復(fù)雜環(huán)境信息感知與交互技術(shù)研究

陳儉新 潘文濤 李冠峰

摘 要 對(duì)艦船復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行分析，結(jié)合系統(tǒng)各設(shè)備間的通信需求，調(diào)研船體艙室、掛載區(qū)電磁環(huán)境及可使用的無(wú)線通信方式和頻段，并調(diào)研船上危險(xiǎn)區(qū)域?qū)o(wú)線通信方式的影響。根據(jù)上述使用環(huán)境的調(diào)研，提出基于某物資保障系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，掌握物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線交互技術(shù);并搭建了一套無(wú)線通信平臺(tái)，對(duì)所提出的技術(shù)方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞 復(fù)雜環(huán)境;物資保障;信息交互

Analyzed complex electromagnetic environment of the ship， combined the requirements of the system equipment， we researched the frequencies of wireless technologies， the influence of wireless communication exerted. Then we investigated the availability of wireless communication and frequencies. According to the researches above， we came up with a wireless communication solution on ship， we study the key technologies of wireless network and handled the IOT wireless interactive technologies. A set of wireless communication platform is built to verify the feasibility of the proposed technical scheme.

Key Words Complex Electromagnetic Environment; Material Management; Wireless Communication

引言

現(xiàn)有某型號(hào)物資保障系統(tǒng)，在特種物資轉(zhuǎn)運(yùn)上已能夠完成管理調(diào)度設(shè)施軟件和升降機(jī)、保障人員的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了物資轉(zhuǎn)運(yùn)的信息化。但隨著裝備信息化、智能化的發(fā)展，系統(tǒng)工程對(duì)單個(gè)設(shè)備的信息需求越來(lái)越強(qiáng)烈。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備互聯(lián)互通是整體協(xié)調(diào)的關(guān)鍵，對(duì)于某物資保障系統(tǒng)，參與主要對(duì)象包括：特種物資、轉(zhuǎn)運(yùn)車、人員等，保障過(guò)程中，調(diào)度員在調(diào)度室負(fù)責(zé)整體調(diào)度，然而由于沒(méi)有信息互聯(lián)手段，導(dǎo)致調(diào)度員無(wú)法獲取每輛車的實(shí)時(shí)位置，無(wú)法快速獲取每批特種物資實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)狀態(tài)，導(dǎo)致無(wú)法快速有效調(diào)度。

為了進(jìn)一步提高物資轉(zhuǎn)運(yùn)效率，實(shí)現(xiàn)特種物資轉(zhuǎn)運(yùn)的靈活可調(diào)，就必須對(duì)保障過(guò)程的最新狀態(tài)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確獲取。本文對(duì)艦船復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行分析，結(jié)合系統(tǒng)各設(shè)備間的通信需求，調(diào)研物資保障工作區(qū)域可使用的無(wú)線通信方式和頻段。根據(jù)上述使用環(huán)境的調(diào)研，選擇適合的無(wú)線通信方式，結(jié)合系統(tǒng)通信需求，自主開發(fā)基于物聯(lián)無(wú)線通信的調(diào)度軟件和轉(zhuǎn)運(yùn)車控制軟件，掌握物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線交互技術(shù)。

1研究?jī)?nèi)容

復(fù)雜環(huán)境信息感知與交互技術(shù)研究包括：無(wú)線通信需求調(diào)研、復(fù)雜電磁環(huán)境和危險(xiǎn)區(qū)域通信環(huán)境分析、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)研究四個(gè)部分，其中，無(wú)線通信需求調(diào)研為隱含的研究?jī)?nèi)容。

相關(guān)研究?jī)?nèi)容如下：

（1）無(wú)線通信需求分析：分析物資保障過(guò)程無(wú)線通信需覆蓋區(qū)域;梳理了控制與車輛之間、車輛與車輛之間的報(bào)文信息，根據(jù)業(yè)務(wù)需求統(tǒng)計(jì)出無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)所需數(shù)據(jù)量，以上分析結(jié)果對(duì)后期無(wú)線通信方式的選擇具有指導(dǎo)意義;

（2）復(fù)雜電磁環(huán)境和危險(xiǎn)區(qū)域通信環(huán)境分析：對(duì)艦船復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行分析，結(jié)合系統(tǒng)各設(shè)備間的通信需求，調(diào)研保障區(qū)域電磁環(huán)境及可使用的無(wú)線通信方式和頻段，并調(diào)研相關(guān)危險(xiǎn)區(qū)域?qū)o(wú)線通信方式的影響;

（3）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究：調(diào)研了工業(yè)上主流的無(wú)線局域網(wǎng)方案，對(duì)各通信方式使用場(chǎng)景、通信頻率、數(shù)據(jù)量等方面進(jìn)行了比較。隨后對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的電磁兼容軍用標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)軍標(biāo)中關(guān)于特種物資電磁兼容部分進(jìn)行了詳細(xì)了解，并對(duì)相關(guān)無(wú)線通信方式進(jìn)行了功率密度的計(jì)算;

（4）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)研究：基于現(xiàn)有調(diào)研，從無(wú)線通信量、電磁兼容性、工業(yè)成熟度、項(xiàng)目成本等角度出發(fā)，選擇合適的無(wú)線通信方式。搭建一套無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)相關(guān)無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)車輛信息的上傳下載。

2無(wú)線通信需求調(diào)研

2.1 無(wú)線通信場(chǎng)景介紹

根據(jù)目前物資保障實(shí)際，車輛通信是物資保障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系所載運(yùn)物資當(dāng)前位置信息及保障進(jìn)度信息，因此首先需要實(shí)現(xiàn)控制端和車輛的無(wú)線通信。

其中無(wú)線通信需要覆蓋的區(qū)域包括：特種物資倉(cāng)庫(kù)、轉(zhuǎn)運(yùn)室、目的地。

除設(shè)計(jì)單個(gè)車進(jìn)行特種物資搬運(yùn)外，還設(shè)計(jì)了多車協(xié)同搬運(yùn)功能，該功能場(chǎng)景下，多個(gè)搬運(yùn)車在統(tǒng)一控制下，協(xié)調(diào)前進(jìn)，此時(shí)，各車之間采用分布式控制，多車需要交互通信。

2.2 無(wú)線通信數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)使用需求，車輛交互需要以下報(bào)文：

由于協(xié)同控制狀態(tài)下的車輛速度信息為必需報(bào)文，所占通信量最大，所以以車輛速度為對(duì)象進(jìn)行通信量計(jì)算（另，該計(jì)算只考慮本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方式的不同，均需要滿足該系統(tǒng)每秒的數(shù)據(jù)傳輸量）。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，對(duì)某物資保障系統(tǒng)車輛應(yīng)用，掛載區(qū)下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信速率不小于每秒2.82Mb，掛載區(qū)上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信速率不小于每秒4.94Mb。

3復(fù)雜電磁環(huán)境和危險(xiǎn)區(qū)域通信環(huán)境分析

3.1 艦載電磁環(huán)境分析

艦船電磁環(huán)境主要包括兩個(gè)部分：艦船所處的電磁環(huán)境和艦船本身電磁環(huán)境[12]。

艦船所處的電磁環(huán)境包括復(fù)雜的自然電磁環(huán)境和人為電磁環(huán)境。本文所討論的電磁環(huán)境主要是人為的艦船電磁環(huán)境，如本艦和其他艦船的電子對(duì)抗系統(tǒng)、電磁脈沖武器等產(chǎn)生的有意電磁干擾，岸基電臺(tái)、氣象衛(wèi)星、通訊基站等民用設(shè)施的無(wú)意干擾，以及本艦電力系統(tǒng)、雷達(dá)通信系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)等工作時(shí)發(fā)射的電磁能量等均屬于人為電磁環(huán)境。

艦船本身電磁環(huán)境主要分為露天區(qū)電磁環(huán)境和艙內(nèi)電磁環(huán)境。

露天區(qū)電磁環(huán)境是多個(gè)輻射源的電磁場(chǎng)合成，其主要發(fā)射源是船上的各種通信、導(dǎo)航、探測(cè)、電子戰(zhàn)發(fā)射天線[3]。構(gòu)成露天區(qū)電磁環(huán)境的發(fā)射源包括遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)、中遠(yuǎn)程對(duì)空警戒雷達(dá)、近程搜索雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)，火控跟蹤雷達(dá)等。

艦船艙內(nèi)安裝了數(shù)量龐大的電子設(shè)備，敷設(shè)了大量的各類電纜，以它們所發(fā)出的有意或無(wú)意電磁騷擾為主構(gòu)成了艙內(nèi)狹小空間的電磁環(huán)境，主要因素包括：設(shè)備機(jī)柜、機(jī)箱電磁泄漏;顯示器的電場(chǎng)、磁場(chǎng)輻射;電纜屏蔽層接地不良對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾;設(shè)備電源電路設(shè)計(jì)不完善造成的對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)的傳導(dǎo)騷擾等[1，4-5]。

美國(guó)通過(guò)大量試驗(yàn)研究，將其航母彈藥分為電磁輻射安全、敏感、不可靠和不安全四類，并制定了航母電磁輻射危害彈藥管控規(guī)程，要求電磁輻射敏感、不可靠、不安全彈藥必須采用電磁輻射安全距離控制、射頻發(fā)射管控（發(fā)射機(jī)靜默或主照束規(guī)避）、金屬結(jié)構(gòu)屏蔽等途徑確保彈藥所處電磁環(huán)境安全。尤其需要注意的是：電磁輻射安全彈藥在裝配、檢測(cè)時(shí)，往往會(huì)降級(jí)為電磁輻射不安全或不可靠彈藥;如有可能，電磁輻射不安全、敏感彈藥需封閉在金屬箱內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)。

3.2 艦載電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

為調(diào)研船上電磁兼容性要求，本文對(duì)《預(yù)防電磁場(chǎng)對(duì)軍械危害的一般要求》、《系統(tǒng)電磁兼容性要求》、《電磁輻射暴露限值和測(cè)量方法》、《水面艦艇訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建通用要求》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。

GJB786-89《預(yù)防電磁場(chǎng)對(duì)軍械危害的一般要求》[6]中規(guī)定1400-2700MHz頻率的平均功率密度限制為100 。

GJB1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》[7]2-2.7GHz電場(chǎng)平均值為200V/m，5.4-5.9Ghz電場(chǎng)平均值為200V/m。

GJB5313A-2017《電磁輻射暴露限值和測(cè)量方法》[8]中規(guī)定，30-3000MHz平均功率密度為0.6，該標(biāo)準(zhǔn)在電磁發(fā)射對(duì)人員的影響上做出了規(guī)定。

GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》[9]中要求，上船帶發(fā)射機(jī)的設(shè)備均需按照RE103或CE106要求嚴(yán)格控制發(fā)射帶寬、諧波發(fā)射、亂真發(fā)射和雜波發(fā)射。

綜上，船上無(wú)線通信方式的選擇，除了需要滿足應(yīng)用本身所需的通信帶寬外，還需要滿足上述軍標(biāo)對(duì)艦載電子設(shè)備的要求。

4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究

無(wú)線信息主要通過(guò)聲音、光波、電波信號(hào)進(jìn)行傳輸，各通信方式均可滿足特定領(lǐng)域的使用需求，如：依托聲波的聲吶系統(tǒng)可用于水下通信，基于紅外線的遙控器可用于遙控家用電器等。想要找出適合于船上的無(wú)線通信方式，首先需要對(duì)現(xiàn)有主流無(wú)線通信方式進(jìn)行調(diào)研。

優(yōu)點(diǎn) 聲波屬于機(jī)械波，不與電磁波產(chǎn)生干擾 無(wú)須申請(qǐng)頻率的使用權(quán)、體積小、功耗低 不產(chǎn)生電磁干擾，也不易受外部電磁干擾影響 UWB發(fā)送接收端硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;功耗低 低功耗、低成本、高安全 技術(shù)成熟、數(shù)據(jù)傳輸速率高、兼容TCP/IP協(xié)議 低成本、低能耗、安全可靠、數(shù)據(jù)傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短

缺點(diǎn) 聲波的傳輸速度較慢、載波頻率較低、容易衰弱 紅外線發(fā)射器具有一定信號(hào)發(fā)射角度 目前無(wú)成熟商業(yè)化產(chǎn)品 目前國(guó)內(nèi)用UWB主要做定位，無(wú)實(shí)際通信案例 低功耗帶來(lái)的衍射能力弱、穿墻能力弱 基站間切換時(shí)延較長(zhǎng)（最低1s） 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立需要依靠核心網(wǎng)設(shè)備

通過(guò)與多種通信方式的對(duì)比WIFI技術(shù)較為成熟，成本較低，無(wú)線發(fā)射功率在mW級(jí)，所以計(jì)劃采用區(qū)別于普通WIFI進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭建。此外，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署的獨(dú)立、簡(jiǎn)潔性上，WIFI可以獨(dú)立于其他系統(tǒng)單獨(dú)布設(shè)，如WIFI只需通過(guò)與交換機(jī)連接，便可與交換機(jī)所在網(wǎng)段內(nèi)有線、無(wú)線設(shè)備進(jìn)行通信，可以根據(jù)需要對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)布設(shè)，無(wú)須通過(guò)類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要運(yùn)營(yíng)商批準(zhǔn)。

5無(wú)線網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)研究

該研究的最主要目的在于實(shí)現(xiàn)無(wú)線環(huán)境下調(diào)度與車輛間信息的“互聯(lián)互通”，在選定無(wú)線通信方式的基礎(chǔ)上，需要搭建一套無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)相關(guān)無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)車輛信息的上傳下載。主要包括三個(gè)部分：車輛控制端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、車輛端通信部分，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)車無(wú)線通信的前提是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的搭建。

5.1 硬件平臺(tái)框架

無(wú)線車輛交互系統(tǒng)中的WIFI模塊AP端、車載端、交換機(jī)、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)CAN通信模塊均選用工業(yè)級(jí)貨架產(chǎn)品，控制端使用移動(dòng)便攜筆記本（可以直接與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信）。

車輛控制端為移動(dòng)便攜筆記本，可以通過(guò)移動(dòng)方式接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，也可以采用有線方式與交換機(jī)進(jìn)行連接，連接后仍然與其他無(wú)線設(shè)備處于同一個(gè)網(wǎng)段。交換機(jī)采用交流供電，同時(shí)向無(wú)線接入點(diǎn)通過(guò)交流POE轉(zhuǎn)接提供網(wǎng)絡(luò)接入功能，POE模塊向網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)、電力接入。

車載端無(wú)線收發(fā)器采用直流POE供電，POE端網(wǎng)絡(luò)接口與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的網(wǎng)絡(luò)接口相連接，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送至車輛端，同時(shí)，POE模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊均采用直流供電。

5.2 軟件平臺(tái)框架

依據(jù)無(wú)線交互場(chǎng)景，同時(shí)為了增強(qiáng)控制端軟件的可擴(kuò)展性、可移植性和滿足各軟件的相對(duì)獨(dú)立性及低耦合要求，控制端軟件分為：界面顯示層、應(yīng)用層、領(lǐng)域?qū)?、基礎(chǔ)設(shè)施層。

用戶接口層用于完成控制端主界面顯示、車輛手動(dòng)添加、車輛位置圖形化、地圖顯示、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文概要、用戶輸入功能，用戶能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景拖動(dòng)添加實(shí)際類型的車輛，圖形界面上添加完成的車輛接收到實(shí)際車輛報(bào)文后能夠動(dòng)態(tài)更新在地圖上的相對(duì)位置。網(wǎng)絡(luò)報(bào)文概要功能能夠?qū)Πl(fā)送報(bào)文的狀態(tài)進(jìn)行顯示，如顯示報(bào)文發(fā)送成功、發(fā)送失敗，對(duì)接收到的車輛信息（如：位置）進(jìn)行滾動(dòng)顯示，以便了解車輛當(dāng)前狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)用戶的輸入進(jìn)行加工、解釋，并將用戶的請(qǐng)求發(fā)送到應(yīng)用層。

應(yīng)用層主要用于協(xié)調(diào)不同領(lǐng)域?qū)ο笾g的工作或領(lǐng)域模型與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層組件之間的工作，以完成一個(gè)特定的、明確的系統(tǒng)任務(wù)。在控制端軟件中，領(lǐng)域?qū)油瓿蓪?duì)車輛報(bào)文的解析后，應(yīng)用層協(xié)調(diào)用戶接口層進(jìn)行車輛信息的顯示。

領(lǐng)域?qū)又饕ㄈ缦鹿δ埽航邮盏骄W(wǎng)絡(luò)報(bào)文后，領(lǐng)域?qū)有枰瓿蓪?duì)車輛狀態(tài)的更新;圖形繪畫功能，在接收到車輛狀態(tài)更新后，調(diào)用坐標(biāo)計(jì)算模塊，根據(jù)車輛實(shí)際位置進(jìn)行地圖相對(duì)位置的解算。

基礎(chǔ)設(shè)施層包括：報(bào)文編解碼功能，該功能負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文編制、發(fā)送，對(duì)接收到的報(bào)文，按照協(xié)議進(jìn)行解析并形成報(bào)文對(duì)象;公共的幫助方法通過(guò)進(jìn)行模塊化、分層設(shè)計(jì)，軟件的擴(kuò)展性、可移植性大大增強(qiáng)。車輛控制端軟件界面如圖2所示。

6結(jié)束語(yǔ)

隨著物流、智能化技術(shù)發(fā)展，系統(tǒng)控制端與作業(yè)端實(shí)時(shí)信息互通越來(lái)越急迫，但國(guó)內(nèi)缺乏復(fù)雜電磁環(huán)境下無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議支持。本文基于特種物資保障需求，結(jié)合保障涉及區(qū)域分析了特殊環(huán)境下電磁特性，并對(duì)目前主流無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。提出了建議方案，解決了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建、車輛信息聯(lián)網(wǎng)、車輛信息解析等技術(shù)問(wèn)題，并對(duì)無(wú)線系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、控制端底層通信模塊設(shè)計(jì)、圖形化顯示等技術(shù)進(jìn)行了深入研究，為后續(xù)研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。由于是涉及特種物資保障的系統(tǒng)工程，后續(xù)計(jì)劃進(jìn)一步對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信抗干擾等技術(shù)進(jìn)行研究。

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