海洋環境數據管理與軍事應用

文/瞿洋

黨的十八大提出建設海洋強國國家戰略，發出了“關心海洋、認識海洋、經略海洋，推動我國海洋強國建設不斷取得新成就”的號召。壯大海洋經濟、加強海洋資源環境保護、維護海洋權益事關國家安全和長遠發展。我國擁有1.8萬公里大陸海岸線、1.4萬公里的島岸線，海洋國土面積300萬平方公里。300多萬海洋國土，其中150多萬海洋國土都與有關鄰國存在著邊界糾紛、島嶼歸屬、海域劃界、資源爭奪等主權和海洋權益問題。為維護國家主權、領土安全和海洋權益，需要進一步提升海上態勢感知能力，海洋環境數據直接影響雷達、聲吶等傳感器的效能發揮，是情報保障指揮決策的重要依據。

1 海洋環境數據特點

海洋環境指地球上廣大連續的海和洋的總水域，包括海水、溶解和懸浮于海水中的物質、海底沉積物和海洋生物。海洋環境數據主要包括海洋地貌數據、海洋水文數據和海洋氣象數據，其中海洋水文主要有海浪、海洋潮汐、海流等，海洋氣象有風、濕度、海霧、云等。軍事目的是近代海洋學發展的重要動力因素之一。

隨著觀測技術的發展，各類海洋觀測設備的應用，采集獲取的海洋環境數據呈現海量性的特點。海洋數據基于來源分類，有臺站觀測數據、船舶觀測數據、浮標/潛標觀測數據、遙感監測數據以及水文氣象預報、分析資料產品等；基于獲取途徑分類，有現場觀測數據（臺站、船舶、浮標/潛標）、航空遙感監測數據和分析數據（預報數據和分析產品）。一顆海洋觀測衛星，其在七天內對海洋觀測產生的數據總量，已經相當于過去幾年傳統方式對海洋觀測產生的數據總量。海洋環境數據具有獨特性，其主要特點有：

（1）實時性，海洋時刻都在變化，傳感器指揮和效能評估等對海洋預報等數據的實時性要求高；

（2）規律性，在一定周期內，水文數據存在時間上的周期性和空間分布上的規律性；

（3）時空性，海洋發展變化在時空范圍內發生，在全球不同區域變化不同，隨時間而演變，且其變化在時間和空間尺度上是不均勻的；

（4）樣性，海洋水文數據按來源分有觀測數據、預報數據和統計數據，按要素分有溫度、鹽度、密度、深度等，按時間分有實時觀測數據和年度、季度、月度等統計數據；

（5）敏感性，很多海洋數據事關我海洋開發和海洋安全，敏感性比較高，如海洋氣象、水文、潮位以及海島暗礁、海底地形等數據。

2 海洋環境數據需求分析

《美國海軍信息優勢路線圖2013-2028》對信息優勢的定義：海軍信息優勢定義為在21世紀復雜的海上環境中通過整合海軍信息能力、系統和資源以優化決策和實現作戰效果最大化而獲得的作戰優勢。未來海上作戰將需要通過獲取信息優勢來獲得作戰優勢。海戰場環境信息對裝備性能發揮、目標數據獲取以及作戰樣式選擇等起到重要的保障作用。環境因素已成為發揮武器裝備性能和提升指揮決策效能的關鍵,在軍事上有著巨大需求。

海洋數據的背后蘊藏著巨大的價值，海洋水文氣象環境對作戰的影響非常大，基于海洋環境信息復雜多變等因素，海洋環境信息的獲取須全面、長期、立體采集，正確分析其內在機理和規律，最終為軍事行動所用。通過對聲學遙感數據的分析，可以掌握海洋生物群落和其遷移的情況，為海洋生態保護計劃的制定打下良好基礎。通過對海洋地層數據的分析，可以有效對海洋地震進行預報和預警，為海洋的安全開發提供有效保障。海上態勢感知基礎是海上情況掌握，其主要來源于岸、海、空、天等平臺搭載的雷達、聲吶等傳感器。受海洋環境影響，聲信號在海洋通道傳遞有著強烈的畸變和漲落，海洋環境決定著聲吶等水聲探測設備的效能，其作用距離除了聲吶設備本身性能外，還與具體的海洋環境、目標和接收深度等密切相關。另外，臨近海面不同高度的風速、風向、氣壓、氣溫、相對濕度、海水表溫和各種離子等氣象元素，會對雷達遠距探測等產生重大影響。

3 海洋環境大數據存儲管理與分析應用

隨著信息技術和監測設備的快速發展，衛星等大量傳感器在海洋環境檢測中發揮重要作用，海洋觀測數據得以急劇增長。由于海洋環境數據實時性、規律性、時空性、多樣性、敏感性等特征，數據格式呈現多源、異構等特點，對數據存儲、數據處理、數據共享、數據安全等提出更高要求，傳統的數據存儲和分析技術已經不再適用。需要構建海洋大數據平臺，實現海洋數據挖掘分析與增值利用，支撐海戰場目標探測發現和情報指揮決策等應用。

典型海洋大數據平臺邏輯架構如圖1所示。圖1中，資源層是融合計算設施、存儲設施、網絡設施、安全設施等各種物理資源的基礎層；虛擬化層整合基礎設施、信息資源，提供虛擬化能力，以降低硬件成本；管理層提供物理資源、虛擬資源管理以及資源負載均衡等能力；服務層提供數據訪問、數據檢索、數據分析等數據服務以及系統管理服務。基于海洋大數據平臺，結合業務開發數據分析工具，開展基于大數據的知識挖掘，為相關軍事應用提供數據服務和知識服務。平臺提供主要應用服務能力有：

（1）數據接入與加工，主要包括實時數據與非實時數據接入、存儲、轉換和清洗；

（2）數據分析與挖掘，主要提供數據抽取、特征提取、統計分析、規則生成、規則建模以及結果評估等；

（3）資源調度與管理，主要包括計算資源調度、存儲資源調度、分析任務構建和任務調度管理等；

（4）知識生成與服務，包括局部規則接入與規則歸并，知識庫生成和提供基于知識庫的服務。

4 海洋大數據軍事應用

海戰場環境對武器裝備實體、目標實體等信息交互有重要影響，如大氣密度對飛機飛行、洋流速度對艦船航行有直接影響，因不同季節、海域海洋環境的差異，對雷達、聲吶等傳感器目標探測影響呈現季節性特點。海洋戰場環境對現代化武器裝備運用的影響至關重要，直接關系到能否使用、是否有效。因此，須借力大數據分析、計算、驗證等方法，將相關海洋數據采集、態勢感知、戰場認知和指揮決策高效結合，揭示更多的環境影響內在關系，打造戰場環境透明感知、洞察預測、智能決策。

雷達系統對目標探測是基于電磁波的應用實現。貼近海面的對流層是電磁波的重要傳播媒介，主要云、霧、雨等天氣現象都出現在對流層，是對人類生活和行動影響最大的層次。由于對流層擁復雜的電磁環境，研究人員發現大氣并不是電磁波傳播定律假設的均勻介質，大氣層的水汽分布不均、大氣中的折射使得電磁波發生波導傳播現象。由于大氣波導存在，雷達系統能夠探測到視距以外的目標，但也會出現盲區。可利用雷達探測大量歷史目標數據，結合海域氣象觀測數據，對雷達、目標、氣象等數據之間的內在關系進行建模，分析雷達在不同氣象條件下的實際探測距離、探測盲區等，真實掌握其探測性能。在任務執行期間，結合氣象預報數據，為雷達目標發現、海上態勢感知和情報保障指揮等提供數據支撐。

圖1：典型大數據平臺邏輯架構

聲吶作用距離與海洋環境、目標聲源和接收深度等密切相關，水文條件良好與惡劣條件下作用距離能相差若干倍。艦艇或飛機探潛時，要根據任務區域艦艇航行至探潛搜潛有利位置，規劃飛機投放浮標/潛標區域/位置，利于發現潛艇目標；潛艇規避敵聲吶發現時，要將自己處于聲吶信號聲影區中，減少被探測的可能。通過調查研究海區海洋環境，掌握海底聲學特性、深海聲道位置和海水溫度垂直分布等基本情況，利用大數據分析，開展海洋環境預報和水聲裝備作用距離預報，評估任務海域不同聲吶裝備效能，對敵搜潛發現和我規避敵聲吶發現非常重要。

5 結語

隨著時代的發展，將日益成熟的大數據、人工智能等技術用于軍事領域是大勢所趨。裝備和決策水平的提高必將影響甚至主導未來戰場的作戰方式和作戰效能。我們應頂層謀劃海洋環境、目標等數據的采集和存儲，應用大數據技術深入分析挖掘形成模型和知識庫，從而指導我們的決策。