复杂环境信息感知与交互技术研究

陈俭新 潘文涛 李冠峰

摘 要 对舰船复杂电磁环境进行分析，结合系统各设备间的通信需求，调研船体舱室、挂载区电磁环境及可使用的无线通信方式和频段，并调研船上危险区域对无线通信方式的影响。根据上述使用环境的调研，提出基于某物资保障系统的无线网络技术方案，对无线网络的关键技术进行研究，掌握物联网无线交互技术;并搭建了一套无线通信平台，对所提出的技术方案的可行性进行验证。

关键词 复杂环境;物资保障;信息交互

Analyzed complex electromagnetic environment of the ship， combined the requirements of the system equipment， we researched the frequencies of wireless technologies， the influence of wireless communication exerted. Then we investigated the availability of wireless communication and frequencies. According to the researches above， we came up with a wireless communication solution on ship， we study the key technologies of wireless network and handled the IOT wireless interactive technologies. A set of wireless communication platform is built to verify the feasibility of the proposed technical scheme.

Key Words Complex Electromagnetic Environment; Material Management; Wireless Communication

引言

现有某型号物资保障系统，在特种物资转运上已能够完成管理调度设施软件和升降机、保障人员的联动，实现了物资转运的信息化。但随着装备信息化、智能化的发展，系统工程对单个设备的信息需求越来越强烈。系统内设备互联互通是整体协调的关键，对于某物资保障系统，参与主要对象包括：特种物资、转运车、人员等，保障过程中，调度员在调度室负责整体调度，然而由于没有信息互联手段，导致调度员无法获取每辆车的实时位置，无法快速获取每批特种物资实时转运状态，导致无法快速有效调度。

为了进一步提高物资转运效率，实现特种物资转运的灵活可调，就必须对保障过程的最新状态进行快速、准确获取。本文对舰船复杂电磁环境进行分析，结合系统各设备间的通信需求，调研物资保障工作区域可使用的无线通信方式和频段。根据上述使用环境的调研，选择适合的无线通信方式，结合系统通信需求，自主开发基于物联无线通信的调度软件和转运车控制软件，掌握物联网无线交互技术。

1研究内容

复杂环境信息感知与交互技术研究包括：无线通信需求调研、复杂电磁环境和危险区域通信环境分析、无线网络通信技术研究、无线网络交互技术研究四个部分，其中，无线通信需求调研为隐含的研究内容。

相关研究内容如下：

（1）无线通信需求分析：分析物资保障过程无线通信需覆盖区域;梳理了控制与车辆之间、车辆与车辆之间的报文信息，根据业务需求统计出无线通信网络所需数据量，以上分析结果对后期无线通信方式的选择具有指导意义;

（2）复杂电磁环境和危险区域通信环境分析：对舰船复杂电磁环境进行分析，结合系统各设备间的通信需求，调研保障区域电磁环境及可使用的无线通信方式和频段，并调研相关危险区域对无线通信方式的影响;

（3）无线网络通信技术研究：调研了工业上主流的无线局域网方案，对各通信方式使用场景、通信频率、数据量等方面进行了比较。随后对国内现有的电磁兼容军用标准、对军标中关于特种物资电磁兼容部分进行了详细了解，并对相关无线通信方式进行了功率密度的计算;

（4）无线网络交互技术研究：基于现有调研，从无线通信量、电磁兼容性、工业成熟度、项目成本等角度出发，选择合适的无线通信方式。搭建一套无线网络，并设计相关无线通信协议实现车辆信息的上传下载。

2无线通信需求调研

2.1 无线通信场景介绍

根据目前物资保障实际，车辆通信是物资保障的关键环节，关系所载运物资当前位置信息及保障进度信息，因此首先需要实现控制端和车辆的无线通信。

其中无线通信需要覆盖的区域包括：特种物资仓库、转运室、目的地。

除设计单个车进行特种物资搬运外，还设计了多车协同搬运功能，该功能场景下，多个搬运车在统一控制下，协调前进，此时，各车之间采用分布式控制，多车需要交互通信。

2.2 无线通信数据量统计

根据使用需求，车辆交互需要以下报文：

由于协同控制状态下的车辆速度信息为必需报文，所占通信量最大，所以以车辆速度为对象进行通信量计算（另，该计算只考虑本系统数据传输速率，对于网络编码调制方式的不同，均需要满足该系统每秒的数据传输量）。

经过计算，对某物资保障系统车辆应用，挂载区下无线网络通信速率不小于每秒2.82Mb，挂载区上无线网络通信速率不小于每秒4.94Mb。

3复杂电磁环境和危险区域通信环境分析

3.1 舰载电磁环境分析

舰船电磁环境主要包括两个部分：舰船所处的电磁环境和舰船本身電磁环境[12]。

舰船所处的电磁环境包括复杂的自然电磁环境和人为电磁环境。本文所讨论的电磁环境主要是人为的舰船电磁环境，如本舰和其他舰船的电子对抗系统、电磁脉冲武器等产生的有意电磁干扰，岸基电台、气象卫星、通讯基站等民用设施的无意干扰，以及本舰电力系统、雷达通信系统、电子战系统等工作时发射的电磁能量等均属于人为电磁环境。

舰船本身电磁环境主要分为露天区电磁环境和舱内电磁环境。

露天区电磁环境是多个辐射源的电磁场合成，其主要发射源是船上的各种通信、导航、探测、电子战发射天线[3]。构成露天区电磁环境的发射源包括远程预警雷达、中远程对空警戒雷达、近程搜索雷达、导航雷达，火控跟踪雷达等。

舰船舱内安装了数量庞大的电子设备，敷设了大量的各类电缆，以它们所发出的有意或无意电磁骚扰为主构成了舱内狭小空间的电磁环境，主要因素包括：设备机柜、机箱电磁泄漏;显示器的电场、磁场辐射;电缆屏蔽层接地不良对电网产生的传导骚扰;设备电源电路设计不完善造成的对电源网络的传导骚扰等[1，4-5]。

美国通过大量试验研究，将其航母弹药分为电磁辐射安全、敏感、不可靠和不安全四类，并制定了航母电磁辐射危害弹药管控规程，要求电磁辐射敏感、不可靠、不安全弹药必须采用电磁辐射安全距离控制、射频发射管控（发射机静默或主照束规避）、金属结构屏蔽等途径确保弹药所处电磁环境安全。尤其需要注意的是：电磁辐射安全弹药在装配、检测时，往往会降级为电磁辐射不安全或不可靠弹药;如有可能，电磁辐射不安全、敏感弹药需封闭在金属箱内转运。

3.2 舰载电磁兼容相关标准分析

为调研船上电磁兼容性要求，本文对《预防电磁场对军械危害的一般要求》、《系统电磁兼容性要求》、《电磁辐射暴露限值和测量方法》、《水面舰艇训练电磁环境构建通用要求》等标准进行了研究。

GJB786-89《预防电磁场对军械危害的一般要求》[6]中规定1400-2700MHz频率的平均功率密度限制为100 。

GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》[7]2-2.7GHz电场平均值为200V/m，5.4-5.9Ghz电场平均值为200V/m。

GJB5313A-2017《电磁辐射暴露限值和测量方法》[8]中规定，30-3000MHz平均功率密度为0.6，该标准在电磁发射对人员的影响上做出了规定。

GJB151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》[9]中要求，上船带发射机的设备均需按照RE103或CE106要求严格控制发射带宽、谐波发射、乱真发射和杂波发射。

综上，船上无线通信方式的选择，除了需要满足应用本身所需的通信带宽外，还需要满足上述军标对舰载电子设备的要求。

4无线网络通信技术研究

无线信息主要通过声音、光波、电波信号进行传输，各通信方式均可满足特定领域的使用需求，如：依托声波的声呐系统可用于水下通信，基于红外线的遥控器可用于遥控家用电器等。想要找出适合于船上的无线通信方式，首先需要对现有主流无线通信方式进行调研。

优点 声波属于机械波，不与电磁波产生干扰 无须申请频率的使用权、体积小、功耗低 不产生电磁干扰，也不易受外部电磁干扰影响 UWB发送接收端硬件结构简单;功耗低 低功耗、低成本、高安全 技术成熟、数据传输速率高、兼容TCP/IP协议 低成本、低能耗、安全可靠、数据传输速率高、网络时延短

缺点 声波的传输速度较慢、载波频率较低、容易衰弱 红外线发射器具有一定信号发射角度 目前无成熟商业化产品 目前国内用UWB主要做定位，无实际通信案例 低功耗带来的衍射能力弱、穿墙能力弱 基站间切换时延较长（最低1s） 无线网络建立需要依靠核心网设备

通过与多种通信方式的对比WIFI技术较为成熟，成本较低，无线发射功率在mW级，所以计划采用区别于普通WIFI进行无线网络搭建。此外，在无线网络部署的独立、简洁性上，WIFI可以独立于其他系统单独布设，如WIFI只需通过与交换机连接，便可与交换机所在网段内有线、无线设备进行通信，可以根据需要对特定区域进行单独布设，无须通过类似移动网络需要运营商批准。

5无线网络交互技术研究

该研究的最主要目的在于实现无线环境下调度与车辆间信息的“互联互通”，在选定无线通信方式的基础上，需要搭建一套无线网络，并设计相关无线通信协议实现车辆信息的上传下载。主要包括三个部分：车辆控制端、无线网络环境、车辆端通信部分，实现转运车无线通信的前提是无线通信网络系统的搭建。

5.1 硬件平台框架

无线车辆交互系统中的WIFI模块AP端、车载端、交换机、以太网转CAN通信模块均选用工业级货架产品，控制端使用移动便携笔记本（可以直接与无线网络进行通信）。

车辆控制端为移动便携笔记本，可以通过移动方式接入无线网络，也可以采用有线方式与交换机进行连接，连接后仍然与其他无线设备处于同一个网段。交换机采用交流供电，同时向无线接入点通过交流POE转接提供网络接入功能，POE模块向网络接入点提供网络、电力接入。

车载端无线收发器采用直流POE供电，POE端网络接口与数据转换模块的网络接口相连接，数据转换模块进行数据转换后将数据通过CAN总线发送至车辆端，同时，POE模块、数据转换模块均采用直流供电。

5.2 软件平台框架

依据无线交互场景，同时为了增强控制端软件的可扩展性、可移植性和满足各软件的相对独立性及低耦合要求，控制端软件分为：界面显示层、应用层、领域层、基础设施层。

用户接口层用于完成控制端主界面显示、车辆手动添加、车辆位置图形化、地图显示、网络报文概要、用户输入功能，用户能够根据现场场景拖动添加实际类型的车辆，图形界面上添加完成的车辆接收到实际车辆报文后能够动态更新在地图上的相对位置。网络报文概要功能能够对发送报文的状态进行显示，如显示报文发送成功、发送失败，对接收到的車辆信息（如：位置）进行滚动显示，以便了解车辆当前状态。同时，对用户的输入进行加工、解释，并将用户的请求发送到应用层。

应用层主要用于协调不同领域对象之间的工作或领域模型与基础结构层组件之间的工作，以完成一个特定的、明确的系统任务。在控制端软件中，领域层完成对车辆报文的解析后，应用层协调用户接口层进行车辆信息的显示。

领域层主要包括如下功能：接收到网络报文后，领域层需要完成对车辆状态的更新;图形绘画功能，在接收到车辆状态更新后，调用坐标计算模块，根据车辆实际位置进行地图相对位置的解算。

基础设施层包括：报文编解码功能，该功能负责对网络报文编制、发送，对接收到的报文，按照协议进行解析并形成报文对象;公共的帮助方法通过进行模块化、分层设计，软件的扩展性、可移植性大大增强。车辆控制端软件界面如图2所示。

6结束语

随着物流、智能化技术发展，系统控制端与作业端实时信息互通越来越急迫，但国内缺乏复杂电磁环境下无线通信标准协议支持。本文基于特种物资保障需求，结合保障涉及区域分析了特殊环境下电磁特性，并对目前主流无线通信技术进行对比。提出了建议方案，解决了网络环境搭建、车辆信息联网、车辆信息解析等技术问题，并对无线系统规划设计、控制端底层通信模块设计、图形化显示等技术进行了深入研究，为后续研制奠定了技术基础。由于是涉及特种物资保障的系统工程，后续计划进一步对复杂电磁环境下的通信抗干扰等技术进行研究。

参考文献

[1] 喻菁，李晶，张崎，等.舰船电磁环境特性研究[J].舰船科学技术，2007（6）：98-100.

[2] 王征，汤仕平，潘若恩.现代舰船电磁环境探讨[J].船舶工程，2004，26（2）：48-50.

[3] 吴小川.复杂舰船环境下电磁场分布特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[4] 张旭，吕晓峰，姚洪志.舰船短波天线对火工品安全影响[J].海军航空工程学院学报，2017，32（6）：553-558.

[5] 韩刚，陈冬，周曙光.舰船通信系统电磁兼容问题研究[J].舰船電子工程，2014，34（2）：147-150.

[6] GJB786-89.预防电磁场对军械危害的一般要求[S].北京：总装备部军标出版社，1990.

[7] GJB1389A-2005.系统电磁兼容性要求[S].北京：国家标准出版社，2005.

[8] GJB5313A-2017.电磁辐射暴露限值和测量方法[S].北京：国家标准出版社，2017.

[9] GJB151B-2013.军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量[S].北京：总装备部军标出版社，2013.