基于“環境-任務”的氣象海洋環境構設框架設計

摘" 要：戰場氣象海洋環境構設的目的是建立一個逼真的仿真環境，使得其中的作戰實體在完成作戰任務的過程中感受并受到氣象海洋環境的各類影響，每類作戰實體均有自身的氣象海洋環境特性，氣象海洋環境與作戰實體任務之間存在一種客觀的影響關系。該文試圖建立一種氣象海洋環境-作戰任務的影響關系形式化描述方法，基于該方法，提出一種基于“環境-任務”的仿真環境構建框架，降低氣象海洋環境構設的復雜度，為高效、有目標的戰場氣象海洋環境構設提供支撐。

關鍵詞：氣象海洋環境；環境-任務；環境構設；仿真環境；大氣

中圖分類號：TP311.52" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0001-04

Abstract： The purpose of constructing battlefield meteorological and marine environment is to establish a realistic simulation environment， so that the combat entities in it can feel and be affected by various kinds of meteorological and marine environment in the process of completing combat missions. Each type of combat entity has its own meteorological and marine environment characteristics. There is an objective influence relationship between meteorological and marine environment and combat entity tasks. This paper attempts to establish a formal description method of the influence relationship between meteorological and marine environment and combat missions. Based on this method， A \"environment-task\"-based simulation environment construction frameworkis proposed to reduce the complexity of meteorological and marine environment construction and provide support for efficient and targeted battlefield meteorological and marine environment construction.

Keywords： meteorological and marine environment; environment-mission; environmental construction; simulated environment; atmosphere

克勞賽維茨曾說：作戰是充滿不確定性的領域，作戰中行動所依據的情況有四分之三好像隱藏在云霧里一樣，是或多或少不確定的。隨著不確定因素的增加，實戰化作戰訓練難度增大。在當代信息化作戰中，盡管環境監測和數值預報技術飛速發展，可在很大程度上減少以往作戰中的氣象海洋環境的不確定性對作戰行動的影響，驅散了傳統意義上的“戰爭迷霧”，但是，正如近幾場大型作戰表明的那樣，由于作戰雙方在利用各種手段求“知”的同時，也在利用各種手段阻止對方“知”，加之目前人類對氣象海洋環境自身演變規律認知的局限性，未來戰爭的“迷霧”雖然淡了不少，但是遠未達到消失的程度。可以說，不確定性是作戰的基本屬性，它在現代作戰中不斷以新的面貌出現，作戰態勢發展的非線性、信息的灰色性、事件的隨機性、形勢的突變性，使得氣象海洋環境復雜性成為影響成敗的重要因素。

當前，作戰引擎中的氣象海洋環境模擬，主要采用相似性法、統計特征法、數值法等方法，受限于氣象海洋環境樣本的特性，往往不能滿足不同難度系數氣象海洋環境設置的需求。下一代作戰引擎的設計，應該能夠提供非程式化、動態、逼真的模擬環境，通過把氣象海洋環境特征抽象、重組、再造，增加作戰想定設置的復雜性、隨機性，同時也反映不同地域典型氣候特征，以增加作戰訓練的難度和強度。

1" 氣象海洋環境建模與仿真現狀綜述

為營造實戰化的作戰訓練環境，戰場氣象海洋環境仿真越來越成為作戰模擬系統不可或缺的一個重要部分。

外軍在戰場氣象海洋環境仿真領域的研究，以美軍的理論研究最為先進，其特點是：作戰牽引、理念超前、制度完善、技術先進、注重實效、應用廣泛。美軍于20世紀80年代中期率先提出先進分布式仿真（ADS）的概念，之后經歷了SIMNET、DIS、ASLP和HLA四個階段，近年來發展為XMSF、Grid/RTI等。美國國家海洋與大氣管理局、美國海軍研究局、美國海軍氣象與海洋司令部（NMOC）以及國家測繪局（NIMA）在國防部建模與仿真實驗室（DMSO）的領導下開展了40余年戰場氣象海洋環境仿真工作，建立了從全球性的氣象海洋環境檢測體系、氣象海洋環境預測預報體系、氣象海洋環境保障體系到氣象海洋環境仿真服務體系的暢通仿真信息鏈路，為美軍在全球范圍內無論何時何地均能獲取所需的氣象海洋仿真支持，并深入融入其幾個大型聯合作戰仿真系統中，支撐其開展實戰化訓練，為其提供無縫隙的環境仿真服務。其中有2個典型的系統：一是戰役級聯合作戰仿真系統（JWARS），可提供三維戰場空間、氣象海洋環境制約和基于感知的指揮和控制等功能，主要用于指揮人員的訓練；二是戰術級聯合作戰仿真系統（JSIMS），可將地形環境、氣象海洋環境和其他專用模型等諸多作戰元素集成在一個聯合作戰空間內，主要用于作戰參謀人員的訓練。

我軍在戰場氣象海洋環境仿真領域的研究，主要側重于作戰方案評估、氣象海洋環境影響建模、武器裝備效能評估等領域。不同類型、不同領域和不同層次的作戰模擬對于氣象海洋環境數據、模型和仿真的要求都不盡相同，因而氣象海洋環境構設方法和關鍵技術也有所不同，總體來說氣象海洋環境構設方法可分為3類。

1.1" 統計特征構設法

統計特征構設法是指利用統計分析方法，基于歷年氣象觀探測數據，對數據進行預處理和融合分析，形成網格化統計分析數據，即為可用于仿真系統調用的統計特征模型，如利用某地區氣象要素的年、月統計均值和標準差，建立統計分析數據庫。這是氣象海洋環境靜態建模的主要方法，一般能夠表現不同地域的局地氣候特征，具有較高的真實性和可靠性，但依賴于觀探測數據，不利于構設動態的氣象海洋環境。例如：北京航空航天大學基于世界氣象組織（WMO）免費提供的歷年全球天氣數據，通過模糊邏輯搜索技術，從數據庫得到符合條件的氣象海洋環境數據，形成大氣環境想定數據生成系統，為想定生成引擎提供數據資源。

1.2" 數值模擬構設法

數值模擬構設法是指基于流體力學和熱力學定律，建立并求解大氣、海洋運動的高階偏微分方程組（即數值預報模式），結合大氣、海洋要素的基本特征和演變規律，模擬氣象海洋環境演變過程和天氣現象。這是氣象海洋環境動態建模的主要方法，利用具有物理背景的大氣海洋環境數據，可建立高分辨率、多分辨率、準確和動態的氣象海洋環境模型，能夠通過數值模擬輸出大氣環境仿真數據，并提取綜合信息、規范化顯示仿真數據、標準通用化存儲數據，進而提取出裝備試驗仿真相關氣象要素數據即數值模型，用于武器系統與大氣環境的耦合試驗研究，但此方法計算量大，占用計算機內存嚴重，不能實時仿真，且產生的模型數據量巨大，不利于模擬訓練靈活導調。例如，哈爾濱工業大學提出了一種基于MM5中尺度大氣數值模式和SEDRIS規范的虛擬大氣環境構設方法，用戶通過確定區域范圍、時間范圍和層數范圍，可以構設滿足應用需求和SEDRIS規范的復合大氣環境。

1.3" 模型構設法

模型構設法是指利用數學模型和工程模型構設氣象海洋環境，其中數學模型構設法是在氣象學和流體力學理論分析的基礎上，描述天氣現象最本質機理和運動過程，建立相對簡化的數學模型；工程模型構設法是在數學模型的基礎上，利用最新的理論技術不斷改進數學模型，使其更精確地表征氣象海洋環境特征，再對問題的物理本質進行分析，從工程角度滿足考慮系統仿真的逼真性，如在飛行仿真中，通常使用相關函數或頻譜函數對大氣紊流進行描述。該方法一般以影響裝備性能的氣象海洋環境要素為主導，可以針對不同的氣象海洋環境成員建立相對獨立的環境模型，模型精度能夠滿足工程應用的需求，因此多用于虛擬試驗尤其是武器裝備的性能仿真中。此外，跟現有其他構設法相比，其計算量小、計算時間短、占用內存小，更適合在虛擬實驗中實時生成大范圍的環境模型，能夠滿足虛擬試驗實時性要求，但較現有的大氣數值模式真實性有一定差距，沒有考慮大氣海洋要素間的影響、制約關系，當所需考慮氣象海洋環境要素較多時，無法體現氣象海洋環境的完整性與要素間的關聯性，無法體現整個氣象海洋環境系統的統一性。

綜合所述，以上3種構設法各有優缺點。由于缺乏對氣象海洋環境服務對象的認識，上述方法均與模擬訓練領域結合不緊密，無法滿足模擬訓練對氣象海洋環境模型的需求，因此，本文提出了基于“環境-任務”的氣象海洋環境構設方法。

2" 基于“環境-任務”的氣象海洋環境構設方法

2.1" 任務與氣象海洋環境的影響關系構建

基于“環境-任務”的構設方法，是指緊緊圍繞氣象海洋環境對作戰任務的影響，建立面向影響的氣象海洋環境構設方法，就如同跳水比賽中的難度系數，需要多大難度的仿真環境，就按需構設。傳統各類作戰環境場景的設置，一般采取天氣要素、現象的直接設置方法，氣象海洋環境設置好之后，在下一次修改設置前，往往不改變，整體上環境沒有隨時間發生較大演變，氣象海洋環境的復雜性、隨機性變化程度不高。為實現復雜氣象海洋環境條件下作戰場景設計，需要圍繞作戰態勢推進和設計需要，提供滿足場景逼真度要求的氣象海洋環境設置方法和工具。

對每一類作戰任務而言，都可以進行環境特性分析，細分到每一個不可再分的元任務，每個任務均與環境要素有著客觀的關聯，如飛行任務中，飛機起降受風向、風速、云底高等要素的影響程度最大。這一影響關系用形式化表示為一個二元組，記為（E，T），其中E代表Environment，T代表Task，對于飛行任務的“環境-任務”影響關系可以表示為（E1，T1），其中E1是由風速（WS）、風向（WD）、云底高（HHH）3個要素組成的環境影響要素集合，記為E1（WS，WD，HHH），T1是指飛行任務中的起降元任務，記為T1，不同航空器的飛行任務均可從該起降元任務繼承其與氣象海洋環境影響敏感要素的關聯關系，同時各類作戰任務也可以類比面向對象程序設計中多態的方式，添加自身氣象海洋環境影響敏感要素集。基于這種方法，可以針對某一領域任務建立具有清晰繼承和多態關系的“環境-任務”關系圖。

基于“環境-任務”關系圖，可以進行多視角分析，一是從作戰任務視角看，不同的作戰任務類型各自會受到不同氣象海洋環境要素集的影響，這些氣象海洋環境要素集可能會存在交集，即它們可能擁有共同的關聯要素；二是從氣象海洋環境視角看，同一氣象海洋要素可能會影響不同類別的作戰任務執行，同一氣象海洋要素值對不同作戰任務主體的影響，有的是正向、增益的趨勢，有的則是反向、損耗的。因此，可以根據整體作戰任務對于氣象海洋環境復雜程度的設置需要，在氣象海洋環境演變時序上、空間位置上、要素組合與分布方式上構建不同模式的氣象海洋環境呈現方式，從而不斷滿足多樣化作戰環境想定設計的需求。

2.2" 基于“環境-任務”的氣象海洋環境構設框架

基于“環境-任務”的環境態勢構建方法以環境引擎為核心，通過作戰想定編輯器，接入多源氣象海洋環境數據，通過在作戰想定周期內設置隨時間變化的氣象海洋演變時序特征集，實現氣象海洋環境對任務的持續、動態影響。“環境-任務”的環境態勢構建框架如圖1所示，主要包括環境引擎、想定編輯器、“環境-任務”模型、多源氣象海洋環境適配接口與氣象海洋環境數據生成模型以及多源氣象海洋環境顯示接口。

2.2.1" 環境引擎

環境引擎是氣象海洋模擬環境生成與仿真推進的核心模塊，它通過時序發生器實現多種時間尺度的仿真，是氣象海洋環境演變的節奏控制器；通過讀取想定編輯器設置的作戰環境想定腳本，把源自多源氣象海洋環境適配接口的多類型環境仿真數據按照作戰想定的節奏進行演變；通過“環境-任務”模型把氣象海洋環境要素的變化反饋至任務步長周期中，實現氣象海洋環境要素與作戰任務的實時交互，從而實現對各類作戰任務實體的影響。

環境引擎的運行模式可以分為單機模式和分布式模式，單機模式適用于單機作戰，所有氣象海洋環境要素模型與作戰任務實體模型之間在本機模型空間實現實時交互；分布式模式適用于多用戶聯網作戰，通過內存映射等技術，實現分布式機器上多樣本模型空間的同步運行。

2.2.2" 想定編輯器

想定編輯器環境設置的可視化人機交互接口，用戶通過想定編輯器可以為不同作戰態勢設置不同的氣象海洋環境腳本，正如同地圖編輯器一樣，想定編輯器為用戶提供所見即所得的設置效果。

想定編輯器支持用戶基于時間軸，在不同時間節點或時間段內，著眼于不同任務的需要，協同編輯多要素時空演變特征，同時結合環境數據生成模型不同的氣象海洋環境數據源生成方式，可以實現函數型、統計型、數值型和事件型等多種環境生成和作用方式，以適配如視景仿真、模型計算、事件驅動等不同作戰任務的不同環境供給需要。

2.2.3" “環境-任務”模型

“環境-任務”模型是上述“環境-任務”關系圖的模型化表現形式，也可以是以知識圖譜形式描述的“環境-任務”知識圖譜，其目的是建立自動化的“環境-任務”影響交互推理機制。想定編輯器在進行環境設置時，可以基于“環境-任務”模型，直觀分析不同的氣象海洋環境設置方案下預期會形成的影響復雜程度，從而不斷調節氣象海洋環境設置方案，逐步達到作戰想定設置的需求。

2.2.4" 多源氣象海洋環境適配接口與氣象海洋環境數據生成模型

面向視景仿真、模型計算、事件驅動等不同作戰任務的不同環境供給需要，氣象海洋環境數據生成模型通過調用不同的氣象海洋環境數據源生成方法，可以實現函數型、統計型、數值型、事件型等多種氣象海洋環境生成結果。其中相似性法通過建立不同氣象海洋環境要素對元任務的影響曲線，實現函數驅動型的氣象海洋環境數據生成和作用輸出；統計特征法通過建立如年度區域環境樣本數據集，實現典型天氣數據驅動型的環境數據生成和作用輸出；數值預報法通過不同區域、尺度數值預報模型和初始場、同化資料的運用，實現數值預報驅動型的環境數據生成和作用輸出；環境事件法通過典型離散天氣事件的配置，實現事件驅動型環境數據生成和作用輸出。以上各類氣象海洋環境數據生成模型的數據生成和作用輸出，均通過多源氣象海洋環境適配接口與環境引擎聯接，按照想定腳本的推進實現環境數據的接入。

2.2.5" 多源氣象海洋環境顯示接口

面向作戰環境想定的可視化展示需求，多源氣象海洋環境顯示接口主要提供多源氣象海洋環境數據的可視化組件與調用接口，面向不同的終端，可提供B/S版和C/S版的可視化運行模式。

3" 結束語

本文綜合分析現有的統計特征構設法、數值模擬構設法與模型構設法的特點和使用場景，提出一種面向模擬訓練的氣象海洋環境構設法——基于“環境-任務”的構設法，詳細設計了該氣象海洋環境構設框架，降低氣象海洋環境構設的復雜度，為高效、有目標的戰場氣象海洋環境構設提供支撐。

參考文獻：

[1] 郭曉非，朱俊利，萬劍華，等.基于Cesium的海洋環境要素三維可視化研究[J].海洋科學，2021，45（5）：130-136.

[2] 韓勇，黃家琛，馬純永，等.虛擬海洋環境仿真關鍵技術與應用研究[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2023，53（7）： 111-117.

[3] ZHANG X Y， LUO Y L， LIU L， et al. Assessment of Sea Surface Temperature Warming in the Tropical Indian Ocean Simulated by CMIP Models[J].Journal of Ocean University of China，2023，22（4）：897-909.

[4] CHUAN S F， CLARK P， YARISBEL G Q， et al. Myers.Pulses of Cold Atlantic Water in the Arctic Ocean From an Ocean Model Simulation[J].Journal of Geophysical Research： Oceans，2023，128（5）： e2023JC019663.

[5] LONG J M， XIAO Y W. Improvements on the upper-ocean simulation from 2007 to 2018 in the Canada Basin[J].氣候變化研究進展（英文版），2022，13（2）：196-204.

[6] BIAO Z， GUAN S W， JUN A Z， et al. The Effects of Ocean Surface Waves on Tropical Cyclone Intensity： Numerical Simulations Using a Regional Atmosphere-Ocean-Wave Coupled Model[J].Journal of Geophysical Research： Oceans，2022，127（11）：e2022JC019015.

[7] 尹錫帆，黎鑫，張韌，等.UUV攻勢布雷海洋環境風險評估及方案優選[J].中國艦船研究，2021，16（201）：31-39.

[8] 常沙，宋彬，黎鑫.氣象海洋作戰仿真環境復雜性評估及分級方法[J].系統工程理論與實踐，2021，41（7）：1868-1881.

[9] 汪楊駿，張永垂，胡王江，等.“莫斯科”號拖帶沉沒的海洋環境仿真分析[J].指揮控制與仿真，2023，45（3）：149-154.