戰(zhàn)斗單兵計(jì)算機(jī)的需求

未來戰(zhàn)場將向數(shù)字化方向發(fā)展，戰(zhàn)斗單兵裝備成為信息化戰(zhàn)場的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)則是戰(zhàn)斗單兵裝備信息化的“心臟”，為士兵提供 C4ISR（Command，Control，Communications，Computers，Intelligence，Surveillance and Reconnaissance）能力，即指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視與偵察能力，使單兵與整個(gè)數(shù)字化戰(zhàn)場連接起來，成為數(shù)字化戰(zhàn)場、數(shù)字化部隊(duì)的基本組成單元。

單兵有多種，如第一線的戰(zhàn)斗單兵、特種部隊(duì)的偵察單兵、航空等遠(yuǎn)程火力的前哨單兵、裝備技術(shù)保障的維修單兵……，不同單兵對單兵計(jì)算機(jī)有著不同要求。本文以戰(zhàn)斗單兵為主探討單兵對計(jì)算機(jī)的需求，并兼顧其他單兵的共性要求。

單兵計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的一種新型電腦。單兵計(jì)算機(jī)追求以人為本，要使計(jì)算機(jī)適應(yīng)人而不是讓人去適應(yīng)計(jì)算機(jī)，使其更智能化，一致和連續(xù)地輔助士兵戰(zhàn)斗。單兵計(jì)算機(jī)應(yīng)采用多通道交互技術(shù)，能主動(dòng)感覺到士兵的狀況和環(huán)境變化，能了解士兵的精神狀態(tài)，并可自主地作出適當(dāng)響應(yīng)，自動(dòng)輔助或提醒士兵。為此，先進(jìn)的交互方式成為單兵計(jì)算機(jī)最具挑戰(zhàn)性的課題之一。

機(jī)動(dòng)性

質(zhì)量——最輕，體積——最小，耗能—— 最低?？梢杂猛庑纬叽?、功率消耗、總體質(zhì)量等定量指標(biāo)衡量，還要加上非雙手操作等定性要求。

穿戴性

單兵計(jì)算機(jī)需要穿戴在士兵身上執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)，其穿戴性主要從以下幾方面考慮：

——各部件在人體上的布局（安裝位置）；

--各部件不影響人的不同活動(dòng)；

——各部件分布在人體不同部位的質(zhì)量的平衡；

——各部件的熱耗散對人體的影響；

——穿戴者的整體外觀；

——對各部件的操作控制。

網(wǎng)絡(luò)

單兵計(jì)算機(jī)一般很少在獨(dú)立場合下工作，它的網(wǎng)絡(luò)能力在實(shí)際應(yīng)用中非常突出。其主要要求是具有無線傳輸能力、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無中心隨機(jī)自組能力、傳輸越障（樓群、地下室、叢林等）能力。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于9個(gè)。單兵計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)能力一般由如下指標(biāo)衡量：

數(shù)據(jù)傳輸速度；不同障礙下的數(shù)據(jù)通信距離；網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。

環(huán)境

其工作溫度應(yīng)能達(dá)到-10℃～55℃，貯存溫度達(dá)到-30℃～60℃，海拔高度達(dá)到0～3km。

牢固性

耐水，抗沖擊和意外墜落（1.5m高自由跌落在水泥地上），無故障工作時(shí)間不少于7 000小時(shí)。

硬件結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：微處理器單元、存儲(chǔ)器單元和各種類型的外圍設(shè)備，各部分之間由總線相連。

計(jì)算機(jī)的輸入和輸出采用USB接口，具有通用、高速、可擴(kuò)展、熱插拔特性，提高計(jì)算機(jī)的集成度。目前一些樣機(jī)采用的主模塊基本是嵌入式系統(tǒng)，但單兵計(jì)算機(jī)不應(yīng)歸屬于嵌入式系統(tǒng)，這類主模塊并不適合單兵計(jì)算機(jī)。所以應(yīng)開發(fā)專用于單兵計(jì)算機(jī)的主模塊或類似組件。

操作命令的輸入方式不宜用鍵盤，應(yīng)用語音、觸摸屏、手寫板以及快捷鍵方式，因?yàn)閼?zhàn)斗中士兵的雙手需要時(shí)時(shí)緊握武器。士兵的指令平時(shí)主要用語音；戰(zhàn)場靜默時(shí)用觸摸屏；手寫板只是備用設(shè)備。

目前單兵計(jì)算機(jī)還都是采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配件，這給單兵計(jì)算機(jī)小型化、可靠性等帶來困難，所以急需研制適合單兵計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配件，這樣才能降低單兵計(jì)算機(jī)開發(fā)和制造難度，降低成本。

進(jìn)一步，未來單兵計(jì)算機(jī)應(yīng)采用柔軟材料（或部件）制成，與軍服融為一體。目前國外在研究聰明織物（Smart Fabric）和“軟印制板”方面已取得了一些成果。中國科學(xué)院也已研制出超雙疏性界面材料，經(jīng)過這種材料處理過的織物可以防水、防油、防污，透氣性好，臟了只要用水沖洗就干凈了，還具有殺菌、防輻射、防霉等功能。將聰明織物與超雙疏性界面材料結(jié)合起來甚為理想，到那時(shí)，單兵計(jì)算機(jī)就可以變成真正的穿戴計(jì)算機(jī)（Wear Compt），攜行舒適、方便。

顯示器應(yīng)采用頭戴式，這是單兵計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)在硬件構(gòu)成上的主要區(qū)別之一。它支持了單兵計(jì)算機(jī)的獨(dú)特人機(jī)交互方式，適于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中使用。

計(jì)算機(jī)外設(shè)系統(tǒng)包括攝像頭、耳機(jī)、話筒、手寫板、觸摸屏、電臺、GPS、環(huán)境傳感器和人體生理參數(shù)傳感器等。攝像頭、觸摸屏在武器上，耳機(jī)、話筒在頭盔上，手寫板在衣袋里，電臺、GPS和計(jì)算機(jī)在一起，環(huán)境傳感器和人體生理參數(shù)傳感器在武器或單兵身上。其他種類的單兵根據(jù)需要配置系統(tǒng)。一般說來，輸入接口類型可以包括RS232串口（供手寫板、無線通信設(shè)備、 GPS使用）、1個(gè)USB接口（攝像頭）及用于連接耳機(jī)和話筒的ISA總線音頻接口。但由于多種外設(shè)不是同時(shí)工作，總線的12Mbytes帶寬是夠用的。可以考慮應(yīng)用USB作為外圍設(shè)備的統(tǒng)一總線，對于單兵計(jì)算機(jī)的可裁剪設(shè)計(jì)特性提供有效的硬件支持。

軟件

目前國際上單兵計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)主要采用桌面機(jī)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)，一般更傾向于采用Linux，或基于Linux的嵌入式系統(tǒng)。但桌面機(jī)模式和一般嵌入模式不能很好地支持單兵計(jì)算機(jī)特征和功能，所以應(yīng)該探索和研究全新概念的單兵計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、軟件支持和計(jì)算環(huán)境。單兵計(jì)算機(jī)是近幾年才興起的研究熱點(diǎn)，所以對單兵計(jì)算機(jī)軟件支持系統(tǒng)方面的研究相對薄弱，有許多問題亟待解決。軟件的研究應(yīng)考慮單兵計(jì)算機(jī)的以下特殊背景：

（1） 單兵計(jì)算機(jī)的超微型化、輕型化和可穿戴性決定了它是一個(gè)資源非常受限的平臺，而單兵計(jì)算機(jī)的某些性質(zhì)和應(yīng)用決定了單兵計(jì)算機(jī)是非常消耗資源的，單兵計(jì)算機(jī)本身資源不能滿足要求。

（2） 單兵計(jì)算機(jī)應(yīng)具備無需用手的操作性能，需要新的人機(jī)交互方式和操作模式的支持。語音輸入是單兵計(jì)算機(jī)最重要和最有潛力的輸入技術(shù)之一，但現(xiàn)在還存在識別速度、識別正確率等問題，特別是噪聲環(huán)境下的識別率還不夠理想。

（3） 根據(jù)環(huán)境和任務(wù)的改變，單兵計(jì)算機(jī)需要?jiǎng)討B(tài)更新硬件和軟件配置。不同兵種的單兵需用不同的單兵計(jì)算機(jī)，戰(zhàn)斗單兵計(jì)算機(jī)應(yīng)成為其他各種單兵計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)機(jī)型。

（4） 未來單兵計(jì)算機(jī)可能是在一個(gè)“無處不在的計(jì)算”環(huán)境中運(yùn)行。“泛算” 模式和它的發(fā)展將對單兵計(jì)算機(jī)未來的運(yùn)作框架和支持模式有著重大的影響，成為單兵計(jì)算機(jī)軟件支持系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。

（5） 單兵計(jì)算機(jī)具有高度的移動(dòng)性，使其必然需要依靠移動(dòng)通信，但移動(dòng)通信條件受限，例如可用性、帶寬、不對稱性及可靠性等限制。

（6） 網(wǎng)絡(luò)是擴(kuò)充單兵計(jì)算機(jī)資源的主要途徑，但這要解決好移動(dòng)通信、計(jì)算和存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)的分配問題，特別是在現(xiàn)有移動(dòng)通信條件受限的情況下，還不能過分依賴網(wǎng)絡(luò)。

（7） 抗干擾、防病毒。

（8） 惡劣使用環(huán)境下的穩(wěn)定性。

軟件模塊組成：

——GIS（地理信息系統(tǒng)）及GPS模塊；

——視頻采集及壓縮、解壓縮模塊；

——語音采集及壓縮、解壓縮模塊；

——語音控制模塊；

——加密解密的通信發(fā)射接收模塊；

——手寫識別模塊；

——組網(wǎng)通信模塊；

——數(shù)據(jù)庫管理模塊。

計(jì)算機(jī)處理能力

由于特殊場合的需要，單兵計(jì)算機(jī)要具有較高的處理能力，主要從以下方面衡量：

——文字圖表處理能力；

——對語音的壓縮與解壓縮的速度和重現(xiàn)能力；

——對圖像的壓縮與解壓縮的速度和重現(xiàn)能力；

——對地圖修訂處理能力，能與上級共享戰(zhàn)場態(tài)勢，進(jìn)行圖上折線、直線里程計(jì)算；

——浮點(diǎn)處理能力；

——單位時(shí)間執(zhí)行指令數(shù)；

——提示能力（上級有命令下達(dá)時(shí)、友鄰呼叫時(shí)、使用者注意力不集中時(shí)）；

另外，單兵計(jì)算機(jī)還應(yīng)能通過電臺以靜態(tài)圖像方式向上級發(fā)送信息，應(yīng)能嵌入GPS，綜合定位定向。

電源

隨著電子器件超微型化的發(fā)展，單兵計(jì)算機(jī)愈趨微型化、輕型化，然而電池所占比重卻愈趨增大。例如，美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)（承擔(dān)美軍維修單兵計(jì)算機(jī)和偵察單兵計(jì)算機(jī)研制的單位）的VuManl的電池占系統(tǒng)總質(zhì)量的 20%，VuMan2的電池占系統(tǒng)總質(zhì)量的50%，Navigatorl的電池竟然占系統(tǒng)總質(zhì)量的70%。由此可見，電源成了單兵計(jì)算機(jī)微型化、輕型化的主要障礙。單兵計(jì)算機(jī)的堅(jiān)固性決定了它要消耗更多的電能，因此高效能源對單兵計(jì)算機(jī)顯得尤為重要。目前單兵計(jì)算機(jī)所用電源主要是電池，但在短時(shí)間內(nèi)，電池在體積、質(zhì)量和容量方面不會(huì)有很大的改進(jìn)?，F(xiàn)在能量密度高的電池，除了采用鋰電池外，還出現(xiàn)了一種納米電池。

對于單兵計(jì)算機(jī)的能源問題需要從兩個(gè)方向進(jìn)行研究。合理利用能源是解決問題的途徑之一，如選用節(jié)能的處理器及其他器件，以盡量減少對硬件配置的要求。未來，除了高效微型電池之外，可利用的能源就是體能發(fā)電了。麻省理工學(xué)院和英國科學(xué)家研究的鞋式發(fā)電系統(tǒng)，利用人行走產(chǎn)生的能量發(fā)電，是很好的思路?！?(編輯/樵 夫)