1.物聯網技術概述
物聯網的概念最初是在20世紀90年代提出來的，最初的設想是實現“物-物互聯”，隨著信息技術的飛速發展和廣泛應用，獲取信息的方式已經逐步從單一模式的人工生成向自動獲取的模式發展。RFID技術、各類傳感器日益成為自動獲取信息的主要手段，輔助人們實時準確的感知、測量和監控周圍世界。互聯網的廣泛應用又使物聯網從最初的電子標簽、傳感器等通過Internet互聯起來，逐漸發展成目前的設備多樣化、網絡復雜多樣、感控結合、集成各種特定的智能處理模式，實現了物理世界和信息世界的交互融合。德國提出的“工業4.0”將信息互聯技術與傳統工業制造相結合，從而實現機械之間的數字互聯和信息交流，本身就可以看作是物聯網技術的延伸。
物聯網是一種建立在互聯網上的泛在網絡，將現實中的海量終端物體（RFID設備、傳感器和智能終端等）通過感知環境和互聯網連接起來，形成了一種新型的應用范式，代表了現實的物理世界與網絡世界的雙向融合。第一，通過傳感器技術、嵌入式技術等將物理世界的數據信息化、數字化，使信息易于在網絡中傳輸、存儲、處理和應用，然后通過網絡技術、通信技術、數據庫技術等實現數據的傳播和共享，最后應用軟件技術實現“從物到人”的應用過程；第二，用戶或智能終端應用軟件監測和管理網絡中各節點的信息，并通過網絡控制向可被識別的傳感器節點和可以控制的嵌入式設備，實現了“從人到物”的過程。
物聯網的體系結構分為感知層、網絡層和應用層，圖1為物聯網的三層架構圖。感知層主要完成信息的采集、轉換、收集和執行某些操作；網絡層包括了各種接入網絡，負責將感知層獲取的信息可靠地傳輸給處理中心和用戶；應用層有效利用感知和傳輸來的信息，進行智能化的分析，實現對遠程物理設備的管理、控制和應用。
圖1 物聯網體系結構圖
1.1 感知層關鍵技術
感知層可以細分為感知子層和通信子層：感知子層不具備通信的能力，僅僅通過傳感器、智能裝置、RFID可識別條碼、執行器等實現物理世界信息的收集、識別和智能控制；通信子層可以通過通信模塊直接與異構網關交換信息，也可以通過傳感網、工業總線、小型無線網絡等擴展通信范圍，然后再與異構網關進行信息交換。
1.1.1 無線傳感器網絡技術(WSN)
無線傳感器網絡(WSN)是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域里被監測對象的信息（如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等），并通過嵌入式系統對采集的這些信息進行分析處理后以無線的方式發送給觀察者。其結合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等。無線傳感器網絡結構如圖2所示。
圖2 無線傳感器網絡結構圖
無線傳感器網絡節點是無線傳感器網絡的重要組成部分，通常包括傳感器節點(sensor node)和匯聚節點(sink node)兩類。傳感器節點在對所探測到的信息進行初步處理之后，以多跳中繼的方式將其傳送給匯聚節點，然后通過衛星、互聯網或者移動通信網絡等方式到達最終用戶所在的管理節點。
傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，一般由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理單元等四個部分組成，其結構圖如圖3所示。傳感器模塊主要由傳感器、模數轉換芯片及其外圍電路組成，用于將采集的量轉換為數字信號，并傳輸到處理器模塊進行處理。處理器模塊主要提供傳感器節點協議棧的支持，并負責對收到的數據做相應的處理，進行緩存和轉發。無線通信模塊用于和其他節點間進行數據通信和消息傳輸，目前常用的無線傳輸技術有ZigBee和WiFi技術。電源管理模塊主要用于電池電量的管理。
圖3 傳感器網絡節點組成結構圖
1.1.2 RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術
RFID也稱電子標簽，是自動識別技術的一種，是一種可通過無線射頻信號的方式在無需閱讀器與特定目標之間建立機械或光學接觸的情況下識別特定目標并讀寫相關數據信息的無線通信技術。在物聯網的架構中，RFID系統工作在感知層和網絡層，用于完成識別、傳輸、共享信息等功能。RFID工作在低頻、中高頻、超高頻和微波四個不同的頻段：125-134.2kHz 的低頻頻段具有透水、有機組織和木材的特性；13.56MHz的中高頻頻段采用電感耦合方式，適合近距離應用；860-928MHz的超高頻頻段和2.45-5.8GHz的微波頻段適合視距傳輸的需要。
一個完整的RFID系統包含RFID讀寫器、RFID電子標簽和數據信息應用中心，可以實現在光學不可見、無直接接觸、無人工干預情況下識別物體、讀寫相關信息以及將相關信息發送到數據中心共享等功能。RFID系統結構如圖4所示。
圖4 RFID系統組成
RFID系統三部分共同協作完成RFID系統中一次信息的傳輸、交換和管理。首先，RFID 讀寫器通過射頻模塊中的讀寫器天線將無線電載波信號發射出去，在RFID讀寫器周圍形成一個有效識別范圍，當RFID標簽(無源RFID標簽)進入RFID讀寫器的識別范圍內時，RFID標簽被激活，通過RFID天線發出的電池波獲取能量，RFID標簽通過 RFID標簽內的天線模塊將RFID標簽信息發送出去；然后RFID讀寫器天線接收到這個射頻信號，進行解碼并識別出有效信息，然后根據程序設定進行處理；最后RFID讀寫器將經過處理模塊處理的數據傳輸至RFID數據應用系統，以用于用戶獲取信息。有源 RFID標簽的工作原理與無源RFID標簽有些不同。有源RFID標簽可以主動或者不主動發送信息，當有源RFID標簽接收到RFID讀寫器發送的讀寫指令時，RFID標簽才向RFID讀寫器發送存儲的標識信息。
1.2 網絡層關鍵技術
物聯網網絡層的基礎是現有廣泛應用的Internet和移動通信網等網絡。物聯網不僅需要遠距離的通信，而且需要實現“物物相連”，綜合運用成熟的遠距離有線、無線通信技術、網絡技術、WiFi、2G/3G/4G移動通信技術、IPv6技術等，實現了有線與無線通信相結合。
互聯網基于一些共同約定的通信協議，通過路由器與公共互聯網相連，以信息資源的交流為目的，采用目前流行的客戶機/服務器的工作模式，廣泛使用TCP/IP協議。接入互聯網的計算機，凡是使用TCP/IP協議的，都可以與互聯網上的計算機進行通信。
在移動通信網中，當前應用較為廣泛的有3G、WiFi和WiMAX。3G是第四代支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術，綜合了蜂窩、集群、無繩、移動數據、衛星通信等多種移動通信系統的功能，同時兼容固定電信數據網絡，為用戶提供語音服務和數據服務；WiFi是由接入點AP(Access Point)和無線網卡組成的無線通信網絡，可實現各種便攜設備在局部區域內的高速無線連接或接入局域網；WiMAX即全球互聯微波接入，也稱802.16無線城域網，是一種無線城域網接入技術，覆蓋范圍較廣，適合較遠距離的無線傳輸。
1.3 應用層關鍵技術
物聯網應用層軟件根據用戶需求進行編寫，符合特定行業的專業標準和用戶特殊功能的物聯網直接應用，可實現數據信息的處理和人機界面交互，是實現物聯網的功能和行為的關鍵。物聯網應用層軟件一般可分為兩部分：運行于服務器端的服務器軟件和運行于客戶端的客戶端軟件，在TCP/IP協議體系中的TCP協議基礎上，當客戶端和服務器都支持相同的HTTP協議時，依照HTTP協議可以簡單靈活地實現客戶端和服務器之間無連接、無狀態的通信。
物聯網應用層軟件的設計和實現涉及操作系統、數據庫、面向服務的體系結構、云計算、軟件運營服務模式、數據挖掘、中間件技術、人工智能等相關技術。
2. 物聯網技術在武器裝備全壽命周期健康管理中的應用
隨著各種大型復雜武器系統性能的不斷提高及系統組成的復雜性不斷增加，各種信息技術和智能技術被廣泛應用其中，使復雜裝備的可靠性、維修性、故障預測與診斷及維修保障等問題日見突出。目前，對大型武器系統的維護仍然以定期維護和預防性維修為主，采用多、勤、細來保障系統可靠性及正常任務的完成。傳統的維修保障模式是以耗費大量人力、物力與財力為代價的，并且效率低下。隨著復雜武器裝備遂行任務的日益增多，新的基于狀態的視情維修（Condition Based Maintenance, CBM）開始得到研究與應用，其后勤保障規模小、效率高及預知性好等優勢開始顯露頭角，也就推動了以CBM為基礎的故障預測與健康管理的研究與發展。
作為適應21世紀高技術戰爭的自主后勤保障系統的重要基礎，目前美國軍隊正積極研發對未來信息化后勤發揮關鍵作用的信息化后勤裝備及系統，將大量PHM技術應用于武器裝備保障領域用于降低維修、使用和維護保障費用，提高復雜裝備的可靠性和戰斗力，從而實現武器裝備的根本轉型，這里面就包含了物聯網技術的應用。因此如何利用物聯網技術改進PHM系統，使得后勤指揮系統能夠實時了解所有的作戰后勤信息，準確預見作戰部隊的各種后勤需求，是當前我軍維修保障亟需解決的問題
2.1 武器裝備全壽命周期健康管理（PHM）系統
故障預測用于預先診斷部件或系統完成其功能的狀態，包括確定部件的殘余壽命或正常工作的時間長度；狀態管理根據診斷、預測信息、可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策的能力。PHM綜合考慮上述兩個方面功能，利用各種傳感器在線監測、定期巡檢和離線檢測相結合的方法，廣泛獲取設備狀態信息，借助各種智能推理算法（物理模型、神經元網絡、數據融合、模糊邏輯、專家診斷系統等）來評估設備本身的健康狀態；在系統發生故障之前，結合歷史工況信息、故障信息、試車信息等多種信息資源對其故障進行預測,并提供維修保障決策及實施計劃等以實現系統的視情維修。
PHM是機內測試和狀態監測能力的拓展，是從設備級狀態監測與故障診斷到系統級綜合診斷與狀態管理的轉變，其目的是減少維修耗費、增加戰斗完好率和實現自主式保障。其中引入故障預測來預知、識別和管理故障的發生。裝備故障預測與健康狀態管理解決方案是狀態監控、健康評估、維修決策支持和規劃及控制的綜合學科，如圖5所示的復雜武器系統健康指標體系。有效的故障預測與健康管理解決方案包含4個主要步驟:：（1）量度關鍵的系統使用參數；（2）確定反常狀態及預測初始故障；（3）確定達到最佳工作效果的維修活動；（4）計劃與控制維修工作。
圖5 復雜武器系統健康指標體系框圖
PHM系統組成主要包括3個方面的內容：
1）開放體系結構（Open System Architecture for CBM,OSA-CBM）
OSA-CBM標準體系由美國海軍出資組建的工業研究小組進行研究和驗證，賓夕法尼亞州的應用研究實驗室和機械信息管理開放系統聯盟等也為此做出了貢獻。目前，該體系結構已在包括美軍海軍艦船、民用車輛、飛機以及其他工業領域內得到驗證，并被成功用于指導構建實際應用的PHM系統。
2）分布式網絡平臺
復雜裝備的地域分布廣，綜合保障要求高，實施多個現場監測單元的綜合診斷與系統的健康管理是必不可少的。分布式網絡化設計平臺為其實現提供了可行性途徑。PHM的體系結構定義了分布式、松散型和異地協同工作的柔性網絡平臺。PHM網絡平臺一般采用是基于標準協議的三層瀏覽器/服務器（B/S）模型，建立三級系統模型:數據現場采集系統、SQL Server數據庫服務器以及Web服務器。在B/S結構下，客戶端只需要安裝瀏覽器及相關的協議軟件，即可瀏覽器訪問服務器，軟件的開發、維護與升級只需在服務器端進行，減少了系統開發與維護的周期與費用。B/S模型結構可實現數據管理與用戶管理的更大的靈活性與開放性。
(3)模塊化功能設計與實現：
PHM的開放式體系結構和分布式網絡平臺決定其應用系統的模塊化設計思想。模塊化軟件結構可實現功能的靈活添加和刪除，并提供軟件功能的后續開發環境。
2.2 武器裝備全壽命周期健康管理（PHM）系統的物聯網技術支撐
物聯網在軍事上被譽為“武器裝備的生命線”，能夠將各種信息傳感設備，如數據采集卡、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等裝置與互聯網結合起來而形成的一個信息交互網絡，非常適合提升PHM的綜合化、網絡化、開放化的技術發展水平，可以與PHM系統無縫連接。
2.2.1 傳感器/RFID網絡節點設計
傳感器/RFID網絡節點是實現物聯網裝備智能信號采集的硬件設備，也是構成傳感網絡的基本單元。基于物聯網的PHM系統中的傳感器/RFID可呈星系狀分布，具體結構如圖6所示。武器裝備綜合保障是由一個一個的相互獨立又相互聯系、內部結構相同的子“基點”互聯融合而成，多個基點組成“節點”，基點可認為是一個獨立的小物聯網。所有的最小“基點”的內部結構按物理結構功能進行劃分，包括：電子細胞點、信息識別系、信息采集過濾、應用系統等基本系統。
圖6 傳感器/RFID網絡節點
電子細胞點是武器裝備、軍需物資的最小的完整單元，嵌入電子標簽和傳感器，形成一個可被物聯網感知的一個活的細胞信息點；信息識別系統是具有可變結構的自組網系統，具有對電子細胞進行信息識別，或接收電子細胞的主動請求信息，同時可自動切入枝干信息服務網絡，進行信息交互處理分發，應用系統是基于應用層的系統應用。以上四種基本系統相互作用融合成一個“基點”，而兩個“基點”互聯通信與內部融合原理相同。
2.2.2 網絡平臺搭建
傳感網絡的動態組網與監測管理是物聯網裝備智能信號采集與管理系統的核心機制之一。動態地組織、配置、調節相關的傳感網絡節點，以組成實時監測具體動力裝備的智能傳感網絡，滿足不同監測診斷的需求，實現設備狀態數據的有效傳輸。主要包括基于傳感網絡的設備監測專用網的動態組建技術和基于物聯網的多信息傳感單元的關聯管理技術兩方面內容。使用互聯網絡平臺，可通過TCP/IP 網絡中處理、傳輸和接收數據，應用WEB服務器數據庫技術合理存儲和管理數據；使用3G或4G移動網絡，需要使用集成TD-SCDMA或TD-LTE制式的通信模塊進行二次開發。
2.2.3 軟件框架設計
考慮武器設備在各技術領域的高度集成性、專業技術人員的有限性和非全面性及地域交通的限制性等，對設備進行健康管理需要一個柔性的軟件框架。在柔性軟件框架中，系統可以通過傳感器網絡獲取設備的狀態信息，這些狀態信息經過信號處理與特征提取后，傳送到CBM工具包。系統可以利用CBM工具包中模型（如灰色預測模型、比例風險模型、卡爾曼濾波模型等）對設備進行剩余壽命預測。此外，CBM工具包還可以與維修決策控制軟件進行信息和功能的交互，對設備進行健康評估和制定維修計劃。并且，信號處理與特征提取、CBM工具包以及維修決策控制軟件可以為指揮中心提供數據分析、故障診斷、健康評估、壽命預測和維修決策等多種支持。該軟件系統需要實現的功能如圖7所示。
圖7 柔性軟件的主要功能模塊
1）數據分析功能。
設備狀態信息應是多層次、多方面和動態的，既可以是實時監測信息,也可以是定期檢測信息。該功能主要是對設備基礎數據、狀態信息、維修信息、維修資源信息和系統用戶信息等進行采集、存儲或處理，進行故障模式及影響分析（FMEA）的基礎信，實時監測或定期檢測的設備狀態信息
2）故障診斷功能。
設備健康管理是隨著故障診斷技術的進步而發展起來的。如果設備的劣化不能及時、
準確地診斷,也就無法進行有效的狀態維修。設備故障診斷采用多種分析方法（如相關分析與功率譜分析、倍頻程分析、階比分析、時間序列分析、模態分析、時頻分析等）將采集的數據進行分析處理，查出故障點或劣化點。
3）健康評估功能。
該功能利用在線監測系統或離線檢測系統獲得的設備運行狀態數據，可以定期或不定期地對設備狀態做出評估，分析設備的性能衰退趨勢，當設備出現劣化征兆時，向相關的設備使用人員、維修人員或管理人員分級報警。設備管理人員可以根據設備健康評估和分級報警結果及時進行維修決策。
4）壽命預測功能。
設備維修信息中心可以通過各種預測模型（如灰色預測模型、比例風險模型、卡爾曼濾波模型、人工神經網絡等）預測設備或部件的剩余使用壽命，在設備嚴重停機事故發生之前，利用有效的預測功能可以保證有足夠的時間制訂和實施維修計劃。
5）維修決策功能。
該功能主要包括維修計劃制定、維修備件采購、維修任務調度、維修資源分配和維修策略優化等。在維修計劃中，需要制定具體的預防及緊急維修計劃，并激發維修任務調度功能。此外,還需要合理調度各類維修資源,如維修人員、備品備件、維修資金、維修工具及維修時間等。維修決策優化需要根據設備的重要性、可靠性、維修性、可監測性、經濟性和維修能力等對維修方式與維修類型、維修時機等進行決策,。
3. 物聯網技術在陣地體系協同管理中的應用
軍事陣地的綜合管理系統作為一個復雜的信息系統，涉及土木工程、通風空調、發/供電、環境監測、設備監控、網絡通信及信息管理、反偵察偽裝和安全警戒等多學科技術的綜合應用。陣地物聯網管理平臺應用了物聯網感知、接入、組網等技術，其總體開發目標是對人員出入、工程設備和陣地環境等進行整合，實現動態、規范、可跟蹤、安全的資源管理，如圖8所示。
圖8 陣地綜合管理框圖
結合物聯網基本結構及物聯網應用系統開發分析，陣地協同管理系統的體系結構可分為傳感控制層、網絡通信層和應用數據服務層3個層次，如圖9所示。傳感控制層是整個網絡的神經末梢，完成對環境、人員和設備的感知、跟蹤與控制。網絡通信層進行各種異構網絡的融合和相關傳感數據的交換，完成數據傳輸和網絡控制。應用數據服務層完成人機交互和信息處理，進行數據挖掘、融合和分析處理，提供服務發現和服務呈現。
圖9 陣地物聯網系統架構圖
陣地物聯網協同管理系統是以無線傳感器網絡和RFID技術應用為基礎的網絡應用框架，把移動/非移動設備和人體貼上標簽，實現跟蹤管理，完成對環境參數、設備狀態等的監控。
1）陣地物聯網協同管理系統無線傳感器網絡設計
陣地各個小區域內布置多個2.4GHz 的終端節點，每個大區域下又包含多個小區域，這些終端節點形成一個局域網，在局域網中設定一個或多個匯聚節點。匯聚節點采用高性能微處理器，如 ARM7 系列控制器，有較大的內存和足夠的能量，同時具有2.4GHz的CC2530 ZigBee無線收發模塊。其中匯聚節點是連接陣地感知層網絡和陣地外部公網的橋梁，實現兩種協議之間的通信轉換。所大區域的匯聚節點共同組成陣地局域網，通過無線方式將采集的原始數據經過網關直接連接到公共通信網絡，實現陣地的遠程數據采集、監視和控制等功能。
2）陣地物聯網協同管理系統RFID系統的開發
通過基于RFID技術的管理系統可隨時隨地調取軍用裝備記錄，便于裝備的使用和管理；通過RFID讀寫器可讀取人員身上的標簽，進行身份識別，并對其進行準確定位； 融合RFID技術的安防門禁系統可識別人員出入級別，實現區域的有效管理，保證重要區域安全；利用 RFID 技術實現對人員和區域的管理，實現人員考勤、陣地人員出入、車輛進出管理、受限區域管理、陣地安防管理等功能，如圖 10所示。
圖10 RFID技術在陣地物聯網協同管理系統中的應用
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本文標題：物聯網技術在武器裝備保障中的應用分析
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