艦船航行環(huán)境動態(tài)要素信息建模方法綜述*

譚 笑 王 勇 尹東亮

（海軍工程大學作戰(zhàn)運籌與規(guī)劃系 武漢 430033）

1 引言

隨著世界經濟全球化的發(fā)展，我國的海運事業(yè)也開始迅速發(fā)展，因而對海上航行的安全、經濟要求日益提高；在海上軍事行動時很容易受到復雜海面環(huán)境因素影響，這種情況下怎樣確保艦船安全抵達預定海域，執(zhí)行作戰(zhàn)任務，是取得海上戰(zhàn)爭勝利的前提條件。

航海學是研究選擇一條理想的航線，并引導艦船安全而又經濟地從出發(fā)點到目的地的理論和方法。軍事航海學是把航海技術應用于海上軍事活動的一門學科。艦船航行環(huán)境是指沿岸、狹水道、島礁區(qū)、能見度不良、冰區(qū)和極區(qū)等復雜地理及復雜水文氣象條件下的艦船航行環(huán)境。地理信息科學技術被應用到海洋領域，與海洋的特性相適應而發(fā)展起來的相關理論與技術，被稱為海洋地理信息系統(tǒng)，對應于海洋領域的數(shù)據(jù)管理、現(xiàn)實模擬、綜合分析和開發(fā)管理等。大數(shù)據(jù)時代的地理空間信息學為海上軍事活動，尤其是復雜條件下艦船導航和航線規(guī)劃提供了新的理論和方法支撐。

船舶導航系統(tǒng)有很多種，目前應用比例較高的包括全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)、羅蘭C無線電導航系統(tǒng)、數(shù)字導航雷達（ARPA）、電子海圖顯示信息系統(tǒng)（ECDIS）以及綜合導航系統(tǒng)等，其中ECDIS具有紙質海圖無法比擬的優(yōu)越性能，如可將羅經、AIS、GNSS、計程儀等導航設備的信息集成顯示，實現(xiàn)綜合導航，同時可以記錄航行數(shù)據(jù)、進行航路監(jiān)控等，如圖1所示。

圖1 電子海圖顯示信息系統(tǒng)

2 海洋動態(tài)環(huán)境信息建模

影響艦船航行安全的動態(tài)海洋環(huán)境研究主要集中在水深和臺風信息建模和分析方面。海水深度對船舶安全航行會產生顯著影響，傳統(tǒng)方法確定航水深時，主要是結合海圖水深和潮汐表查詢方法而實現(xiàn)［1］。潮汐模型可依據(jù)其特征而分為經驗模型、純動力學模型和同化模型等類型，其中第一種單純基于觀測數(shù)據(jù)建立。經驗模型的特征表現(xiàn)為在觀測點上的精度較高，不過容易受到驗潮站布置因素的影響。純動力學模型的網(wǎng)格密度不會受到明顯的限制，因而對研究波長較小區(qū)域相關潮汐分布的適應性強。不過在實際應用中，受到淺水區(qū)域摩擦系數(shù)、粘性系數(shù)等復雜多變因素的影響，其精度并不高。同化法在處理過程中有效地融合了理論模型和測量值，使得模型的質量顯著的提高，同時還結合了經驗法的真實性，因而在研究淺水區(qū)域潮汐規(guī)律方面有很高的適應性。張立華提出了瞬時水深模型的概念［2］，并采用基于POM模式和“Blending”同化法進行模擬分析，且在適當簡化處理后建立了中國近海潮汐模型，提出了一種高精度瞬時水深模型的構建方法。王代鋒建立常規(guī)和基于潮汐表數(shù)據(jù)同化的天文潮數(shù)值預報模型［3］，并分別采用這兩種模型預報福建沿岸海域的天文潮，但沒有考慮受氣象因素影響的余水位改正。張安民［4］在進行e-航海動態(tài)信息服務研究過程中，綜合了POM模式和同化法，且在一定簡化假設基礎上給出了區(qū)域潮汐模型，然后進行改進而提出動態(tài)水深模型。

目前，臺風風場模型研究領域，主要側重于模擬分析和結果精度方面。近年來相關臺風災害風險區(qū)劃的研究開始受到關注。一些學者分析了災害風險的嚴重性以及其可能導致的損失，然后對風險災害進行分級，確定出各等級風險范圍，為風險應對處理提供支持。江應境等［5］在研究過程中建立了動態(tài)權重的臺風路徑預報模型，且對其性能進行實證分析。高珊等［6］則應用地理信息系統(tǒng)進行臺風災害分析，基于所得結果建立相應模型。馬娟娟等［7］在數(shù)據(jù)統(tǒng)計基礎上，分析了臺風特點和引發(fā)的影響情況，聯(lián)合Flex技術開發(fā)出一套臺風預警系統(tǒng)。王中山［8］在研究過程中建立了一個Shapiro臺風風場模型，聯(lián)合地理信息系統(tǒng)進行臺風災害的模擬分析，且確定出其影響區(qū)域情況，然后根據(jù)影響嚴重性進行等級劃分。張進峰［9］則研究了大風浪情況下船舶的操縱特征，進行一定模擬分析而提出了近海船舶避臺航線優(yōu)化算法。

可以看出，當前對潮汐和臺風等海洋動態(tài)環(huán)境研究在海洋學和氣象學領域以物理建模和數(shù)值仿真為主；潮汐研究主要是結合數(shù)值預報和海圖數(shù)據(jù)著重提高預報精度；航運領域重點考慮船舶在大風浪中的耐波性和操縱因素來研究避臺航線優(yōu)化模型。面向復雜條件下艦船航行安全的環(huán)境建模，當前重視專業(yè)數(shù)值預報研究，但是對海洋動態(tài)環(huán)境信息模型表達的精準性以及數(shù)據(jù)、模型接入應用的實時性，需要進一步提高，迫切需要研究從多源、異構的水文氣象預測、預報數(shù)據(jù)到可實時接入的信息模型的構建問題，為切實打通當前艦船航行環(huán)境保障數(shù)據(jù)、資料從接收到協(xié)同、高效運用的“最后一公里”探索新的理論和方法。

3 海洋GIS時空數(shù)據(jù)模型

20世紀90年代初，LANGRAN G進行總結而提出時空立方體、快照序列、時空復合等幾種典型的時空數(shù)據(jù)模型，這也為其后地理信息系統(tǒng)領域，時空數(shù)據(jù)模型的研究和應用打下良好的基礎。為更好地滿足應用要求，一些學者擴展了基本時空數(shù)據(jù)模型，對應的擴展模式包括綜合集成法、變換表達法、變換語義法等。在不斷改進和擴展基礎上，出現(xiàn)多種與快照狀態(tài)、地理對象、事件和過程相關的時空數(shù)據(jù)模型。朱慶［10］將時空變化作為一種新的地理信息對象，系統(tǒng)研究面向時空變化的GIS數(shù)據(jù)模型，顯式刻畫時空變化機制，深入分析時空變化的參與對象、驅動力與呈現(xiàn)模式，對時空變化進行高層次抽象，建立特征、過程和事件三域語義關聯(lián)的GIS時空數(shù)據(jù)模型，設計變化語義感知的時空索引方法。根據(jù)此方面的資料分析可知，面向時空變化的這種模型在飛行終端區(qū)復雜環(huán)境建模、視頻GIS建模、火災疏散路徑優(yōu)化和室內復雜環(huán)境導航等方面得到發(fā)展和實例化驗證。

海洋GIS時空數(shù)據(jù)模型是由GIS時空數(shù)據(jù)模型進行改進而形成的，在其后研究中一些學者提出針對海洋環(huán)境進行高效描述的海洋時空數(shù)據(jù)組織模型，這種模型也成為海洋GIS研究的基礎。近年來，該方面研究向著海洋空間上的多維和時間上的動態(tài)這兩個方面發(fā)展，同時關注海洋時空數(shù)據(jù)的尺度特征，且基于各領域的應用要求，而建立了針對性高效的時空數(shù)據(jù)模型。根據(jù)海洋GIS所要表達的環(huán)境要素的特點，這些模型可以概括為動態(tài)對象模型、場模型、以過程為核心的時空模型三類。

第一類，動態(tài)對象模型。馮文娟等［11］以面向對象的方式，且具體分析特征數(shù)據(jù)的形狀而對這種模型進行劃分，分為點、線、面、體特征對象模型等，同時在其中引入時間參數(shù)而對變化過程進行描述。Jin等在研究時引入了關系型數(shù)據(jù)而建立了一種統(tǒng)一時空數(shù)據(jù)模型，具體論述了這種模型的特征和數(shù)據(jù)結構相關情況。Dawn等則深入總結了海洋數(shù)據(jù)來源、特征情況，然后建立了一個ArcMDM海洋數(shù)據(jù)模型，此模型的特征表現(xiàn)為其中引入了GIS表達地理對象的思想，對海洋要素進行劃分后，引入時間參數(shù)到海洋要素屬性域中，實現(xiàn)了海洋時空數(shù)據(jù)的查詢、可視化、處理及分析。Yuan等則基于Clif?ford代數(shù)理論進行研究，并根據(jù)問題處理要求，而建立了一個時空統(tǒng)一表達的結構模型，同時對其數(shù)據(jù)組織與存儲結構進行設計，而實現(xiàn)各要素一體化表達的目的，在最短路徑優(yōu)化中，應用了這種代數(shù)模型，取得良好的效果。

第二類，動態(tài)場模型。鄔倫等考慮不同專業(yè)領域的時空動態(tài)過程模擬的需求，提出一套以柵格數(shù)據(jù)文件為基礎，同時綜合應用關聯(lián)表、點數(shù)據(jù)文件等，而提出一種動態(tài)數(shù)據(jù)建模方法，設計了一種能嵌入在GIS系統(tǒng)的空間動態(tài)模型語言。仉天宇在研究時對海洋GIS的要求和規(guī)范進行總結，據(jù)此建立了一個針對性強的海洋場模型，該模型在應用過程中引入了應多級格網(wǎng)數(shù)據(jù)，可以從宏觀角度對海洋現(xiàn)象的大尺度變化情況進行觀察分析。季民［12］建立了一種基于格網(wǎng)的時序快照修正模型與海洋GIS框架，接著在一定案例分析基礎上證明了該框架模型的性能和適用性。Cova等則建立了一個模型來關聯(lián)起地理空間對象和場，在實際應用過程中可以通過其映射處理連續(xù)場中的空間位置到離散目標，可以據(jù)此提供點、線、多邊形相關的數(shù)據(jù)模型而滿足用戶不同條件下的應用要求。Kjenstad則結合場和對象而建立了一種表示模型，可通過其對連續(xù)和離散的地理實體進行描述。

第三類，以過程為核心的時空數(shù)據(jù)模型。以過程為核心，嘗試在時空語義和表達框架體系中納入地理實體變化機制，把事件序列、區(qū)域動態(tài)現(xiàn)象、地理時空單位、過程序列、時間序列、過程對象-實體演變序列等作為載體建模、表達和存儲，從而高效的表達地理對象的動態(tài)變化。劉文亮等［13］則建立了一種基于過程的海洋時空數(shù)據(jù)模型，且詳細統(tǒng)計分析了相應海洋數(shù)據(jù)來源、處理情況，同時依據(jù)特征數(shù)據(jù)的形狀進行劃分，而將此類數(shù)據(jù)模型劃分為點、線、面、體特征對象模型，從而對地理實體的變化過程進行精確的描述，可以利用此模型來對海洋現(xiàn)象全面充分的研究。薛存金［14］在研究設計對上述模型進行改進，而建立了基于過程的海洋時空過程數(shù)據(jù)模型，該模型在處理中泛化了海洋過程，且對海洋過程進行適當?shù)某橄筇幚恚橄鬄檫^程狀態(tài)、過程序列、過程階段對象等。然后對模型的邏輯結構、時空操作等相關情況進行具體分析，接著依據(jù)原模型而對海洋鋒、渦漩相關的過程進行模擬，為此類問題的處理提供支持。Karssen在對現(xiàn)實世界的現(xiàn)象演變過程進行研究時，引入一種基于場的時空演化模型，且對此模型相關的軟件框架進行描述，據(jù)此來對觀測值和模型結果進行同化處理。龔健雅等［15］在進行相關研究時，在同一個時空數(shù)據(jù)模型中，集成了地理對象、事件、事件類型、狀態(tài)各方面要素，且進行適當?shù)恼隙胄聦崟rGIS。接著以四種動態(tài)地理對象相關時空數(shù)據(jù)的接入、存儲等為例做了實證分析，據(jù)此而驗證了所得模型的應用價值。

通過以上分析，可以看諸多學者針對不同的應用領域對時空數(shù)據(jù)模型作了大量富有成效的研究，海洋時空數(shù)據(jù)模型研究主要集中在針對漁業(yè)應用、海洋大氣現(xiàn)象等時空過程的抽象和模擬，缺乏專門針對艦船航行安全的動態(tài)環(huán)境要素時空數(shù)據(jù)模型。動態(tài)航行環(huán)境數(shù)據(jù)的實時接入是為了感知可能發(fā)生的環(huán)境變化及其對艦船安全航行所構成的威脅態(tài)勢，這種威脅態(tài)勢是對航行環(huán)境動態(tài)要素語義的抽象，也是航行中對艦船航行安全的聚焦，這種實時變化的航行安全態(tài)勢需要動態(tài)環(huán)境要素數(shù)據(jù)中全息抽象、精準建模、自適應表達。因此，需要在航行環(huán)境動態(tài)要素數(shù)據(jù)的基礎上構建航行環(huán)境威脅態(tài)勢信息模型。

4 結語

綜上所述，隨著航海導航技術的不斷發(fā)展，各類航海保障設備日益增強、航海保障數(shù)據(jù)不斷豐富，極大地保證了艦船航行安全。但是，在動態(tài)變化的復雜條件下航行時，航海人員對航行環(huán)境和安全態(tài)勢的感知仍然依賴于導航信息在ECDIS上的疊加顯示、查閱航海圖書資料和預報圖表以及傳統(tǒng)的航跡繪算和海圖作業(yè)，然后以人工決策的方式對航行環(huán)境變化進行分析。人工查閱或計算多種環(huán)境要素資料、數(shù)據(jù)的過程繁瑣，甚至可能因為航海人員缺乏經驗或疲勞、疏忽造成錯誤，使得航行環(huán)境威脅態(tài)勢信息的實時性、精準性和可視性不高。如果將艦船航行環(huán)境威脅態(tài)勢及其變化作為一種地理對象進行信息建模和顯式表達，有望突破傳統(tǒng)ECDIS隱式表達航行環(huán)境威脅態(tài)勢的局限，實現(xiàn)向直接表達動態(tài)航行環(huán)境為主并顯式描述威脅態(tài)勢變化機制的轉變。