姚冬安 张 舒 董晓明 徐文君 田思思
（1.武汉理工大学信息工程学院 武汉 430070）（2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）
舰船集成探测系统、动力系统、结构系统等子系统，负责执行海上相关作战任务，舰船运行环境复杂，包括海洋气象、海洋水文、海洋地理地质、电磁环境、海洋物理因素等都可能对水面舰船平台性能及其搭载的武器装备性能产生不同程度的影响［1～2］。舰船态势感知数据是指在战场空间内，各类军事作战单元及其所处自然环境要素的各种状态数据。态势感知数据是构建舰船运行环境动态模型的数据基础。针对舰船海上运行存在覆盖范围广、时间长、舰船运行环境要素众多且具有动态性的特点，态势感知数据驱动的舰船运行环境动态建模，有利于准确构建舰船执行任务时所处的环境模型，为舰船提供运行环境态势信息感知能力，及时全面掌握舰船运行环境诸多态势信息，减少舰船运行环境复杂性、动态性造成的影响，提升舰船任务执行能力。
在态势感知数据获取方面。文献［3］提出了一个通用误差模型，构建气候观测结果特征，利用丰富元数据的多变量冗余信息减少气候数据记录（如海表温度、海洋空气温度、湿度、风速和风向等数据）的不确定性。文献［4］研究了在杂乱、干扰和雷达内部噪声为特征的同质环境中对点形目标的自适应雷达检测。文献［5］利用经验模式分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）技术探测铁磁体产生的磁异常，探索了利用磁场进行水下物体探测的可能性。文献［6］通过融合雷达数据与电子支持措施数据，在目标航迹断续的情况下，综合推理目标融合航迹，提高了态势数据感知能力。文献［7］研究了雷达系统中基于动态规划的检测前跟踪算法（TrackbeforeDetect，TBD）实现对起伏目标的检测，将相位信息应用于TBD 融合过程，以提高雷达检测性能。文献［8］根据不同数据源的特点，为GF-4卫星数据和自动识别系统异构数据提供了一种航迹级数据融合体系结构，具备更好的海上军事态势感知能力。
在舰船运行环境建模方面，自20 世纪80 年代起，美国国防部组织相关机构与科研部门联合开发并研制了包括海洋环境模型和综合环境模型的JSIMS 环境模型［9］。在美陆军仿真系统OneSAF 项目开发过程中，研究人员对地形公共数据模型架构进行了拓展，开发了包含整个地球的自然环境数据模型，其中包括地形地貌环境模型、海洋模型等［10］。北约地理空间海事工作组在海洋地理信息数据模型S-100 框架的基础上［11］，制定了军事叠加层的依赖产品规范（S-501 至525），探索了海洋战场环境的构建。俄罗斯科学院数值数学研究所与俄罗斯水文气象中心合作开发了SL-AV20 全球静压大气模型，实现俄罗斯上空20km 分辨率季节预测和气候建模测试［12］。文献［13］提出高分辨率的全球海洋-冰-大气模型的紧凑建模框架，实现全球海洋环境临近预测与模拟。文献［14］基于GPU技术，对大型海洋水文环境进行了可视化研究，可以高效直观地模拟和显示海洋环境因素的特性和变化过程。文献［15］基于Creator/Vega 仿真平台，针对不同种类的海洋地理信息，提出不同建模方法，实现了较为逼真的视觉效果。文献［16］针对舰船运行环境中海洋地形与运行实体提出建模方法，并对舰船运行视觉效果进行渲染，实现了舰船运行环境的可视化。文献［17］利用多维描述层的形式结构，对舰船运行环境中风浪、漂浮物等进行实时建模仿真与可视化，最终构建出虚拟海洋模型。文献［18］基于大量复杂的海洋环境数据，搭建了一个南海海洋环境数据原型系统，实现了Argo 浮子、海面温度场、海流场、盐度、原位调查数据和海洋站的可视化。文献［19］分析了海洋环境噪声对浮标探测范围的影响，提出浮标布设模型，提高了反潜飞机的搜潜能力。
综上，国内外学者在舰船运行环境模型的构建与可视化方面取得了相关成果，但国内学者尚未对舰船运行环境动态建模展开深入的研究，还未形成统一的舰船运行环境模型数据表达和规范，未考虑到运行环境中环境因素的动态性，忽略了战场态势感知数据动态特性对运行环境模型的相互作用关系。针对上述问题，本文对舰船运行环境建模开展研究，提出态势感知数据驱动的舰船运行环境模型动态构建框架，基于海洋气象水文实时数据构建HYCOM 数值模型，实现海洋气象水文环境模型的构建与仿真。
态势感知是舰船运行环境动态建模的基础。通过海基、船基、岸基、空基、天基等多种探测源对海洋环境信息与军事态势信息进行探测感知。以洋流数据为例，通过选取合适的坐标系（等密度坐标系、sigma坐标系或z坐标系），对海洋洋流多源数据进行结构化定义，实现对具有垂向混合坐标系的HYCOM数值模拟模式的构建。针对海洋洋流多源数据具有海量、多源、高维度、耦合性、时变性、非线性等特点，利用数据挖掘、数据填补、数据去噪、数据去冗余、数据融合等多种手段实现适用于海洋洋流数据的高效数据清洗，进而实现舰船运行环境动态建模，得到动态舰船运行环境模型。态势感知数据驱动的舰船运行环境动态建模框架如图1 所示，包含舰船运行环境态势感知，态势感知数据处理与存储和舰船运行环境动态模型。
图1 舰船运行环境动态建模总体框架
3.1 舰船运行环境态势感知
舰船运行环境态势感知数据可分为自然环境数据与舰船态势数据，态势数据感知来源海基、岸基、船基、天基、空基等，如图2 所示。其中，自然环境数据分为海洋气象环境数据，海洋水文环境数据、海洋声学信道数据、海洋地理地质环境数据、海洋物理环境数据等。舰船态势数据包括我军、敌军作战单元、后勤补给单元的类型、数量、部署位置和移动轨迹等。
图2 态势感知数据获取
在海底地质地貌数据感知方面，通过水面船只、潜艇或潜水器采用回波检测方法和地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术测量采集当前海域的水深数据。对于水深较浅的沿岸海区，利用远程遥感的手段对水深数据进行测量。
在海洋气象水文环境数据感知方面，通过海洋浮标平台、遥感卫星、气候观测站等对海洋温度、盐度三维剖面的实时监测。利用卫星数据通信链路，实现实时可控的海洋盐度、温度、深度数据采集和传输。利用海洋新型雷达遥感探测大范围海域海浪的波高、波向等数据以及一维二维波谱和海流的流速、流向等数据，从而提供高保真、实时的海洋气象环境数据。最后利用netCDF 文件格式对海洋气象水文数据进行存储，为海洋气象水文环境模型的动态建模提供数据支撑。
在海洋声学环境数据感知方面，利用海洋气象卫星获取特定海域的海水温度数据［20］，结合浮漂平台的盐度、温度、深度传感器组采集的数据，建立特定海域的三维盐度、温度剖面图，实现三维海域温度、盐度模型的动态构建。利用特定海域三维温盐环境模型可以对舰船运行环境中的水声信道环境进行模拟和临时预报［21］，为构建水下声学信道模型提供数据基础。
在海洋物理环境数据感知方面，包含海洋重力和磁力测量。通过船载高精度重力仪，结合GIS 导航定位技术测量特定海域的重力数据。通过船基拖曳测量可以获取海洋垂直方向的磁力变化数据。
在舰船态势数据感知方面，通过多种探测渠道对军事态势数据进行感知，如军事卫星的雷达探测、红外成像、高分辨率照相，舰船的雷达、声呐，潜艇声呐等。对于水下军事目标，通过岸基声呐、雷达、声呐、反潜直升机等多种探测手段获取敌方军事作战单元实时位置、部署信息与移动轨迹等。
3.2 态势感知数据处理与存储
海域海洋环境要素数据和舰船态势数据存在多源异构特征，其数据处理与存储框架如图3 所示。
图3 态势感知数据处理与存储
在海洋环境要素数据处理方面，对海洋温度、降雨量、浪速和浪向等多要素时序感知数据进行多层次分类描述与处理，利用数据挖掘方法获得当前时刻多要素时序数据组成的海洋环境与海洋现象之间的关联关系。对缺失空间数据样本点，采用动态插值算法进行插值处理。对缺失的海洋气象水文数据，基于历史平均数据进行填补。
在舰船态势感知数据处理方面，采用数据填补、数据去噪、数据去冗余、数据清洗、数据融合等多层次数据预处理技术对舰船态势感知数据进行预处理，提高数据质量。针对舰船运行过程中产生的非结构化（如雷达扫描、电子侦察图像）和半结构化数据（声呐探测文本、运行任务日志）文件存在易重复的问题，通过文件相似性比较算法去除重复冗杂的文件数据。对多源态势探测数据，基于PCA变换方法实现数据融合，提取舰船探测系统的多源探测数据在空间和时间上的互补与冗余信息，实现探测对象的信息的统一描述。
在态势感知数据存储方面，采用MySQL 或Oracle 数据库实现数据持久化存储，并搭建数据集成化管理平台。数据集成化管理平台主要处理两类数据，一是静态数据，包括舰船基础数据，如：设备类号、装置种类和设备的物理性质；
二是动态数据，包括舰船运行实时状态、动态环境、舰船重要设备运行状态等。通过建立舰船运行过程异构数据共享访问机制、提供数据交互接口，实现基于XML 中间文件模式的数据集成化管理和舰船航行过程数据透明访问和统一管理。实现接入数据模型参数和仿真运行数据模型参数的实时更新，为态势感知数据驱动的舰船运行环境模型提供数据基础。
3.3 舰船运行环境建模
针对复杂、动态的舰船运行环境模型，研究其推演机制与演变规则，基于自然环境数据构建军事作战单元模型，构建舰船运行环境模型，技术路线如图4所示。
图4 舰船运行环境建模技术路线
针对海洋地质地貌模型，主要有数据模型与数值模拟的方式。海洋数据模型是将探测得到的多波束数据通过预处理得到水深数据进行分区插值填补、区域建模最后拼接处理，生成整体海底地形模型［16］。基于快速拉格朗日数值模拟构建海洋地质地貌模型，首先将构建模拟对象的最基本几何单元定义成微小的多面体（如四面体、立方体等），以适应不同模拟对象几何外形的精度需要。其次利用划分算法生成多面体单元堆积形成的海底地形模型，同时利用多项式趋势面分析法，拟合出与地质层空间变化趋势分布一致的空间曲面，最终建立舰船运行环境模型中的海洋地质地貌模型，所构建的模型具有较高的精确度。
针对海洋水声信道模型，利用海洋声速剖面分布受海水温度、盐度影响的特性，建立实时声速剖面估计［22］。由射线理论推导声线轨迹的函数方程，建立海洋水下声通道的简化射线模型。在此基础上，针对水声信道的多普雷频移现象，构建出针对多普勒时变频移特性的海洋水声信道简化模型［23］。
针对海洋物理环境模型，海洋物理环境主要指重力环境与磁场环境。利用探测卫星的重力数据推算高精度静态海洋重力场模型［24］。按照建模区域，磁场环境模型分为全球磁场环境模型与区域磁场环境模型。全局磁场环境模型通过采集全球磁测数据，借助高斯球谐分析法来模拟具有低空间分辨率的全球磁场环境模型。由于全球模型具有空间分辨率低且无法拟合海洋环境中磁场随深度变化的特征，以及地表磁场的异常分布，因此不适用于舰船运行环境中地磁场建模。针对现有区域磁场环境建模方法没有考虑磁场强度在舰船运行环境中垂直方向的变化问题，国内种洋等［25］应用三维Taylor 多项式的方法，将海洋磁力测量结果数据与相应的磁测点深度数据结合，构建了一个高精度且符合海域磁场在垂直方向变化特征的海洋磁场环境模型。
针对海洋气象水文模型，通过建立海洋HYCOM 数值模型对海洋气象水文环境进行实时模拟，如图5 所示，其中，设置域为太平洋海域，设置解析度为2048*1024，时间帧为3h。构建HYCOM后，需要对多源洋流数据进行帧识别、转码与融合等操作，生成固定格式数据帧并保存为可供读取的文件（格式可为.csv，.txt，.nc 等）。通过数据同化将来自卫星的表面观测数据结合起来，利用HYCOM 模型的动态插值技术，可以准确地对三维海洋状态进行实时模拟与临近预报［26］。
图5 HYCOM数值模式构建流程
针对舰船态势感知模型。通过态势感知数据对作战单元的位置信息、状态信息、部署信息进行实时可视化。同时需要考虑舰船运行环境中自然环境要素对军事单元运行能力的影响，有效量化海战场环境要素与作战单元间的影响关系。其中，运行能力包括对敌侦查探测能力，运行系统性能，以及数据通信系统性能和指挥控制系统性能；
自然环境要素包括风速、气压、气温、海温、降雨量、海浪、海底地形地貌等舰船运行环境因素。
基于上述技术路线，本文选取舰船运行环境中动态性较强的海洋气象水文模型建模进行案例分析，构建海洋水文气象实时可视化模型，其动态建模框架如图6 所示。首先从海洋洋流信息数据库中获取多源海洋洋流数据（平均海平面压力、地表温度、海平面2m比湿、总降水、净表面长波、净表面短波、10 m 风速等）。其次，基于Fortran 语言读取多源海洋洋流感知数据（.D 文件），并构建HYCOM数值模式对洋流数据进行解析，生成形式为［时间，经度，纬度，数据］的数据帧。
图6 海洋气象水文模型动态建模框架
最后，基于Python语言获得多源海洋洋流信息文件，利用Seabron 库和全球陆地/海洋分布，绘制海洋水文气象模型实时可视化效果图，如图7 所示。图7（a）为海洋风速在全球的分布情况，风速越高，热力图中颜色越红，由图可见太平洋海域，当日风速较为平稳，而南极圈附近，海洋风速较高，风速分布与洋流走向较为契合，符合海洋风速分布的基本特征。海洋风速是海平面浪高估计的重要参数，是舰船运行环境效能评估的重要参数。图7（b）中，海平面2m 空气温度赤道最高，向两极递减，可以观察到太平洋东部温度略低于西部，这体现了海平面2m空气温度分布与海洋洋流、季风间的联系：日本暖流将赤道的热量运输到中国领海，受西风带影响，加利福尼亚寒流在太平洋东部带来低温。海洋净表面短波数据如图7（c）所示，紫外线以太阳直射点为中心向四周扩散，其中太阳直射点的紫外线强度最大并向四周递减。海平面比湿度分布情况如图7（d）所示，其中赤道比湿度最高，并向两极递减，分布情况与海平面2m空气温度分布相似。
图7 海洋水文气象实时可视化模型
基于多源洋流实时数据，实现可视化模型的实时更新与渲染（每3 小时），如选取某天海洋净表面短波数据，如图8 所示，在一天不同的时间段内，随着太阳直射点的移动，海洋净表面短波的峰值点随之移动，体现了海洋水文气象实时可视化模型的实时性。
图8 可视化模型实时渲染效果
舰船运行环境动态复杂，态势感知信息繁多，因此舰船运行环境模型需要有实时呈现当前环境，及时处理多源异构态势信息的能力，本文对态势感知数据驱动的舰船运行环境动态建模，能够实时处理态势感知数据，模拟当前运行所处的海洋环境，可有效辅助指挥人员结合舰船运行环境态势信息对于所执行任务做出最优决策。在未来研究工作中，需要进一步规范不同舰船运行环境要素信息的数据格式与编码，并采用易于拓展的数据编码，制定统一的模型规范以构建不同类型的环境模型，以及制定统一的态势感知数据接口实现态势感知数据的实时接入。同时考虑到舰船运行环境模型对舰船运行效能的影响，需要将动态环境模型与军事态势模型相叠加，从而进一步对舰船运行环境模型进行动态模拟仿真与临近预测。
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