姚冬安 張 舒 董曉明 徐文君 田思思

（1.武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 武漢 430070）（2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064）

1 引言

艦船集成探測(cè)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)執(zhí)行海上相關(guān)作戰(zhàn)任務(wù)，艦船運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，包括海洋氣象、海洋水文、海洋地理地質(zhì)、電磁環(huán)境、海洋物理因素等都可能對(duì)水面艦船平臺(tái)性能及其搭載的武器裝備性能產(chǎn)生不同程度的影響［1～2］。艦船態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)是指在戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)，各類軍事作戰(zhàn)單元及其所處自然環(huán)境要素的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)是構(gòu)建艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。針對(duì)艦船海上運(yùn)行存在覆蓋范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)、艦船運(yùn)行環(huán)境要素眾多且具有動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)建模，有利于準(zhǔn)確構(gòu)建艦船執(zhí)行任務(wù)時(shí)所處的環(huán)境模型，為艦船提供運(yùn)行環(huán)境態(tài)勢(shì)信息感知能力，及時(shí)全面掌握艦船運(yùn)行環(huán)境諸多態(tài)勢(shì)信息，減少艦船運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性造成的影響，提升艦船任務(wù)執(zhí)行能力。

在態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)獲取方面。文獻(xiàn)［3］提出了一個(gè)通用誤差模型，構(gòu)建氣候觀測(cè)結(jié)果特征，利用豐富元數(shù)據(jù)的多變量冗余信息減少氣候數(shù)據(jù)記錄（如海表溫度、海洋空氣溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等數(shù)據(jù)）的不確定性。文獻(xiàn)［4］研究了在雜亂、干擾和雷達(dá)內(nèi)部噪聲為特征的同質(zhì)環(huán)境中對(duì)點(diǎn)形目標(biāo)的自適應(yīng)雷達(dá)檢測(cè)。文獻(xiàn)［5］利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥mpirical Mode Decomposition，EMD）技術(shù)探測(cè)鐵磁體產(chǎn)生的磁異常，探索了利用磁場(chǎng)進(jìn)行水下物體探測(cè)的可能性。文獻(xiàn)［6］通過融合雷達(dá)數(shù)據(jù)與電子支持措施數(shù)據(jù)，在目標(biāo)航跡斷續(xù)的情況下，綜合推理目標(biāo)融合航跡，提高了態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)感知能力。文獻(xiàn)［7］研究了雷達(dá)系統(tǒng)中基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的檢測(cè)前跟蹤算法（TrackbeforeDetect，TBD）實(shí)現(xiàn)對(duì)起伏目標(biāo)的檢測(cè)，將相位信息應(yīng)用于TBD 融合過程，以提高雷達(dá)檢測(cè)性能。文獻(xiàn)［8］根據(jù)不同數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，為GF-4衛(wèi)星數(shù)據(jù)和自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)提供了一種航跡級(jí)數(shù)據(jù)融合體系結(jié)構(gòu)，具備更好的海上軍事態(tài)勢(shì)感知能力。

在艦船運(yùn)行環(huán)境建模方面，自20 世紀(jì)80 年代起，美國(guó)國(guó)防部組織相關(guān)機(jī)構(gòu)與科研部門聯(lián)合開發(fā)并研制了包括海洋環(huán)境模型和綜合環(huán)境模型的JSIMS 環(huán)境模型［9］。在美陸軍仿真系統(tǒng)OneSAF 項(xiàng)目開發(fā)過程中，研究人員對(duì)地形公共數(shù)據(jù)模型架構(gòu)進(jìn)行了拓展，開發(fā)了包含整個(gè)地球的自然環(huán)境數(shù)據(jù)模型，其中包括地形地貌環(huán)境模型、海洋模型等［10］。北約地理空間海事工作組在海洋地理信息數(shù)據(jù)模型S-100 框架的基礎(chǔ)上［11］，制定了軍事疊加層的依賴產(chǎn)品規(guī)范（S-501 至525），探索了海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的構(gòu)建。俄羅斯科學(xué)院數(shù)值數(shù)學(xué)研究所與俄羅斯水文氣象中心合作開發(fā)了SL-AV20 全球靜壓大氣模型，實(shí)現(xiàn)俄羅斯上空20km 分辨率季節(jié)預(yù)測(cè)和氣候建模測(cè)試［12］。文獻(xiàn)［13］提出高分辨率的全球海洋-冰-大氣模型的緊湊建模框架，實(shí)現(xiàn)全球海洋環(huán)境臨近預(yù)測(cè)與模擬。文獻(xiàn)［14］基于GPU技術(shù)，對(duì)大型海洋水文環(huán)境進(jìn)行了可視化研究，可以高效直觀地模擬和顯示海洋環(huán)境因素的特性和變化過程。文獻(xiàn)［15］基于Creator/Vega 仿真平臺(tái)，針對(duì)不同種類的海洋地理信息，提出不同建模方法，實(shí)現(xiàn)了較為逼真的視覺效果。文獻(xiàn)［16］針對(duì)艦船運(yùn)行環(huán)境中海洋地形與運(yùn)行實(shí)體提出建模方法，并對(duì)艦船運(yùn)行視覺效果進(jìn)行渲染，實(shí)現(xiàn)了艦船運(yùn)行環(huán)境的可視化。文獻(xiàn)［17］利用多維描述層的形式結(jié)構(gòu)，對(duì)艦船運(yùn)行環(huán)境中風(fēng)浪、漂浮物等進(jìn)行實(shí)時(shí)建模仿真與可視化，最終構(gòu)建出虛擬海洋模型。文獻(xiàn)［18］基于大量復(fù)雜的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，搭建了一個(gè)南海海洋環(huán)境數(shù)據(jù)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了Argo 浮子、海面溫度場(chǎng)、海流場(chǎng)、鹽度、原位調(diào)查數(shù)據(jù)和海洋站的可視化。文獻(xiàn)［19］分析了海洋環(huán)境噪聲對(duì)浮標(biāo)探測(cè)范圍的影響，提出浮標(biāo)布設(shè)模型，提高了反潛飛機(jī)的搜潛能力。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在艦船運(yùn)行環(huán)境模型的構(gòu)建與可視化方面取得了相關(guān)成果，但國(guó)內(nèi)學(xué)者尚未對(duì)艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)建模展開深入的研究，還未形成統(tǒng)一的艦船運(yùn)行環(huán)境模型數(shù)據(jù)表達(dá)和規(guī)范，未考慮到運(yùn)行環(huán)境中環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)性，忽略了戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)特性對(duì)運(yùn)行環(huán)境模型的相互作用關(guān)系。針對(duì)上述問題，本文對(duì)艦船運(yùn)行環(huán)境建模開展研究，提出態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的艦船運(yùn)行環(huán)境模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建框架，基于海洋氣象水文實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建HYCOM 數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)海洋氣象水文環(huán)境模型的構(gòu)建與仿真。

2 艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)建?？蚣?/h2>

態(tài)勢(shì)感知是艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)建模的基礎(chǔ)。通過海基、船基、岸基、空基、天基等多種探測(cè)源對(duì)海洋環(huán)境信息與軍事態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行探測(cè)感知。以洋流數(shù)據(jù)為例，通過選取合適的坐標(biāo)系（等密度坐標(biāo)系、sigma坐標(biāo)系或z坐標(biāo)系），對(duì)海洋洋流多源數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化定義，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有垂向混合坐標(biāo)系的HYCOM數(shù)值模擬模式的構(gòu)建。針對(duì)海洋洋流多源數(shù)據(jù)具有海量、多源、高維度、耦合性、時(shí)變性、非線性等特點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)填補(bǔ)、數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)去冗余、數(shù)據(jù)融合等多種手段實(shí)現(xiàn)適用于海洋洋流數(shù)據(jù)的高效數(shù)據(jù)清洗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)建模，得到動(dòng)態(tài)艦船運(yùn)行環(huán)境模型。態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)建?？蚣苋鐖D1 所示，包含艦船運(yùn)行環(huán)境態(tài)勢(shì)感知，態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)和艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)模型。

圖1 艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)建?？傮w框架

3 艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)建模

3.1 艦船運(yùn)行環(huán)境態(tài)勢(shì)感知

艦船運(yùn)行環(huán)境態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)可分為自然環(huán)境數(shù)據(jù)與艦船態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)，態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)感知來源?；?、岸基、船基、天基、空基等，如圖2 所示。其中，自然環(huán)境數(shù)據(jù)分為海洋氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，海洋水文環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋聲學(xué)信道數(shù)據(jù)、海洋地理地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋物理環(huán)境數(shù)據(jù)等。艦船態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)包括我軍、敵軍作戰(zhàn)單元、后勤補(bǔ)給單元的類型、數(shù)量、部署位置和移動(dòng)軌跡等。

圖2 態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)獲取

在海底地質(zhì)地貌數(shù)據(jù)感知方面，通過水面船只、潛艇或潛水器采用回波檢測(cè)方法和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)測(cè)量采集當(dāng)前海域的水深數(shù)據(jù)。對(duì)于水深較淺的沿岸海區(qū)，利用遠(yuǎn)程遙感的手段對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。

在海洋氣象水文環(huán)境數(shù)據(jù)感知方面，通過海洋浮標(biāo)平臺(tái)、遙感衛(wèi)星、氣候觀測(cè)站等對(duì)海洋溫度、鹽度三維剖面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信鏈路，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可控的海洋鹽度、溫度、深度數(shù)據(jù)采集和傳輸。利用海洋新型雷達(dá)遙感探測(cè)大范圍海域海浪的波高、波向等數(shù)據(jù)以及一維二維波譜和海流的流速、流向等數(shù)據(jù)，從而提供高保真、實(shí)時(shí)的海洋氣象環(huán)境數(shù)據(jù)。最后利用netCDF 文件格式對(duì)海洋氣象水文數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，為海洋氣象水文環(huán)境模型的動(dòng)態(tài)建模提供數(shù)據(jù)支撐。

在海洋聲學(xué)環(huán)境數(shù)據(jù)感知方面，利用海洋氣象衛(wèi)星獲取特定海域的海水溫度數(shù)據(jù)［20］，結(jié)合浮漂平臺(tái)的鹽度、溫度、深度傳感器組采集的數(shù)據(jù)，建立特定海域的三維鹽度、溫度剖面圖，實(shí)現(xiàn)三維海域溫度、鹽度模型的動(dòng)態(tài)構(gòu)建。利用特定海域三維溫鹽環(huán)境模型可以對(duì)艦船運(yùn)行環(huán)境中的水聲信道環(huán)境進(jìn)行模擬和臨時(shí)預(yù)報(bào)［21］，為構(gòu)建水下聲學(xué)信道模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在海洋物理環(huán)境數(shù)據(jù)感知方面，包含海洋重力和磁力測(cè)量。通過船載高精度重力儀，結(jié)合GIS 導(dǎo)航定位技術(shù)測(cè)量特定海域的重力數(shù)據(jù)。通過船基拖曳測(cè)量可以獲取海洋垂直方向的磁力變化數(shù)據(jù)。

在艦船態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)感知方面，通過多種探測(cè)渠道對(duì)軍事態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行感知，如軍事衛(wèi)星的雷達(dá)探測(cè)、紅外成像、高分辨率照相，艦船的雷達(dá)、聲吶，潛艇聲吶等。對(duì)于水下軍事目標(biāo)，通過岸基聲吶、雷達(dá)、聲吶、反潛直升機(jī)等多種探測(cè)手段獲取敵方軍事作戰(zhàn)單元實(shí)時(shí)位置、部署信息與移動(dòng)軌跡等。

3.2 態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)

海域海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)和艦船態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)存在多源異構(gòu)特征，其數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)框架如圖3 所示。

圖3 態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)

在海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)處理方面，對(duì)海洋溫度、降雨量、浪速和浪向等多要素時(shí)序感知數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次分類描述與處理，利用數(shù)據(jù)挖掘方法獲得當(dāng)前時(shí)刻多要素時(shí)序數(shù)據(jù)組成的海洋環(huán)境與海洋現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。對(duì)缺失空間數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)插值算法進(jìn)行插值處理。對(duì)缺失的海洋氣象水文數(shù)據(jù)，基于歷史平均數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)。

在艦船態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)處理方面，采用數(shù)據(jù)填補(bǔ)、數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)去冗余、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合等多層次數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)對(duì)艦船態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。針對(duì)艦船運(yùn)行過程中產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)化（如雷達(dá)掃描、電子偵察圖像）和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（聲吶探測(cè)文本、運(yùn)行任務(wù)日志）文件存在易重復(fù)的問題，通過文件相似性比較算法去除重復(fù)冗雜的文件數(shù)據(jù)。對(duì)多源態(tài)勢(shì)探測(cè)數(shù)據(jù)，基于PCA變換方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，提取艦船探測(cè)系統(tǒng)的多源探測(cè)數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上的互補(bǔ)與冗余信息，實(shí)現(xiàn)探測(cè)對(duì)象的信息的統(tǒng)一描述。

在態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，采用MySQL 或Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)，并搭建數(shù)據(jù)集成化管理平臺(tái)。數(shù)據(jù)集成化管理平臺(tái)主要處理兩類數(shù)據(jù)，一是靜態(tài)數(shù)據(jù)，包括艦船基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如：設(shè)備類號(hào)、裝置種類和設(shè)備的物理性質(zhì)；二是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包括艦船運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)、動(dòng)態(tài)環(huán)境、艦船重要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。通過建立艦船運(yùn)行過程異構(gòu)數(shù)據(jù)共享訪問機(jī)制、提供數(shù)據(jù)交互接口，實(shí)現(xiàn)基于XML 中間文件模式的數(shù)據(jù)集成化管理和艦船航行過程數(shù)據(jù)透明訪問和統(tǒng)一管理。實(shí)現(xiàn)接入數(shù)據(jù)模型參數(shù)和仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)模型參數(shù)的實(shí)時(shí)更新，為態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的艦船運(yùn)行環(huán)境模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 艦船運(yùn)行環(huán)境建模

針對(duì)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的艦船運(yùn)行環(huán)境模型，研究其推演機(jī)制與演變規(guī)則，基于自然環(huán)境數(shù)據(jù)構(gòu)建軍事作戰(zhàn)單元模型，構(gòu)建艦船運(yùn)行環(huán)境模型，技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 艦船運(yùn)行環(huán)境建模技術(shù)路線

針對(duì)海洋地質(zhì)地貌模型，主要有數(shù)據(jù)模型與數(shù)值模擬的方式。海洋數(shù)據(jù)模型是將探測(cè)得到的多波束數(shù)據(jù)通過預(yù)處理得到水深數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)插值填補(bǔ)、區(qū)域建模最后拼接處理，生成整體海底地形模型［16］?；诳焖倮窭嗜諗?shù)值模擬構(gòu)建海洋地質(zhì)地貌模型，首先將構(gòu)建模擬對(duì)象的最基本幾何單元定義成微小的多面體（如四面體、立方體等），以適應(yīng)不同模擬對(duì)象幾何外形的精度需要。其次利用劃分算法生成多面體單元堆積形成的海底地形模型，同時(shí)利用多項(xiàng)式趨勢(shì)面分析法，擬合出與地質(zhì)層空間變化趨勢(shì)分布一致的空間曲面，最終建立艦船運(yùn)行環(huán)境模型中的海洋地質(zhì)地貌模型，所構(gòu)建的模型具有較高的精確度。

針對(duì)海洋水聲信道模型，利用海洋聲速剖面分布受海水溫度、鹽度影響的特性，建立實(shí)時(shí)聲速剖面估計(jì)［22］。由射線理論推導(dǎo)聲線軌跡的函數(shù)方程，建立海洋水下聲通道的簡(jiǎn)化射線模型。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)水聲信道的多普雷頻移現(xiàn)象，構(gòu)建出針對(duì)多普勒時(shí)變頻移特性的海洋水聲信道簡(jiǎn)化模型［23］。

針對(duì)海洋物理環(huán)境模型，海洋物理環(huán)境主要指重力環(huán)境與磁場(chǎng)環(huán)境。利用探測(cè)衛(wèi)星的重力數(shù)據(jù)推算高精度靜態(tài)海洋重力場(chǎng)模型［24］。按照建模區(qū)域，磁場(chǎng)環(huán)境模型分為全球磁場(chǎng)環(huán)境模型與區(qū)域磁場(chǎng)環(huán)境模型。全局磁場(chǎng)環(huán)境模型通過采集全球磁測(cè)數(shù)據(jù)，借助高斯球諧分析法來模擬具有低空間分辨率的全球磁場(chǎng)環(huán)境模型。由于全球模型具有空間分辨率低且無法擬合海洋環(huán)境中磁場(chǎng)隨深度變化的特征，以及地表磁場(chǎng)的異常分布，因此不適用于艦船運(yùn)行環(huán)境中地磁場(chǎng)建模。針對(duì)現(xiàn)有區(qū)域磁場(chǎng)環(huán)境建模方法沒有考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度在艦船運(yùn)行環(huán)境中垂直方向的變化問題，國(guó)內(nèi)種洋等［25］應(yīng)用三維Taylor 多項(xiàng)式的方法，將海洋磁力測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)與相應(yīng)的磁測(cè)點(diǎn)深度數(shù)據(jù)結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)高精度且符合海域磁場(chǎng)在垂直方向變化特征的海洋磁場(chǎng)環(huán)境模型。

針對(duì)海洋氣象水文模型，通過建立海洋HYCOM 數(shù)值模型對(duì)海洋氣象水文環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，如圖5 所示，其中，設(shè)置域?yàn)樘窖蠛Ｓ?，設(shè)置解析度為2048*1024，時(shí)間幀為3h。構(gòu)建HYCOM后，需要對(duì)多源洋流數(shù)據(jù)進(jìn)行幀識(shí)別、轉(zhuǎn)碼與融合等操作，生成固定格式數(shù)據(jù)幀并保存為可供讀取的文件（格式可為.csv，.txt，.nc 等）。通過數(shù)據(jù)同化將來自衛(wèi)星的表面觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來，利用HYCOM 模型的動(dòng)態(tài)插值技術(shù)，可以準(zhǔn)確地對(duì)三維海洋狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬與臨近預(yù)報(bào)［26］。

圖5 HYCOM數(shù)值模式構(gòu)建流程

針對(duì)艦船態(tài)勢(shì)感知模型。通過態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)對(duì)作戰(zhàn)單元的位置信息、狀態(tài)信息、部署信息進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化。同時(shí)需要考慮艦船運(yùn)行環(huán)境中自然環(huán)境要素對(duì)軍事單元運(yùn)行能力的影響，有效量化海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素與作戰(zhàn)單元間的影響關(guān)系。其中，運(yùn)行能力包括對(duì)敵偵查探測(cè)能力，運(yùn)行系統(tǒng)性能，以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)性能和指揮控制系統(tǒng)性能；自然環(huán)境要素包括風(fēng)速、氣壓、氣溫、海溫、降雨量、海浪、海底地形地貌等艦船運(yùn)行環(huán)境因素。

4 典型案例

基于上述技術(shù)路線，本文選取艦船運(yùn)行環(huán)境中動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)的海洋氣象水文模型建模進(jìn)行案例分析，構(gòu)建海洋水文氣象實(shí)時(shí)可視化模型，其動(dòng)態(tài)建?？蚣苋鐖D6 所示。首先從海洋洋流信息數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取多源海洋洋流數(shù)據(jù)（平均海平面壓力、地表溫度、海平面2m比濕、總降水、凈表面長(zhǎng)波、凈表面短波、10 m 風(fēng)速等）。其次，基于Fortran 語言讀取多源海洋洋流感知數(shù)據(jù)（.D 文件），并構(gòu)建HYCOM數(shù)值模式對(duì)洋流數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，生成形式為［時(shí)間，經(jīng)度，緯度，數(shù)據(jù)］的數(shù)據(jù)幀。

圖6 海洋氣象水文模型動(dòng)態(tài)建?？蚣?/p>

最后，基于Python語言獲得多源海洋洋流信息文件，利用Seabron 庫(kù)和全球陸地/海洋分布，繪制海洋水文氣象模型實(shí)時(shí)可視化效果圖，如圖7 所示。圖7（a）為海洋風(fēng)速在全球的分布情況，風(fēng)速越高，熱力圖中顏色越紅，由圖可見太平洋海域，當(dāng)日風(fēng)速較為平穩(wěn)，而南極圈附近，海洋風(fēng)速較高，風(fēng)速分布與洋流走向較為契合，符合海洋風(fēng)速分布的基本特征。海洋風(fēng)速是海平面浪高估計(jì)的重要參數(shù)，是艦船運(yùn)行環(huán)境效能評(píng)估的重要參數(shù)。圖7（b）中，海平面2m 空氣溫度赤道最高，向兩極遞減，可以觀察到太平洋東部溫度略低于西部，這體現(xiàn)了海平面2m空氣溫度分布與海洋洋流、季風(fēng)間的聯(lián)系：日本暖流將赤道的熱量運(yùn)輸?shù)街袊?guó)領(lǐng)海，受西風(fēng)帶影響，加利福尼亞寒流在太平洋東部帶來低溫。海洋凈表面短波數(shù)據(jù)如圖7（c）所示，紫外線以太陽直射點(diǎn)為中心向四周擴(kuò)散，其中太陽直射點(diǎn)的紫外線強(qiáng)度最大并向四周遞減。海平面比濕度分布情況如圖7（d）所示，其中赤道比濕度最高，并向兩極遞減，分布情況與海平面2m空氣溫度分布相似。

圖7 海洋水文氣象實(shí)時(shí)可視化模型

基于多源洋流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化模型的實(shí)時(shí)更新與渲染（每3 小時(shí)），如選取某天海洋凈表面短波數(shù)據(jù)，如圖8 所示，在一天不同的時(shí)間段內(nèi)，隨著太陽直射點(diǎn)的移動(dòng)，海洋凈表面短波的峰值點(diǎn)隨之移動(dòng)，體現(xiàn)了海洋水文氣象實(shí)時(shí)可視化模型的實(shí)時(shí)性。

圖8 可視化模型實(shí)時(shí)渲染效果

5 結(jié)語

艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)復(fù)雜，態(tài)勢(shì)感知信息繁多，因此艦船運(yùn)行環(huán)境模型需要有實(shí)時(shí)呈現(xiàn)當(dāng)前環(huán)境，及時(shí)處理多源異構(gòu)態(tài)勢(shì)信息的能力，本文對(duì)態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的艦船運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)建模，能夠?qū)崟r(shí)處理態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)，模擬當(dāng)前運(yùn)行所處的海洋環(huán)境，可有效輔助指揮人員結(jié)合艦船運(yùn)行環(huán)境態(tài)勢(shì)信息對(duì)于所執(zhí)行任務(wù)做出最優(yōu)決策。在未來研究工作中，需要進(jìn)一步規(guī)范不同艦船運(yùn)行環(huán)境要素信息的數(shù)據(jù)格式與編碼，并采用易于拓展的數(shù)據(jù)編碼，制定統(tǒng)一的模型規(guī)范以構(gòu)建不同類型的環(huán)境模型，以及制定統(tǒng)一的態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入。同時(shí)考慮到艦船運(yùn)行環(huán)境模型對(duì)艦船運(yùn)行效能的影響，需要將動(dòng)態(tài)環(huán)境模型與軍事態(tài)勢(shì)模型相疊加，從而進(jìn)一步對(duì)艦船運(yùn)行環(huán)境模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真與臨近預(yù)測(cè)。