海洋环境数据管理与军事应用

文/瞿洋

党的十八大提出建设海洋强国国家战略，发出了“关心海洋、认识海洋、经略海洋，推动我国海洋强国建设不断取得新成就”的号召。壮大海洋经济、加强海洋资源环境保护、维护海洋权益事关国家安全和长远发展。我国拥有1.8万公里大陆海岸线、1.4万公里的岛岸线，海洋国土面积300万平方公里。300多万海洋国土，其中150多万海洋国土都与有关邻国存在着边界纠纷、岛屿归属、海域划界、资源争夺等主权和海洋权益问题。为维护国家主权、领土安全和海洋权益，需要进一步提升海上态势感知能力，海洋环境数据直接影响雷达、声呐等传感器的效能发挥，是情报保障指挥决策的重要依据。

1 海洋环境数据特点

海洋环境指地球上广大连续的海和洋的总水域，包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、海底沉积物和海洋生物。海洋环境数据主要包括海洋地貌数据、海洋水文数据和海洋气象数据，其中海洋水文主要有海浪、海洋潮汐、海流等，海洋气象有风、湿度、海雾、云等。军事目的是近代海洋学发展的重要动力因素之一。

随着观测技术的发展，各类海洋观测设备的应用，采集获取的海洋环境数据呈现海量性的特点。海洋数据基于来源分类，有台站观测数据、船舶观测数据、浮标/潜标观测数据、遥感监测数据以及水文气象预报、分析资料产品等；基于获取途径分类，有现场观测数据（台站、船舶、浮标/潜标）、航空遥感监测数据和分析数据（预报数据和分析产品）。一颗海洋观测卫星，其在七天内对海洋观测产生的数据总量，已经相当于过去几年传统方式对海洋观测产生的数据总量。海洋环境数据具有独特性，其主要特点有：

（1）实时性，海洋时刻都在变化，传感器指挥和效能评估等对海洋预报等数据的实时性要求高；

（2）规律性，在一定周期内，水文数据存在时间上的周期性和空间分布上的规律性；

（3）时空性，海洋发展变化在时空范围内发生，在全球不同区域变化不同，随时间而演变，且其变化在时间和空间尺度上是不均匀的；

（4）样性，海洋水文数据按来源分有观测数据、预报数据和统计数据，按要素分有温度、盐度、密度、深度等，按时间分有实时观测数据和年度、季度、月度等统计数据；

（5）敏感性，很多海洋数据事关我海洋开发和海洋安全，敏感性比较高，如海洋气象、水文、潮位以及海岛暗礁、海底地形等数据。

2 海洋环境数据需求分析

《美国海军信息优势路线图2013-2028》对信息优势的定义：海军信息优势定义为在21世纪复杂的海上环境中通过整合海军信息能力、系统和资源以优化决策和实现作战效果最大化而获得的作战优势。未来海上作战将需要通过获取信息优势来获得作战优势。海战场环境信息对装备性能发挥、目标数据获取以及作战样式选择等起到重要的保障作用。环境因素已成为发挥武器装备性能和提升指挥决策效能的关键,在军事上有着巨大需求。

海洋数据的背后蕴藏着巨大的价值，海洋水文气象环境对作战的影响非常大，基于海洋环境信息复杂多变等因素，海洋环境信息的获取须全面、长期、立体采集，正确分析其内在机理和规律，最终为军事行动所用。通过对声学遥感数据的分析，可以掌握海洋生物群落和其迁移的情况，为海洋生态保护计划的制定打下良好基础。通过对海洋地层数据的分析，可以有效对海洋地震进行预报和预警，为海洋的安全开发提供有效保障。海上态势感知基础是海上情况掌握，其主要来源于岸、海、空、天等平台搭载的雷达、声呐等传感器。受海洋环境影响，声信号在海洋通道传递有着强烈的畸变和涨落，海洋环境决定着声呐等水声探测设备的效能，其作用距离除了声呐设备本身性能外，还与具体的海洋环境、目标和接收深度等密切相关。另外，临近海面不同高度的风速、风向、气压、气温、相对湿度、海水表温和各种离子等气象元素，会对雷达远距探测等产生重大影响。

3 海洋环境大数据存储管理与分析应用

随着信息技术和监测设备的快速发展，卫星等大量传感器在海洋环境检测中发挥重要作用，海洋观测数据得以急剧增长。由于海洋环境数据实时性、规律性、时空性、多样性、敏感性等特征，数据格式呈现多源、异构等特点，对数据存储、数据处理、数据共享、数据安全等提出更高要求，传统的数据存储和分析技术已经不再适用。需要构建海洋大数据平台，实现海洋数据挖掘分析与增值利用，支撑海战场目标探测发现和情报指挥决策等应用。

典型海洋大数据平台逻辑架构如图1所示。图1中，资源层是融合计算设施、存储设施、网络设施、安全设施等各种物理资源的基础层；虚拟化层整合基础设施、信息资源，提供虚拟化能力，以降低硬件成本；管理层提供物理资源、虚拟资源管理以及资源负载均衡等能力；服务层提供数据访问、数据检索、数据分析等数据服务以及系统管理服务。基于海洋大数据平台，结合业务开发数据分析工具，开展基于大数据的知识挖掘，为相关军事应用提供数据服务和知识服务。平台提供主要应用服务能力有：

（1）数据接入与加工，主要包括实时数据与非实时数据接入、存储、转换和清洗；

（2）数据分析与挖掘，主要提供数据抽取、特征提取、统计分析、规则生成、规则建模以及结果评估等；

（3）资源调度与管理，主要包括计算资源调度、存储资源调度、分析任务构建和任务调度管理等；

（4）知识生成与服务，包括局部规则接入与规则归并，知识库生成和提供基于知识库的服务。

4 海洋大数据军事应用

海战场环境对武器装备实体、目标实体等信息交互有重要影响，如大气密度对飞机飞行、洋流速度对舰船航行有直接影响，因不同季节、海域海洋环境的差异，对雷达、声呐等传感器目标探测影响呈现季节性特点。海洋战场环境对现代化武器装备运用的影响至关重要，直接关系到能否使用、是否有效。因此，须借力大数据分析、计算、验证等方法，将相关海洋数据采集、态势感知、战场认知和指挥决策高效结合，揭示更多的环境影响内在关系，打造战场环境透明感知、洞察预测、智能决策。

雷达系统对目标探测是基于电磁波的应用实现。贴近海面的对流层是电磁波的重要传播媒介，主要云、雾、雨等天气现象都出现在对流层，是对人类生活和行动影响最大的层次。由于对流层拥复杂的电磁环境，研究人员发现大气并不是电磁波传播定律假设的均匀介质，大气层的水汽分布不均、大气中的折射使得电磁波发生波导传播现象。由于大气波导存在，雷达系统能够探测到视距以外的目标，但也会出现盲区。可利用雷达探测大量历史目标数据，结合海域气象观测数据，对雷达、目标、气象等数据之间的内在关系进行建模，分析雷达在不同气象条件下的实际探测距离、探测盲区等，真实掌握其探测性能。在任务执行期间，结合气象预报数据，为雷达目标发现、海上态势感知和情报保障指挥等提供数据支撑。

图1：典型大数据平台逻辑架构

声呐作用距离与海洋环境、目标声源和接收深度等密切相关，水文条件良好与恶劣条件下作用距离能相差若干倍。舰艇或飞机探潜时，要根据任务区域舰艇航行至探潜搜潜有利位置，规划飞机投放浮标/潜标区域/位置，利于发现潜艇目标；潜艇规避敌声呐发现时，要将自己处于声呐信号声影区中，减少被探测的可能。通过调查研究海区海洋环境，掌握海底声学特性、深海声道位置和海水温度垂直分布等基本情况，利用大数据分析，开展海洋环境预报和水声装备作用距离预报，评估任务海域不同声呐装备效能，对敌搜潜发现和我规避敌声呐发现非常重要。

5 结语

随着时代的发展，将日益成熟的大数据、人工智能等技术用于军事领域是大势所趋。装备和决策水平的提高必将影响甚至主导未来战场的作战方式和作战效能。我们应顶层谋划海洋环境、目标等数据的采集和存储，应用大数据技术深入分析挖掘形成模型和知识库，从而指导我们的决策。