基于物聯網技術的集裝化軍事運輸智能感知系統設計

王 海，許宗燕，劉國清

(軍事交通學院 聯合投送系，天津 300161)

● 軍事物流 Military Logistics

基于物聯網技術的集裝化軍事運輸智能感知系統設計

王 海，許宗燕，劉國清

(軍事交通學院 聯合投送系，天津 300161)

在集裝化軍事運輸全過程中，為實現對集裝箱位置、物資基本數據信息以及箱體內部物資狀態情況的實時智能感知、準確預警和高效掌控，構建基于物聯網技術的集裝化軍事運輸智能感知系統，分析該系統的功能需求，提出采用3層體系結構設計主要的智能設備，并對關鍵技術應用進行深入剖析。

集裝化；物聯網技術；智能感知；信息融合；自動識別

物聯網是通過各種信息傳感設備和智能識別、運算設備，按約定的協議，實現對網絡節點的智能化識別、定位、跟蹤、監測、管理和操作的網絡系統[1]。在集裝化軍事運輸信息管理方面，可以利用物聯網的幾個核心技術，如自動識別技術、智能感知技術、無線傳感器網絡技術、衛星定位技術等，建立一套切實可行的集裝化軍事運輸智能感知系統，實現集裝物資數據信息快速自動獲取、集裝裝備和器具的位置動態跟蹤以及箱內物資的實時狀態監控，從而實現物資保障一體化、信息化、智能化和精確化管理，提高物資投送全過程的作業效率。

1 系統的體系架構

集裝化軍事運輸智能感知系統采用3層體系結構，自下而上包括智能感知層、網絡傳輸層和應用服務層(如圖1所示)，各層具有各自的功能和特點。智能感知層由各種信息傳感設備通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網絡系統，簡稱無線傳感器網絡(WSN)，主要用來實現集裝箱體、運載工具、集裝設備、集裝物資等狀態、位置等信息的自動采集和控制；網絡傳輸層包括“北斗”衛星通信模塊、軍用CDMA網絡和綜合信息網，主要用來實現網絡之間、通信設備之間、信息系統之間的數據高效傳輸和安全交換，為系統順利運轉提供可靠的網絡通信支撐；應用服務層包括服務器程序和各種用戶各類終端的應用軟件，主要為各級用戶、多種終端提供信息處理、遠程監測、人機交互等各類業務功能和操控界面。

圖1 集裝化軍事運輸智能感知系統體系架構

2 系統的功能需求分析

圍繞集裝化軍事運輸這一核心職能任務，構建鐵、公、水等3種運輸方式綜合運用，裝載、運輸、卸載各環節無縫銜接的智能感知系統。以集裝箱箱體本身為核心，通過一系列的導航定位、信息通信、智能感知、自動識別等軟、硬件設備，對可用的空箱情況、在運的集裝箱位置、物資基本數據信息以及箱體內部物資狀態情況進行實時感知、預警、掌控。集裝化軍事運輸途中的監控需求主要有4個方面(如圖2所示)：一是集裝箱體的唯一識別編碼(WHO)；二是集裝箱在運途中所處的當前位置(WHERE)；三是集裝箱內在運物資的基本數據信息，包括在運什么物資(WHAT)、有多少數量(HOW MANY)、發送方是誰(WHOSE)、接收方是誰(WHOSE)等；四是集裝箱內的在運物資實時狀態如何(HOW)。這“5W2H”的監控需求涵蓋了集裝化軍事運輸的主要需求，需要綜合運用WSN、智能傳感器、自動識別、條形碼、RFID、GPS、“北斗”衛星、GIS、UID/TID等技術。

圖2 集裝化運輸途中主要監控需求

3 系統各部分設備的需求分析

圍繞實現集裝化軍事運輸全要素、全流程信息管理的感知監控，綜合運用條形碼技術、RFID技術、衛星定位技術、圖像感知技術、無線傳感網絡技術及相關的自動識別技術，在智能感知系統中需要使用到以下一些智能感知設備。

3.1 集裝箱傳感定位設備

研制一個整合RFID標簽、防開箱盜竊模塊、“北斗”衛星定位模塊的信息存取和檢測設備，以及軍用CDMA模塊(或“北斗”短報文模塊)的通信盒，可以安裝在每個集裝箱門里側位置(如圖3所示)。集成的信息存取和檢測設備以及通信盒都會采用一種反暴力強行拆解報警的關鍵技術，一旦發生對設備的暴力拆解，將及時主動發出報警信息至監控中心；同時，在每個集裝箱頂部安裝一個RFID讀寫器天線，輔助讀寫RFID標簽信息[2]。使用固定閱讀器或者手持閱讀器對每個集裝箱車門上的RFID標簽數據進行閱讀，獲取集裝箱內裝運物資的基本信息，并實時將數據傳送到后臺計算機業務系統，如發現意外情況，可以通過查看閱讀器里的計時器來推斷狀態改變的準確時間和地點，從而為挽回損失提供有力證據。一旦集裝箱在運輸途中被非法開啟時，防開箱盜竊模塊的磁感應裝置將檢測到此類情況，及時通過通信裝置將報警信息發送到押運人員手持終端和指控中心，指控中心可以通過“北斗”衛星定位模塊，實時獲取軍事運輸全過程中集裝箱的當前位置情況。

圖3 傳感定位設備在集裝箱上的應用

3.2 基地化智能感知設備

基地化智能感知設備主要是在硬件設施比較完善且可以提供長期供電的倉庫、投送基地、重要場站、港口碼頭等關鍵站點環境中進行設置。一種是射頻識別設備，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，可以依托地形環境在后方倉庫、場站、重要港口碼頭的進出口位置進行設置，識讀過往車輛的RFID標簽，并上報至相關業務信息系統；手持式射頻讀寫器，可用于物資裝卸載現場、將物資基本信息寫入RFID電子標簽，之后隨時隨地可通過手持式射頻讀寫器從RFID電子標簽中讀取出物資的基本信息。另一種是現場信息采集設備，包含有氣象采集終端、音視頻采集設備，實現氣象溫度、濕度和風速，以及圖像信息和音頻信息等的現場實時采集，并依托采集現場的網絡傳輸給數據匯總處理的機構。

六是資金支持因素。有利面是黨和國家十分重視水利建設，多年來對水工程建設持續投入，水資源配置格局和防洪減災體系基本建立。不利面是水利投入穩定增長機制尚未建立，長期存在較大投資缺口，水利資金配置合理性有待論證。

3.3 在運物資狀態智能監測設備

研制一種集成多種感知元器件可監控箱內溫度、濕度、壓力、振動、加速度等狀態的集裝箱傳感射頻識別設備，滿足對諸如軍械彈藥、藥品、野戰食品、被服、精密設備等一系列重要、易損、易燃、易爆危險等物資器材的集裝箱內在運物資狀態的全感知需求(如圖4所示)。在研制實現上述功能的傳感射頻識別設備過程中，重點還要解決通用集裝箱箱內傳感器采集數據后傳輸的金屬屏蔽問題、多傳感器集成問題以及在集裝箱上無損、穩固安裝等關鍵技術問題。

圖4 在運物資狀態智能檢測設備在集裝箱內的應用

3.4 便攜式自動識別作業箱

研制一套便攜式自動識別作業箱，重點是研制手持式自動識別讀寫器(含設備內軟件)和便攜式自動識別作業箱(含箱內硬件設備及相關站點業務軟件等)。利用便攜式自動識別作業箱，可快速開設自動識別臨時站點，在平時及野戰條件下，對物資器材裝卸載點、車站、運輸途中港口、岸灘、野戰貨場等節點的物資條碼、射頻識別和傳感器數據進行快速采集，結合站點業務軟件，實現運輸途中及野戰貨場中物資器材的收發管供、盤點、查找、快速裝卸、托盤及集裝箱拼箱和拆箱等業務的自動化管理，提高平、戰時物資器材的保障能力。

4 關鍵技術的應用與研究

集裝化軍事運輸智能感知系統的設計實現，離不開物聯網信息化技術的支撐。以下技術有的是成熟技術的應用，有的是現有技術的融合，還有的是新技術的研究。

4.1 雙頻有源射頻識別技術

自動識別技術是數據自動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識別技術[3]的設備，是為了有效地識別集裝箱和在運物資的數據信息。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識別技術必須能夠適應其特殊的工作環境。首先，由于集裝箱流通速度較快、流轉頻率高，集裝箱信息和在運物資信息，必須能夠在較高速運輸途中訪問、遠距離獲取，實現快速識別在運集裝物資的流向、流量，要求讀寫設備必須滿足識別速度高、讀寫距離遠、準確度高的各項要求；其次，軍事物資集裝化運輸過程中涉及到的部門較多、流程較復雜，集裝箱上安裝的信息載體，既要存儲相應的物資信息，還要存儲必要的運輸信息，因此要求信息載體的存儲容量要大；再次，在野戰貨場這種特殊的環境下，由于集裝箱數量眾多、物資種類多樣，通常會因大量集裝箱堆疊在一起造成標識不清，物資很難實施查找定位，更難以實現調撥分發等情況，因此，系統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程中的鐵路站點、公路貨場、港口碼頭等地自然環境較為惡劣，而且基本是全天候作業，自動識別系統環境適應性指標(包括工作溫度、貯存溫度、濕熱、太陽輻射、淋雨、鹽霧等)應符合國軍標的有關要求。集裝化在運環節射頻識別技術擬采用雙頻RFID[4]，低頻有效識別覆蓋范圍為0～7 m，高頻有效識別覆蓋范圍為0～80 m，有效識別車速超過80 km/h，主要用于物資裝載、運輸、卸載、轉運、分發過程的信息自動采集和處理。

4.2 多傳感器信息融合技術

集裝化運輸在軍事應用中，涉及到集裝箱體、物資、裝備、設備、環境等眾多感知對象，不同的對象數量眾多、種類繁雜，需要綜合運用光學識別(一維條形碼、二維條形碼)、射頻識別(無源高頻、無源超高頻、有源高頻、有源低頻、智能有源標簽)、無線傳感器網絡、GPS定位、“北斗”衛星定位、音視頻信息、智能傳感等多種感知手段，絕大數情況下，不同的感知對象采用一種或者多種感知技術才能完成智能感知識別的需求。但單個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、更準確的周圍環境信息，彌補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融合為一個整體，提供構建出一個實效性很強的，從時域、空域、地域全方位一體化智能感知平臺，是集裝化保障感知層實用化的技術難點和共性關鍵技術之一。

4.3 “北斗”衛星定位導航技術

“北斗”衛星導航系統(BDS)[6]是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，致力于向全球用戶提供高質量的定位、導航、授時服務，并能向有更高要求的授權用戶提供進一步服務，軍用與民用目的兼具。中國在2003年完成了具有區域導航功能的“北斗”衛星導航試驗系統，之后開始構建服務全球的“北斗”衛星導航系統，于2012年起向亞太大部分地區正式提供服務，并計劃至2020年完成全球系統的構建。“北斗”衛星定位導航技術在物資配送過程中的應用，主要有導航定位、配送路線規劃、信息查詢、數據通信等方面。

4.4 軍用無線傳輸的綜合應用技術

在集裝化軍事運輸的全過程中，為實現運輸動態信息掌控，需要將在運物資狀態和位置實時信息傳輸給運輸投送部門。為了實現各種復雜環境下的信息傳輸，擬采用最新的“‘北斗’二代RDSS + 軍用CDMA”復合軍用無線傳輸終端模塊，以保證復雜環境下無線傳感網絡中至少有一種無線傳輸手段暢通[7]。

平時，在有CDMA基站覆蓋的區域，使用軍用CDMA通信服務完成軍交運輸任務的上傳和下達；在沒有CDMA基站覆蓋的區域，使用“北斗”二代RDSS的短報文和位置報告等服務，配合顯控單元一起完成短信的接收、顯示、編輯、發送與存儲。戰時，在有CDMA基站覆蓋并且地面通信網絡沒有被敵人摧毀的情況下，使用軍用CDMA通信服務完成軍交運輸任務的上傳和下達；在無CDMA基站覆蓋或地面通信網絡被摧毀的情況下，使用“北斗”二代RDSS實現戰時軍交運輸應急通信保障。

此外，在利用軍用CDMA通信的情況下，也需要利用3G信道，傳輸運輸現場視頻信息到有關物流中心，實現重要裝卸載現場的可視化。

5 結 語

近年來，集裝化軍事運輸在我軍軍事交通運輸領域蓬勃發展，逐漸成為我軍現代軍事物流中一個極其重要的運輸力量。本文在對實際需求分析的基礎上，初步設計出一個基于物聯網技術的集裝化軍事運輸智能感知系統，能夠實現對集裝箱位置、物資基本數據信息以及箱體內部物資狀態情況，進行實時智能感知、準確預警和高效掌控；同時，也可以為集裝化軍事運輸智能感知系統的深入研究，提供一定的基礎理論研究成果。

[1] 海濤，陶虎，林波，等.基于物聯網智能感知系統的設計[J].實驗技術與管理，2013,30(7):103-108.

[2] 劉林.物聯網關鍵技術應用在公路集裝箱物流運輸中的探索[J].科技風，2012 (24):36-36.

[3] 張力強.雙頻RFID在軍事物資定位管理中的設計與應用[J].科技傳播，2013(12):156-158.

[4] 劉珍夢.集裝箱箱體無線遠程標簽的研究與實現[D].北京:北京郵電大學，2010.

[5] 謝振南.多傳感器信息融合技術研究[D].廣州:廣東工業大學，2013.

[6] 沈緒明.北斗導航衛星定位系統在我國物流運輸發展中的重要作用[J].物流技術(裝備版)，2014(2):12-14

[7] 王飛.無線傳感網絡中的無線傳輸系統研究[D].太原:中北大學，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