物聯網技術在人工影響天氣業務系統中的應用

陳軼敏 姚夢濤 孫永濤

【摘 要】應用物聯網技術對人工影響天氣業務系統的彈藥進行自動識別、跟蹤定位和管理，在每個彈藥上安裝UHF RFID唯一身份標簽，在彈藥生命周期的三個環節中，安裝相應的識別及控制系統，實時采集彈藥信息及狀態，通過無線通信方式上傳并實時顯示，實現人影彈藥的全程閉環管理。系統不僅實時采集信息，而且滿足人工增雨、防雹等各種惡劣環境的作業要求，已經在貴州、新疆等地區成功試驗及應用。

【關鍵詞】人工影響天氣 物聯網 RFID GPS GPRS 電子羅盤

1前言

上世紀90年代提出物聯網概念，它的定義是通過傳感設備，將物體與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網技術最早應用于物流管理，隨著對物聯網的概念、內涵、技術、應用研究的不斷深入，將在工業生產、精準農業、公共安全監控、城市管理、智能交通、安全生產、文物保護、環境監測、遠程醫療、智能家居眾多領域得到應用。人工影響天氣的飛速發展，對管理技術提出更高要求，采用人工管理的模式已經無法滿足彈藥安全管理、作業數據統計分析、科學指揮作業和作業效果評估的需求，人影業務迫切需要注入先進技術和管理模式，通過物聯網技術可以實現數據的自動采集和傳輸，提高人影業務管理效率，實現人影科學化、信息化管理。

2人影物聯網應用需求

人工影響天氣業務管理包括人影彈藥的跟蹤監控，裝備狀態管理，氣象信息監測及應用，人影作業信息采集及分析處理，人影作業指揮、人影作業效果評估、人影操作人員管理等方面。氣象監測和應用方面目前發展較健全，但是彈藥、裝備及作業方面的管理還較落后，沒有建立準確有效的作業數據采集及數據統計分析管理機制。為彈藥、裝備及操作人員建立電子信息，通過物聯網識別技術可以實現彈藥、裝備的自動識別、跟蹤和監控，由無線傳輸網將信息傳輸至互聯網實現人影信息共享和管理。

人影業務中需被采集的信息類型多樣、包括涉及火工范疇的火箭、炮彈、煙條等彈藥，發射架、高炮、地面燃燒爐、飛機播撒器等裝備、使用環境和流動環節差異較大，實時性、快速性、安全性及準確性的要求很高，人影業務各環節人員操作規范性和安全性至關重要，人影業務物聯網管理不僅要實現對物的識別管理還需將人員信息納入管理環節中。在人影物聯網系統中傳感器的布局和安裝、電磁干擾、操作安全性、采集快速性、傳輸準確率等問題是人影物聯網能否成熟應用的關鍵。

3人影物聯網系統實現的技術方案

人影物聯網網絡架構由感知層、網絡層和應用層組成，應用層又可分為數據處理層和服務層，網絡架構見圖1。

3.1彈藥、裝備識別技術（感知層）

人工影響天氣業務中的彈藥安全管理需做到準確、安全、方便、快速、信息易于傳輸，而且必須具體到彈藥個體。彈藥、裝備使用環節和環境不固定，包裝方式不同、包裝數量、類型也不不固定，給識別帶來困難。

目前廣泛應用的識別技術包括一維、二維碼識別技術、射頻識別（RFID）技術。一維碼和二維碼信息容量有限，需要在視距范圍內逐個讀取信息，識別效率低。RFID是一種非接觸式的自動識別技術，信息容量大，可實現單個產品編碼唯一，通過射頻信號同時自動識別運動中的多個產品信息，識別效率高。條碼識別無法實現一個彈藥對應一個唯一條碼，需采用RFID識別，出廠時由生產廠家將EPC代碼標簽即電子標簽植入彈藥體內，為彈藥建立唯一的身份代碼。

RFID識別技術包括RFID標簽和讀寫器，分為有源識別和無源識別兩種模式。從彈藥安全方面考慮，采用無源標簽僅在進入讀寫器電場范圍內才被動感應電場，獲得瞬時能量讀取芯片內儲存信息，識別范圍小，對彈藥的安全威脅低。有源識別雖然識別距離遠，但標簽內攜帶電池，價格貴，受到電池壽命制約，且一旦植入標簽后，彈藥在儲存過程中始終處于標簽發出的電磁場環境中，受電磁輻射影響較大，對彈藥安全構成威脅。

3.2彈藥、裝備定位跟蹤技術（感知層）

彈藥、裝備使用的多個環節都處于移動狀態，需進行定位跟蹤， 在彈藥移動各環節使用的設備上安裝定位系統可以實現彈藥裝備定位跟蹤。

全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準，滿足位于全球任何地方連續精確的三維位置、三維運動和時間的需要。使用用戶僅需配備GPS信號接收機，即可實時結算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息，目前各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，適合人影物聯網系統使用。

3.3信息傳輸技術（網絡層信息匯聚和傳輸）

人影系統中許多業務需要在沒有電力網絡和通信網絡覆蓋的區域進行，使用環境復雜，條件簡陋，完全利用廣域網或公共網絡無法滿足人影業務需求，需要采用自組網和公共網相結合的方式實現信息傳輸。人影業務中對彈藥和裝備的相關信息必須進行實時、快速采集，但對數據傳輸的實時性要求可以降低，只需確保數據真實準確。在山區及偏遠地區等無移動通信網絡的區域，運用低功率UHF無線通信技術進行小范圍近距離通信，全天候工作，實時將感知層的采集信息匯總到一起進行儲存，再通過移動通信在網絡覆蓋或網絡通暢時傳輸至互聯網。

公共移動通信網絡有3G、GPRS。其中GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務）是一種基于GSM移動通信網絡的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS是目前我國廣泛應用的移動網絡之一，覆蓋范圍廣，應用成本低廉，模塊選擇種類繁多，技術成熟，模塊價格便宜，實現方案簡單，雖然GPRS是作為現有GSM網絡向第三代移動通信演變的過渡技術，但是目前我國人影物聯網系統需傳輸的數據量不大，比較適合采用GPRS技術，后期的等待3G網絡全覆蓋時再進行網絡傳輸升級。

3.4人影信息管理及作業指揮系統（應用層技術）

人影物聯網系統應用層技術包含對采集信息的分類存儲，數據分析處理，安全威脅報警等信息處理類技術，以及作業預警指揮、專家系統等決策分析類技術。人影物聯網應用層是對數據進行分析處理，結合氣象監測、GIS進行作業預警及指揮的系統，采用B/S與C/S相結合模式，按照角色區分管理權限，實現互聯網上人影信息安全共享，不僅能夠有效進行作業預警及指揮，而且具有安全隱患預警能力，安全監管彈藥，及時進行防范。應用層可以根據客戶使用要求不斷開發完善。

4人影物聯網系統應用方案

應用物聯網技術，結合我國人影業務系統具體情況，研究出人影物聯網管理系統，在彈藥使用環節中安裝相應的感應設備，在彈藥和裝備上安裝無源UHF RFID電子標簽，裝載彈藥和裝備的詳細特征信息，實現彈藥和裝備的全程識別跟蹤管理。

人影彈藥流動環節可簡化為彈藥存儲、彈藥運輸和彈藥發射使用三個過程。在這三個過程中安裝設備進行識別跟蹤和信息采集即可完成彈藥全程跟蹤管理。

彈藥儲存庫房中安裝庫房管理控制系統，系統包括RFID讀寫器、GPRS、拍照系統，設置彈藥掃描區域，在合適位置安裝讀寫器，使彈藥在出入庫房門的過程中進入掃描區域時，無需人為干預，讀寫器即可在30s內一次性讀取200枚以內數量的彈藥信息，快速儲存并上傳。操作過程中，系統將操作人員的信息自動掃描并上傳，確保彈藥安全責任落實到人。

彈藥運輸車輛上安裝彈藥運輸跟蹤系統，跟蹤彈藥運輸過程，運輸跟蹤系統包括GPS、GPRS以及讀寫器，GPS記錄車輛行駛路線并通過GPRS實時上傳，車輛停止時，啟動讀寫器掃描是否有彈藥離開車廂，若有彈藥離開車廂，識別離開車廂彈藥的信息并記錄車輛位置，上傳彈藥信息。運輸跟蹤系統上傳信息還包含彈藥交接人員信息，確保彈藥交接的時間、位置和人員信息完整。

在火箭發射架、高炮炮架、地面燃燒爐等人影裝備上安裝彈藥點火控制及信息采集系統，控制彈藥點火發射的同時，通過RFID識別器自動識別發射彈藥的電子信息，以及通過電子羅盤、GPS等采集彈藥發射的俯仰方位角、發射點經緯度坐標、發射時間、及發射彈藥的電子信息。并通過GPRS實時上傳互聯網。該系統不僅完成了彈藥最后過程跟蹤，而且為人影作業指揮和效果評估積累數據。

信息采集上傳互聯網后，由人影物聯網管理平臺、結合專家系統、監測系統等應用軟件將實時采集的彈藥和裝備的信息進行分析處理，顯示彈藥狀態，形成各類報表，為作業預警和作業指揮人員提供決策信息。實時盤點彈藥和裝備狀態，當彈藥和裝備接近報廢日期時，報警提示管理人員先行使用將過期彈藥，或對裝備及時進行檢測維護。

5試驗驗證

對人影物聯網管理系統進行了模擬和實彈試驗驗證，共計進行模擬彈藥出入庫500余次，點火頭模擬發射1500余次，模擬點火10000余次，實彈發射300余次，模擬運輸1000km以上，數據采集和傳輸可靠，數據解析顯示正確。在貴州、新疆等地進行安裝試用，共計出入庫200枚，實彈運輸20枚，運輸里程200km以上，進行5、6次防雹作業，發射WR-98實彈200余枚，經驗證出入庫操作簡便、運輸跟蹤過程數據上傳連續，定位跟蹤準確，發射成功率100%，滿足各種惡劣作業環境使用要求，防雹作業操作快速性要求，數據采集上傳準確，服務應用軟件界面友好，顯示清晰。圖2 是部分防雹作業上傳數據截圖。

6結語

本文中介紹的人影業務物聯網技術應用成功，滿足實際使用要求，技術可行，系統可靠性高、使用方便，適用性強，具有較好的推廣應用前景。物聯網技術是一個滲透型技術，逐漸滲透到各個領域及人們的日常生活中，人影物聯網尚處于起步階段，還需經歷長期的研究應用過程，尤其對應用層的不斷完善開發，才能使物聯網系統為人影業務更好服務，提高人影科學化作業水平。

參考文獻：

[1] 孔小波.物聯網感念和演進路徑.電信工程技術與自動化，2009年第12期.

[2] 管繼綱.物聯網技術在智能農業中的應用.通信管理與技術，2010年第03期.

作者簡介： 陳軼敏（1972—），女，陜西西安人，高級工程師，主要從事人工影響天氣作業系統研究。