基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集裝化軍事運(yùn)輸智能感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 海，許宗燕，劉國(guó)清

(軍事交通學(xué)院 聯(lián)合投送系，天津 300161)

● 軍事物流 Military Logistics

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集裝化軍事運(yùn)輸智能感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 海，許宗燕，劉國(guó)清

(軍事交通學(xué)院 聯(lián)合投送系，天津 300161)

在集裝化軍事運(yùn)輸全過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱位置、物資基本數(shù)據(jù)信息以及箱體內(nèi)部物資狀態(tài)情況的實(shí)時(shí)智能感知、準(zhǔn)確預(yù)警和高效掌控，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集裝化軍事運(yùn)輸智能感知系統(tǒng)，分析該系統(tǒng)的功能需求，提出采用3層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要的智能設(shè)備，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行深入剖析。

集裝化；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能感知；信息融合；自動(dòng)識(shí)別

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)各種信息傳感設(shè)備和智能識(shí)別、運(yùn)算設(shè)備，按約定的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)測(cè)、管理和操作的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。在集裝化軍事運(yùn)輸信息管理方面，可以利用物聯(lián)網(wǎng)的幾個(gè)核心技術(shù)，如自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、智能感知技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)等，建立一套切實(shí)可行的集裝化軍事運(yùn)輸智能感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集裝物資數(shù)據(jù)信息快速自動(dòng)獲取、集裝裝備和器具的位置動(dòng)態(tài)跟蹤以及箱內(nèi)物資的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)物資保障一體化、信息化、智能化和精確化管理，提高物資投送全過(guò)程的作業(yè)效率。

1 系統(tǒng)的體系架構(gòu)

集裝化軍事運(yùn)輸智能感知系統(tǒng)采用3層體系結(jié)構(gòu)，自下而上包括智能感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層(如圖1所示)，各層具有各自的功能和特點(diǎn)。智能感知層由各種信息傳感設(shè)備通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)集裝箱體、運(yùn)載工具、集裝設(shè)備、集裝物資等狀態(tài)、位置等信息的自動(dòng)采集和控制；網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括“北斗”衛(wèi)星通信模塊、軍用CDMA網(wǎng)絡(luò)和綜合信息網(wǎng)，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間、通信設(shè)備之間、信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)高效傳輸和安全交換，為系統(tǒng)順利運(yùn)轉(zhuǎn)提供可靠的網(wǎng)絡(luò)通信支撐；應(yīng)用服務(wù)層包括服務(wù)器程序和各種用戶各類終端的應(yīng)用軟件，主要為各級(jí)用戶、多種終端提供信息處理、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等各類業(yè)務(wù)功能和操控界面。

圖1 集裝化軍事運(yùn)輸智能感知系統(tǒng)體系架構(gòu)

2 系統(tǒng)的功能需求分析

圍繞集裝化軍事運(yùn)輸這一核心職能任務(wù)，構(gòu)建鐵、公、水等3種運(yùn)輸方式綜合運(yùn)用，裝載、運(yùn)輸、卸載各環(huán)節(jié)無(wú)縫銜接的智能感知系統(tǒng)。以集裝箱箱體本身為核心，通過(guò)一系列的導(dǎo)航定位、信息通信、智能感知、自動(dòng)識(shí)別等軟、硬件設(shè)備，對(duì)可用的空箱情況、在運(yùn)的集裝箱位置、物資基本數(shù)據(jù)信息以及箱體內(nèi)部物資狀態(tài)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、預(yù)警、掌控。集裝化軍事運(yùn)輸途中的監(jiān)控需求主要有4個(gè)方面(如圖2所示)：一是集裝箱體的唯一識(shí)別編碼(WHO)；二是集裝箱在運(yùn)途中所處的當(dāng)前位置(WHERE)；三是集裝箱內(nèi)在運(yùn)物資的基本數(shù)據(jù)信息，包括在運(yùn)什么物資(WHAT)、有多少數(shù)量(HOW MANY)、發(fā)送方是誰(shuí)(WHOSE)、接收方是誰(shuí)(WHOSE)等；四是集裝箱內(nèi)的在運(yùn)物資實(shí)時(shí)狀態(tài)如何(HOW)。這“5W2H”的監(jiān)控需求涵蓋了集裝化軍事運(yùn)輸?shù)闹饕枨?，需要綜合運(yùn)用WSN、智能傳感器、自動(dòng)識(shí)別、條形碼、RFID、GPS、“北斗”衛(wèi)星、GIS、UID/TID等技術(shù)。

圖2 集裝化運(yùn)輸途中主要監(jiān)控需求

3 系統(tǒng)各部分設(shè)備的需求分析

圍繞實(shí)現(xiàn)集裝化軍事運(yùn)輸全要素、全流程信息管理的感知監(jiān)控，綜合運(yùn)用條形碼技術(shù)、RFID技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、圖像感知技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及相關(guān)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在智能感知系統(tǒng)中需要使用到以下一些智能感知設(shè)備。

3.1 集裝箱傳感定位設(shè)備

研制一個(gè)整合RFID標(biāo)簽、防開箱盜竊模塊、“北斗”衛(wèi)星定位模塊的信息存取和檢測(cè)設(shè)備，以及軍用CDMA模塊(或“北斗”短報(bào)文模塊)的通信盒，可以安裝在每個(gè)集裝箱門里側(cè)位置(如圖3所示)。集成的信息存取和檢測(cè)設(shè)備以及通信盒都會(huì)采用一種反暴力強(qiáng)行拆解報(bào)警的關(guān)鍵技術(shù)，一旦發(fā)生對(duì)設(shè)備的暴力拆解，將及時(shí)主動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息至監(jiān)控中心；同時(shí)，在每個(gè)集裝箱頂部安裝一個(gè)RFID讀寫器天線，輔助讀寫RFID標(biāo)簽信息[2]。使用固定閱讀器或者手持閱讀器對(duì)每個(gè)集裝箱車門上的RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行閱讀，獲取集裝箱內(nèi)裝運(yùn)物資的基本信息，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如發(fā)現(xiàn)意外情況，可以通過(guò)查看閱讀器里的計(jì)時(shí)器來(lái)推斷狀態(tài)改變的準(zhǔn)確時(shí)間和地點(diǎn)，從而為挽回?fù)p失提供有力證據(jù)。一旦集裝箱在運(yùn)輸途中被非法開啟時(shí)，防開箱盜竊模塊的磁感應(yīng)裝置將檢測(cè)到此類情況，及時(shí)通過(guò)通信裝置將報(bào)警信息發(fā)送到押運(yùn)人員手持終端和指控中心，指控中心可以通過(guò)“北斗”衛(wèi)星定位模塊，實(shí)時(shí)獲取軍事運(yùn)輸全過(guò)程中集裝箱的當(dāng)前位置情況。

圖3 傳感定位設(shè)備在集裝箱上的應(yīng)用

3.2 基地化智能感知設(shè)備

基地化智能感知設(shè)備主要是在硬件設(shè)施比較完善且可以提供長(zhǎng)期供電的倉(cāng)庫(kù)、投送基地、重要場(chǎng)站、港口碼頭等關(guān)鍵站點(diǎn)環(huán)境中進(jìn)行設(shè)置。一種是射頻識(shí)別設(shè)備，包括固定式射頻讀寫器和手持式射頻讀寫器。其中：固定式射頻讀寫器，可以依托地形環(huán)境在后方倉(cāng)庫(kù)、場(chǎng)站、重要港口碼頭的進(jìn)出口位置進(jìn)行設(shè)置，識(shí)讀過(guò)往車輛的RFID標(biāo)簽，并上報(bào)至相關(guān)業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)；手持式射頻讀寫器，可用于物資裝卸載現(xiàn)場(chǎng)、將物資基本信息寫入RFID電子標(biāo)簽，之后隨時(shí)隨地可通過(guò)手持式射頻讀寫器從RFID電子標(biāo)簽中讀取出物資的基本信息。另一種是現(xiàn)場(chǎng)信息采集設(shè)備，包含有氣象采集終端、音視頻采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣象溫度、濕度和風(fēng)速，以及圖像信息和音頻信息等的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集，并依托采集現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)匯總處理的機(jī)構(gòu)。

六是資金支持因素。有利面是黨和國(guó)家十分重視水利建設(shè)，多年來(lái)對(duì)水工程建設(shè)持續(xù)投入，水資源配置格局和防洪減災(zāi)體系基本建立。不利面是水利投入穩(wěn)定增長(zhǎng)機(jī)制尚未建立，長(zhǎng)期存在較大投資缺口，水利資金配置合理性有待論證。

3.3 在運(yùn)物資狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)設(shè)備

研制一種集成多種感知元器件可監(jiān)控箱內(nèi)溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、加速度等狀態(tài)的集裝箱傳感射頻識(shí)別設(shè)備，滿足對(duì)諸如軍械彈藥、藥品、野戰(zhàn)食品、被服、精密設(shè)備等一系列重要、易損、易燃、易爆危險(xiǎn)等物資器材的集裝箱內(nèi)在運(yùn)物資狀態(tài)的全感知需求(如圖4所示)。在研制實(shí)現(xiàn)上述功能的傳感射頻識(shí)別設(shè)備過(guò)程中，重點(diǎn)還要解決通用集裝箱箱內(nèi)傳感器采集數(shù)據(jù)后傳輸?shù)慕饘倨帘螁?wèn)題、多傳感器集成問(wèn)題以及在集裝箱上無(wú)損、穩(wěn)固安裝等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

圖4 在運(yùn)物資狀態(tài)智能檢測(cè)設(shè)備在集裝箱內(nèi)的應(yīng)用

3.4 便攜式自動(dòng)識(shí)別作業(yè)箱

研制一套便攜式自動(dòng)識(shí)別作業(yè)箱，重點(diǎn)是研制手持式自動(dòng)識(shí)別讀寫器(含設(shè)備內(nèi)軟件)和便攜式自動(dòng)識(shí)別作業(yè)箱(含箱內(nèi)硬件設(shè)備及相關(guān)站點(diǎn)業(yè)務(wù)軟件等)。利用便攜式自動(dòng)識(shí)別作業(yè)箱，可快速開設(shè)自動(dòng)識(shí)別臨時(shí)站點(diǎn)，在平時(shí)及野戰(zhàn)條件下，對(duì)物資器材裝卸載點(diǎn)、車站、運(yùn)輸途中港口、岸灘、野戰(zhàn)貨場(chǎng)等節(jié)點(diǎn)的物資條碼、射頻識(shí)別和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集，結(jié)合站點(diǎn)業(yè)務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸途中及野戰(zhàn)貨場(chǎng)中物資器材的收發(fā)管供、盤點(diǎn)、查找、快速裝卸、托盤及集裝箱拼箱和拆箱等業(yè)務(wù)的自動(dòng)化管理，提高平、戰(zhàn)時(shí)物資器材的保障能力。

4 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與研究

集裝化軍事運(yùn)輸智能感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，離不開物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)的支撐。以下技術(shù)有的是成熟技術(shù)的應(yīng)用，有的是現(xiàn)有技術(shù)的融合，還有的是新技術(shù)的研究。

4.1 雙頻有源射頻識(shí)別技術(shù)

自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的重要手段和方法，在集裝箱上可以安裝雙頻有源射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[3]的設(shè)備，是為了有效地識(shí)別集裝箱和在運(yùn)物資的數(shù)據(jù)信息。鑒于軍用物資集裝化物資保障的特殊性需要，因此采用的雙頻有源射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)必須能夠適應(yīng)其特殊的工作環(huán)境。首先，由于集裝箱流通速度較快、流轉(zhuǎn)頻率高，集裝箱信息和在運(yùn)物資信息，必須能夠在較高速運(yùn)輸途中訪問(wèn)、遠(yuǎn)距離獲取，實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別在運(yùn)集裝物資的流向、流量，要求讀寫設(shè)備必須滿足識(shí)別速度高、讀寫距離遠(yuǎn)、準(zhǔn)確度高的各項(xiàng)要求；其次，軍事物資集裝化運(yùn)輸過(guò)程中涉及到的部門較多、流程較復(fù)雜，集裝箱上安裝的信息載體，既要存儲(chǔ)相應(yīng)的物資信息，還要存儲(chǔ)必要的運(yùn)輸信息，因此要求信息載體的存儲(chǔ)容量要大；再次，在野戰(zhàn)貨場(chǎng)這種特殊的環(huán)境下，由于集裝箱數(shù)量眾多、物資種類多樣，通常會(huì)因大量集裝箱堆疊在一起造成標(biāo)識(shí)不清，物資很難實(shí)施查找定位，更難以實(shí)現(xiàn)調(diào)撥分發(fā)等情況，因此，系統(tǒng)還需要具備快速查找和精確定位功能；最后，軍事物資集裝化物資保障過(guò)程中的鐵路站點(diǎn)、公路貨場(chǎng)、港口碼頭等地自然環(huán)境較為惡劣，而且基本是全天候作業(yè)，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)(包括工作溫度、貯存溫度、濕熱、太陽(yáng)輻射、淋雨、鹽霧等)應(yīng)符合國(guó)軍標(biāo)的有關(guān)要求。集裝化在運(yùn)環(huán)節(jié)射頻識(shí)別技術(shù)擬采用雙頻RFID[4]，低頻有效識(shí)別覆蓋范圍為0～7 m，高頻有效識(shí)別覆蓋范圍為0～80 m，有效識(shí)別車速超過(guò)80 km/h，主要用于物資裝載、運(yùn)輸、卸載、轉(zhuǎn)運(yùn)、分發(fā)過(guò)程的信息自動(dòng)采集和處理。

4.2 多傳感器信息融合技術(shù)

集裝化運(yùn)輸在軍事應(yīng)用中，涉及到集裝箱體、物資、裝備、設(shè)備、環(huán)境等眾多感知對(duì)象，不同的對(duì)象數(shù)量眾多、種類繁雜，需要綜合運(yùn)用光學(xué)識(shí)別(一維條形碼、二維條形碼)、射頻識(shí)別(無(wú)源高頻、無(wú)源超高頻、有源高頻、有源低頻、智能有源標(biāo)簽)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPS定位、“北斗”衛(wèi)星定位、音視頻信息、智能傳感等多種感知手段，絕大數(shù)情況下，不同的感知對(duì)象采用一種或者多種感知技術(shù)才能完成智能感知識(shí)別的需求。但單個(gè)傳感器獲得的信息非常有限，多傳感器信息融合可以獲得更全面、更準(zhǔn)確的周圍環(huán)境信息，彌補(bǔ)單一傳感器獲取信息的片面性及局部性[5]。如何將多種智能感知技術(shù)融合為一個(gè)整體，提供構(gòu)建出一個(gè)實(shí)效性很強(qiáng)的，從時(shí)域、空域、地域全方位一體化智能感知平臺(tái)，是集裝化保障感知層實(shí)用化的技術(shù)難點(diǎn)和共性關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.3 “北斗”衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)[6]是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并能向有更高要求的授權(quán)用戶提供進(jìn)一步服務(wù)，軍用與民用目的兼具。中國(guó)在2003年完成了具有區(qū)域?qū)Ш焦δ艿摹氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，之后開始構(gòu)建服務(wù)全球的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于2012年起向亞太大部分地區(qū)正式提供服務(wù)，并計(jì)劃至2020年完成全球系統(tǒng)的構(gòu)建。“北斗”衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)在物資配送過(guò)程中的應(yīng)用，主要有導(dǎo)航定位、配送路線規(guī)劃、信息查詢、數(shù)據(jù)通信等方面。

4.4 軍用無(wú)線傳輸?shù)木C合應(yīng)用技術(shù)

在集裝化軍事運(yùn)輸?shù)娜^(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸動(dòng)態(tài)信息掌控，需要將在運(yùn)物資狀態(tài)和位置實(shí)時(shí)信息傳輸給運(yùn)輸投送部門。為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境下的信息傳輸，擬采用最新的“‘北斗’二代RDSS + 軍用CDMA”復(fù)合軍用無(wú)線傳輸終端模塊，以保證復(fù)雜環(huán)境下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中至少有一種無(wú)線傳輸手段暢通[7]。

平時(shí)，在有CDMA基站覆蓋的區(qū)域，使用軍用CDMA通信服務(wù)完成軍交運(yùn)輸任務(wù)的上傳和下達(dá)；在沒(méi)有CDMA基站覆蓋的區(qū)域，使用“北斗”二代RDSS的短報(bào)文和位置報(bào)告等服務(wù)，配合顯控單元一起完成短信的接收、顯示、編輯、發(fā)送與存儲(chǔ)。戰(zhàn)時(shí)，在有CDMA基站覆蓋并且地面通信網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有被敵人摧毀的情況下，使用軍用CDMA通信服務(wù)完成軍交運(yùn)輸任務(wù)的上傳和下達(dá)；在無(wú)CDMA基站覆蓋或地面通信網(wǎng)絡(luò)被摧毀的情況下，使用“北斗”二代RDSS實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)軍交運(yùn)輸應(yīng)急通信保障。

此外，在利用軍用CDMA通信的情況下，也需要利用3G信道，傳輸運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)視頻信息到有關(guān)物流中心，實(shí)現(xiàn)重要裝卸載現(xiàn)場(chǎng)的可視化。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，集裝化軍事運(yùn)輸在我軍軍事交通運(yùn)輸領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，逐漸成為我軍現(xiàn)代軍事物流中一個(gè)極其重要的運(yùn)輸力量。本文在對(duì)實(shí)際需求分析的基礎(chǔ)上，初步設(shè)計(jì)出一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集裝化軍事運(yùn)輸智能感知系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)集裝箱位置、物資基本數(shù)據(jù)信息以及箱體內(nèi)部物資狀態(tài)情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)智能感知、準(zhǔn)確預(yù)警和高效掌控；同時(shí)，也可以為集裝化軍事運(yùn)輸智能感知系統(tǒng)的深入研究，提供一定的基礎(chǔ)理論研究成果。

[1] 海濤，陶虎，林波，等.基于物聯(lián)網(wǎng)智能感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013,30(7):103-108.

[2] 劉林.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用在公路集裝箱物流運(yùn)輸中的探索[J].科技風(fēng)，2012 (24):36-36.

[3] 張力強(qiáng).雙頻RFID在軍事物資定位管理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].科技傳播，2013(12):156-158.

[4] 劉珍夢(mèng).集裝箱箱體無(wú)線遠(yuǎn)程標(biāo)簽的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué)，2010.

[5] 謝振南.多傳感器信息融合技術(shù)研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

[6] 沈緒明.北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)在我國(guó)物流運(yùn)輸發(fā)展中的重要作用[J].物流技術(shù)(裝備版)，2014(2):12-14

[7] 王飛.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線傳輸系統(tǒng)研究[D].太原:中北大學(xué)，2012.

(編輯：史海英)

Design of Intelligent Perception System in Containerized Military Transportation Based on IOT Technology

WANG Hai, XU Zongyan, LIU Guoqing

(Joint Projection Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To realize real-time intelligent perception, precise pre-warning and efficient control of container’s position, material’s basic data information and status in container during the process of containerized military transportation, the paper establishes an intelligent perception system in containerized military transportation based on IOT (Internet of Things) technology and analyzes its functional requirements, and proposes designing the main intelligent device with three-layer architecture and deeply analyzing the key-technology application.

containerization; IOT (Internet of Things) technology; intelligent perception; information fusion; automatic identification

2016-03-07；

2016-06-18．

王 海(1978—)，男，碩士，講師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.02.015

E234

A

1674-2192(2017)02- 0060- 04