蘇振東　楊瑞平　王飛躍

占據(jù)地球表面積約70%的海洋蘊藏著豐富的各類自然資源,如石油、天然氣、可再生能源和稀有金屬等,同時也為人類的生存發(fā)展提供了大量的海洋食用資源.尤其是在陸地資源走向枯竭和環(huán)境不斷惡化的今天,世界各國紛紛將目光轉向海洋.開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟成為沿海國家發(fā)展國民經(jīng)濟的重要舉措[1].

為了進一步認識海洋和開發(fā)海洋,各國科學家開發(fā)了各種海洋環(huán)境監(jiān)測設備,如測波儀、測溫儀、鹽度計、地貌儀和魚探儀等.利用上述設備、搭載平臺和網(wǎng)絡通信系統(tǒng),構建了具有不同功能的海洋監(jiān)測系統(tǒng),如20世紀80年代中期,聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學委員會、世界氣象組織、國際科學聯(lián)合會理事會和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署共同發(fā)起并組織實施的全球海洋觀測系統(tǒng)(GOOS)計劃.以及在GOOS計劃框架內(nèi),聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學委員會于1998年提出并開始實施的漂流浮標計劃 (ARGO)[2?4].

海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)按照空間位置分為岸基、?；涂栈?類.岸基海洋環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)由岸基水文氣象監(jiān)測點、海洋臺站、雷達站、海氣邊界層監(jiān)測站以及岸基移動設備等節(jié)點構成;?；Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由各類浮標和潛標、海上平臺觀測系統(tǒng)、海底觀測系統(tǒng)以及移動觀測裝備等節(jié)點構成;空基海洋環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)由各類航空遙感裝備節(jié)點構成.

兩個或兩個以上的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),以任務為牽引,以通信網(wǎng)絡為介質,有機組合成為海洋環(huán)境監(jiān)測體系.海洋環(huán)境監(jiān)測體系也被稱作海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡,是在保衛(wèi)國家海上安全、維護國家海洋權益、發(fā)展海洋經(jīng)濟、提高海洋防災減災能力對海洋環(huán)境信息的需求牽引下,由各種海洋環(huán)境監(jiān)測設備、平臺構成的傳感器網(wǎng)絡,利用現(xiàn)代通信技術,實現(xiàn)對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的不間斷、周期性采集,為形成多樣化的海洋環(huán)境信息服務產(chǎn)品提供基礎數(shù)據(jù)支撐.海洋環(huán)境監(jiān)測體系中可以包含岸基、海基和空基海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).典型的海洋環(huán)境監(jiān)測體系設備節(jié)點構成如圖1所示.

1　海洋環(huán)境監(jiān)測體系優(yōu)化需求

圖1　海洋環(huán)境監(jiān)測體系設備節(jié)點構成示意圖

海洋環(huán)境信息數(shù)量和質量直接影響人類對海洋環(huán)境的了解和掌握程度,是人類開發(fā)海洋資源、保護海洋環(huán)境、組織海上軍事行動和制定海洋政策的主要決策依據(jù).隨著海洋科學技術的迅速發(fā)展和海洋應用需求的急劇膨脹,海洋環(huán)境信息的重要性愈加突出.海洋環(huán)境監(jiān)測體系作為海洋環(huán)境信息獲取手段,各國政府和軍隊投入巨量經(jīng)費建立了形式多樣的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),以保證對海洋環(huán)境的有效監(jiān)測和對海上軍事經(jīng)濟活動的高效保障.

建設海洋強國,有效開發(fā)、利用和保護海洋,必須首先認識并掌握海洋自身所具有的環(huán)境特點和變化規(guī)律.這就要求我們建立高效的海洋環(huán)境監(jiān)測體系,準確、可靠、及時地獲取海洋環(huán)境信息,為保衛(wèi)國家海上安全、維護國家海洋權益、發(fā)展海洋經(jīng)濟、提高海洋防災減災能力打下堅實基礎.

大規(guī)模海洋環(huán)境監(jiān)測體系建設和日趨頻繁的海洋活動對海洋環(huán)境監(jiān)測的高度依賴,亟需解決以下3個方面的海洋環(huán)境監(jiān)測體系優(yōu)化問題.

1.1　監(jiān)測體系規(guī)劃

各種海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建成并投入使用,這些系統(tǒng)各自獨立運行沒有互聯(lián)互通，由此形成了一個又一個的“煙囪”.一方面,造成了資源的極大浪費;另一方面,對海洋自然環(huán)境帶來了嚴重破壞.解決該問題的根本出路是:在國家層面,以及在各海洋環(huán)境監(jiān)測重點區(qū)域,開展海洋環(huán)境監(jiān)測體系頂層規(guī)劃,統(tǒng)籌海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建設,實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的資源共享和信息共享,形成無縫連接的海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡體系.

對于多個海洋環(huán)境監(jiān)測體系建設方案來說,需要采用科學方法和工具,以及盡可能低的時間和經(jīng)濟成本,研究分析最合適的建設方案,或對不同方案進行優(yōu)化組合,既滿足各方面各層次的需要,也能盡可能減少重復建設和資源浪費.

1.2　監(jiān)測任務應對

針對特定任務對海洋環(huán)境信息的需求,如果已有海洋環(huán)境監(jiān)測體系無法提供合適的海洋環(huán)境信息.這就需要對已有海洋環(huán)境監(jiān)測體系進行優(yōu)化完善.但是,如何完善該體系？在現(xiàn)有體系中加入什么類型、什么功能的海洋環(huán)境監(jiān)測設備就能滿足需求？該監(jiān)測設備部署在現(xiàn)有體系的什么位置最合適？這就要求我們采用科學手段對已有海洋環(huán)境監(jiān)測體系進行優(yōu)化分析和驗證,并付諸實施,以滿足任務需要.

1.3　突發(fā)故障解決

海洋環(huán)境監(jiān)測體系突發(fā)故障表現(xiàn)為體系中監(jiān)測設備故障或系統(tǒng)故障.這種情況下,需要采用科學手段,盡可能快地找出最小成本情況下、可行的最佳解決方案,并將方案作為解決海洋環(huán)境監(jiān)測體系突發(fā)故障的實施依據(jù).

2　體系優(yōu)化概念和主要方法

海洋環(huán)境監(jiān)測體系優(yōu)化,也可稱之為海洋環(huán)境監(jiān)測裝備體系優(yōu)化.海洋環(huán)境監(jiān)測裝備體系優(yōu)化屬于裝備體系優(yōu)化范疇.裝備體系優(yōu)化是充分發(fā)揮裝備體系效能、提高裝備體系業(yè)務能力的重要途徑.

2.1　體系優(yōu)化概念

文獻[5]認為,裝備體系優(yōu)化的核心思想是比較和選擇.將裝備體系優(yōu)化分為體系結構優(yōu)化和面向任務的優(yōu)化配置兩類.其中,體系結構優(yōu)化立足體系宏觀層面,針對體系組織結構,裝備優(yōu)化配置立足體系應用層面,針對具體任務.

文獻[6]認為,裝備體系優(yōu)化是尋求裝備體系在結構、比例、技術水平、數(shù)量、編配等方面達到整體最優(yōu)的過程.

文獻[7]指出,裝備體系優(yōu)化是一個復雜的多目標、多約束條件優(yōu)化問題,裝備體系優(yōu)化主要滿足4個方面的目標:一是體系能力結構優(yōu)化,用于滿足各種任務需求;二是體系組成結構優(yōu)化,提供滿足能力結構要求的合理裝備組成;三是體系規(guī)模結構優(yōu)化,在一定能力需求和經(jīng)費約束下,尋求體系中各類裝備的合理數(shù)量和最優(yōu)比例關系;四是體系質量結構優(yōu)化,給出合理的新老裝備數(shù)量搭配比例.

2.2　體系優(yōu)化方法

文獻[8]系統(tǒng)梳理了當前用于裝備體系優(yōu)化的7種方法,分別是:三層綜合優(yōu)化法、探索性方法、可執(zhí)行模型法、仿真優(yōu)化法、多層次多階段方法、多目標協(xié)同優(yōu)化方法和數(shù)學規(guī)劃法.比較了上述方法的適用范圍、選用模型的類型、模型關鍵要素及其優(yōu)點和不足等.

文獻[9]針對復雜體系的3個發(fā)展階段,提出了3類優(yōu)化問題,通過研究體系結構、體系能力和體系效能之間的內(nèi)在關系,給出了體系優(yōu)化的思路,建立了以體系效能為優(yōu)化目標的復雜體系優(yōu)化模型.

3　海洋環(huán)境監(jiān)測體系優(yōu)化方法

3.1　傳統(tǒng)體系優(yōu)化方法應用思路和特點

傳統(tǒng)體系優(yōu)化方法應用于海洋環(huán)境監(jiān)測體系優(yōu)化,可以采用建模仿真、運籌分析等方法共同完成.

對于由多個系統(tǒng)組成的海洋環(huán)境監(jiān)測體系建設方案論證之初,首先采用任務–系統(tǒng)–能力矩陣方法,根據(jù)任務、系統(tǒng)和能力之間的對應關系,選擇滿足任務要求的多個子系統(tǒng),這些子系統(tǒng)按照能力搭配進行組合,形成滿足復雜任務要求的多個監(jiān)測體系建設方案.然后采用多方案優(yōu)選方法,建立體系效能評估標準;運行仿真模型、解析模型或綜合評價模型,對各方案的效能、風險、費用等進行綜合評估,從而選擇出最優(yōu)的體系建設方案.

面向特定任務,對已有海洋環(huán)境監(jiān)測體系進行優(yōu)化以提升能力,可以采用仿真優(yōu)化方法.建立體系仿真模型,然后根據(jù)事先設計的試驗方案反復試驗,通過觀察體系輸出來獲得優(yōu)化的體系方案.還可以采用探索性分析方法,探索各種不同監(jiān)測體系結構參數(shù)組合變化對監(jiān)測結果的影響,使決策者對監(jiān)測體系結構變化的整體情況對完成使命任務的影響有較為全面的認識,從而提高決策的適應性和靈活性.

上述傳統(tǒng)的體系優(yōu)化方法需要建立體系網(wǎng)絡和節(jié)點設備模型,依據(jù)模型運行結果進行分析.對于海洋環(huán)境監(jiān)測體系這類復雜大系統(tǒng)來說,如果采用傳統(tǒng)的體系優(yōu)化方法,則勢必導致建模工作量巨大,前期投入的人力和物力都非常高,且對人員綜合素質要求較高,開展方案優(yōu)化的論證人員需全面了解海洋環(huán)境監(jiān)測體系現(xiàn)有裝備、技術發(fā)展、可能經(jīng)費支撐、海上行動任務目的等多方面情況.更重要的是,如果模型可信度不高,仿真運行偏差較大,則最終得到的所謂體系優(yōu)化方案也沒有太大意義.

3.2　基于平行系統(tǒng)的體系優(yōu)化方法

分析海洋環(huán)境監(jiān)測體系這類復雜大系統(tǒng)是一項艱巨的工作.受時間、經(jīng)費和認知能力等條件限制,研究人員難以基于上述傳統(tǒng)的體系優(yōu)化方法,建立大量高逼真度模型來描述海洋環(huán)境監(jiān)測體系,并進一步通過模型的運行實現(xiàn)對海洋環(huán)境監(jiān)測體系結構的優(yōu)化分析.

針對上述問題,王飛躍教授提出了復雜系統(tǒng)建模與調(diào)控的平行系統(tǒng)理論,該理論的基本思路是將人工系統(tǒng)作為建模工具,以數(shù)據(jù)為驅動,采用計算實驗方法進行分析評估,實現(xiàn)真實系統(tǒng)與人工系統(tǒng)之間的交互,對二者之間的行為進行對比和分析,完成對各自未來狀況的“借鑒”和“預估”,相應地調(diào)節(jié)各自的管理與控制方式,達到方案優(yōu)化的目的[10?13].

基于平行系統(tǒng)理論研究復雜系統(tǒng)時,所表現(xiàn)出的特點是:一方面,不必刻意追求人工系統(tǒng)與實際系統(tǒng)在模型上完全相同或高度逼真,只要求兩者在規(guī)模、行為方式和系統(tǒng)特性等方面具有一致性,由此較好地解決了建立大量高逼真度模型的難題.另一方面,在平行系統(tǒng)運行過程中,人工系統(tǒng)的角色從被動到主動、運行方式從靜態(tài)到動態(tài)、交互方式從離線到在線,相互關系從從屬地位到相等地位,人工系統(tǒng)的作用得到充分發(fā)揮.

平行系統(tǒng)理論和方法已經(jīng)成功應用于石化、交通、能源等領域,用于解決復雜系統(tǒng)的管理控制和優(yōu)化等問題,參見文獻[14]?[16].

平行系統(tǒng)理論和方法用于優(yōu)化海洋環(huán)境監(jiān)測體系的思路是:建立海洋環(huán)境人工監(jiān)測體系,與真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系并行運行,形成海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系,基于該平行監(jiān)測體系平臺,通過學習與訓練、管理與控制、實驗與評估等方法,實現(xiàn)兩者的交互,最終完成對真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系的優(yōu)化.海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系框架如圖2所示.

也就是說,人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系與真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系兩者之間的交互運行,構成完整的海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系.海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系的運行實際上是人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系和真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系同時運行.這一運行過程是建立問題、分析判斷問題、獲得運行結果的過程.

圖2　海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系框架

4　海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系運行

海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系運行包括人工監(jiān)測體系模型構建和可信度驗證、計算實驗和平行執(zhí)行共3個方面.

4.1　模型構建

構建人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系所需要的模型,不以和建模對象的高逼真度為唯一目的,因此,模型的應用不會受到高逼真度的要求,只要求真實體系和人工體系在功能和行為上的“等價”.海洋環(huán)境人工監(jiān)測體系模型包括以下5類.

1)監(jiān)測設備類模型

海洋環(huán)境監(jiān)測體系所使用的各種監(jiān)測設備的模型.重點描述這些設備海洋環(huán)境的感知能力.

2)體系結構模型

描述海洋環(huán)境監(jiān)測體系中各種設備和平臺的連接配合方法、協(xié)同運用方法、相對位置、數(shù)量比例等關系.

3)海洋自然環(huán)境模型

描述海洋中各種自然現(xiàn)象的模型.包括對海洋水文、海洋氣象和海洋聲學等的描述.

4)海洋目標模型

描述海洋中的各種水面船只、潛艇、飛機等的物理特性.

5)數(shù)據(jù)規(guī)則庫

上述4類建模對象的歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測體系運行規(guī)則和專家經(jīng)驗、專業(yè)知識等信息,統(tǒng)一存儲在數(shù)據(jù)規(guī)則庫中.

人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系運行前,必須對其模型進行校正,以保證其與真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系的等價性.許多方法可以實現(xiàn)標定和校正工作：采用真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系運行數(shù)據(jù),對人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系不斷修正和滾動優(yōu)化,最終使人工體系與真實體系達到輸入和輸出的“等價”.

根據(jù)數(shù)據(jù)來源的不同,校正人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系模型的方式有兩種:一是人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系離線學習真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系已有的歷史數(shù)據(jù)進行校正;二是選取正在運行的真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系的數(shù)據(jù),作為人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系的輸入,在線校正人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系.在上述模型校正過程中,真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系對人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系起指導作用.

上述模型校正過程并不是針對某一個模型,而是從人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系模型的“個體一致性”和子系統(tǒng)的“局部一致性”校驗出發(fā),逐步發(fā)展到對人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系模型的“整體一致性”進行校驗.即從各個基本模型組件校驗開始,到對每個子系統(tǒng)結構合理性及功能進行驗證,最終完成人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系與真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系整體結構和功能的“等價”校驗.

4.2　計算實驗

在人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系與真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系達到輸入和輸出的“等價”后,人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系成為了一個可控實驗平臺,利用該實驗平臺,通過改變監(jiān)測裝備體系參數(shù),設計各種各樣的實驗,多次重復該實驗并以統(tǒng)計的方法對結果進行分析,實現(xiàn)對海洋環(huán)境監(jiān)測體系變化的定量研究.如海洋環(huán)境監(jiān)測體系在裝備結構、比例、技術水平、數(shù)量、編配等方面的調(diào)整帶來體系監(jiān)測能力的變化;預測突發(fā)性監(jiān)測裝備體系變化對系統(tǒng)體系監(jiān)測能力的干擾,以及評估對應的方案和措施.以此作為依據(jù)，確定最終的優(yōu)化決策.

4.3　平行執(zhí)行

針對方案優(yōu)化,海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系運行過程如圖3所示.

在海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系運行過程中,人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系等同于真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系,真實海洋環(huán)境體系中方案選取或優(yōu)化改進都是建立在人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系評估的基礎上,以上一階段的評估結果作為主要依據(jù).找到真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系優(yōu)化方案,為監(jiān)測體系建設提供決策依據(jù),或為實際海洋環(huán)境監(jiān)測體系的調(diào)整優(yōu)化提供參考依據(jù).

5　海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系應用

海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系作為研究平臺,能夠完成海洋環(huán)境監(jiān)測體系優(yōu)化的各種需求.

5.1　多系統(tǒng)頂層規(guī)劃

圖3　海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系對方案的優(yōu)化過程

決策機關需要對各級各部門上報的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建設方案統(tǒng)籌優(yōu)化.首先將各系統(tǒng)合并為一個未優(yōu)化的海洋環(huán)境監(jiān)測體系,以海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系為平臺,對未優(yōu)化的人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系不斷進行實驗,在實驗過程中觀察數(shù)據(jù)情況并調(diào)整體系參數(shù),如此反復,最終實現(xiàn)在不降低能力要求的情況下,逐步促使未優(yōu)化的海洋環(huán)境監(jiān)測體系實現(xiàn)整體最優(yōu),從而達到統(tǒng)籌規(guī)劃多個海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案的目的.

5.2　應急任務下的體系調(diào)整

在海上應急搶救任務中,在要求的時間窗口內(nèi),需要高密度高精度實時監(jiān)測實施應急搶救任務所在海域的氣象水文情況,并提供給應急搶救指揮部.這種要求下,要求對該海域的海洋環(huán)境監(jiān)測體系進行調(diào)整,以滿足任務需要.

利用海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系,管理人員可以實時在人工海洋環(huán)境監(jiān)測體系中實時推演該緊急情況下的體系優(yōu)化調(diào)整措施,并根據(jù)結果分析,將驗證后的優(yōu)化調(diào)整措施應用到真實海洋環(huán)境監(jiān)測體系中.

6　結論

本文以平行系統(tǒng)理論為基礎,提出并構建了海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系.為海洋環(huán)境監(jiān)測體系優(yōu)化提供了更有力的方法支撐.實踐應用表明,海洋環(huán)境平行監(jiān)測體系的應用極大地減少了海洋環(huán)境監(jiān)測體系優(yōu)化分析所需人力和資金投入,進一步提高了監(jiān)測體系優(yōu)化結論的可行性和可操作性.

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