dòng)作模式；擋位單一動(dòng)作，可根據(jù)擋位位置分類，并編碼為空擋位置D0、1擋位置D1、2擋位置D2、3擋位置D3、4擋位置D4、5擋位置D5等6種動(dòng)作模式；油門單一動(dòng)作，可根據(jù)油門踏板位移變化量和當(dāng)前位置進(jìn)行分類識(shí)別，編碼為保持小油門A1、加油 A2、保持大油門A3、減油A4等4種動(dòng)作模式，識(shí)別規(guī)則如表1所示。

表1 油門單一動(dòng)作模式識(shí)別規(guī)則

針對(duì)駕駛訓(xùn)練過(guò)程中所采集的油門踏板、離合器踏板位移數(shù)據(jù)和擋位位置數(shù)據(jù)，可通過(guò)動(dòng)作模式識(shí)別和動(dòng)作數(shù)據(jù)分割的方法獲得每個(gè)操作件單一動(dòng)作的模式編碼和起始時(shí)刻[4]。圖1為離合器、擋位和油門單一動(dòng)作和協(xié)同動(dòng)作曲線，其中：各單一動(dòng)作模式識(shí)別結(jié)果由2個(gè)元素組成，前一個(gè)元素是動(dòng)作模式編碼，后一個(gè)元素是該動(dòng)作模式的開始時(shí)刻?？梢钥闯觯?/p>

1) 離合器單一動(dòng)作模式識(shí)別結(jié)果：{C0，1;C1,64；C2,85；C4,158；C3,171；C4,189；C0,196；C1,291；C2,303；C3,312；C1,321；C2,326；C3，341；C0，354；C1，421；C2，431；C3，478；C0，491；C1，627；C2,639；C3，667；C0，679}。

2) 擋位單一動(dòng)作模式識(shí)別結(jié)果：{D0,1;D2，144；D0,314；D3，341；D0，444；D4，481；D0，643；D5，669 }。

3) 油門單一動(dòng)作模式識(shí)別結(jié)果：{A1，1;A2，151；A3，250；A4,291；A1，302；A2，315；A3，320；A4,417；A1，430；A2，457；A3，476；A4，625；A1，633；A2，653；A3，661；A4，672；A3，684；A2，688；A4，695}。

圖1 離合器、擋位、油門的單一動(dòng)作和協(xié)同動(dòng)作曲線

2 坦克駕駛協(xié)同動(dòng)作模式表示

由多個(gè)操作件的單一動(dòng)作按時(shí)間順序排列的動(dòng)作，稱為多操作件協(xié)同動(dòng)作。如：發(fā)動(dòng)、一擋起車、制動(dòng)轉(zhuǎn)向、換2擋、換1擋、停車、熄火等均是涉及多個(gè)操作件的協(xié)同動(dòng)作，其中換擋協(xié)同動(dòng)作通常包括油門、離合器和擋位的協(xié)同，轉(zhuǎn)向協(xié)同動(dòng)作通常包括油門、擋位和轉(zhuǎn)向操作桿之間的協(xié)同。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式表示

標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作，是指按照《教材》中規(guī)定的正確要領(lǐng)進(jìn)行操作時(shí)，所有操作件按照各自單一動(dòng)作模式時(shí)序進(jìn)行混合排列的協(xié)同動(dòng)作。以一代裝備定軸式變速箱1擋換2擋動(dòng)作為例，《教材》中要求的正確要領(lǐng)為：首先，踏下加油踏板沖車；其次，踏下主離合器踏板，同時(shí)松開加油踏板；然后，將變速桿從1擋位置摘到空擋，掛上2擋；最后，迅速平穩(wěn)地松回主離合器踏板，同時(shí)加油。

根據(jù)上述動(dòng)作要領(lǐng)，可構(gòu)建一個(gè)名稱為“1擋換2擋”的3操作件標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作，構(gòu)建規(guī)則為：

1) 將該協(xié)同動(dòng)作命名為3-D1-D2，含義為：包含3個(gè)操作件的1擋換2擋協(xié)同動(dòng)作。

2) 確定該協(xié)同動(dòng)作所包含的各操作件單一動(dòng)作模式編碼，按照時(shí)間順序混合排列。根據(jù)1擋換2擋的動(dòng)作要領(lǐng)，該協(xié)同動(dòng)作可表示為A3，C1，C2，A4，D0，D2，C3，C0，A3的混合編碼字符串，稱為協(xié)同動(dòng)作模式串。當(dāng)該協(xié)同動(dòng)作模式串順序來(lái)自于《教材》中所規(guī)定的動(dòng)作要領(lǐng)時(shí)，稱為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式串。

3) 為便于對(duì)協(xié)同動(dòng)作模式串進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，并在更復(fù)雜的科目訓(xùn)練中進(jìn)行層次化表示，為每組協(xié)同動(dòng)作模式串指定一個(gè)縮寫編碼，則第i組協(xié)同動(dòng)作模式串用Mi表示。

4) 該協(xié)同動(dòng)作可表示為{M1：3-D1-D2：A3，C1，C2，A4，D0，D2，C3，C0，A3}，即可以通過(guò)系列操作件的單一動(dòng)作模式的有序組合或單一動(dòng)作模式字符串來(lái)表示一組協(xié)同動(dòng)作。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式庫(kù)構(gòu)建

《教材》中規(guī)定了成千上萬(wàn)種協(xié)同動(dòng)作，只有把每一個(gè)協(xié)同動(dòng)作的正確模式都表示出來(lái)，形成較為完備的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式庫(kù)，才能為后續(xù)的動(dòng)作評(píng)價(jià)提供對(duì)照基準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)圖1(d)進(jìn)行分析可知：該段曲線所包含的協(xié)同動(dòng)作模式共有4組，如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式表

標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式庫(kù)是駕駛訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)答案庫(kù)，其構(gòu)建質(zhì)量將直接影響訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)定結(jié)果的可信性。通過(guò)對(duì)照《教材》中對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作的要領(lǐng)描述和所獲得的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式串，可知標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式庫(kù)構(gòu)建時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1) 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作的命名規(guī)則是一種開放式的規(guī)則，根據(jù)動(dòng)作類型和評(píng)價(jià)目標(biāo)不同，各協(xié)同動(dòng)作的命名規(guī)則不完全相同，越復(fù)雜的協(xié)同動(dòng)作、越關(guān)注細(xì)節(jié)的協(xié)同動(dòng)作，命名規(guī)則越復(fù)雜。如：表2中為了區(qū)分兩腳離合器換擋和一腳離合器換擋，每一個(gè)協(xié)同動(dòng)作名稱的后面都單獨(dú)增加了一表示離合器動(dòng)作類型的標(biāo)志位。

2) 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式串構(gòu)建自身要完備，要包含《教材》中規(guī)定的每一個(gè)動(dòng)作，尤其是一些《教材》中未明確提出、卻在實(shí)際動(dòng)作曲線中有體現(xiàn)的動(dòng)作。如：換擋要領(lǐng)中經(jīng)常有“踩下離合器”，在實(shí)際動(dòng)作曲線中，該要領(lǐng)卻不僅僅包含“踩離合”這一個(gè)動(dòng)作，還包含了“離合器踩到分離位置”這個(gè)最終狀態(tài)。即標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式串所包含的單一動(dòng)作數(shù)量并不完全與《教材》中規(guī)定的動(dòng)作要領(lǐng)數(shù)量完全一致，而通常要大于《教材》中規(guī)定的動(dòng)作要領(lǐng)數(shù)量，需要駕駛專業(yè)人員和數(shù)據(jù)處理專業(yè)人員來(lái)共同構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式串。

3) 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式庫(kù)構(gòu)建要盡可能全面。只有把所有駕駛員所有可能的正確動(dòng)作都列為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作，才能最大限度地覆蓋駕駛員訓(xùn)練過(guò)程中存在的正確動(dòng)作。如：《教材》中動(dòng)作要領(lǐng)中一些要求“同時(shí)開始”的動(dòng)作，要按該操作件位移數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)順序進(jìn)行排列。對(duì)于“同時(shí)開始”的動(dòng)作，由于傳感器的響應(yīng)速度、駕駛員動(dòng)作幅度、各操作件單一動(dòng)作模式狀態(tài)轉(zhuǎn)換閾值的靈敏度不同，對(duì)其模式識(shí)別的結(jié)果不一定完全相同，有可能某個(gè)動(dòng)作識(shí)別結(jié)果早或晚幾毫秒，將使得無(wú)法按照字符串精確匹配。因此，對(duì)于“同時(shí)開始”的動(dòng)作，只有羅列出所有可能正確的動(dòng)作模式串，才能準(zhǔn)確反映駕駛員的訓(xùn)練成績(jī)。

2.3 目標(biāo)協(xié)同動(dòng)作模式表示

“目標(biāo)”是指訓(xùn)練過(guò)程中所采集到的駕駛員實(shí)際動(dòng)作數(shù)據(jù)?？梢园凑詹僮骷我粍?dòng)作模式結(jié)果進(jìn)行排序，規(guī)則如下：

1) 嚴(yán)格按照動(dòng)作起始時(shí)刻順序進(jìn)行排序。如：對(duì)于{C1,40；C2,55；C3,120}、{D2，110}、{A3，120}這種3操作件單一動(dòng)作代碼，按照模式識(shí)別和數(shù)據(jù)分割得到的動(dòng)作模式編碼及其開始時(shí)間先后，其排序應(yīng)為{C1,40；C2,55；D2，110；C3,120；A3，120}。

2) 對(duì)于該序列中“同時(shí)開始”的動(dòng)作，可按照所采集的原始數(shù)據(jù)列表順序進(jìn)行排序。如：對(duì)于離合器和油門的“同時(shí)動(dòng)作”{C0,1；A1，1}，原始數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)時(shí)，離合器數(shù)據(jù)始終在油門前一列，把離合器動(dòng)作模式排在前面。

按照上述規(guī)則，圖1(d)中3個(gè)操作件的協(xié)同動(dòng)作曲線可由各操作件單一動(dòng)作模式時(shí)序表示為：{C0，1；D0,1；A1，1；C1,64；C2,85；D2，144；A2，151；C4,158；C3,171；C4,189；C0,196；A3，250；C1,290；A4,291；A1，302；C2,303；C3,312；D0,314；A2，315；A3，320；C1,321；C2,326；C3，341；D3，340；C0，354；A4,417；C1，421；A1，430；C2，431；D0，444；A2，457；A3，476；C3，478；D4，481；C0，491；A4，625；C1，627；A1，633；C2,639；D0，643；A2，653；A3，661；C3，667；D5，669；A4，672；C0，679；A3，684；A2，688，A4，695}。即圖1(d)所包含的協(xié)同動(dòng)作曲線通過(guò)單一動(dòng)作數(shù)據(jù)分割、模式識(shí)別和協(xié)同動(dòng)作模式串編碼，已轉(zhuǎn)換成為一組包含45個(gè)單一動(dòng)作代碼及其開始時(shí)刻的目標(biāo)字符串。駕駛動(dòng)作分析的目的為：考核這個(gè)目標(biāo)字符串中是否包含了需要完成的一些指定動(dòng)作(標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式串)，共包含了幾組，是否達(dá)到了規(guī)定的考核要求。

3 坦克駕駛協(xié)同動(dòng)作模式匹配

3.1 協(xié)同動(dòng)作模式匹配含義

模式匹配是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和文本搜索中關(guān)于字符串的一種基本運(yùn)算。假設(shè)P為給定的子(字符)串，稱為模式，T為待查找的文本，稱為目標(biāo)。從目標(biāo)T中找出與模式P相同的所有子串，稱為模式匹配。如果T中存在一個(gè)或多個(gè)模式為P的子串，則給出該模式串在T中的位置，稱為匹配成功；否則，匹配失敗[6]。

駕駛動(dòng)作分析中，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式串即是“模式”，而目標(biāo)協(xié)同動(dòng)作模式串則是“目標(biāo)”。駕駛動(dòng)作模式匹配的含義為：在駕駛員的目標(biāo)協(xié)同動(dòng)作模式串中尋找給定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式串，評(píng)判駕駛員有幾個(gè)動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式串相符，從而給出駕駛員在操作動(dòng)作時(shí)序方面的訓(xùn)練成績(jī)。

通過(guò)單一動(dòng)作模式識(shí)別分割以及協(xié)同動(dòng)作模式串構(gòu)建，駕駛動(dòng)作模式匹配問(wèn)題已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ姷淖址ヅ鋯?wèn)題。

3.2 駕駛協(xié)同動(dòng)作模式匹配算法

字符串模式匹配中，若一次文本掃描只檢測(cè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字符串與文本的匹配，稱為單模式匹配，常見的匹配算法有Boyer-Moore算法、KMP(Knuth-Morris-Pratt)算法[7]和Quick Search(QS)算法等。其中：KMP算法通過(guò)引入失配函數(shù)確定目標(biāo)串和模式串的回溯起始位置。即每一次的匹配時(shí)，目標(biāo)串的起始位置為上一輪匹配的失配位置，而模式串的起始位置則是重復(fù)字符結(jié)構(gòu)的下一位字符(無(wú)重復(fù)字符結(jié)構(gòu)，則是模式串的首字符)，其算法的復(fù)雜度為O(n+p)，其中n、p分別為目標(biāo)串和模式串的長(zhǎng)度。

若只對(duì)文本進(jìn)行一次掃描和匹配就完成對(duì)所有標(biāo)準(zhǔn)模式的搜索過(guò)程，稱為多模式匹配，常用的匹配算法有Aho-Corasick(AC)算法[8]和SBOM(Set Backward Oracle Matching)算法等[9]。其中：AC算法是一種基于有窮狀態(tài)自動(dòng)機(jī)(Finite State Automata,FSA)算法，匹配操作之前，需要先對(duì)模式串集合進(jìn)行預(yù)處理，形成樹型有限自動(dòng)機(jī)，然后只需對(duì)文本串掃描一次，便可以找出與其匹配的所有模式串。

選擇單模式匹配的KMP算法和多模式匹配的AC算法驗(yàn)證。

3.3 駕駛協(xié)同動(dòng)作模式匹配示例

對(duì)圖1所代表的目標(biāo)協(xié)同動(dòng)作模式串，按照每1 000個(gè)計(jì)數(shù)單位(10 ms)重復(fù)1次的方法，重復(fù)3次，以前文列舉的M1、M2、M3、M4標(biāo)準(zhǔn)串作為模式串，分別采用KMP算法和AC算法進(jìn)行匹配，其中：KMP算法執(zhí)行時(shí)間為0，匹配結(jié)果為

{M1：64-196；1 064-1 196；2 064-2 196}，
{M2:250-354;1 250-1 354;2 250-2 354}，
{M3:417-491;1 417-1 491;2 417-2 491}，
{M4:625-695;1 625-1 695;2 625-2 695}，

即給定的目標(biāo)模式串中共包含3組M1、M2、M3、M4四種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式；AC算法執(zhí)行時(shí)間為160 ms，匹配結(jié)果與KMP算法相同。

根據(jù)模式匹配算法對(duì)一段給定時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)駕駛協(xié)同動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到指定駕駛協(xié)同動(dòng)作中標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同動(dòng)作模式的正確次數(shù)及每次正確動(dòng)作的開始結(jié)束時(shí)間，從而給出該練習(xí)的訓(xùn)練考核成績(jī)，實(shí)現(xiàn)了駕駛協(xié)同動(dòng)作的數(shù)字化考核。

4 結(jié)論

筆者給出了單一駕駛動(dòng)作模式和協(xié)同駕駛動(dòng)作模式的概念，在KMP算法基礎(chǔ)上，利用本文設(shè)計(jì)的單一動(dòng)作和協(xié)同動(dòng)作編碼表示方法，完成了駕駛協(xié)同動(dòng)作識(shí)別和模式匹配，對(duì)駕駛動(dòng)作正確完成次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過(guò)算例進(jìn)行了驗(yàn)證。本文提出的方法可以支持駕駛動(dòng)作的數(shù)字化考核。