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物联网技术在武器装备保障中的应用分析

作者:匿名出处:论坛2016-02-04 20:52

  1.物联网技术概述

  物联网的概念最初是在20世纪90年代提出来的,最初的设想是实现“物-物互联”,随着信息技术的飞速发展和广泛应用,获取信息的方式已经逐步从单一模式的人工生成向自动获取的模式发展。RFID技术、各类传感器日益成为自动获取信息的主要手段,辅助人们实时准确的感知、测量和监控周围世界。互联网的广泛应用又使物联网从最初的电子标签、传感器等通过Internet互联起来,逐渐发展成目前的设备多样化、网络复杂多样、感控结合、集成各种特定的智能处理模式,实现了物理世界和信息世界的交互融合。德国提出的“工业4.0”将信息互联技术与传统工业制造相结合,从而实现机械之间的数字互联和信息交流,本身就可以看作是物联网技术的延伸。

  物联网是一种建立在互联网上的泛在网络,将现实中的海量终端物体(RFID设备、传感器和智能终端等)通过感知环境和互联网连接起来,形成了一种新型的应用范式,代表了现实的物理世界与网络世界的双向融合。第一,通过传感器技术、嵌入式技术等将物理世界的数据信息化、数字化,使信息易于在网络中传输、存储、处理和应用,然后通过网络技术、通信技术、数据库技术等实现数据的传播和共享,最后应用软件技术实现“从物到人”的应用过程;第二,用户或智能终端应用软件监测和管理网络中各节点的信息,并通过网络控制向可被识别的传感器节点和可以控制的嵌入式设备,实现了“从人到物”的过程。

  物联网的体系结构分为感知层、网络层和应用层,图1为物联网的三层架构图。感知层主要完成信息的采集、转换、收集和执行某些操作;网络层包括了各种接入网络,负责将感知层获取的信息可靠地传输给处理中心和用户;应用层有效利用感知和传输来的信息,进行智能化的分析,实现对远程物理设备的管理、控制和应用。

图1 物联网体系结构图

  图1 物联网体系结构图

  1.1 感知层关键技术

  感知层可以细分为感知子层和通信子层:感知子层不具备通信的能力,仅仅通过传感器、智能装置、RFID可识别条码、执行器等实现物理世界信息的收集、识别和智能控制;通信子层可以通过通信模块直接与异构网关交换信息,也可以通过传感网、工业总线、小型无线网络等扩展通信范围,然后再与异构网关进行信息交换。

  1.1.1 无线传感器网络技术(WSN)

  无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等),并通过嵌入式系统对采集的这些信息进行分析处理后以无线的方式发送给观察者。其结合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。无线传感器网络结构如图2所示。

图2 无线传感器网络结构图

  图2 无线传感器网络结构图

  无线传感器网络节点是无线传感器网络的重要组成部分,通常包括传感器节点(sensor node)和汇聚节点(sink node)两类。传感器节点在对所探测到的信息进行初步处理之后,以多跳中继的方式将其传送给汇聚节点,然后通过卫星、互联网或者移动通信网络等方式到达最终用户所在的管理节点。

  传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元等四个部分组成,其结构图如图3所示。传感器模块主要由传感器、模数转换芯片及其外围电路组成,用于将采集的量转换为数字信号,并传输到处理器模块进行处理。处理器模块主要提供传感器节点协议栈的支持,并负责对收到的数据做相应的处理,进行缓存和转发。无线通信模块用于和其他节点间进行数据通信和消息传输,目前常用的无线传输技术有ZigBee和WiFi技术。电源管理模块主要用于电池电量的管理。

图3 传感器网络节点组成结构图

  图3 传感器网络节点组成结构图

  1.1.2 RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技术

  RFID也称电子标签,是自动识别技术的一种,是一种可通过无线射频信号的方式在无需阅读器与特定目标之间建立机械或光学接触的情况下识别特定目标并读写相关数据信息的无线通信技术。在物联网的架构中,RFID系统工作在感知层和网络层,用于完成识别、传输、共享信息等功能。RFID工作在低频、中高频、超高频和微波四个不同的频段:125-134.2kHz 的低频频段具有透水、有机组织和木材的特性;13.56MHz的中高频频段采用电感耦合方式,适合近距离应用;860-928MHz的超高频频段和2.45-5.8GHz的微波频段适合视距传输的需要。

  一个完整的RFID系统包含RFID读写器、RFID电子标签和数据信息应用中心,可以实现在光学不可见、无直接接触、无人工干预情况下识别物体、读写相关信息以及将相关信息发送到数据中心共享等功能。RFID系统结构如图4所示。

图4 RFID系统组成

  图4 RFID系统组成

  RFID系统三部分共同协作完成RFID系统中一次信息的传输、交换和管理。首先,RFID 读写器通过射频模块中的读写器天线将无线电载波信号发射出去,在RFID读写器周围形成一个有效识别范围,当RFID标签(无源RFID标签)进入RFID读写器的识别范围内时,RFID标签被激活,通过RFID天线发出的电池波获取能量,RFID标签通过 RFID标签内的天线模块将RFID标签信息发送出去;然后RFID读写器天线接收到这个射频信号,进行解码并识别出有效信息,然后根据程序设定进行处理;最后RFID读写器将经过处理模块处理的数据传输至RFID数据应用系统,以用于用户获取信息。有源 RFID标签的工作原理与无源RFID标签有些不同。有源RFID标签可以主动或者不主动发送信息,当有源RFID标签接收到RFID读写器发送的读写指令时,RFID标签才向RFID读写器发送存储的标识信息。

  1.2 网络层关键技术

  物联网网络层的基础是现有广泛应用的Internet和移动通信网等网络。物联网不仅需要远距离的通信,而且需要实现“物物相连”,综合运用成熟的远距离有线、无线通信技术、网络技术、WiFi、2G/3G/4G移动通信技术、IPv6技术等,实现了有线与无线通信相结合。

  互联网基于一些共同约定的通信协议,通过路由器与公共互联网相连,以信息资源的交流为目的,采用目前流行的客户机/服务器的工作模式,广泛使用TCP/IP协议。接入互联网的计算机,凡是使用TCP/IP协议的,都可以与互联网上的计算机进行通信。

  在移动通信网中,当前应用较为广泛的有3G、WiFi和WiMAX。3G是第四代支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术,综合了蜂窝、集群、无绳、移动数据、卫星通信等多种移动通信系统的功能,同时兼容固定电信数据网络,为用户提供语音服务和数据服务;WiFi是由接入点AP(Access Point)和无线网卡组成的无线通信网络,可实现各种便携设备在局部区域内的高速无线连接或接入局域网;WiMAX即全球互联微波接入,也称802.16无线城域网,是一种无线城域网接入技术,覆盖范围较广,适合较远距离的无线传输。

  1.3 应用层关键技术

  物联网应用层软件根据用户需求进行编写,符合特定行业的专业标准和用户特殊功能的物联网直接应用,可实现数据信息的处理和人机界面交互,是实现物联网的功能和行为的关键。物联网应用层软件一般可分为两部分:运行于服务器端的服务器软件和运行于客户端的客户端软件,在TCP/IP协议体系中的TCP协议基础上,当客户端和服务器都支持相同的HTTP协议时,依照HTTP协议可以简单灵活地实现客户端和服务器之间无连接、无状态的通信。

  物联网应用层软件的设计和实现涉及操作系统、数据库、面向服务的体系结构、云计算、软件运营服务模式、数据挖掘、中间件技术、人工智能等相关技术。

  2. 物联网技术在武器装备全寿命周期健康管理中的应用

  随着各种大型复杂武器系统性能的不断提高及系统组成的复杂性不断增加,各种信息技术和智能技术被广泛应用其中,使复杂装备的可靠性、维修性、故障预测与诊断及维修保障等问题日见突出。目前,对大型武器系统的维护仍然以定期维护和预防性维修为主,采用多、勤、细来保障系统可靠性及正常任务的完成。传统的维修保障模式是以耗费大量人力、物力与财力为代价的,并且效率低下。随着复杂武器装备遂行任务的日益增多,新的基于状态的视情维修(Condition Based Maintenance, CBM)开始得到研究与应用,其后勤保障规模小、效率高及预知性好等优势开始显露头角,也就推动了以CBM为基础的故障预测与健康管理的研究与发展。

  作为适应21世纪高技术战争的自主后勤保障系统的重要基础,目前美国军队正积极研发对未来信息化后勤发挥关键作用的信息化后勤装备及系统,将大量PHM技术应用于武器装备保障领域用于降低维修、使用和维护保障费用,提高复杂装备的可靠性和战斗力,从而实现武器装备的根本转型,这里面就包含了物联网技术的应用。因此如何利用物联网技术改进PHM系统,使得后勤指挥系统能够实时了解所有的作战后勤信息,准确预见作战部队的各种后勤需求,是当前我军维修保障亟需解决的问题

  2.1 武器装备全寿命周期健康管理(PHM)系统

  故障预测用于预先诊断部件或系统完成其功能的状态,包括确定部件的残余寿命或正常工作的时间长度;状态管理根据诊断、预测信息、可用资源和使用需求对维修活动做出适当决策的能力。PHM综合考虑上述两个方面功能,利用各种传感器在线监测、定期巡检和离线检测相结合的方法,广泛获取设备状态信息,借助各种智能推理算法(物理模型、神经元网络、数据融合、模糊逻辑、专家诊断系统等)来评估设备本身的健康状态;在系统发生故障之前,结合历史工况信息、故障信息、试车信息等多种信息资源对其故障进行预测,并提供维修保障决策及实施计划等以实现系统的视情维修。

  PHM是机内测试和状态监测能力的拓展,是从设备级状态监测与故障诊断到系统级综合诊断与状态管理的转变,其目的是减少维修耗费、增加战斗完好率和实现自主式保障。其中引入故障预测来预知、识别和管理故障的发生。装备故障预测与健康状态管理解决方案是状态监控、健康评估、维修决策支持和规划及控制的综合学科,如图5所示的复杂武器系统健康指标体系。有效的故障预测与健康管理解决方案包含4个主要步骤::(1)量度关键的系统使用参数;(2)确定反常状态及预测初始故障;(3)确定达到最佳工作效果的维修活动;(4)计划与控制维修工作。

图5 复杂武器系统健康指标体系框图

  图5 复杂武器系统健康指标体系框图

  PHM系统组成主要包括3个方面的内容:

  1)开放体系结构(Open System Architecture for CBM,OSA-CBM)

  OSA-CBM标准体系由美国海军出资组建的工业研究小组进行研究和验证,宾夕法尼亚州的应用研究实验室和机械信息管理开放系统联盟等也为此做出了贡献。目前,该体系结构已在包括美军海军舰船、民用车辆、飞机以及其他工业领域内得到验证,并被成功用于指导构建实际应用的PHM系统。

  2)分布式网络平台

  复杂装备的地域分布广,综合保障要求高,实施多个现场监测单元的综合诊断与系统的健康管理是必不可少的。分布式网络化设计平台为其实现提供了可行性途径。PHM的体系结构定义了分布式、松散型和异地协同工作的柔性网络平台。PHM网络平台一般采用是基于标准协议的三层浏览器/服务器(B/S)模型,建立三级系统模型:数据现场采集系统、SQL Server数据库服务器以及Web服务器。在B/S结构下,客户端只需要安装浏览器及相关的协议软件,即可浏览器访问服务器,软件的开发、维护与升级只需在服务器端进行,减少了系统开发与维护的周期与费用。B/S模型结构可实现数据管理与用户管理的更大的灵活性与开放性。

  (3)模块化功能设计与实现:

  PHM的开放式体系结构和分布式网络平台决定其应用系统的模块化设计思想。模块化软件结构可实现功能的灵活添加和删除,并提供软件功能的后续开发环境。

  2.2 武器装备全寿命周期健康管理(PHM)系统的物联网技术支撑

  物联网在军事上被誉为“武器装备的生命线”,能够将各种信息传感设备,如数据采集卡、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网结合起来而形成的一个信息交互网络,非常适合提升PHM的综合化、网络化、开放化的技术发展水平,可以与PHM系统无缝连接。

  2.2.1 传感器/RFID网络节点设计

  传感器/RFID网络节点是实现物联网装备智能信号采集的硬件设备,也是构成传感网络的基本单元。基于物联网的PHM系统中的传感器/RFID可呈星系状分布,具体结构如图6所示。武器装备综合保障是由一个一个的相互独立又相互联系、内部结构相同的子“基点”互联融合而成,多个基点组成“节点”,基点可认为是一个独立的小物联网。所有的最小“基点”的内部结构按物理结构功能进行划分,包括:电子细胞点、信息识别系、信息采集过滤、应用系统等基本系统。

图6 传感器/RFID网络节点

  图6 传感器/RFID网络节点

  电子细胞点是武器装备、军需物资的最小的完整单元,嵌入电子标签和传感器,形成一个可被物联网感知的一个活的细胞信息点;信息识别系统是具有可变结构的自组网系统,具有对电子细胞进行信息识别,或接收电子细胞的主动请求信息,同时可自动切入枝干信息服务网络,进行信息交互处理分发,应用系统是基于应用层的系统应用。以上四种基本系统相互作用融合成一个“基点”,而两个“基点”互联通信与内部融合原理相同。

  2.2.2 网络平台搭建

  传感网络的动态组网与监测管理是物联网装备智能信号采集与管理系统的核心机制之一。动态地组织、配置、调节相关的传感网络节点,以组成实时监测具体动力装备的智能传感网络,满足不同监测诊断的需求,实现设备状态数据的有效传输。主要包括基于传感网络的设备监测专用网的动态组建技术和基于物联网的多信息传感单元的关联管理技术两方面内容。使用互联网络平台,可通过TCP/IP 网络中处理、传输和接收数据,应用WEB服务器数据库技术合理存储和管理数据;使用3G或4G移动网络,需要使用集成TD-SCDMA或TD-LTE制式的通信模块进行二次开发。

  2.2.3 软件框架设计

  考虑武器设备在各技术领域的高度集成性、专业技术人员的有限性和非全面性及地域交通的限制性等,对设备进行健康管理需要一个柔性的软件框架。在柔性软件框架中,系统可以通过传感器网络获取设备的状态信息,这些状态信息经过信号处理与特征提取后,传送到CBM工具包。系统可以利用CBM工具包中模型(如灰色预测模型、比例风险模型、卡尔曼滤波模型等)对设备进行剩余寿命预测。此外,CBM工具包还可以与维修决策控制软件进行信息和功能的交互,对设备进行健康评估和制定维修计划。并且,信号处理与特征提取、CBM工具包以及维修决策控制软件可以为指挥中心提供数据分析、故障诊断、健康评估、寿命预测和维修决策等多种支持。该软件系统需要实现的功能如图7所示。

图7 柔性软件的主要功能模块

  图7 柔性软件的主要功能模块

  1)数据分析功能。

  设备状态信息应是多层次、多方面和动态的,既可以是实时监测信息,也可以是定期检测信息。该功能主要是对设备基础数据、状态信息、维修信息、维修资源信息和系统用户信息等进行采集、存储或处理,进行故障模式及影响分析(FMEA)的基础信,实时监测或定期检测的设备状态信息

  2)故障诊断功能。

  设备健康管理是随着故障诊断技术的进步而发展起来的。如果设备的劣化不能及时、

  准确地诊断,也就无法进行有效的状态维修。设备故障诊断采用多种分析方法(如相关分析与功率谱分析、倍频程分析、阶比分析、时间序列分析、模态分析、时频分析等)将采集的数据进行分析处理,查出故障点或劣化点。

  3)健康评估功能。

  该功能利用在线监测系统或离线检测系统获得的设备运行状态数据,可以定期或不定期地对设备状态做出评估,分析设备的性能衰退趋势,当设备出现劣化征兆时,向相关的设备使用人员、维修人员或管理人员分级报警。设备管理人员可以根据设备健康评估和分级报警结果及时进行维修决策。

  4)寿命预测功能。

  设备维修信息中心可以通过各种预测模型(如灰色预测模型、比例风险模型、卡尔曼滤波模型、人工神经网络等)预测设备或部件的剩余使用寿命,在设备严重停机事故发生之前,利用有效的预测功能可以保证有足够的时间制订和实施维修计划。

  5)维修决策功能。

  该功能主要包括维修计划制定、维修备件采购、维修任务调度、维修资源分配和维修策略优化等。在维修计划中,需要制定具体的预防及紧急维修计划,并激发维修任务调度功能。此外,还需要合理调度各类维修资源,如维修人员、备品备件、维修资金、维修工具及维修时间等。维修决策优化需要根据设备的重要性、可靠性、维修性、可监测性、经济性和维修能力等对维修方式与维修类型、维修时机等进行决策,。

  3. 物联网技术在阵地体系协同管理中的应用

  军事阵地的综合管理系统作为一个复杂的信息系统,涉及土木工程、通风空调、发/供电、环境监测、设备监控、网络通信及信息管理、反侦察伪装和安全警戒等多学科技术的综合应用。阵地物联网管理平台应用了物联网感知、接入、组网等技术,其总体开发目标是对人员出入、工程设备和阵地环境等进行整合,实现动态、规范、可跟踪、安全的资源管理,如图8所示。

图8 阵地综合管理框图

  图8 阵地综合管理框图

  结合物联网基本结构及物联网应用系统开发分析,阵地协同管理系统的体系结构可分为传感控制层、网络通信层和应用数据服务层3个层次,如图9所示。传感控制层是整个网络的神经末梢,完成对环境、人员和设备的感知、跟踪与控制。网络通信层进行各种异构网络的融合和相关传感数据的交换,完成数据传输和网络控制。应用数据服务层完成人机交互和信息处理,进行数据挖掘、融合和分析处理,提供服务发现和服务呈现。

图9 阵地物联网系统架构图

  图9 阵地物联网系统架构图

  阵地物联网协同管理系统是以无线传感器网络和RFID技术应用为基础的网络应用框架,把移动/非移动设备和人体贴上标签,实现跟踪管理,完成对环境参数、设备状态等的监控。

  1)阵地物联网协同管理系统无线传感器网络设计

  阵地各个小区域内布置多个2.4GHz 的终端节点,每个大区域下又包含多个小区域,这些终端节点形成一个局域网,在局域网中设定一个或多个汇聚节点。汇聚节点采用高性能微处理器,如 ARM7 系列控制器,有较大的内存和足够的能量,同时具有2.4GHz的CC2530 ZigBee无线收发模块。其中汇聚节点是连接阵地感知层网络和阵地外部公网的桥梁,实现两种协议之间的通信转换。所大区域的汇聚节点共同组成阵地局域网,通过无线方式将采集的原始数据经过网关直接连接到公共通信网络,实现阵地的远程数据采集、监视和控制等功能。

  2)阵地物联网协同管理系统RFID系统的开发

  通过基于RFID技术的管理系统可随时随地调取军用装备记录,便于装备的使用和管理;通过RFID读写器可读取人员身上的标签,进行身份识别,并对其进行准确定位; 融合RFID技术的安防门禁系统可识别人员出入级别,实现区域的有效管理,保证重要区域安全;利用 RFID 技术实现对人员和区域的管理,实现人员考勤、阵地人员出入、车辆进出管理、受限区域管理、阵地安防管理等功能,如图 10所示。

图10 RFID技术在阵地物联网协同管理系统中的应用

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关键词:物联网技术, RFID技术, 武器装备 ,网络营销

责任编辑:杨爽

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