戚学文 杨大伟 李伟波

（海军航空大学航空基础学院 烟台 264001）

1 引言

海军院校承担着学员海上军事技能的培养，军事训练是部队提高战斗力的根本途径［1］。近年来，军事院校着眼岗位任职需求，注重提高学员的军事素养，坚持从严从难训练、锤炼学员的战斗作风［2］，拓展了学员海上军事技能训练的广度和深度，训练成效显著。然而，随着各项训练的深入开展，尤其是海上训练的特殊性导致训练安全隐患随之增多，训练风险加大［3］，引发部分学员的畏惧心理和抵触情绪，成为制约训练效果与安全保障的关键因素［4］。

此外，海上军事技能训练中，出动船艇的数量较多，在高难度、高强度训练下，组训人员如何确保对参训船艇、人员状况及训练过程的安全掌控，如何进行训练成绩评定是长期以来的组训难题。基于模块化集成思想，利用最新发展的传感器技术，解决训练船艇信息数据的采集与监测问题。根据海上军事技能训练船艇信息采集与监测系统数据信息，通过监测理论进行分析研究，发现异常立即进行信息告警，采取相应的处理措施，组训人员在必要时可终止训练或根据预案处置突发状况（人员落水、船艇走失等、突发疾病），从而消除安全隐患，极大地提高训练安全保障。

2 训练信息采集与监测需求分析

对海上军事技能训练船艇信息进行采集与监测，主要用于解决训练安全管理、训练效果分析以及训练指挥控制等方面的训练需求。

2.1 训练安全管理

1）海上军事技能训练的基础是对海上环境数据的获取，当前可以通过查阅历史天气资料、收听天气预报、训练现场实地观察等方法解决，多数取决于训练指挥员的经验，而训练过程中需要准确掌握训练场地的温度、湿度、气压、风向、风速、流向、流速、水深等参数信息，通过对数据的分析，及时做出训练计划的调整；

2）海上训练过程中，经常会出现突发浓雾天气，能见度下降导致与其他船只失去联系，船艇的导航定位缺乏有效的手段；

3）海上训练过程中，由于某些训练科目的体能要求较高，特别在夏季训练太阳直射、温度过高、湿度过大等因素使学员体力消耗过快，组训人员往往只能通过间接询问学员体感等方法控制训练节奏，对于参训学员的体能消耗情况缺乏科学有效的实时掌握；

4）训练过程中，由于风浪摇摆、操作不当、撞船事故等情况造成人员落水后的信息传送缺乏有效手段，救援的时效性滞后，从而造成训练风险增大。

2.2 训练效果分析

1）海上技能训练的标准主要通过定性的检验实现，缺乏量化分析手段。系统的研制需要解决训练评价指标和软件问题，通过系统对训练过程中的各种参数的记录，结合数据统计分析理论，通过数据对比，以天气、海况等为依据分级（例如：区分大风天、中风天、小风天等）计算出参训人员的量化成绩，从而实现对教学效果的评价问题；

2）在当前训练过程中，为了提高学员的训练积极性和训练效率，会通过各种形式的竞赛来实现，为了保证竞赛过程的安全顺利，各船艇都需要遵守一定的规则，在发生犯规情况之后，需要一定的船艇相对位置信息作为证据，系统的研制可以解决在竞赛过程中的信息监控功能，为各竞赛的船艇自觉遵守规则提供了保证，从而提高了竞赛的真实性结果。

2.3 训练指挥控制

1）海上军事技能训练中各船艇展开后，会在一定范围的海域内进行各自训练，组训人员需要实时掌握各船艇的位置状态，岸上指挥所领导机关需要掌握部队海上训练的实时信息和船队远航的远程信息，从而实现实时控制和远程控制，特别是在帆船拉力赛过程中，各船艇会根据海况情况选择不同的航线，造成船艇分布较广，位置较远，而缺乏有效的指挥控制手段；

2）训练过程中，组训人员需实时了解编队信息和编队外其它地方船只的位置信息，为船艇海上避碰提供有效手段。

可见，通过海上军事技能训练船艇信息采集与监测系统设计，可实现对海上训练状况的实时有效掌握与控制，有效预见事故隐患，预防事故的发生，发生危急情况时可以提高救援时效性与救援效果，从而提高海上军事技能训练的安全保障，解决海上军事技能训练领域的热点、难点问题。

3 系统总体结构设计

海上军事技能训练船艇信息采集与监测系统拟采用单兵级、船艇级、编队级以及远程级结构设计，主要由训练环境监测子系统、编队船舶避碰子系统、船艇状态及位置监控子系统、单兵生命参数监测与分析子系统、远程监控平台等部分组成，其总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构示意图

图1 中，单兵生命参数监测与分析子系统主要完成单个参训人员身体状态的监测与分析，并将相应信息通过无线方式发送至船艇状态及位置监控子系统。在训练和作战过程中，要求每个单兵携带一套单兵生命参数监测与分析子系统。因此，单兵生命参数监测与分析子系统必须采用小巧的便携式结构，在不影响单兵训练前提下保证信息采集实时准确，便于实际使用。

船艇状态及位置监控子系统接收单兵生命参数监测与分析子系统的信息，汇总并适当处理后通过无线方式与远程监控平台进行通信。编队船舶避碰子系统保证编队训练期间的安全，既要求体积的小巧设计，又要保证较高的信息处理速度。

4 子系统结构设计

基于总体结构设计方案，设计训练环境监测子系统、编队船舶避碰子系统、船艇状态及位置监控子系统、单兵生命参数监测与分析子系统以及远程监控平台。

4.1 训练环境监测子系统设计

训练环境监测子系统主要监测温度、湿度、风向、风速、流向、流速、水深、气压等参数，经过变换将监测数据转换为相应的电压模拟量，经多路开关依次输入A/D转换器，A/D转换后的数字量由单片机处理，并由八位LED七段数码显示管显示，它可通过标准RS-422串行通讯口进行远距离分显示通讯或与外系统设备进行通讯。系统结构如图2所示。

图2 训练环境监测子系统结构示意图

其中，风向风速测量仪结构如同无机翼的小飞机状［5］；超声多普勒流向流速仪是应用声学多普勒效应原理制成的测流仪，采用超声换能器，用超声波探测流速［6～7］；温度传感器采用热敏电阻温度敏感元件；湿度传感器采用高分子薄膜式湿敏电容敏感元件；大气压力传感器采用扩散硅压阻式应变电桥压力敏感元件；水深测量仪垂直发射的超声波经海底反射后被接收系统接收，记录发射、接收时差，结合超声波在海水中的传播速度得到其在该时差内传播的往返路程，除以2即为单程传播路程，亦即海区的水深。

4.2 编队船舶避碰子系统设计

项目在AIS提供信息的基础上，采用DSP和FPGA设计船舶避碰系统［8～9］。其中高速浮点DSP作为AIS数据接收、船舶避碰算法和系统控制的微处理器。一块容量合适的FPGA集成船舶避碰系统所需其他的I/O功能，实现外围输入输出接口如其他串行口、ADC数据采集缓存等硬件电路，使部分数据采集和数据通信的I/O任务由DSP和FPGA协同承担，从而使DSP减轻负担，可以更专注于避碰的复杂算法。FPGA还可以实现液晶显示接口和键盘接口。通常，液晶显示器带有液晶显示控制器，可以方便与微处理器接口连接，液晶显示接口减少了DSP的外设访问时间。

根据船舶避碰系统的任务，设计系统整体结构如图3所示。

图3 中，AIS信息经解码、电平转换进入DSP串口，由于DSP芯片计算量大，需要存储扩展。其他传感器的输出信号经调理及补偿之后，经A/D转换进入FPGA；定位终端、雷达等输出的串行数据由DSP通过FPGA内串行口采集；系统输出数据则由FPGA内的液晶显示接口送到液晶显示控制器；为方便系统调试，在FPGA内实现4×4小键盘接口；另外，DSP和FPGA内各模块需要进行通信。

4.3 船艇状态及位置监控子系统设计

船艇状态及位置监控子系统由船艇姿态监测仪、船艇定位仪以及频率监测仪组成，其结构如图4所示。

图4 船艇状态及位置监控子系统结构示意图

其中，船艇姿态监测仪可全程记录训练时间、船艇航向、横摇角度、纵摇（俯仰）角度［10］。而且，船艇姿态监测仪将当次训练数据保存于U盘等自身存储设备，训练结束后可利用计算机对训练数据进行回放，便于总结训练经验，进而改进训练方案。此外，船艇姿态监测仪能够通过无线方式将实时数据发送至远程监控平台，由远程监控平台进行数据存储、处理与显示，供组训人员（指挥员）及机关首长调取与查看。海上训练过程中，船艇姿态监测仪若发现船艇状态出现异常（如横摇或纵摇角度大于设定值），则立即向远程监控平台自动发送报警信号，为训练安全提出预警。船艇定位仪可全程记录训练过程中船艇的航速及地理位置数据并定期刷新，经船艇状态及位置监控子系统整合与处理后进行显示。频率监测仪采集参训人员的运动频率和重复次数［11］，以考察其训练强度以及体能消耗率。

4.4 单兵生命参数监测与分析子系统设计

单兵生命参数监测与分析子系统主要由生命参数监测仪以及生命参数分析仪组成。

1）生命参数监测仪

从系统总体结构看，生命参数监测仪虽然不是整个系统的核心，但它却是单兵生命参数监测与分析子系统的关键部件，其结构如图5所示。

其中，体温测量可选用PHILIPS医用监护仪专用的YSI400体腔体温探头进行实时体温测量，心率测量拟采用压力测量方式［12］。

2）生命参数分析仪

在运动过程中，各项生理指标会发生相应的变化，例如心率加快、体温上升等，如何根据所测得的生命参数判断参训人员的身体状态是本系统应着重解决的问题［13］。针对这个问题，本课题需分析影响各项生理指标变化的原因，通过大量的临床试验进行分析。生命参数分析仪的功能主要有两个：一是基于参训人员生理指标变化的体能消耗计算；二是基于不同参训人员身体素质及体能状况的训练强度（如上面所述的桨频、总划桨次数等）计算，如图6所示。

图5 生命参数监测仪结构示意图

图6 生命参数分析仪功能示意图

考虑到参训单兵个体身体素质不尽相同、参差不齐，将单兵身高、体重等身体指标划分区间阶段，对参训人员进行分类，针对每一类单兵的具体情况分析其体能消耗量与自身体能的关系，必要时对不同身体素质的单兵个体施加不同强度的训练，提高训练的科学性、针对性。

4.5 远程监控平台设计

远程监控平台是海上军事技能训练船艇信息采集与监测系统的终端，负责实现对所监测训练环境、船艇及参训人员状态的实时监测及数据汇总。远程监控平台主要工作过程为：首先，对所监测的船艇、人员分别进行编号注册以及相关信息的详细备案，然后将其设置进入监测状态。当有数字信号上传时，监测系统判断、处理、存储该数字信号并及时将参训船艇、人员的信息参数（编号、体温、心率、位置信息等）反馈给组训人员，组训人员可查看单个参训船艇、人员状态、生理参数和生理参数曲线图［14］。这样，组训人员便可根据曲线图对参训人员的生理状况进行全面了解，实现组训人员对参训船艇、人员状态的实时掌握。

5 结语

本文主要对海上军事技能训练中参训船艇、人员参数数据采集与监测的相关技术进行研究，通过开发能远程监测单船、单兵参数信息的便携式信息监测与保障系统，实现参训船艇、人员状态参数的自动监测。组训人员可通过远程监控平台对参训船艇、人员的状态和位置信息进行监控，当参训人员身体参数异常或出现其他突发状况时，系统可发出报警信息并确定参数异常人员、突发状况的位置，便于组训人员及时采取救援措施，从而大大降低海上军事技能训练的事故发生率。

该系统除应用于海上军事技能训练之外，也可作为海军陆战队海上训练的辅助控制系统，实现部队训练信息监测和保障，可应用于特战队反恐队员、小型船艇执法中的信息监控；另外，还可推广应用于地方帆船竞赛。比如，将船艇、人员监测仪应用于竞赛船艇，便可实现船艇状态实时监测，当发生危急情况和犯规抗议时，及时给予救援、信息辅助，可显著提高竞赛安全和仲裁准确性。