基于云計算的探潛信息綜合處理系統建設研究

王 偉，于福建，張峻銘

（中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094）

0 引言

世界上的先進潛艇在我國近海的部署及頻繁活動，對我國的海防安全構成了前所未有的威脅，其嚴重性甚至超過表面上來勢洶洶的航母戰斗群，因為航母戰斗群的威脅畢竟是公開的，并且中國已經擁有了許多可靠的反制手段，而那些可在水下長時間隱蔽游弋的先進潛艇則是現代海戰場的超級隱身殺手。為應對亞太海域越來越多、越來越先進的潛艇的威脅，需要廣泛部署水下探測力量，同時提高探潛信息的傳輸和綜合處理能力，能夠快速有效地引導作戰力量進行防御和攻擊，加緊建設一體化和現代化的中國探潛信息綜合處理系統是當務之急。

近年來，云計算作為IT領域的新概念，頻頻出現在國內外各類媒體上，不僅對信息產業和商業領域產生了巨大影響，而且也迅速地走近人們的現實生活。國際上各大 IT巨頭已圍繞云計算技術紛紛布局，大肆圈地，人們驚呼 IT界已進入了多云時代，一場沒有硝煙的信息戰略博弈正在展開，美國市場研究公司 Gartner也將云計算評為 2011年對多數組織最具戰略意義的十大技術和趨勢之一，甚至有人預言，云計算將主導新信息時代的戰爭[1]。

若將新信息時代的先進技術——云計算，應用于反潛探測領域，將彼此孤立的反潛探測信息孤島互連起來，將極大地提升信息處理和融合能力，構建起適合我國國情的反潛探測信息綜合處理系統，必將進一步提升我國反潛探測能力。

1 反潛探測現狀

1.1 反潛探測力量

反潛探測力量組成如圖1所示。

圖1 反潛探測力量組成圖Fig.1 Compositional diagram of anti-submarine detection force

1）空間反潛探測力量。

隨著空間技術和電子技術的發展，利用偵察衛星等空間載體搭載各種傳感器（合成孔徑雷達、光學、激光、紅外探測器）可對潛艇的水面效應進行遠距離、大范圍的監視和探測。目前，美國海軍已將太空反潛衛星作為重要反潛裝備進行了實戰部署，而我國海洋觀測衛星應用和“神州”系列宇宙飛船成功發射，表明中國空間科技的研發能力已經進入世界前列，中國有能力運用空間探測技術進行反潛探測[2]。

2）空中反潛探測力量。

空中反潛探測力量是利用反潛飛機進行航空反潛，與水面艦艇和潛艇的反潛相比，反潛飛機實施的航空反潛的主要優點是：反潛飛機速度快、航程遠、機動靈活、載彈量大、覆蓋海域寬廣、不易被水下潛艇發現和攻擊，是歷來效率最高、最重要的反潛手段，被稱為懸在潛艇頭頂的利劍[3]。

① 反潛直升機。

反潛直升機是用于反潛作戰的直升機，載有完善的潛艇探測裝置（如：機載聲吶浮標、吊放聲吶等）和充足的反潛作戰武器。反潛直升機主要是指艦載反潛直升機，其體積小、重量輕、機動靈活，承擔著現代水面艦艇的遠程反潛任務，包括對敵方潛艇可能活動的海域進行系統探測；對已發現有敵方潛艇活動的海域進行應召搜索；發現敵方潛艇目標后發射機載反潛導彈或魚雷實施攻擊，或通過機載數據鏈將目標位置和運動諸元實時傳輸給反潛艦艇，由其實施攻擊；隨后查明攻擊效果，決定自身及反潛艦艇是否再次攻擊。

圖 2是俄羅斯海軍艦載“卡–27”反潛直升機正在進行吊放聲吶的操作。

圖2 俄羅斯海軍艦載“卡–27”反潛直升機Fig.2 Shipborne K–27 anti-submarine helicopter of Russian Navy

② 反潛巡邏機。

固定翼反潛巡邏機是潛艇的另外一個主要的空中威脅，由于其起飛重量大、形體大，可載更多的反潛探測設備和反潛武器，速度較直升機快，具有更大的機動能力，航程遠、續航時間長，可在更大的范圍進行反潛作戰，即：既能探測攻擊遠海深處的核潛艇，又能攻擊近岸的常規潛艇，是空中反潛的主力。

圖3是美國的P–8A多任務海上飛機，該機型將替代 P–3C成為美國海軍在 21世紀初期和中期實施反潛作戰、情報、監視和偵察的主力，2013年進入海軍服役，生產總數為108架。

圖3 美國的P–8A多任務海上飛機Fig.3 P–8A multi-mission maritime plane of US

③ 反潛無人機。

反潛巡邏無人機用于淺水區反潛戰中的海上監視任務，可與反潛巡邏機共享執行反潛戰和情報、監視、偵察任務時的有效載荷資源，在沿海的情報、監視和偵察行動中相互配合。

圖4是通用原子公司的“捕食者”–增程無人機，用于參加美海軍實施“廣域海上監視無人機”（BAMS UAV）項目的競爭。

圖4 通用原子公司研制的“捕食者B”增程型無人機Fig.4 Predator–B extended range UAV of General Atomics

3）水面反潛探測力量。

水面反潛艦艇利用攜帶的拖曳陣聲吶、艦殼聲吶等進行反潛探測，也可利用艦載對海探測雷達，探測某一海面區域的異常氣象回波，實現對水下活動潛艇目標的發現和跟蹤。水面反潛艦艇可單艘也可多艘組成反潛戰斗群實施搜索[4]。

4）水下反潛探測力量。

① 攻擊型潛艇。

攻擊型潛艇裝備有先進的聲學信號處理系統、拖曳線列陣聲吶、艇殼聲吶、舷側陣聲吶以及非聲學傳感器，是反潛探測的重要水下力量。

② 水下監視系統。

水下監視系統即在一定海區布設各種水聲探測儀器和光纜，可實施長期的水下偵察探測，是海軍水下戰場態勢感知的倍增器，如：美海軍現役的固定式水聲監聽系統（SOSUS）、拖曳陣列傳感器監視系統（STASS）、水下音響聽測系統等[5]。我國也在重要的港口、基地的周圍布設了水下警戒網，對于重要航道、海區也需布設能夠執行長期監聽任務的水下監聽網絡。

③ 無人水下航行器（UUV）。

無人水下航行器（UUV）是一種可重復使用的自主無人航行器，可攜帶執行不同任務的有效載荷，包括傳感器、武器和干擾裝置，執行水面情報收集、監視和偵察以及水雷探測。它也可在高風險淺水域承擔反潛任務，首先用聲吶探測器跟蹤潛艇，然后用小型超空泡武器實施攻擊。

綜上所述，反潛探測力量多種多樣，但是這些探測力量往往不是單獨實施，而是協同探測，比如：為了驗證水面艦艇拖曳陣聲吶探測到某方位和區域的可疑噪聲，當估計距離較遠時，可立即召集附近空中的直升機、反潛機或派出艦艇直升機進行搜索；潛艇也可以利用UUV增加探測距離和偵察范圍。

1.2 反潛探測手段

聲吶運用聲學方法對水下潛艇進行探測，是反潛探測的主要裝備，發揮著不可替代的作用，然而非聲探測技術也在快速發展，并且具有其獨特的探測優勢。非聲探測就是根據海下運動潛艇將會在海面和海下形成一定的物理場，研究和探索利用這些物理場的變化實現反潛探測[6]。反潛探測手段如圖5所示。

圖5 反潛探測手段分類圖Fig.5 Classification diagram of anti-submarine detection means

綜上所述，現代反潛探測力量和手段越來越豐富，且探測力量與探測手段的配裝方式也多種多樣（見表1），但是各有其優勢和劣勢，如果能將外層空間、空中、水面和水下反潛力量及其各自的水聲、非聲探測裝備互連起來，構成立體的綜合的探潛信息綜合處理系統，則反潛能力就會極大地提升；從當今國外海軍強國的反潛體系發展情況看，運用現代先進信息、通信技術將分散在各領域的探潛、反潛設備和兵力組合成多方式、高效的反潛探測網絡代表著現代反潛的主要發展方向；云計算為構建大范圍、立體化、多層次、綜合高效的探潛信息綜合處理系統提供了可能。

表1 反潛探測力量與反潛探測手段配裝表Table 1 Assembly table of anti-submarine detection force and means

2 基于云計算的探潛信息綜合處理系統

2.1 云計算

目前，在互聯網上，云計算是個熱度很高的新名詞。由于它是多種技術混合演進的結果，其成熟度較高，又有大公司推動，發展極為迅速。云計算（cloud computing）是一種新興的商業計算模型，它將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上，使各種應用系統能夠根據需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務。云計算的主要優勢有：

1）資源共享。

云計算可以將連接在網絡上的所有計算機及其它硬件設備和軟件、數據信息等資源進行統一的調度管理。對于用戶來講，云可以認為是無限的，可以隨時按需使用云中的資源。用戶也可以將自己擁有的軟硬件資源共享到云端，成為共享資源的一部分，同時有效的權限管理策略可以讓用戶放心地與自己指定的用戶共享資源，不會造成信息泄露。

2）性能強大。

通過網絡連接的大量計算機與各種硬件設備形成一個性能超強的服務器，可以為用戶提供強大的計算和數據處理能力，這在個人計算機上是難以企及的。

3）成本低廉。

企業不需購買昂貴的硬件設備，租用云端設備便可以構建自己的信息平臺。

2.2 基于云計算的探潛信息綜合處理系統

基于云計算的探潛信息綜合處理系統由云端服務器集群和反潛探測節點構成，如圖6所示。

圖6 基于云計算的探潛信息綜合處理系統Fig.6 Integrated processing system of anti-submarine detection information based on cloud computing

由云端服務器集群構建的反潛探測信息處理云，利用其強大的信息處理能力對各種類型反潛探測節點傳送的水聲和非音響信息進行高效處理和數據融合，并和海量的樣本數據比對，打破單一探測節點探測能力、探測手段和信息處理分析能力的局限性；信息處理云根據目標的疑似程度和威脅等級指揮目標周圍的探測節點對疑似潛艇目標進一步探測，在確認敵方潛艇目標后，則指揮周圍作戰平臺向其發出警告或發起攻擊。

反潛探測節點分布廣泛、種類繁多，負責探測和上傳各種形式的可疑信息。由于反潛探測信息處理云將具備強大的信息處理和融合能力，因此讓反潛探測節點著重加強其探測能力，而弱化其信息處理能力，尤其是針對體積和能量有限的無人值守探測節點，僅保留其探測能力。

1）反潛探測信息處理云。

反潛探測信息處理云的規?？蓜討B調控，便于在探潛信息綜合處理系統中廣泛部署，高效地處理海量數據，并快速反饋到各級節點，實現海戰場態勢、作戰艦艇與探測節點的實時無縫結合，極大地提高整個海域的反潛探測能力?？稍诟鱾€岸基指揮控制中心和大型作戰艦艇上配置強大的反潛探測信息處理能力，并配備海洋環境信息、潛艇目標特征信息等海量數據存儲服務器，由這些岸基指揮控制中心和各個大型作戰艦艇構成反潛探測信息處理云，真正實現信息共享和交流，并為實時、精準的數據搜索和處理提供可能；而中小型作戰艦艇和民船則無需配備或完整配備探測信息處理設備，當其探測到可疑目標信息后，立即發往反潛探測信息處理云中，由云端進行詳細的信息處理和數據比對，并按需求將計算結果反饋回各級節點。

將探測信息交由反潛探測信息處理云進行處理，不僅能夠得到更為精準的信息處理和數據比對，而且還能不斷豐富反潛探測信息處理云中的潛艇目標特征數據庫，積累更多的先驗信息，使反潛探測信息處理云的信息處理能力和目標識別能力不斷提高。

2）水聲反潛探測節點。

反潛探測力量是整個探潛信息綜合處理系統的基礎，反潛探測力量包括水面艦艇、長航程巡航魚水雷、無人水下潛航器（UUV）、潛艇、水下探測傳感器等。反潛探測力量的數量增加和能力加強是推動探潛信息綜合處理系統強大的源動力，然而有些反潛探測力量的能力加強并不是無限的，比如無人水下潛航器（UUV）、水下探測傳感器等無人值守的、惡劣環境下的探測節點，由于受到其自身體積限制，不可能攜帶或具備復雜的信息處理設備，由表2可知，中小型UUV攜帶的能源也是極其有限的，工作時間僅為幾十個小時。

表2 各級別UUV續航力對比表Table 2 Endurance comparison of UUVs at different levels

對于這些能源有限的探測節點無需對探測到的信息進行復雜的處理，以及建立信息數據庫，只需對探測信息進行簡單處理和壓縮，然后發送到云端，由信息處理云對信息進行詳細處理。當信息處理云對探測信息處理和比對后，認為有必要對目標進行精測，則向該探測節點或附近的其他探測節點發出精測指令，收到精測指令的探測節點進行目標精測，將更為詳細的探測信息上傳到云端。

由云計算構建的探潛信息綜合處理系統可以大大減輕探測節點的工作量和負荷，探測節點無需配備復雜而昂貴的硬件模塊，這不僅減少了空間和能量消耗，同時也減少了頻繁和復雜的維護和升級，從而使各節點成本和能耗降至最低，為節點的研制和部署上帶來更多的便利。

3 關鍵技術

3.1 反潛探測信息處理云的分級部署

信息處理云是整個綜合處理系統的核心，需要分級部署，可在岸基、航母、反潛艦艇上部署1級云中心，且各個1級云中心可有效互聯互通。1級云中心具備詳實完備的海洋信息數據庫和潛艇目標特征樣本庫，配備專業的聲吶聽音員，可對收到的探潛信息進行詳細篩查，對疑似目標進行更為準確的類型識別，對于無法有效判斷目標類型的信息，1級云中心有權調遣目標海域附近的探測節點前往目標散布海域進一步查證。

下設若干個2級云中心，普遍裝備于海軍各型作戰艦艇、海警艦船和大型民用船只上，擁有基本的海洋信息數據庫和密級較低的基本目標特征庫，可對附近海域探測節點上報的探潛信息進行初部的篩查，必要時盡快前往目標海域進一步查證，對于無法查證的疑似目標及時上報1級云中心。

3.2 低成本擴大反潛探測節點

軍用制式反潛探測裝備不能布置或巡弋到敏感海域，但是民用船只數量龐大且不像軍事裝備那么敏感。民用船只包括貨輪、客輪和民間船只的機帆船、漁船等，它具有一定的交通運輸、商業貿易等用途，在戰爭中體現出了巨大的軍事價值，目前世界各國的商船隊伍已成為一支迅速崛起的“第二海軍”。其實民用船只不僅僅在戰時進行動員，在平時也可以作為重要的信息探測、信息傳遞和中繼的節點，比如：美國為其戰略海運船只都安裝了在線密碼系統、軍用通信衛星系統、高頻無線電和單邊帶語音系統，并通過多種手段加強對商用海事衛星中無線電通信設備的技術改造，著力提高其抗干擾和防摧毀能力；為所有民船加裝了能夠與衛星通信系統連接的保密電話系統，使民船也具有保密通信能力[7]。

而我國現有漁船總數達106萬艘，數量居世界第 1，約占世界總數的 1/4，加上客輪、渡船、集裝箱船、干貨船、油船、拖船、海洋石油調查船等商船更是數量龐大，這些民船可以在戰時或緊急狀態下動員起來作為海軍作戰的輔助力量[8]，平時也能將其作為探潛信息綜合處理系統的探測節點。雖然民船是不可能也不允許安裝配備軍用級的反潛信息處理設備和涉密的潛艇目標特征數據庫，然而在云計算構建的探潛信息綜合處理系統下，可以實現探測與信息處理和目標識別的分離。民船的探測設備可根據一定算法自主將探測到的疑似潛艇目標信息上傳到反潛探測信息處理云中，由信息處理云進行可疑信息的處理和比對；當信息處理云需要對疑似目標探測或精測時，可向疑似目標周圍的船只發出探測或精測指令，收到指令后的船上探測設備開始執行探測并將探測信息上傳到云端。

4 結束語

利用云計算技術來構建立體的探潛信息綜合處理系統，可實現信息探測和信息處理的分離，因此能夠更為廣泛地低成本部署大量的水聲和非聲探測節點，甚至將數量龐大的民船作為反潛探測的節點成為可能，而在各個岸基指揮控制中心和大型作戰艦艇上可配備性能優異的反潛信息處理設備和潛艇目標特征信息數據庫，進而把各個指揮控制中心和作戰艦艇互連起來形成反潛探測信息處理云，為整個探潛信息綜合處理系統提供強大的信息處理能力和數據比對能力，并且能夠不斷豐富反潛探測信息處理云的先驗信息數據庫，使反潛探測更為精準和高效。