無線傳感器網絡在公路軍事運輸戰場環境中的應用研究

楊竹蘋，黃琦志，王敏

(軍事交通學院，天津300161)

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)具有密集型、隨機分布的特點，適合應用于惡劣的戰場環境中，從而受到很多國家的普遍重視。主要在軍事、工業、農業、醫療等多方面有著巨大的應用價值，被認為是21世紀最重要的新興技術之一［1］。分析和研究無線傳感器網絡在公路軍事運輸戰場環境中的應用前景，對于提高基于信息系統體系作戰軍交運輸保障能力具有重要的現實意義。

1 無線傳感器網絡簡介

1.1 概念及組成

無線傳感器網絡是由一組基于數據為中心的無線網絡，它由部署在監測區域內的大量廉價的節點組成，這些節點具有無線通信與計算的能力，能夠協作地實時監測、感知和采集各種監測對象的信息［1］。系統中的每一個傳感器節點都具有一種或多種感知器，如聲感應器、紅外線感應器、磁感應器等，可采集和初步處理數據，各節點之間通過專用網絡協議實現信息的交流、匯集和處理，實現戰場環境的探測、識別與跟蹤。該系統通常情況下包含傳感器節點、匯聚節點和管理節點，每類節點承擔的功能各不相同［2］。在需要監測的特殊區域隨機部署大量微型傳感器節點，所采集的數據通過這些傳感器節點采用逐跳地方式在網絡中傳輸，傳遞到匯聚節點，最后利用互聯網或衛星無線傳輸方式把信息傳遞到數據處理中心的管理節點，用戶再對收集到的數據進行分析處理，以便做出判斷或決策。

1.2 主要優勢

1)精度高。為了獲取精確信息，在監測區域會部署大量造價低廉的微小型傳感器節點，可能達到成千上萬，這樣可有效地減少網絡空洞或盲區。同時大量的分布式節點可提供多角度和多方位的信息，可有效提高信號的信噪比，形成豐富的信息，減少虛假信息，提高了監測區域的精確度［2］。

2)靈活性強。由于無線傳感器節點有統一完整的外部接口，必要時在現有節點基礎上直接添加新的硬件功能模塊，不需要開發新的節點，不需人為干預，很適合惡劣戰場環境的監測，它遠遠強于傳統的傳感器手段。另外，節點傳感器成本低廉，可實現批量生產，甚至可作為一次性使用的通信設備，免維護。

3)可靠性高。傳感器節點的小型化和微型化，以及網絡應具備的容錯能力，可以使之大規模部署于指定的惡劣環境或無人區域。再加上它的自動識別組網特點，使得對網絡實施傳感器節點替換或增補成為可能。雖然單一節點的可靠性差一些，但使用分布式放置和密集部署，則大大提高了網絡體系的冗余性，使系統在環境因素變化不可預知的情況下具有較強的抗毀能力，增高了網絡信息獲取的可靠性。

4)無人值守。在當今復雜的電磁戰場環境下，如果各種設備都由人員來操控的話會很大程度上增加操作人員的傷亡數量，因此無線傳感器網絡的無人值守特性顯得尤為重要。一些廉價的包括聲、光、電、紅外等無需人員操作的地面傳感器將被撒布在戰場上，自動與各類平臺和單兵組成網絡，使每一名士兵都能提前知曉戰場的勢態。網絡化的部隊可以共享戰場圖像和目標數據，得以更好地作戰協同和資源配置。

2 公路軍事運輸戰場環境

2.1 構成

1)自然環境。自然環境是由自然要素在空間有機組合形成的景觀，對軍事活動有深刻影響。當然，在公路軍事運輸活動中它也是必不可少的客觀條件。公路軍事運輸戰場環境中的自然環境要素，主要指與戰場公路運輸活動密切相關的地形、天候、水文、氣象和生物等，以及相關要素在運輸行動地區的分布情況。

2)社會環境。公路軍事運輸戰場環境中的社會環境要素，主要指由人口與居民地、民族與宗教、經濟與科技、交通網、通信網、文化與醫療機構等要素構成的整體。公路軍事運輸力量在一個戰役方向或地區擔負運輸保障任務，建立軍民整體保障體系，形成軍民保障合力，離不開與這一區域的社會聯系，離不開這一區域廣大人民群眾的支援。

3)軍事環境。未來戰場公路運輸軍事環境不僅決定著運輸活動地域的不同和范圍的大小，同時也決定著不同地域、不同范圍的天然條件，并對其自身產生不同的影響。公路軍事運輸戰場環境中的軍事環境要素，是由不同的作戰、后勤、裝備等力量，武器平臺、技術裝備等軍事要素，在與自然和社會環境諸要素的相互作用中形成的。由于未來作戰流動性強，使公路運輸力量配置更加分散，且有可能被敵人層層分割，因而對運輸保障快速反應能力的要求空前提高。相對于有形戰場汽車運輸空間的有形要素，無疑已突破了原有的戰場公路運輸空間結構，并以其特有的作用形式觸及不同層次的戰場公路運輸領域，從而使這一無形的環境要素成為戰場公路運輸環境中具有獨特影響性能的重要組成部分。也就是說，信息環境要素的出現使未來戰場汽車運輸環境更趨復雜化、信息化。

自然環境、社會環境和軍事環境是一個有機聯系的整體，三者的相互聯系、相互作用構成了完整的公路軍事運輸戰場環境體系。

2.2 特性［3，6］

1)客觀性。客觀性是公路軍事運輸戰場環境最為本質的屬性。因為，任何運輸活動都是在一定時空條件構成的軍事運輸戰場環境下進行的，公路軍事運輸戰場環境對運輸行動的制約和影響作用是客觀必然的，古今中外的所有公路軍事運輸戰場環境都不能例外。從公路軍事運輸戰場環境的構成來看，無論其構成要素是自然性的，還是社會性和軍事性的，這些軍事運輸戰場環境要素都是相對于運輸活動而客觀存在的，從而形成了一種主客觀的矛盾關系。此外，公路軍事運輸戰場環境對運輸活動的影響具有一定的規律性，而且這種規律是可以認識并指導人們能動地利用軍事運輸戰場環境，提高公路軍事運輸對戰場環境的適應性。

2)多元性。公路軍事運輸戰場環境是一個由自然、社會和軍事諸要素構成的整體。其構成要素充分反映了多元的地理空間特性(包括點、線、面、體特征)、動態時間特性、光電頻譜特性(包括聲光信號、電磁信號、數字信號)和信息網絡特性。它是自然環境、社會環境與軍事環境、宏觀環境與微觀環境、有形環境與無形環境、靜態環境與動態環境的有機結合。隨著信息技術的飛速發展，公路軍事運輸戰場環境將不再局限于傳統的地理空間，而是與具有豐富內涵的信息空間相結合，構成一個全新的多元化的軍事運輸戰場環境。

3)可變性。任何一種環境條件都是隨時間而不斷變化的，如隨著時間的順延，運輸行動所經過地區的地貌、季節、氣候、水文、植被等自然環境有可能發生變化。公路軍事運輸戰場環境諸要素作為運輸環境整體的組成部分，其內部又有各自不同的運動形式，構成了隨時間變化的動態變化條件。一方面，公路軍事運輸戰場環境有其自身的變化規律，如地形地貌和人文要素多以漸變方式變化;特大暴雨造成的洪澇、山體滑坡以及敵方打擊所造成的運輸力量損失、運輸行動受阻等則多表現為突變方式。另一方面，公路軍事運輸戰場環境在與運輸活動的交互作用下，也會發生變化。因為公路軍事運輸戰場環境既是公路軍事運輸系統的外部狀況和條件，而其本身也是一個開放系統，可以接受外界的信息、能量，并依此而發生相應的變化。

3 應用前景

3.1 戰場偵察與監控［7，11］

戰場偵察與監控重在圍繞戰場態勢感知、智能分析判斷和行動過程控制等因素，使系統實現全方位、全時域的有效運行，從而破除“戰爭迷霧”，提高戰場對己方的透明度。美國國防部重點研發的“智能微塵”項目就是一個典型例子，它由微處理器、雙向無線電收發裝置和使它們能夠組成一個無線網絡的軟件共同組成。該系統是通過在敵軍駐地和可能的進攻路線上采用無人飛機或火炮把大量裝有智能微塵的宣傳品、子彈或炮彈在目標地點撒落下去，形成嚴密的監視網絡，近距離偵察感知目標地區作戰地形、敵軍部署、裝備特性及部隊活動行蹤、動向等。再結合其他無線網絡傳輸方式將大量信息匯集到指揮中心，形成一幅公路軍事運輸戰場態勢圖，以滿足作戰保障力量“知己知彼”的要求，為軍交運輸指揮員提供重要數據。有效彌補衛星、雷達等遠程偵察設備的不足，全面提升聯合戰場感知能力。

3.2 戰場目標跟蹤

在軍事領域對戰場目標的識別與跟蹤主要是利用聲震傳感器被動地監測到運動目標(如各種車輛)后，再對目標進行識別、跟蹤［12］。美國陸軍于2003年8月開發了“沙地直線”系統(A Line in the Sand)，這種無線傳感器網絡系統具有密集型、分布式的特征，多種異構的傳感器節點采用了松散連接的傳感器陣列，提供現地探測、評估、數據壓縮和發送信息的功能［13］。該系統不僅可以偵測到運動的或靜止的高金屬含量目標，而且可以感覺到聲音、光線、溫度、化學物品，以及動植物的生理特征。例如跟蹤和定位徒手人員、攜帶兵器的士兵或車輛。在基于無線傳感器網絡的運動目標檢測識別應用中，利用運動目標行進時發出的聲音和地面震動信號，對運動目標進行檢測和分類，單個傳感器節點將對目標的識別結果發送到匯聚中心，匯聚中心根據檢測到同一個目標的節點發送過來的分類結果進行融合。在數據中心，每次記錄都包含:聲音、震動和紅外等3種感知信號。通過對這些信號的分析，可以得到運動目標的類別和行駛軌跡［14］。

3.3 戰場核生化監測

對于未來戰場環境，防“核生化”攻擊是必不可少的研究內容。能否在最短的時間內監測到核爆炸中心的相關參數，迅速估算出該爆炸所產生的破壞情況，是使損傷程度降到最低關鍵要素［15］。而為了獲得重要數據經常是需要專業人員穿上防護服，攜帶專業設備進入沾染區。如果使用無人機或火箭彈等方式向被污染區域撒放無線傳感器網絡的傳感器節點，而這些節點芯片中存有化學劑檢測和數據解釋。它們可以自主捕獲和解釋數據，并提供實時告警，以應付使用化學武器進行的攻擊，這樣就可以實現無需派遣人員進入“核生化”污染區即可快速獲取相關數據，從而避免汽車部(分)隊在運輸過程中直接暴露在“核生化”環境中而受到威脅［16］。

4 結語

信息化戰爭要求軍事信息系統“看得明，反應快，打得準”，誰在信息上取得制信息權，誰就能掌握戰爭的主動權。無線傳感器網絡以其獨特的優勢，可以協助實現有效的公路軍事運輸戰場態勢感知，能在多種場合滿足公路軍事運輸信息獲取的實時性、準確性和全面性等需求，但還存在能量供應、系統成本以及網絡拓撲等技術上的挑戰，需要繼續深入研究和探索。

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