復雜環境信息感知與交互技術研究

陳儉新 潘文濤 李冠峰

摘 要 對艦船復雜電磁環境進行分析，結合系統各設備間的通信需求，調研船體艙室、掛載區電磁環境及可使用的無線通信方式和頻段，并調研船上危險區域對無線通信方式的影響。根據上述使用環境的調研，提出基于某物資保障系統的無線網絡技術方案，對無線網絡的關鍵技術進行研究，掌握物聯網無線交互技術;并搭建了一套無線通信平臺，對所提出的技術方案的可行性進行驗證。

關鍵詞 復雜環境;物資保障;信息交互

Analyzed complex electromagnetic environment of the ship， combined the requirements of the system equipment， we researched the frequencies of wireless technologies， the influence of wireless communication exerted. Then we investigated the availability of wireless communication and frequencies. According to the researches above， we came up with a wireless communication solution on ship， we study the key technologies of wireless network and handled the IOT wireless interactive technologies. A set of wireless communication platform is built to verify the feasibility of the proposed technical scheme.

Key Words Complex Electromagnetic Environment; Material Management; Wireless Communication

引言

現有某型號物資保障系統，在特種物資轉運上已能夠完成管理調度設施軟件和升降機、保障人員的聯動，實現了物資轉運的信息化。但隨著裝備信息化、智能化的發展，系統工程對單個設備的信息需求越來越強烈。系統內設備互聯互通是整體協調的關鍵，對于某物資保障系統，參與主要對象包括：特種物資、轉運車、人員等，保障過程中，調度員在調度室負責整體調度，然而由于沒有信息互聯手段，導致調度員無法獲取每輛車的實時位置，無法快速獲取每批特種物資實時轉運狀態，導致無法快速有效調度。

為了進一步提高物資轉運效率，實現特種物資轉運的靈活可調，就必須對保障過程的最新狀態進行快速、準確獲取。本文對艦船復雜電磁環境進行分析，結合系統各設備間的通信需求，調研物資保障工作區域可使用的無線通信方式和頻段。根據上述使用環境的調研，選擇適合的無線通信方式，結合系統通信需求，自主開發基于物聯無線通信的調度軟件和轉運車控制軟件，掌握物聯網無線交互技術。

1研究內容

復雜環境信息感知與交互技術研究包括：無線通信需求調研、復雜電磁環境和危險區域通信環境分析、無線網絡通信技術研究、無線網絡交互技術研究四個部分，其中，無線通信需求調研為隱含的研究內容。

相關研究內容如下：

（1）無線通信需求分析：分析物資保障過程無線通信需覆蓋區域;梳理了控制與車輛之間、車輛與車輛之間的報文信息，根據業務需求統計出無線通信網絡所需數據量，以上分析結果對后期無線通信方式的選擇具有指導意義;

（2）復雜電磁環境和危險區域通信環境分析：對艦船復雜電磁環境進行分析，結合系統各設備間的通信需求，調研保障區域電磁環境及可使用的無線通信方式和頻段，并調研相關危險區域對無線通信方式的影響;

（3）無線網絡通信技術研究：調研了工業上主流的無線局域網方案，對各通信方式使用場景、通信頻率、數據量等方面進行了比較。隨后對國內現有的電磁兼容軍用標準、對軍標中關于特種物資電磁兼容部分進行了詳細了解，并對相關無線通信方式進行了功率密度的計算;

（4）無線網絡交互技術研究：基于現有調研，從無線通信量、電磁兼容性、工業成熟度、項目成本等角度出發，選擇合適的無線通信方式。搭建一套無線網絡，并設計相關無線通信協議實現車輛信息的上傳下載。

2無線通信需求調研

2.1 無線通信場景介紹

根據目前物資保障實際，車輛通信是物資保障的關鍵環節，關系所載運物資當前位置信息及保障進度信息，因此首先需要實現控制端和車輛的無線通信。

其中無線通信需要覆蓋的區域包括：特種物資倉庫、轉運室、目的地。

除設計單個車進行特種物資搬運外，還設計了多車協同搬運功能，該功能場景下，多個搬運車在統一控制下，協調前進，此時，各車之間采用分布式控制，多車需要交互通信。

2.2 無線通信數據量統計

根據使用需求，車輛交互需要以下報文：

由于協同控制狀態下的車輛速度信息為必需報文，所占通信量最大，所以以車輛速度為對象進行通信量計算（另，該計算只考慮本系統數據傳輸速率，對于網絡編碼調制方式的不同，均需要滿足該系統每秒的數據傳輸量）。

經過計算，對某物資保障系統車輛應用，掛載區下無線網絡通信速率不小于每秒2.82Mb，掛載區上無線網絡通信速率不小于每秒4.94Mb。

3復雜電磁環境和危險區域通信環境分析

3.1 艦載電磁環境分析

艦船電磁環境主要包括兩個部分：艦船所處的電磁環境和艦船本身電磁環境[12]。

艦船所處的電磁環境包括復雜的自然電磁環境和人為電磁環境。本文所討論的電磁環境主要是人為的艦船電磁環境，如本艦和其他艦船的電子對抗系統、電磁脈沖武器等產生的有意電磁干擾，岸基電臺、氣象衛星、通訊基站等民用設施的無意干擾，以及本艦電力系統、雷達通信系統、電子戰系統等工作時發射的電磁能量等均屬于人為電磁環境。

艦船本身電磁環境主要分為露天區電磁環境和艙內電磁環境。

露天區電磁環境是多個輻射源的電磁場合成，其主要發射源是船上的各種通信、導航、探測、電子戰發射天線[3]。構成露天區電磁環境的發射源包括遠程預警雷達、中遠程對空警戒雷達、近程搜索雷達、導航雷達，火控跟蹤雷達等。

艦船艙內安裝了數量龐大的電子設備，敷設了大量的各類電纜，以它們所發出的有意或無意電磁騷擾為主構成了艙內狹小空間的電磁環境，主要因素包括：設備機柜、機箱電磁泄漏;顯示器的電場、磁場輻射;電纜屏蔽層接地不良對電網產生的傳導騷擾;設備電源電路設計不完善造成的對電源網絡的傳導騷擾等[1，4-5]。

美國通過大量試驗研究，將其航母彈藥分為電磁輻射安全、敏感、不可靠和不安全四類，并制定了航母電磁輻射危害彈藥管控規程，要求電磁輻射敏感、不可靠、不安全彈藥必須采用電磁輻射安全距離控制、射頻發射管控（發射機靜默或主照束規避）、金屬結構屏蔽等途徑確保彈藥所處電磁環境安全。尤其需要注意的是：電磁輻射安全彈藥在裝配、檢測時，往往會降級為電磁輻射不安全或不可靠彈藥;如有可能，電磁輻射不安全、敏感彈藥需封閉在金屬箱內轉運。

3.2 艦載電磁兼容相關標準分析

為調研船上電磁兼容性要求，本文對《預防電磁場對軍械危害的一般要求》、《系統電磁兼容性要求》、《電磁輻射暴露限值和測量方法》、《水面艦艇訓練電磁環境構建通用要求》等標準進行了研究。

GJB786-89《預防電磁場對軍械危害的一般要求》[6]中規定1400-2700MHz頻率的平均功率密度限制為100 。

GJB1389A-2005《系統電磁兼容性要求》[7]2-2.7GHz電場平均值為200V/m，5.4-5.9Ghz電場平均值為200V/m。

GJB5313A-2017《電磁輻射暴露限值和測量方法》[8]中規定，30-3000MHz平均功率密度為0.6，該標準在電磁發射對人員的影響上做出了規定。

GJB151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》[9]中要求，上船帶發射機的設備均需按照RE103或CE106要求嚴格控制發射帶寬、諧波發射、亂真發射和雜波發射。

綜上，船上無線通信方式的選擇，除了需要滿足應用本身所需的通信帶寬外，還需要滿足上述軍標對艦載電子設備的要求。

4無線網絡通信技術研究

無線信息主要通過聲音、光波、電波信號進行傳輸，各通信方式均可滿足特定領域的使用需求，如：依托聲波的聲吶系統可用于水下通信，基于紅外線的遙控器可用于遙控家用電器等。想要找出適合于船上的無線通信方式，首先需要對現有主流無線通信方式進行調研。

優點 聲波屬于機械波，不與電磁波產生干擾 無須申請頻率的使用權、體積小、功耗低 不產生電磁干擾，也不易受外部電磁干擾影響 UWB發送接收端硬件結構簡單;功耗低 低功耗、低成本、高安全 技術成熟、數據傳輸速率高、兼容TCP/IP協議 低成本、低能耗、安全可靠、數據傳輸速率高、網絡時延短

缺點 聲波的傳輸速度較慢、載波頻率較低、容易衰弱 紅外線發射器具有一定信號發射角度 目前無成熟商業化產品 目前國內用UWB主要做定位，無實際通信案例 低功耗帶來的衍射能力弱、穿墻能力弱 基站間切換時延較長（最低1s） 無線網絡建立需要依靠核心網設備

通過與多種通信方式的對比WIFI技術較為成熟，成本較低，無線發射功率在mW級，所以計劃采用區別于普通WIFI進行無線網絡搭建。此外，在無線網絡部署的獨立、簡潔性上，WIFI可以獨立于其他系統單獨布設，如WIFI只需通過與交換機連接，便可與交換機所在網段內有線、無線設備進行通信，可以根據需要對特定區域進行單獨布設，無須通過類似移動網絡需要運營商批準。

5無線網絡交互技術研究

該研究的最主要目的在于實現無線環境下調度與車輛間信息的“互聯互通”，在選定無線通信方式的基礎上，需要搭建一套無線網絡，并設計相關無線通信協議實現車輛信息的上傳下載。主要包括三個部分：車輛控制端、無線網絡環境、車輛端通信部分，實現轉運車無線通信的前提是無線通信網絡系統的搭建。

5.1 硬件平臺框架

無線車輛交互系統中的WIFI模塊AP端、車載端、交換機、以太網轉CAN通信模塊均選用工業級貨架產品，控制端使用移動便攜筆記本（可以直接與無線網絡進行通信）。

車輛控制端為移動便攜筆記本，可以通過移動方式接入無線網絡，也可以采用有線方式與交換機進行連接，連接后仍然與其他無線設備處于同一個網段。交換機采用交流供電，同時向無線接入點通過交流POE轉接提供網絡接入功能，POE模塊向網絡接入點提供網絡、電力接入。

車載端無線收發器采用直流POE供電，POE端網絡接口與數據轉換模塊的網絡接口相連接，數據轉換模塊進行數據轉換后將數據通過CAN總線發送至車輛端，同時，POE模塊、數據轉換模塊均采用直流供電。

5.2 軟件平臺框架

依據無線交互場景，同時為了增強控制端軟件的可擴展性、可移植性和滿足各軟件的相對獨立性及低耦合要求，控制端軟件分為：界面顯示層、應用層、領域層、基礎設施層。

用戶接口層用于完成控制端主界面顯示、車輛手動添加、車輛位置圖形化、地圖顯示、網絡報文概要、用戶輸入功能，用戶能夠根據現場場景拖動添加實際類型的車輛，圖形界面上添加完成的車輛接收到實際車輛報文后能夠動態更新在地圖上的相對位置。網絡報文概要功能能夠對發送報文的狀態進行顯示，如顯示報文發送成功、發送失敗，對接收到的車輛信息（如：位置）進行滾動顯示，以便了解車輛當前狀態。同時，對用戶的輸入進行加工、解釋，并將用戶的請求發送到應用層。

應用層主要用于協調不同領域對象之間的工作或領域模型與基礎結構層組件之間的工作，以完成一個特定的、明確的系統任務。在控制端軟件中，領域層完成對車輛報文的解析后，應用層協調用戶接口層進行車輛信息的顯示。

領域層主要包括如下功能：接收到網絡報文后，領域層需要完成對車輛狀態的更新;圖形繪畫功能，在接收到車輛狀態更新后，調用坐標計算模塊，根據車輛實際位置進行地圖相對位置的解算。

基礎設施層包括：報文編解碼功能，該功能負責對網絡報文編制、發送，對接收到的報文，按照協議進行解析并形成報文對象;公共的幫助方法通過進行模塊化、分層設計，軟件的擴展性、可移植性大大增強。車輛控制端軟件界面如圖2所示。

6結束語

隨著物流、智能化技術發展，系統控制端與作業端實時信息互通越來越急迫，但國內缺乏復雜電磁環境下無線通信標準協議支持。本文基于特種物資保障需求，結合保障涉及區域分析了特殊環境下電磁特性，并對目前主流無線通信技術進行對比。提出了建議方案，解決了網絡環境搭建、車輛信息聯網、車輛信息解析等技術問題，并對無線系統規劃設計、控制端底層通信模塊設計、圖形化顯示等技術進行了深入研究，為后續研制奠定了技術基礎。由于是涉及特種物資保障的系統工程，后續計劃進一步對復雜電磁環境下的通信抗干擾等技術進行研究。

參考文獻

[1] 喻菁，李晶，張崎，等.艦船電磁環境特性研究[J].艦船科學技術，2007（6）：98-100.

[2] 王征，湯仕平，潘若恩.現代艦船電磁環境探討[J].船舶工程，2004，26（2）：48-50.

[3] 吳小川.復雜艦船環境下電磁場分布特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[4] 張旭，呂曉峰，姚洪志.艦船短波天線對火工品安全影響[J].海軍航空工程學院學報，2017，32（6）：553-558.

[5] 韓剛，陳冬，周曙光.艦船通信系統電磁兼容問題研究[J].艦船電子工程，2014，34（2）：147-150.

[6] GJB786-89.預防電磁場對軍械危害的一般要求[S].北京：總裝備部軍標出版社，1990.

[7] GJB1389A-2005.系統電磁兼容性要求[S].北京：國家標準出版社，2005.

[8] GJB5313A-2017.電磁輻射暴露限值和測量方法[S].北京：國家標準出版社，2017.

[9] GJB151B-2013.軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量[S].北京：總裝備部軍標出版社，2013.