需求自感知的军港岸基保障物联网系统

一、引言
军港是战场设施的重要组成部分，作为海军舰艇获得战斗、技术和后勤保障的基地，其为舰艇部队提供驻泊和组织实施战斗准备、后勤、装备等综合保障，是舰艇作战能力生成和恢复的后方依托，在现代海上战争中发挥着举足轻重的作用[1]。

军港的供水、供电、供暖、供纯水、供油、供气（简称军港六供）是舰艇靠岸驻泊保障过程的核心环节。

然而，目前发展中国家绝大部分军港六供的岸基保障过程仍主要依靠人工完成，保障需求计划依靠人工进行传递、分配和执行，反应速度慢、保障效率低，且在保障过程中，保障指挥管理人员对现场保障作业情况缺乏可视化的监控和监测手段。

现有军港六供保障模式已很难适应现代信息化战争对舰艇的实时、精确、高效、可靠的保障要求。

因此，实现军港六供保障的信息化与智能化，提高军港保障效率，显得尤为必要和迫切。

本文基于物联网的相关理念[2]和技术，搭建军港岸基保障物联网系统。

该系统基于网络融合、数据融合和服务融合思想，能自动感知保障需求，自动执行保障过程，远程可视化监控保障作业，将业务需求数据、实时数据、视频、音频等保障信息汇集融合到统一的平台上，实现了保障人员对保障过程的可视化、透明化的掌控，为以军港六供保障为核心的岸基保障提供了先进、高效的支撑平台。

该平台已在某大型军港获得成功应用。

二、军港岸基保障过程及其特点
舰艇靠岸驻泊后，需要岸基保障部门补给油、水、电、气、食品以及军械、弹药等。

军港设置有生活供水中心、纯水站、配电室、供暖锅炉房等岸基保障设施，同时在驻泊码头设置岸电箱、供水加注口、供纯水加注口等码头终端设备和装置，为舰艇靠岸后提供快速、简便的用电、用水接入手段。

现以常见的供水保障为例来说明军港保障业务的基本流程。

图1为某军港供水保障系统原理图。

图中，码头上分布有5个供水口，平时情况下通过市政供水管道直接供水，战时市政管线受破坏时，可通过战备水池进行供水。

杨启亮1，李决龙2，邢建春1，王平1，钱淑华1，王荣浩1
(1.解放军理工大学国防工程学院，南京210007;2.海防工程研究中心，北京100841)
[摘要]军港人工保障模式已很难适应现代信息化战争对舰艇的实时、精确、高效、可靠保障要求。

文章基于物联网的理念和技术，构建了具有需求自感知能力的军港岸基保障物联网系统，将业务需求数据、实时保障数据、保障过程视频等保障信息汇集融合到一个统一的平台上，实现了保障人员对保障过程的可视化、透明化的监视和控制。

文章首先分析了军港岸基保障流程及其特点，定义了军港岸基保障物联网系统的概念模型，给出了其总体功能框架，在此基础上，讨论了军港岸基保障物联网系统的硬件结构和软件模型。

军港岸基保障物联网系统已在某大型军港获得成功应用。

[关键词]军港岸基保障；物联网；军港六供；需求自感知
[中图分类号]E233[文献标识码]A[文章编号]1671-4547(2014)02-0056-07需求自感知的军港岸基保障物联网系统
[收稿日期]2014-03-17
[作者简介]杨启亮，男，副教授，博士，研究方向：国防工程智能信息化、计算机软件与理论、智能控制。

DOI:10.13943/j.issn1671-4547.2014.02.015
当舰艇靠岸时，首先要向岸基保障中心申请供水保障，填写供水申请单。

供水保障中心根据申请通知水电值班室派人到码头，供水保障操作人员手工打开供水阀门，并开始计量，供水时间到达舰艇供水申请单后，保障人员关闭阀门，记录本次供水流量，完成供水保障任务。

从上述保障过程的描述中可以看出，军港六供保障模式具有如下特点：
●按需保障。

岸基保障部门向靠岸舰艇进行
六供保障，是在舰艇提出保障需求时才进行保障。

●人工保障。

现有保障模式下，舰艇保障信息
的传递、保障设备的操作和保障过程的记录仍主要依靠手工完成，效率非常低。

从以上分析讨论可知，军港岸基保障活动是依据驻泊舰艇的保障需求驱动和触发的，但现阶段，岸基保障部门对保障对象需求的获取和传递仍是手工方式，效率低，反应慢。

现有军港六供保障模式已经很难适应信息化战争条件下舰艇的保障需求。

如果能够采用信息技术，实现对保障需求的自动感知、获取，并将保障需求自动分发至各保障部门和部位，保障人员依据感知来的保障需求（如要求“在X 点在X 泊位对XXX 舰进行X 小时的供水）触发保障活动，保障过程能够基于信息系统实时透明化、可视化监视、记录和评估，则势必能大大提高军港信息化战争条件下的岸基保障效率和能力。

因此，非常有必要构建一套具有舰艇保障需求自动感知功能的军港岸基保障信息平台。

在本文，我们运用物联网理念和技术来构建这种信息平台，称之为军港岸基保障物联网系统。

三、军港岸基保障物联网概念框架
（一）从物联网到军港岸基保障物联网在讨论军港岸基保障物联网的概念之前，我们首先讨论物联网及军事工程物联网的概念，及我们对这些概念的理解。

由于物联网的理论体系还不完备，人们对其本质内涵认识还不够深入，所以目前关于什么是物联网还没有一个精确公认和统一的定义。

下边给出若干有代表性的定义。

定义1：物联网是指由标识、虚拟个性的物体/对象所组成的网络，这些标识和个性运行在智能空间，使用智慧的接口与用户、社会和环境的上下文进行连接和通信[3]。

定义2：物联网是一种建立在互联网上的泛在网络，通过各种有线和无线网络与互联网融合，综合应用海量的传感器、智能处理终端、全球定位系统等，实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制[4]。

定义3：物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普适物理对象实现互联互通的网络。

它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征[5]。

定义4：物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络[6]。

从上述物联网的定义可以看出，物联网可分为狭义和广义之分，狭义上的物联网限于物物互联，实现物品的智能识别和管理；而广义上的物联网则拓展到信息空间、物理空间和社会空间的融合，实现人、机、物基于网络和信息系统的高效交互。

但上述定义过多地强调了物联网是一种连接网络。

我们认为，物联网既不是单纯的一种网络连接，也不是单纯的感知、识别和定位，而是基于统一网络传输平台的信息感知、传输、处理、监视、控制、决策和服务等多个方面。

其典型特征表现为一种层次化的融合，即：网络融合、数据融合和服务融合。

近年来我们结合军事工程领域对物联网的需求，提出了军事工程物联网的研究概念，其定义为：
定义5：军事工程物联网指通过信息传感设
图1
军港供水保障系统原理图
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国防科技备，按照约定的协议，把军事工程中的各要素单元（包括设施、设备、环境、人员等）通过特定的网络连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监视、控制、管理和决策的一体化计算平台[7]。

军事工程物联网是为了突破军事土木工程不可知、不可测的黑箱瓶颈，通过实现信息空间、建筑空间和战场空间的高度融合，确保指令畅通、指挥可靠、机动快速、保障精确，从而有效提升军事工程基于信息系统的体系保障能力。

军港是军事工程的典型代表，是海军岸基保障活动的载体。

军港岸基保障物联网系统是军事工程物联网在军港领域的实例化，其定义可描述为：
定义6：军港岸基保障物联网就是把军港中的舰艇、保障设施设备、保障人员等要素通过特定的网络连接起来，进行通信和交互，以实现保障需求感知、分发、执行、监视、展示和评估等。

军港岸基保障物联网的核心特征是需求驱动，重点围绕保障需求展开人、机、物的交互活动。

军港岸基保障物联网系统的概念模型如图2所示。

图2中，军港岸基保障物联网作为一个信息平台将保障活动的各要素单元包括保障对象（舰艇等）、保障执行人员、保障指挥管理人员、军港保障设施设备（供电、供暖设备等）连接起来，围绕保障需求，实现需求感知、分发、执行、监视、展示、评估等功能。

（二）军港岸基保障物联网的总体框架军港每次保障过程都是需求驱动的，驻泊舰艇提出保障需求，岸基保障部门响应需求，并根据需求实施保障任务。

图3更为详细地刻画了军港岸基保障物联网的功能和工作流程。

军港岸基保障物联网系统以保障业务一体化监控与管理为核心，以信息基础设施平台为基础。

一体化监控与管理平台用于处理军港保障的核心业务，设计有岸舰信息交互系统，其包括保障需求申请系统和保障需求审核与分发系统两个模块，前者的用户为舰艇用户，其终端接入到延伸至泊位的军港一体化信息网络中，在舰上便可实现各种保障需求（如饮食需求、供水、供电需求等）的申请与提交，申请提交至岸基一体化保障指控中心，由值班人员进行需求申请单据的审核，并根据申请的类型分发至相应的保障部门。

保障需求分发至各个保障部门（如纯水站、食品供应站等）后，由相应的保障任务执行系统实施保障：军港“六供”监控系统实现对舰艇供水、供
电、供油、供气、供暖、供冷等保障过程实时监控与管理；军港照明监控实现对码头照明的灯光控制，军港油污水收集与处理监控系统实现对舰艇油污水收集与处理工艺过程的自动化监视与控制，移动保障装备调度系统通过对讲与GPS 定位技术相结合，实现对保障装备的实时定位和指挥调度；保障作业指挥调度系统依托IP 对讲与视频监控系统，
实现对军港码头前沿的保障过程及动态的远
图2
军港岸基保障物联网的概念模型
图3
军港岸基保障物联网系统流程式的总体框架
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程可视化指挥与监控；军港环境监测系统实现对港区环境包括大气环境（气象参数）、海洋环境（水质等）等的在线监测；军港基础设施信息管理与查询系统实现对军港基础设施（地面建筑、地下管线等）、设备等各种属性数据、图形、图纸、视频等信息的查询与调阅，为军港保障提供及时的信息支持。

在执行保障任务时可通过军港保障辅助决策系统查阅各种典型保障任务的保障预案，为保障任务提高决策支持。

保障任务的执行过程可通过军港三维实景监控系统实现对保障过程的动态呈现与透明化监视。

保障任务完成后进行保障效果评估，如某军港通过能耗计量与分析系统统计本次保障任务的能耗情况。

保障效果的评估结果可用于更新辅助决策系统的预案库。

军港信息基础设施平台为整个信息平台提供网络传输、数据存储、信息安全等方面的支撑。

四、军港岸基保障物联网硬件结构
本系统主要由测控传感设备、现场总线通信网络、岸舰信息交互箱、智能信息终端、保障信息网络、保障监控网络、现场感知网络、监控与管理主机、监控与管理软件等部分组成。

其硬件结构如图4所示。

驻泊舰艇配置有专用客户端，用于提交保障需求，其通过柔性网络电缆接入安装于码头的岸舰信息交互箱。

舰用客户端访问岸基保障物联网系统中的岸舰交互子系统，提交用水、用电等保障需求。

在军港六供保障过程中，测控传感设备主要包括智能电表、智能远传水表、电动阀门、涡轮流量计、光电液位开关、温控仪等装置，实现对军港供水、供电、供暖等的实时感知和控制。

测控传感设备通过保障监控网络（主要为Modbus 、Lon -
Works 等）接入到上层的岸舰交互箱。

现场感知网络主要指连接现场传感设备的网络包括Meter-bus 总线、EIB 总线等。

智能信息终端安装于岸舰交互箱内部，实现对现场测控传感装置的数据采集和控制。

智能信息终端通过以太网络实现与上位监控主机进行通讯。

系统的监控网络采用工业以太网，提高了系统的实时性和可靠性。

系统监控主机包括供配电智能监控主机、供水智能监控主机、纯水智能监控主机、油污水处理智能监控主机、供暖智能监控主机等，其上运行监控和管理软件，分别实现军港相应保障过程的监控和管理。

五、军港岸基保障物联网软件模型
针对军港岸基保障过程的特点，研制了军港岸基保障物联网软件平台，该平台实现岸基保障部门对舰艇需求的自动感知、执行、监视、评估等功能。

解决了过去军港保障活动无法动态跟踪，保障信息不能实时精确传递的难题，达到保障过程实时可视、可知、可控、可自动计量等保障目标。

（一）功能设计
军港岸基保障物联网软件模型的功能刻画可用通用建模语言UML (Universal Model Language)用案图表示[8]。

用案图用于描述一组用案、参与者及它们之间的连接关系。

一个用案描述了一组动作序列，每一个序列表示系统的外部设施（系统的参与者）与系统本身的交互。

用案图是从参与者使用系统的角度来描述系统中的信息，即站在系统外部查看系统应该具有何种功能。

图5为军港岸基保障物联网软件模型的用案图。

从图5可以看出，军港岸基保障物联网软件平台具有保障需求自动感知、保障方案自动生成、工艺流程实时监视、六供设备远程控制、保障过程自动计量、保障作业远程可视、保障数据实时上传、保障效果评估等核心功能。

其外部交互对象主要有保障值班人员、业务管理软件平台、岸舰保障业务交互系统、过程I/O 系统、视频监控系统。

具体
图4
军港岸基保障物联网系统硬件结构
杨启亮等：需求自感知的军港岸基保障物联网系统59
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国防科技功能描述如下：●保障需求自动感知
平台能够与岸舰交互系统相通，实时感知和获取来自舰艇的供水、供电等保障需求。

●保障需求自动生成与分发
根据采集到的保障需求，通过辅助决策，按照时间最短、成本最低或保障力量最少等指标生成油、水、电、气、暖等保障的最优方案，并自动分发到各油料、电气等保障单位，由其需求执行供水、供电等保障过程。

●工艺流程动态监视
平台软件界面能直观地监视整个供水、供电、供暖等保障工艺流程，实时显示运行参数如码头各供电回路的电压、电流、电度，以及供水保障的供水量等参数。

●六供设备远程控制
平台在软件界面上提供控制按钮，授权用户能实现对供水、供电等保障设备的远程控制。

●保障过程自动计量
平台能实现对每次保障任务过程中供水、供电等消耗量的自动计量，并持久存储到网络数据库中，供上层业务管理平台统计分析、报表。

●保障作业远程可视
平台中的软件工艺流程画面中内嵌了视频监控组件，可显示码头网络摄像机传来的视频信息，实现对码头前沿六供保障作业情况的远程可视化监控。

●保障数据实时上传
平台对六供保障过程产生的数据通过上传中间件实时上传到业务管理平台网络数据库中持久存储，供上层业务管理平台显示、统计、分析、查询
等。

●保障效果评估
根据对保障过程数据的处理和统计、分析，对保障效果进行评估，从时间满足度、能源消耗量等方面对本次保障作业进行评估，为改进保障流程、评价保障分队作业水平等提供科学依据。

在上述功能中，保障值班人员作为软件平台的直接用户，直接使用前五个功能，而面向机关管理人员的保障业务管理软件平台主要关注工艺流程监视、保障过程自动计量、保障数据实时上传、保障效果评估等这几个核心功能。

软件平台中，保障需求自动感知功能的实现基于岸舰保障业务交
互系统，实时轮询岸舰交互数据库，检查有无新的需求表单生成，如有则将需求表单信息检索出来，并在平台软件界面中显示。

而工艺流程监视、六供设备远程控制、保障过程自动计量这三个核心功能等实现需要与过程I/O 子系统交互才能完成，即过程I/O 系统中的控制器采集保障数据，并将其上传到监控平台中进行流程显示和计量显示，同时平台六供设备控制指令通过过程I/O 系统驱动现场阀门等设备动作。

软件平台中的保障作业远程可视化功能的实现需要与视频监控系统交互才能完成，部署在码头前沿的摄像机通过网络传输到软件平台。

（二）软件平台结构
依据前文对军港岸基保障物联网软件平台功能的设计和描述，软件平台的运行时部署图如图6所示。

图6中，软件平台共涉及到监控主机节点、六供控制器节点、视频流媒体服务器节点、岸舰保障业务交互服务器节点、业务管理服务器节点，节点之间采用TCP/IP 网络协议进行通信。

软件平台运行在监控主机中，共包括人机界面、实时数据库、
图5
军港岸基保障物联网软件模型用案图
图6
军港岸基保障物联网系统软件平台部署图
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数据上传中间件三个部分。

人机界面主要由六供工艺监控组件、作业远程可视化组件、需求感知与显示组件三个核心组件构成。

六供工艺监控组件依赖于实时数据库组件，其参数与状态的显示、控制指令的输出都是依靠实时数据库来完成，而监控平台实时数据库组件又依赖于六供控制器中的控制与通信组件，即依靠采该组件完成数据的采集与控制指令的输出；作业远程可视化组件依赖于视频流媒体服务器的视频流数据库，视频流数据库实时存贮着各路摄像机当前视频，远程可视化组件通过网络访问该数据库获取当前视频流并在人机界面中进行显示；监控主机的需求感知与显示组件依赖于岸舰保障业务交互服务器中的岸舰交互数据表，其通过网络实时查询该表，从中获
取当前的最新需求信息，岸舰交互数据表的信息通过岸舰交互应用程序进行更新。

软件平台的数据上传功能通过数据上传中间件实现，其运行于监控主机，但其依赖于实时数据库，即其定时从实时数据库中取出保障数据，通过TCP/IP 网络上传到业务管理服务器中的业务数据表，进而供业务管理应用程序调用。

（三）软件平台的实现
根据上节的功能与结构设计，研制开发了军港保障岸基保障物联网软件平台。

该软件平台基于组态软件、.Net 等开发工具，综合采用了Ac -
tiveX 、多线程、后台调度等技术。

图7为实现的软
件平台中的供电保障过程智能化监控人机界面。

图7
供电保障过程智能化监控界面
图7中，画面的右下部分为实现对供电保障需求的实时感知，表格中显示的为岸舰保障信息交互业务系统中舰艇产生的供电需求表单，保障值班人员根据表单所要求的时间执行供电保障作业；画面左半部分用于实现某泊位对供电保障作业过程进行实时计量和参数监视，并能实现紧急情况下的远程脱扣处理。

画面右上部分融合了视频监控系统的实时图像，用于可视化地远程监视码头保障情况。

图8为软件平台中供纯水保障过程智能化监
控的单个供纯水口的监控人机界面。

图8中，画面下半部自动显示更新舰艇供水保障产生的需求表单，保障人员根据需求表单执行供纯水保障作业，点击开始计量，则自动打开供纯水电动水阀，进行舰艇供纯水保障。

画面中部实现对供纯水保障工艺流程的实时监视和控制，在冬季供水完毕后，则启动自动排空系统，排除剩余存水，有效防止冬季水管冻裂问题。

画面右上部分显示当前供纯水口的实时视频画面，以更加直观的方式监视码头供纯水保障作业动态。

杨启亮等：需求自感知的军港岸基保障物联网系统61
2014年第2期（总第285期）
国防科技图8
供纯水保障过程智能化监控界面
Abstract ：Supporting modes of current naval port have hardly met the realtime,accurate,efficient and reliable re -quirements of warships in information-based wars.In this paper,an internet-of-things
(IOT)-based naval port supporting
system (IOT-NPSS)with requirement-awareness is proposed and established.The system is able to pool various information such as requirement data,realtimely supporting data,and video data of supporting process into an integrated and universal computing platform,and thus users can visually and transparently monitor and control supporting processes.First,the char -acteristics and workflows of naval supporting are analyzed.Second,a conceptual model of the IOT-NPSS is defined,and its general function framework is provided.Finally,the hardware architecture and the software model of the IOT-NPSS are proposed and discussed.The IOT-NPSS has been successfully applied in a big naval port.
Key words:coast-based support in naval port ；Internet of Things ；six supplies in naval port ；requirement aware
Requirement-aware Naval Port Supporting Systems Based on Internet of Things
YANG Qi-liang 1,LI Jue-long 2,XING Jian-chun 1,WANG Ping 1,QIAN Shu-hua 1,WANG Rong-hao 1
（1.School of National Defense Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China;
2.Research Center of Coast Defense Engineering,Beijing 100841,China ）
六、结论
军港岸基保障物联网系统采用了服务融合的理念，将保障需求感知、工艺流程监控、保障作业可视化等功能融于一体，形成了需求自感知的一体化信息平台，在改变传统军港保障模式的同时，更大大缩短了保障时间、提高了军港保障的快速响应能力，有效提升了信息化战争条件下军港的保障水平。

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