物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人工影響天氣業(yè)務中的應用

（1 中國氣象局應急減災與公共服務司人工影響天氣處，北京 100081；2 中國氣象科學研究院人工影響天氣中心，北京 100081）

0 引言

自1999年美國麻省理工學院（MIT）提出物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）概念以來，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵逐漸完善、技術(shù)快速發(fā)展[1-2]。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應用于物流[3]、公共交通[4]、公共安全[5]、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)[6]、教育[7]等諸多行業(yè)和領(lǐng)域。2000年以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始應用于氣象行業(yè)，包括氣象監(jiān)測[8-9]、氣象預警[10-11]和氣象服務[12-13]各方面。

近年來，隨著我國人工影響天氣（以下簡稱人影）工作的快速發(fā)展，人影作業(yè)規(guī)模越來越大，裝備和彈藥使用量逐年增多。目前我國有30個?。▍^(qū)、市）開展人影作業(yè)，涉及飛機、高炮、火箭增雨防雹等業(yè)務，從業(yè)人員達到4.6萬人[14]，中國氣象局上海物資管理處每年驗收人影炮彈80萬余發(fā)，火箭彈約10萬枚[15]，我國人影作業(yè)規(guī)模已位居世界首位[16]。隨著全國人影作業(yè)規(guī)模不斷增大，人影裝備彈藥的管理難度也不斷增加，通過紙質(zhì)表格、登記造冊等傳統(tǒng)方式對人影裝備彈藥出入庫、使用情況進行管理，存在時效性不強，準確度不高的問題，無法對人影裝備彈藥流轉(zhuǎn)各環(huán)節(jié)進行動態(tài)追蹤管理，人影裝備彈藥安全管理存在較大的安全隱患。此外，傳統(tǒng)的人影作業(yè)信息采集基本依靠人工記錄，時效性差，信息量少，難以滿足業(yè)務發(fā)展需求。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到人影裝備彈藥和作業(yè)信息管理中不僅十分必要，而且越發(fā)迫切。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人影業(yè)務中的應用

經(jīng)過多年探索，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國人影業(yè)務中的應用步伐不斷加快。目前，我國人影業(yè)務中已初步實現(xiàn)了裝備彈藥的全程跟蹤管理和作業(yè)信息的自動采集傳輸。本文首先對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在省級人影業(yè)務中的探索進行了總結(jié)，并以中國氣象局推動建設的人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為例，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全國人影業(yè)務中的應用及成效進行簡要論述，提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國人影業(yè)務應用中存在問題及發(fā)展建議。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在省級人影業(yè)務中的探索應用

在氣象信息化建設過程中，北京、陜西、貴州、安徽等省級氣象部門聯(lián)合裝備彈藥生產(chǎn)廠家先后開展了人影裝備彈藥智能管理的探索工作。2011年，安徽人影辦公室聯(lián)合陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司研發(fā)了安徽省級人影物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對人員、裝備、彈藥等信息的采集、傳輸和信息化管理，以及對作業(yè)流程的全程監(jiān)控、互動和干預提醒等功能，人影作業(yè)安全監(jiān)管能力得到了顯著提高[16]。貴州省、北京市人影辦公室也與人影彈藥生產(chǎn)廠家共同研發(fā)了基于RFID電子標簽應用的人影物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了火箭作業(yè)裝備、彈藥、人員信息的實時監(jiān)管，提高人影安全監(jiān)管水平[17-18]。這些物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的探索與應用，為提高各省級人影業(yè)務信息化、自動化水平發(fā)揮出了積極作用，但是，這些人影裝備彈藥管理系統(tǒng)主要立足于省級人影業(yè)務需求，存在硬件架構(gòu)和輸出信息格式不一致、裝備彈藥和作業(yè)信息的編碼規(guī)則不規(guī)范、不統(tǒng)一等問題；對人影彈藥生產(chǎn)、驗收和銷毀等業(yè)務環(huán)節(jié)的考慮還不充分，沒有實現(xiàn)人影裝備彈藥的全程監(jiān)控和閉環(huán)管理，還不能滿足全國人影作業(yè)裝備彈藥的統(tǒng)一監(jiān)管要求。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全國人影業(yè)務中的推廣應用

為解決全國范圍內(nèi)人影作業(yè)裝備和彈藥全程監(jiān)控和統(tǒng)一監(jiān)管問題，2015年，中國氣象局以氣象小型業(yè)務項目的形式，啟動了“人工影響天氣作業(yè)裝備彈藥全程監(jiān)控應用示范”，項目由中國氣象局人影中心牽頭，參加單位包括中國氣象局上海物資管理處和北京、河南、陜西[19-20]、貴州等四個示范?。ㄊ校?。在總結(jié)前期省級試點基礎上，利用條碼識別技術(shù)、聲電光自動感應技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)等，建設了人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對人影裝備彈藥的全過程、規(guī)范化、自動化和實時監(jiān)控管理，有效提高了全國人影裝備彈藥安全管理的科技水平和現(xiàn)代化程度。項目總結(jié)提煉了人影裝備彈藥標識編碼技術(shù)規(guī)范、省級及以下人影裝備彈藥監(jiān)控管理系統(tǒng)建設指南，以及人影裝備彈藥監(jiān)控管理系統(tǒng)業(yè)務運行規(guī)定，為人影物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全國范圍內(nèi)推廣應用奠定了基礎。

為進一步擴大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人影業(yè)務中的應用，2017年中國氣象局批復了氣象小型業(yè)務項目“東北區(qū)域四?。▍^(qū)）人工影響天氣裝備彈藥物聯(lián)網(wǎng)能力建設”，支持黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古四省（區(qū)）建設省級人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，部署專用軟件系統(tǒng)及服務器等設備，配置物聯(lián)網(wǎng)手持移動終端等。目前，東北區(qū)域內(nèi)該項目整體建設工作已基本完成。此外，全國人影發(fā)展規(guī)劃和正在建設推進的各區(qū)域人影能力建設項目中也充分考慮了人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)建設內(nèi)容。

1.2.1 人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設內(nèi)容

中國氣象局氣象小型業(yè)務項目“人工影響天氣作業(yè)裝備彈藥全程監(jiān)控應用示范”支持建設的人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設內(nèi)容主要包括人影作業(yè)裝備彈藥全程監(jiān)控模塊、人影作業(yè)信息實時采集模塊和相關(guān)技術(shù)標準與規(guī)范三部分，各部分主要內(nèi)容見表1。

表1 人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要建設內(nèi)容Table 1 The contents of the weather modification system based on the IoT technology

1.2.2 人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體流程

人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)涉及的主要環(huán)節(jié)包括：生產(chǎn)、驗收、轉(zhuǎn)運（運輸）、倉儲、發(fā)射（作業(yè)）和報廢（銷毀）等，總體流程見圖1。其中，中國氣象局人影中心主要負責人影物聯(lián)網(wǎng)標準制定、技術(shù)支持，中國氣象局上海物資管理處主要負責人影彈藥驗收環(huán)節(jié)的管理，及時將驗收合格產(chǎn)品信息通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)告知各?。▍^(qū)、市）氣象局，各?。▍^(qū)、市）氣象局采購、使用通過驗收的合格產(chǎn)品，同時通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)運、倉儲、使用、報廢等環(huán)節(jié)的信息自動上傳至系統(tǒng)。

1.2.3 人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要功能

圖1 人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體流程Fig. 1 Flow chart of the weather modification system based on the IoT technology

人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對人影裝備彈藥的全流程管理功能和對作業(yè)信息的自動化采集功能。人影裝備彈藥全流程管理功能包括對人影裝備彈藥生產(chǎn)、驗收、倉儲、轉(zhuǎn)運、發(fā)射、報廢與銷毀6個環(huán)節(jié)的全程監(jiān)控管理（包括溯源、跟蹤、定位等），以及對裝備彈藥的有效期檢驗、質(zhì)量跟蹤管理等功能，各環(huán)節(jié)主要功能設計見表2。作業(yè)信息自動化采集功能包括對飛機和地面作業(yè)信息自動化采集和處理。通過對高炮和火箭信息化改造[21]，并升級作業(yè)飛機使用的北斗系統(tǒng)、人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)了對人影飛機和地面作業(yè)信息的自動采集傳輸和綜合展示，各環(huán)節(jié)主要功能設計見表3。

表2 人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)彈藥管理6個環(huán)節(jié)的功能Table 2 The ammunition management function of the weather modification system based on the IoT technology

2 人影物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用成效

通過省級人影物聯(lián)網(wǎng)試點建設和國家級整體推動，目前全國已有27個?。▍^(qū)、市）實現(xiàn)了人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的省級部署，29個省（區(qū)、市）開展了市、縣級物聯(lián)網(wǎng)管理部署的示范建設，初步實現(xiàn)了人影作業(yè)裝備彈藥和作業(yè)信息的自動化、信息化動態(tài)管理功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人影業(yè)務應用中取得的主要成效如下：

表3人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作業(yè)信息管理功能Table 3 The cloud seeding information function of the weather modification system based on the IoT technology

1）確定了人影物聯(lián)網(wǎng)建設技術(shù)路線。在人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設過程中，確定了主要基于二維碼標識的炮彈、火箭彈和彈藥箱管理技術(shù)路徑[19]，首次實現(xiàn)了對人影裝備彈藥的統(tǒng)一編碼和唯一身份標識。對炮彈采取激光刻印二維碼標識的方式，將物聯(lián)網(wǎng)信息刻在彈體上，對火箭彈采取粘貼二維碼標識的方式，將物聯(lián)網(wǎng)信息標記在彈體上。對人影彈藥和彈藥箱信息的采集主要利用基于光學掃描技術(shù)的手持式掃描終端，該終端同時內(nèi)置全球定位系統(tǒng)GPS模塊，通過彈藥運輸車輛和人員攜帶可實時定位監(jiān)控裝備彈藥轉(zhuǎn)運信息。各業(yè)務環(huán)節(jié)采集得到的管理信息，利用有線、無線等通訊網(wǎng)絡實時傳輸?shù)饺擞拔锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

2）配套制定了人影物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范和標準。在人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設中，根據(jù)業(yè)務環(huán)節(jié)與信息流轉(zhuǎn)要求編制了人影裝備彈藥監(jiān)控管理系統(tǒng)應用接口規(guī)范，對系統(tǒng)對外接口進行定義，為國家級、省級人影物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)和人影其他業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互提供了依據(jù)。編制了人影作業(yè)裝備彈藥與作業(yè)信息管理等配套的行業(yè)技術(shù)標準，主要包括：人影作業(yè)站點、裝備彈藥的統(tǒng)一編碼規(guī)范，飛機、地面作業(yè)信息采集傳輸規(guī)范等。此外，還制定了《人工影響天氣裝備彈藥監(jiān)控管理系統(tǒng)業(yè)務試運行規(guī)定》，進一步明確了國家、省級、市縣級、作業(yè)站點各業(yè)務層級的職責任務與各級系統(tǒng)軟硬件運維及信息安全管理，保障國家級、省級物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)一體化運行和各項數(shù)據(jù)信息能夠及時有效地收集、傳輸與上報，發(fā)揮系統(tǒng)整體建設效益。

3）實現(xiàn)了人影裝備彈藥和作業(yè)實施的信息化管理。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人影業(yè)務中的應用，基本實現(xiàn)了對炮彈、火箭彈從生產(chǎn)、驗收、運輸、存儲、使用和報廢全壽命周期的自動化跟蹤管理，初步實現(xiàn)對作業(yè)彈藥的精細化和智能化管理。通過條碼和電子標簽掃描及感應技術(shù)自動采集人影彈藥信息，通過數(shù)字震動與光學采集技術(shù)的智能采集傳感器自動采集人影作業(yè)基本信息，結(jié)合地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和移動互聯(lián)技術(shù)，自動傳輸、分析、處理并實時顯示人影作業(yè)信息，提高了人影業(yè)務信息化水平。

3 小結(jié)

總體而言，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國的應用還處于推廣應用階段，目前還存在以下三個問題：一是部分人影作業(yè)站點位置偏僻，缺少物聯(lián)網(wǎng)改造基本條件，人影物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在基層的覆蓋比例還不高；二是基層人影作業(yè)隊伍結(jié)構(gòu)復雜，作業(yè)人員年齡偏大、文化素質(zhì)普遍不高，不利于人影物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用和普及；三是人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)業(yè)務化程度還不高，與人影安全管理和信息采集處理系統(tǒng)還存在相對獨立運行的情況。

針對上述存在的問題，建議物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國人影中的應用可從以下幾個方面改進：一是繼續(xù)在國家層面大力推廣人影物聯(lián)網(wǎng)試點建設成果，通過國家工程項目、地方投資持續(xù)推進，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向基層延伸創(chuàng)造有利條件，提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在基層人影工作中的應用率。二是繼續(xù)推進“政府主導、社會化服務、民兵預備役”相結(jié)合的基層作業(yè)人員管理模式，不斷提升基層作業(yè)人員整體素質(zhì)，加強人影物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)培訓工作，促進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好應用于基層人影業(yè)務之中。三是制定人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)業(yè)務及考核規(guī)范，不斷提高人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)業(yè)務化程度，促進人影安全管理、信息采集系統(tǒng)和人影物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)融合發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人影中的應用，實現(xiàn)了對彈藥的全過程跟蹤管理，實現(xiàn)了作業(yè)和管理信息的自動化采集和傳輸分析，大大提高了我國人影業(yè)務現(xiàn)代化水平，也促進了人影安全管理能力的提升。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國人影業(yè)務中的應用整體還處在推廣應用階段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人影業(yè)務中覆蓋度不斷擴大和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提升，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國人影業(yè)務中的應用將會越來越廣泛，必將為人影科學作業(yè)、精準作業(yè)和安全作業(yè)提供有效的技術(shù)支撐。