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)、紅外感應器、傳感器、定位系統(tǒng)等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡％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，而且其許多獨特的優(yōu)勢可滿足軍事多業(yè)務應用的實時性、準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)的一種延伸和擴展，將在促進軍隊的現(xiàn)代化建設中發(fā)揮重要的作用。

21世紀的戰(zhàn)爭是以信息為主導、以信息化武器精確打擊和信息戰(zhàn)為特征的戰(zhàn)爭。其中，武器裝備是軍隊戰(zhàn)斗力的物質(zhì)基礎，是軍隊履行職能的基本條件叫武器裝備管理是軍隊經(jīng)常性管理中的一項重要內(nèi)容。由于目前軍隊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、安全管理任務重、庫房管理人員較少、工作量大等特點，因此急需提高武器裝備的精確化、信息化和遠程化管理水平，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)還沒有一個嚴格的定義。其中，文獻指出軍事物聯(lián)網(wǎng)是一個以現(xiàn)有軍用網(wǎng)絡為基礎，將其末端延伸到具體武器裝備，以現(xiàn)實戰(zhàn)場環(huán)境及實時后勤保障，從而實現(xiàn)物物相連的智能化網(wǎng)絡。以之為基礎，我們定義軍事物聯(lián)網(wǎng)是一種在網(wǎng)絡架構(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)在體系建設方面有著十分重要的應用需求，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)主要實現(xiàn)了對單個大區(qū)域或多個獨立區(qū)域的本地監(jiān)管,實現(xiàn)多級遠程監(jiān)管功能較困難，從而無法進行全局的調(diào)度和管理。

因此，本文在闡述軍事物聯(lián)網(wǎng)基本內(nèi)涵的基礎上，設計基于軍事物聯(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)點設計、出入庫自動化管理、專用電子標簽設計、多級遠程監(jiān)管機制等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，最后對今后需重點解決的問題進行了展望。

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)系以及設計和進化的原則。在利用軍事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和軍隊武器裝備分級管理特點的基礎上，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)絡層和應用層，并且體系結(jié)構(gòu)中監(jiān)管策略的設計考慮了多個不同層次實體或用戶的協(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)絡技術(shù)，引入智能節(jié)點,可實現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補；另一方面高柔性是指體系結(jié)構(gòu)的自適應能力強，通過使用標準接口，屏蔽了具體應用的差異，可實現(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)點的感知層體系構(gòu)架，感知層根據(jù)分簇形式設計，包括RFID標簽、傳感器節(jié)點、智能節(jié)點等設施。其中，RFID標簽完成對所附著對象的標識功能；傳感器節(jié)點主要完成現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)或監(jiān)測對象信息的實時感知、采集智能節(jié)點收集來自標簽節(jié)點和傳感器節(jié)點的信息，然后發(fā)送到上位機或內(nèi)部網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)節(jié)點上。根據(jù)應用場景的不同，智能節(jié)點可分為固定式智能節(jié)點和可移動式智能節(jié)點，固定式智能節(jié)點可安裝在存放武器裝備的庫房內(nèi)，可移動式智能節(jié)點可用于庫房外武器裝備的臨時清點等場合。同時，智能節(jié)點間可以協(xié)作通信。這種引入智能節(jié)點的感知層體系架構(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,可有效實現(xiàn)負載平衡，提高了敏感數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃?第二，無須單獨布置RFID讀寫器和傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點，可在一定程度上節(jié)省開發(fā)成本；第三，由于智能節(jié)點可構(gòu)成無線自組織協(xié)作網(wǎng)絡，因此網(wǎng)絡中可采用密鑰管理、安全路由、認證、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)絡的安全性。

1.2  網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層一般建立在軍事內(nèi)部網(wǎng)的基礎上，即通過各種接入設備與內(nèi)部網(wǎng)相連，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)在內(nèi)部網(wǎng)絡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)絡及專用移動通信網(wǎng)絡等。

1.3  系統(tǒng)應用層

系統(tǒng)應用層利用經(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，如武器裝備出入庫自動化管理、多級遠程監(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)點設計、出入庫自動化管理、專用電子標簽設計、多級遠程監(jiān)管機制等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案進行描述。

2  智能節(jié)點設計

智能節(jié)點有效融合了RFID技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，本設計的智能節(jié)點的功能結(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)絡通信協(xié)議模塊、傳感節(jié)點射頻通信模塊、天線與接口模塊。其中，各模塊的作用如下：

（1）電源模塊負責為智能節(jié)點供電；

（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標簽的讀寫；

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

（5）網(wǎng)絡通信協(xié)議模塊負責與RFID標簽、傳感器節(jié)點和上位機設備之間通信協(xié)議的制定；

（6）傳感節(jié)點射頻通信模塊完成與傳感器節(jié)點之間的通信;

（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歸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)人員的標簽，否則產(chǎn)生報警信號。

3.3  快速盤點

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

4  武器裝備專用電子標簽設計

武器裝備專用電子標簽設計主要包括兩個方面的內(nèi)容。

4.1  電子標簽的設計

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

4.2  電子標簽的統(tǒng)一編號

軍隊系統(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為軍種的標識，XX為軍區(qū)或集團代碼，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  武器裝備多級遠程監(jiān)管機制

武器裝備多級遠程監(jiān)管機制主要實現(xiàn)在對各級用戶分類的基礎上，定義各級用戶的監(jiān)管功能和權(quán)限，并實現(xiàn)相關(guān)信息的共享，使各級人員實時掌握武器裝備的保管、使用、維護保養(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完成相應的任務。

5.2  各級用戶信息共享

信息共享是實施遠程智能監(jiān)管的前提和基礎，這些共享信息包括：武器裝備基礎數(shù)據(jù)、武器裝備實時狀態(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)可以擴大未來作戰(zhàn)的時域、空域和頻域，將對國防建設各個領域產(chǎn)生深遠影響，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用階段還有一定的距離。軍事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可有效實現(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，提高工作效率,實現(xiàn)武器裝備管理的自動化、信息化、精確化、遠程化，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，推動部隊的信息化建設。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)點設計、出入庫自動化管理、專用電子標簽設計、多級遠程監(jiān)管機制等關(guān)鍵問題，提出了相應的整體解決方案，下一步將進行實際監(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)代化國防建設的助力器。

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