基于物联网技术的智慧营区系统
2016-12-23 11:32:58
    将物联网应用技术引入智慧营区,提出了智慧营区物联网概念,以促进智慧营区与信息管理系统的对接和融合。首先,给出了智慧营区物联网定义,分析其特征,描述其体系结构;其次,结合物联网实际应用问题,分析了建立智慧营区物联网的关键技术;再次,介绍了基于物联网技术的 智慧营区系统组成、工作流程及主要功能;最后。讨论了智慧营区物联网建设面临的挑战。显然,智慧营区物联网对于有效提升军事营区的综合管理与保障能力具有重要意义。 
    引言
    随着信息化技术飞速发展,数以亿计嵌入式系 统为人类社会提供了大量零散服务,物联网技术则 将零散服务整合起来。该技术钱够感知并采集物理 世界的信息,通过信息传输网络将数据信息传输至 上层,并呈现给底层用户。上层网络将采集到的所 有信息以云计算方式融合在一起,实现物与物、物与人和人与人之间的交互。随着物联网技术的推广以及新军事革命的变革,物联网技术正逐步应用到军 事信息化建设中,发挥重要作用。目前,国内军事单位已建设了营区监控系统,研制并配发了各种信息系统,基本完成军事营区的可视化管理和信息化建设。但仍存在不足,如感知手段单一,离智能化 相差甚远,各种信息系统的使用缺乏兼容性等。为 此,本文将物联网应用技术引入军事营区建设领域,提出了智慧营区物联网概念,构建了基于物联网的 智慧营区信息系统,透明感知营区周围环境,实现了军事营区管理系统的集成和融合,以促进营区管理模式和保障方式的有效转变。
    1 智慧营区物联网
    1.1概念 
    物联网作为信息产业革命的尖端技术,具有较强的网络整合能力,可实现物与物、物与人之间的交互。它将军事工程的相关要素整合在一起,实现r信息的无缝链接和对相关要素的一体化管理。
    目前,智慧营区物联网尚无一个公认的定义。本文将智慧营区物联网定义为:通过射频识别 (RFID)设备、红外感应器、全球定位系统、激光扫描 器和雷达探测仪等信息传感设备,按照一定协议,将军事营区的设施、人员和武器装备等相关要素通过 战术无线网、地域通信网和空间广域网等融入联合作战和保障体系,从而形成能够智能化获取、传输与处理军事营区信息的物联网。智慧营区物联网可为军事营区管理提供信息化保障手段,有效提升了营区管理保障能力。 
    首先,进行基于物联网技术的智慧营区系统建设,通过综合利用二维码、RFID、嵌入式、无线传感 器和卫星定位等技术手段,对需要感知的对象进行 标识;接着,利用信息识别设备,对上述标识信息进 行识别,以获得感知对象的数字信息;然后,通过网 络技术将这些信息及时且准确地传送至信息处理中心,再由处理中心对信息进行汇总和融合后,传输至 营区指挥信息系统;最后,由指挥信息系统通过综合分析和智能处理,使营区首长和各单位主官实时掌握和感知对象的详细信息,以便正确决策。 
    1.2特征 
    智慧营区物联网是一种特殊应用,具备物联网技术所有特征。同时,因其应用背景具有以下特殊 性比普通物联网具有更高要求。 
    1)感知性:通过大量分布式传感设备感知和获取物体的相关信息。因营区本体及其环境的特殊性,感知难度增大,具有一定的感知黑箱特征。 
    2)多种网络异构性:数据信息的传输通过不同类型通信网络完成,包括现场总线网络、无线传感器网络、工业以太网和指挥通信网等。 
    3)数据资源异构性:智慧营区物联网历史、动态和静态数据;多源化指数据来自不同方面,包括环境、设备和工程结构等数据;多模式指数据包括图像、视频和音频等不同模式。 
    4)应用服务综合性:智慧营区物联网是负责营区管理保障的信息系统,一项管理任务的完成需要相关服务间关联、配合、互动和协调,从而为装备和管理保障人员提供一体化的应用服务。 
    5)可靠性:包括数据信息在传输过程中不被窃取的可靠和数据传输不丢失的可靠部分。任何一项数据的不可靠传输将直接导致营区管理保障能力下降,甚至导致营区安全管理失效。
    2 体系结构
    根据完成功能的不同,智慧营区物联网可分为感知层、网络层、监控管理层和服务层4层,其体系结构如图1所示。
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    1)感知层:是智慧营区物联网的感知器官。通过分布式传感设备深入营区环境、结构、设施、设备、物资和装备中,对目标信息进行感知,并对获取的信息进行处理。主要包含电子标签和识读器、二维码标签和读取器、智能摄像头以及各种参变量的传感器等终端。 
    2)网络层:其功能是通过融合感知网、监控管理网和指挥通信网等负责感知层与上层应用之间的数据信息传输,包含管理中心、信息中心和融合网络等,是物联网技术实现的关键。
    3)监控管理层:包括数据库和工具库2部分。数据库对各子系统的实时数据进行汇集和历史存储,构建云实现信息的共享和管理;工具库则负责操作数据库和实现保障业务的人机交互。 
    4)服务层:通过汇集和处理各区域数据库数据,利用数据挖掘等技术对数据进一步提取,形成供指挥者决策的支持数据,并采用一体化服务系统为指挥决策者提供一个形象直观的界面。
    3 关键技术
    3.1 标 识 
    在智慧营区中,利用标识技术可对任意环境和条件下的物资、人员及装备进行编码标识。通过该 编码,可找到营区内任何一个成员。同理,根据该唯一标识可查找或检索到营区内每个物资或装备,标识最鲜明的特征是唯一性。 
    3.1.1 标识代码
    研究过程中常用数字和字符的组合代码作为标识代码,使用较方便。对于属性编码,需先归纳物品属性,再有机整合。虽然这种标识有难度,但在未来智慧营区发展中!物资、装备及人员的唯一标识是一种数字身份的象征。从目前技术看,这种数字身份在未来一段时期内只能通过唯一编码技术实现。在数字层面研究营区内部动态行为信息交换,是物 联网智能化的基础和前提,智慧营区只有利用标识技术才能真正实现连接和管理一切物品。 
    3.1.2 网络标识 
    为实现信息交换,不仅需拥有个体编码,还需要网络标识。网络标识和个体编码同时接入网络配置,才能实现信息交互。根据物联网建设经验,网络编码是逻辑编码。如营区个体自身附有一些传感器和定位识别器,则便于网络获取这些地址。网络标识是个体自身编码的扩展,或在注册查询系统下与个体编码链接,可实现个体间查询和检索功能。 
    3.2 自动识别和传感 
    利用自动识别和传感技术实现物与网的结合,是建立智慧营区的核心技术和重点内容。近年来,RFID应用较多,它不仅可获取信息,还可与传感设备集成。将具有强大物品标识能力的RFID与传感器的数据采集和处理功能有机整合,可推动物联网技术的发展。
    3.2.1 RFID
    RFID技术利用射频信号及其空间耦合和传输特性,达到目标识别和数据交换的目的。RFID系统由电子标签、阅读器和天线3部分组成,如图2所示。
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    3.2.2无线传感器网络 
    无线传感器网络(wSN)是集分布式数据采集、传输和处理技术于一体的网络系统,是当前多学科高度交叉、新兴和前沿的~个重要研究领域口],WSN拓扑结构如图3所示。WSN是一种以数据为目的的网络,通过在监测区域随机部署大量无线传感器网络节点,实时监测和采集网络分布区域内各种监测信息,并将信息以多跳自组织方式传输至汇聚节点,从而实现对监测区域内目标信息的监测和对象跟踪。
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    3.2.3 中间件 
    中间件是一种独立的系统软件或服务程序,具有屏蔽异构性、实现互操作和信息的预处理等功能。 
    物联网旨在实现各种零散服务的整合,可屏蔽底层硬件和操作系统的多样性、复杂性和异构性。物联网中间件是实现物联网底层硬件设备和应用系统之间数据传输、过滤和格式转换的一种中间程序,它能融合底层分布式设备问异构性,同时为上层提供一个统一的数据接口和应用接口。因此,中间件技术是物联网技术的重要组成部分。智慧营区物联网中间件示意图如图4所示。
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    3.3安全控制 
    军事营区有其特殊性,最突出的就是安全性问题,智慧营区建设中有多数信息涉及部队安全,若不 对信息加以安全性控制,则安全隐患不可估量。因此,需对智慧营区中信息进行加密与访问权限控制设置,保护信息安全。在智慧营区安全保护方面,不仅技术上需提供相应支持,还需完善政策法律。
    4 智慧营区系统
    4.1 系统组成 
    智慧营区系统主要由控制主机、后台服务器平台、电脑客户端和移动客户端组成。系统组成如图5所示。 
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    1)控制主机:包括信息终端主机、无线信息检测设备(无线声频探测器和无线遥控器等)、无线控制设备(无线警号、无线开关和无线插座等)以及无线网络互连协议(IP)摄像机。控制主机自带路由器可完成信息采集与分析、智能控制、视频数据转发、摄像机配置和探测器配置等功能。 
    2)后台服务器平台;由主控、业务管理、视频转码和数据库等服务器组成。用户数量越多,需要的视频转码服务器数量则越多。 
    3)主控服务器:是整个系统的控制中心,负责对本系统中所有设备、手机和电脑的系统登录进行管理,同时对多个视频数据处理服务器和数据库服 务器进行协调控制,如负载均衡等。 
    4)视频转码服务器:用于对IP摄像机收到的 视频数据进行转码和转发处理,IP摄像机收到的原 始视频数据不能通过手机直接观看,需对视频数据进行视频格式转换。服务器还需对视频数据进行转发,实现流媒体服务器功能。此外,该服务器还负责一些控制命令转发操作。该服务器在硬件上要求CPU处理速度快,网络接入带宽高。 
    5)数据库服务器:用于运行数据库服务并存放系统中一些关键数据。
    4.2 工作流程 
    智慧营区系统主要通过登录数据、指令数据和视频数据3种连接方式。其中,智慧营区主控服务器通过指令数据连接完成与营区信息终端和客户端软件的通信。营区信息终端将采集到的信息通过视频数据连接到视频转码服务器上,将视频转码后与客户端软件通过视频数据连接进行通信。其他连接方式均为登录数据连接。智能营区系统控制关系如图6所示。
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    以车辆进出为例,车辆进出智能营区系统工作流程如图7所示。
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    4.3 主要功能 
    1)智能化人员管理:主要通过为营区人员配备管理卡和通过各门禁系统和遍布营区的感应点实现对所属人员的实时感知与定位。营区首长、各单位主官和基层干部可实时了解所属人员在位情况。 
    2)智能化保密管理:为重要资料、机密文件、办公电脑及其他需保密设备贴上二维码或嵌入射频卡,实时感知所在位置,确保重要文件、资料和设备等的保密管理。 
    3)智慧图书馆:为馆藏图书安装被动式射频标签,并通过使用书架感应器或手持智能终端实现对图书资料所在书架快速定位,方便借阅和管理。 
    4)精细化车船管理;通过为营区的车船、重点装备和设备安装电子标签和卫星定位装置等,实现对车船和装备设备进行准确定位和实时跟踪,并通过嵌入的各类智能传感器监控其工作状态和完好情况。 
    5)智能化后勤保障:通过为仓库服装和物资安装包含其型号、种类和数量等状态信息的电子标签,使得后勤物资发放更加智能和快捷。同时,为草皮配备温度和湿度传感器,使灌溉更加合理。此外,为路灯安装光学传感器使其更节能。 
    6)智能化安全出入管理:传统部队营区由负责站岗的战士进行出入管理。该管理方式既不利于出入信息查询,也不利于营区首长掌握人员动向,且耗费大量人力,效率低下。而基于物联网技术的出入管理系统,通过网络进行请销假、派车及审批,并将相关信息与人员RFID卡和车辆RFID卡进行关 联,通过安装在出入口的管理终端实现人员和车辆出入自动登记和自动检验,可有效控制部队营区人员和车辆的出入安全,且形成的出入记录具有可查性和可追溯性。该系统不仅提高了部队营区管理工作效率,而且有助于营区集成化管理,让部队首长更好掌握和管理部队。 
    7)智能安保:通过遍布营区重要区域的摄像头和感应点自动对营区内活动人员进行身份识别,并对进入重要区域的人员进行重点监控,确保安全。
    5 面临的挑战
    现阶段物联网技术,除了RFID等技术较成熟外,其他技术有待研究和完善。智慧营区物联网是物联网技术在营区智能化建设上应用,存在以下挑战: 
    1)异构系统间可靠集成:智慧营区物联网技术是将分布于不同地理位置、拥有不同技术特性和使用不同通信媒介的各营区要素整合在一起,以提供整体化服务。因此,需掌控异构系统间关键特性和非关键特性的交互,确保系统的容错性。 
    2)物理分析模型和计算模型的整合:物理分析模型中大量使用微分方程和线性方程描述问题,系统组件间交互通过数据流网络完成。而相应的计算模型却过程化和顺序化,系统组件间交互则通过控制流完成。目前缺少切实可行的理论和方法整合上述2种模型。 
    3)分布式系统高效设计:智慧营区物联网技术通过分布式系统对营区各要素进行感知。由于对象 要素多,相应的感知设备节点也较多,因此难以维修或更换,营区禁入地带尤为如此。鉴于营区的军事特性,对分布式系统的续航时间、无线通信带宽和安全保密等提出了更高要求。
    6 结束语
    信息化条件下军事营区建设面临技术需求,利用物联网的原理和方法,提出了建立智慧营区物联网概念。本文介绍了智慧营区物联网的基本概念和技术特征,建立了体系结构并探讨了关键技术。描 了智慧营区管理系统组成、工作流程和系统功能。最后,讨论了系统建设面临的挑战。智慧营区物联网的应用实现了营区内各要素间交互,并通过信息融合与共享,为营区管理者掌握全局态势和正确抉择提供了信息支持,因而提升了一 体化管理能力,加快了军事营区信息化建设步伐。鉴于物联网涉及学科广,技术不成熟,尚无统一协议标准,以及军事营区的特殊性,智慧营区物联网应用 有待进一步研究与实践。
(文:杨俊峰 王德泉 肖航)
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