海洋環(huán)境仿真系統(tǒng)的若干問(wèn)題分析

92859部隊(duì) 薄文波

海洋環(huán)境仿真在海洋儀器研制、海洋工程、海上作戰(zhàn)、演習(xí)、訓(xùn)練，海洋工程評(píng)估等方面的作用越來(lái)越明顯。本文基于海洋環(huán)境仿真特點(diǎn)，參考了美國(guó)仿真體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)海洋環(huán)境仿真的一些技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行梳理分析。

引言：仿真技術(shù)是以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專(zhuān)用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)對(duì)實(shí)際或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究的一門(mén)綜合技術(shù)。近年來(lái)，海洋環(huán)境仿真與建模技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟地理信息技術(shù)、圖形學(xué)、多媒體技術(shù)及仿真應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)相互交叉、融合，其研究與應(yīng)用受到廣泛的重視。

自1995年以來(lái)，美國(guó)國(guó)防建模與仿真辦公室（DMSO）提出的高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture，HLA）得到了不斷發(fā)展，并日趨成熟，已成為IEEE的正式標(biāo)準(zhǔn)，它為建模與仿真提供了一個(gè)通用的技術(shù)框架和開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，更好地解決了不同類(lèi)型仿真應(yīng)用的互操作和可重用性問(wèn)題，滿(mǎn)足復(fù)雜大系統(tǒng)仿真的需要。仿真系統(tǒng)也已由過(guò)去的集中、封閉仿真發(fā)展到分布、開(kāi)放和交互仿真，由均勻態(tài)背景條件下的簡(jiǎn)單功能仿真發(fā)展到復(fù)雜環(huán)境條件下多對(duì)象集成系統(tǒng)的分布仿真。

在海洋環(huán)境仿真方面，90年代中后期，隨著HLA技術(shù)的成熟，DMSO資助開(kāi)發(fā)的TAOS 系統(tǒng)，采用模塊化的組件方法將大氣海洋空間環(huán)境提供給其它應(yīng)用節(jié)點(diǎn)。DEMO還資助MITRE等商業(yè)公司開(kāi)發(fā)了基于HLA和SEDRIS技術(shù)的仿真系統(tǒng)，連續(xù)進(jìn)行了海洋、大氣和空間環(huán)境（OASE）仿真的三代開(kāi)發(fā)，用于仿真動(dòng)態(tài)地形、海洋、大氣和太空，以演示和驗(yàn)證現(xiàn)有技術(shù)所具備的動(dòng)態(tài)自然環(huán)境仿真能力和水平。在國(guó)內(nèi)，海洋環(huán)境仿真起步較晚，與美國(guó)相比還有較大差距，特別是在分布、動(dòng)態(tài)、可重用等方面還有很多不足。

本文在分析海洋環(huán)境仿真特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)海洋環(huán)境仿真系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析，從而為開(kāi)發(fā)高效、實(shí)用的海洋環(huán)境仿真系統(tǒng)提供技術(shù)參考。

1.海洋環(huán)境仿真特點(diǎn)分析

海洋環(huán)境是自然界的真實(shí)環(huán)境，不受人為的控制。海洋環(huán)境是一種動(dòng)態(tài)環(huán)境，相比靜態(tài)環(huán)境存在如下特點(diǎn)：

（1）多維性特點(diǎn)

海洋占據(jù)了地球71%的面積，海洋環(huán)境涵蓋從海底到大氣層的大縱深空間。在空間尺度上，即存在小到水粒子、空氣粒子的微觀尺度變化，又存在大到幾百公里甚至上千公里的環(huán)流系統(tǒng)的變化。時(shí)間尺度上，即存在著如大氣、海洋要素的瞬變過(guò)程，還存在環(huán)流系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間周期的變化，而且各種尺度的系統(tǒng)時(shí)空上相互疊加、交織，多維性特點(diǎn)明顯。

（2）強(qiáng)相關(guān)性特點(diǎn)

海洋環(huán)境異常復(fù)雜，描述大氣、水體環(huán)境的要素繁多，而且各要素之間相互影響，具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

（3）不確定性特點(diǎn)

由于大氣、海洋的瞬變性，對(duì)海洋環(huán)境的探測(cè)、預(yù)報(bào)、檢驗(yàn)與應(yīng)用難度大，在應(yīng)用上，表現(xiàn)了較強(qiáng)的不確定性。

（4）龐雜性

目前的海洋觀測(cè)手段多種多樣，有航天、空遙感，海面觀測(cè)、水下觀測(cè)設(shè)備，如海洋環(huán)境衛(wèi)星遙感、海洋水色衛(wèi)星遙感設(shè)備、海洋站、波浪浮標(biāo)、Agro、XBT、CTD、水下滑翔機(jī)、潛標(biāo)、UUV等。海洋觀測(cè)手段的多樣化造成了目前海洋數(shù)據(jù)存在海量、多源、多維、多時(shí)態(tài)、多尺度、異構(gòu)等特點(diǎn)。

（5）多用途性

海洋環(huán)境是人類(lèi)行為、工具使用的自然空間，人類(lèi)行為、工具類(lèi)別的多樣性決定了海洋環(huán)境仿真的多用途性，需要對(duì)不同空間、時(shí)間尺度的海洋環(huán)境進(jìn)行模擬和仿真。

2.海洋環(huán)境仿真體系結(jié)構(gòu)

基于海洋環(huán)境仿真的特點(diǎn)，互操作和可重用性更是仿真系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題。仿真體系結(jié)構(gòu)是建模與仿真的基礎(chǔ)和核心，是整體上描述仿真系統(tǒng)各組成單元的結(jié)構(gòu)，以及各單元之間的物理和邏輯關(guān)系，因此要開(kāi)發(fā)面向復(fù)雜應(yīng)用的海洋環(huán)境仿真系統(tǒng)，減少重用，提高互操作性，首先要確立體系結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前，美國(guó)先后建立了SIMNET、DIS、ALSP、HLA等仿真體系結(jié)構(gòu)，用于充實(shí)LVC（實(shí)兵仿真、虛擬仿真、構(gòu)造仿真）仿真體系的集成和建設(shè)。美軍在F12010工程中,發(fā)展了滿(mǎn)足試驗(yàn)和訓(xùn)練領(lǐng)域的仿真體系結(jié)構(gòu)TENA。TENA 從技術(shù)、運(yùn)作、軟件、應(yīng)用與產(chǎn)品線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)等方面確立了邏輯靶場(chǎng)資源開(kāi)發(fā)、集成與互操作的總體技術(shù)框架。TENA提供了邏輯靶場(chǎng)運(yùn)作概念、建立與運(yùn)行邏輯靶場(chǎng)應(yīng)遵循的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)、公共元模型、公共對(duì)象模型、公共基礎(chǔ)設(shè)施、以及工具和實(shí)用程序。TENA是美軍在多種體系結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上提出一種滿(mǎn)足試驗(yàn)和訓(xùn)練領(lǐng)域特殊需求的體系結(jié)構(gòu)。它以高層體系結(jié)構(gòu)HLA為基礎(chǔ),并進(jìn)行了相應(yīng)擴(kuò)展,提供了試驗(yàn)和訓(xùn)練所需的更多特定能力,可以認(rèn)為是HLA的超級(jí)。從目前公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)看，國(guó)內(nèi)有關(guān)科研院校對(duì)BOM（基本對(duì)象模型）和TENA開(kāi)展了初步研究已給予BOM、MDA等開(kāi)發(fā)了某雷達(dá)對(duì)抗仿真系統(tǒng)、魚(yú)雷武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能仿真系統(tǒng)、并行仿真開(kāi)發(fā)及運(yùn)行支撐環(huán)境等項(xiàng)目。

海洋環(huán)境仿真是復(fù)雜仿真系統(tǒng)重要組成部分，由于其面向應(yīng)用對(duì)象繁多，既可能涉及到多種尺度海洋模型的運(yùn)行與管理問(wèn)題，又存在著同一行業(yè)，不同分支結(jié)構(gòu)的計(jì)算資源、存儲(chǔ)環(huán)境、安全等級(jí)、交換格式、通訊協(xié)議、仿真模型多樣性問(wèn)題，在設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)過(guò)程需要對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行層次分割，將資源、通信、管理、接口、應(yīng)用總體考慮。具體到分層細(xì)節(jié)，復(fù)雜的海洋環(huán)境仿真系統(tǒng)可以設(shè)置資源層，通信層、管理層、中間層和應(yīng)用層。資源層主要指分布在不同區(qū)域、不同硬件平臺(tái)各種軟硬件的總稱(chēng)，包括高性能計(jì)算機(jī)、各類(lèi)存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)值預(yù)報(bào)模式、仿真模型、數(shù)據(jù)庫(kù)等；通信層是完成仿真交互、運(yùn)行控制及安全管理的一層，包括：網(wǎng)絡(luò)文件傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配、數(shù)據(jù)通訊調(diào)度、時(shí)間同步、通訊監(jiān)控、聲明管理等方面。管理層是體系最重要的一層，主要包括：仿真用戶(hù)管理（涉及到用戶(hù)注冊(cè)、聲明、權(quán)限、修改、刪除等）、時(shí)間管理（涉及到時(shí)間管理策略、消息傳遞機(jī)制、信息推進(jìn)等）、數(shù)據(jù)分發(fā)管理等。中間層是仿真數(shù)據(jù)交互的過(guò)渡層，實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程中發(fā)布、定購(gòu)、更新、反射等與各仿真系統(tǒng)信息交互相關(guān)功能。各層通過(guò)制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)層間的訪問(wèn)、調(diào)用。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以標(biāo)準(zhǔn)來(lái)帶動(dòng)不同系統(tǒng)整合、信息交互和管理，涉及的標(biāo)準(zhǔn)如表1：

表1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)主要建設(shè)內(nèi)容

3.基于SEDRIS的海洋環(huán)境多態(tài)交換技術(shù)

海洋環(huán)境仿真數(shù)據(jù)具有多分辨率、多參數(shù)、海量等特點(diǎn)，是一種隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)場(chǎng)，不同應(yīng)用對(duì)象對(duì)于環(huán)境仿真需求各異。因此，建立海洋環(huán)境交換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境描述的一致性、完整性和明確性對(duì)仿真應(yīng)用至關(guān)重要，它是實(shí)現(xiàn)仿真互操作性和可重用性的基礎(chǔ)。在這方面，1999年10月，SEDRIS聯(lián)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)（IEC）啟動(dòng)了建立國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程。目前，SEDRIS技術(shù)已經(jīng)被美國(guó)國(guó)防部聯(lián)合技術(shù)體系結(jié)構(gòu)采用，而且被北約建模與仿真主計(jì)劃具體引用。SEDRIS標(biāo)準(zhǔn)的目的是建立標(biāo)準(zhǔn)的交換界面，實(shí)現(xiàn)完整和清晰的數(shù)據(jù)表達(dá)、通用無(wú)損的數(shù)據(jù)交換、共用的訪問(wèn)接口、可重用的應(yīng)用程序和工具軟件。它的比較關(guān)鍵的內(nèi)容是：環(huán)境數(shù)據(jù)的表現(xiàn)和環(huán)境數(shù)據(jù)集的交換。而海洋水體環(huán)境仿真數(shù)據(jù)類(lèi)型是多樣的、動(dòng)態(tài)變化的，如何表現(xiàn)各類(lèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并建立面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)格式就成為比較關(guān)鍵的問(wèn)題。通過(guò)梳理發(fā)現(xiàn)，海洋環(huán)境數(shù)據(jù)大體分為以下幾類(lèi)：

（1）點(diǎn)數(shù)據(jù)

點(diǎn)數(shù)據(jù)通常包括在固定站位或移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)采集的一維數(shù)據(jù)。固定站位數(shù)據(jù)隨時(shí)間存在連續(xù)變化，移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間存在著位置和觀測(cè)值變換。如：海洋站，漂流浮標(biāo)等。

（2）線(xiàn)數(shù)據(jù)

線(xiàn)數(shù)據(jù)通常包括固定站位或移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)位采集的隨高度或深度變化的數(shù)據(jù)組，如XBT、XCTD等。

（3）面數(shù)據(jù)

面數(shù)據(jù)通常包括二維平面內(nèi)規(guī)則分布的格點(diǎn)數(shù)據(jù)和不規(guī)則分布的離散數(shù)據(jù)。如地波雷達(dá)測(cè)流數(shù)據(jù)，不規(guī)則分布自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)等。

（4）體數(shù)據(jù)

體數(shù)據(jù)通常包括三維立體空間內(nèi)規(guī)則分布的格點(diǎn)數(shù)據(jù)和呈現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的非規(guī)則分布的數(shù)據(jù)，如數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、區(qū)域組網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)等。

海洋水體環(huán)境仿真系統(tǒng)可以依據(jù)SEDRIS標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)點(diǎn)、線(xiàn)、面、體數(shù)據(jù)建立對(duì)象模型，制定數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

4.海洋環(huán)境仿真數(shù)值模型問(wèn)題

（1）多分辨率建模技術(shù)

在海洋環(huán)境建模技術(shù)方面，從國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀看，海洋環(huán)境建模主要有3種方法：一是通過(guò)對(duì)海洋最基本特征理論分析和數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化提出理論化模型；二是大量觀測(cè)資料和觀測(cè)事實(shí)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，建立統(tǒng)計(jì)特征模型；三是依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)和大氣、水體運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立并求解非線(xiàn)性方程組，并進(jìn)行數(shù)值模擬，從中給出的海洋環(huán)境數(shù)值模型。近年來(lái)，隨著數(shù)值模式技術(shù)的日益完善，出現(xiàn)了大量數(shù)值模式，如當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的模擬大氣方面的WRF、RAMS模式，模擬海洋的POM、HYCOM、FVCOM模式等，不同模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適合模擬尺度、區(qū)域等各有側(cè)重，因此為滿(mǎn)足不同仿真應(yīng)用層次對(duì)海洋環(huán)境模擬仿真的需要，利用多分辨率建模技術(shù)，建立不同精度和分辨率的環(huán)境數(shù)據(jù)模型，是滿(mǎn)足不同仿真應(yīng)有對(duì)象的必然趨勢(shì)。

（2）仿真應(yīng)用模型技術(shù)

海上各型裝備的使用，聲、光、電信號(hào)在海洋環(huán)境中的傳輸，都面臨著海洋溫度、鹽度、深度、聲、流等環(huán)境參數(shù)的影響。海洋水體環(huán)境對(duì)于設(shè)備、人類(lèi)行為的影響有些并不直觀，甚至是間接的，需要開(kāi)發(fā)相關(guān)模型，成為聯(lián)結(jié)環(huán)境與應(yīng)用的重要鏈條。這種模型往往即與環(huán)境特性有關(guān)，又與應(yīng)用對(duì)象聯(lián)系密切，如海洋水體環(huán)境對(duì)聲納影響仿真，需要建立不同水體環(huán)境的聲傳播模型，聲傳播模型的好壞直接影響了仿真最終效果，因此開(kāi)發(fā)不同適應(yīng)不同應(yīng)用對(duì)象的環(huán)境影響模型是非常必要的。

5.海洋環(huán)境可視化技術(shù)

海洋水體環(huán)境可視化主要包含兩方面內(nèi)容：一是環(huán)境要素可視化，二是環(huán)境效應(yīng)可視化。環(huán)境要素可視化包括自然地理環(huán)境可視化、海洋物理環(huán)境可視化和大氣海洋環(huán)境可視化。通過(guò)環(huán)境要素可視化既可以顯示海洋環(huán)境的可視化要素，比如海洋區(qū)劃、海底地形、海底底質(zhì)、海冰、海浪等，還可以顯示海洋環(huán)境的非可視要素，比如風(fēng)力、風(fēng)向、大氣溫度、目標(biāo)噪聲傳播范圍、聲線(xiàn)傳播路徑等。環(huán)境效應(yīng)可視化包括環(huán)境自效應(yīng)可視化和環(huán)境他效應(yīng)可視化。其中，環(huán)境自效應(yīng)可視化指海洋環(huán)境各要素之間或內(nèi)部作用與相互影響在時(shí)空上產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變化，如風(fēng)生浪。環(huán)境他效應(yīng)指海洋環(huán)境的狀況及變化對(duì)武器裝備、作戰(zhàn)平臺(tái)和作戰(zhàn)行動(dòng)產(chǎn)生的影響，如海水對(duì)聲納聲傳播的作用。在海洋環(huán)境可視化方面需要考慮時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建技術(shù)、三維地形構(gòu)建技術(shù)、水文氣象多維動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)等。

6.結(jié)語(yǔ)

基于海洋環(huán)境仿真特點(diǎn)，重點(diǎn)梳理、分析了海洋環(huán)境體系架構(gòu)、基于SEDRIS的海洋環(huán)境多態(tài)交換技術(shù)、海洋環(huán)境仿真數(shù)值模型和可視化等技術(shù)。國(guó)內(nèi)的海洋環(huán)境仿真系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)美國(guó)的先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)繼續(xù)研究學(xué)習(xí)HLA、TENA、SIMNET等先進(jìn)的仿真體系和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一協(xié)議、建立標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合海洋環(huán)境科研單位和與裝備研制單位，建立面向應(yīng)用的統(tǒng)一、完整的海洋環(huán)境仿真體系結(jié)構(gòu)，解決海洋環(huán)境仿真的互操作、可重用性問(wèn)題。