軍人心理行為訓(xùn)練用穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢紅濤，李忠紅，趙科超，楊子健，徐世偉，崔 澂

（陸軍軍醫(yī)大學(xué)士官學(xué)校，石家莊050081）

0 引言

軍人心理行為訓(xùn)練是強(qiáng)化軍人心理素質(zhì)的重要手段，通過(guò)模擬設(shè)置戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和作業(yè)條件，科學(xué)運(yùn)用心理學(xué)理論和方法合理設(shè)置特定訓(xùn)練科目，可開(kāi)發(fā)心理潛能、增強(qiáng)自信、激發(fā)斗志、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，促進(jìn)基本心理素質(zhì)和心理健康水平有效提升[1]。目前，美軍通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）和高仿真實(shí)體模擬技術(shù)，組織軍人在高強(qiáng)度的模擬戰(zhàn)斗中進(jìn)行演練，增強(qiáng)其適應(yīng)各種戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境的能力[2]。與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我軍所開(kāi)展的心理行為訓(xùn)練在訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練器材、訓(xùn)練評(píng)估等方面均存在一定差距，智能化訓(xùn)練器材研究較少，現(xiàn)有的平衡鋼絲、模擬電網(wǎng)等訓(xùn)練器材結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化、智能化水平相對(duì)較低[3]。本文針對(duì)上述問(wèn)題，應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)設(shè)計(jì)穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練監(jiān)測(cè)過(guò)程的客觀性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性，是提升我軍心理行為訓(xùn)練器材自動(dòng)化、智能化水平的有益嘗試。

1 現(xiàn)狀分析

穿越電網(wǎng)科目要求一個(gè)建制單位（班或排）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不借助任何工具全員成功穿越一定高度（1.6～2 m）的電網(wǎng)，且不得觸碰電網(wǎng)；還可通過(guò)調(diào)整傷員數(shù)量、縮小電網(wǎng)孔大小、設(shè)置電網(wǎng)孔使用次數(shù)等，逐步增加訓(xùn)練難度、不斷開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)潛能。其訓(xùn)練目的是通過(guò)科學(xué)高效的組織指揮，發(fā)揮整個(gè)團(tuán)體的最大生理和心理潛能。

如圖1所示，目前我軍所使用的穿越電網(wǎng)訓(xùn)練器材多采用鋼材或木材制作電網(wǎng)邊框，上下、左右邊框間拉設(shè)繩索模擬電網(wǎng)，在開(kāi)展訓(xùn)練中存在以下問(wèn)題：（1）形式簡(jiǎn)易、功能單一，參訓(xùn)人員的體驗(yàn)感、沉浸感、緊張感偏低，電網(wǎng)模擬逼真度較差，難以達(dá)到實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練效果；（2）單純依靠肉眼裁斷，參訓(xùn)人員是否觸碰電網(wǎng)需由2名以上評(píng)判員進(jìn)行人工判別，極易出現(xiàn)主觀性漏判、誤判，訓(xùn)練效果缺少客觀性、科學(xué)性、量化規(guī)范性評(píng)判。

圖1 傳統(tǒng)穿越電網(wǎng)訓(xùn)練場(chǎng)景

2 設(shè)計(jì)

2.1 主要功能

以嵌入式系統(tǒng)與傳感器技術(shù)為核心，穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)具有以下主要功能：（1）32個(gè)電網(wǎng)孔孔徑可調(diào)；（2）自動(dòng)記錄穿越電網(wǎng)區(qū)域的總時(shí)間；（3）自動(dòng)識(shí)別參訓(xùn)人員是否觸碰電網(wǎng)；（4）參訓(xùn)人員觸碰電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警提示；（5）實(shí)時(shí)顯示訓(xùn)練用時(shí)、違規(guī)次數(shù)、通過(guò)人數(shù)等訓(xùn)練參數(shù)；（6）有單組訓(xùn)練和競(jìng)賽訓(xùn)練2種模式可供選擇；（7）可根據(jù)完成時(shí)間、通過(guò)人數(shù)等客觀數(shù)據(jù)以及組織指揮、團(tuán)隊(duì)配合等主觀數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合量化評(píng)分。

2.2 硬件組成

如圖2所示，穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由電網(wǎng)裝置、監(jiān)測(cè)模塊、控制模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和電源模塊6個(gè)部分組成。

圖2 穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成示意圖

2.2.1 電網(wǎng)裝置

如圖3所示，穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的電網(wǎng)裝置長(zhǎng)約5.5 m、高約1.8 m，共32個(gè)電網(wǎng)孔，分左、右2個(gè)部分，便于搬運(yùn)、存放。每部分的外框由4根槽鋼組成，由底座及拉線予以固定。左、右電網(wǎng)分別由10根（橫、縱向各5根）可自動(dòng)收縮的鋼絲繩（結(jié)構(gòu)7×7、直徑1.5 mm）交叉組成，形成16個(gè)電網(wǎng)孔；鋼絲繩收縮結(jié)構(gòu)存放在槽鋼內(nèi)，具有存儲(chǔ)、保護(hù)作用，同時(shí)可在滑動(dòng)軌道內(nèi)移動(dòng)，以便根據(jù)訓(xùn)練需求調(diào)整電網(wǎng)孔的大小及形狀。

圖3 電網(wǎng)裝置示意圖

2.2.2 監(jiān)測(cè)模塊

光電傳感器能夠?qū)Σ煌螤詈徒Y(jié)構(gòu)的物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨力高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[4]，是監(jiān)測(cè)模塊的核心器件。該模塊由20對(duì)OMRON E3Z-T61對(duì)射型光電傳感器組成，光電傳感器的光束緊貼鋼絲繩，當(dāng)參訓(xùn)人員觸碰鋼絲繩時(shí)即擋住光路，使光電傳感器發(fā)出控制信號(hào)。為簡(jiǎn)化光電傳感器的對(duì)光調(diào)試，設(shè)計(jì)安裝鋼絲繩與光電傳感器隨動(dòng)裝置，使光電傳感器能夠隨鋼絲繩的調(diào)整進(jìn)行快速準(zhǔn)確對(duì)光。

2.2.3 控制模塊

控制模塊的基本框架如圖4所示。STM32F103微處理器為控制模塊的核心，采用Cortex-M3系統(tǒng)架構(gòu)，最大時(shí)鐘頻率為72 MHz。外圍模塊設(shè)計(jì)還包括電源、時(shí)鐘、FLASH、RS232、外設(shè)輸入/輸出接口等[5-6]?？刂颇K的主要功能包括初始化程序、接收響應(yīng)控制命令、實(shí)時(shí)響應(yīng)傳感器中斷、驅(qū)動(dòng)顯示及報(bào)警、加載運(yùn)行系統(tǒng)等。

圖4 控制模塊基本框架圖

2.2.4 顯示模塊

顯示模塊由2個(gè)部分組成：（1）10 in（1 in=25.4 mm）MT4532TE觸摸屏，該屏采用精簡(jiǎn)Linux操作系統(tǒng)，通過(guò)RS232串口與控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，用于教員設(shè)置訓(xùn)練內(nèi)容、控制訓(xùn)練進(jìn)程、完成訓(xùn)練評(píng)估等[7]；（2）128×256像素的3色LED顯示屏，用于參訓(xùn)人員實(shí)時(shí)查看訓(xùn)練信息，如科目名稱、訓(xùn)練用時(shí)、傷亡人數(shù)等，并顯示最終訓(xùn)練評(píng)分結(jié)果。顯示模塊效果如圖5所示。

圖5 顯示模塊效果圖

2.2.5 報(bào)警模塊

1）由于本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求相對(duì)較高，采樣時(shí)利用下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)流方法，可同時(shí)將該數(shù)據(jù)流分流為兩塊，分別用于計(jì)算各自的初始相位；

報(bào)警模塊由報(bào)警燈、音箱、LED顯示屏等外設(shè)組成。當(dāng)訓(xùn)練中觸碰電網(wǎng)時(shí)，報(bào)警燈發(fā)出閃爍，音箱發(fā)出提示音，LED顯示屏即時(shí)顯示犯規(guī)次數(shù)。根據(jù)需要，訓(xùn)練中還可設(shè)定并由音箱發(fā)出槍炮聲、“敵人來(lái)襲”等提示音，強(qiáng)化參訓(xùn)人員的沉浸感與緊張感。

2.2.6 電源模塊

穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用交流220 V、直流12 V或內(nèi)部電池供電，電池滿電狀態(tài)可供系統(tǒng)工作10 h以上。電源模塊主要包括3個(gè)功能：（1）交流電與電池同時(shí)供電時(shí)，選擇交流供電；（2）使用中交流電突然中斷時(shí)，自動(dòng)切換至電池供電；（3）當(dāng)電池電量低于60%時(shí)，交流電給電池充電。

2.3 軟件

穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件主要包括設(shè)置階段、運(yùn)行階段、評(píng)分階段，其運(yùn)行流程如圖6所示。其中，STM32F103微處理器的開(kāi)發(fā)集成采用KeilμVision軟件[8]，程序編寫(xiě)采用C語(yǔ)言；MT4532TE的編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境為Kinco HMIware組態(tài)軟件[9]。

圖6 軟件運(yùn)行流程圖

2.3.1 設(shè)置階段

設(shè)置階段主要設(shè)置訓(xùn)練規(guī)則、訓(xùn)練模式、訓(xùn)練難度、訓(xùn)練時(shí)間、環(huán)境模式等參數(shù)。訓(xùn)練規(guī)則用于設(shè)置各指標(biāo)評(píng)分權(quán)重、同一個(gè)電網(wǎng)孔是否允許重復(fù)使用等；訓(xùn)練模式區(qū)分單個(gè)團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練的單組模式、2個(gè)團(tuán)隊(duì)同時(shí)訓(xùn)練的競(jìng)賽模式；訓(xùn)練難度通過(guò)判斷觸碰電網(wǎng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，觸碰電網(wǎng)時(shí)間設(shè)置短則系統(tǒng)靈敏度高、訓(xùn)練難度高，反之則難度低；訓(xùn)練時(shí)間采用倒計(jì)時(shí)模式，訓(xùn)練前根據(jù)參訓(xùn)人員、訓(xùn)練難度設(shè)置訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)用時(shí)，提前或超時(shí)給予相應(yīng)的加減分；環(huán)境模式可根據(jù)訓(xùn)練需求設(shè)置適宜的背景音效。

2.3.2 運(yùn)行階段

參訓(xùn)人員觸碰電網(wǎng)時(shí)，微處理器中斷響應(yīng)，系統(tǒng)記錄觸電的次數(shù)、時(shí)間及位置信息，并將相應(yīng)指令發(fā)送給報(bào)警模塊及顯示模塊?？墒謩?dòng)添加電網(wǎng)孔狀態(tài)情況，如果訓(xùn)練規(guī)則為同一個(gè)電網(wǎng)孔只允許使用一次，則通過(guò)觸摸屏可手動(dòng)更改電網(wǎng)孔狀態(tài)。綠色“”符號(hào)為電網(wǎng)孔已使用且順利通過(guò)，紅色“×”符號(hào)為電網(wǎng)孔已使用但觸電，有符號(hào)標(biāo)識(shí)的電網(wǎng)孔不可再用。

2.3.3 評(píng)分階段

評(píng)分包括主觀評(píng)分、客觀評(píng)分和綜合評(píng)分。其中，主觀評(píng)分是在訓(xùn)練結(jié)束后由教員根據(jù)參訓(xùn)人員訓(xùn)練過(guò)程的表現(xiàn)打分，主要包括采用方法是否科學(xué)合理、團(tuán)隊(duì)配合是否默契、解決問(wèn)題是否靈活、成員心態(tài)是否積極、團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者是否組織恰當(dāng)5個(gè)方面；客觀評(píng)分是收集訓(xùn)練通過(guò)時(shí)間、觸電次數(shù)、違規(guī)扣分等信息，根據(jù)評(píng)分規(guī)則給出得分；綜合評(píng)分是系統(tǒng)根據(jù)主觀評(píng)分和客觀評(píng)分權(quán)重給出最終評(píng)分，系統(tǒng)還可通過(guò)評(píng)分顯示競(jìng)賽模式下的優(yōu)勝隊(duì)名稱。

3 電網(wǎng)觸發(fā)有效性分析

當(dāng)參訓(xùn)人員觸碰電網(wǎng)時(shí)，是否能夠有效觸發(fā)光電傳感器，是影響本系統(tǒng)使用的關(guān)鍵指標(biāo)。影響觸發(fā)有效性的主要原因包括：（1）鋼絲繩和光電傳感器雖然緊密貼附，但鋼絲繩與光束不能完全重合；（2）電網(wǎng)孔由鋼絲繩拉伸組合而成，橫向鋼絲繩受其自身質(zhì)量影響存在細(xì)微下凹；（3）光電傳感器的光束具有發(fā)散性，發(fā)射端與接收端的觸發(fā)條件有所不同。因此，電網(wǎng)觸發(fā)有效性需從縱向觸發(fā)位移值測(cè)量、橫向鋼絲繩撓度、橫向鋼絲繩最小拉力3個(gè)方面予以分析。

3.1 縱向觸發(fā)位移值測(cè)量

電網(wǎng)鋼絲繩有效觸發(fā)光電傳感器時(shí)產(chǎn)生的位移稱為觸發(fā)位移值?？v向鋼絲繩不受重力因素影響，僅需對(duì)縱向電網(wǎng)的觸發(fā)位移值進(jìn)行測(cè)量分析。采用OMRON E3Z-T61對(duì)射型光電傳感器測(cè)試，其檢測(cè)距離為10 m，指向角為3°～15°。發(fā)射器與接收器的距離為1.8 m，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置使觸桿帶動(dòng)鋼絲繩向左、向右2個(gè)方向產(chǎn)生移動(dòng)，如圖7所示。

圖7 縱向觸發(fā)位移值測(cè)量示意圖（單位：m）

對(duì)發(fā)射端、中間段、接收端3個(gè)位置的觸發(fā)位移值進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)、每個(gè)方向測(cè)試100次，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，向左、向右2個(gè)方向的縱向觸發(fā)位移值基本一致，發(fā)射端、中間段、接收端的縱向觸發(fā)位移值也基本一致，其均值為1.7～1.8 mm。

表1 縱向觸發(fā)位移值測(cè)試結(jié)果單位：mm

3.2 橫向鋼絲繩撓度分析

電網(wǎng)的橫向鋼絲繩在自身重力作用下產(chǎn)生下垂，將無(wú)法完全表征光路。如圖8所示，假設(shè)橫向鋼絲繩在中心處的撓度為r，根據(jù)縱向觸發(fā)位移值測(cè)試結(jié)果，當(dāng)橫向鋼絲繩在中心處的撓度r大于1.7 mm時(shí)，如果物體從下向上運(yùn)動(dòng)，物體位移需增加r才能觸發(fā)報(bào)警；如果物體從上向下運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)出現(xiàn)物體未觸碰到鋼絲繩但已遮擋光路，發(fā)生系統(tǒng)誤報(bào)警情況。通過(guò)分析可知，r值增大將增加橫向觸發(fā)的靈敏度及誤報(bào)率。為保證系統(tǒng)的可靠性，如撓度r選擇控制在1 mm以內(nèi)，則需要給鋼絲繩兩端施加足夠的外力，即鋼絲繩收縮裝置中的彈簧彈力應(yīng)足夠大。

圖8 橫向鋼絲繩示意圖

3.3 橫向鋼絲繩最小拉力分析

橫向鋼絲繩在重力作用下的曲線方程滿足懸鏈線方程。懸鏈線是指兩端固定的一條均勻、不可伸長(zhǎng)的鏈條在重力作用下所產(chǎn)生的一種曲線形狀[10]，其一般方程如下式所示：

式中，a=，其中σ為懸鏈線的線密度，g為重力加速度，T0為懸鏈線上每一點(diǎn)處張力的水平分量。在穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，以發(fā)射端和接收端連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系（水平方向?yàn)闄M坐標(biāo)，豎直方向?yàn)榭v坐標(biāo)），則其受力如圖9所示。此時(shí)，懸鏈線方程可表示為

圖9 橫向鋼絲繩受力示意圖

最低點(diǎn)A處張力僅有水平分量T0，端點(diǎn)處所受拉力為T(mén)，懸鏈線AB段的質(zhì)量為m，根據(jù)受力分析和懸鏈線方程推導(dǎo)過(guò)程，可知

模擬電網(wǎng)橫向距離L=2.5m，撓度r=1×10-3m。因此，當(dāng)x=1.25、y=0時(shí)，帶入公式（2）可得a=781。經(jīng)分析計(jì)算，mg＜＜T0，由公式（3）可得T≈T0。所以

以結(jié)構(gòu)7×7、直徑1.5 mm、線密度σ=8.8×10-3kg/m的304不銹鋼包塑鋼絲繩為例，帶入公式（4）可得T=67.4 N，即橫向鋼絲繩兩端點(diǎn)處所需的最小拉力為67.4 N。

4 應(yīng)用效果

穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)已在我校開(kāi)設(shè)的官兵心理行為訓(xùn)練教學(xué)中初步應(yīng)用，累計(jì)完成8學(xué)時(shí)、160余人次的訓(xùn)練。實(shí)踐表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)員觸網(wǎng)情況并自動(dòng)報(bào)警，大幅度減少了教員在訓(xùn)練過(guò)程中因人工評(píng)判導(dǎo)致的主觀干擾，明顯提高了學(xué)員的沉浸感與訓(xùn)練的流暢度；評(píng)分系統(tǒng)根據(jù)學(xué)員的完成情況和過(guò)程表現(xiàn)，形成客觀、合理的訓(xùn)練得分，有助于學(xué)員查找自身問(wèn)題、提升心理適應(yīng)能力；系統(tǒng)特有的競(jìng)賽訓(xùn)練模式增強(qiáng)了訓(xùn)練的趣味性與對(duì)抗性，更加貼近實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練要求，有效提升了訓(xùn)練效果。通過(guò)對(duì)54名使用者（教員4名、學(xué)員50名）進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，96.3%的使用者認(rèn)為系統(tǒng)較原有訓(xùn)練器材使用方便、交互性良好、認(rèn)可度高，具有較強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

穿越電網(wǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是開(kāi)展心理行為訓(xùn)練手段信息化改革的有效嘗試和探索，對(duì)其他訓(xùn)練器材的更新?lián)Q代和升級(jí)改造具有較強(qiáng)的借鑒意義。與原有訓(xùn)練器材相比，本系統(tǒng)可根據(jù)參訓(xùn)人員實(shí)際情況合理設(shè)置訓(xùn)練難度、訓(xùn)練模式，訓(xùn)練組織更加靈活、效果評(píng)估實(shí)現(xiàn)量化，大大提高了參訓(xùn)人員的訓(xùn)練熱情和綜合訓(xùn)練效果。目前，評(píng)分系統(tǒng)設(shè)置由教員手動(dòng)完成，容易受主觀因素影響，下一步可根據(jù)使用情況對(duì)評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)一步完善，深入研究主觀評(píng)分、客觀評(píng)分的權(quán)重設(shè)置，使效果評(píng)估更加科學(xué)。