基于軍事物聯(lián)網(wǎng)的武器裝備智能監(jiān)管體系架構(gòu)

引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)是一種通過射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)、紅外感應(yīng)器、傳感器、定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)％它主要解決物品到物品(Thing to Thing,T2T),人到物品(Human to Thing,H2T),人到人(Human to Human,H2H)之間的互連。作為信息技術(shù)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)不僅使“感知中國”成為了可能，而且其許多獨(dú)特的優(yōu)勢可滿足軍事多業(yè)務(wù)應(yīng)用的實(shí)時性、準(zhǔn)確性和全面性等需求。因此，軍事物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的一種延伸和擴(kuò)展，將在促進(jìn)軍隊(duì)的現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。

21世紀(jì)的戰(zhàn)爭是以信息為主導(dǎo)、以信息化武器精確打擊和信息戰(zhàn)為特征的戰(zhàn)爭。其中，武器裝備是軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是軍隊(duì)履行職能的基本條件叫武器裝備管理是軍隊(duì)經(jīng)常性管理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于目前軍隊(duì)的武器裝備在使用和監(jiān)管上具有動用數(shù)量大、出入庫頻繁、安全管理任務(wù)重、庫房管理人員較少、工作量大等特點(diǎn)，因此急需提高武器裝備的精確化、信息化和遠(yuǎn)程化管理水平，滿足對于武器裝備靈活調(diào)度和武器使用管理安全的要求。

目前，軍事物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個嚴(yán)格的定義。其中，文獻(xiàn)指出軍事物聯(lián)網(wǎng)是一個以現(xiàn)有軍用網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將其末端延伸到具體武器裝備，以現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境及實(shí)時后勤保障，從而實(shí)現(xiàn)物物相連的智能化網(wǎng)絡(luò)。以之為基礎(chǔ)，我們定義軍事物聯(lián)網(wǎng)是一種在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上具有抗干擾、數(shù)字化、加密傳送特征的特殊物聯(lián)網(wǎng)。作為物聯(lián)網(wǎng)的一個新分支，軍事物聯(lián)網(wǎng)不僅可以支持Intranet(內(nèi)部網(wǎng))，而且能有條件地支持Internet(互聯(lián)網(wǎng))。也可以說，軍事物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用，比如戰(zhàn)場態(tài)勢感知、武器裝備管理、綜合保障、及時通訊、戰(zhàn)爭系統(tǒng)互聯(lián)等，從而提升信息化條件下作戰(zhàn)打擊的精確度和自動化程度。

軍隊(duì)武器裝備體系的創(chuàng)新發(fā)展能力已成為戰(zhàn)斗力生成模式轉(zhuǎn)變的核心要素之一,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在體系建設(shè)方面有著十分重要的應(yīng)用需求，也有一些公司或企業(yè)、院校開始了這方面的研究，也開發(fā)了一些槍械智能管理原型系統(tǒng),但是這些系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對單個大區(qū)域或多個獨(dú)立區(qū)域的本地監(jiān)管,實(shí)現(xiàn)多級遠(yuǎn)程監(jiān)管功能較困難，從而無法進(jìn)行全局的調(diào)度和管理。

因此，本文在闡述軍事物聯(lián)網(wǎng)基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于軍事物聯(lián)網(wǎng)的武器裝備智能監(jiān)管體系，具體包括分層體系結(jié)構(gòu)、智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計、出入庫自動化管理、專用電子標(biāo)簽設(shè)計、多級遠(yuǎn)程監(jiān)管機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，最后對今后需重點(diǎn)解決的問題進(jìn)行了展望。

1  多層次高柔性的武器裝備智能監(jiān)管體系結(jié)構(gòu)

體系結(jié)構(gòu)就是指一個系統(tǒng)的基本組織，系統(tǒng)組件、組件之間的相互關(guān)系、組件和環(huán)境之間的相互關(guān)系以及設(shè)計和進(jìn)化的原則。在利用軍事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和軍隊(duì)武器裝備分級管理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種如圖1所示的多層次高柔性的武器裝備智能監(jiān)管體系結(jié)構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)多層次、高效靈活的通信和管理。

多層次包括兩個方面的含義：一方面體系結(jié)構(gòu)涵蓋了感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，并且體系結(jié)構(gòu)中監(jiān)管策略的設(shè)計考慮了多個不同層次實(shí)體或用戶的協(xié)作和協(xié)同；另一方面，感知層也以分層分簇的形式設(shè)計。同時，高柔性一方面是指體系結(jié)構(gòu)中通過有效融合RFID技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，引入智能節(jié)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)；另一方面高柔性是指體系結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)能力強(qiáng)，通過使用標(biāo)準(zhǔn)接口，屏蔽了具體應(yīng)用的差異，可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有其它系統(tǒng)的有效融合。體系結(jié)構(gòu)模型中各層次的設(shè)計說明如下:

1.1  感知層

圖2所示是一種引入了智能節(jié)點(diǎn)的感知層體系構(gòu)架，感知層根據(jù)分簇形式設(shè)計，包括RFID標(biāo)簽、傳感器節(jié)點(diǎn)、智能節(jié)點(diǎn)等設(shè)施。其中，RFID標(biāo)簽完成對所附著對象的標(biāo)識功能；傳感器節(jié)點(diǎn)主要完成現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)或監(jiān)測對象信息的實(shí)時感知、采集智能節(jié)點(diǎn)收集來自標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，然后發(fā)送到上位機(jī)或內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，智能節(jié)點(diǎn)可分為固定式智能節(jié)點(diǎn)和可移動式智能節(jié)點(diǎn)，固定式智能節(jié)點(diǎn)可安裝在存放武器裝備的庫房內(nèi)，可移動式智能節(jié)點(diǎn)可用于庫房外武器裝備的臨時清點(diǎn)等場合。同時，智能節(jié)點(diǎn)間可以協(xié)作通信。這種引入智能節(jié)點(diǎn)的感知層體系架構(gòu)具有如下優(yōu)勢：第一，解決了傳統(tǒng)閱讀器之間不能協(xié)作通信的問題,可有效實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，提高了敏感數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?第二，無須單獨(dú)布置RFID讀寫器和傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，可在一定程度上節(jié)省開發(fā)成本；第三，由于智能節(jié)點(diǎn)可構(gòu)成無線自組織協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，因此網(wǎng)絡(luò)中可采用密鑰管理、安全路由、認(rèn)證、入侵檢測、DoS攻擊與訪問控制等安全技術(shù)來提高感知網(wǎng)絡(luò)的安全性。

1.2  網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層一般建立在軍事內(nèi)部網(wǎng)的基礎(chǔ)上，即通過各種接入設(shè)備與內(nèi)部網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間的安全有效傳輸，如內(nèi)部有線通信網(wǎng)、內(nèi)部衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)及專用移動通信網(wǎng)絡(luò)等。

1.3  系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用層利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務(wù)，如武器裝備出入庫自動化管理、多級遠(yuǎn)程監(jiān)管、扌艮警管理、統(tǒng)計報表輸出、用戶權(quán)限管理等。另外，該層需要提供外部接口，以便將來其它現(xiàn)有系統(tǒng)互連互通。下面,將對體系結(jié)構(gòu)中涉及的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計、出入庫自動化管理、專用電子標(biāo)簽設(shè)計、多級遠(yuǎn)程監(jiān)管機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案進(jìn)行描述。

2  智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計

智能節(jié)點(diǎn)有效融合了RFID技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本設(shè)計的智能節(jié)點(diǎn)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括電源模塊、微處理器、RFID讀寫模塊、傳感器模塊、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議模塊、傳感節(jié)點(diǎn)射頻通信模塊、天線與接口模塊。其中，各模塊的作用如下：

（1）電源模塊負(fù)責(zé)為智能節(jié)點(diǎn)供電；

（2）微處理器完成對信息數(shù)據(jù)的處理、計算以及各模塊的相互協(xié)調(diào)等功能；

（3）RFID讀寫模塊完成對RFID標(biāo)簽的讀寫；

（4）傳感器模塊負(fù)責(zé)采集溫度、聲音、壓力等各種現(xiàn)場或?qū)ο蟮男畔?

（5）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議模塊負(fù)責(zé)與RFID標(biāo)簽、傳感器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)設(shè)備之間通信協(xié)議的制定；

（6）傳感節(jié)點(diǎn)射頻通信模塊完成與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信;

（7）天線與接口模塊主要完成無線信號的發(fā)送與接收，并且提供與外圍設(shè)備輸入輸出接口的管理。

3  基于物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的武器裝備出入庫自動化管理

武器裝備出入庫自動化是實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)管的關(guān)鍵?；谖锫?lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的武器裝備出入庫自動化管理方案主要包括快速出庫、快速入庫、快速盤點(diǎn)三個主要環(huán)節(jié)。

3.1  快速出庫

在武器裝備快速出庫中，RFID讀寫器自動感知使用人員和武器裝備信息，并根據(jù)武器裝備使用規(guī)程和使用人員的級別等作為出庫的判定條件。若滿足出庫條件，則允許出庫，并更新相應(yīng)的狀態(tài)信息，否則產(chǎn)生報警信號。

3.2  快速入庫

與快速出庫類似，在武器裝備使用完成或維修完成后,RFID讀寫器同樣會自動感知?dú)w還人員和武器裝備信息，并根據(jù)武器裝備的使用規(guī)程、使用時間期限、歸還人員與借用人員信息一致性等作為入庫的判定條件。若滿足入庫條件，則悅許入庫，并更新武器裝備狀態(tài)信息，并收回相關(guān)人員的標(biāo)簽，否則產(chǎn)生報警信號。

3.3  快速盤點(diǎn)

快速盤點(diǎn)功能允許相關(guān)人員手持可移動性RFID讀寫器對武器裝備進(jìn)行非接觸式的定期或不定期的庫房盤點(diǎn)，檢查當(dāng)前武器裝備的在位情況。

4  武器裝備專用電子標(biāo)簽設(shè)計

武器裝備專用電子標(biāo)簽設(shè)計主要包括兩個方面的內(nèi)容。

4.1  電子標(biāo)簽的設(shè)計

由于現(xiàn)有普通標(biāo)簽很難直接滿足軍隊(duì)的應(yīng)用需求，因此需要針對軍隊(duì)武器裝備形式多樣的特點(diǎn)，在合理分類的基礎(chǔ)上,設(shè)計專用的武器裝備電子標(biāo)簽。專用電子標(biāo)簽設(shè)計時，需要充分考慮防水、防撞擊、抗污染、耐久性強(qiáng)等性能特點(diǎn)，以及戰(zhàn)場或任務(wù)執(zhí)行環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，達(dá)到設(shè)計小巧、使用方便、安全可靠之目的。同時，標(biāo)簽可采用懸掛或粘貼等方式,將RFID標(biāo)簽附著在待識別的不同類型武器裝備表面或內(nèi)部。當(dāng)附著電子標(biāo)簽的裝備通過讀取范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式遠(yuǎn)距離將電子標(biāo)簽中的武器裝備識別信息取出，從而實(shí)現(xiàn)自動識別或自動收集武器裝備標(biāo)識信息的功能。另外，一種更有效可靠的方式是在設(shè)計武器裝備之初，通過使用特殊材料設(shè)計RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)和武器裝備的真正嵌入與融合，從而達(dá)到“無形”之效果。

4.2  電子標(biāo)簽的統(tǒng)一編號

軍隊(duì)系統(tǒng)一般為分層分級管理，為了保證武器裝備RFID編碼的有效性，可采用類似軍用車牌號的分級編號方式，如AA-XX-YY-ZZ格式，其中AA為軍種的標(biāo)識，XX為軍區(qū)或集團(tuán)代碼，YY為武器裝備的類別，ZZ為具體某一個武器裝備的編號順序。其中,各字段長度可按武器裝備的數(shù)量來決定,字段的嵌套層數(shù)由所在單位及上級管理部門的層數(shù)決定。

5  武器裝備多級遠(yuǎn)程監(jiān)管機(jī)制

武器裝備多級遠(yuǎn)程監(jiān)管機(jī)制主要實(shí)現(xiàn)在對各級用戶分類的基礎(chǔ)上，定義各級用戶的監(jiān)管功能和權(quán)限，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的共享，使各級人員實(shí)時掌握武器裝備的保管、使用、維護(hù)保養(yǎng)和檢查情況，為各級決策提供數(shù)據(jù)支撐。

5.1  各級用戶分類及監(jiān)管功能定義

表1所列是一種各級用戶分類及監(jiān)管權(quán)限功能設(shè)計方案表，一共分為三類用戶，分別執(zhí)行不同的監(jiān)管權(quán)限和功能。其中，用戶級別的設(shè)定與軍種及單位所屬編制有關(guān)，在同一系統(tǒng)內(nèi)，級別越低，用戶等級越低。一種武器裝備使用歸還的時序動態(tài)過程描述如圖4所示，三類用戶分別在不同的時間點(diǎn)完成相應(yīng)的任務(wù)。

5.2  各級用戶信息共享

信息共享是實(shí)施遠(yuǎn)程智能監(jiān)管的前提和基礎(chǔ)，這些共享信息包括：武器裝備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、武器裝備實(shí)時狀態(tài)信息、警報信息和使用記錄信息等。

6  結(jié)語

軍事物聯(lián)網(wǎng)可以擴(kuò)大未來作戰(zhàn)的時域、空域和頻域，將對國防建設(shè)各個領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并將引發(fā)一場劃時代的軍事技術(shù)革命和作戰(zhàn)方式的變革。但是，軍事物聯(lián)網(wǎng)的研究仍處于初級階段，離大范圍的推廣和應(yīng)用階段還有一定的距離。軍事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)武器裝備的組網(wǎng)接入和智能監(jiān)管,可大大減少武器裝備管理過程中的人工干預(yù)，提高工作效率,實(shí)現(xiàn)武器裝備管理的自動化、信息化、精確化、遠(yuǎn)程化，有效地保障武器裝備的安全管理和使用，可為戰(zhàn)時武器裝備的靈活調(diào)度和決策提供全局的信息支撐，從而提高我軍自主創(chuàng)新能力和國際科技競爭力，推動部隊(duì)的信息化建設(shè)。本文主要提出了一種基于軍事物聯(lián)網(wǎng)的武器裝備智能監(jiān)管體系架構(gòu)，并對體系架構(gòu)中涉及的分層體系結(jié)構(gòu)、智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計、出入庫自動化管理、專用電子標(biāo)簽設(shè)計、多級遠(yuǎn)程監(jiān)管機(jī)制等關(guān)鍵問題，提出了相應(yīng)的整體解決方案，下一步將進(jìn)行實(shí)際監(jiān)管平臺的開發(fā)工作，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真正成為現(xiàn)代化國防建設(shè)的助力器。

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