徐 強(qiáng), 焦金星, 李 進(jìn)
(1.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 訓(xùn)練部,江蘇 鎮(zhèn)江 212000; 2.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 裝備系,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)
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● 裝備保障 Equipment Support
無(wú)人艇技術(shù)研究及在邊海防勤務(wù)中的需求分析
徐 強(qiáng)1, 焦金星2, 李 進(jìn)2
(1.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 訓(xùn)練部,江蘇 鎮(zhèn)江 212000; 2.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 裝備系,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)
為加強(qiáng)邊海防船艇部隊(duì)建設(shè),提升邊海防偵查巡邏的效率,構(gòu)建以無(wú)人艇為補(bǔ)充的邊海防水面裝備體系是未來(lái)發(fā)展的重要方向。在分析國(guó)內(nèi)外無(wú)人艇技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合邊海防船艇實(shí)際任務(wù)需求,論證無(wú)人艇研制的必要性,針對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),提出環(huán)境感知技術(shù)、自主決策技術(shù)、航路規(guī)劃技術(shù)、船型優(yōu)化技術(shù)和布放回收技術(shù)等無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)。
無(wú)人艇;邊海防;勤務(wù)
無(wú)人艇即無(wú)人水面航行器,根據(jù)其智能化程度通??煞譃檫b控型無(wú)人艇、半自主型無(wú)人艇和全自主型無(wú)人艇[1]。無(wú)人艇集船舶設(shè)計(jì)、人工智能、信息處理、運(yùn)動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)技術(shù)為一體,研究?jī)?nèi)容涉及環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自主避障、導(dǎo)航技術(shù)、中央決策等多個(gè)方面,根據(jù)其作戰(zhàn)任務(wù)的不同,系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),通過(guò)匹配不同的傳感器和設(shè)備,執(zhí)行情報(bào)收集、偵察巡邏、掃雷、反潛、精確打擊、水文地理勘察、中繼通信等任務(wù)[2]。
近年來(lái),隨著智能技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷完善,其在無(wú)人艇上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與有人水面艇相比,無(wú)人艇具有機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、隱蔽性能好、使用成本低的特點(diǎn),在軍事領(lǐng)域應(yīng)用前景非常廣闊。以美國(guó)為代表的西方國(guó)家對(duì)無(wú)人艇的發(fā)展研究越來(lái)越重視。相較于外國(guó),我國(guó)對(duì)無(wú)人艇的研究和應(yīng)用起步較晚,技術(shù)上還有較大差距,因此,盡快研究論證適應(yīng)其使命任務(wù)的無(wú)人艇裝備迫在眉睫。
1.1 國(guó)外無(wú)人艇技術(shù)研究現(xiàn)狀[3]
美國(guó)是最早研究無(wú)人艇的國(guó)家之一,其無(wú)人艇技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。2007年美國(guó)頒布了《海軍無(wú)人水面艇主計(jì)劃》,系統(tǒng)規(guī)劃了美國(guó)未來(lái)無(wú)人水面艇的發(fā)展方向,其研發(fā)的多款無(wú)人艇大多已進(jìn)入性能測(cè)試階段,有的甚至已經(jīng)實(shí)際部署。其中比較典型的有“斯巴達(dá)偵察兵”無(wú)人艇,該艇長(zhǎng)11 m,載質(zhì)量1 350~2 250 kg,最高航速50 kn,該艇已經(jīng)被部署到美國(guó)海軍“葛底斯堡”艦艇上,用以執(zhí)行情報(bào)收集、偵察巡邏、精確打擊等任務(wù),并參加了海灣地區(qū)的“持久自由行動(dòng)”等作戰(zhàn)行動(dòng)。除此之外,美國(guó)西風(fēng)海事公司研制開(kāi)發(fā)的海狐系列無(wú)人艇“海狐MK1”“海狐MK2”也已經(jīng)在美國(guó)海軍服役,該艇主要任務(wù)有兩個(gè):一是對(duì)江河地區(qū)進(jìn)行作戰(zhàn)評(píng)估,二是保障遠(yuǎn)征部隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的安全。
以色列的無(wú)人艇技術(shù)研究水平與美國(guó)不相伯仲,得益于其成熟穩(wěn)定的無(wú)人機(jī)技術(shù)。以色列將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用到無(wú)人艇的研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中,取得了不錯(cuò)的效果,先后推出了多款型號(hào)的無(wú)人艇。其研發(fā)的“保護(hù)者”無(wú)人艇最為典型,該艇全長(zhǎng)11 m,載質(zhì)量1 000 kg,最高航速為40 kn,已部署以色列海軍,并出口到新加坡等國(guó)家。此外,其研究的“海貂魚(yú)”無(wú)人艇、“銀色馬林魚(yú)”無(wú)人艇也已經(jīng)在以色列海軍服役。
其他西方國(guó)家也對(duì)無(wú)人艇加大研究力度,取得了一些成果,比如法國(guó)的“檢察員”無(wú)人艇、英國(guó)的“衛(wèi)兵”無(wú)人艇、德國(guó)的“哨兵”無(wú)人艇、日本的UMV-H無(wú)人艇等都進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試,即將裝備到本國(guó)海軍服役。
1.2 國(guó)內(nèi)無(wú)人艇技術(shù)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)人艇的研究相較于國(guó)外而言起步比較晚,尚處于初級(jí)階段,主要是在國(guó)內(nèi)一些大學(xué)或企業(yè)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),如哈爾濱工程大學(xué)、上海大學(xué)等,隨著軍事和民用需求的牽引,近幾年無(wú)人艇的研究發(fā)展迅速,并取得階段性成果。
哈爾濱工程大學(xué)是研究無(wú)人艇技術(shù)比較早的大學(xué),其研究水平在國(guó)內(nèi)目前處于領(lǐng)先地位。2016年,在吉隆坡舉辦的亞洲防務(wù)展上,哈爾濱工程大學(xué)公開(kāi)亮相了一款高速無(wú)人艇,此艇是和中國(guó)保利集團(tuán)共同研制的最新成果,該無(wú)人艇長(zhǎng)13 m,寬4 m,吃水0.6 m,最高航速80 kn,配備高清攝像頭和三維雷達(dá)等傳感器,可在預(yù)先設(shè)定的航行路線(xiàn)上進(jìn)行定點(diǎn)巡邏,也可自主跟蹤水面目標(biāo)[4]。
上海大學(xué)無(wú)人艇研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān),研制開(kāi)發(fā)出精海系列無(wú)人艇,主要用于海洋測(cè)量:“精海1號(hào)”無(wú)人艇全長(zhǎng)6.28 m,設(shè)計(jì)吃水0.43 m,最高航速10 kn,續(xù)航力大于200 n mile,適用海況為4級(jí);“精海2號(hào)”無(wú)人艇全長(zhǎng)8.5 m,設(shè)計(jì)吃水0.52 m,最高航速12 kn,續(xù)航力200 n mile,適用海況為5級(jí),“精海2號(hào)”是“精海1號(hào)”的改進(jìn)型,優(yōu)化了導(dǎo)航和避障算法,提高了精度和安全性。
云洲智能科技有限公司在第四屆科博會(huì)上展示了兩款無(wú)人艇——車(chē)船一體無(wú)人艇、M80海洋測(cè)量無(wú)人艇。車(chē)船一體無(wú)人艇可以自動(dòng)布放回收無(wú)人艇,在執(zhí)行危險(xiǎn)或不適于有人船只工作時(shí)具有顯著的效果;M80海洋測(cè)量無(wú)人艇采用特殊船型設(shè)計(jì)(三體船型和刀鋒式船艏設(shè)計(jì)),使得航行更穩(wěn)、興波更小,M80海洋測(cè)量無(wú)人艇最大的亮點(diǎn)是全隱身設(shè)計(jì),在海浪高于0.5 m的情況下,雷達(dá)的有效反射面積僅為0.01 m2,可以在敏感水域進(jìn)行各種水文、氣象、水下地貌等海洋信息的收集,具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
邊海防船艇部隊(duì)是我軍的重要組成部分,是維護(hù)國(guó)家領(lǐng)土安全、擔(dān)負(fù)國(guó)家邊防安全保護(hù)的重要力量保證。當(dāng)前,外軍將無(wú)人艇技術(shù)應(yīng)用到軍事領(lǐng)域并且已發(fā)揮重要作用,而我國(guó)邊海防船艇部隊(duì)還沒(méi)有相應(yīng)的無(wú)人艇,因此,研制適合邊海防船艇部隊(duì)使命任務(wù)的無(wú)人艇,對(duì)于加強(qiáng)邊海防船艇部隊(duì)建設(shè),提升武器裝備配置具有重要現(xiàn)實(shí)意義[5]。
(1)無(wú)人艇將成為邊海防武器裝備的重要組成部分。我國(guó)是一個(gè)邊海防大國(guó),其中大陸海岸線(xiàn)長(zhǎng)1.8萬(wàn)余千米,廣闊的海岸線(xiàn)對(duì)邊海防的水上力量提出了較高的要求。目前,邊海防的偵察巡邏等任務(wù)一般是由有人水面船艇裝備執(zhí)行,面臨著任務(wù)重、效率低、保障難等問(wèn)題。研究以無(wú)人艇為補(bǔ)充的邊海防水面裝備成為未來(lái)的一個(gè)重要方向,以充分發(fā)揮無(wú)人艇無(wú)人化、高效率、高適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì),結(jié)合邊海防的實(shí)際情況完成賦予的使命任務(wù)。
(2)無(wú)人艇可有效遂行海情、水文氣象、海洋調(diào)查等多樣化軍事任務(wù)。邊防海島是我國(guó)海洋領(lǐng)土的重要組成部分,其特點(diǎn)是島嶼水域面積大、島嶼數(shù)量多。雖然部分邊防海島的海情、水文氣象可以通過(guò)地方獲得,但還不系統(tǒng)、不精確,考慮到獲取數(shù)據(jù)途徑比較復(fù)雜、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性低的情況,因此測(cè)量繪制適用邊防海島周邊水域海情、水文氣象數(shù)據(jù)顯得尤為重要。目前用于測(cè)量水文氣象的海洋測(cè)量船數(shù)量少,測(cè)量成本高,并不適應(yīng)邊海防實(shí)時(shí)測(cè)量、精確測(cè)量的要求,研究適應(yīng)邊海防海情、水文氣象測(cè)量的無(wú)人艇是未來(lái)一個(gè)發(fā)展方向。
(3)無(wú)人艇在高海拔、高寒復(fù)雜水域具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。我國(guó)的邊海防有一些地區(qū)氣候條件非常惡劣,人員工作生活非常艱苦,特別是高海拔、高寒地區(qū),比如新疆的班公湖、黑龍江的佳木斯、黑河等地區(qū)的水域,班公湖海拔高達(dá)4 242 m,黑河地區(qū)水域條件復(fù)雜,在這些條件下人員執(zhí)行邊防巡邏任務(wù)就顯得尤為困難,效率相對(duì)較低,采用無(wú)人艇代替有人船艇裝備進(jìn)行邊防巡邏執(zhí)勤是一個(gè)較為可行的方案。
(4)無(wú)人艇可大大提升邊海防偵察巡邏的全時(shí)全域性。邊防偵察巡邏包含兩個(gè)部分:一是沿海邊防巡邏,二是界江、界河、界湖的邊防巡邏。目前邊海防船艇部隊(duì)執(zhí)行偵察巡邏任務(wù)的船艇裝備主要是偵察艇和巡邏艇,在具體的偵察巡邏過(guò)程之中還存在許多問(wèn)題,具體表現(xiàn)為:邊海防岸線(xiàn)長(zhǎng)、水域情況復(fù)雜,執(zhí)行任務(wù)的效果不能得到保證,比如全天候、全水域不間斷偵察巡邏難以實(shí)現(xiàn);由于執(zhí)行任務(wù)水域情況比較復(fù)雜,偵察巡邏艇無(wú)法到達(dá)某些特定區(qū)域執(zhí)行任務(wù);靠近鄰國(guó)邊界水域的水文環(huán)境、情報(bào)收集等資料還需要進(jìn)一步完善;目前的偵察巡邏艇造價(jià)比較高,一艘偵察艇或者巡邏艇通常造價(jià)都要幾百萬(wàn)人民幣,同時(shí)需要較多的專(zhuān)業(yè)操作人員,性?xún)r(jià)比不高。因此,研制解決上述問(wèn)題的無(wú)人艇迫在眉睫。
(1)功能系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)更加注重模塊化。為增強(qiáng)無(wú)人艇功能多樣性,對(duì)無(wú)人艇系統(tǒng)、控制結(jié)構(gòu)實(shí)行模塊化設(shè)計(jì),根據(jù)任務(wù)劃分不同的功能模塊,通過(guò)匹配功能模塊完成相應(yīng)的任務(wù)。加快系統(tǒng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化技術(shù)研發(fā)進(jìn)度并且有效控制研發(fā)成本,降低設(shè)備維修的難度。無(wú)人艇在未來(lái)也將一直保持這個(gè)設(shè)計(jì)研發(fā)特點(diǎn),但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化的同時(shí)要確保系統(tǒng)性能的高可靠性、高穩(wěn)定性,使無(wú)人艇達(dá)到最大的使用效果。
(2)無(wú)人艇作戰(zhàn)體系趨向網(wǎng)絡(luò)化。體系化作戰(zhàn)是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì),基于無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的體系化作戰(zhàn)是未來(lái)取勝的重要手段。通過(guò)作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇與其他無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn),才能充分挖掘無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的最大潛能,發(fā)揮體系作戰(zhàn)的最大威力。從技術(shù)層面講,無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),配備相同標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸接口。在研發(fā)無(wú)人艇過(guò)程中,要充分考慮無(wú)人艇和其他無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)無(wú)縫連接,共享網(wǎng)絡(luò)中其他無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的各種信息數(shù)據(jù),形成一個(gè)整體,從而達(dá)到一體化作戰(zhàn)的效果。美國(guó)等西方國(guó)家對(duì)此已開(kāi)展相關(guān)研究工作。
(3)艇體更加注重隱身性能。隱身性是無(wú)人艇的重要性能指標(biāo)之一,是無(wú)人艇在戰(zhàn)場(chǎng)生存的關(guān)鍵。國(guó)外提高船艇隱身性的研究主要集中在優(yōu)化艇體設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)艇體新材料等方面,從而最大程度地降低雷達(dá)和紅外設(shè)備監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的概率。比如以色列的“保護(hù)者”無(wú)人艇在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮了隱身性能,采用具有雷達(dá)吸波功能的材料制造艇身,小角度傾斜上層建筑和舷側(cè)以減小雷達(dá)有效反射面積[6]。
(4)續(xù)航能力不斷提升。無(wú)人艇執(zhí)行某些特定任務(wù)比如巡邏、返潛跟蹤等,對(duì)續(xù)航能力提出了較高的要求。在提高無(wú)人艇續(xù)航能力方面,國(guó)外主要從能源技術(shù)角度著手,如利用轉(zhuǎn)換器將熱電、熱離子和熱光電子轉(zhuǎn)化為先進(jìn)熱機(jī)能量,以產(chǎn)生比現(xiàn)有非核裝置所能達(dá)到的更高能量密度的混合能量系統(tǒng)[7]。國(guó)內(nèi)對(duì)以光能、風(fēng)能、電能、波浪能等復(fù)合能源系統(tǒng)也展開(kāi)了相關(guān)的研究。
無(wú)人艇應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域非常廣泛,除了傳統(tǒng)船舶技術(shù),還涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),如環(huán)境感知技術(shù)、自主決策技術(shù)等,甚至還涉及比較熱門(mén)的物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)。根據(jù)邊海防使命任務(wù)要求,結(jié)合國(guó)內(nèi)外無(wú)人艇技術(shù)研究現(xiàn)狀,下一步邊海防無(wú)人艇的研制涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面。
(1)環(huán)境感知技術(shù)。環(huán)境感知是基于多傳感器綜合探知外部環(huán)境信息的一個(gè)過(guò)程,環(huán)境感知技術(shù)是無(wú)人艇自主航行的關(guān)鍵技術(shù)之一。無(wú)人艇在執(zhí)行任務(wù)的水域航行時(shí),風(fēng)浪水流對(duì)其影響較大,尤其在惡劣環(huán)境船體顛簸的情況下,對(duì)水岸線(xiàn)(水天線(xiàn))檢測(cè)、水面浮標(biāo)識(shí)別、障礙物跟蹤等困難重重,這就需要展開(kāi)環(huán)境感知技術(shù)研究,比如圖像預(yù)處理、濾波、邊緣增強(qiáng)、障礙物檢測(cè)等,以及動(dòng)態(tài)背景和低信噪比條件下的目標(biāo)檢測(cè)方法研究,對(duì)多傳感器信息進(jìn)行融合處理,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤、檢測(cè)、識(shí)別與軌跡預(yù)測(cè)。
(2)自主決策技術(shù)。 為提升無(wú)人艇的智能化水平,同時(shí)拓展多艘無(wú)人艇協(xié)同作戰(zhàn)能力,對(duì)無(wú)人艇的自主決策能力提出了較高的要求,從而確保無(wú)人艇在獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中能處理各種情況。自主決策就是一個(gè)多傳感器信息綜合處理的過(guò)程,基于多傳感器信息融合的自主決策是無(wú)人艇實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)。
(3)航路規(guī)劃技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的自主航行,航路規(guī)劃技術(shù)是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一,基于電子海圖和給定航路約束點(diǎn)情況下,無(wú)人艇需要自主規(guī)劃出一條符合一定原則和約束條件的最優(yōu)路徑,采用在線(xiàn)規(guī)劃時(shí)還需滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求,此外,無(wú)人艇還要解決在動(dòng)態(tài)目標(biāo)威脅下的局部避碰規(guī)劃問(wèn)題。
(4)船型優(yōu)化技術(shù)。船型技術(shù)是提升船艇快速性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù),目前國(guó)外無(wú)人艇的船型主要是半潛式船型、常規(guī)滑行船型、水翼型船型等:半潛式無(wú)人艇的特點(diǎn)是船體大部分在水面以下,和常規(guī)船艇相比,其穩(wěn)定性較高,船體興波阻力較小,但航速較慢,通常在25 kn以下;常規(guī)滑行無(wú)人艇采用的是V型、深V型或者M(jìn)型,綜合性能好,航速一般超過(guò)20 kn,但船體對(duì)負(fù)載分布要求較高,因此其穩(wěn)定性較差;水翼型無(wú)人艇相較于上面兩種船型其阻力最小,適航性最高,是一種比較穩(wěn)定的無(wú)人艇,但其缺點(diǎn)也很明顯,就是性?xún)r(jià)比不高,同時(shí)拖拽難度比較大。還有一些其他的船型,包括純排水型船型、穿浪型船型、多體船型等,只適合特定需求,比如美國(guó)在研的一款反潛持續(xù)跟蹤無(wú)人艇,為實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的航速和任務(wù)需求采用了三體船。
(5)布放回收技術(shù)。無(wú)人艇能否安全布放回收是實(shí)現(xiàn)其價(jià)值的關(guān)鍵。目前國(guó)外采用的技術(shù)通常是依托母艦上現(xiàn)有的吊艇架和坡道對(duì)無(wú)人艇進(jìn)行布放回收,這種方式在低航速、低海況的情況下非常適用,但在布放回收的過(guò)程中需要有人全程參與,因此,其時(shí)間較長(zhǎng),安全系數(shù)較低,需要人員具備專(zhuān)業(yè)的布放回收經(jīng)驗(yàn)。在布放回收技術(shù)領(lǐng)域,美國(guó)的水平最高,發(fā)展最快。為解決技術(shù)難題,美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)了助力拖拽吊艙、自動(dòng)導(dǎo)引鉤錨系統(tǒng)用于輔助人力進(jìn)行無(wú)人艇回收,大大提高了效率和安全系數(shù)。另外針對(duì)高航速、高海況下無(wú)人艇布放回收難的問(wèn)題,美國(guó)密歇根州航空公司通過(guò)技術(shù)攻關(guān),研制了一款近海戰(zhàn)斗艦充氣式布放回收系統(tǒng),很好地解決了這一難題。
鑒于無(wú)人艇在軍用方面展現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢(shì),無(wú)人艇在邊海防執(zhí)勤中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著通信技術(shù)、人工智能等新技術(shù)、新理念的迅速發(fā)展,為研究適應(yīng)邊海防任務(wù)的無(wú)人艇提供了科技支撐。本文對(duì)邊海防無(wú)人艇技術(shù)進(jìn)行初步探索,可為下一步研究提供參考依據(jù)。
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(編輯:孫協(xié)勝)
Unmanned Surface Vehicle Technology and Requirement in Border and Coastal Defense Service
XU Qiang1, JIAO Jinxing2, LI Jin2
(1.Training Division, Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212000, China; 2.Equipment Department, Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212000, China)
To strengthen the construction of border and coastal defense boats and promote the efficiency of border and coastal defense investigation logic, the paper establishes border and coastal defense surface vehicle with unmanned surface vehicle as supplement. After analyzing the status of unmanned surface vehicle technology at home and abroad, it proves the necessity of developing unmanned surface vehicle according the actual mission requirements of border and coastal defense boats. Considering future development trend, it also presents some key technologies, such as environment perception, independent decision-making, path planning, ship form optimization, and deploying and recovering technology.
unmanned surface vehicle; border and coastal defense; service
2017-03-01;
2017-04-19.
徐 強(qiáng)(1973—),男,碩士,副部長(zhǎng).
10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.06.006
E246
A
1674-2192(2017)06- 0021- 04
軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)2017年6期