摘" 要:戰(zhàn)場氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)的目的是建立一個逼真的仿真環(huán)境,使得其中的作戰(zhàn)實體在完成作戰(zhàn)任務(wù)的過程中感受并受到氣象海洋環(huán)境的各類影響,每類作戰(zhàn)實體均有自身的氣象海洋環(huán)境特性,氣象海洋環(huán)境與作戰(zhàn)實體任務(wù)之間存在一種客觀的影響關(guān)系。該文試圖建立一種氣象海洋環(huán)境-作戰(zhàn)任務(wù)的影響關(guān)系形式化描述方法,基于該方法,提出一種基于“環(huán)境-任務(wù)”的仿真環(huán)境構(gòu)建框架,降低氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)的復(fù)雜度,為高效、有目標(biāo)的戰(zhàn)場氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)提供支撐。
關(guān)鍵詞:氣象海洋環(huán)境;環(huán)境-任務(wù);環(huán)境構(gòu)設(shè);仿真環(huán)境;大氣
中圖分類號:TP311.52" " "文獻標(biāo)志碼:A" " " " " 文章編號:2095-2945(2024)33-0001-04
Abstract: The purpose of constructing battlefield meteorological and marine environment is to establish a realistic simulation environment, so that the combat entities in it can feel and be affected by various kinds of meteorological and marine environment in the process of completing combat missions. Each type of combat entity has its own meteorological and marine environment characteristics. There is an objective influence relationship between meteorological and marine environment and combat entity tasks. This paper attempts to establish a formal description method of the influence relationship between meteorological and marine environment and combat missions. Based on this method, A \"environment-task\"-based simulation environment construction frameworkis proposed to reduce the complexity of meteorological and marine environment construction and provide support for efficient and targeted battlefield meteorological and marine environment construction.
Keywords: meteorological and marine environment; environment-mission; environmental construction; simulated environment; atmosphere
克勞賽維茨曾說:作戰(zhàn)是充滿不確定性的領(lǐng)域,作戰(zhàn)中行動所依據(jù)的情況有四分之三好像隱藏在云霧里一樣,是或多或少不確定的。隨著不確定因素的增加,實戰(zhàn)化作戰(zhàn)訓(xùn)練難度增大。在當(dāng)代信息化作戰(zhàn)中,盡管環(huán)境監(jiān)測和數(shù)值預(yù)報技術(shù)飛速發(fā)展,可在很大程度上減少以往作戰(zhàn)中的氣象海洋環(huán)境的不確定性對作戰(zhàn)行動的影響,驅(qū)散了傳統(tǒng)意義上的“戰(zhàn)爭迷霧”,但是,正如近幾場大型作戰(zhàn)表明的那樣,由于作戰(zhàn)雙方在利用各種手段求“知”的同時,也在利用各種手段阻止對方“知”,加之目前人類對氣象海洋環(huán)境自身演變規(guī)律認(rèn)知的局限性,未來戰(zhàn)爭的“迷霧”雖然淡了不少,但是遠(yuǎn)未達到消失的程度。可以說,不確定性是作戰(zhàn)的基本屬性,它在現(xiàn)代作戰(zhàn)中不斷以新的面貌出現(xiàn),作戰(zhàn)態(tài)勢發(fā)展的非線性、信息的灰色性、事件的隨機性、形勢的突變性,使得氣象海洋環(huán)境復(fù)雜性成為影響成敗的重要因素。
當(dāng)前,作戰(zhàn)引擎中的氣象海洋環(huán)境模擬,主要采用相似性法、統(tǒng)計特征法、數(shù)值法等方法,受限于氣象海洋環(huán)境樣本的特性,往往不能滿足不同難度系數(shù)氣象海洋環(huán)境設(shè)置的需求。下一代作戰(zhàn)引擎的設(shè)計,應(yīng)該能夠提供非程式化、動態(tài)、逼真的模擬環(huán)境,通過把氣象海洋環(huán)境特征抽象、重組、再造,增加作戰(zhàn)想定設(shè)置的復(fù)雜性、隨機性,同時也反映不同地域典型氣候特征,以增加作戰(zhàn)訓(xùn)練的難度和強度。
1" 氣象海洋環(huán)境建模與仿真現(xiàn)狀綜述
為營造實戰(zhàn)化的作戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境,戰(zhàn)場氣象海洋環(huán)境仿真越來越成為作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)不可或缺的一個重要部分。
外軍在戰(zhàn)場氣象海洋環(huán)境仿真領(lǐng)域的研究,以美軍的理論研究最為先進,其特點是:作戰(zhàn)牽引、理念超前、制度完善、技術(shù)先進、注重實效、應(yīng)用廣泛。美軍于20世紀(jì)80年代中期率先提出先進分布式仿真(ADS)的概念,之后經(jīng)歷了SIMNET、DIS、ASLP和HLA四個階段,近年來發(fā)展為XMSF、Grid/RTI等。美國國家海洋與大氣管理局、美國海軍研究局、美國海軍氣象與海洋司令部(NMOC)以及國家測繪局(NIMA)在國防部建模與仿真實驗室(DMSO)的領(lǐng)導(dǎo)下開展了40余年戰(zhàn)場氣象海洋環(huán)境仿真工作,建立了從全球性的氣象海洋環(huán)境檢測體系、氣象海洋環(huán)境預(yù)測預(yù)報體系、氣象海洋環(huán)境保障體系到氣象海洋環(huán)境仿真服務(wù)體系的暢通仿真信息鏈路,為美軍在全球范圍內(nèi)無論何時何地均能獲取所需的氣象海洋仿真支持,并深入融入其幾個大型聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中,支撐其開展實戰(zhàn)化訓(xùn)練,為其提供無縫隙的環(huán)境仿真服務(wù)。其中有2個典型的系統(tǒng):一是戰(zhàn)役級聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(JWARS),可提供三維戰(zhàn)場空間、氣象海洋環(huán)境制約和基于感知的指揮和控制等功能,主要用于指揮人員的訓(xùn)練;二是戰(zhàn)術(shù)級聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(JSIMS),可將地形環(huán)境、氣象海洋環(huán)境和其他專用模型等諸多作戰(zhàn)元素集成在一個聯(lián)合作戰(zhàn)空間內(nèi),主要用于作戰(zhàn)參謀人員的訓(xùn)練。
我軍在戰(zhàn)場氣象海洋環(huán)境仿真領(lǐng)域的研究,主要側(cè)重于作戰(zhàn)方案評估、氣象海洋環(huán)境影響建模、武器裝備效能評估等領(lǐng)域。不同類型、不同領(lǐng)域和不同層次的作戰(zhàn)模擬對于氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、模型和仿真的要求都不盡相同,因而氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)方法和關(guān)鍵技術(shù)也有所不同,總體來說氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)方法可分為3類。
1.1" 統(tǒng)計特征構(gòu)設(shè)法
統(tǒng)計特征構(gòu)設(shè)法是指利用統(tǒng)計分析方法,基于歷年氣象觀探測數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和融合分析,形成網(wǎng)格化統(tǒng)計分析數(shù)據(jù),即為可用于仿真系統(tǒng)調(diào)用的統(tǒng)計特征模型,如利用某地區(qū)氣象要素的年、月統(tǒng)計均值和標(biāo)準(zhǔn)差,建立統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)庫。這是氣象海洋環(huán)境靜態(tài)建模的主要方法,一般能夠表現(xiàn)不同地域的局地氣候特征,具有較高的真實性和可靠性,但依賴于觀探測數(shù)據(jù),不利于構(gòu)設(shè)動態(tài)的氣象海洋環(huán)境。例如:北京航空航天大學(xué)基于世界氣象組織(WMO)免費提供的歷年全球天氣數(shù)據(jù),通過模糊邏輯搜索技術(shù),從數(shù)據(jù)庫得到符合條件的氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù),形成大氣環(huán)境想定數(shù)據(jù)生成系統(tǒng),為想定生成引擎提供數(shù)據(jù)資源。
1.2" 數(shù)值模擬構(gòu)設(shè)法
數(shù)值模擬構(gòu)設(shè)法是指基于流體力學(xué)和熱力學(xué)定律,建立并求解大氣、海洋運動的高階偏微分方程組(即數(shù)值預(yù)報模式),結(jié)合大氣、海洋要素的基本特征和演變規(guī)律,模擬氣象海洋環(huán)境演變過程和天氣現(xiàn)象。這是氣象海洋環(huán)境動態(tài)建模的主要方法,利用具有物理背景的大氣海洋環(huán)境數(shù)據(jù),可建立高分辨率、多分辨率、準(zhǔn)確和動態(tài)的氣象海洋環(huán)境模型,能夠通過數(shù)值模擬輸出大氣環(huán)境仿真數(shù)據(jù),并提取綜合信息、規(guī)范化顯示仿真數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)通用化存儲數(shù)據(jù),進而提取出裝備試驗仿真相關(guān)氣象要素數(shù)據(jù)即數(shù)值模型,用于武器系統(tǒng)與大氣環(huán)境的耦合試驗研究,但此方法計算量大,占用計算機內(nèi)存嚴(yán)重,不能實時仿真,且產(chǎn)生的模型數(shù)據(jù)量巨大,不利于模擬訓(xùn)練靈活導(dǎo)調(diào)。例如,哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種基于MM5中尺度大氣數(shù)值模式和SEDRIS規(guī)范的虛擬大氣環(huán)境構(gòu)設(shè)方法,用戶通過確定區(qū)域范圍、時間范圍和層數(shù)范圍,可以構(gòu)設(shè)滿足應(yīng)用需求和SEDRIS規(guī)范的復(fù)合大氣環(huán)境。
1.3" 模型構(gòu)設(shè)法
模型構(gòu)設(shè)法是指利用數(shù)學(xué)模型和工程模型構(gòu)設(shè)氣象海洋環(huán)境,其中數(shù)學(xué)模型構(gòu)設(shè)法是在氣象學(xué)和流體力學(xué)理論分析的基礎(chǔ)上,描述天氣現(xiàn)象最本質(zhì)機理和運動過程,建立相對簡化的數(shù)學(xué)模型;工程模型構(gòu)設(shè)法是在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,利用最新的理論技術(shù)不斷改進數(shù)學(xué)模型,使其更精確地表征氣象海洋環(huán)境特征,再對問題的物理本質(zhì)進行分析,從工程角度滿足考慮系統(tǒng)仿真的逼真性,如在飛行仿真中,通常使用相關(guān)函數(shù)或頻譜函數(shù)對大氣紊流進行描述。該方法一般以影響裝備性能的氣象海洋環(huán)境要素為主導(dǎo),可以針對不同的氣象海洋環(huán)境成員建立相對獨立的環(huán)境模型,模型精度能夠滿足工程應(yīng)用的需求,因此多用于虛擬試驗尤其是武器裝備的性能仿真中。此外,跟現(xiàn)有其他構(gòu)設(shè)法相比,其計算量小、計算時間短、占用內(nèi)存小,更適合在虛擬實驗中實時生成大范圍的環(huán)境模型,能夠滿足虛擬試驗實時性要求,但較現(xiàn)有的大氣數(shù)值模式真實性有一定差距,沒有考慮大氣海洋要素間的影響、制約關(guān)系,當(dāng)所需考慮氣象海洋環(huán)境要素較多時,無法體現(xiàn)氣象海洋環(huán)境的完整性與要素間的關(guān)聯(lián)性,無法體現(xiàn)整個氣象海洋環(huán)境系統(tǒng)的統(tǒng)一性。
綜合所述,以上3種構(gòu)設(shè)法各有優(yōu)缺點。由于缺乏對氣象海洋環(huán)境服務(wù)對象的認(rèn)識,上述方法均與模擬訓(xùn)練領(lǐng)域結(jié)合不緊密,無法滿足模擬訓(xùn)練對氣象海洋環(huán)境模型的需求,因此,本文提出了基于“環(huán)境-任務(wù)”的氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)方法。
2" 基于“環(huán)境-任務(wù)”的氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)方法
2.1" 任務(wù)與氣象海洋環(huán)境的影響關(guān)系構(gòu)建
基于“環(huán)境-任務(wù)”的構(gòu)設(shè)方法,是指緊緊圍繞氣象海洋環(huán)境對作戰(zhàn)任務(wù)的影響,建立面向影響的氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)方法,就如同跳水比賽中的難度系數(shù),需要多大難度的仿真環(huán)境,就按需構(gòu)設(shè)。傳統(tǒng)各類作戰(zhàn)環(huán)境場景的設(shè)置,一般采取天氣要素、現(xiàn)象的直接設(shè)置方法,氣象海洋環(huán)境設(shè)置好之后,在下一次修改設(shè)置前,往往不改變,整體上環(huán)境沒有隨時間發(fā)生較大演變,氣象海洋環(huán)境的復(fù)雜性、隨機性變化程度不高。為實現(xiàn)復(fù)雜氣象海洋環(huán)境條件下作戰(zhàn)場景設(shè)計,需要圍繞作戰(zhàn)態(tài)勢推進和設(shè)計需要,提供滿足場景逼真度要求的氣象海洋環(huán)境設(shè)置方法和工具。
對每一類作戰(zhàn)任務(wù)而言,都可以進行環(huán)境特性分析,細(xì)分到每一個不可再分的元任務(wù),每個任務(wù)均與環(huán)境要素有著客觀的關(guān)聯(lián),如飛行任務(wù)中,飛機起降受風(fēng)向、風(fēng)速、云底高等要素的影響程度最大。這一影響關(guān)系用形式化表示為一個二元組,記為(E,T),其中E代表Environment,T代表Task,對于飛行任務(wù)的“環(huán)境-任務(wù)”影響關(guān)系可以表示為(E1,T1),其中E1是由風(fēng)速(WS)、風(fēng)向(WD)、云底高(HHH)3個要素組成的環(huán)境影響要素集合,記為E1(WS,WD,HHH),T1是指飛行任務(wù)中的起降元任務(wù),記為T1,不同航空器的飛行任務(wù)均可從該起降元任務(wù)繼承其與氣象海洋環(huán)境影響敏感要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系,同時各類作戰(zhàn)任務(wù)也可以類比面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中多態(tài)的方式,添加自身氣象海洋環(huán)境影響敏感要素集?;谶@種方法,可以針對某一領(lǐng)域任務(wù)建立具有清晰繼承和多態(tài)關(guān)系的“環(huán)境-任務(wù)”關(guān)系圖。
基于“環(huán)境-任務(wù)”關(guān)系圖,可以進行多視角分析,一是從作戰(zhàn)任務(wù)視角看,不同的作戰(zhàn)任務(wù)類型各自會受到不同氣象海洋環(huán)境要素集的影響,這些氣象海洋環(huán)境要素集可能會存在交集,即它們可能擁有共同的關(guān)聯(lián)要素;二是從氣象海洋環(huán)境視角看,同一氣象海洋要素可能會影響不同類別的作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行,同一氣象海洋要素值對不同作戰(zhàn)任務(wù)主體的影響,有的是正向、增益的趨勢,有的則是反向、損耗的。因此,可以根據(jù)整體作戰(zhàn)任務(wù)對于氣象海洋環(huán)境復(fù)雜程度的設(shè)置需要,在氣象海洋環(huán)境演變時序上、空間位置上、要素組合與分布方式上構(gòu)建不同模式的氣象海洋環(huán)境呈現(xiàn)方式,從而不斷滿足多樣化作戰(zhàn)環(huán)境想定設(shè)計的需求。
2.2" 基于“環(huán)境-任務(wù)”的氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)框架
基于“環(huán)境-任務(wù)”的環(huán)境態(tài)勢構(gòu)建方法以環(huán)境引擎為核心,通過作戰(zhàn)想定編輯器,接入多源氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù),通過在作戰(zhàn)想定周期內(nèi)設(shè)置隨時間變化的氣象海洋演變時序特征集,實現(xiàn)氣象海洋環(huán)境對任務(wù)的持續(xù)、動態(tài)影響?!碍h(huán)境-任務(wù)”的環(huán)境態(tài)勢構(gòu)建框架如圖1所示,主要包括環(huán)境引擎、想定編輯器、“環(huán)境-任務(wù)”模型、多源氣象海洋環(huán)境適配接口與氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)生成模型以及多源氣象海洋環(huán)境顯示接口。
2.2.1" 環(huán)境引擎
環(huán)境引擎是氣象海洋模擬環(huán)境生成與仿真推進的核心模塊,它通過時序發(fā)生器實現(xiàn)多種時間尺度的仿真,是氣象海洋環(huán)境演變的節(jié)奏控制器;通過讀取想定編輯器設(shè)置的作戰(zhàn)環(huán)境想定腳本,把源自多源氣象海洋環(huán)境適配接口的多類型環(huán)境仿真數(shù)據(jù)按照作戰(zhàn)想定的節(jié)奏進行演變;通過“環(huán)境-任務(wù)”模型把氣象海洋環(huán)境要素的變化反饋至任務(wù)步長周期中,實現(xiàn)氣象海洋環(huán)境要素與作戰(zhàn)任務(wù)的實時交互,從而實現(xiàn)對各類作戰(zhàn)任務(wù)實體的影響。
環(huán)境引擎的運行模式可以分為單機模式和分布式模式,單機模式適用于單機作戰(zhàn),所有氣象海洋環(huán)境要素模型與作戰(zhàn)任務(wù)實體模型之間在本機模型空間實現(xiàn)實時交互;分布式模式適用于多用戶聯(lián)網(wǎng)作戰(zhàn),通過內(nèi)存映射等技術(shù),實現(xiàn)分布式機器上多樣本模型空間的同步運行。
2.2.2" 想定編輯器
想定編輯器環(huán)境設(shè)置的可視化人機交互接口,用戶通過想定編輯器可以為不同作戰(zhàn)態(tài)勢設(shè)置不同的氣象海洋環(huán)境腳本,正如同地圖編輯器一樣,想定編輯器為用戶提供所見即所得的設(shè)置效果。
想定編輯器支持用戶基于時間軸,在不同時間節(jié)點或時間段內(nèi),著眼于不同任務(wù)的需要,協(xié)同編輯多要素時空演變特征,同時結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)生成模型不同的氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)源生成方式,可以實現(xiàn)函數(shù)型、統(tǒng)計型、數(shù)值型和事件型等多種環(huán)境生成和作用方式,以適配如視景仿真、模型計算、事件驅(qū)動等不同作戰(zhàn)任務(wù)的不同環(huán)境供給需要。
2.2.3" “環(huán)境-任務(wù)”模型
“環(huán)境-任務(wù)”模型是上述“環(huán)境-任務(wù)”關(guān)系圖的模型化表現(xiàn)形式,也可以是以知識圖譜形式描述的“環(huán)境-任務(wù)”知識圖譜,其目的是建立自動化的“環(huán)境-任務(wù)”影響交互推理機制。想定編輯器在進行環(huán)境設(shè)置時,可以基于“環(huán)境-任務(wù)”模型,直觀分析不同的氣象海洋環(huán)境設(shè)置方案下預(yù)期會形成的影響復(fù)雜程度,從而不斷調(diào)節(jié)氣象海洋環(huán)境設(shè)置方案,逐步達到作戰(zhàn)想定設(shè)置的需求。
2.2.4" 多源氣象海洋環(huán)境適配接口與氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)生成模型
面向視景仿真、模型計算、事件驅(qū)動等不同作戰(zhàn)任務(wù)的不同環(huán)境供給需要,氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)生成模型通過調(diào)用不同的氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)源生成方法,可以實現(xiàn)函數(shù)型、統(tǒng)計型、數(shù)值型、事件型等多種氣象海洋環(huán)境生成結(jié)果。其中相似性法通過建立不同氣象海洋環(huán)境要素對元任務(wù)的影響曲線,實現(xiàn)函數(shù)驅(qū)動型的氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)生成和作用輸出;統(tǒng)計特征法通過建立如年度區(qū)域環(huán)境樣本數(shù)據(jù)集,實現(xiàn)典型天氣數(shù)據(jù)驅(qū)動型的環(huán)境數(shù)據(jù)生成和作用輸出;數(shù)值預(yù)報法通過不同區(qū)域、尺度數(shù)值預(yù)報模型和初始場、同化資料的運用,實現(xiàn)數(shù)值預(yù)報驅(qū)動型的環(huán)境數(shù)據(jù)生成和作用輸出;環(huán)境事件法通過典型離散天氣事件的配置,實現(xiàn)事件驅(qū)動型環(huán)境數(shù)據(jù)生成和作用輸出。以上各類氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)生成模型的數(shù)據(jù)生成和作用輸出,均通過多源氣象海洋環(huán)境適配接口與環(huán)境引擎聯(lián)接,按照想定腳本的推進實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的接入。
2.2.5" 多源氣象海洋環(huán)境顯示接口
面向作戰(zhàn)環(huán)境想定的可視化展示需求,多源氣象海洋環(huán)境顯示接口主要提供多源氣象海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化組件與調(diào)用接口,面向不同的終端,可提供B/S版和C/S版的可視化運行模式。
3" 結(jié)束語
本文綜合分析現(xiàn)有的統(tǒng)計特征構(gòu)設(shè)法、數(shù)值模擬構(gòu)設(shè)法與模型構(gòu)設(shè)法的特點和使用場景,提出一種面向模擬訓(xùn)練的氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)法——基于“環(huán)境-任務(wù)”的構(gòu)設(shè)法,詳細(xì)設(shè)計了該氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)框架,降低氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)的復(fù)雜度,為高效、有目標(biāo)的戰(zhàn)場氣象海洋環(huán)境構(gòu)設(shè)提供支撐。
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