海洋環境仿真系統的若干問題分析

92859部隊 薄文波

海洋環境仿真在海洋儀器研制、海洋工程、海上作戰、演習、訓練，海洋工程評估等方面的作用越來越明顯。本文基于海洋環境仿真特點，參考了美國仿真體系結構和標準，對海洋環境仿真的一些技術問題進行梳理分析。

引言：仿真技術是以控制論、系統論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用物理效應設備為工具，借助系統對實際或設想的系統進行動態試驗研究的一門綜合技術。近年來，海洋環境仿真與建模技術、信息技術、計算機技術、網絡技術、軟地理信息技術、圖形學、多媒體技術及仿真應用領域相關技術相互交叉、融合，其研究與應用受到廣泛的重視。

自1995年以來，美國國防建模與仿真辦公室（DMSO）提出的高層體系結構（High Level Architecture，HLA）得到了不斷發展，并日趨成熟，已成為IEEE的正式標準，它為建模與仿真提供了一個通用的技術框架和開放的標準，更好地解決了不同類型仿真應用的互操作和可重用性問題，滿足復雜大系統仿真的需要。仿真系統也已由過去的集中、封閉仿真發展到分布、開放和交互仿真，由均勻態背景條件下的簡單功能仿真發展到復雜環境條件下多對象集成系統的分布仿真。

在海洋環境仿真方面，90年代中后期，隨著HLA技術的成熟，DMSO資助開發的TAOS 系統，采用模塊化的組件方法將大氣海洋空間環境提供給其它應用節點。DEMO還資助MITRE等商業公司開發了基于HLA和SEDRIS技術的仿真系統，連續進行了海洋、大氣和空間環境（OASE）仿真的三代開發，用于仿真動態地形、海洋、大氣和太空，以演示和驗證現有技術所具備的動態自然環境仿真能力和水平。在國內，海洋環境仿真起步較晚，與美國相比還有較大差距，特別是在分布、動態、可重用等方面還有很多不足。

本文在分析海洋環境仿真特點的基礎上，對海洋環境仿真系統相關問題進行分析，從而為開發高效、實用的海洋環境仿真系統提供技術參考。

1.海洋環境仿真特點分析

海洋環境是自然界的真實環境，不受人為的控制。海洋環境是一種動態環境，相比靜態環境存在如下特點：

（1）多維性特點

海洋占據了地球71%的面積，海洋環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流系統的變化。時間尺度上，即存在著如大氣、海洋要素的瞬變過程，還存在環流系統長時間周期的變化，而且各種尺度的系統時空上相互疊加、交織，多維性特點明顯。

（2）強相關性特點

海洋環境異常復雜，描述大氣、水體環境的要素繁多，而且各要素之間相互影響，具有較強的相關性。

（3）不確定性特點

由于大氣、海洋的瞬變性，對海洋環境的探測、預報、檢驗與應用難度大，在應用上，表現了較強的不確定性。

（4）龐雜性

目前的海洋觀測手段多種多樣，有航天、空遙感，海面觀測、水下觀測設備，如海洋環境衛星遙感、海洋水色衛星遙感設備、海洋站、波浪浮標、Agro、XBT、CTD、水下滑翔機、潛標、UUV等。海洋觀測手段的多樣化造成了目前海洋數據存在海量、多源、多維、多時態、多尺度、異構等特點。

（5）多用途性

海洋環境是人類行為、工具使用的自然空間，人類行為、工具類別的多樣性決定了海洋環境仿真的多用途性，需要對不同空間、時間尺度的海洋環境進行模擬和仿真。

2.海洋環境仿真體系結構

基于海洋環境仿真的特點，互操作和可重用性更是仿真系統需要解決的問題。仿真體系結構是建模與仿真的基礎和核心，是整體上描述仿真系統各組成單元的結構，以及各單元之間的物理和邏輯關系，因此要開發面向復雜應用的海洋環境仿真系統，減少重用，提高互操作性，首先要確立體系結構。

當前，美國先后建立了SIMNET、DIS、ALSP、HLA等仿真體系結構，用于充實LVC（實兵仿真、虛擬仿真、構造仿真）仿真體系的集成和建設。美軍在F12010工程中,發展了滿足試驗和訓練領域的仿真體系結構TENA。TENA 從技術、運作、軟件、應用與產品線體系結構等方面確立了邏輯靶場資源開發、集成與互操作的總體技術框架。TENA提供了邏輯靶場運作概念、建立與運行邏輯靶場應遵循的規則和標準、公共元模型、公共對象模型、公共基礎設施、以及工具和實用程序。TENA是美軍在多種體系結構的研究基礎上提出一種滿足試驗和訓練領域特殊需求的體系結構。它以高層體系結構HLA為基礎,并進行了相應擴展,提供了試驗和訓練所需的更多特定能力,可以認為是HLA的超級。從目前公開發表的文獻看，國內有關科研院校對BOM（基本對象模型）和TENA開展了初步研究已給予BOM、MDA等開發了某雷達對抗仿真系統、魚雷武器系統作戰效能仿真系統、并行仿真開發及運行支撐環境等項目。

海洋環境仿真是復雜仿真系統重要組成部分，由于其面向應用對象繁多，既可能涉及到多種尺度海洋模型的運行與管理問題，又存在著同一行業，不同分支結構的計算資源、存儲環境、安全等級、交換格式、通訊協議、仿真模型多樣性問題，在設計仿真系統過程需要對仿真系統進行層次分割，將資源、通信、管理、接口、應用總體考慮。具體到分層細節，復雜的海洋環境仿真系統可以設置資源層，通信層、管理層、中間層和應用層。資源層主要指分布在不同區域、不同硬件平臺各種軟硬件的總稱，包括高性能計算機、各類存儲設備、數值預報模式、仿真模型、數據庫等；通信層是完成仿真交互、運行控制及安全管理的一層，包括：網絡文件傳輸協議、網絡資源調配、數據通訊調度、時間同步、通訊監控、聲明管理等方面。管理層是體系最重要的一層，主要包括：仿真用戶管理（涉及到用戶注冊、聲明、權限、修改、刪除等）、時間管理（涉及到時間管理策略、消息傳遞機制、信息推進等）、數據分發管理等。中間層是仿真數據交互的過渡層，實現仿真過程中發布、定購、更新、反射等與各仿真系統信息交互相關功能。各層通過制定統一標準規范來實現層間的訪問、調用。在系統設計中，以標準來帶動不同系統整合、信息交互和管理，涉及的標準如表1：

表1 數據標準主要建設內容

3.基于SEDRIS的海洋環境多態交換技術

海洋環境仿真數據具有多分辨率、多參數、海量等特點，是一種隨時間動態變化的數據場，不同應用對象對于環境仿真需求各異。因此，建立海洋環境交換標準，實現環境描述的一致性、完整性和明確性對仿真應用至關重要，它是實現仿真互操作性和可重用性的基礎。在這方面，1999年10月，SEDRIS聯合國際標準化組織（ISO）和國際電子技術委員會（IEC）啟動了建立國際標準的過程。目前，SEDRIS技術已經被美國國防部聯合技術體系結構采用，而且被北約建模與仿真主計劃具體引用。SEDRIS標準的目的是建立標準的交換界面，實現完整和清晰的數據表達、通用無損的數據交換、共用的訪問接口、可重用的應用程序和工具軟件。它的比較關鍵的內容是：環境數據的表現和環境數據集的交換。而海洋水體環境仿真數據類型是多樣的、動態變化的，如何表現各類環境數據，并建立面向對象的數據交換標準格式就成為比較關鍵的問題。通過梳理發現，海洋環境數據大體分為以下幾類：

（1）點數據

點數據通常包括在固定站位或移動觀測點采集的一維數據。固定站位數據隨時間存在連續變化，移動觀測點數據隨時間存在著位置和觀測值變換。如：海洋站，漂流浮標等。

（2）線數據

線數據通常包括固定站位或移動觀測點位采集的隨高度或深度變化的數據組，如XBT、XCTD等。

（3）面數據

面數據通常包括二維平面內規則分布的格點數據和不規則分布的離散數據。如地波雷達測流數據，不規則分布自動氣象站數據等。

（4）體數據

體數據通常包括三維立體空間內規則分布的格點數據和呈現三維結構的非規則分布的數據，如數值預報數據、區域組網的觀測數據等。

海洋水體環境仿真系統可以依據SEDRIS標準，針對點、線、面、體數據建立對象模型，制定數據交換標準和表現標準。

4.海洋環境仿真數值模型問題

（1）多分辨率建模技術

在海洋環境建模技術方面，從國際發展現狀看，海洋環境建模主要有3種方法：一是通過對海洋最基本特征理論分析和數學簡化提出理論化模型；二是大量觀測資料和觀測事實進行分析和統計，建立統計特征模型；三是依據流體動力學和大氣、水體運動規律建立并求解非線性方程組，并進行數值模擬，從中給出的海洋環境數值模型。近年來，隨著數值模式技術的日益完善，出現了大量數值模式，如當前應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，不同模式各有優缺點，適合模擬尺度、區域等各有側重，因此為滿足不同仿真應用層次對海洋環境模擬仿真的需要，利用多分辨率建模技術，建立不同精度和分辨率的環境數據模型，是滿足不同仿真應有對象的必然趨勢。

（2）仿真應用模型技術

海上各型裝備的使用，聲、光、電信號在海洋環境中的傳輸，都面臨著海洋溫度、鹽度、深度、聲、流等環境參數的影響。海洋水體環境對于設備、人類行為的影響有些并不直觀，甚至是間接的，需要開發相關模型，成為聯結環境與應用的重要鏈條。這種模型往往即與環境特性有關，又與應用對象聯系密切，如海洋水體環境對聲納影響仿真，需要建立不同水體環境的聲傳播模型，聲傳播模型的好壞直接影響了仿真最終效果，因此開發不同適應不同應用對象的環境影響模型是非常必要的。

5.海洋環境可視化技術

海洋水體環境可視化主要包含兩方面內容：一是環境要素可視化，二是環境效應可視化。環境要素可視化包括自然地理環境可視化、海洋物理環境可視化和大氣海洋環境可視化。通過環境要素可視化既可以顯示海洋環境的可視化要素，比如海洋區劃、海底地形、海底底質、海冰、海浪等，還可以顯示海洋環境的非可視要素，比如風力、風向、大氣溫度、目標噪聲傳播范圍、聲線傳播路徑等。環境效應可視化包括環境自效應可視化和環境他效應可視化。其中，環境自效應可視化指海洋環境各要素之間或內部作用與相互影響在時空上產生的動態變化，如風生浪。環境他效應指海洋環境的狀況及變化對武器裝備、作戰平臺和作戰行動產生的影響，如海水對聲納聲傳播的作用。在海洋環境可視化方面需要考慮時空數據模型構建技術、三維地形構建技術、水文氣象多維動態可視化技術等。

6.結語

基于海洋環境仿真特點，重點梳理、分析了海洋環境體系架構、基于SEDRIS的海洋環境多態交換技術、海洋環境仿真數值模型和可視化等技術。國內的海洋環境仿真系統建設應當學習美國的先進技術經驗，通過繼續研究學習HLA、TENA、SIMNET等先進的仿真體系和相關標準，統一協議、建立標準，聯合海洋環境科研單位和與裝備研制單位，建立面向應用的統一、完整的海洋環境仿真體系結構，解決海洋環境仿真的互操作、可重用性問題。