朱光耀，董龍明

（1.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410151；2.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表室，南京210000）

無線傳感網(wǎng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的民用火藥貯存在線監(jiān)測系統(tǒng)*

朱光耀1，董龍明2

（1.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410151；2.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表室，南京210000）

針對目前絕大多數(shù)火藥倉庫的溫度、濕度控制由于采用人工操作導(dǎo)致對溫濕度不能實(shí)時(shí)精確監(jiān)控從而導(dǎo)致火藥失效的問題，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火藥貯存在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將無線傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)收集到環(huán)境溫度和水分信息傳給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)火藥貯存溫濕度控制設(shè)備的各個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對火藥貯存環(huán)境溫濕度的自動(dòng)化和實(shí)時(shí)精確控制，提高火藥貯存的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。

民用火藥，在線監(jiān)測系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

火藥需要長期貯存，倉庫環(huán)境溫度和濕度變化對火藥性能影響很大，貯存的環(huán)境條件是影響火藥質(zhì)量的重要因素［1］。火藥中的各組成部分如打火機(jī)構(gòu)、保險(xiǎn)解脫機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、延期機(jī)構(gòu)、傳爆機(jī)構(gòu)和引信體等對溫度、濕度敏感，是導(dǎo)致火藥失效的主要外界因素［2-3］。而當(dāng)前由于各種投入和關(guān)注度不夠，絕大多數(shù)火藥倉庫的溫度、濕度控制還是傳統(tǒng)的人工操作方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多的高新技術(shù)在火藥領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，使火藥向著遠(yuǎn)程化、智能化、制導(dǎo)化方向快速發(fā)展，大大提高了武器裝備的信息化程度，如末制導(dǎo)火藥、炮射導(dǎo)彈等，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲(chǔ)存環(huán)境條件要求高，對貯存可靠性要求也更加苛刻。國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對火藥貯存可靠性進(jìn)行一系列研究。趙東華［4］等人基于灰色模型研究末制導(dǎo)火藥貯存壽命預(yù)測模型，潘文庚［5］等人基于密封火藥特點(diǎn)，利用ANSYS軟件對貯存火藥溫度場進(jìn)行仿真分析，獲得了室內(nèi)庫存彈體內(nèi)部各點(diǎn)受庫存溫度影響的分布規(guī)律。但是，對火藥室內(nèi)溫度和濕度控制技術(shù)研究相對較少。

無線傳感網(wǎng)［6］是由數(shù)目不等分布式的終端傳感器以自組織和多跳方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)感知、采集、監(jiān)測、給定區(qū)域各個(gè)位置的各種信息（如：溫度、濕度、濃度、鹽度等），并對采集的信息進(jìn)行簡單的處理后以無限傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到接受方，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由處理單元及其無向信號通道互連形成的并行分布式處理器，通過外部輸入的刺激，不斷獲取并積累知識，進(jìn)而具有一定的判斷預(yù)測能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［7-8］具有多種類型，數(shù)據(jù)不斷地改變連接權(quán)值，構(gòu)建模型的非線性聯(lián)系，從而根據(jù)新的輸入值測試輸出值的大小。

本文基于無線傳感網(wǎng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了火藥貯存在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在火藥貯存?zhèn)}庫環(huán)境搭建無線傳感網(wǎng)，實(shí)時(shí)收集貯存環(huán)境的濕度和溫度變化，傳輸?shù)胶笈_神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器根據(jù)控制模型控制溫濕度控制設(shè)備的參數(shù)，并根據(jù)控制參數(shù)和環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系不斷修改連接權(quán)值，調(diào)整優(yōu)化控制模型，形成閉環(huán)，達(dá)到控制最優(yōu)模型，實(shí)現(xiàn)對火藥貯存溫濕度的自動(dòng)化和實(shí)時(shí)精確控制，提高火藥貯存的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)是由前端分布在火藥貯存環(huán)境中各個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)、中繼路由、后臺的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和在線監(jiān)控服務(wù)器組成，如圖1所示。傳感器采集嵌入溫度和濕度感應(yīng)器，可將周圍濕度和溫度數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o最近的中繼器。中繼器同樣以無線的方式接入無線網(wǎng)絡(luò)，并接受來自各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整合匯總并發(fā)送至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和在線監(jiān)控服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了便于火藥貯存在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確反饋貯存環(huán)境溫度和濕度參數(shù)變化狀況，在無線傳感網(wǎng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器基礎(chǔ)上加入在線監(jiān)控服務(wù)器模塊，具有以下功能：能夠可視化環(huán)境溫度和濕度參數(shù)變化率、存儲(chǔ)和查詢歷史數(shù)據(jù)、無線傳感網(wǎng)的管理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器模型的管理等?？梢詫⒃诰€監(jiān)控服務(wù)器根據(jù)業(yè)務(wù)功能進(jìn)行分層，可以分為：無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入層、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)交互層、業(yè)務(wù)邏輯層、系統(tǒng)界面層。

無線傳感網(wǎng)接入層負(fù)責(zé)接收無線傳感網(wǎng)中繼器傳輸過來的溫度和濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫用以存儲(chǔ)和管理各種系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)庫、中繼器配置表、溫度數(shù)據(jù)庫、濕度數(shù)據(jù)庫和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；數(shù)據(jù)交互層是業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫之間的橋梁，當(dāng)業(yè)務(wù)邏輯層需要處理業(yè)務(wù)時(shí)，需要訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，該層服務(wù)從數(shù)據(jù)庫中獲取業(yè)務(wù)邏輯層需要的數(shù)據(jù)并返回；業(yè)務(wù)邏輯層包括各種業(yè)務(wù)邏輯組件，將通過系統(tǒng)界面層傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理，并直接管理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型進(jìn)行評判和修改；系統(tǒng)界面層存放各業(yè)務(wù)界面模塊，并利用各種展示方式（例如：曲線圖、方正圖等）將各種數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶，并接受用戶輸入的數(shù)據(jù)傳給業(yè)務(wù)邏輯層。

圖2 在線監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法

由于無線傳感網(wǎng)采集的溫度和濕度數(shù)據(jù)具有區(qū)域分布性和多樣性，涉及到多個(gè)變量之間綜合疊加產(chǎn)生綜合效果，才能決定真空干燥設(shè)備是否運(yùn)轉(zhuǎn)和運(yùn)轉(zhuǎn)輸出功率多大，才能取得最佳效果。本文針對多變量控制問題，基于三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立溫度和濕度多變量控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分布是輸入層、隱含層和輸出層，采用全連接的方式，如下頁圖3所示。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型結(jié)構(gòu)

這里，使用高斯函數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的徑向基函數(shù)，

從傳感器采集的溫度、濕度參數(shù)到真空干燥控制參數(shù)的映射關(guān)系可以表示為：

其中：‖·‖表示歐式范數(shù)，N為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型在建立之初需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初始化各個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)（如神經(jīng)元之間的權(quán)值），在控制過程根據(jù)控制過程中輸入溫度和濕度數(shù)據(jù)的控制參數(shù)與期望之間的比較，不斷修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，直至誤差在一定的范圍內(nèi)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)節(jié)流程如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在火藥貯存?zhèn)}庫（10 m×10 m，高度3 m，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）物理均勻布置無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)和中繼路由，中繼路由個(gè)數(shù)為10個(gè)，每個(gè)中繼路由節(jié)點(diǎn)收集周圍有4個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)分2部分：

①驗(yàn)證無線傳感網(wǎng)絡(luò)溫度和濕度的檢測和傳輸誤差是否滿足需要，即數(shù)據(jù)檢測和傳輸?shù)恼_性；

②驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行閉環(huán)控制后，各環(huán)境因子的變化是否滿足需要，即控制精度問題。

選擇火藥貯存環(huán)境溫度數(shù)據(jù)為代表，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測和傳輸誤差實(shí)驗(yàn)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)測量器具顯示的溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)誤差范圍均在±0.1℃范圍內(nèi)，表明無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)檢測和傳輸可靠，能夠滿足實(shí)際需要。

表1 環(huán)境溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)（℃）

表2 火藥貯存環(huán)境的溫度、濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表明，12 h溫度誤差在±0.3℃范圍內(nèi)，濕度誤差在0.14%rh范圍內(nèi)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制系統(tǒng)控制達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足實(shí)際運(yùn)行需要。

4 結(jié)論

本文針對火藥貯存環(huán)境的溫濕度不能實(shí)時(shí)精確監(jiān)控和控制從而導(dǎo)致火藥失效問題，基于無線傳感網(wǎng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型搭建火藥貯存在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)表明：無線傳感網(wǎng)能夠準(zhǔn)備實(shí)時(shí)收集并傳輸火藥貯存環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型達(dá)到穩(wěn)定后能夠達(dá)到控制精度要求。下一步對在線監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)的功能擴(kuò)展，以便能夠遠(yuǎn)程訪問控制監(jiān)測系統(tǒng)。

［1］鞠訓(xùn)光.航引貯存可靠性質(zhì)量分級研究［D］.徐州：空軍后勤學(xué)院，1998.

［2］陶敏，李書敏.航空火藥［M］.徐州：黃河出版社，1992.

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Civil Powder Storage Online Monitor System Based on Wireless Sensor Network and Neural Network

ZHU Guang-yao1，DONG Long-ming2
（1.Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic，Changsha 410151，China；
2.Nanjing Military Representative Office of PLA Army，Nanjing 210000，China）

The temperature and humidity of the vast majority of the ammunition storages is controlled manually，which causes accurate real-time monitoring of the temperature and humidity and even the ammunition failure.So，a type of the ammunition storage online monitor system based on wireless sensor network and neural network is designed.The system collects the information of realtime temperature and humidity from the terminal nodes of the wireless sensor network and transmits it to the neural network controller，and then adjusts the various parameters of the temperature and humidit control devices in real-time according to the control model of neural network.It can realize the automation and precise control of the temperature and humidity of the environment in real time，improve reliability and economic benefit of the ammunition storage.

civil powder，online monitor system，wireless sensor network，neural network

TP39；TJ5

A

1002-0640（2016）12-0155-03

2015-10-05

2015-12-07

湖南省教育廳基金資助項(xiàng)目（15C0488）

朱光耀（1984-），男，湖南婁底人，講師。研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)。