海洋环境仿真系统的若干问题分析

92859部队 薄文波

海洋环境仿真在海洋仪器研制、海洋工程、海上作战、演习、训练，海洋工程评估等方面的作用越来越明显。本文基于海洋环境仿真特点，参考了美国仿真体系结构和标准，对海洋环境仿真的一些技术问题进行梳理分析。

引言：仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用物理效应设备为工具，借助系统对实际或设想的系统进行动态试验研究的一门综合技术。近年来，海洋环境仿真与建模技术、信息技术、计算机技术、网络技术、软地理信息技术、图形学、多媒体技术及仿真应用领域相关技术相互交叉、融合，其研究与应用受到广泛的重视。

自1995年以来，美国国防建模与仿真办公室（DMSO）提出的高层体系结构（High Level Architecture，HLA）得到了不断发展，并日趋成熟，已成为IEEE的正式标准，它为建模与仿真提供了一个通用的技术框架和开放的标准，更好地解决了不同类型仿真应用的互操作和可重用性问题，满足复杂大系统仿真的需要。仿真系统也已由过去的集中、封闭仿真发展到分布、开放和交互仿真，由均匀态背景条件下的简单功能仿真发展到复杂环境条件下多对象集成系统的分布仿真。

在海洋环境仿真方面，90年代中后期，随着HLA技术的成熟，DMSO资助开发的TAOS 系统，采用模块化的组件方法将大气海洋空间环境提供给其它应用节点。DEMO还资助MITRE等商业公司开发了基于HLA和SEDRIS技术的仿真系统，连续进行了海洋、大气和空间环境（OASE）仿真的三代开发，用于仿真动态地形、海洋、大气和太空，以演示和验证现有技术所具备的动态自然环境仿真能力和水平。在国内，海洋环境仿真起步较晚，与美国相比还有较大差距，特别是在分布、动态、可重用等方面还有很多不足。

本文在分析海洋环境仿真特点的基础上，对海洋环境仿真系统相关问题进行分析，从而为开发高效、实用的海洋环境仿真系统提供技术参考。

1.海洋环境仿真特点分析

海洋环境是自然界的真实环境，不受人为的控制。海洋环境是一种动态环境，相比静态环境存在如下特点：

（1）多维性特点

海洋占据了地球71%的面积，海洋环境涵盖从海底到大气层的大纵深空间。在空间尺度上，即存在小到水粒子、空气粒子的微观尺度变化，又存在大到几百公里甚至上千公里的环流系统的变化。时间尺度上，即存在着如大气、海洋要素的瞬变过程，还存在环流系统长时间周期的变化，而且各种尺度的系统时空上相互叠加、交织，多维性特点明显。

（2）强相关性特点

海洋环境异常复杂，描述大气、水体环境的要素繁多，而且各要素之间相互影响，具有较强的相关性。

（3）不确定性特点

由于大气、海洋的瞬变性，对海洋环境的探测、预报、检验与应用难度大，在应用上，表现了较强的不确定性。

（4）庞杂性

目前的海洋观测手段多种多样，有航天、空遥感，海面观测、水下观测设备，如海洋环境卫星遥感、海洋水色卫星遥感设备、海洋站、波浪浮标、Agro、XBT、CTD、水下滑翔机、潜标、UUV等。海洋观测手段的多样化造成了目前海洋数据存在海量、多源、多维、多时态、多尺度、异构等特点。

（5）多用途性

海洋环境是人类行为、工具使用的自然空间，人类行为、工具类别的多样性决定了海洋环境仿真的多用途性，需要对不同空间、时间尺度的海洋环境进行模拟和仿真。

2.海洋环境仿真体系结构

基于海洋环境仿真的特点，互操作和可重用性更是仿真系统需要解决的问题。仿真体系结构是建模与仿真的基础和核心，是整体上描述仿真系统各组成单元的结构，以及各单元之间的物理和逻辑关系，因此要开发面向复杂应用的海洋环境仿真系统，减少重用，提高互操作性，首先要确立体系结构。

当前，美国先后建立了SIMNET、DIS、ALSP、HLA等仿真体系结构，用于充实LVC（实兵仿真、虚拟仿真、构造仿真）仿真体系的集成和建设。美军在F12010工程中,发展了满足试验和训练领域的仿真体系结构TENA。TENA 从技术、运作、软件、应用与产品线体系结构等方面确立了逻辑靶场资源开发、集成与互操作的总体技术框架。TENA提供了逻辑靶场运作概念、建立与运行逻辑靶场应遵循的规则和标准、公共元模型、公共对象模型、公共基础设施、以及工具和实用程序。TENA是美军在多种体系结构的研究基础上提出一种满足试验和训练领域特殊需求的体系结构。它以高层体系结构HLA为基础,并进行了相应扩展,提供了试验和训练所需的更多特定能力,可以认为是HLA的超级。从目前公开发表的文献看，国内有关科研院校对BOM（基本对象模型）和TENA开展了初步研究已给予BOM、MDA等开发了某雷达对抗仿真系统、鱼雷武器系统作战效能仿真系统、并行仿真开发及运行支撑环境等项目。

海洋环境仿真是复杂仿真系统重要组成部分，由于其面向应用对象繁多，既可能涉及到多种尺度海洋模型的运行与管理问题，又存在着同一行业，不同分支结构的计算资源、存储环境、安全等级、交换格式、通讯协议、仿真模型多样性问题，在设计仿真系统过程需要对仿真系统进行层次分割，将资源、通信、管理、接口、应用总体考虑。具体到分层细节，复杂的海洋环境仿真系统可以设置资源层，通信层、管理层、中间层和应用层。资源层主要指分布在不同区域、不同硬件平台各种软硬件的总称，包括高性能计算机、各类存储设备、数值预报模式、仿真模型、数据库等；通信层是完成仿真交互、运行控制及安全管理的一层，包括：网络文件传输协议、网络资源调配、数据通讯调度、时间同步、通讯监控、声明管理等方面。管理层是体系最重要的一层，主要包括：仿真用户管理（涉及到用户注册、声明、权限、修改、删除等）、时间管理（涉及到时间管理策略、消息传递机制、信息推进等）、数据分发管理等。中间层是仿真数据交互的过渡层，实现仿真过程中发布、定购、更新、反射等与各仿真系统信息交互相关功能。各层通过制定统一标准规范来实现层间的访问、调用。在系统设计中，以标准来带动不同系统整合、信息交互和管理，涉及的标准如表1：

表1 数据标准主要建设内容

3.基于SEDRIS的海洋环境多态交换技术

海洋环境仿真数据具有多分辨率、多参数、海量等特点，是一种随时间动态变化的数据场，不同应用对象对于环境仿真需求各异。因此，建立海洋环境交换标准，实现环境描述的一致性、完整性和明确性对仿真应用至关重要，它是实现仿真互操作性和可重用性的基础。在这方面，1999年10月，SEDRIS联合国际标准化组织（ISO）和国际电子技术委员会（IEC）启动了建立国际标准的过程。目前，SEDRIS技术已经被美国国防部联合技术体系结构采用，而且被北约建模与仿真主计划具体引用。SEDRIS标准的目的是建立标准的交换界面，实现完整和清晰的数据表达、通用无损的数据交换、共用的访问接口、可重用的应用程序和工具软件。它的比较关键的内容是：环境数据的表现和环境数据集的交换。而海洋水体环境仿真数据类型是多样的、动态变化的，如何表现各类环境数据，并建立面向对象的数据交换标准格式就成为比较关键的问题。通过梳理发现，海洋环境数据大体分为以下几类：

（1）点数据

点数据通常包括在固定站位或移动观测点采集的一维数据。固定站位数据随时间存在连续变化，移动观测点数据随时间存在着位置和观测值变换。如：海洋站，漂流浮标等。

（2）线数据

线数据通常包括固定站位或移动观测点位采集的随高度或深度变化的数据组，如XBT、XCTD等。

（3）面数据

面数据通常包括二维平面内规则分布的格点数据和不规则分布的离散数据。如地波雷达测流数据，不规则分布自动气象站数据等。

（4）体数据

体数据通常包括三维立体空间内规则分布的格点数据和呈现三维结构的非规则分布的数据，如数值预报数据、区域组网的观测数据等。

海洋水体环境仿真系统可以依据SEDRIS标准，针对点、线、面、体数据建立对象模型，制定数据交换标准和表现标准。

4.海洋环境仿真数值模型问题

（1）多分辨率建模技术

在海洋环境建模技术方面，从国际发展现状看，海洋环境建模主要有3种方法：一是通过对海洋最基本特征理论分析和数学简化提出理论化模型；二是大量观测资料和观测事实进行分析和统计，建立统计特征模型；三是依据流体动力学和大气、水体运动规律建立并求解非线性方程组，并进行数值模拟，从中给出的海洋环境数值模型。近年来，随着数值模式技术的日益完善，出现了大量数值模式，如当前应用比较广泛的模拟大气方面的WRF、RAMS模式，模拟海洋的POM、HYCOM、FVCOM模式等，不同模式各有优缺点，适合模拟尺度、区域等各有侧重，因此为满足不同仿真应用层次对海洋环境模拟仿真的需要，利用多分辨率建模技术，建立不同精度和分辨率的环境数据模型，是满足不同仿真应有对象的必然趋势。

（2）仿真应用模型技术

海上各型装备的使用，声、光、电信号在海洋环境中的传输，都面临着海洋温度、盐度、深度、声、流等环境参数的影响。海洋水体环境对于设备、人类行为的影响有些并不直观，甚至是间接的，需要开发相关模型，成为联结环境与应用的重要链条。这种模型往往即与环境特性有关，又与应用对象联系密切，如海洋水体环境对声纳影响仿真，需要建立不同水体环境的声传播模型，声传播模型的好坏直接影响了仿真最终效果，因此开发不同适应不同应用对象的环境影响模型是非常必要的。

5.海洋环境可视化技术

海洋水体环境可视化主要包含两方面内容：一是环境要素可视化，二是环境效应可视化。环境要素可视化包括自然地理环境可视化、海洋物理环境可视化和大气海洋环境可视化。通过环境要素可视化既可以显示海洋环境的可视化要素，比如海洋区划、海底地形、海底底质、海冰、海浪等，还可以显示海洋环境的非可视要素，比如风力、风向、大气温度、目标噪声传播范围、声线传播路径等。环境效应可视化包括环境自效应可视化和环境他效应可视化。其中，环境自效应可视化指海洋环境各要素之间或内部作用与相互影响在时空上产生的动态变化，如风生浪。环境他效应指海洋环境的状况及变化对武器装备、作战平台和作战行动产生的影响，如海水对声纳声传播的作用。在海洋环境可视化方面需要考虑时空数据模型构建技术、三维地形构建技术、水文气象多维动态可视化技术等。

6.结语

基于海洋环境仿真特点，重点梳理、分析了海洋环境体系架构、基于SEDRIS的海洋环境多态交换技术、海洋环境仿真数值模型和可视化等技术。国内的海洋环境仿真系统建设应当学习美国的先进技术经验，通过继续研究学习HLA、TENA、SIMNET等先进的仿真体系和相关标准，统一协议、建立标准，联合海洋环境科研单位和与装备研制单位，建立面向应用的统一、完整的海洋环境仿真体系结构，解决海洋环境仿真的互操作、可重用性问题。