物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工影響天氣業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳軼敏 姚夢(mèng)濤 孫永濤

【摘 要】應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)人工影響天氣業(yè)務(wù)系統(tǒng)的彈藥進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、跟蹤定位和管理，在每個(gè)彈藥上安裝UHF RFID唯一身份標(biāo)簽，在彈藥生命周期的三個(gè)環(huán)節(jié)中，安裝相應(yīng)的識(shí)別及控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集彈藥信息及狀態(tài)，通過(guò)無(wú)線通信方式上傳并實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)人影彈藥的全程閉環(huán)管理。系統(tǒng)不僅實(shí)時(shí)采集信息，而且滿足人工增雨、防雹等各種惡劣環(huán)境的作業(yè)要求，已經(jīng)在貴州、新疆等地區(qū)成功試驗(yàn)及應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】人工影響天氣 物聯(lián)網(wǎng) RFID GPS GPRS 電子羅盤

1前言

上世紀(jì)90年代提出物聯(lián)網(wǎng)概念，它的定義是通過(guò)傳感設(shè)備，將物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最早應(yīng)用于物流管理，隨著對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的概念、內(nèi)涵、技術(shù)、應(yīng)用研究的不斷深入，將在工業(yè)生產(chǎn)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、公共安全監(jiān)控、城市管理、智能交通、安全生產(chǎn)、文物保護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。人工影響天氣的飛速發(fā)展，對(duì)管理技術(shù)提出更高要求，采用人工管理的模式已經(jīng)無(wú)法滿足彈藥安全管理、作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、科學(xué)指揮作業(yè)和作業(yè)效果評(píng)估的需求，人影業(yè)務(wù)迫切需要注入先進(jìn)技術(shù)和管理模式，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳輸，提高人影業(yè)務(wù)管理效率，實(shí)現(xiàn)人影科學(xué)化、信息化管理。

2人影物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求

人工影響天氣業(yè)務(wù)管理包括人影彈藥的跟蹤監(jiān)控，裝備狀態(tài)管理，氣象信息監(jiān)測(cè)及應(yīng)用，人影作業(yè)信息采集及分析處理，人影作業(yè)指揮、人影作業(yè)效果評(píng)估、人影操作人員管理等方面。氣象監(jiān)測(cè)和應(yīng)用方面目前發(fā)展較健全，但是彈藥、裝備及作業(yè)方面的管理還較落后，沒有建立準(zhǔn)確有效的作業(yè)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析管理機(jī)制。為彈藥、裝備及操作人員建立電子信息，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)彈藥、裝備的自動(dòng)識(shí)別、跟蹤和監(jiān)控，由無(wú)線傳輸網(wǎng)將信息傳輸至互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人影信息共享和管理。

人影業(yè)務(wù)中需被采集的信息類型多樣、包括涉及火工范疇的火箭、炮彈、煙條等彈藥，發(fā)射架、高炮、地面燃燒爐、飛機(jī)播撒器等裝備、使用環(huán)境和流動(dòng)環(huán)節(jié)差異較大，實(shí)時(shí)性、快速性、安全性及準(zhǔn)確性的要求很高，人影業(yè)務(wù)各環(huán)節(jié)人員操作規(guī)范性和安全性至關(guān)重要，人影業(yè)務(wù)物聯(lián)網(wǎng)管理不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)物的識(shí)別管理還需將人員信息納入管理環(huán)節(jié)中。在人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中傳感器的布局和安裝、電磁干擾、操作安全性、采集快速性、傳輸準(zhǔn)確率等問題是人影物聯(lián)網(wǎng)能否成熟應(yīng)用的關(guān)鍵。

3人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案

人影物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，應(yīng)用層又可分為數(shù)據(jù)處理層和服務(wù)層，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。

3.1彈藥、裝備識(shí)別技術(shù)（感知層）

人工影響天氣業(yè)務(wù)中的彈藥安全管理需做到準(zhǔn)確、安全、方便、快速、信息易于傳輸，而且必須具體到彈藥個(gè)體。彈藥、裝備使用環(huán)節(jié)和環(huán)境不固定，包裝方式不同、包裝數(shù)量、類型也不不固定，給識(shí)別帶來(lái)困難。

目前廣泛應(yīng)用的識(shí)別技術(shù)包括一維、二維碼識(shí)別技術(shù)、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)。一維碼和二維碼信息容量有限，需要在視距范圍內(nèi)逐個(gè)讀取信息，識(shí)別效率低。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，信息容量大，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)產(chǎn)品編碼唯一，通過(guò)射頻信號(hào)同時(shí)自動(dòng)識(shí)別運(yùn)動(dòng)中的多個(gè)產(chǎn)品信息，識(shí)別效率高。條碼識(shí)別無(wú)法實(shí)現(xiàn)一個(gè)彈藥對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一條碼，需采用RFID識(shí)別，出廠時(shí)由生產(chǎn)廠家將EPC代碼標(biāo)簽即電子標(biāo)簽植入彈藥體內(nèi)，為彈藥建立唯一的身份代碼。

RFID識(shí)別技術(shù)包括RFID標(biāo)簽和讀寫器，分為有源識(shí)別和無(wú)源識(shí)別兩種模式。從彈藥安全方面考慮，采用無(wú)源標(biāo)簽僅在進(jìn)入讀寫器電場(chǎng)范圍內(nèi)才被動(dòng)感應(yīng)電場(chǎng)，獲得瞬時(shí)能量讀取芯片內(nèi)儲(chǔ)存信息，識(shí)別范圍小，對(duì)彈藥的安全威脅低。有源識(shí)別雖然識(shí)別距離遠(yuǎn)，但標(biāo)簽內(nèi)攜帶電池，價(jià)格貴，受到電池壽命制約，且一旦植入標(biāo)簽后，彈藥在儲(chǔ)存過(guò)程中始終處于標(biāo)簽發(fā)出的電磁場(chǎng)環(huán)境中，受電磁輻射影響較大，對(duì)彈藥安全構(gòu)成威脅。

3.2彈藥、裝備定位跟蹤技術(shù)（感知層）

彈藥、裝備使用的多個(gè)環(huán)節(jié)都處于移動(dòng)狀態(tài)，需進(jìn)行定位跟蹤， 在彈藥移動(dòng)各環(huán)節(jié)使用的設(shè)備上安裝定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)彈藥裝備定位跟蹤。

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS）是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，滿足位于全球任何地方連續(xù)精確的三維位置、三維運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的需要。使用用戶僅需配備GPS信號(hào)接收機(jī)，即可實(shí)時(shí)結(jié)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息，目前各種類型的接受機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，適合人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用。

3.3信息傳輸技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)層信息匯聚和傳輸）

人影系統(tǒng)中許多業(yè)務(wù)需要在沒有電力網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域進(jìn)行，使用環(huán)境復(fù)雜，條件簡(jiǎn)陋，完全利用廣域網(wǎng)或公共網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足人影業(yè)務(wù)需求，需要采用自組網(wǎng)和公共網(wǎng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)信息傳輸。人影業(yè)務(wù)中對(duì)彈藥和裝備的相關(guān)信息必須進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速采集，但對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求可以降低，只需確保數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。在山區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)等無(wú)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，運(yùn)用低功率UHF無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行小范圍近距離通信，全天候工作，實(shí)時(shí)將感知層的采集信息匯總到一起進(jìn)行儲(chǔ)存，再通過(guò)移動(dòng)通信在網(wǎng)絡(luò)覆蓋或網(wǎng)絡(luò)通暢時(shí)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)。

公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)有3G、GPRS。其中GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線服務(wù)）是一種基于GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。GPRS是目前我國(guó)廣泛應(yīng)用的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之一，覆蓋范圍廣，應(yīng)用成本低廉，模塊選擇種類繁多，技術(shù)成熟，模塊價(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單，雖然GPRS是作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演變的過(guò)渡技術(shù)，但是目前我國(guó)人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，比較適合采用GPRS技術(shù)，后期的等待3G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋時(shí)再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸升級(jí)。

3.4人影信息管理及作業(yè)指揮系統(tǒng)（應(yīng)用層技術(shù)）

人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用層技術(shù)包含對(duì)采集信息的分類存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)分析處理，安全威脅報(bào)警等信息處理類技術(shù)，以及作業(yè)預(yù)警指揮、專家系統(tǒng)等決策分析類技術(shù)。人影物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)合氣象監(jiān)測(cè)、GIS進(jìn)行作業(yè)預(yù)警及指揮的系統(tǒng)，采用B/S與C/S相結(jié)合模式，按照角色區(qū)分管理權(quán)限，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上人影信息安全共享，不僅能夠有效進(jìn)行作業(yè)預(yù)警及指揮，而且具有安全隱患預(yù)警能力，安全監(jiān)管彈藥，及時(shí)進(jìn)行防范。應(yīng)用層可以根據(jù)客戶使用要求不斷開發(fā)完善。

4人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用方案

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合我國(guó)人影業(yè)務(wù)系統(tǒng)具體情況，研究出人影物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，在彈藥使用環(huán)節(jié)中安裝相應(yīng)的感應(yīng)設(shè)備，在彈藥和裝備上安裝無(wú)源UHF RFID電子標(biāo)簽，裝載彈藥和裝備的詳細(xì)特征信息，實(shí)現(xiàn)彈藥和裝備的全程識(shí)別跟蹤管理。

人影彈藥流動(dòng)環(huán)節(jié)可簡(jiǎn)化為彈藥存儲(chǔ)、彈藥運(yùn)輸和彈藥發(fā)射使用三個(gè)過(guò)程。在這三個(gè)過(guò)程中安裝設(shè)備進(jìn)行識(shí)別跟蹤和信息采集即可完成彈藥全程跟蹤管理。

彈藥儲(chǔ)存庫(kù)房中安裝庫(kù)房管理控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括RFID讀寫器、GPRS、拍照系統(tǒng)，設(shè)置彈藥掃描區(qū)域，在合適位置安裝讀寫器，使彈藥在出入庫(kù)房門的過(guò)程中進(jìn)入掃描區(qū)域時(shí)，無(wú)需人為干預(yù)，讀寫器即可在30s內(nèi)一次性讀取200枚以內(nèi)數(shù)量的彈藥信息，快速儲(chǔ)存并上傳。操作過(guò)程中，系統(tǒng)將操作人員的信息自動(dòng)掃描并上傳，確保彈藥安全責(zé)任落實(shí)到人。

彈藥運(yùn)輸車輛上安裝彈藥運(yùn)輸跟蹤系統(tǒng)，跟蹤彈藥運(yùn)輸過(guò)程，運(yùn)輸跟蹤系統(tǒng)包括GPS、GPRS以及讀寫器，GPS記錄車輛行駛路線并通過(guò)GPRS實(shí)時(shí)上傳，車輛停止時(shí)，啟動(dòng)讀寫器掃描是否有彈藥離開車廂，若有彈藥離開車廂，識(shí)別離開車廂彈藥的信息并記錄車輛位置，上傳彈藥信息。運(yùn)輸跟蹤系統(tǒng)上傳信息還包含彈藥交接人員信息，確保彈藥交接的時(shí)間、位置和人員信息完整。

在火箭發(fā)射架、高炮炮架、地面燃燒爐等人影裝備上安裝彈藥點(diǎn)火控制及信息采集系統(tǒng)，控制彈藥點(diǎn)火發(fā)射的同時(shí)，通過(guò)RFID識(shí)別器自動(dòng)識(shí)別發(fā)射彈藥的電子信息，以及通過(guò)電子羅盤、GPS等采集彈藥發(fā)射的俯仰方位角、發(fā)射點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)、發(fā)射時(shí)間、及發(fā)射彈藥的電子信息。并通過(guò)GPRS實(shí)時(shí)上傳互聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)不僅完成了彈藥最后過(guò)程跟蹤，而且為人影作業(yè)指揮和效果評(píng)估積累數(shù)據(jù)。

信息采集上傳互聯(lián)網(wǎng)后，由人影物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)、結(jié)合專家系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等應(yīng)用軟件將實(shí)時(shí)采集的彈藥和裝備的信息進(jìn)行分析處理，顯示彈藥狀態(tài)，形成各類報(bào)表，為作業(yè)預(yù)警和作業(yè)指揮人員提供決策信息。實(shí)時(shí)盤點(diǎn)彈藥和裝備狀態(tài)，當(dāng)彈藥和裝備接近報(bào)廢日期時(shí)，報(bào)警提示管理人員先行使用將過(guò)期彈藥，或?qū)ρb備及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)。

5試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)人影物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行了模擬和實(shí)彈試驗(yàn)驗(yàn)證，共計(jì)進(jìn)行模擬彈藥出入庫(kù)500余次，點(diǎn)火頭模擬發(fā)射1500余次，模擬點(diǎn)火10000余次，實(shí)彈發(fā)射300余次，模擬運(yùn)輸1000km以上，數(shù)據(jù)采集和傳輸可靠，數(shù)據(jù)解析顯示正確。在貴州、新疆等地進(jìn)行安裝試用，共計(jì)出入庫(kù)200枚，實(shí)彈運(yùn)輸20枚，運(yùn)輸里程200km以上，進(jìn)行5、6次防雹作業(yè)，發(fā)射WR-98實(shí)彈200余枚，經(jīng)驗(yàn)證出入庫(kù)操作簡(jiǎn)便、運(yùn)輸跟蹤過(guò)程數(shù)據(jù)上傳連續(xù)，定位跟蹤準(zhǔn)確，發(fā)射成功率100%，滿足各種惡劣作業(yè)環(huán)境使用要求，防雹作業(yè)操作快速性要求，數(shù)據(jù)采集上傳準(zhǔn)確，服務(wù)應(yīng)用軟件界面友好，顯示清晰。圖2 是部分防雹作業(yè)上傳數(shù)據(jù)截圖。

6結(jié)語(yǔ)

本文中介紹的人影業(yè)務(wù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用成功，滿足實(shí)際使用要求，技術(shù)可行，系統(tǒng)可靠性高、使用方便，適用性強(qiáng)，具有較好的推廣應(yīng)用前景。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)滲透型技術(shù)，逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域及人們的日常生活中，人影物聯(lián)網(wǎng)尚處于起步階段，還需經(jīng)歷長(zhǎng)期的研究應(yīng)用過(guò)程，尤其對(duì)應(yīng)用層的不斷完善開發(fā)，才能使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為人影業(yè)務(wù)更好服務(wù)，提高人影科學(xué)化作業(yè)水平。

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作者簡(jiǎn)介： 陳軼敏（1972—），女，陜西西安人，高級(jí)工程師，主要從事人工影響天氣作業(yè)系統(tǒng)研究。