海域態(tài)勢感知中的大數(shù)據(jù)應(yīng)用探析*

張路平，裴李簫，蘆 偉，施建宇

(山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264670)

0 引言

對敵方的海上武裝平臺進(jìn)行準(zhǔn)確定位和識別是現(xiàn)代海洋戰(zhàn)爭的基礎(chǔ)，而隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)樣式不斷變化和海上偽裝手段日趨先進(jìn)，對旨在發(fā)現(xiàn)并監(jiān)視海上船只動向的海域態(tài)勢感知(MDA)也提出了更高要求。新型傳感器、無人偵察平臺和大容量通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)和進(jìn)步，進(jìn)一步擴大了海上探測能力，不僅數(shù)據(jù)量呈爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度也進(jìn)一步加深，符合大數(shù)據(jù)體量大(Volume)、種類多(Variety)、更新快(Velocity)和價值高(Value)的“4V”特征。在先進(jìn)傳感器、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動下，海域態(tài)勢感知技術(shù)正成為各國研究的熱點。

傳統(tǒng)海域態(tài)勢感知通常依賴于預(yù)設(shè)方案和經(jīng)驗進(jìn)行分析處理，難以快速有效地應(yīng)對動態(tài)變化的復(fù)雜海上戰(zhàn)場局勢。大數(shù)據(jù)的發(fā)展為海域態(tài)勢感知提供了新的技術(shù)思路。大數(shù)據(jù)分析將數(shù)據(jù)分析技術(shù)分為描述性、預(yù)測性和指導(dǎo)性3個層次，不僅能完成歷史數(shù)據(jù)的描述，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)趨勢的預(yù)見和解決方案的優(yōu)化[1]。

這些特點完全符合海域態(tài)勢感知在數(shù)據(jù)處理方面的需求：對已有的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析，客觀分析當(dāng)前海上態(tài)勢；對特定時間、特定海域和特定任務(wù)下的海上態(tài)勢進(jìn)行預(yù)測性分析，實現(xiàn)海上兵力態(tài)勢短期內(nèi)的推理和研判；對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行指導(dǎo)性分析，為己方探測資源的調(diào)配和任務(wù)規(guī)劃提供輔助決策。在海域態(tài)勢感知進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代的背景下，探索大數(shù)據(jù)在海域態(tài)勢感知領(lǐng)域的應(yīng)用思路與方法，有著重要意義[2-3]。

1 大數(shù)據(jù)在海域態(tài)勢感知領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

隨著大數(shù)據(jù)在商業(yè)領(lǐng)域的成功運用，人們對大數(shù)據(jù)的概念已經(jīng)不再陌生。大數(shù)據(jù)不僅在企業(yè)界引起重視，也在學(xué)術(shù)界成為爭相研究的課題，引起各大科研院所的高度重視，甚至上升到國家戰(zhàn)略層面，成為重要的科技發(fā)展驅(qū)動因素。

在現(xiàn)代海域態(tài)勢感知的數(shù)據(jù)環(huán)境中，不僅探測數(shù)據(jù)的規(guī)模龐大，而且多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)來源使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異較大，數(shù)據(jù)表述形式不統(tǒng)一，增加了數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜程度。在海域態(tài)勢感知領(lǐng)域應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，可以從海量的探測數(shù)據(jù)中挖掘提取出有價值的目標(biāo)情報，及時掌握敵方的水面和水下兵力數(shù)量和種類，追蹤其動向并判斷其意圖，大幅提高指控中心的情報獲取能力。

1.1 國外相關(guān)研究

2012年3月，美國政府公布了“大數(shù)據(jù)研發(fā)倡議”(Big Data Research and Development Initiative)[4]，將大數(shù)據(jù)研發(fā)提升為國家政策。美國科學(xué)基金會、國防部、國防高級研究計劃局(DARPA)等6個聯(lián)邦部門為此宣布投資2億美元，以提高收集、存儲、保留、管理、分析和共享海量數(shù)據(jù)所需的核心技術(shù)和先進(jìn)性。美國國防部及DARPA現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)項目有十多項，表1給出了若干相關(guān)項目簡介，其中具有代表性的項目是洞察計劃和X數(shù)據(jù)項目[5-6]。

表1 美國大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃部分項目簡介

洞察計劃的目的是為提高軍事情報人員對多源、異構(gòu)和海量復(fù)雜數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)處理和評估分析能力，更有效支持指揮官的決策和行動，旨在開發(fā)一種綜合性、適應(yīng)性強的人際開發(fā)和資源管理系統(tǒng)，即新一代情況、監(jiān)視與偵察(ISR)系統(tǒng)。

X數(shù)據(jù)項目主要包括兩方面的內(nèi)容，一是通過開發(fā)大容量數(shù)據(jù)分析所需的可擴展算法，以便處理分布式數(shù)據(jù)存儲庫中的不規(guī)則數(shù)據(jù)；二是通過開發(fā)高效的人機互動設(shè)備和可視用戶界面技術(shù)，以便在多樣化任務(wù)中更好、更快地執(zhí)行操作。

美國海軍辦公室為充分利用海軍艦載傳感器、飛機和其他平臺產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，希望整合IT系統(tǒng)數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)系統(tǒng)傳感器獲得實時結(jié)果，部署了以下4個研究方向：

1)建立海軍數(shù)據(jù)科學(xué)通用基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)，用于不同機構(gòu)間數(shù)據(jù)表征和共享；

2)引入數(shù)據(jù)源并建立索引，通過海軍云環(huán)境利用大量的數(shù)據(jù)集合；

3)進(jìn)行海軍作戰(zhàn)分析，開發(fā)先進(jìn)的分析工具支持作戰(zhàn)，特別是反潛作戰(zhàn)和防空反導(dǎo)作戰(zhàn)；

4)利用云計算的安全性和完整性，增加海軍防御能力。

由于海域態(tài)勢感知的軍事敏感性，尚未見到將大數(shù)據(jù)用于海域態(tài)勢感知的詳細(xì)的專題報道。美軍對大數(shù)據(jù)在軍事上的應(yīng)用極為重視，為了推動大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，美國國家安全局建立了一個超級網(wǎng)絡(luò)情報中心，用于存儲偵察衛(wèi)星、無人機、海外偵察站等收集的各類情報偵察數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對各類情報偵察數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、篩選、處理、分析和融合，快速提取有用信息給美國政府和國防部，初步形成了戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)層面的情報大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用能力。歐盟等其他國家也開展了相關(guān)的大數(shù)據(jù)項目研發(fā)。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)對大數(shù)據(jù)的重視程度絲毫不輸國外，相繼出臺了一系列相關(guān)政策推動大數(shù)據(jù)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[7]。2015年8月，國務(wù)院印發(fā)《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，系統(tǒng)部署了我國大數(shù)據(jù)發(fā)展工作。2017年1月，工信部發(fā)布《大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》，部署了7項重點任務(wù)，明確了8大重點工程，制定了5個方面保障措施，為“十三五”時期我國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)崛起，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)大國向數(shù)據(jù)強國轉(zhuǎn)變指明了方向。黨的十九大報告明確提出：推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合。貴州省將大數(shù)據(jù)作為其特色產(chǎn)業(yè)加以發(fā)展，吸引了阿里巴巴、華為、騰訊、蘋果、高通、微軟等國內(nèi)外領(lǐng)軍企業(yè)的進(jìn)駐，建立了相關(guān)大數(shù)據(jù)中心，為軍民融合奠定了基礎(chǔ)。

雖然國內(nèi)諸多民用行業(yè)的大數(shù)據(jù)技術(shù)研究和應(yīng)用已經(jīng)取得長足的進(jìn)展，但是大數(shù)據(jù)在軍事領(lǐng)域的研究和應(yīng)用與國外尚存一定的差距。海域態(tài)勢感知方面的應(yīng)用，國內(nèi)研究還處于起步階段，相關(guān)研究主要集中在系統(tǒng)架構(gòu)、體系構(gòu)建以及發(fā)展趨勢研判等層面。文獻(xiàn)[8]研究了大數(shù)據(jù)環(huán)境下的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成架構(gòu)問題；文獻(xiàn)[9]對大數(shù)據(jù)下的多源異構(gòu)知識融合算法進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[10]對大數(shù)據(jù)技術(shù)在編隊電子偵察領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了大數(shù)據(jù)技術(shù)在海戰(zhàn)場電子偵察中的應(yīng)用前景；文獻(xiàn)[11]從海洋大數(shù)據(jù)的獲取、分析及應(yīng)用方面分析了目前的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出來未來海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)發(fā)展的主要方向和關(guān)鍵技術(shù)。

2 存在的問題

海域態(tài)勢感知大數(shù)據(jù)除具有“4V”特征外，還具有強對抗性、強實時性、高碎片性和高交互性的特點。鑒于大數(shù)據(jù)在海域態(tài)勢感知領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步和探索階段，下面將從認(rèn)知、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)應(yīng)用3個層面進(jìn)行探討[12]。

在認(rèn)知層面，軍用領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)的應(yīng)用落后于民用領(lǐng)域。大數(shù)據(jù)最先被大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)所重視，發(fā)展也比較迅速。在軍事領(lǐng)域，海域態(tài)勢感知還沒有形成成熟的框架體系，實際中依然偏重于單平臺的雷達(dá)和聲納為主的探測手段，沒有將多平臺的聲、光、電、磁、熱多種探測手段進(jìn)行融合，形成全天候的感知能力。隨著無人機、無人艇以及通信網(wǎng)絡(luò)的日漸完善，海域態(tài)勢感知逐步具備了借鑒和引入大數(shù)據(jù)相關(guān)前沿技術(shù)的條件。要實現(xiàn)大數(shù)據(jù)在海域態(tài)勢感知領(lǐng)域的應(yīng)用，首先從認(rèn)知層面加深對海域態(tài)勢感知大數(shù)據(jù)技術(shù)的認(rèn)知，加快探索大數(shù)據(jù)技術(shù)下的海域態(tài)勢感知框架體系和技術(shù)創(chuàng)新。

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層面，海域態(tài)勢感知的數(shù)據(jù)采集沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制也無從談起。海域態(tài)勢感知的探測數(shù)據(jù)主要通過平臺本身各類傳感器和各種監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)格式往往取決于信息來源和數(shù)據(jù)類型，給大數(shù)據(jù)的共享、管理和利用帶來很大的困難，存在數(shù)據(jù)不可用、不會用的問題。

在技術(shù)應(yīng)用層面，對海域態(tài)勢感知的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)還有待突破。近年來大數(shù)據(jù)在商業(yè)領(lǐng)域取得顯著的成功，除了商業(yè)利益驅(qū)動，很大程度上也得益于民間數(shù)據(jù)樣本的易獲得性。但是海域態(tài)勢感知數(shù)據(jù)的非合作性、保密性，其大數(shù)據(jù)樣本獲取較為不易，目前相關(guān)研究尚處于理論研究階段，需要相關(guān)科研機構(gòu)的進(jìn)一步合作，解決數(shù)據(jù)不夠用的問題。缺少大量的數(shù)據(jù)樣本，大數(shù)據(jù)應(yīng)用就是“巧婦難為無米之炊”。

3 大數(shù)據(jù)在海域態(tài)勢感知中的應(yīng)用發(fā)展建議

在大數(shù)據(jù)時代，將大數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)驅(qū)動、相關(guān)性分析等思想引入海域態(tài)勢感知領(lǐng)域的認(rèn)知層面，促進(jìn)海域態(tài)勢感知應(yīng)用模式和處理架構(gòu)的創(chuàng)新，制定海域態(tài)勢感知的數(shù)據(jù)采集、管理與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以大數(shù)據(jù)中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)清洗和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)促進(jìn)海域態(tài)勢感知應(yīng)用的快速發(fā)展，具有重要意義。

3.1 建立“知識-數(shù)據(jù)”雙驅(qū)動的海域態(tài)勢感知模式

在海域態(tài)勢感知領(lǐng)域應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，必須將傳統(tǒng)以人的“知識驅(qū)動”處理模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸R-數(shù)據(jù)雙驅(qū)動”的新處理模式，如圖1所示。

圖1 知識-數(shù)據(jù)雙驅(qū)動的海域態(tài)勢感知模式

傳統(tǒng)的海域態(tài)勢感知以“知識驅(qū)動”為主要指導(dǎo)思想，依賴軍事專家的知識和經(jīng)驗，其處理對象主要是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，按比較固定的流程篩選出“有用數(shù)據(jù)”。這種“知識驅(qū)動”的處理模型，其優(yōu)點是具有較為清晰的邏輯和因果關(guān)系，缺點是可適應(yīng)的感知類型有限，缺少智能性和自主性。

大數(shù)據(jù)時代的海域態(tài)勢感知，應(yīng)以“知識-數(shù)據(jù)雙驅(qū)動”為指導(dǎo)思想，即以知識和經(jīng)驗為導(dǎo)向，面向所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，強調(diào)全過程、全要素、多結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)聯(lián)動分析。這種“知識-數(shù)據(jù)雙驅(qū)動”的處理模型，其優(yōu)點是既具有較好邏輯關(guān)系，又具有較好的智能性和自主性。

借助軍民融合的大環(huán)境，構(gòu)建知識引導(dǎo)與數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的海域態(tài)勢感知模式，具有重要意義。

3.2 制定體系化的海域態(tài)勢感知大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

受限于體制和異構(gòu)平臺客觀現(xiàn)狀，目前的海域態(tài)勢感知數(shù)據(jù)格式種類存在較大差異，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲、訪問、顯示、處理機制，不同平臺和不同系統(tǒng)之間無法共用數(shù)據(jù)，造成了情報信息之間互聯(lián)互通不暢，影響了體系協(xié)同能力的形成。

在大數(shù)據(jù)時代背景下，需要從頂層設(shè)計上強化海域態(tài)勢感知數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的統(tǒng)籌規(guī)劃，充分結(jié)合客觀現(xiàn)實和理論需求，加強各軍兵種之間的情報交流和數(shù)據(jù)融合，將海域態(tài)勢感知所采集的電、磁、光、聲等信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成一系列標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，形成海域態(tài)勢感知大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范甚至更高層次或更大范圍的大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)以海域態(tài)勢感知數(shù)據(jù)應(yīng)用與服務(wù)為目標(biāo)，研究在數(shù)據(jù)流向的全過程中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)輸入以及產(chǎn)品、服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)輸出，并在大數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、管理與應(yīng)用的過程中不斷完善。

3.3 實現(xiàn)人工智能和大數(shù)據(jù)結(jié)合的海域態(tài)勢感知

在未來的海戰(zhàn)中，影響和決定軍事行動的核心在數(shù)據(jù)，關(guān)鍵在決策。數(shù)據(jù)的積累和更新、數(shù)據(jù)的分析和處理能力將成為獲得戰(zhàn)場優(yōu)勢的決定性因素。海上敵我兵力配置、各種偵察平臺搜集的情報、作戰(zhàn)指揮中心的每條指令，都是以數(shù)據(jù)的形式存在并發(fā)揮作用，正是這些瞬息萬變、紛繁復(fù)雜的海量數(shù)據(jù)構(gòu)成了最基本、最客觀、最全面的海域態(tài)勢，從而也使大數(shù)據(jù)本身成為戰(zhàn)爭攻防的焦點。所有數(shù)據(jù)的最終目的是為決策提供服務(wù)，人工智能技術(shù)就是將“數(shù)據(jù)優(yōu)勢”向“決策優(yōu)勢”轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。新一代人工智能技術(shù)的興起正在提供技術(shù)突破的方向，在大數(shù)據(jù)、超級計算平臺以及深度學(xué)習(xí)算法的共同作用下，新一代人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)的結(jié)合，必然成為為現(xiàn)代海域態(tài)勢感知的發(fā)展方向。

4 結(jié)束語

本文概述了海域態(tài)勢感知數(shù)據(jù)處理與大數(shù)據(jù)技術(shù)的契合性，通過分析大數(shù)據(jù)在國內(nèi)外軍民領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢，探討了海域態(tài)勢感知大數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的若干建議。海域態(tài)勢感知數(shù)據(jù)具備大數(shù)據(jù)特性，在此背景下，本文期望能夠為利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提升海域態(tài)勢感知數(shù)據(jù)的分析處理能力提供若干發(fā)展思路。