单兵设备

2024-09-27

单兵设备（精选7篇）

单兵设备篇1

随着信息化在各行各业的不断发展, 水利监理行业的信息化管理也在传统的“三控制、两管理、一协调”的基础上有了进一步的要求和提高, 鉴于目前监理工作的繁杂性和多样性, 现场监理工作繁重, 为与工程同步, 监理工作应步入规范化、信息化管理[1]。

安徽省水利监理项目具有: 工程量小、地点分散、交通偏僻、阶段性施工等特点。因此现场跟踪与管理存在诸多难题, 为此, 笔者尝试采用一种3G移动视频单兵设备远程监控施工情况。此手段的应用, 强化了工地现场管理, 遥控进行进度控制和质量控制, 确保了工程质量和监理效果。

笔者研制的3G移动视频单兵设备目前已经在多个水利监理项目中使用, 效果良好, 并逐步在其他监理项目中推广使用, 成为水利监理远程控制的一个有效措施, 也是水利监理信息化建设的一个手段。

1 3G移动视频单兵设备

1. 1系统构成

3G移动视频单兵设备可以分为前端视频数据采集系统、3G无线网络传输系统和无线视频监控平台等3个部分, 共同为水利监理部门提供数据和技术支持, 系统组成如图1所示。

前端视频数据采集系统通过3G数据网络将数据发送给监控中心, 客户端可以通过WEB访问的方式对现场视频数据信息进行浏览查阅。

1. 2前端视频数据采集系统

前端视频数据采集系统主要由摄像头、无线视频服务器、移动底座、立杆构成。其中摄像头安装在立杆顶部, 无线视频服务器安装在立杆侧面, 立杆安装在底座上 ( 结构图如图2所示) 。立杆由图2中立杆123部分通过旋转组合而成, 方便安装和拆卸及运输。前端视频数据采集系统用于对工程现场的具体情况进行实时拍摄采集。工作人员可以远程运用键盘和鼠标对系统进行操作, 根据需要选择自己想观察的施工区域, 更好地对施工现场进行控制和管理。

1. 3 3G无线网络传输系统

前端的视频数据经采集压缩后, 就可以通过3G无线网络将压缩好的视频图像传输到无线网络视频监控中心平台, 中心平台的人员可以实时地对现场和信息进行监控和管理, 无线网络系统嵌入式实现了TCP/IP协议、P0P3 /SMTP协议、无线视频通信协议, 并同时支持动态IP, 可随时获取无线网络传递来的视频信息[2]。

1. 4无线视频监控平台

数据通过3G无线网络传输至中心管理平台, 管理人员通过客户端平台可以实时地监控施工现场的具体情况。同时管理人员在智能手机上安装手机远程监控客户端软件, 便可通过移动3G手机实时移动观察施工现场的视频图像[2]。

2 3G移动视频单兵设备功能及特点

2. 1系统功能

3G移动视频单兵设备的主要工作是在施工现场和监控平台间建立可视化的通信信道, 将图像、语音和数据在两者之间进行传递。通过系统的3G传输网络, 可将施工现场的图像、语音、视频传输给监控平台中心, 监理单位和业主只需要利用一台可上外网的计算机, 并在该计算机上安装客户端软件, 即可通过浏览视频方式把握施工现场的工况, 提高监理单位工作效率和质量, 提高业主的满意度。采用3G移动视频单兵设备为监理部门建立通畅、高效、快速反应的信息共享和控制机制, 提高了监理行业现代化的管理和控制水平。

2. 2特点

3G移动视频单兵设备灵活性比较强, 设备方便拆卸、组装以及运输、安装, 现场搭建方便, 实施结构简单, 部署方便, 操作简单, 便于对水利工程工况掌握和控制。

3 3G移动视频单兵设备在监理行业中的应用与效果

通过监控系统, 监理人员足不出户即可了解现场工地工况, 如现场施工人员投入情况、施工进度、施工过程是否规范等。尤其对于多个分散工地、阶段性施工以及交通偏僻等诸多不方便因素, 3G移动视频单兵设备的作用就显得尤为突出。监控系统支持多路传输, 用户可以通过监控画面同步了解多个工地的监理工况, 极大减轻了监理人员的工作量。3G移动视频单兵设备安装简便、方便携带。监控画面清晰可靠, 能够满足水利监理工作中远程视频监控的需要。

4经验总结

a. 设备可靠性是关键。由于水利监理工地一般都在偏远地区, 为了能够拍摄到整个工地全貌, 摄像头要尽可能安装在靠近工地且海拔比较高的位置。施工现场的搭建、用电环境都比较差, 电压差会导致元器件的损坏, 因此采用太阳能电池板加铅酸蓄电池供电方式较为可靠[3]。为了避免雷击, 应加装避雷装置。这样就大幅度提高了设备的可靠性。

b. 传输链路是系统中重要的环节。由于3G移动视频单兵设备的传输方式是通过3G传输网络实现的, 目前中国大部分地区都已经覆盖3G网络信号, 图像实时传输清晰, 传输频率可选, 并且可根据传输距离的远近、现场自然条件的不同, 其功率的大小可以按要求配制, 在没有3G网络覆盖的少量地区, 可采取其他方式传输[4]。

5结语

3G移动视频单兵设备是将先进的计算机技术、网络技术、3G网络通信技术、视频压缩技术等融为一体应用于水利监理工作中, 也是水利监理信息化建设的必要手段。对施工现场的情况进行实时的监控, 进行统一的调度和管理, 有效地促进了施工现场的文明施工, 提高施工现场的监督水平和工作效率。3G移动视频单兵设备组网方便、成本低廉、便于运输及安装, 能够实现施工现场与监控中心的实时通信与监控, 在今后的水利监理工作中具有重要的意义和发展前景。水利监理行业信息化建设优化了企业模式, 也提高了水利监理行业的竞争力[5], 3G移动视频单兵设备在以后的水利监理信息化建设中将得到更多推广和应用。

摘要：将3G移动视频技术应用于水利监理行业, 介绍3G移动视频单兵设备的系统构成和功能与特点, 及其在水利监理行业中起到的作用和效果。为水利监理提供了翔实的数据服务和图像传输服务, 方便监理以及业主及时对工作现场进行管理和调度, 降低了工作的成本, 提高了工作效率。

关键词：3G,移动视频,单兵设备,水利监理

参考文献

[1]杨婷, 刘琦, 王丽静.信息管理系统在水利监理企业应用的探讨[J].商情, 2011 (25) :162.

[2]黄晓宇.3G无线视频监控在电力施工现场的应用初探[J].科技论坛, 2013 (4) ;487-488.

[3]苏斌, 黎新铁.无线视频监控系统在草街航电枢纽工程施工监理中的应用[J].珠江现代建设, 2013 (6) :25-27.

[4]高祺.谈无线视频监控系统在森林防火中的应用[J].江苏商报·建筑界, 2013 (17) :297-298.

[5]张守健, 孙耀强.关于建设监理企业信息化建设的探讨[J].建设监理, 2009 (6) :42-43.

消防单兵移动通信指挥系统初探篇2

纵观国内消防指挥调度通信系统的发展状况，无线通信系统的终端设备通常采用的是手持对讲机或头盔式电台，由于设备成本高、操作不方便等因素的限制，阻碍了三级组网的发展。消防通信三级网是面向现场战斗员的通信联络系统，通过大量的实战调研证明，每个战斗小组中，只有小组指挥员需要上传下达现场的一线信息，如果每个战斗员都参与传递信息就容易造成通信网混乱，加上紧张复杂的状况根本无暇顾及其他的操作，战斗员一般仅需要接收命令即可。所以单向接收方式即可满足需要，这样还大大降低了装备的成本、重量和体积，同时结合模拟语音保密、跳频自动跟踪、恶劣环境可靠性设计等技术，又提高了它在其他方面的性能，例如易使用、保密度高、待机时间长、易于佩带连接等。该项目的研发及推广使用，可推动消防通信三级组网的发展需要，保障火场通信的畅通，提高战斗力。特别可作为紧急状况下信息广播发布的可靠信道来使用，无疑加快了消防通信装备现代化的进程。

2 问题提出

目前现场的通信指挥调度主要依赖于移动通信技术，其形式包括无线常规通信系统和无线集群通信系统两种。常规通信系统技术在国外六七十年代就已经开始走向成熟，目前发达国家对指挥和调度功能要求较高的专业部门都已经开始使用无线集群通信系统。80年代末无线集群通信技术产品开始进入我国，如美国摩托罗拉公司、诺基亚公司产品。由于无线集群通信系统结构复杂，占用频点较多，建立专网和运营费用昂贵，目前采用的主要指挥调度通信方式依旧是无线常规通信系统。

例如，消防部队利用350M公安专用频段无线常规通信系统，组成城市消防管区覆盖网，也称消防一级网。它的功能是：保障消防指挥中心与所属消防大队、中队固定台、车载台之间的通信联络。各级指挥员的少量手持台在通信中心区域范围内也可加入该网。在使用车载电台的条件下，一级网的通信覆盖区通常不小于城市消防管区面积的80%。

采用这种方式实现指挥调度通信系统有如下特点和不足：

◆组网方便、技术成熟、工作稳定可靠;

◆可移动性强、网络覆盖范围较大，且可根据需要扩展;

◆通信实时性强;

◆容易受外界干扰，保密性较差;

◆对于大部分基层干警和战斗员只是接受指挥命令，使用有双向通信功能的对讲机会造成功能浪费;

◆专业的手持对讲机成本较高，目前难以向所有作战单兵配备;

◆执行任务时不便于携带，特别是特勤服装装备情况下无法佩带、操作;

◆手持对讲机功耗大，电池使用时间不能满足长时间执行任务需要。

为了克服现有无线通信指挥调度系统的缺点和不足，使得通信指挥系统更加先进有效，研究开发“单兵移动通信指挥系统”具有非常重要的现实意义。

3 现状分析

目前我国公安系统、武警部队、消防部队、特警以及保安部门所采用的通信方式主要有普通有线电话、GSM手机、无线对讲系统和集群通信系统。其中适合于指挥系统的通信方式主要为无线对讲系统和无线集群通信系统，由于无线集群通信系统信令结构复杂，占用频点多，建立专网系统造价和运行费用都比较高，很久以来我国大多数上述部门的指挥系统通信方式采用无线对讲系统。该系统采用模拟FM调制方式传送语音或双音频数据信号，组网方式为大区制、共享单组频点，由中小功率中继台完成语音接续传送。这类产品绝大部分为进口或国内组装，拥有自主知识产权的国内产品很少。根据功能和发送功率不同可将该系统分为中继台、车载台和手持机三个部分。手持机的数量最多，由于具有双向传输功能，其造价较高，加之回传信道容量有限等一系列因素，始终不能普及到每个基层人员和战斗员手中。例如在很多情况下，消防战斗现场以及防暴队伍现场指挥靠人工喊话或扩音器喊话实现，效果很差，技术落后。

国外该项目领域的技术发展伴随着移动通信的发展，经历了从模拟方式到数字和网络化方式的过渡，由于国外集群通信技术发展较早，技术成熟，所以发达国家从70年代已经陆续采用无线集群通信系统作为对指挥和调度功能要求较高的企业、事业、公安、警察、军队等部门使用。80年代集群通信指挥调度系统在国外的公安、消防、军队等部门已经十分的普及。90年代初期国外数字集群通信技术开始出现，采用数字技术通信有很多的优点，例如：抗干扰能力强;可实现高质量、远距离通信;容易实现加密传输;数字电路的集成化使设备的可靠性大大提高;具有适应各种业务需要的高灵活性以及容易与计算机连网等。

随着无线集群系统的大量使用，频率资源严重不足，于是提出一种从集群专网向集群共网过渡的方案。从国内外整个指挥调度通信系统的发展趋势来看，现阶段及以后较长的一段时期，即使数字集群通信系统开始在我国公安系统、武警部队、消防部队、特警以及保安部门普及，指挥命令传输到每个人身上也需要采用该项目所涉及的产品。原因是作为命令的接收者不需要有回传信息，所以单向接收方式即可满足需要，而它正好节省了大部分的成本，更加适合于该项目的推广。从技术角度讲，该项目的发展方向应该是系列化、小型化、接收多协议化、数字化、标准化。

4 关键技术及要点

4.1 技术要点

本研究采用的技术具有相当的成熟性和可靠性，其中锁相接收技术采用成熟的锁相环路实现，频率稳定。带移倒相方式语音加密传统的频域语音加密技术，接收端自动跟踪前端频点变化，传输方式为技术成熟的双音频编解码方案，外型结构防水、抗震、防爆，模具设计采用整体成型新工艺，其他处理均为成熟的方式。

4.1.1 窄带高频调频FM信号接收解调

该系统分为指挥发送端和接收终端两个部分，信息接收终端窄带高频调频FM信号接收与解调是该项目的关键，其工作原理框图如图1所示。

图1为一个典型的FM超外差式无线接收电路原理，由天线接收的信号首先通过带通滤波器(BPF)滤波送入低噪放电路(LNA)，经过放大的带通信号送入混频器，与PLL锁相环路产生的本振差频出10.7MHz的中频，PLL锁相环路与控制电路形成一个频率合成器，产生稳定的本振信号。I2C总线控制输入的分频系数，后续电路为中频解调与音频放大输出电路。

4.1.2 高频接收回路与低噪放电路

高频接收回路由天线和带通滤波网络组成，带通滤波器带宽为20MHz。为了缩小整个电路的体积，天线采用50Ω微带天线，微带天线的增益较低。另外考虑到后续混频电路需要，在该级插入低噪放模块，由MAX2611完成，可实现最大30dB的增益，由AGC信号控制。

4.1.3 混频电路与中频放大电路

混频器采用三极管共基极混频电路，中频滤波采用陶瓷滤波器，中频放大电路实现20dB的增益。

4.1.4 本振及控制电路

本振信号的产生采用锁相环频率合成技术，CX23055可以产生UHF频段的本振信号，由I2C总线送入分频系数，最小频率间隔为5KHz，可以实现全频段的自动搜索。以下为电路工作原理框图，如图2所示。

它由参考振荡源、参考分频器、锁相环三部分组成。

本设计所采用的锁相环与普通锁相环不同的是，它在VCO的输出端和鉴频器的输入端之间的反馈回路中加入了一个可变分频器。高稳定度的参考振荡源信号经R次分频后，得到频率为fR的参考脉冲信号。同时压控振荡器的输出经N次分频后得到频率为fN的脉冲信号，两个脉冲信号在鉴相器进行相位比较。当环路处于锁定状态时，则有输出信号：

改变分频比N，即可实现输出不同频率f0的目的，从而实现了由fR合成f0的目的。在该电路中，输出频率点间隔Δf=fR。

4.1.5 中频解调与音频放大输出电路

中频解调由鉴频器完成FM中频信号的解调，解调输出的音频信号经过音频耳机放大器放大输出，输出功率为0.2W。

4.1.6 模拟语音保密技术

从本质上讲，对语音信号加密就是破坏语音信号的特性，降低它的可懂度，同时，又要使合法收信人能重新恢复原始语音信号的特性。本设计中采用了模拟语音保密技术，它包括频域置乱和时域置乱等两种基本方式，其中时域置乱需要采用数字存储技术和语音的AD及DA转换，技术实现复杂且成本较高，所以本设计当中采用频域置乱的方式，它又包括倒频、带移倒频、频带分割三种方式。该项目中就采用了带移倒频的方式实现语音加密。

这里首先介绍倒频原理，再进一步介绍带移倒频。

倒频的基本原理是交换信号的高频与低频。将信号的高频部分搬到低频段，而将低频部分搬到高频段。倒频后的信号和原始信号具有相同的频带宽度。如图3所示。

由于原始信号的频率成分被置乱，从而降低了可懂度，起到了保密作用。在接收端用同样的倒相器将信号恢复。

倒频信号的形成是采用一个高于语音通带的载频信号调制语音信号，然后滤除上边带，保留下边带。获得倒频后的信号，接收时处理过程正好相反。

倒频器没有密钥，因此很容易被破解。为了提高保密度，带移倒相器以倒频器为基础引入密钥，通话双方可以根据事先约好的密钥进行通信。

在倒频时，为了使倒频信号落入原始信号通带内，要求载频fc=fh+fl。例如对于频带限制在300～3000频带内的语音信号，取fc=3300Hz。

如果把载频改为4000Hz，得到的信号不再和原始信号处在同一个频带内，但是把高于3000Hz的信号放在低频段，这样得到的信号和原始信号处于同一个频带内，这就是带移倒频的原理。本次设计的带移倒频器有8个可设置的不同的载频，对应于8个不同的频移，可获得8个载频的密钥。

4.1.7 跳频自动跟踪

本项目的设计目的是向基层人员和战斗员传送指挥命令，希望使用信息终端的接收者尽量减少操作，由于现场情况复杂性和任务不确定性，可能需要前端经常改变使用频点，而这时每一个终端都必须调整到与前端发送频点一致，这就给使用带来不便。我们设计开发了终端自动跟踪前端频点变化的功能，该设计思路的原理是由前端发送设备通过双音频编码的方式，发送一个数字导频信号，该导频信号所发送的数据信息就是下一个时刻命令语音信号使用的频点。信息接收终端在开机瞬间会接收解码倒频信息，捕获发送频点，并将其接收频率调整到位。

4.2 恶劣环境可靠性设计

公安系统、武警部队、消防部队、特警以及保安部门执行任务时所处的环境复杂，各种情况都可能发生，所以该系统的工作必须稳定可靠，能够适应各种恶劣环境。满足防水、防爆、抗震、耐高低温、防磁等是抗恶劣环境的基本要求，在系统设计过程中充分考虑这些因素，采用整体铸模工艺设计外壳，并利用环氧树脂灌封装。采用隔热保温材料，元器件全部采用军品级别，该系统能在-55℃～70℃的范围内正常工作。抗10G加速度的震动，终端接收产品在恶劣环境当中的接收灵敏度保持在0.5μV。

根据前端发送设备和终端接收设备的功能和功率不同，前端发送设备包括车载型、手持型、转发型三种，发送功率从5W～15W可选择。终端接收设备包括头盔式、便携式、固定式、语音广播式。

4.3 主要特点

该项目的实施，可以使目前公安系统、武警部队、消防部队、特警以及保安部门的调度指挥命令利用无线方式，实时可靠的下达到每一位执行任务的人员，有效保证了任务的执行。该项目产品的接收终端具有携带方便(可内置于头盔)、操作简单、实现保密通信、与现有通信系统完全兼容，包括与模拟集群系统的联接、一次充电待机时间可达两周，且成本低廉等特点。该项目的实施填补了国内该领域的空白，充分体现了“科技强警”和“向科技要警力”的新思路，同时也将产生良好的社会、经济效益。本系统适合指挥、调度功能要求高的行业使用，成本低廉，便于推广，产品系列功能齐全，适合不同场合使用功能的需要，可与现有对讲系统或集群系统兼容联网，直接接收其指挥信号。其特点是：

(1)性能优：计算机置频，多信道选择，音量自动控制。可实现语音加密，适合对保密条件要求高的行业。

(2)成本低：采用一体化模块设计，成本低于无线对讲机。

(3)适应范围广：体积小，携带方便，防水防震，具有多种接口，可方便地与消防头盔、防化服、作战服、避火服等配接。

(4)易操作：采用中心集中控制调度，开机基本上不需要操作调整，完全解放了战斗员的双手。

(5)功能扩展方便：战斗命令可以是语音、文字、约定警示音等，另可增设自救报警，以及扩展发射模块或与手持对讲机配接使用等功能。

(6)维护方便：采用锂离子电池，充电方便，待机时间长，对讲机是无法比拟的。

5 系统构成

消防单兵移动通信系统的整个系统从结构上由一套中心控制系统和若干部单兵移动通信终端机组成。中心控制系统可控制各级指挥员与单兵的通信联络，单兵移动通信终端机扫描于控制信道和工作信道，该信道可设置开机默认并能受中心控制系统控制改变。

整个系统采用FM调制广播方式传输指挥调度命令到每个接收终端，并采用带移倒频技术对语音进行加密传输，接收终端接收到的信号恢复出语音，通过耳机或扩音器传送给接收者。接收终端也可以与目前我国现有的各种无线通信指挥网络兼容联网运行，直接接收来自中继台、手持机或集群网的指挥调度命令信息。信息接收终端可以自动跟踪指挥前端的频点变化，即前端由于通信需要改变频点时，信息终端无须人工调整，信息接收终端可存储和预制多达200个频点，并实现自动轮寻搜索。信息接收终端采用低功耗设计，充电一次待机时间可达两周，前端发送和终端接收频点可在现有对讲机频点内任意设置，接收终端防水、抗冲击、耐高压、防爆等抗恶劣环境影响，接收终端体积小、重量轻，可内藏于头盔当中，可方便的与特勤专用服佩接。

6 系统扩展

消防单兵移动通信系统应随着消防通信发展，考虑到消防单兵对火场侦查、搜寻救人的工作需求，需要对“单兵消防通信定位系统”——单兵姿态监控、单兵位置监控、单兵呼救报警、单兵远程可编组通信等系统功能进行深入研究。要求系统能实时实现单兵常态监测和非常态报警，并能提供单兵的位置信息，而且可以满足单兵在非常状态下报警和通信。整个系统采用的技术可分为可编组扩频通信、基站位置定位、姿态监测、声光报警等。可编组扩频通信具有其他通信方式所不具备的优点，特别适用于消防通信，它可以对执行消防任务的所有单兵进行空中分组、广播以及无线数据通信。基站位置定位主要依靠临时布设的定位基站，实现室内精确定位，可以辅助使用全球定位卫星(GPS)技术和3G基站定位技术。姿态监测包括水平行走、上下楼梯、直立平卧，甚至包括单兵的心率和体温。声光报警主要用于单兵自救，单兵在失去意识的瞬间启动该功能。

中心监控平台须以GIS为基础平台，最佳选用实景GIS平台技术，预置重点单位的通信指挥预案，具备楼层空间数据快速采集形成三维图形的功能。

7 结束语

面对未来火灾扑救以及抢险救援的挑战，消防单兵移动通信系统的开发也应从消防的实际情况出发，吸收国外先进经验，开发具备研制得起、又装备得起的消防单兵移动通信系统。因此应在高技术微型化和低成本化的基础上，结合消防单兵的主要任务，把握重点，从最基本、最主要的装备入手，形成由简到繁、逐步完善与提高的发展思路。单兵装备的数字化已不是幻想，并逐步应用，这是高技术发展的必然结果，是不以人们意志为转移的。

在单兵系统的开发中首先应突出系统性，把消防员执行灭火救援任务时的所有装备作为一个整体对待，从一开始就对整个系统中的各个系统和部件进行全面考虑;其次应借鉴商用流行技术，提高研究的费效比。系统结构应是开放的，而不是封闭的，只要可能，就采用商用标准。

随着对消防单兵移动通信系统的深入研究，相信未来采用该方式的消防单兵移动通信系统的功能将更加完善，加上消防通信新技术的不断应用，该项目的发展方向应该是系列化、小型化、多协议化、数字化和标准化的，消防单兵移动通信系统的发展将会有着非常广阔的前景。

参考文献

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[2]李仲令, 李少谦, 唐友喜, 武刚.现代无线与移动通信技术.科学出版社.

[3]胡可刚, 王树勋, 刘立宏.移动通信中的无线定位技术[J].吉林大学学报, 2005, 23 (4) .

单兵设备篇3

Zig Bee技术是一种应用于短距离范围内低数据传输速率下的电子设备之间的无线通信技术。

1.1Zig Bee协议栈、路由和拓扑结构。Zigbee协议栈标准采用的是OSI的分层结构, 其中网络层和应用层Zigbee联盟制定, 物理层、媒体接入层和链路层由IEEE802.15.4工作小组制定。Zigbee协议栈各层的分布如下图所示。

Zigbee采用动态路由方式, 建立网络时对所有路径进行搜索, 分析它们的位置关系以及远近, 然后选择其中的一条路径进行数据传输。

Z i g b e e网络支持2种设备类型;全功能设备 (F F D.F u l l F u n c t i o n D e v i c e) 和精简功能设备 (R F D, R e d u c e d Function Device) , 其中FFD设备可提供全部的MAC服务, 可充当任何Zigbee节点, 不仅可阻发送和接收数据, 还具各路由功能, 因此可以接收子节点;而RFD设备只提供部分的MAC服务, 只能充当终端节点。

Zigbee标准在此基础上定义了三种节点:Zigbee协调点 (Coordinator) 、路由节点 (Router) 和终端节点 (End Device) 。Zigbee协议标准中定义了三种网络拓扑形式:

1) 星状网络:由一个协调器和多个终端设备组成的单跳网络, 终端节点只能与协调器通信。

2) 树状网络:由一个协调器和一个或多个星状结构连接构成。

3) 网状网络:把节点放在合适的位置, 它们就会组成网络, 开始发送数据。如果一些节点由于某种原因出了故障, 网络甚至能够“自愈”, 继续正常工作。

战场环境下, 传输路径随时都可能发生变化或者传输路径中断。动态路由结合网状拓扑结构, 就可以很好解决这个问题, 从而保证数据的可靠传输。

1.2几种主流无线网络技术比较。Zig Bee技术优点:1) 低速率:最大是250k字节/秒, 专注于低传输速率应用。2) 低功耗:在低功耗待机模式下, 两节普通5号电池可使用6~24个月。3) 容量大:每个Zigbee网络最多可支持65535个设备。4) 时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。5) 数据传输可靠:Zig Bee可以为专门业务预留时隙;Zig Bee节点模块之间具有自动的动态组网功能, 从而保证了信息传输的可靠性。

通过对4种主流无线网络技术进行分析对比, Zigbee特点更适合在战场环境下进行低速率的数据传输。

二、系统原理与组成

在一个单兵小分队中, 每个队员在手腕处穿戴一个Zig Bee体征传感器, 对队员体征数据采集, 然后通过无线方式发送到前端处理节点。在前端处理节点数据进行分析, 并将分析结果传输到指挥所服务端。

系统主要由体征传感器节点、前端处理节点和后方服务端组成。

2.1Zig Bee体征传感器节点固定在士兵的手腕部, 其主要功能是采集士兵脉搏数据并发送到前端处理节点。体征传感器节点主要包括两部分:脉搏传感器和Zigbee通信模块。

前端处理节点可以部署在小分队中心位置的成员身上或者机动通信车上, 其主要功能是接收多个士兵体征传感节点发送的数据, 通过嵌入式计算机处理, 将数据发送到卫星通信设备。前端处理节点主要包括三部分:Zigbee协调器、接口模块和嵌入式计算机。协调器通过接口模块与嵌入式计算机相联, 接口模块的主要作用是完成嵌入式计算机与传感器之间的数据通信格式转换。

2.2单兵小分队Zigbee网络。单兵小分队网络拓扑结构采用网状拓扑。由于队员之间的距离在几十米之内, 可以直接将终端无线接入协调器。Zig Bee网络有且只有一个协调器。

单兵小分队网络建立过程。Zigbee网络的建立是由协调器发起的。当协调器建立一个新的Zig Bee网络时, 第一步进行探测扫描, 选择合适的信道, 然后确定自己的网络短地址、拓扑参数等。

(1) 确定网络协调器。周围发射广播, 该广播内容包含自己的身份信息, 即MAC地址和其它相关的网络信息, 并时刻等待协调器或路由器的回应, 一旦收到父网确认加入网路的回应信号则停止广播自己的身份ID, 转入定时询问父网是否有自己消息的状态, 并一直持续下去, 如果有自己的消息则进行消息接收或处理。协调器上电后首先组建网络, 网络组建成功后就可以允许其它设备加入到该网路并对网络进行管理, 一旦发现有新的设备加入到网络, 则分析该设备的广播包并解析出它的IEEE地址, 然后分配给它一个网络短地址, 反馈给该设备加入确认信息, 至此一个设备加入到了该网络中。

(2) 信道扫描。当确定节点为网络协调器后, 首先根据相关要求对Zig Bee协议栈的各层参数进行初始化, 然后进行信道扫描操作, 选择一个最佳信道作为当前工作信道。

(3) 设置网络标识符。找到合适的信道后, 协调器将为网络选定一个网络标识符, 同时设置Zig Bee协调器的网络地址。

三、体征传感节点设计

3.1硬件设计。体征传感节点主要包括脉搏传感器、Zig Bee通信模块、处理器单元和供电模块4部分。脉搏传感器测得的信号输出到处理器单元, Zibgee通信模块将经过处理器单元处理过的信息通过天线发送出去。

Zigbee通信模块由单片机加上无线收发器组成。无线单片机内部的存储器安装zigbee无线网络软件协议栈后, 无线单片机实现zigbee无线网络节点功能。Zig Bee无线芯片CC2430功耗低。

处理器单元主要包括CPU、存储器、AD转换3部分。处理器单元选用德州仪器公司的MSP430单片机, 存储器主要功能是存储传感器所采集的临时数据, 处理器将数据发送后, 传感器节点不存储数据。

体征传感节点软件设计的重点在于装载zig Bee协议栈, zig Bee通信流程图如下图所示。

3.2软件设计。系统软件包括3个部分:体征传感节点软件、前端处理节点软件和服务端软件。本文主要对传感器节点软件进行了设计和实现。

前端处理节点软件设计实现与传感器节点的点对点无线网络、脉搏信息数据接收和处理并通过串口发送给通信设备。嵌入式计算机内部软件要具备3种功能:Zig Bee网络控制功能、数据分析处理转换功能、卫星通信设备管理功能。数据分析处理转换主要是将终端收集来的各种参数进行波形分析、频率分析、数据统计等, 得出士兵所处状态结论, 将之转换成特殊编码格式, 加载到卫星上传回后方指挥中心。

软件设计包括Zig Bee协议栈和节点应用程序两个方面, 其中Zig Bee协议栈是为了实现Zig Bee无线网络通信的功能而设计的, 而节点应用程序是为了实现节点的具体功能而设计的。

软件开发环境。系统软件开发环境选择IAR Systems公司的IAR Embedded workbench平台及仿真器, 完成对CC2430程序编辑、编译、调试、仿真、下载等工作。

CC2430基于Chipcon公司的Smart RF技术平台, 在单芯片上集成了微处理器、RF、模拟电路及系统存储器, 满足以Zig Bee为基础的2.4GHz ISM频段应用对低成本、低功耗的要求。CC2430内部集成了短距离无线通讯高频电路。

Zigbee协议栈。Zig Bee协议栈是实现Zig Bee协议的数行Zig Bee/802.15.4 C51源代码, 是Zig Bee技术的核心。主要完成数据包的收发校验、路由计算、拓扑分析等功能。本应用使用Z—Stack协议栈, 使用TI专门应用于Cc2430+MSP430平台, 支持Zig Bee 2006标准的协议。

四、结论

本文提出了一种基于Zigbee技术实现生命体征远程监测的方案, 并重点介绍了士兵端体征无线传感节点的具体实现。Zig Bee技术丰富了在战场环境下的无线通信手段, 为指挥员提供了评价战场部队战斗力的依据。本设计下一步计划进行一下几个方面的完善:一是完成前端处理节点和后方服务端的软硬件实现;二是增加血压、体温等体征传感器;三是适应战场恶劣的环境, 尤其是要考虑高湿度、高盐雾以及复杂电磁环境等因素。

摘要：本文研究了Zigbee技术的特点、网络拓扑结构和协议规范。提出了通过ZigBee网络技术构建战场单兵生命体征检测系统, 为指挥员对部队战斗力的准确判断提供依据。

单兵设备篇4

1 对象与方法

1.1 实验分组

选择由第四军医大学实验动物中心提供的雄性豚鼠40只, 体质健康、听觉器官良好, 体重350~400 g。随机分为2组, 其中30只为实验组 (每5只为1组, 共6组) , 10只为对照组。

1.2 环境物理量的测定

1.2.1 气象条件

测定单兵武器发射时作业场所中的风速、气压和温湿度。

1.2.2 冲击波的测定

采用环境监测系统, 测试数据采集器AD分辨率不小于12 bit, 通道数2路, 每路采样率不小于250 k S/s, 测定武器发射时射手位的冲击波, 并计算最大超压峰值。

1.3 实验方法

本次实验共发射6发单兵武器。其中实验组一共6组30只豚鼠, 每组5只;对照组10只豚鼠, 均固定在专用笼子中。每发单兵武器发射前将一组实验组豚鼠笼子放置射手位, 尽可能地将豚鼠耳朵置于射手耳部附近, 距地面高度大约25 cm, 距瞄准镜约40 cm (见图1, 单兵武器发射时射手的耳朵位置) , 待本次单兵武器发射结束后将豚鼠收回。对照组豚鼠在实验间隙放置在同样位置大约10~15 min后收回。

1.4 统计学分析

率的比较采用χ2检验, 以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 气象条件测试结果

温度:6.7℃;湿度:35.0%RH;气压:97.6 k Pa;风速:1.3~2.2 m/s。

2.2 冲击波及听觉器官测试结果

实验前观察豚鼠外观:体毛光亮, 饮食正常, 大小便正常, 普赖厄反射正常。实验后观察豚鼠外观:不思饮食, 惊恐不安, 瑟瑟发抖, 大小便失禁, 普赖厄反射减弱或缺失。

实验结束6 h后, 采用心脏空气栓塞法将豚鼠处死, 断头, 解剖观察其前庭器官损伤情况。共解剖实验组30只豚鼠60个前庭器官, 对照组10只豚鼠20个前庭器官, 结果发现, 实验结束后实验组豚鼠96.7%出现鼓膜破裂等前庭器官损伤, 对照组未见鼓膜破裂等前庭器官损伤。经χ2检验, 实验组与对照组差异有统计学意义 (χ2=70.303, P<0.01) 。见图2、图3和表1。

注:实验组和对照组总损伤率比较, χ2=70.303, P<0.01。总损伤率为96.7% (58/60) 。

3 讨论

在研究常规兵器发射所产生的冲击波对人体损伤的研究中, 要正确区分超声波的强度, 选择合适的传感器, 进行正确的布放和安装, 采集应有的数据, 本次实验虽然只是动物实验, 但各种条件基本符合GJB 349.28-90和MIL-STD-1474C (MI) 的标准[2]。不足处是缺少A-持续时间 (超压从环境压力升高到它的最大正超压峰值后在回复到环境压力所需要的时间) 、B-持续时间 (压力波形主要部分的持续时间与有意义的起伏部分的持续时间的总和) 和C-持续时间 (炮口冲击波压力波形中低于最大正超压峰值10 d B所对应的各时间间隔之和) 的测量。

冲击波通常有2次激波形成, 其损伤又称为爆炸气浪损伤, 包括爆炸气浪引起的原发性损伤、爆炸性飞行碎片的继发性损伤以及混合性冲击波损伤。原发性冲击波损伤又叫“碎裂”, 是冲击波遇到体内不同密度的介质被反射引起的湍流和空穴作用导致的液体从高密度介质穿透到较低密度介质的现象。爆炸能量利用率和空气冲击波在传播过程中的外界环境是影响空气冲击波超压的重要因素[3]。冲击伤 (blastinjury, BI) 是军事医学、创伤医学和灾害医学研究的重要课题之一。随着新型爆炸性武器和多功能武器在战场上开始投入使用、密闭和相对密闭的空间环境以及高原条件下爆炸的发生, 使听觉系统遭受的损伤除单纯冲击伤外, 冲击波缺氧联合损伤也大大增加, 已有研究证实环境大气压降低引起生物对冲击波耐受性降低。冲击波易损伤的部位是耳、肺、肠管和血管等, 其中内耳是冲击波和缺氧重要的靶器官[4], 耳损伤最常见为鼓膜破裂和听小鼓移位[5]。破片和冲击波对导弹目标结构的破坏作用不是简单的叠加, 而是产生更为严重的复合破坏效应[6]。当冲击波负压峰值>-45.5 k Pa时, 耳蜗组织切片出现较明显的病理学改变, 最常见的典型病变为底转鼓阶、中阶、螺旋韧带与血管纹出血, 且病变程度随着负压峰值的增大而加重[7]。当冲击波超压达到34 k Pa时, 快速上升的冲击波对人鼓膜损伤达96%, 而缓慢上升的冲击波达65%左右[8], 鼓膜对快速上升的冲击波比对缓慢上升的冲击波更敏感, 且多次冲击波作用对内脏损伤的阈值低于单次冲击波的致伤阈值, 大动物反复经受大口径火炮的炮口冲击波可引起上呼吸道、肺和胃肠道损伤。且经受多次冲击波后损伤显示相加效应[9]。

本次生物效应研究结果显示, 该单兵武器发射时的冲击波最大超压峰值为18.6~26.8 k Pa, 均值为20.5~24.3 k Pa, 均在15和34 k Pa之间;布放于与实验动物相同位置的冲击波传感器最大超压峰值在第2和第3发单兵武器发射时较小, 相应的第2、3发武器发射时动物的前庭器官损伤率较低;实验组96.7%的豚鼠出现鼓膜破裂等前庭器官损伤, 对照组与实验组比较存在显著差异。结合2006年总后勤部批准的《常规武器杀伤生物效应评估标准》中“豚鼠的50%鼓膜破裂的冲击波超压峰值15 k Pa, 人耳鼓膜破裂阈值为34 k Pa”可以推断出:该种单兵武器发射可引起豚鼠的鼓膜破裂等前庭器官损伤, 但不会引起射手的鼓膜破裂, 可能会导致其听阈升高, 听力下降。为了有效防止这种单兵武器发射时冲击波对射手造成伤害, 建议对射手采取防护措施, 使在一定的距离内, 冲击波超压和超压作用时间降低到人体安全的临界值以下。

不同的环境条件, 冲击波所致的损伤程度不同。如高原环境下冲击波传播速度没有明显改变, 超压峰值有所降低, 持续时间和冲量有所增加, 肺损伤程度比平原更重[10]。本次实验是在平原地区进行, 在高原地区和水下环境中, 该单兵武器发射时冲击波的损伤程度存在多少差异, 还有待进一步研究。

参考文献

[1]李朝军, 刘兆华, 朱佩芳, 等.冲击波负压暴露对豚鼠鼓膜和听骨链的损伤效应[J].中华创伤杂志, 2006, 22 (8) :617-622.

[2]孙忠良, 孙慧明, 刘江, 等.对人体损伤的兵器噪声和冲击波的标准化测量[J].解放军医学杂志, 2003, 28 (1) :19-22.

[3]顾垒, 向文飞.爆炸空气冲击波超压影响因素分析及控制[J].爆破, 2002 (2) :15-17.

[4]葛振民.冲击波和缺氧对豚鼠内耳的联合致伤效应研究[D].重庆:第三军医大学, 2006-12-16.

[5]杨志焕, 王正国, 李晓炎, 等.炮口冲击波的生物效应研究[J].弹道学报, 2000, 12 (3) :55-58.

[6]任丹萍.破片和冲击波复合作用下对导弹的毁伤[D].南京:南京理工大学, 2006.

[7]李朝军, 刘兆华, 朱佩芳, 等.豚鼠冲击波负压暴露后耳蜗创伤的组织学观察[J].创伤外科杂志, 2006 (4) :359-361.

[8]孙艳馥, 王欣.爆炸冲击波对人体损伤与防护分析[J].火炸药学报, 2008, 31 (4) :50-53.

[9]杨志焕, 姚德胜, 王正国, 等.炮口冲击波对炮手的影响[J].第三军医大学学报, 1991, 13 (4) :412-413.

单兵高原增氧呼吸器的维修及保养篇5

我们对库存的2 000台单兵高原增氧呼吸器 (2005年10月出厂) 进行充电测试, 测试结果为:故障63台, 占总量的3%。随后, 我们将出现故障的仪器逐台进行检修, 具体情况介绍如下。

1 故障一

1.1 故障现象

对故障机充电后, 按下主机开关, 不工作, 但接通直流电源, 工作, 共60台。

1.2 故障分析及检修

接通电源, 工作, 说明主机良好, 问题出在电池无法充电或保护线路板故障。打开电池塑料外壳, 查看内部情况:3块电芯的连接线因某个电芯漏液被腐蚀断开的32台;电池漏液并充电时发烫的24台;保护线路板被电池漏液腐蚀损坏的2台。我们用直流稳压电源对每一个漏液电芯进行充电测试, 观察其电流指示, 正常电池的电流从无穷大回摆至1～1.5A后, 随着充电时间的延长逐渐减小至接近于零;损坏电池的电流则为无穷大, 并伴随发热。考虑到电芯均为同一型号相同容量, 并且同时出厂, 我们将正常电芯重新连线组装成电池组, 充电试机, 工作时间可达8 h以上。电池中保护线路板故障造成电池组放电异常的2台。更换电池后, 恢复正常。

2 故障二

2.1 故障现象

对故障机充电后, 按下主机开关, 不工作, 接通直流电源也不工作, 共3台。

2.2 故障分析及检修

拆开主机进行线路检查, 发现有2台开关接触不良。更换开关后, 试机, 机器恢复正常。电池中保护线路板故障1台。更换电池后, 恢复正常。

3 总结

通过以上维修情况可以看出, 电池是增氧呼吸器出现故障的主要部件, 电芯漏液造成故障占92%。由此看来, 该机的保养最主要是对其电池进行良好的维护。

该仪器的电池为可充电锂离子电池 (Li-ion) , 主要由塑料外壳、3节5号电池大小的锂离子电池芯、保护线路板 (PCB) 组成, 标称电压及容量为DC11.1V和1 800 mAh, PCB由1个IC、2个Mosfe管和部分贴片式的电容、电阻和二极管组成。以IC监控电池的电压电流来控制2个Mosfet管的通断, 从而实现过充、过放自动保护功能。以下介绍电芯漏液的原因及电池保存的方法。

(1) 电芯漏液的原因分析: (1) 存放时间长以及环境温度、湿度等因素影响造成电池老化。锂离子电池在存储一段时间后, 即使不进行循环使用, 其部分容量也会永久性的丧失。这种电芯间的容量差异导致充电时有些电芯被过充, 有些电芯未充满电, 放电时有容量高的电芯未完全放电, 而容量低的则被过放。如此恶性循环, 电芯受到损害而漏液。 (2) 充电时间过长造成过充。有些观点认为, 对充电电池前3次要充电8～12 h进行激活, 那是针对镍镉电池而言, 锂电池则不需要。因为根据其制造程序得知已在出厂前进行过激活。 (3) 呼吸器开关未关闭。即使电量已经不能够支撑主机工作, 但系统仍会使电池有一个低电流输出, 造成过放, 从而导致漏液。

(2) 电池的保存:根据IEC标准规定, 电池应在温度为 (20±5) ℃, 湿度为 (65±20) %的条件下储存, 表1是有关文献调查的锂电池在不同温度和充电状态下的老化情况。

通过表1可知, 存储温度越高和电池充的越饱, 其容量损失就越厉害。所以, 推荐长期存放单兵高原增氧呼吸器的条件为:关闭开关, 温度为15℃或更低, 充电水平为40%, 也就是充电2 h左右, 每隔半年充一次电。

单兵设备篇6

1.1 研究对象

本课题的研究对象为装甲兵工程学院四旅六营60名学员, 年龄为20~23岁, 身体健康。训练的内容为单兵战术训练基础课目。

1.2 研究方法

本文主要采用的研究方法有文献资料法、专家访谈法、生物力学解析法、教学实验法和数理统计法。其中在运用生物力学解析法时, 首先由我院的战术教员选取我院青年学员动作好的三名学员进行战术动作的演示, 由另一名教员进行拍摄。将拍摄好的录像, 通过软件进行分析, 分析出几个战术动作的力量需求。实验仪器:CANON 250常速数码摄像机一台, 解析和分析软件采用上海体育学院和复旦大学联合研制的SBCAS2系统。测试方法:摄像机置于测试对象的正侧方, 相机镜头离地高度0.3米。快门速度为1/250秒, 拍摄速度为50格/秒。

2 研究结果与分析

2.1 力量操化的理论依据

2.1.1 管理学依据

无论是从部队实地调研还是体能培训班的了解情况来看, 我军基层连排职组织体能训练的水平偏低。因为他们中的绝大部分人在体能训练中属于“非专业人员”。如果笔者照搬竞技体育的一些训练方法手段, 可能很难在部队推广开。因此从组织训练角度来看, 力量操化训练只要组训者掌握基本的口令和简单的动作就可以组织训练了;另外, 力量操化练习也是在统一的口令下来完成整个力量训练过程。

2.1.2 训练学依据

力量操化训练中体现出了训练学的一些原则, 这些原则是编制操的专业人员来掌握的, 组训人员在训练过程中只要按照训练程序进行就可以了, 主要遵循以下规律。一是循序渐进原则。从操的开始到结束, 在操的内容上始终遵循循序渐进的原则, 强度由小到大逐渐展开。二是练习与恢复交替进行原则。每节力量训练后, 紧接着就有针对力量训练部位的拉伸练习, 这也是对训练肌肉的一种恢复。三是因人施教原则。在操化训练过程中, 根据受训者不同的训练水平而采用不同的练习方法和练习手段, 这样在执行过程中, 真正做到了因人施教。

2.1.3 心理学依据

集体训练方式所形成的一种气氛反过来会对个人产生激励作用。心理学有一种理论叫心理场论。体能训练场就是在体能训练中, 组训者、受训者以及训练环境所形成的场。组训者与受训者之间有场, 受训者之间有场, 受训者与训练环境之间有场。在这个场里, 组训者、受训者和训练环境通过各自的能量互相交换信息, 如果几个方面在交换能量时表现出积极的信息, 那么体能训练场的气氛也是积极的, 在训练过程中可以使受训者能量得到很好发挥, 提高士兵训练的积极性。

2.2 实验的实施

2.2.1 实验分组及训练内容

本研究以装甲兵工程学院四旅六营60名学员为研究对象, 随机分组为实验组30人, 对照组30人, 分别由一名教员单独进行训练。实验前两组队员均没有进行过战术动作的学习及训练经历。实验组训练内容由力量操化训练、低姿匍匐动作和侧身匍匐动作训练组成, 对照组训练内容由低姿匍匐动作和侧身匍匐动作训练组成。

2.2.2 力量操化的设计

为使操化训练更具有针对性和科学性, 根据对低姿匍匐动作和侧身匍匐动作的生物力学分析, 确定了两个战术动作的力量需求, 据此, 按照锻炼上肢、下肢以及躯干力量的顺序共创编了六节力量训练操:上肢支撑力量操化练习、上肢拉引力量操化练习、下肢蹬伸力量操化练习、腹直肌力量操化练习、腹外斜肌力量操化练习和腰背部肌肉力量操化练习。

2.2.3 训练时间及训练负荷

实验组和对照组的训练时间是一样的, 每天训练一个小时, 每周训练四次, 累计四周, 共计训练16小时。从内容上来分, 实验组的课分为力量操化课和战术训练课, 每周四次课, 单数次课为力量操化训练, 双数次课为战术训练课。而对照组只有战术训练课, 战术训练课的内容就是低姿匍匐动作和侧身匍匐动作训练。力量操化训练的内容为六节操, 做两遍。战术训练课两组内容相同, 前两周两种姿势的训练每个姿势距离为10米, 每个姿势分别做三次, 两种姿势交替进行训练, 但之间是不连续的。后两周两种姿势也是交替训练, 但每次练习两种姿势是连续做的, 先进行10米低姿匍匐, 紧接再进行侧身匍匐10米, 共做三次。

2.2.4 运动成绩的测定方法

实验前利用第一次课对两组学员进行匍匐动作的示范讲解, 待其基本掌握动作要领后进行20米的匍匐动作测试。测试方法:单兵战斗着装 (子弹袋一个、子弹夹3个、手榴弹4枚, 挎包、水壶、防毒面具各1个, 九五式自动步枪1支) , 低姿匍匐前进10米换为侧身匍匐前进10米, 以完成时间为单位, 精确到0.1秒。实验后以同样方法进行了第二次测试。

2.3 实验前后受训效果的比较

(单位:秒)

注:实验前两组成绩:P=0.946;实验后:P=0.045;*表示有显著性差异。

2.3.1 实验前运动成绩比较

实验前, 对60名学员进行随机分组为实验组和对照组, 在教授学员基本掌握战术动作要领后, 对其进行了实验前20米低姿匍匐前进 (10米低姿卧姿+10米低姿侧身) 测试, 测验结果为实验组成绩为18.08±2.84秒, 对照组成绩为18.14±3.39秒, 经t检验, P=0.946﹥0.05, 说明实验前两组对象测试成绩无显著性差异, 整体成绩处于同一水平。

2.3.2 实验后运动成绩比较

实验后, 对实验组和对照组60名学员进行了第二次测试, 随机分组为, 在教授学员基本掌握战术动作要领后, 对其进行了20米低姿匍匐前进 (10米低姿卧姿+10米低姿侧身) 测试, 测验结果为实验组成绩为15.67±1.73秒, 对照组成绩为16.78±2.37秒, 经t检验, P=0.045﹤0.05, 说明两组对象测试成绩有显著性差异。从测试成绩来看, 经过一个月的教学训练, 两组对象的运动成绩整体上比实验前均有明显提高, 但实验组成绩提高幅度明显高于对照组, 说明力量操化训练对匍匐战术动作成绩的提高产生了积极的影响。

3 结论与建议

(1) 教学实验后, 实验组和对照组的测试成绩较实验前均有明显提高, 但实验组成绩提高明显, 同对照组相比, 具有统计学意义上显著性差异 (P<0.05) ;实践证明, 实验组采用的训练方法行之有效, 说明力量操化训练对低姿匍匐和侧身匍匐的成绩提高具有积极的作用。

(2) 力量操化练习符合管理学、训练学及心理学原理, 经教学实验, 该操化练习具有一定的科学性、有效性和可操作性的特点, 适于在部队推广使用。

(3) 本研究也说明, 通过生物力学分析来对我们军事活动中的一些动作进行需求分析, 使得训练更具有针对性和科学性, 对提高军事训练效果是有益的。

(4) 为便于在部队进一步推广应用本研究成果, 建议今后再进行一些相关挂图的制作, 这样就更有利于力量操化训练的推广。

参考文献

[1]申荷永.心理场论[M].北京:中国和平出版社, 1996.

[2]US.ARMY.POCKET PHYSICAL TRAINING GUIDE[J].US.ARMY, 2004 (6) :237.

单兵设备篇7

单兵作战类游戏是广大游戏爱好者比较热衷的一类对抗型的游戏。游戏玩家在游戏中可以第一人称或第三人称的视角, 控制游戏中的士兵对象, 完成各种战术游戏动作, 达到消灭敌人, 保存自己的目的。游戏的对抗性较强, 军事味儿比较重, 这也是广大游戏爱好者喜欢此类游戏的原因之一。目前, 单兵作战类游戏很多, 比如大家最为熟悉的CS游戏、荣誉勋章、重返德军总部、抢滩登陆、战地系列游戏等。大部分游戏中, 单兵模型都是3D的了, 而且模型的精细度很高, 视觉震撼较强, 效果逼真, 使得游戏玩家在玩游戏时有身临其境的感觉。对于普通的游戏开发者来说, 最关心的就是游戏是如何设计的。作为单兵类游戏, 单兵的游戏动作设计是比较关键的。

作为一款比较适用于军事视景仿真的软件开发工具, Vega可以用于作战类游戏的开发。Vega是一套完整地用于开发交互式、实时可视化仿真应用的软件平台, 其最基本的功能是驱动、控制、管理虚拟场景并支持快速复杂的视觉仿真程序, 快速创建各种实时交互的三维环境, 快速建立大型沉浸式或非沉浸式的虚拟现实系统。Vega中进行人物仿真基本上可以分为3种方式:借助Multigen Creator中所附带的动画序列 (Animation Sequence) 技术产生动画效果;借助多种建模工具, 生成基于骨架、蒙皮的人物模型, 然后通过软件之间的接口将人物模型转化为Vega能够识别的模型结构, 然后进行仿真;通过专用软件进行仿真。由于第一种方法所采用的是模拟传统二维动画创作的方法, 通过连续播放一系列动画画面来产生人物连续运动的效果, 在Creator中就是通过按照指定的顺序依次显示组节点下的单个子节点来实现这个过程。但在复杂的仿真过程中, 当对动作的频率、样式等要求较高时, 此种人物仿真就显得过于单调, 失去了真实性。Multi Gen Creator是对大地形场景建模最好的工具, 这同时也决定了它对于人物建模这样细节要求较高的建模方式并不擅长, 因此需要其他软件的辅助, 才能够很好地进行人物建模。3D Max虽然对细节建模较为擅长, 但由于人体的体构造的复杂性, 对于非艺术建模出身的人来说建立精确而美观的人体模型仍是一件很困难的事情, 因此也不适合快速进行人体建模。使用DOF节点进行人物仿真, 需要对人物模型添加并设置多个DOF节点, 且人物的仿真程度越高、效果越好所需要的DOF节点数就越多, 在Vega中进行DOF节点控制时, 所需要编写多DOF节点之间的协调控制算法就越为复杂, 而且需要大量的测试才能达到用户所需效果, 既费时又费力。对一般游戏开发者来说, 难度大, 学习起来较为困难。

所以, 这里基于Vega软件开发环境, 通过专用软件 (Boston Dynamics公司的DI-Guy软件) 进行仿真, 完成单兵作战类游戏中的单兵游戏动作的设计与实现。

2 DI-Guy概述

波士顿动力 (Boston Dynamics) 公司的DI-Guy软件, 是以Open Flight格式为基础的三维人物仿真软件, 可以完全集成到Vega工具包中。每个“人物”可以根据简单的指令在环境中漫游。DI-Guy自动地给人物提供相应的特征, 而不需要动画师的处理。甚至在人物间的转换中, 也可以提供自然的运动和无缝的转化。用户还可以通过Vega中的Lyn X控制面板和DI-Guy API定义特别的行为。例如:人物的衣服和装备、被赋予的行为等。

Dl-Guy是全程交互的软件, 可以响应所有实时的指令。软件通过运动缓存优化、可变动作差补、高水平细节的转化、运动细节的转化、任务水平的控制等来达到逼真的实时效果。这些技术使同时显示几十种连接的DI-Guy特征成为可能。DI-Guy最初是为美国军方进行兵力仿真而进行设计的, 其中包括一套描绘步兵特征的选项。它利用了真实士兵训练的特征, 具有达7级细节水平的全纹理模型、多种制服 (战斗服、沙漠伪装、陆战服、伊拉克绿等) 、武器 (Ml6、AK47、M203) 和多种附属装备 (背包、水壶、刺刀等) 。它可定义的行为包括:站、跪、匍匐前进、走、跳、潜行、使用武器及其他活动。除此之外, DI-Guy也包括一些其他种类人物及其相关动作, 这使得使用变得非常简单。

DI-Guy软件动作类型及人物的模型相当丰富。基于DI-Guy的虚拟人运动控制主要是利用DI-Guy强大的API函数, 其虚拟人的运动动作非常逼真, 能够产生较好的沉浸感。DI-Guy很好地将基于Open Flight格式的人物及其动作进行了封装, 以面向对象的方式提供给了用户API函数库, 使得用户不需要进行大量的DOF节点的运动协调操作就可以在Vega中直接调用其API函数进行人物动作的控制与仿真。但DI-Guy不是作为Multi Gen Vega的一部分, 需要单独购买安装, 才能与Vega结合。将DI-Guy安装后并添加相应的许可证文件后, 将在Vega的Lyn X控制面板的左侧选项卡中出现DI-Guy的模块选项, 如图1所示。

这样, 在Lyn X中添加DI-Guy的人物, 在仿真过程中采用相应的API函数就可实现在Vega中对DI-Guy人物进行控制了。除了在Lyn X中添加DI-Guy功能之外, 大多数游戏开发者更喜欢在程序代码中直接使用API函数来实现对人物对象的控制。

3 单兵游戏动作的设计与实现

单兵的几个常用的游戏动作分类如图2所示。

常用的单兵的游戏动作主要包括持枪、卧倒、屈身行进、匍匐前进、跃进等5类。持枪是单兵在战斗中为了便于行动、便于射击携带武器的方法。在不同的地形和距离条件下, 根据敌情和任务特点, 采用不同的持枪动作。卧倒包括起立动作, 是单兵遭敌突然袭击时或袭击后采取的动作, 以躲避敌人的火力打击。屈身行进包括直身行进, 在单兵通常运动的姿势, 可根据距离敌人的远近以及地形条件, 灵活地直身前进或屈身前进。屈身前进通常是在遮蔽物略低于人体时采用。其要领是:右手持枪, 上体前倾, 两腿弯曲, 屈身程度视遮蔽物高低而定, 目视前方, 以大步或快步前进。匍匐前进是通过敌火力封锁下的较短地段或利用较低遮蔽物时采用。根据遮蔽物的高低分为低姿、高姿、侧身和高姿侧身匍匐4种。跃进是在敌火下迅速通过开阔地时经常采用的运动方法。其要领是:跃进前, 可左、右移动 (滚动) 以迷惑敌人, 迅速收枪, 屈左脚于右腿下, 右手提枪, 以左手、左膝、左脚的力量将身体撑起, 迈出右脚, 突然跃起前进。也可在收枪的同时, 屈左腿于腹下, 以左手、右膝和左小腿的外侧支撑身体, 迈出右脚, 突然跃起前进。跃进时, 右手持枪, 目视敌方, 屈身快跑。跃进的距离、速度应根据敌火力强弱和地形情况而定。地形越开阔, 敌火力越猛烈, 跃进的距离应越短, 速度应越快。

根据以上分析, 给出实现单兵游戏动作的系统的功能设计图, 如图3所示。系统初始化是单兵游戏动作模拟系统的环境的初始化, 是对Vega和DI-Guy模块的初始化, 是对DI-Guy中的士兵模型对象的引入并使其就位的一个过程。初始化之后的士兵, 在仿真环境中就可以用来进行各种单兵游戏动作的测试了。持枪瞄准模块, 就是士兵进行持枪动作的一个过程演示, 士兵经过携枪行进、举枪瞄准、收抢收步等几个环节。屈身行进是士兵对象直身行进, 然后屈身行进, 再恢复直身行进并返回的一个过程。匍匐前进与跃进动作, 同屈身行进类似, 作为单兵游戏动作模拟系统来说, 这些仅仅是对单兵游戏动作的过程演示, 以观察其动作衔接是否自然, 模拟过程是否逼真。系统退出即是退出游戏动作模拟系统。

在VC++60开发环境中, 首先设置好Vega和DI-Guy的包含路径, 然后建立工程Soldier Tactics。当然, 在此之前, 为了加快开发应用程序的速度, 首先在Vega提供的Lyn X图形界面下, 配置好一个ADF文件vegawin.adf, 包括地形数据、纹理数据、天空环境等。配置好的vegawin.adf预览的效果如图4所示。

也可以在Lyn X环境下借助DI-Guy模块加入士兵对象。但考虑到使用程序代码, 通过控制DI-Guy的API来控制士兵对象会更加灵活, 这里仅给出通过Lyn X加入人物对象的一般方法步骤, 如下:

(1) 在Vega中建立一条路径, 设置为path1, 文件名1.pth。

(2) 在Lyn X面板中创建一个新的导航器, 命名为Nav1, 其文件名1.nav, 使之与path1建立关联。

(3) 打开Vega的Path工具, 选中Nav1, 设定其类型为BDI Character, 然后选择DI-Guy的士兵, 并添加装备。在视图区鼠标点击关键点, 生成一条路径, 再选择人物动作。动作可分为两种, 一种是在关键点停留时的动作, 如原地瞄准等;另一种是在关键点间移动的动作, 如走、跑等。

(4) 将路径和导航器进行存储, 在Isector面板中生成一个新的Isector, 类型为LOS, 目标为场景, Isector的类别定义为Terrain型。

(5) 在Vega DI-Guy面板生成一个DI-Guy人物, 命名为Soldier1, 使其关联到Nav1。

(6) 在场景中加入Soldier1, 然后在应用程序的代码中包含头文件vgdiguy.h及DI-Guy角色头文件atlas.h。

接下来的应用程序实现就跟API调用的方法一样了。下面给出具体的主要功能模块的实现算法。系统初始化部分实现的主要代码如下:

持枪瞄准的功能实现代码如下:

另外3个功能模块的实现代码同持枪瞄准, 只是它们设置的定时器不同, 因为, 在设计单兵动作的时候, 考虑到动作之间切换的自然性, 都是从行进 (walk) 状态开始的, 具体的DI-Guy的控制都在定时器函数里面实现了, 通过定时功能, 实现士兵具体动作的连续。所以, 这里的定时器的实现很重要, 具体的代码如下:

系统编译运行后的效果如图5所示。左边是单兵游戏动作控制按钮, 右边是一个虚拟的场景, 士兵的动作就是在这个场景中进行演示的。

点击“初始化”按钮后, 一个用于测试动作的士兵对象就会慢步走入到场景中, 如图6所示。

点击“持枪瞄准”、“屈身行进”、“匍匐前进”、“跃进动作”按钮之后的效果分别如图7、图8、图9、图10所示。从结果可以看出, 这几个主要的单兵游戏动作连贯性很好, 动作之间衔接比较自然, 与场景一起, 模拟效果逼真。

4 结语

基于DI-Guy的三维人物模型的运动及显示开发包可以广泛应用于仿真等领域, 它具有功能强大、使用方便、可扩展性强等优点。在设计并实现的单兵游戏动作展示系统中, 其人物模型还比较精细, 单兵的游戏动作关联衔接自然, 逼真度很高, 可以广泛应用于需要人物交互功能的仿真领域 (如作战类游戏开发中) 。

随着DI-Guy工具包的完善以及应用力度的加大, 需要进一步解决的问题还有很多, 例如新增士兵模型到DI-Guy模型库、在程序中实现对人物表情、小动作等灵活控制等, 这也是下一步展开深入研究的工作。

摘要：介绍了Vega和DI-GUY (人体运动仿真工具包) 的基本知识, 对单兵游戏动作进行了分类研究。设计并实现了几个简单的单兵游戏动作。单兵游戏动作逼真, 动作切换自然, 可以应用到单兵作战类游戏中。

关键词：Vega工具,DI-Guy软件,单兵作战,游戏开发

参考文献

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[2]周俊峰, 祝奎臣.船舶机舱虚拟环境中的虚拟人构建.上海海事大学学报, 2007, 28 (4) .

[3]谢建华, 马立元, 张睿, 侯雷.基于DI-Guy的某型导弹虚拟操作训练环境设计.计算机仿真, 2005, 22 (3) .