基于物联网技术的集装化军事运输智能感知系统设计

王 海，许宗燕，刘国清

(军事交通学院 联合投送系，天津 300161)

● 军事物流 Military Logistics

基于物联网技术的集装化军事运输智能感知系统设计

王 海，许宗燕，刘国清

(军事交通学院 联合投送系，天津 300161)

在集装化军事运输全过程中，为实现对集装箱位置、物资基本数据信息以及箱体内部物资状态情况的实时智能感知、准确预警和高效掌控，构建基于物联网技术的集装化军事运输智能感知系统，分析该系统的功能需求，提出采用3层体系结构设计主要的智能设备，并对关键技术应用进行深入剖析。

集装化；物联网技术；智能感知；信息融合；自动识别

物联网是通过各种信息传感设备和智能识别、运算设备，按约定的协议，实现对网络节点的智能化识别、定位、跟踪、监测、管理和操作的网络系统[1]。在集装化军事运输信息管理方面，可以利用物联网的几个核心技术，如自动识别技术、智能感知技术、无线传感器网络技术、卫星定位技术等，建立一套切实可行的集装化军事运输智能感知系统，实现集装物资数据信息快速自动获取、集装装备和器具的位置动态跟踪以及箱内物资的实时状态监控，从而实现物资保障一体化、信息化、智能化和精确化管理，提高物资投送全过程的作业效率。

1 系统的体系架构

集装化军事运输智能感知系统采用3层体系结构，自下而上包括智能感知层、网络传输层和应用服务层(如图1所示)，各层具有各自的功能和特点。智能感知层由各种信息传感设备通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，简称无线传感器网络(WSN)，主要用来实现集装箱体、运载工具、集装设备、集装物资等状态、位置等信息的自动采集和控制；网络传输层包括“北斗”卫星通信模块、军用CDMA网络和综合信息网，主要用来实现网络之间、通信设备之间、信息系统之间的数据高效传输和安全交换，为系统顺利运转提供可靠的网络通信支撑；应用服务层包括服务器程序和各种用户各类终端的应用软件，主要为各级用户、多种终端提供信息处理、远程监测、人机交互等各类业务功能和操控界面。

图1 集装化军事运输智能感知系统体系架构

2 系统的功能需求分析

围绕集装化军事运输这一核心职能任务，构建铁、公、水等3种运输方式综合运用，装载、运输、卸载各环节无缝衔接的智能感知系统。以集装箱箱体本身为核心，通过一系列的导航定位、信息通信、智能感知、自动识别等软、硬件设备，对可用的空箱情况、在运的集装箱位置、物资基本数据信息以及箱体内部物资状态情况进行实时感知、预警、掌控。集装化军事运输途中的监控需求主要有4个方面(如图2所示)：一是集装箱体的唯一识别编码(WHO)；二是集装箱在运途中所处的当前位置(WHERE)；三是集装箱内在运物资的基本数据信息，包括在运什么物资(WHAT)、有多少数量(HOW MANY)、发送方是谁(WHOSE)、接收方是谁(WHOSE)等；四是集装箱内的在运物资实时状态如何(HOW)。这“5W2H”的监控需求涵盖了集装化军事运输的主要需求，需要综合运用WSN、智能传感器、自动识别、条形码、RFID、GPS、“北斗”卫星、GIS、UID/TID等技术。

图2 集装化运输途中主要监控需求

3 系统各部分设备的需求分析

围绕实现集装化军事运输全要素、全流程信息管理的感知监控，综合运用条形码技术、RFID技术、卫星定位技术、图像感知技术、无线传感网络技术及相关的自动识别技术，在智能感知系统中需要使用到以下一些智能感知设备。

3.1 集装箱传感定位设备

研制一个整合RFID标签、防开箱盗窃模块、“北斗”卫星定位模块的信息存取和检测设备，以及军用CDMA模块(或“北斗”短报文模块)的通信盒，可以安装在每个集装箱门里侧位置(如图3所示)。集成的信息存取和检测设备以及通信盒都会采用一种反暴力强行拆解报警的关键技术，一旦发生对设备的暴力拆解，将及时主动发出报警信息至监控中心；同时，在每个集装箱顶部安装一个RFID读写器天线，辅助读写RFID标签信息[2]。使用固定阅读器或者手持阅读器对每个集装箱车门上的RFID标签数据进行阅读，获取集装箱内装运物资的基本信息，并实时将数据传送到后台计算机业务系统，如发现意外情况，可以通过查看阅读器里的计时器来推断状态改变的准确时间和地点，从而为挽回损失提供有力证据。一旦集装箱在运输途中被非法开启时，防开箱盗窃模块的磁感应装置将检测到此类情况，及时通过通信装置将报警信息发送到押运人员手持终端和指控中心，指控中心可以通过“北斗”卫星定位模块，实时获取军事运输全过程中集装箱的当前位置情况。

图3 传感定位设备在集装箱上的应用

3.2 基地化智能感知设备

基地化智能感知设备主要是在硬件设施比较完善且可以提供长期供电的仓库、投送基地、重要场站、港口码头等关键站点环境中进行设置。一种是射频识别设备，包括固定式射频读写器和手持式射频读写器。其中：固定式射频读写器，可以依托地形环境在后方仓库、场站、重要港口码头的进出口位置进行设置，识读过往车辆的RFID标签，并上报至相关业务信息系统；手持式射频读写器，可用于物资装卸载现场、将物资基本信息写入RFID电子标签，之后随时随地可通过手持式射频读写器从RFID电子标签中读取出物资的基本信息。另一种是现场信息采集设备，包含有气象采集终端、音视频采集设备，实现气象温度、湿度和风速，以及图像信息和音频信息等的现场实时采集，并依托采集现场的网络传输给数据汇总处理的机构。

六是资金支持因素。有利面是党和国家十分重视水利建设，多年来对水工程建设持续投入，水资源配置格局和防洪减灾体系基本建立。不利面是水利投入稳定增长机制尚未建立，长期存在较大投资缺口，水利资金配置合理性有待论证。

3.3 在运物资状态智能监测设备

研制一种集成多种感知元器件可监控箱内温度、湿度、压力、振动、加速度等状态的集装箱传感射频识别设备，满足对诸如军械弹药、药品、野战食品、被服、精密设备等一系列重要、易损、易燃、易爆危险等物资器材的集装箱内在运物资状态的全感知需求(如图4所示)。在研制实现上述功能的传感射频识别设备过程中，重点还要解决通用集装箱箱内传感器采集数据后传输的金属屏蔽问题、多传感器集成问题以及在集装箱上无损、稳固安装等关键技术问题。

图4 在运物资状态智能检测设备在集装箱内的应用

3.4 便携式自动识别作业箱

研制一套便携式自动识别作业箱，重点是研制手持式自动识别读写器(含设备内软件)和便携式自动识别作业箱(含箱内硬件设备及相关站点业务软件等)。利用便携式自动识别作业箱，可快速开设自动识别临时站点，在平时及野战条件下，对物资器材装卸载点、车站、运输途中港口、岸滩、野战货场等节点的物资条码、射频识别和传感器数据进行快速采集，结合站点业务软件，实现运输途中及野战货场中物资器材的收发管供、盘点、查找、快速装卸、托盘及集装箱拼箱和拆箱等业务的自动化管理，提高平、战时物资器材的保障能力。

4 关键技术的应用与研究

集装化军事运输智能感知系统的设计实现，离不开物联网信息化技术的支撑。以下技术有的是成熟技术的应用，有的是现有技术的融合，还有的是新技术的研究。

4.1 双频有源射频识别技术

自动识别技术是数据自动采集的重要手段和方法，在集装箱上可以安装双频有源射频自动识别技术[3]的设备，是为了有效地识别集装箱和在运物资的数据信息。鉴于军用物资集装化物资保障的特殊性需要，因此采用的双频有源射频自动识别技术必须能够适应其特殊的工作环境。首先，由于集装箱流通速度较快、流转频率高，集装箱信息和在运物资信息，必须能够在较高速运输途中访问、远距离获取，实现快速识别在运集装物资的流向、流量，要求读写设备必须满足识别速度高、读写距离远、准确度高的各项要求；其次，军事物资集装化运输过程中涉及到的部门较多、流程较复杂，集装箱上安装的信息载体，既要存储相应的物资信息，还要存储必要的运输信息，因此要求信息载体的存储容量要大；再次，在野战货场这种特殊的环境下，由于集装箱数量众多、物资种类多样，通常会因大量集装箱堆叠在一起造成标识不清，物资很难实施查找定位，更难以实现调拨分发等情况，因此，系统还需要具备快速查找和精确定位功能；最后，军事物资集装化物资保障过程中的铁路站点、公路货场、港口码头等地自然环境较为恶劣，而且基本是全天候作业，自动识别系统环境适应性指标(包括工作温度、贮存温度、湿热、太阳辐射、淋雨、盐雾等)应符合国军标的有关要求。集装化在运环节射频识别技术拟采用双频RFID[4]，低频有效识别覆盖范围为0～7 m，高频有效识别覆盖范围为0～80 m，有效识别车速超过80 km/h，主要用于物资装载、运输、卸载、转运、分发过程的信息自动采集和处理。

4.2 多传感器信息融合技术

集装化运输在军事应用中，涉及到集装箱体、物资、装备、设备、环境等众多感知对象，不同的对象数量众多、种类繁杂，需要综合运用光学识别(一维条形码、二维条形码)、射频识别(无源高频、无源超高频、有源高频、有源低频、智能有源标签)、无线传感器网络、GPS定位、“北斗”卫星定位、音视频信息、智能传感等多种感知手段，绝大数情况下，不同的感知对象采用一种或者多种感知技术才能完成智能感知识别的需求。但单个传感器获得的信息非常有限，多传感器信息融合可以获得更全面、更准确的周围环境信息，弥补单一传感器获取信息的片面性及局部性[5]。如何将多种智能感知技术融合为一个整体，提供构建出一个实效性很强的，从时域、空域、地域全方位一体化智能感知平台，是集装化保障感知层实用化的技术难点和共性关键技术之一。

4.3 “北斗”卫星定位导航技术

“北斗”卫星导航系统(BDS)[6]是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，致力于向全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务，并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务，军用与民用目的兼具。中国在2003年完成了具有区域导航功能的“北斗”卫星导航试验系统，之后开始构建服务全球的“北斗”卫星导航系统，于2012年起向亚太大部分地区正式提供服务，并计划至2020年完成全球系统的构建。“北斗”卫星定位导航技术在物资配送过程中的应用，主要有导航定位、配送路线规划、信息查询、数据通信等方面。

4.4 军用无线传输的综合应用技术

在集装化军事运输的全过程中，为实现运输动态信息掌控，需要将在运物资状态和位置实时信息传输给运输投送部门。为了实现各种复杂环境下的信息传输，拟采用最新的“‘北斗’二代RDSS + 军用CDMA”复合军用无线传输终端模块，以保证复杂环境下无线传感网络中至少有一种无线传输手段畅通[7]。

平时，在有CDMA基站覆盖的区域，使用军用CDMA通信服务完成军交运输任务的上传和下达；在没有CDMA基站覆盖的区域，使用“北斗”二代RDSS的短报文和位置报告等服务，配合显控单元一起完成短信的接收、显示、编辑、发送与存储。战时，在有CDMA基站覆盖并且地面通信网络没有被敌人摧毁的情况下，使用军用CDMA通信服务完成军交运输任务的上传和下达；在无CDMA基站覆盖或地面通信网络被摧毁的情况下，使用“北斗”二代RDSS实现战时军交运输应急通信保障。

此外，在利用军用CDMA通信的情况下，也需要利用3G信道，传输运输现场视频信息到有关物流中心，实现重要装卸载现场的可视化。

5 结 语

近年来，集装化军事运输在我军军事交通运输领域蓬勃发展，逐渐成为我军现代军事物流中一个极其重要的运输力量。本文在对实际需求分析的基础上，初步设计出一个基于物联网技术的集装化军事运输智能感知系统，能够实现对集装箱位置、物资基本数据信息以及箱体内部物资状态情况，进行实时智能感知、准确预警和高效掌控；同时，也可以为集装化军事运输智能感知系统的深入研究，提供一定的基础理论研究成果。

[1] 海涛，陶虎，林波，等.基于物联网智能感知系统的设计[J].实验技术与管理，2013,30(7):103-108.

[2] 刘林.物联网关键技术应用在公路集装箱物流运输中的探索[J].科技风，2012 (24):36-36.

[3] 张力强.双频RFID在军事物资定位管理中的设计与应用[J].科技传播，2013(12):156-158.

[4] 刘珍梦.集装箱箱体无线远程标签的研究与实现[D].北京:北京邮电大学，2010.

[5] 谢振南.多传感器信息融合技术研究[D].广州:广东工业大学，2013.

[6] 沈绪明.北斗导航卫星定位系统在我国物流运输发展中的重要作用[J].物流技术(装备版)，2014(2):12-14

[7] 王飞.无线传感网络中的无线传输系统研究[D].太原:中北大学，2012.

(编辑：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，硕士，讲师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.02.015

E234

A

1674-2192(2017)02- 0060- 04