物联网技术在人工影响天气业务系统中的应用

陈轶敏 姚梦涛 孙永涛

【摘 要】应用物联网技术对人工影响天气业务系统的弹药进行自动识别、跟踪定位和管理，在每个弹药上安装UHF RFID唯一身份标签，在弹药生命周期的三个环节中，安装相应的识别及控制系统，实时采集弹药信息及状态，通过无线通信方式上传并实时显示，实现人影弹药的全程闭环管理。系统不仅实时采集信息，而且满足人工增雨、防雹等各种恶劣环境的作业要求，已经在贵州、新疆等地区成功试验及应用。

【关键词】人工影响天气 物联网 RFID GPS GPRS 电子罗盘

1前言

上世纪90年代提出物联网概念，它的定义是通过传感设备，将物体与互联网连接起来，进行信息交换和通信，实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网技术最早应用于物流管理，随着对物联网的概念、内涵、技术、应用研究的不断深入，将在工业生产、精准农业、公共安全监控、城市管理、智能交通、安全生产、文物保护、环境监测、远程医疗、智能家居众多领域得到应用。人工影响天气的飞速发展，对管理技术提出更高要求，采用人工管理的模式已经无法满足弹药安全管理、作业数据统计分析、科学指挥作业和作业效果评估的需求，人影业务迫切需要注入先进技术和管理模式，通过物联网技术可以实现数据的自动采集和传输，提高人影业务管理效率，实现人影科学化、信息化管理。

2人影物联网应用需求

人工影响天气业务管理包括人影弹药的跟踪监控，装备状态管理，气象信息监测及应用，人影作业信息采集及分析处理，人影作业指挥、人影作业效果评估、人影操作人员管理等方面。气象监测和应用方面目前发展较健全，但是弹药、装备及作业方面的管理还较落后，没有建立准确有效的作业数据采集及数据统计分析管理机制。为弹药、装备及操作人员建立电子信息，通过物联网识别技术可以实现弹药、装备的自动识别、跟踪和监控，由无线传输网将信息传输至互联网实现人影信息共享和管理。

人影业务中需被采集的信息类型多样、包括涉及火工范畴的火箭、炮弹、烟条等弹药，发射架、高炮、地面燃烧炉、飞机播撒器等装备、使用环境和流动环节差异较大，实时性、快速性、安全性及准确性的要求很高，人影业务各环节人员操作规范性和安全性至关重要，人影业务物联网管理不仅要实现对物的识别管理还需将人员信息纳入管理环节中。在人影物联网系统中传感器的布局和安装、电磁干扰、操作安全性、采集快速性、传输准确率等问题是人影物联网能否成熟应用的关键。

3人影物联网系统实现的技术方案

人影物联网网络架构由感知层、网络层和应用层组成，应用层又可分为数据处理层和服务层，网络架构见图1。

3.1弹药、装备识别技术（感知层）

人工影响天气业务中的弹药安全管理需做到准确、安全、方便、快速、信息易于传输，而且必须具体到弹药个体。弹药、装备使用环节和环境不固定，包装方式不同、包装数量、类型也不不固定，给识别带来困难。

目前广泛应用的识别技术包括一维、二维码识别技术、射频识别（RFID）技术。一维码和二维码信息容量有限，需要在视距范围内逐个读取信息，识别效率低。RFID是一种非接触式的自动识别技术，信息容量大，可实现单个产品编码唯一，通过射频信号同时自动识别运动中的多个产品信息，识别效率高。条码识别无法实现一个弹药对应一个唯一条码，需采用RFID识别，出厂时由生产厂家将EPC代码标签即电子标签植入弹药体内，为弹药建立唯一的身份代码。

RFID识别技术包括RFID标签和读写器，分为有源识别和无源识别两种模式。从弹药安全方面考虑，采用无源标签仅在进入读写器电场范围内才被动感应电场，获得瞬时能量读取芯片内储存信息，识别范围小，对弹药的安全威胁低。有源识别虽然识别距离远，但标签内携带电池，价格贵，受到电池寿命制约，且一旦植入标签后，弹药在储存过程中始终处于标签发出的电磁场环境中，受电磁辐射影响较大，对弹药安全构成威胁。

3.2弹药、装备定位跟踪技术（感知层）

弹药、装备使用的多个环节都处于移动状态，需进行定位跟踪， 在弹药移动各环节使用的设备上安装定位系统可以实现弹药装备定位跟踪。

全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准，满足位于全球任何地方连续精确的三维位置、三维运动和时间的需要。使用用户仅需配备GPS信号接收机，即可实时结算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息，目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，适合人影物联网系统使用。

3.3信息传输技术（网络层信息汇聚和传输）

人影系统中许多业务需要在没有电力网络和通信网络覆盖的区域进行，使用环境复杂，条件简陋，完全利用广域网或公共网络无法满足人影业务需求，需要采用自组网和公共网相结合的方式实现信息传输。人影业务中对弹药和装备的相关信息必须进行实时、快速采集，但对数据传输的实时性要求可以降低，只需确保数据真实准确。在山区及偏远地区等无移动通信网络的区域，运用低功率UHF无线通信技术进行小范围近距离通信，全天候工作，实时将感知层的采集信息汇总到一起进行储存，再通过移动通信在网络覆盖或网络通畅时传输至互联网。

公共移动通信网络有3G、GPRS。其中GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务）是一种基于GSM移动通信网络的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS是目前我国广泛应用的移动网络之一，覆盖范围广，应用成本低廉，模块选择种类繁多，技术成熟，模块价格便宜，实现方案简单，虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是目前我国人影物联网系统需传输的数据量不大，比较适合采用GPRS技术，后期的等待3G网络全覆盖时再进行网络传输升级。

3.4人影信息管理及作业指挥系统（应用层技术）

人影物联网系统应用层技术包含对采集信息的分类存储，数据分析处理，安全威胁报警等信息处理类技术，以及作业预警指挥、专家系统等决策分析类技术。人影物联网应用层是对数据进行分析处理，结合气象监测、GIS进行作业预警及指挥的系统，采用B/S与C/S相结合模式，按照角色区分管理权限，实现互联网上人影信息安全共享，不仅能够有效进行作业预警及指挥，而且具有安全隐患预警能力，安全监管弹药，及时进行防范。应用层可以根据客户使用要求不断开发完善。

4人影物联网系统应用方案

应用物联网技术，结合我国人影业务系统具体情况，研究出人影物联网管理系统，在弹药使用环节中安装相应的感应设备，在弹药和装备上安装无源UHF RFID电子标签，装载弹药和装备的详细特征信息，实现弹药和装备的全程识别跟踪管理。

人影弹药流动环节可简化为弹药存储、弹药运输和弹药发射使用三个过程。在这三个过程中安装设备进行识别跟踪和信息采集即可完成弹药全程跟踪管理。

弹药储存库房中安装库房管理控制系统，系统包括RFID读写器、GPRS、拍照系统，设置弹药扫描区域，在合适位置安装读写器，使弹药在出入库房门的过程中进入扫描区域时，无需人为干预，读写器即可在30s内一次性读取200枚以内数量的弹药信息，快速储存并上传。操作过程中，系统将操作人员的信息自动扫描并上传，确保弹药安全责任落实到人。

弹药运输车辆上安装弹药运输跟踪系统，跟踪弹药运输过程，运输跟踪系统包括GPS、GPRS以及读写器，GPS记录车辆行驶路线并通过GPRS实时上传，车辆停止时，启动读写器扫描是否有弹药离开车厢，若有弹药离开车厢，识别离开车厢弹药的信息并记录车辆位置，上传弹药信息。运输跟踪系统上传信息还包含弹药交接人员信息，确保弹药交接的时间、位置和人员信息完整。

在火箭发射架、高炮炮架、地面燃烧炉等人影装备上安装弹药点火控制及信息采集系统，控制弹药点火发射的同时，通过RFID识别器自动识别发射弹药的电子信息，以及通过电子罗盘、GPS等采集弹药发射的俯仰方位角、发射点经纬度坐标、发射时间、及发射弹药的电子信息。并通过GPRS实时上传互联网。该系统不仅完成了弹药最后过程跟踪，而且为人影作业指挥和效果评估积累数据。

信息采集上传互联网后，由人影物联网管理平台、结合专家系统、监测系统等应用软件将实时采集的弹药和装备的信息进行分析处理，显示弹药状态，形成各类报表，为作业预警和作业指挥人员提供决策信息。实时盘点弹药和装备状态，当弹药和装备接近报废日期时，报警提示管理人员先行使用将过期弹药，或对装备及时进行检测维护。

5试验验证

对人影物联网管理系统进行了模拟和实弹试验验证，共计进行模拟弹药出入库500余次，点火头模拟发射1500余次，模拟点火10000余次，实弹发射300余次，模拟运输1000km以上，数据采集和传输可靠，数据解析显示正确。在贵州、新疆等地进行安装试用，共计出入库200枚，实弹运输20枚，运输里程200km以上，进行5、6次防雹作业，发射WR-98实弹200余枚，经验证出入库操作简便、运输跟踪过程数据上传连续，定位跟踪准确，发射成功率100%，满足各种恶劣作业环境使用要求，防雹作业操作快速性要求，数据采集上传准确，服务应用软件界面友好，显示清晰。图2 是部分防雹作业上传数据截图。

6结语

本文中介绍的人影业务物联网技术应用成功，满足实际使用要求，技术可行，系统可靠性高、使用方便，适用性强，具有较好的推广应用前景。物联网技术是一个渗透型技术，逐渐渗透到各个领域及人们的日常生活中，人影物联网尚处于起步阶段，还需经历长期的研究应用过程，尤其对应用层的不断完善开发，才能使物联网系统为人影业务更好服务，提高人影科学化作业水平。

参考文献：

[1] 孔小波.物联网感念和演进路径.电信工程技术与自动化，2009年第12期.

[2] 管继纲.物联网技术在智能农业中的应用.通信管理与技术，2010年第03期.

作者简介： 陈轶敏（1972—），女，陕西西安人，高级工程师，主要从事人工影响天气作业系统研究。