军人心理行为训练用穿越电网模拟训练系统设计

邢红涛，李忠红，赵科超，杨子健，徐世伟，崔 澂

（陆军军医大学士官学校，石家庄050081）

0 引言

军人心理行为训练是强化军人心理素质的重要手段，通过模拟设置战场环境和作业条件，科学运用心理学理论和方法合理设置特定训练科目，可开发心理潜能、增强自信、激发斗志、培养团队协作，促进基本心理素质和心理健康水平有效提升[1]。目前，美军通过虚拟现实（virtual reality，VR）和高仿真实体模拟技术，组织军人在高强度的模拟战斗中进行演练，增强其适应各种战争环境的能力[2]。与西方发达国家相比，我军所开展的心理行为训练在训练内容、训练器材、训练评估等方面均存在一定差距，智能化训练器材研究较少，现有的平衡钢丝、模拟电网等训练器材结构简单，自动化、智能化水平相对较低[3]。本文针对上述问题，应用现代电子技术设计穿越电网模拟训练系统，以实现训练监测过程的客观性、科学性和准确性，是提升我军心理行为训练器材自动化、智能化水平的有益尝试。

1 现状分析

穿越电网科目要求一个建制单位（班或排）在规定时间内不借助任何工具全员成功穿越一定高度（1.6～2 m）的电网，且不得触碰电网；还可通过调整伤员数量、缩小电网孔大小、设置电网孔使用次数等，逐步增加训练难度、不断开发团队潜能。其训练目的是通过科学高效的组织指挥，发挥整个团体的最大生理和心理潜能。

如图1所示，目前我军所使用的穿越电网训练器材多采用钢材或木材制作电网边框，上下、左右边框间拉设绳索模拟电网，在开展训练中存在以下问题：（1）形式简易、功能单一，参训人员的体验感、沉浸感、紧张感偏低，电网模拟逼真度较差，难以达到实战化训练效果；（2）单纯依靠肉眼裁断，参训人员是否触碰电网需由2名以上评判员进行人工判别，极易出现主观性漏判、误判，训练效果缺少客观性、科学性、量化规范性评判。

图1 传统穿越电网训练场景

2 设计

2.1 主要功能

以嵌入式系统与传感器技术为核心，穿越电网模拟训练系统具有以下主要功能：（1）32个电网孔孔径可调；（2）自动记录穿越电网区域的总时间；（3）自动识别参训人员是否触碰电网；（4）参训人员触碰电网时产生声光报警提示；（5）实时显示训练用时、违规次数、通过人数等训练参数；（6）有单组训练和竞赛训练2种模式可供选择；（7）可根据完成时间、通过人数等客观数据以及组织指挥、团队配合等主观数据进行综合量化评分。

2.2 硬件组成

如图2所示，穿越电网模拟训练系统主要由电网装置、监测模块、控制模块、显示模块、报警模块和电源模块6个部分组成。

图2 穿越电网模拟训练系统硬件结构组成示意图

2.2.1 电网装置

如图3所示，穿越电网模拟训练系统的电网装置长约5.5 m、高约1.8 m，共32个电网孔，分左、右2个部分，便于搬运、存放。每部分的外框由4根槽钢组成，由底座及拉线予以固定。左、右电网分别由10根（横、纵向各5根）可自动收缩的钢丝绳（结构7×7、直径1.5 mm）交叉组成，形成16个电网孔；钢丝绳收缩结构存放在槽钢内，具有存储、保护作用，同时可在滑动轨道内移动，以便根据训练需求调整电网孔的大小及形状。

图3 电网装置示意图

2.2.2 监测模块

光电传感器能够对不同形状和结构的物体进行监测，具有结构简单、分辨力高、响应速度快等优点[4]，是监测模块的核心器件。该模块由20对OMRON E3Z-T61对射型光电传感器组成，光电传感器的光束紧贴钢丝绳，当参训人员触碰钢丝绳时即挡住光路，使光电传感器发出控制信号。为简化光电传感器的对光调试，设计安装钢丝绳与光电传感器随动装置，使光电传感器能够随钢丝绳的调整进行快速准确对光。

2.2.3 控制模块

控制模块的基本框架如图4所示。STM32F103微处理器为控制模块的核心，采用Cortex-M3系统架构，最大时钟频率为72 MHz。外围模块设计还包括电源、时钟、FLASH、RS232、外设输入/输出接口等[5-6]。控制模块的主要功能包括初始化程序、接收响应控制命令、实时响应传感器中断、驱动显示及报警、加载运行系统等。

图4 控制模块基本框架图

2.2.4 显示模块

显示模块由2个部分组成：（1）10 in（1 in=25.4 mm）MT4532TE触摸屏，该屏采用精简Linux操作系统，通过RS232串口与控制模块实现数据传输，用于教员设置训练内容、控制训练进程、完成训练评估等[7]；（2）128×256像素的3色LED显示屏，用于参训人员实时查看训练信息，如科目名称、训练用时、伤亡人数等，并显示最终训练评分结果。显示模块效果如图5所示。

图5 显示模块效果图

2.2.5 报警模块

1）由于本系统实时性的要求相对较高，采样时利用下位机上传的数据流方法，可同时将该数据流分流为两块，分别用于计算各自的初始相位；

报警模块由报警灯、音箱、LED显示屏等外设组成。当训练中触碰电网时，报警灯发出闪烁，音箱发出提示音，LED显示屏即时显示犯规次数。根据需要，训练中还可设定并由音箱发出枪炮声、“敌人来袭”等提示音，强化参训人员的沉浸感与紧张感。

2.2.6 电源模块

穿越电网模拟训练系统采用交流220 V、直流12 V或内部电池供电，电池满电状态可供系统工作10 h以上。电源模块主要包括3个功能：（1）交流电与电池同时供电时，选择交流供电；（2）使用中交流电突然中断时，自动切换至电池供电；（3）当电池电量低于60%时，交流电给电池充电。

2.3 软件

穿越电网模拟训练系统软件主要包括设置阶段、运行阶段、评分阶段，其运行流程如图6所示。其中，STM32F103微处理器的开发集成采用KeilμVision软件[8]，程序编写采用C语言；MT4532TE的编译开发环境为Kinco HMIware组态软件[9]。

图6 软件运行流程图

2.3.1 设置阶段

设置阶段主要设置训练规则、训练模式、训练难度、训练时间、环境模式等参数。训练规则用于设置各指标评分权重、同一个电网孔是否允许重复使用等；训练模式区分单个团队训练的单组模式、2个团队同时训练的竞赛模式；训练难度通过判断触碰电网时间进行调节，触碰电网时间设置短则系统灵敏度高、训练难度高，反之则难度低；训练时间采用倒计时模式，训练前根据参训人员、训练难度设置训练标准用时，提前或超时给予相应的加减分；环境模式可根据训练需求设置适宜的背景音效。

2.3.2 运行阶段

参训人员触碰电网时，微处理器中断响应，系统记录触电的次数、时间及位置信息，并将相应指令发送给报警模块及显示模块。可手动添加电网孔状态情况，如果训练规则为同一个电网孔只允许使用一次，则通过触摸屏可手动更改电网孔状态。绿色“”符号为电网孔已使用且顺利通过，红色“×”符号为电网孔已使用但触电，有符号标识的电网孔不可再用。

2.3.3 评分阶段

评分包括主观评分、客观评分和综合评分。其中，主观评分是在训练结束后由教员根据参训人员训练过程的表现打分，主要包括采用方法是否科学合理、团队配合是否默契、解决问题是否灵活、成员心态是否积极、团队领导者是否组织恰当5个方面；客观评分是收集训练通过时间、触电次数、违规扣分等信息，根据评分规则给出得分；综合评分是系统根据主观评分和客观评分权重给出最终评分，系统还可通过评分显示竞赛模式下的优胜队名称。

3 电网触发有效性分析

当参训人员触碰电网时，是否能够有效触发光电传感器，是影响本系统使用的关键指标。影响触发有效性的主要原因包括：（1）钢丝绳和光电传感器虽然紧密贴附，但钢丝绳与光束不能完全重合；（2）电网孔由钢丝绳拉伸组合而成，横向钢丝绳受其自身质量影响存在细微下凹；（3）光电传感器的光束具有发散性，发射端与接收端的触发条件有所不同。因此，电网触发有效性需从纵向触发位移值测量、横向钢丝绳挠度、横向钢丝绳最小拉力3个方面予以分析。

3.1 纵向触发位移值测量

电网钢丝绳有效触发光电传感器时产生的位移称为触发位移值。纵向钢丝绳不受重力因素影响，仅需对纵向电网的触发位移值进行测量分析。采用OMRON E3Z-T61对射型光电传感器测试，其检测距离为10 m，指向角为3°～15°。发射器与接收器的距离为1.8 m，通过调节装置使触杆带动钢丝绳向左、向右2个方向产生移动，如图7所示。

图7 纵向触发位移值测量示意图（单位：m）

对发射端、中间段、接收端3个位置的触发位移值进行测量，每个点、每个方向测试100次，测试结果见表1。通过测试结果可以看出，向左、向右2个方向的纵向触发位移值基本一致，发射端、中间段、接收端的纵向触发位移值也基本一致，其均值为1.7～1.8 mm。

表1 纵向触发位移值测试结果单位：mm

3.2 横向钢丝绳挠度分析

电网的横向钢丝绳在自身重力作用下产生下垂，将无法完全表征光路。如图8所示，假设横向钢丝绳在中心处的挠度为r，根据纵向触发位移值测试结果，当横向钢丝绳在中心处的挠度r大于1.7 mm时，如果物体从下向上运动，物体位移需增加r才能触发报警；如果物体从上向下运动，可能会出现物体未触碰到钢丝绳但已遮挡光路，发生系统误报警情况。通过分析可知，r值增大将增加横向触发的灵敏度及误报率。为保证系统的可靠性，如挠度r选择控制在1 mm以内，则需要给钢丝绳两端施加足够的外力，即钢丝绳收缩装置中的弹簧弹力应足够大。

图8 横向钢丝绳示意图

3.3 横向钢丝绳最小拉力分析

横向钢丝绳在重力作用下的曲线方程满足悬链线方程。悬链线是指两端固定的一条均匀、不可伸长的链条在重力作用下所产生的一种曲线形状[10]，其一般方程如下式所示：

式中，a=，其中σ为悬链线的线密度，g为重力加速度，T0为悬链线上每一点处张力的水平分量。在穿越电网模拟训练系统中，以发射端和接收端连线的中点为坐标原点建立坐标系（水平方向为横坐标，竖直方向为纵坐标），则其受力如图9所示。此时，悬链线方程可表示为

图9 横向钢丝绳受力示意图

最低点A处张力仅有水平分量T0，端点处所受拉力为T，悬链线AB段的质量为m，根据受力分析和悬链线方程推导过程，可知

模拟电网横向距离L=2.5m，挠度r=1×10-3m。因此，当x=1.25、y=0时，带入公式（2）可得a=781。经分析计算，mg＜＜T0，由公式（3）可得T≈T0。所以

以结构7×7、直径1.5 mm、线密度σ=8.8×10-3kg/m的304不锈钢包塑钢丝绳为例，带入公式（4）可得T=67.4 N，即横向钢丝绳两端点处所需的最小拉力为67.4 N。

4 应用效果

穿越电网模拟训练系统已在我校开设的官兵心理行为训练教学中初步应用，累计完成8学时、160余人次的训练。实践表明，系统设计科学合理，能够实时监测学员触网情况并自动报警，大幅度减少了教员在训练过程中因人工评判导致的主观干扰，明显提高了学员的沉浸感与训练的流畅度；评分系统根据学员的完成情况和过程表现，形成客观、合理的训练得分，有助于学员查找自身问题、提升心理适应能力；系统特有的竞赛训练模式增强了训练的趣味性与对抗性，更加贴近实战化训练要求，有效提升了训练效果。通过对54名使用者（教员4名、学员50名）进行问卷调查，96.3%的使用者认为系统较原有训练器材使用方便、交互性良好、认可度高，具有较强的应用推广价值。

5 结语

穿越电网模拟训练系统是开展心理行为训练手段信息化改革的有效尝试和探索，对其他训练器材的更新换代和升级改造具有较强的借鉴意义。与原有训练器材相比，本系统可根据参训人员实际情况合理设置训练难度、训练模式，训练组织更加灵活、效果评估实现量化，大大提高了参训人员的训练热情和综合训练效果。目前，评分系统设置由教员手动完成，容易受主观因素影响，下一步可根据使用情况对评分系统进一步完善，深入研究主观评分、客观评分的权重设置，使效果评估更加科学。