無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的應(yīng)用研究

楊竹蘋，黃琦志，王敏

(軍事交通學(xué)院，天津300161)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，從而受到很多國(guó)家的普遍重視。主要在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等多方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的新興技術(shù)之一［1］。分析和研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的應(yīng)用前景，對(duì)于提高基于信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)軍交運(yùn)輸保障能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

1.1 概念及組成

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組基于數(shù)據(jù)為中心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，它由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)具有無(wú)線通信與計(jì)算的能力，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息［1］。系統(tǒng)中的每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有一種或多種感知器，如聲感應(yīng)器、紅外線感應(yīng)器、磁感應(yīng)器等，可采集和初步處理數(shù)據(jù)，各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的交流、匯集和處理，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的探測(cè)、識(shí)別與跟蹤。該系統(tǒng)通常情況下包含傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)，每類節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的功能各不相同［2］。在需要監(jiān)測(cè)的特殊區(qū)域隨機(jī)部署大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)，所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)這些傳感器節(jié)點(diǎn)采用逐跳地方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后利用互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星無(wú)線傳輸方式把信息傳遞到數(shù)據(jù)處理中心的管理節(jié)點(diǎn)，用戶再對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以便做出判斷或決策。

1.2 主要優(yōu)勢(shì)

1)精度高。為了獲取精確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域會(huì)部署大量造價(jià)低廉的微小型傳感器節(jié)點(diǎn)，可能達(dá)到成千上萬(wàn)，這樣可有效地減少網(wǎng)絡(luò)空洞或盲區(qū)。同時(shí)大量的分布式節(jié)點(diǎn)可提供多角度和多方位的信息，可有效提高信號(hào)的信噪比，形成豐富的信息，減少虛假信息，提高了監(jiān)測(cè)區(qū)域的精確度［2］。

2)靈活性強(qiáng)。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)有統(tǒng)一完整的外部接口，必要時(shí)在現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上直接添加新的硬件功能模塊，不需要開發(fā)新的節(jié)點(diǎn)，不需人為干預(yù)，很適合惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)的傳感器手段。另外，節(jié)點(diǎn)傳感器成本低廉，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，甚至可作為一次性使用的通信設(shè)備，免維護(hù)。

3)可靠性高。傳感器節(jié)點(diǎn)的小型化和微型化，以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備的容錯(cuò)能力，可以使之大規(guī)模部署于指定的惡劣環(huán)境或無(wú)人區(qū)域。再加上它的自動(dòng)識(shí)別組網(wǎng)特點(diǎn)，使得對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施傳感器節(jié)點(diǎn)替換或增補(bǔ)成為可能。雖然單一節(jié)點(diǎn)的可靠性差一些，但使用分布式放置和密集部署，則大大提高了網(wǎng)絡(luò)體系的冗余性，使系統(tǒng)在環(huán)境因素變化不可預(yù)知的情況下具有較強(qiáng)的抗毀能力，增高了網(wǎng)絡(luò)信息獲取的可靠性。

4)無(wú)人值守。在當(dāng)今復(fù)雜的電磁戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，如果各種設(shè)備都由人員來(lái)操控的話會(huì)很大程度上增加操作人員的傷亡數(shù)量，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人值守特性顯得尤為重要。一些廉價(jià)的包括聲、光、電、紅外等無(wú)需人員操作的地面?zhèn)鞲衅鲗⒈蝗霾荚趹?zhàn)場(chǎng)上，自動(dòng)與各類平臺(tái)和單兵組成網(wǎng)絡(luò)，使每一名士兵都能提前知曉戰(zhàn)場(chǎng)的勢(shì)態(tài)。網(wǎng)絡(luò)化的部隊(duì)可以共享戰(zhàn)場(chǎng)圖像和目標(biāo)數(shù)據(jù)，得以更好地作戰(zhàn)協(xié)同和資源配置。

2 公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境

2.1 構(gòu)成

1)自然環(huán)境。自然環(huán)境是由自然要素在空間有機(jī)組合形成的景觀，對(duì)軍事活動(dòng)有深刻影響。當(dāng)然，在公路軍事運(yùn)輸活動(dòng)中它也是必不可少的客觀條件。公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的自然環(huán)境要素，主要指與戰(zhàn)場(chǎng)公路運(yùn)輸活動(dòng)密切相關(guān)的地形、天候、水文、氣象和生物等，以及相關(guān)要素在運(yùn)輸行動(dòng)地區(qū)的分布情況。

2)社會(huì)環(huán)境。公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的社會(huì)環(huán)境要素，主要指由人口與居民地、民族與宗教、經(jīng)濟(jì)與科技、交通網(wǎng)、通信網(wǎng)、文化與醫(yī)療機(jī)構(gòu)等要素構(gòu)成的整體。公路軍事運(yùn)輸力量在一個(gè)戰(zhàn)役方向或地區(qū)擔(dān)負(fù)運(yùn)輸保障任務(wù)，建立軍民整體保障體系，形成軍民保障合力，離不開與這一區(qū)域的社會(huì)聯(lián)系，離不開這一區(qū)域廣大人民群眾的支援。

3)軍事環(huán)境。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)公路運(yùn)輸軍事環(huán)境不僅決定著運(yùn)輸活動(dòng)地域的不同和范圍的大小，同時(shí)也決定著不同地域、不同范圍的天然條件，并對(duì)其自身產(chǎn)生不同的影響。公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的軍事環(huán)境要素，是由不同的作戰(zhàn)、后勤、裝備等力量，武器平臺(tái)、技術(shù)裝備等軍事要素，在與自然和社會(huì)環(huán)境諸要素的相互作用中形成的。由于未來(lái)作戰(zhàn)流動(dòng)性強(qiáng)，使公路運(yùn)輸力量配置更加分散，且有可能被敵人層層分割，因而對(duì)運(yùn)輸保障快速反應(yīng)能力的要求空前提高。相對(duì)于有形戰(zhàn)場(chǎng)汽車運(yùn)輸空間的有形要素，無(wú)疑已突破了原有的戰(zhàn)場(chǎng)公路運(yùn)輸空間結(jié)構(gòu)，并以其特有的作用形式觸及不同層次的戰(zhàn)場(chǎng)公路運(yùn)輸領(lǐng)域，從而使這一無(wú)形的環(huán)境要素成為戰(zhàn)場(chǎng)公路運(yùn)輸環(huán)境中具有獨(dú)特影響性能的重要組成部分。也就是說(shuō)，信息環(huán)境要素的出現(xiàn)使未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)汽車運(yùn)輸環(huán)境更趨復(fù)雜化、信息化。

自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境和軍事環(huán)境是一個(gè)有機(jī)聯(lián)系的整體，三者的相互聯(lián)系、相互作用構(gòu)成了完整的公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境體系。

2.2 特性［3，6］

1)客觀性。客觀性是公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境最為本質(zhì)的屬性。因?yàn)?，任何運(yùn)輸活動(dòng)都是在一定時(shí)空條件構(gòu)成的軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行的，公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)運(yùn)輸行動(dòng)的制約和影響作用是客觀必然的，古今中外的所有公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境都不能例外。從公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的構(gòu)成來(lái)看，無(wú)論其構(gòu)成要素是自然性的，還是社會(huì)性和軍事性的，這些軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素都是相對(duì)于運(yùn)輸活動(dòng)而客觀存在的，從而形成了一種主客觀的矛盾關(guān)系。此外，公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)運(yùn)輸活動(dòng)的影響具有一定的規(guī)律性，而且這種規(guī)律是可以認(rèn)識(shí)并指導(dǎo)人們能動(dòng)地利用軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，提高公路軍事運(yùn)輸對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。

2)多元性。公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是一個(gè)由自然、社會(huì)和軍事諸要素構(gòu)成的整體。其構(gòu)成要素充分反映了多元的地理空間特性(包括點(diǎn)、線、面、體特征)、動(dòng)態(tài)時(shí)間特性、光電頻譜特性(包括聲光信號(hào)、電磁信號(hào)、數(shù)字信號(hào))和信息網(wǎng)絡(luò)特性。它是自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境與軍事環(huán)境、宏觀環(huán)境與微觀環(huán)境、有形環(huán)境與無(wú)形環(huán)境、靜態(tài)環(huán)境與動(dòng)態(tài)環(huán)境的有機(jī)結(jié)合。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境將不再局限于傳統(tǒng)的地理空間，而是與具有豐富內(nèi)涵的信息空間相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)全新的多元化的軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

3)可變性。任何一種環(huán)境條件都是隨時(shí)間而不斷變化的，如隨著時(shí)間的順延，運(yùn)輸行動(dòng)所經(jīng)過(guò)地區(qū)的地貌、季節(jié)、氣候、水文、植被等自然環(huán)境有可能發(fā)生變化。公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境諸要素作為運(yùn)輸環(huán)境整體的組成部分，其內(nèi)部又有各自不同的運(yùn)動(dòng)形式，構(gòu)成了隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)變化條件。一方面，公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境有其自身的變化規(guī)律，如地形地貌和人文要素多以漸變方式變化;特大暴雨造成的洪澇、山體滑坡以及敵方打擊所造成的運(yùn)輸力量損失、運(yùn)輸行動(dòng)受阻等則多表現(xiàn)為突變方式。另一方面，公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境在與運(yùn)輸活動(dòng)的交互作用下，也會(huì)發(fā)生變化。因?yàn)楣奋娛逻\(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境既是公路軍事運(yùn)輸系統(tǒng)的外部狀況和條件，而其本身也是一個(gè)開放系統(tǒng)，可以接受外界的信息、能量，并依此而發(fā)生相應(yīng)的變化。

3 應(yīng)用前景

3.1 戰(zhàn)場(chǎng)偵察與監(jiān)控［7，11］

戰(zhàn)場(chǎng)偵察與監(jiān)控重在圍繞戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、智能分析判斷和行動(dòng)過(guò)程控制等因素，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全方位、全時(shí)域的有效運(yùn)行，從而破除“戰(zhàn)爭(zhēng)迷霧”，提高戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)己方的透明度。美國(guó)國(guó)防部重點(diǎn)研發(fā)的“智能微塵”項(xiàng)目就是一個(gè)典型例子，它由微處理器、雙向無(wú)線電收發(fā)裝置和使它們能夠組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的軟件共同組成。該系統(tǒng)是通過(guò)在敵軍駐地和可能的進(jìn)攻路線上采用無(wú)人飛機(jī)或火炮把大量裝有智能微塵的宣傳品、子彈或炮彈在目標(biāo)地點(diǎn)撒落下去，形成嚴(yán)密的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，近距離偵察感知目標(biāo)地區(qū)作戰(zhàn)地形、敵軍部署、裝備特性及部隊(duì)活動(dòng)行蹤、動(dòng)向等。再結(jié)合其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將大量信息匯集到指揮中心，形成一幅公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，以滿足作戰(zhàn)保障力量“知己知彼”的要求，為軍交運(yùn)輸指揮員提供重要數(shù)據(jù)。有效彌補(bǔ)衛(wèi)星、雷達(dá)等遠(yuǎn)程偵察設(shè)備的不足，全面提升聯(lián)合戰(zhàn)場(chǎng)感知能力。

3.2 戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)跟蹤

在軍事領(lǐng)域?qū)?zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤主要是利用聲震傳感器被動(dòng)地監(jiān)測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(如各種車輛)后，再對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤［12］。美國(guó)陸軍于2003年8月開發(fā)了“沙地直線”系統(tǒng)(A Line in the Sand)，這種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有密集型、分布式的特征，多種異構(gòu)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用了松散連接的傳感器陣列，提供現(xiàn)地探測(cè)、評(píng)估、數(shù)據(jù)壓縮和發(fā)送信息的功能［13］。該系統(tǒng)不僅可以偵測(cè)到運(yùn)動(dòng)的或靜止的高金屬含量目標(biāo)，而且可以感覺到聲音、光線、溫度、化學(xué)物品，以及動(dòng)植物的生理特征。例如跟蹤和定位徒手人員、攜帶兵器的士兵或車輛。在基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別應(yīng)用中，利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)行進(jìn)時(shí)發(fā)出的聲音和地面震動(dòng)信號(hào)，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和分類，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將對(duì)目標(biāo)的識(shí)別結(jié)果發(fā)送到匯聚中心，匯聚中心根據(jù)檢測(cè)到同一個(gè)目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的分類結(jié)果進(jìn)行融合。在數(shù)據(jù)中心，每次記錄都包含:聲音、震動(dòng)和紅外等3種感知信號(hào)。通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的分析，可以得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的類別和行駛軌跡［14］。

3.3 戰(zhàn)場(chǎng)核生化監(jiān)測(cè)

對(duì)于未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，防“核生化”攻擊是必不可少的研究?jī)?nèi)容。能否在最短的時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)到核爆炸中心的相關(guān)參數(shù)，迅速估算出該爆炸所產(chǎn)生的破壞情況，是使損傷程度降到最低關(guān)鍵要素［15］。而為了獲得重要數(shù)據(jù)經(jīng)常是需要專業(yè)人員穿上防護(hù)服，攜帶專業(yè)設(shè)備進(jìn)入沾染區(qū)。如果使用無(wú)人機(jī)或火箭彈等方式向被污染區(qū)域撒放無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)，而這些節(jié)點(diǎn)芯片中存有化學(xué)劑檢測(cè)和數(shù)據(jù)解釋。它們可以自主捕獲和解釋數(shù)據(jù)，并提供實(shí)時(shí)告警，以應(yīng)付使用化學(xué)武器進(jìn)行的攻擊，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需派遣人員進(jìn)入“核生化”污染區(qū)即可快速獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，從而避免汽車部(分)隊(duì)在運(yùn)輸過(guò)程中直接暴露在“核生化”環(huán)境中而受到威脅［16］。

4 結(jié)語(yǔ)

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求軍事信息系統(tǒng)“看得明，反應(yīng)快，打得準(zhǔn)”，誰(shuí)在信息上取得制信息權(quán)，誰(shuí)就能掌握戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以協(xié)助實(shí)現(xiàn)有效的公路軍事運(yùn)輸戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知，能在多種場(chǎng)合滿足公路軍事運(yùn)輸信息獲取的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和全面性等需求，但還存在能量供應(yīng)、系統(tǒng)成本以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞燃夹g(shù)上的挑戰(zhàn)，需要繼續(xù)深入研究和探索。

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