譚 笑 王 勇 尹東亮

（海軍工程大學(xué)作戰(zhàn)運(yùn)籌與規(guī)劃系 武漢 430033）

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，我國的海運(yùn)事業(yè)也開始迅速發(fā)展，因而對海上航行的安全、經(jīng)濟(jì)要求日益提高；在海上軍事行動時(shí)很容易受到復(fù)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(dá)預(yù)定海域，執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，是取得海上戰(zhàn)爭勝利的前提條件。

航海學(xué)是研究選擇一條理想的航線，并引導(dǎo)艦船安全而又經(jīng)濟(jì)地從出發(fā)點(diǎn)到目的地的理論和方法。軍事航海學(xué)是把航海技術(shù)應(yīng)用于海上軍事活動的一門學(xué)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(fù)雜地理及復(fù)雜水文氣象條件下的艦船航行環(huán)境。地理信息科學(xué)技術(shù)被應(yīng)用到海洋領(lǐng)域，與海洋的特性相適應(yīng)而發(fā)展起來的相關(guān)理論與技術(shù)，被稱為海洋地理信息系統(tǒng)，對應(yīng)于海洋領(lǐng)域的數(shù)據(jù)管理、現(xiàn)實(shí)模擬、綜合分析和開發(fā)管理等。大數(shù)據(jù)時(shí)代的地理空間信息學(xué)為海上軍事活動，尤其是復(fù)雜條件下艦船導(dǎo)航和航線規(guī)劃提供了新的理論和方法支撐。

船舶導(dǎo)航系統(tǒng)有很多種，目前應(yīng)用比例較高的包括全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、羅蘭C無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字導(dǎo)航雷達(dá)（ARPA）、電子海圖顯示信息系統(tǒng)（ECDIS）以及綜合導(dǎo)航系統(tǒng)等，其中ECDIS具有紙質(zhì)海圖無法比擬的優(yōu)越性能，如可將羅經(jīng)、AIS、GNSS、計(jì)程儀等導(dǎo)航設(shè)備的信息集成顯示，實(shí)現(xiàn)綜合導(dǎo)航，同時(shí)可以記錄航行數(shù)據(jù)、進(jìn)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(fēng)信息建模和分析方面。海水深度對船舶安全航行會產(chǎn)生顯著影響，傳統(tǒng)方法確定航水深時(shí)，主要是結(jié)合海圖水深和潮汐表查詢方法而實(shí)現(xiàn)［1］。潮汐模型可依據(jù)其特征而分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、純動力學(xué)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶卣鞅憩F(xiàn)為在觀測點(diǎn)上的精度較高，不過容易受到驗(yàn)潮站布置因素的影響。純動力學(xué)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(guān)潮汐分布的適應(yīng)性強(qiáng)。不過在實(shí)際應(yīng)用中，受到淺水區(qū)域摩擦系數(shù)、粘性系數(shù)等復(fù)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(zhì)量顯著的提高，同時(shí)還結(jié)合了經(jīng)驗(yàn)法的真實(shí)性，因而在研究淺水區(qū)域潮汐規(guī)律方面有很高的適應(yīng)性。張立華提出了瞬時(shí)水深模型的概念［2］，并采用基于POM模式和“Blending”同化法進(jìn)行模擬分析，且在適當(dāng)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(shí)水深模型的構(gòu)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(yù)報(bào)模型［3］，并分別采用這兩種模型預(yù)報(bào)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(jìn)行e-航海動態(tài)信息服務(wù)研究過程中，綜合了POM模式和同化法，且在一定簡化假設(shè)基礎(chǔ)上給出了區(qū)域潮汐模型，然后進(jìn)行改進(jìn)而提出動態(tài)水深模型。

目前，臺風(fēng)風(fēng)場模型研究領(lǐng)域，主要側(cè)重于模擬分析和結(jié)果精度方面。近年來相關(guān)臺風(fēng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的研究開始受到關(guān)注。一些學(xué)者分析了災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重性以及其可能導(dǎo)致的損失，然后對風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害進(jìn)行分級，確定出各等級風(fēng)險(xiǎn)范圍，為風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對處理提供支持。江應(yīng)境等［5］在研究過程中建立了動態(tài)權(quán)重的臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)模型，且對其性能進(jìn)行實(shí)證分析。高珊等［6］則應(yīng)用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行臺風(fēng)災(zāi)害分析，基于所得結(jié)果建立相應(yīng)模型。馬娟娟等［7］在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，分析了臺風(fēng)特點(diǎn)和引發(fā)的影響情況，聯(lián)合Flex技術(shù)開發(fā)出一套臺風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)。王中山［8］在研究過程中建立了一個(gè)Shapiro臺風(fēng)風(fēng)場模型，聯(lián)合地理信息系統(tǒng)進(jìn)行臺風(fēng)災(zāi)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(yán)重性進(jìn)行等級劃分。張進(jìn)峰［9］則研究了大風(fēng)浪情況下船舶的操縱特征，進(jìn)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(dāng)前對潮汐和臺風(fēng)等海洋動態(tài)環(huán)境研究在海洋學(xué)和氣象學(xué)領(lǐng)域以物理建模和數(shù)值仿真為主；潮汐研究主要是結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)和海圖數(shù)據(jù)著重提高預(yù)報(bào)精度；航運(yùn)領(lǐng)域重點(diǎn)考慮船舶在大風(fēng)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(fù)雜條件下艦船航行安全的環(huán)境建模，當(dāng)前重視專業(yè)數(shù)值預(yù)報(bào)研究，但是對海洋動態(tài)環(huán)境信息模型表達(dá)的精準(zhǔn)性以及數(shù)據(jù)、模型接入應(yīng)用的實(shí)時(shí)性，需要進(jìn)一步提高，迫切需要研究從多源、異構(gòu)的水文氣象預(yù)測、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)到可實(shí)時(shí)接入的信息模型的構(gòu)建問題，為切實(shí)打通當(dāng)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(yùn)用的“最后一公里”探索新的理論和方法。

3 海洋GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型

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

海洋GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型是由GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行改進(jìn)而形成的，在其后研究中一些學(xué)者提出針對海洋環(huán)境進(jìn)行高效描述的海洋時(shí)空數(shù)據(jù)組織模型，這種模型也成為海洋GIS研究的基礎(chǔ)。近年來，該方面研究向著海洋空間上的多維和時(shí)間上的動態(tài)這兩個(gè)方面發(fā)展，同時(shí)關(guān)注海洋時(shí)空數(shù)據(jù)的尺度特征，且基于各領(lǐng)域的應(yīng)用要求，而建立了針對性高效的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。根據(jù)海洋GIS所要表達(dá)的環(huán)境要素的特點(diǎn)，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(shí)空模型三類。

第一類，動態(tài)對象模型。馮文娟等［11］以面向?qū)ο蟮姆绞?，且具體分析特征數(shù)據(jù)的形狀而對這種模型進(jìn)行劃分，分為點(diǎn)、線、面、體特征對象模型等，同時(shí)在其中引入時(shí)間參數(shù)而對變化過程進(jìn)行描述。Jin等在研究時(shí)引入了關(guān)系型數(shù)據(jù)而建立了一種統(tǒng)一時(shí)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(jié)構(gòu)相關(guān)情況。Dawn等則深入總結(jié)了海洋數(shù)據(jù)來源、特征情況，然后建立了一個(gè)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(dá)地理對象的思想，對海洋要素進(jìn)行劃分后，引入時(shí)間參數(shù)到海洋要素屬性域中，實(shí)現(xiàn)了海洋時(shí)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(jìn)行研究，并根據(jù)問題處理要求，而建立了一個(gè)時(shí)空統(tǒng)一表達(dá)的結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)對其數(shù)據(jù)組織與存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而實(shí)現(xiàn)各要素一體化表達(dá)的目的，在最短路徑優(yōu)化中，應(yīng)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(lǐng)域的時(shí)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(chǔ)，同時(shí)綜合應(yīng)用關(guān)聯(lián)表、點(diǎn)數(shù)據(jù)文件等，而提出一種動態(tài)數(shù)據(jù)建模方法，設(shè)計(jì)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(shí)對海洋GIS的要求和規(guī)范進(jìn)行總結(jié)，據(jù)此建立了一個(gè)針對性強(qiáng)的海洋場模型，該模型在應(yīng)用過程中引入了應(yīng)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(jìn)行觀察分析。季民［12］建立了一種基于格網(wǎng)的時(shí)序快照修正模型與海洋GIS框架，接著在一定案例分析基礎(chǔ)上證明了該框架模型的性能和適用性。Cova等則建立了一個(gè)模型來關(guān)聯(lián)起地理空間對象和場，在實(shí)際應(yīng)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(biāo)，可以據(jù)此提供點(diǎn)、線、多邊形相關(guān)的數(shù)據(jù)模型而滿足用戶不同條件下的應(yīng)用要求。Kjenstad則結(jié)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(shí)體進(jìn)行描述。

第三類，以過程為核心的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。以過程為核心，嘗試在時(shí)空語義和表達(dá)框架體系中納入地理實(shí)體變化機(jī)制，把事件序列、區(qū)域動態(tài)現(xiàn)象、地理時(shí)空單位、過程序列、時(shí)間序列、過程對象-實(shí)體演變序列等作為載體建模、表達(dá)和存儲，從而高效的表達(dá)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(shí)空數(shù)據(jù)模型，且詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析了相應(yīng)海洋數(shù)據(jù)來源、處理情況，同時(shí)依據(jù)特征數(shù)據(jù)的形狀進(jìn)行劃分，而將此類數(shù)據(jù)模型劃分為點(diǎn)、線、面、體特征對象模型，從而對地理實(shí)體的變化過程進(jìn)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(shè)計(jì)對上述模型進(jìn)行改進(jìn)，而建立了基于過程的海洋時(shí)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(jìn)行適當(dāng)?shù)某橄筇幚?，而抽象為過程狀態(tài)、過程序列、過程階段對象等。然后對模型的邏輯結(jié)構(gòu)、時(shí)空操作等相關(guān)情況進(jìn)行具體分析，接著依據(jù)原模型而對海洋鋒、渦漩相關(guān)的過程進(jìn)行模擬，為此類問題的處理提供支持。Karssen在對現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象演變過程進(jìn)行研究時(shí)，引入一種基于場的時(shí)空演化模型，且對此模型相關(guān)的軟件框架進(jìn)行描述，據(jù)此來對觀測值和模型結(jié)果進(jìn)行同化處理。龔健雅等［15］在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，在同一個(gè)時(shí)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(jìn)行適當(dāng)?shù)恼隙胄聦?shí)時(shí)GIS。接著以四種動態(tài)地理對象相關(guān)時(shí)空數(shù)據(jù)的接入、存儲等為例做了實(shí)證分析，據(jù)此而驗(yàn)證了所得模型的應(yīng)用價(jià)值。

通過以上分析，可以看諸多學(xué)者針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)r(shí)空數(shù)據(jù)模型作了大量富有成效的研究，海洋時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究主要集中在針對漁業(yè)應(yīng)用、海洋大氣現(xiàn)象等時(shí)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(shí)空數(shù)據(jù)模型。動態(tài)航行環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(gòu)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(shí)時(shí)變化的航行安全態(tài)勢需要動態(tài)環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)中全息抽象、精準(zhǔn)建模、自適應(yīng)表達(dá)。因此，需要在航行環(huán)境動態(tài)要素?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建航行環(huán)境威脅態(tài)勢信息模型。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著航海導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，各類航海保障設(shè)備日益增強(qiáng)、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(fù)雜條件下航行時(shí)，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(dǎo)航信息在ECDIS上的疊加顯示、查閱航海圖書資料和預(yù)報(bào)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(jìn)行分析。人工查閱或計(jì)算多種環(huán)境要素資料、數(shù)據(jù)的過程繁瑣，甚至可能因?yàn)楹胶Ｈ藛T缺乏經(jīng)驗(yàn)或疲勞、疏忽造成錯(cuò)誤，使得航行環(huán)境威脅態(tài)勢信息的實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)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(jìn)行信息建模和顯式表達(dá)，有望突破傳統(tǒng)ECDIS隱式表達(dá)航行環(huán)境威脅態(tài)勢的局限，實(shí)現(xiàn)向直接表達(dá)動態(tài)航行環(huán)境為主并顯式描述威脅態(tài)勢變化機(jī)制的轉(zhuǎn)變。