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物联网技术在现代军事中的应用与实践

来源:一卡通世界      作者:于君,张雪英      2012/11/12 10:18:41

    摘要:探讨了物联网技术、射频识别技术、无线传感器网络、泛在网络的基本概念及相互关系。结合实例从军事资产管理与后勤保障、单兵身份识别与状态监测、战场感知与攻击系统等方面论述了军事物联网技术的应用原理和发展实践。从军事物联网技术标准、RFID 技术安全性和防碰撞算法方面阐述军事物联网技术应用中的问题及发展现状。

    0 引言

    随着信息通信技术、传感器技术、微机电系统( Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS) 、数字信号处理技术等学科的发展,物联网技术已经从本学科的理论研究阶段过渡到融合各学科的应用实践阶段,并且在相关领域取得了一定的成果,例如中国移动“企业安防”系统、中国移动“电梯卫士”系统、中国移动“感知太湖·智慧水利”应用、中国移动“智能交通”、中国电信“物流e 通”等。特别是在现代信息化战争背景下,物联网技术体现出在军事领域的重要技术价值和战略意义,例如基于天空和陆地无线传输媒介的便携运输追踪装置( Portable In-Transit TrackingUnit,PITU) 、智能抽屉军械库系统( Intelligent Drawer ArmorySystem, iDAS) 、战术医疗协作系统( Tactical Medical Coordination System,TacMedCS) 、军事物流可视化管理系统( Military Logistics Visibility) 等。

    基于物联网技术的重要经济价值和战略意义,各国都将物联网技术的研究应用和推广实践,例如中国的“感知中国”计划,特别是“十二五”规划明确重点扶持战略新兴产业,物联网技术作为新一代通信技术上升为国家战略,例如,美国颁布的“智慧地球”战略,美国家情报委员会发布的《2025 对美国利益潜在影响的关键技术》报告中将物联网列为六种关键技术之一,欧盟执行委员会发布《欧洲物联网行动计划》,韩国通信委员会发布《物联网基础设施构建基本规划》以及“U-Korea 战略”,日本颁布的“I- Japan 战略2015”等。

    1 物联网的相关概念

    物联网的概念由麻省理工学院的Auto-ID 研究中心Ashton 教授于1999 年在研究RFID 时最早提出,随着物联网技术的发展,相关各学科技术的交叉融合和相互渗透,物联网的概念得到了更全面的诠释,但同时也出现了部分概念混淆的情况。下面针对物联网、射频识别技术、无线传感器网络、泛在网及其关系作了简要阐述。

    1. 1 物联网

    物联网指的是将无处不在的末端设备/设施( 包括具备“内在智能”的复合传感器、移动感知终端、工业监控系统、智能楼宇系统、环境监控系统以及“外在使能”的加装RFID 的流动资产及人员等) 通过各种无线/有线的长短距离信息通信网络( 内网、专网、公共互联网) 和信息安全保障机制实现互联互通、应用集成、安全可控的行业知识管理服务业务平台[1]。

    通常物联网系统技术架构分为信息感知层( 感知、识别特定物体信息) 、数据交互层( 数据交互传输) 、信息应用层( 建立适用于个人、企业、政府的应用解决方案) 三层; 其应用方案包括五个关键要素,即可接入网络的智能设备( Pods) 、无处不在的有线和无线的宽带网络( Pipes) 、数据管理设备( Plexes) 、数字化管理设备( Panels) 以及应用支撑和运营( Platforms) [2]。

    1. 2 射频识别技术

    射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频电子设备产生的射频信号( 主动标签,Active Tag) 或空间电感耦合或电磁反向散射耦合( 被动标签,Passive Tag) 自动识别目标对象并获取单个或多个对象信息数据,并且可以通过读写设备更新对象信息。完整的射频识别系统包括RFID 标签( 内置天线) 、RFID 读写器和RFID 数据管理系统,非接触式IC 卡自动收费系统就属于典型的射频识别系统。射频识别技术通常应用于物联网中信息感知层。

    1. 3 无线传感器网络

    无线传感器网络( Wireless Sensor Network,WSN) 是通过部署在敏感区域的传感器实现信息感知、数据处理并通过传互联网、移动通信网等传输方式实现信息交互和传递,每个传感器网络节点( Sensor Node) 可根据程序算法进行独立响应流程或将数据传输至综合数据分析系统实现智能决策和控制,并完成人与人、人与物、物与物的全面互联网络,具有低功耗、自组织、低速率、短距离等特点。无线传感器网络可作为物联网的衍生子网,通常应用于物联网中信息感知层。

    1. 4 泛在网络

    泛在网络( Ubiquitous Network,UN) 是基于个人或社会需求通过信息网络通信技术,实现个人与个人、个人与设备、设备与设备之间进行信息感知获取、数据传输存储、智能决策功能,为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。泛在网关键特征中的“5C”: 融合( Convergence)、内容( Contents) 、计算( Computing) 、通信( Communication)、连接( Connectivity) ; “5Any”是: 任何时间( Anytime) 、任何地点( Anywhere) 、任何服务( Any Service) 、任何网络( Any Network) 、任何对象( Any Object) [3]。泛在网络不仅包括了物与物之间的交流,还包括了物与人、人与人之间通信,是全方位沟通物理世界与信息世界的桥梁。泛在网络通过感知设备与无线通信网络技术更关注人与周边环境的和谐交互,它既涵盖互联网的部分,涉及物联网部分,同时还有具有智能系统的功能( 智能推理、情境建模、上下文处理、业务触发) 。

    射频识别技术是物联网感知层的一种自动识别技术,射频识别技术实现了物理世界和信息世界的无缝融合,因此可将RFID 标签视为一种特殊的传感器[4]。无线传感器网络可作为物联网感知层的衍生子网组织形式并且可以独立完成环境响应功能。泛在网络是物联网技术的更高级形式,它高度融合了信息通信网、互联网、物联网,可实现复杂网络类型、多行业特征、异构信息技术的深层次组织融合和协同运行[5]。

    2 物联网技术在现代军事中的应用与实践

    随着军事信息化变革的逐步深化,信息化军事系统已经由最初的“C2”系统阶段———指挥( Command) 、控制( Control) ,发展到了“C4KISR”系统阶段—指挥( Command)、控制( Control) 、通信( Communication) 、计算机( Computer) 、杀伤( Killing) 、智能( Intelligence) 、监视( Surveillance)
、侦察( Reconnaissance) 。通过集中化信息融合平台将各类战场信息汇总分析形成基于多兵种类型、多维度空间、复合参数指标、复合专家决策的信息化战略数据网络系统。物联网技术的军事化应用可满足战场的多层面信息收集、识别、传输、挖掘、决策等功能体系要求,为加快现代信息化军事变革提供了有力的支持。

    2. 1 军事资产管理与后勤保障

    军事资产管理包括军械管理、运输管理、军事物资等方面内容; 军事后勤保障包括日常生活、军事训练、任务行动等方面的后勤支援。军事物资管理包括装备食品、武器弹药、易燃易爆品、有毒有害品等,通过基于RFID 技术的军用物资管理系统可随时随地调取,物资统计登记无需人工登记,防止了人员误操作、数据更新延迟、简化盘点流程、提高盘点质量等,军械的维修和使用记录可以实时记录,便于军械的升级和完善,同时可以实现“托盘化”的集中分拣和管理,可以有效降低军械物资的搬运次数和破损几率,按照先进先出( FIFO) 的原则最大限度的发挥军械的军事效能。例如英国的智能抽屉军械库系统( Intelligent Drawer Armory System, iDAS) 、美国的“EasyArms”武器追踪方案等。

    军事物流( Military Logistics) 是指在军事力量在日常生活、军事训练、执勤作战所需军事物资的筹措、生产加工、包装运输、仓库贮存、调配供应等环节,最终送达部队消耗使用,实现空间转移的全过程,并具有保障军事行动、物品种类特殊、流动性保密等特点。通过物联网技术可将军用物资在整个消耗过程进行闭环监控管理,在生产环节结合RFID 技术记录军事物资的名称型号、生产日期、存储方式、注意事项等信息,对于易变质的物资可通过植入响应检测传感器对物资状态进行无损质量监测,批量化包装后可对该批次物资进行整体数字化入库并在军网物资调配管理系统登记注册。以公路军事运输为例,在启用物资时,通过仓库的RFID 读写器自动获取运输车辆的合法性数据、出库物资明细、核查物资的状态是否正常并记录出库时间。在运输环节可结合军车全球定位系统( GlobalPositioning System,GPS) 和专用通信系统结合地理信息系统( Geographic Information System,GIS) 实时获取物资所处位置、物资状态等信息,同时为军车提供前方道路、气候信息、目的点状态等环境信息以便于物资运输。在入库环节通过读取物资信息、人员信息、车辆信息确认合法身份,确保军用物资可用性和储备仓库安全性,同时在系统中融入最短路径算法,有效缩短物资的搬运带来的能耗和时间。在物资分发环节,可实现精确到单兵的数据记录,直至物资消耗或回收[6–7]。军网物资调配管理系统可实现透明化、可追溯性并具备良好的操控性,通过物资流转时间节点记录可以为整个战役的物资调配提供科学准确的量化参考指标,缩短了军用物资流转周期,降低了物流人员数量,缩减了物资调配消耗的费用,提高了物资信息的精确性,增强了军事战争全局掌控力,实现真正意义上的自适应军事物流配送。

    美军通过“全资产可视性( Total Asset Visibility,TAV)计划”实现后勤保障系统对人员流、装备流、物资流的全程透明化管理,实现了“被动储备式”后勤向“主动配送式”的转变。以伊拉克战争为例,较海湾战争而言,海运量减少了87%,空军运量减少了88. 6%,战略支援装备动员量减少了89%,战役物资储备减少了75%,物联网技术将传统物资分配流程所需的几天时间缩短到了20 min[8]。我军在资产管理及后勤保障方面的应用包括采用基于RFID 防伪技术的全军军车号牌用于遏制假冒军车号牌,融合RFID 技术的军事学院自动门禁系统等[9]。

    2. 2 单兵身份识别与状态监测

    基于RFID 技术的单兵状态检测包括士兵个人身份识别、士兵生理状态监测两方面功能。通过集成在“士兵牌”中的RFID 芯片、多模态生物特征识别算法以及战场单兵身份识别系统来区分敌我身份[10],特别是在城市建筑作战中可通过“士兵牌”获取战友位置信息便于小队任务协作,有效减少误判导致的内部伤亡。士兵生理状态监测是将个人医疗历史记录在RFID 芯片中,对处于昏迷状态的伤员或数量较多时的战地抢救可直接获取读取历史信息,提高医疗效率; 通过“士兵牌”集成的微小生理传感器可以不断获得士兵的各方面生理指标,将单兵生理信息汇总后传输至作战指挥部将为战略指挥和态势评估提供强有力的支持。例如美军的单兵电子病历卡( Personal Information Carrier,PIC) 、战术医疗协作系统( Tactical Medical Coordination System,TacMedCS) 等[11]。

    2. 3 战场感知攻击与指挥评估系统

    随着微机电系统的工程化发展,微型传感器为信息化战场感知体系的重要组成部分,结合数字信号处理、模式识别算法、无线组网等技术实现了战场的复合维度感知体系,通过声波、震动、磁场、红外、图像等传感器采集战场环境数据传输至作战单元或指挥系统。

    作战单元是指自身融合了数据融合分析系统、攻击战斗功能的传感器节点,由若干个作战单元组成了无线传感器攻击网络,每个节点可以自行感知探测并实现战斗功能,节点之间根据所处位置特点进行相互“唤醒”和联合攻击,通过“唤醒”功能可以规避作战网络中个单元长时间值守所需的能耗,同理,各作战单元可采用无源传感器作为“值守”传感器触发该单元整体功能以减少单元自身值守所需能耗。利用RFID 技术进行敌我身份识别,当敌方目标进入探测范围内,传感器网络根据其运动路径自动或人为控制完成目标定位、运动汇聚和火力攻击( 如图1所示) ,自动完成“观察—判断—决策—行动( Observe-Orient-Decide-Act,OODA 循环) ”的整个流程,真正实现“发现即摧毁”的感知攻击战斗功能。

 军事物联网程序设计流程图

图1 程序设计流程图

    指挥系统的主要任务是通过传感器单元获取战场环境数据、感知评估作战态势、优化指挥调度、监督任务执行等等,此类系统主要用于探测分析、袭击检测等方面。该模式通常是通过大量投放微型传感器至敌占区或交战区域,获取气候温度、地理结构、战略部署,同时可以利用复合传感器传送回的数据进行解码、分类、统计、分析等环节对特定目标的活动形成完整的记录以实现目标行为分析、军事活动预测。例如美国的远视目标识别系统( RemoteBattlefield Sensor System-View,REM-VIEW) 、沙地直线系统( A Line in the Sand System) 、战场环境侦察与监视系统、反狙击手声测定位系统等。

    2. 4 其他应用

    由于RFID 技术中的多样化标签特点[12]:

    1) 可靠、防拆加密、高速( ≥60 km/h) 、远距离( ≥20 m) 识别的UHF-RFID 标签,用于对车辆、集装箱、大型武器装备的识别,主要用于军事物流、部分工业物流和重要部位的车辆监管等;
    2) 慢速、长距离( ≥10 m) UHF-RFID 标签,用于工业物流和仓库门禁等;
    3) 近距离( ≤11 m) HF-RFID 标签,用于一般“物品”的识别。

    结合“不同识别速度、不同识别距离”特点,将电子标签安装于军事车辆的金属表面或者车窗,可实现“驻地警戒”功能,即在安全距离预先获取车辆的身份信息,对于非法身份目标提前进行安全警戒和防御部署。在军事驻地能源电力供给方面,基于物联网技术可实现传输电网状态监测功能,即通过传感器技术对导线温度、弧垂、等值覆冰厚度、导线舞动情况等方面进行实时监测和关键环节的预警决策[13],当军事驻地出现断电情况时在启用备用电源的同时可实现迅速定位排障,保证军事驻地安全。

    物联网技术不仅实现了军事设备与军人之间的沟通,也实现了智能武器之间的协同作战,通过战场的传感器对目标位置和兵力部署的感知为远程攻击武器提供了准确的地理坐标和火力需求。军事机器人之间通过物联网技术使其能够完成战况分析、方案评估并配合协作完成攻击计划。

    3 军事物联网应用实践中应注意的问题

    物联网技术在加速现代信息化军事进程中的发挥着重要的作用,但是由于物联网技术和军事战争的特点使得其在发展进程中仍然存在着一些问题,有待完善。任何技术的发展都是基于标准规范的制定,在框架下的技术应用可以有助于行业的形成与发展,特别是构建军事物联网技术标准化体系将成为完善军民一体化物资流动管理、提高军事战争后勤保障以及研发军事物联网项目的关键。RFID 技术中标签的可靠性、安全性、准确性、可读取性成为大规模军事部队应用的技术基础,无源标签与读取器之间信息流受到军事复杂电磁环境的严峻考验,由于RFID 的开放性特点使得防止信息泄露、标签克隆、数据篡改的加密技术成为了军事物联网的研究热点,加密技术的使用主要包括信息获取、网络传输、应用平台,例如,在信息获取环节可通过双向算法加密实现对读写器本身数据的保密,物理加密( 指纹、语音等人体特征) 实现对读写器操作人员的身份验证,在应用平台环节可通过建立管理系统操作权限系统和登陆日志管控平台以降低信息泄露概率。多标签、多读写器防碰撞算法的相关研究推动着军事物联网技术的应用,多标签/多读写器防碰撞算法国内外已有较多的研究成果,例如基于二进制树形搜索防碰撞算法、基于ALOHA 机制算法、自适应图着色算法、基于热处理策略的神经网络算法、Colorwave 算法、Q-Learing算法、Pulse 算法等[14]。

    军事物联网技术的应用使得继陆地、海洋、天空、太空、电磁空间后的第六维战场———网络战场成为了现代化战争中的关键,物联网时代的军事对抗重点已经从有形的坦克、导弹战场转向了无形的数字信号空间,军事物联网技术的发展速度将对未来信息化战场的胜负起到至关重要的作用。

    作者简介:于君,女,博士生,主要研究方向为物联网技术及应用;
张雪英,女,教授,博士生导师,主要研究方向语音信号处理、DSP 应用及多媒体通信、物联网技术及应用。

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