于曉琳，張 崇，尹文剛，秦 嶺

（1.中國人民武裝警察部隊警官學(xué)院，四川 成都 610213；2.西安翔迅科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

0 引言

近年來，圍繞單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的研究不斷取得新的進展[1?2]。但是，常用的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練器材在不同程度上仍存在一些不足。一般戰(zhàn)術(shù)地樁網(wǎng)上鋪架鐵絲網(wǎng)（即鐵蒺藜），初學(xué)練習(xí)時背部極易被其刮傷。訓(xùn)練者被倒鉤網(wǎng)刮住后，自己不易摘除，必須他人輔助，影響訓(xùn)練成績，消耗訓(xùn)練時間，降低訓(xùn)練效率，且影響受訓(xùn)者心理?？己瞬捎妹氡碛嫊r，不夠精確，易受人為因素影響，導(dǎo)致較大計時誤差?？荚u人員對動作完成質(zhì)量只能進行定性評定，無法進行定量客觀評定。參訓(xùn)人員的身份無法識別，容易出現(xiàn)替考、代考等現(xiàn)象。訓(xùn)練考核結(jié)果數(shù)據(jù)，如參訓(xùn)人員的運動數(shù)據(jù)需要人工記錄存儲，記錄的數(shù)據(jù)還需要標(biāo)明訓(xùn)練人員身份。這一過程工作量大且效率低下，手工記錄的數(shù)據(jù)的后期處理工作量大，無法滿足現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化的訓(xùn)練需求[3?4]。

針對以上問題，本文基于圖像識別和光電檢測技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一種智能化單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核系統(tǒng)。該系統(tǒng)的高低姿匍匐單元結(jié)構(gòu)框架間采用激光傳感器，不會對身體造成任何傷害，受訓(xùn)者可以嘗試各種動作，并在不斷地嘗試中摸索出最適合受訓(xùn)者的動作。采用激光傳感器對訓(xùn)練者的進入、離開以及完成過程中的違規(guī)觸碰信號進行采集，以判斷訓(xùn)練者通過全部掩體的時間。訓(xùn)練過程中對頭部姿態(tài)、滾進、敵情觀念等姿態(tài)進行視頻采集，進行圖像識別，并保存訓(xùn)練人員的考試視頻?？蛻舳丝梢詫⑹苡?xùn)者各動作的完成時間、分析對比數(shù)據(jù)通過無線傳輸回數(shù)據(jù)庫，及時發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練不足，給出指導(dǎo)性建議，開展針對性專項訓(xùn)練。

該系統(tǒng)設(shè)計從全方位、多角度地了解官兵訓(xùn)練的實際情況出發(fā)，從而達到結(jié)構(gòu)新穎、組合型、標(biāo)準(zhǔn)化、光電式、數(shù)字化、多功能、系統(tǒng)化的穩(wěn)定可靠、方便安全，極大地提高訓(xùn)練效果與提高考核效率與準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)實訓(xùn)需求，該系統(tǒng)主要是利用多對光電傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵絲網(wǎng)對訓(xùn)練者的進入、離開、躍進、沖刺以及訓(xùn)練過程中的違規(guī)觸碰信號進行采集、處理、實時顯示，并結(jié)合視頻圖像識別技術(shù)，對戰(zhàn)術(shù)動作加以比對，以判斷訓(xùn)練者通過全部掩體的時間，動作要領(lǐng)是否規(guī)范，采用無線/有線傳輸結(jié)合的方式，將考核成績傳送至后臺管理中心進行分析統(tǒng)計，用于提高單兵考核訓(xùn)練的時效性、準(zhǔn)確性、公平性。如圖1 所示，根據(jù)訓(xùn)練整體布局，可分為7 部分，分別標(biāo)有①、②、③、④、⑤、⑥、⑦。后臺管理中心對整個考核項目進行規(guī)劃，將考核學(xué)員的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至手持終端，手持終端獲取考核學(xué)員考核成績后，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至后臺管理中心；同時，各路視頻監(jiān)控通過有線網(wǎng)絡(luò)將視頻圖像傳送至視頻圖像處理單元進行樣本比對分析，將視頻處理完成后，該部分通過有線方式將視頻處理結(jié)果發(fā)送至后臺管理中心；由后臺管理中心對最終的考核成績進行分析統(tǒng)計，將統(tǒng)計完成的考核成績通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至現(xiàn)場實時顯示終端，并將考核成績存入數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)場示意圖如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)整體信息交聯(lián)布局圖

圖2 現(xiàn)場示意圖

2 各模塊設(shè)計

單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練與考核智能系統(tǒng)分別由后臺管理中心、視頻圖像處理單元、手持終端、低/高姿匍匐單元、沖刺單元和現(xiàn)場實時顯示終端構(gòu)成。

2.1 低/高姿匍匐和沖刺單元

高低網(wǎng)匍匐單元主要負責(zé)學(xué)員進網(wǎng)、變姿、出網(wǎng)三個時間點以及網(wǎng)架上方越界信息的檢測記錄，并將檢測信息處理后經(jīng)由無線傳輸模塊送至手持終端。光電開關(guān)的布置為每個網(wǎng)架上方水平方向各8 對，共64 對；在進網(wǎng)、變姿、出網(wǎng)三處垂直方向各安裝1 對，共3 對。電路設(shè)計如圖3 所示，單片機選用STM32F429IGT6 增強型，單片機可通過帶隔離的CAN 收發(fā)器（ADM3053）與總機進行數(shù)據(jù)傳輸，單片機的GPIO 口可實現(xiàn)9 對光電開關(guān)接收端信號狀態(tài)的檢測，同時增加蜂鳴器進行犯規(guī)報警[5?6]。

圖3 高低匍匐單元電路設(shè)計框圖

高低匍匐軟件設(shè)計流程如圖4 所示。高低匍匐軟件設(shè)計部分基于Windows 7 環(huán)境下采用KEIL5 平臺開發(fā)。通過嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)MCU 控制無線模塊與后臺處理中心建立連接，初始化軟硬件后，實時將光電傳感器觸發(fā)信號記錄發(fā)送至手持終端。

圖4 高低匍匐軟件設(shè)計流程圖

該匍匐單元數(shù)據(jù)采集模塊為主動對射式光電傳感器，系統(tǒng)設(shè)備啟動后，首先進行各部分無線通信連接，連接完成后，檢測所有光電傳感器是否已準(zhǔn)備就緒，若未就緒，則發(fā)送相應(yīng)存在問題匍匐單元編號至手持終端，準(zhǔn)備就緒后，即可開展測試。當(dāng)受訓(xùn)者觸碰第一組主動對射式光電傳感器時阻斷光電傳感器對射，視為開始考試，向手持終端發(fā)送開始考試信號，手持終端記錄當(dāng)前時間為進入時間。匍匐單元采集中間64 組光電開關(guān)傳感器信號，檢測受訓(xùn)者是否觸網(wǎng)違規(guī)，受訓(xùn)者考試過程中觸碰光電開關(guān)傳感器信號，進行蜂鳴報警并將數(shù)據(jù)發(fā)送至手持終端進行記錄，作為考評扣分項。完全經(jīng)過最后一組主動對射式光電傳感器時阻斷光電傳感器對射，高低網(wǎng)匍匐單元記錄匍匐網(wǎng)考核結(jié)束時間。

沖刺單元由兩根立柱組成，距離可調(diào)，安裝兩組光電傳感器，用于檢測受訓(xùn)者的沖刺時間點并通過無線方式將考核信息發(fā)送至手持終端。其由2 對光電開關(guān)、MCU 單片機、無線傳輸單元、蜂鳴器組成。

2.2 視頻圖像處理單元

根據(jù)現(xiàn)場訓(xùn)練要求，目前對訓(xùn)練區(qū)3 個部分進行監(jiān)控，分別是：低/高姿匍匐單元（視頻監(jiān)控1）、障礙物土堆/坑（視頻監(jiān)控2）、沖刺單元（視頻監(jiān)控3），通過有線網(wǎng)絡(luò)進行視頻傳輸，傳輸至視頻圖像處理單元，經(jīng)圖像處理完成后，將處理結(jié)果發(fā)送至后臺管理中心。

如圖5 所示，該單元由6 個基本模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集與分析中心、人臉識別模塊、匍匐前行頭部姿態(tài)評分模塊、肢體動作評分模塊、敵情觀測評分模塊、部署調(diào)校單元。該部分采用人體骨架識別技術(shù)并結(jié)合AI 樣本訓(xùn)練學(xué)習(xí)，增強對戰(zhàn)術(shù)動作的識別效率。

圖5 視頻圖像處理單元組成

開始考核，首先對設(shè)備進行部署調(diào)校，然后進入人臉識別過程，進行身份核對，視頻采集頭部姿態(tài)，判斷敵情觀念。出匍匐網(wǎng)后，對戰(zhàn)術(shù)動作及利用地形地物進行視頻采集，采集到受訓(xùn)者頭部姿態(tài)后對其姿態(tài)所指示的角度進行水平切面與垂直切面的分析，計算出偏航角度，繼而可以設(shè)置閾值來限定或者判斷受訓(xùn)者頭部姿態(tài)的偏航角是否符合訓(xùn)練大綱要求，可以量化考核標(biāo)準(zhǔn)。將分析結(jié)果發(fā)送至后臺管理中心，并通過無線方式發(fā)送至現(xiàn)場顯示終端進行實時狀態(tài)顯示，其工作流程如圖6所示。

圖6 視頻圖像處理單元工作流程圖

2.3 后臺管理中心

后臺管理中心主要用于對整個考核/訓(xùn)練項目進行規(guī)劃、分析、統(tǒng)計，得出最終考核/訓(xùn)練成績。該單元與手持終端之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，與視頻圖像處理單元之間通過有線方式進行通信，與現(xiàn)場實時顯示終端通過無線方式連接。

在考核/訓(xùn)練規(guī)劃完成后，該單元將考核人員信息下載至手持終端，接收手持終端發(fā)送的考核成績，接收視頻圖像處理單元處理的圖像結(jié)果，進行綜合統(tǒng)計后得出考核成績，并將該考核成績發(fā)送至現(xiàn)場實時顯示終端進行顯示，方便受訓(xùn)者及相關(guān)人員及時了解考試情況。軟件設(shè)計流程如圖7 所示。

圖7 后臺管理中心軟件設(shè)計流程圖

2.4 終端模塊

戰(zhàn)術(shù)基礎(chǔ)動作考核分為戰(zhàn)斗運動和利用地形地物兩個課目，兩臺便攜式手持終端均可進行這兩個課目的考核工作，且相互獨立，分為戰(zhàn)斗運動手持終端和利用地形地物手持終端，由兩個考官獨立進行操作，對受訓(xùn)者進行相應(yīng)的打分評判。兩臺便攜式手持終端均可與高低網(wǎng)匍匐單元、沖刺單元、后臺管理中心之間通過無線方式傳輸信息，其一方面接收高低網(wǎng)匍匐單元和沖刺單元現(xiàn)場光電開關(guān)檢測到的信息（觸網(wǎng)犯規(guī)次數(shù)、進出網(wǎng)及考核起止時間），另一方面接收后臺管理中心發(fā)送的考核學(xué)員信息并將學(xué)員的現(xiàn)場評分成績回傳至考核中心。現(xiàn)場實時顯示終端連接無線通信成功后，利用LORA 通信協(xié)議接收后臺考核成績數(shù)據(jù)，以柱狀圖、餅狀圖、折線圖等形式實時顯示受訓(xùn)者的考核進度和考核狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)分析

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性，對10 組考核人員同時采用兩種不同的考核方式進行了數(shù)據(jù)采集與分析對比。其中，第一種考核方式為傳統(tǒng)的考官計時及犯規(guī)統(tǒng)計，第二種考核方式為單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核系統(tǒng)計時及犯規(guī)統(tǒng)計，結(jié)果如表1 所示。

表1 考核方式結(jié)果比較

經(jīng)過多次測試比較，從計時精度、戰(zhàn)術(shù)動作評判以及統(tǒng)計犯規(guī)次數(shù)等一系列技戰(zhàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)表明：本次系統(tǒng)加入視頻識別技術(shù)，采用視頻圖像處理對單兵戰(zhàn)術(shù)動作進行檢測，精準(zhǔn)度高，人臉自動識別且準(zhǔn)確率≥95%，頭部姿態(tài)估計的平均精確度≥95%，動作姿態(tài)與頭部姿態(tài)整體分析延遲 ≤ 1 s，目標(biāo)識別率≥85%，行為識別率≥85%。

采用激光傳感器進行點位觸發(fā)，一旦觸發(fā)傳感器，即記錄訓(xùn)練人員進入進出時間；犯規(guī)后，傳感器自動觸發(fā)記錄觸網(wǎng)次數(shù)，與考官自主評定相比更加公平公正。多臺手持終端接收數(shù)據(jù)時，時間誤差小于等于1 ms，定時器精準(zhǔn)計時，受訓(xùn)者通過終點線自動停止計時，準(zhǔn)確度高。

顯示控制終端秒表計時比考官人為控制秒表計時時間略短，這是因為：顯示控制終端秒表的開始與結(jié)束是由光電檢測器檢測到電信號變化以后通過無線模塊發(fā)送信號至顯示控制終端進行控制的，速度較快；而考官人為控制秒表開始與結(jié)束，按鍵是需要時間的。系統(tǒng)判斷犯規(guī)行為較考官人為統(tǒng)計犯規(guī)行為次數(shù)更多，這是因為考官判斷具有更多的主觀意識，系統(tǒng)的判斷更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

著眼國際軍事強國訓(xùn)練變革，傳統(tǒng)單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練及考核方式將不再滿足當(dāng)下的時代需求，計時不準(zhǔn)確，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，誤差概率大，采集效率低等傳統(tǒng)訓(xùn)練模式的弊端，嚴(yán)重制約著未來軍隊的作戰(zhàn)任務(wù)需求。

為了解決上述問題，特研制出包含光電感知、姿態(tài)識別、違規(guī)采集、無線傳輸、后臺分析、結(jié)構(gòu)一體式折疊戰(zhàn)術(shù)考評智能系統(tǒng)，著眼全面訓(xùn)練，分步細訓(xùn)，協(xié)助部隊進行智能化軍事備戰(zhàn)、訓(xùn)練及考核。利用智能系統(tǒng)管理訓(xùn)練、輔助訓(xùn)練，使單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練各項工作變得更加快速、高效，更加節(jié)約人力成本和時間成本。