海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)技術(shù)研究

嚴(yán)永鋒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所， 西安 710068)

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展和世界軍事格局變化，尤其是近年來(lái)美軍亞太、印太軍事格式呈現(xiàn)的新局面，我國(guó)國(guó)家海洋安全面臨前所未有的挑戰(zhàn)，未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)中面臨著維護(hù)國(guó)家主權(quán)和領(lǐng)土領(lǐng)海完整、海洋權(quán)益與海洋資源爭(zhēng)端、保衛(wèi)海上貿(mào)易通道等復(fù)雜尖銳問題。作戰(zhàn)樣式必然是基于網(wǎng)絡(luò)信息體系的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)、全域作戰(zhàn)。海戰(zhàn)場(chǎng)是一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的重要組成部分，因此對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視情報(bào)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性提出了很高的要求。傳感器、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段的不斷發(fā)展，偵察手段多樣化、偵察圖像高清化，偵察情報(bào)呈現(xiàn)零散、多重、泛化等特點(diǎn)，需要有效從海量偵察情報(bào)中挖掘獲取有價(jià)值的情報(bào)信息，形成戰(zhàn)場(chǎng)高效“信息流”實(shí)現(xiàn)對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)感知，并以“信息流”控制“能量流”和“物質(zhì)流”，支持對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的精確打擊。因此構(gòu)建一個(gè)適應(yīng)海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)需求、科學(xué)高效的海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)情報(bào)處理系統(tǒng)，既是為我軍遂行重點(diǎn)地區(qū)戰(zhàn)略偵察、區(qū)域戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視、重點(diǎn)區(qū)域作戰(zhàn)行動(dòng)提供重要保障的基礎(chǔ)，也是奪取制空權(quán)、制海權(quán)的先決條件，更是決定未來(lái)海戰(zhàn)成敗的關(guān)鍵因素。

海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視是在海洋環(huán)境條件下作戰(zhàn)，為獲取作戰(zhàn)所需的敵方或有關(guān)戰(zhàn)區(qū)的情況，采取的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、監(jiān)視、跟蹤目標(biāo)并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的作戰(zhàn)活動(dòng)。其任務(wù)是獲取海戰(zhàn)場(chǎng)中目標(biāo)的情報(bào)，查明敵方企圖、行動(dòng)方向、戰(zhàn)斗編成、兵力部署、主要裝備等情況[1-2]。其作用是在平時(shí)用于積累、掌握敵方的基本情況，制定戰(zhàn)略決策；戰(zhàn)時(shí)用于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和確認(rèn)目標(biāo)，為我軍海上軍事行動(dòng)和作戰(zhàn)指揮提供更加科學(xué)、精確、及時(shí)、到位的決策依據(jù)。

1 特點(diǎn)分析

1.1 任務(wù)特點(diǎn)

海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視作戰(zhàn)任務(wù)所呈現(xiàn)的特點(diǎn)主要包括以下4個(gè)方面：

1) 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜。海上作戰(zhàn)空間覆蓋太空、?？铡⒑Ｃ?、海底、島礁及大陸架等立體空間，海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視包括陸海空天潛網(wǎng)電等全維空間，海洋及氣象環(huán)境復(fù)雜，海洋環(huán)境受臺(tái)風(fēng)等因素影響，海況復(fù)雜，氣象多變，對(duì)電磁波、水聲波具有不確定傳播和衰減作用[3]。

2) 偵察目標(biāo)多樣?？梢詺w納為四大種類：第1類是航母、驅(qū)逐艦等水面目標(biāo)；第2類是潛艇、無(wú)人潛航器等水下目標(biāo)；第3類是艦載、機(jī)載、岸基、潛射等飛機(jī)、導(dǎo)彈；第四類是是瀕海攻擊目標(biāo)，包括近海攻擊快艇、魚雷、水雷、近岸炮等。

3) 感知情報(bào)多源。海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視手段綜合運(yùn)用天基、空基、海基、及陸基的各種偵察平臺(tái)和各種光、電、聲、熱等偵察手段，對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)內(nèi)各類目標(biāo)和信號(hào)進(jìn)行偵察，獲取運(yùn)動(dòng)軌跡、收集和查證信號(hào)，獲取的情報(bào)信源多、分布廣、種類雜、容量大，情報(bào)形式復(fù)雜多樣。

4) 保障任務(wù)全程。以信息為主導(dǎo)的一體化聯(lián)合海戰(zhàn)中，情報(bào)保障貫穿于發(fā)現(xiàn)、定位、跟蹤、瞄準(zhǔn)、攻擊、評(píng)估等作戰(zhàn)全過程，存在于情報(bào)偵察、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、精確打擊、協(xié)同防空、聯(lián)合反潛等各種作戰(zhàn)行動(dòng)中，情報(bào)信息準(zhǔn)確獲取和實(shí)時(shí)傳輸成為取勝的關(guān)鍵因素之一。

1.2 情報(bào)特點(diǎn)

按照情報(bào)目的和服務(wù)對(duì)象分類，可分為戰(zhàn)略情報(bào)、戰(zhàn)役情報(bào)和戰(zhàn)術(shù)情報(bào)。按照情報(bào)內(nèi)涵和作用分類，將綜合情報(bào)劃分為敵情動(dòng)向、作戰(zhàn)目標(biāo)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和專題情報(bào)。按照情報(bào)來(lái)源分類，主要包括圖像情報(bào)(IMINT)、信號(hào)情報(bào)(SIGINT)、測(cè)量與特征情報(bào)(MASINT)、人工情報(bào)(HUMINT)、公開來(lái)源情報(bào)(OSINT)、技術(shù)情報(bào)(TECHINT)。其中，圖像情報(bào)包括關(guān)注目標(biāo)可見光圖像、紅外圖像、光譜圖像、雷達(dá)圖像；信號(hào)情報(bào)包括感興趣目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)特征、導(dǎo)航信號(hào)特征及除通信信號(hào)之外目標(biāo)自身輻射源信息；測(cè)量與特征情報(bào)包括感興趣目標(biāo)的紅外輻射特征、光譜輻射特征、雷達(dá)散射特征[4]。

1.3 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

“大數(shù)據(jù)”是通過對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得有巨大價(jià)值的產(chǎn)品和服務(wù)，或深刻的洞見。這種巨大價(jià)值和深刻洞見是不同領(lǐng)域數(shù)據(jù)集之間數(shù)據(jù)的深度交叉關(guān)聯(lián)，跨域關(guān)聯(lián)是數(shù)據(jù)量的增加從量變到質(zhì)變的飛躍，是發(fā)揮大數(shù)據(jù)價(jià)值的基礎(chǔ)。“大數(shù)據(jù)”從字面說(shuō)是數(shù)據(jù)量大。但是數(shù)量上的龐大無(wú)法看出“大數(shù)據(jù)”與以往“海量數(shù)據(jù)”、“超大規(guī)模數(shù)據(jù)”之間的區(qū)別。對(duì)于如何對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的定義，目前還沒有定論，但對(duì)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)，即“4V”特點(diǎn)：數(shù)據(jù)容量大(Volume)、數(shù)據(jù)類型多(Variety)、價(jià)值密度低(Value)、處理速度快(Velocity)[5]。

針對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視情報(bào)產(chǎn)品的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)針對(duì)如何利用大數(shù)據(jù)技術(shù)從海量偵察情報(bào)中進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、匹配關(guān)聯(lián)、信息重構(gòu)，獲取目標(biāo)的全方位情報(bào)信息進(jìn)行闡述。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能定位、體系結(jié)構(gòu)和處理流程

海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視情報(bào)處理是利用目標(biāo)的聲、光、電、磁、熱、化、力學(xué)等特征，通過各種有線、無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將天基、空基、海基及陸基等探測(cè)資源進(jìn)行縱向組網(wǎng)，橫向圍繞情報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、融合處理，對(duì)各類探測(cè)資源進(jìn)行協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置信息互相參照，識(shí)別信息互相補(bǔ)充，最終生成有價(jià)值的情報(bào)產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)具體信息、監(jiān)視目標(biāo)動(dòng)向、跟蹤目標(biāo)軌跡、探測(cè)目標(biāo)位置，并及時(shí)、準(zhǔn)確的分發(fā)給所需要的作戰(zhàn)單元，將獲取的偵察情報(bào)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，確保滿足作戰(zhàn)籌劃、指揮決策、武器控制和打擊效果評(píng)估活動(dòng)的需要。

系統(tǒng)采用分布式開放式體系結(jié)構(gòu)，分布式是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共享各成員偵察探測(cè)產(chǎn)品/信息，具有分布數(shù)據(jù)處理能力；開放式是著眼于系統(tǒng)的長(zhǎng)期適應(yīng)性，單個(gè)設(shè)備的更新或系統(tǒng)中某個(gè)模塊的更新不會(huì)影響系統(tǒng)的的整體運(yùn)行，具有較強(qiáng)的生存能力(圖1)。

通過規(guī)范化消息通信機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)化的語(yǔ)義描述、海量信息存儲(chǔ)管理及高效的物理層信息過濾與檢索機(jī)制，獲取傳感器的偵察數(shù)據(jù)后，根據(jù)傳感器類型和工作模式選擇合適的采集幀率和壓縮碼率，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間共享，當(dāng)指揮節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，選擇合適的特征提取算法對(duì)偵察情報(bào)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，形成戰(zhàn)術(shù)情報(bào)信息，支撐直接戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)(圖2)。

2.2 主要功能

1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理。將戰(zhàn)場(chǎng)各類傳感器、人工偵察和公開來(lái)源的情報(bào)信息進(jìn)行匯集，并對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、時(shí)空配準(zhǔn)，為海量信息的特征提取與數(shù)據(jù)融合提供前提。

2) 數(shù)據(jù)壓縮。根據(jù)任務(wù)和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，在信息損失最小情況下自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)有效信息的提取，實(shí)現(xiàn)有限帶寬資源保證有價(jià)值情報(bào)產(chǎn)品傳輸處理，主要解決傳輸過程海量信息造成信道擁塞的問題。

3) 特征提取。對(duì)不同情報(bào)源采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，將目標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理與歸一化、檢測(cè)與分離、凝聚與提取、目標(biāo)位置輸出等，提取出目標(biāo)圖像的特征凝聚質(zhì)心，轉(zhuǎn)換成戰(zhàn)術(shù)信息。

4) 數(shù)據(jù)挖掘。通過并行數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)各類傳感器的探測(cè)結(jié)果，經(jīng)過清理、轉(zhuǎn)換和抽取等預(yù)處理，送給決策級(jí)融合，最后將該融合結(jié)果作為分布式協(xié)同決策。

5) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。對(duì)多源異構(gòu)的海量偵察數(shù)據(jù)提供高容錯(cuò)、可擴(kuò)展、主動(dòng)交互的存儲(chǔ)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)偵察情報(bào)信息的快速分類處理、可靠性評(píng)估、組合與遷移、數(shù)據(jù)備份、容災(zāi)與安全等。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1) 準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)感知。利用各類偵察手段獲取的龐大真實(shí)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘模式，較為準(zhǔn)確地把握敵方指揮員的思維規(guī)律，預(yù)測(cè)對(duì)手的作戰(zhàn)行動(dòng)，掌控戰(zhàn)局發(fā)展變化等。

2) 迅速的指揮決策。利用大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)所提供的高速計(jì)算能力，提取出有價(jià)值的情報(bào)形成完整、準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，有助于指揮員更加迅速地作出最優(yōu)決策、設(shè)計(jì)行動(dòng)方案。

3) 高效的資源調(diào)度。在多維戰(zhàn)場(chǎng)空間的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)環(huán)境中，自動(dòng)對(duì)己方各類功能互補(bǔ)的傳感器作戰(zhàn)要素或平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同管控，從而實(shí)現(xiàn)整體作戰(zhàn)能力的最優(yōu)化。

3 關(guān)鍵技術(shù)

1) 多傳感器協(xié)同控制技術(shù)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境日益復(fù)雜，傳感器探測(cè)平臺(tái)越來(lái)越多，傳感器種類越來(lái)越多，目標(biāo)越來(lái)越密集，目標(biāo)機(jī)動(dòng)隱蔽特性不斷增強(qiáng)，傳感器使用要求高，這些都增加了傳感器任務(wù)規(guī)劃的難度。因此，需要根據(jù)不同作戰(zhàn)階段探測(cè)任務(wù)要求對(duì)傳感器資源進(jìn)行協(xié)同控制，如偵察階段要求盡可能遠(yuǎn)的距離發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；跟蹤階段要求連續(xù)、穩(wěn)定掌握目標(biāo)；打擊階段要求精確定位跟蹤目標(biāo)；評(píng)估階段要求及時(shí)掌握毀傷效果目標(biāo)圖像。傳感器協(xié)同控制是按照作戰(zhàn)規(guī)劃和準(zhǔn)則，借鑒云技術(shù)理念，通過傳感器資源的分布式感知、按需整合和智能化管控，綜合和優(yōu)化利用平臺(tái)的資源，將廣域空間分布的傳感器資源從時(shí)間、頻率、計(jì)算、信息資源進(jìn)行虛擬化管理，形成虛擬化資源池，并以服務(wù)的形式發(fā)布，提供給作戰(zhàn)用戶。

2) 多源異構(gòu)情報(bào)產(chǎn)品特征級(jí)一致化表示技術(shù)

海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視情報(bào)產(chǎn)品具有強(qiáng)異構(gòu)數(shù)據(jù)特性，如何對(duì)多源異構(gòu)情報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征級(jí)一致化表示，是對(duì)其有效處理的一個(gè)關(guān)鍵問題。采用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征表示方法，結(jié)合不同情報(bào)產(chǎn)品的具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層、卷積層、子采樣層、全連接層的大小與層數(shù)，生成基于典型關(guān)聯(lián)分析的共享特征信息，獲取異構(gòu)情報(bào)產(chǎn)品在特征域的一致性表示(圖3)。

3) 基于特征表示的情報(bào)數(shù)據(jù)挖掘與重構(gòu)技術(shù)

隨著新的圖像偵察手段的應(yīng)用，前端傳感器分辨率和收容范圍也在不斷增加，形成很多數(shù)T量級(jí)的情報(bào)產(chǎn)品，如何準(zhǔn)確、快速地從偵察圖像中提取出目標(biāo)特征，為作戰(zhàn)指揮人員進(jìn)行決策部署提供依據(jù)，成為制約戰(zhàn)斗力生成的關(guān)鍵。從原始圖像中提取具有較強(qiáng)表示能力特征的過程稱為圖像特征提取，基于形狀特征的特征提取方法，即通過變換的方法用低維空間表示高維的圖像樣本空間，圖像被描述為形狀、頗色、紋理等底層特征形式，通過特征匹配和碎片化情報(bào)進(jìn)行挖掘與重構(gòu)，生成可直接應(yīng)用的戰(zhàn)術(shù)情報(bào)，支持對(duì)敏感目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)(圖4)。

4) 基于稀疏表征的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

基于稀疏表征的數(shù)據(jù)壓縮核心是在數(shù)據(jù)采樣的過程中同時(shí)完成數(shù)據(jù)壓縮，利用特定矩陣把一個(gè)稀疏或可壓縮的信號(hào)投影到低維空間進(jìn)行壓縮，重建時(shí)利用原信號(hào)的稀疏性先驗(yàn)條件，通過基于線性或非線性的重建模型算法重建原信號(hào)。稀疏表征是依據(jù)觀測(cè)矩陣得到的壓縮測(cè)量信息，在特定特征域上借助稀疏字典對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏性壓縮表示，可解決通信帶寬受限條件下分布式信號(hào)協(xié)同的高效傳輸問題(圖5)。

4 結(jié)論

海戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視情報(bào)處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是提取出有價(jià)值的情報(bào)，結(jié)合敵我識(shí)別數(shù)據(jù)，形成大范圍空、海敵方重點(diǎn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征，支持“即時(shí)發(fā)現(xiàn)，即時(shí)摧毀”；二是進(jìn)行實(shí)時(shí)、自主的關(guān)聯(lián)以及整合、認(rèn)知，挖掘出有關(guān)目標(biāo)威脅情報(bào)信息，為指揮員提供面向任務(wù)可理解的最優(yōu)輔助決策；三是將海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中片面的、離散的、被動(dòng)的感知與理解，提高到全局的、關(guān)聯(lián)的、主動(dòng)的認(rèn)知層次，提升作戰(zhàn)平臺(tái)的自主性、能動(dòng)性和智能化水平。相關(guān)技術(shù)可應(yīng)用于重點(diǎn)熱點(diǎn)區(qū)域偵察監(jiān)視、常態(tài)化海域巡邏、重點(diǎn)區(qū)域作戰(zhàn)行動(dòng)，以及航母編隊(duì)對(duì)海、對(duì)陸、對(duì)潛作戰(zhàn)。

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