态势感知数据驱动的舰船运行环境动态建模研究_姚冬安.pdf
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1、舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期1引言舰船集成探测系统、动力系统、结构系统等子系统,负责执行海上相关作战任务,舰船运行环境复杂,包括海洋气象、海洋水文、海洋地理地质、电磁环境、海洋物理因素等都可能对水面舰船平台性收稿日期:2022年9月25日,修回日期:2022年10月19日基金项目:国防基础科研项目(编号:JCKY2019204A007)资助。作者简介:姚冬安,男,硕士研究生,研究方向:工业智能、人机共融协作制造等。张舒,女,工程师,研究方向:作战建模与仿真、体系作战、舰船作战系统、异构系统集成等。董晓明,男,研究员,研究方向:舰船作战系统、作战建模与仿真、体系作战、作战概念等。
2、徐文君,男,教授,博士生导师,研究方向:可持续智能制造、机器人协同制造、数字孪生、人机协作、工业智能等。田思思,女,博士研究生,研究方向:数字孪生技术、工业云机器人、智能优化等。态势感知数据驱动的舰船运行环境动态建模研究姚冬安1张舒2董晓明2徐文君1田思思1(1.武汉理工大学信息工程学院武汉430070)(2.中国舰船研究设计中心武汉430064)摘要舰船运行环境复杂性高、动态性强,并且各类环境因素均可能对舰船执行任务性能产生影响。针对现有舰船运行环境模型建模类型单一,研究提出多维度态势感知数据驱动舰船作战环境模型动态建模的体系框架,对于舰船环境动态建模提供了新的思路。在此基础上,从舰船环境态
3、势感知技术、态势感知数据处理与存储和舰船作战环境建模的角度,结合已有的研究,总结归纳分析相关使能技术,为态势感知数据驱动的舰船作战环境动态建模研究提供指导和技术支撑。选取海洋水文气象模型建模为典型案例,利用态势感知数据进行动态建模实验,结果表明该研究所提建模方法可以多维度、准确地反映舰船运行环境中的海洋水文气象环境,模型演化的动态性和实时性得到验证。所提框架能够适用于使用态势感知数据构建舰船运行环境动态模型,具有较好的应用价值。关键词态势感知;数据驱动;舰船运行环境;动态建模中图分类号U662DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.019Research on
4、 Dynamic Modeling of Ship Operation EnvironmentDriven by Situational Awareness DataYAO Dongan1ZHANG Shu2DONG Xiaoming2XU Wenjun1TIAN Sisi1(1.School of Information Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan430070)(2.China Ship Development and Design Center,Wuhan430064)AbstractThe ship operation
5、 environment is highly complex and dynamic,and various environmental factors may have an impact on the ships mission performance.In view of the single modeling type of the existing ship operating environment model,a dynamic modeling of ship operation environment driven by multi-dimension situational
6、 awareness data is proposed.A new idea for dynamic modeling of ship operation environment is provided.On this basis,combined with related work,the relative enabling technologies are summarized and analyzed to provide guidance and technical support from the perspectives of ship environment situationa
7、lawareness technology,situational awareness data processing and storage,and ship combat environment modeling.The typical caseis carried out based on the marine hydrological and meteorological situation data in the ship operating environment.The experimental results show that the proposed method can
8、accurately reflect the ship operation environment from multiple dimensions,and evolution of the ship operation environment model is more dynamic and real-time.This method has application value in the dynamic modeling of ship operation environment by situational awareness data.Key Wordssituational aw
9、areness,data driven,ship operation environment,dynamic modelingClass NumberU662总第 345 期2023 年第 3 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.385总第345期能及其搭载的武器装备性能产生不同程度的影响12。舰船态势感知数据是指在战场空间内,各类军事作战单元及其所处自然环境要素的各种状态数据。态势感知数据是构建舰船运行环境动态模型的数据基础。针对舰船海上运行存在覆盖范围广、时间长、舰船运行环境要素众多且具有动态性的特点,态势感知数据驱动的舰船运行
10、环境动态建模,有利于准确构建舰船执行任务时所处的环境模型,为舰船提供运行环境态势信息感知能力,及时全面掌握舰船运行环境诸多态势信息,减少舰船运行环境复杂性、动态性造成的影响,提升舰船任务执行能力。在态势感知数据获取方面。文献 3 提出了一个通用误差模型,构建气候观测结果特征,利用丰富元数据的多变量冗余信息减少气候数据记录(如海表温度、海洋空气温度、湿度、风速和风向等数据)的不确定性。文献 4 研究了在杂乱、干扰和雷达内部噪声为特征的同质环境中对点形目标的自适应雷达检测。文献 5 利用经验模式分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)技术探测铁磁体产生的磁异常,探索
11、了利用磁场进行水下物体探测的可能性。文献 6 通过融合雷达数据与电子支持措施数据,在目标航迹断续的情况下,综合推理目标融合航迹,提高了态势数据感知能力。文献 7研究了雷达系统中基于动态规划的检测前跟踪算法(TrackbeforeDetect,TBD)实现对起伏目标的检测,将相位信息应用于TBD融合过程,以提高雷达检测性能。文献 8 根据不同数据源的特点,为GF-4卫星数据和自动识别系统异构数据提供了一种航迹级数据融合体系结构,具备更好的海上军事态势感知能力。在舰船运行环境建模方面,自20世纪80年代起,美国国防部组织相关机构与科研部门联合开发并研制了包括海洋环境模型和综合环境模型的JSIMS环
12、境模型9。在美陆军仿真系统OneSAF项目开发过程中,研究人员对地形公共数据模型架构进行了拓展,开发了包含整个地球的自然环境数据模型,其中包括地形地貌环境模型、海洋模型等10。北约地理空间海事工作组在海洋地理信息数据模型S-100框架的基础上11,制定了军事叠加层的依赖产品规范(S-501至525),探索了海洋战场环境的构建。俄罗斯科学院数值数学研究所与俄罗斯水文气象中心合作开发了SL-AV20全球静压大气模型,实现俄罗斯上空20km分辨率季节预测和气候建模测试12。文献 13 提出高分辨率的全球海洋-冰-大气模型的紧凑建模框架,实现全球海洋环境临近预测与模拟。文献 14 基于GPU技术,对大
13、型海洋水文环境进行了可视化研究,可以高效直观地模拟和显示海洋环境因素的特性和变化过程。文献 15 基于Creator/Vega仿真平台,针对不同种类的海洋地理信息,提出不同建模方法,实现了较为逼真的视觉效果。文献 16 针对舰船运行环境中海洋地形与运行实体提出建模方法,并对舰船运行视觉效果进行渲染,实现了舰船运行环境的可视化。文献 17 利用多维描述层的形式结构,对舰船运行环境中风浪、漂浮物等进行实时建模仿真与可视化,最终构建出虚拟海洋模型。文献 18 基于大量复杂的海洋环境数据,搭建了一个南海海洋环境数据原型系统,实现了Argo浮子、海面温度场、海流场、盐度、原位调查数据和海洋站的可视化。文
14、献 19 分析了海洋环境噪声对浮标探测范围的影响,提出浮标布设模型,提高了反潜飞机的搜潜能力。综上,国内外学者在舰船运行环境模型的构建与可视化方面取得了相关成果,但国内学者尚未对舰船运行环境动态建模展开深入的研究,还未形成统一的舰船运行环境模型数据表达和规范,未考虑到运行环境中环境因素的动态性,忽略了战场态势感知数据动态特性对运行环境模型的相互作用关系。针对上述问题,本文对舰船运行环境建模开展研究,提出态势感知数据驱动的舰船运行环境模型动态构建框架,基于海洋气象水文实时数据构建HYCOM数值模型,实现海洋气象水文环境模型的构建与仿真。2舰船运行环境动态建模框架态势感知是舰船运行环境动态建模的基
15、础。通过海基、船基、岸基、空基、天基等多种探测源对海洋环境信息与军事态势信息进行探测感知。以洋流数据为例,通过选取合适的坐标系(等密度坐标系、sigma坐标系或z坐标系),对海洋洋流多源数据进行结构化定义,实现对具有垂向混合坐标系的HYCOM数值模拟模式的构建。针对海洋洋流多源数据具有海量、多源、高维度、耦合性、时变性、非线性等特点,利用数据挖掘、数据填补、数据去噪、数据去冗余、数据融合等多种手段实现适用于海洋洋流数据的高效数据清洗,进而实现舰船运行环境动态建模,得到动态舰船运行环境模型。态势感知数据驱动的舰船运行环境动态建模框架如图1所示,包含舰船运行环境态势感知,态势感知数据处理与姚冬安等
16、:态势感知数据驱动的舰船运行环境动态建模研究86舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期存储和舰船运行环境动态模型。3舰船运行环境动态建模3.1舰船运行环境态势感知舰船运行环境态势感知数据可分为自然环境数据与舰船态势数据,态势数据感知来源海基、岸基、船基、天基、空基等,如图2所示。其中,自然环境数据分为海洋气象环境数据,海洋水文环境数据、海洋声学信道数据、海洋地理地质环境数据、海洋物理环境数据等。舰船态势数据包括我军、敌军作战单元、后勤补给单元的类型、数量、部署位置和移动轨迹等。图1舰船运行环境动态建模总体框架在海底地质地貌数据感知方面,通过水面船只、潜艇或潜水器采用回波检测方法和地理信息
17、系统(Geographic Information System,GIS)技术测量采集当前海域的水深数据。对于水深较浅的沿岸海区,利用远程遥感的手段对水深数据进行测量。在海洋气象水文环境数据感知方面,通过海洋浮标平台、遥感卫星、气候观测站等对海洋温度、盐度三维剖面的实时监测。利用卫星数据通信链路,实现实时可控的海洋盐度、温度、深度数据采集和传输。利用海洋新型雷达遥感探测大范围海域海浪的波高、波向等数据以及一维二维波谱和海流的流速、流向等数据,从而提供高保真、实时的海洋气象环境数据。最后利用netCDF文件格式对海洋气象水文数据进行存储,为海洋气象水文环境模型的动态建模提供数据支撑。在海洋声学环
18、境数据感知方面,利用海洋气象卫星获取特定海域的海水温度数据20,结合浮漂平台的盐度、温度、深度传感器组采集的数据,建立特定海域的三维盐度、温度剖面图,实现三维海域温度、盐度模型的动态构建。利用特定海域三维温盐环境模型可以对舰船运行环境中的水声信道环境进行模拟和临时预报21,为构建水下声学信道模型提供数据基础。在海洋物理环境数据感知方面,包含海洋重力和磁力测量。通过船载高精度重力仪,结合GIS导航定位技术测量特定海域的重力数据。通过船基拖曳测量可以获取海洋垂直方向的磁力变化数据。图2态势感知数据获取87总第345期在舰船态势数据感知方面,通过多种探测渠道对军事态势数据进行感知,如军事卫星的雷达探
19、测、红外成像、高分辨率照相,舰船的雷达、声呐,潜艇声呐等。对于水下军事目标,通过岸基声呐、雷达、声呐、反潜直升机等多种探测手段获取敌方军事作战单元实时位置、部署信息与移动轨迹等。3.2态势感知数据处理与存储海域海洋环境要素数据和舰船态势数据存在多源异构特征,其数据处理与存储框架如图 3 所示。在海洋环境要素数据处理方面,对海洋温度、降雨量、浪速和浪向等多要素时序感知数据进行多层次分类描述与处理,利用数据挖掘方法获得当前时刻多要素时序数据组成的海洋环境与海洋现象之间的关联关系。对缺失空间数据样本点,采用动态插值算法进行插值处理。对缺失的海洋气象水文数据,基于历史平均数据进行填补。在舰船态势感知数
20、据处理方面,采用数据填补、数据去噪、数据去冗余、数据清洗、数据融合等多层次数据预处理技术对舰船态势感知数据进行预处理,提高数据质量。针对舰船运行过程中产生的非结构化(如雷达扫描、电子侦察图像)和半结构化数据(声呐探测文本、运行任务日志)文件存在易重复的问题,通过文件相似性比较算法去除重复冗杂的文件数据。对多源态势探测数据,基于PCA变换方法实现数据融合,提取舰船探测系统的多源探测数据在空间和时间上的互补与冗余信息,实现探测对象的信息的统一描述。在态势感知数据存储方面,采用MySQL或Oracle数据库实现数据持久化存储,并搭建数据集成化管理平台。数据集成化管理平台主要处理两类数据,一是静态数据
21、,包括舰船基础数据,如:设备类号、装置种类和设备的物理性质;二是动态数据,包括舰船运行实时状态、动态环境、舰船重要设备运行状态等。通过建立舰船运行过程异构数据共享访问机制、提供数据交互接口,实现基于XML中间文件模式的数据集成化管理和舰船航行过程数据透明访问和统一管理。实现接入数据模型参数和仿真运行数据模型参数的实时更新,为态势感知数据驱动的舰船运行环境模型提供数据基础。3.3舰船运行环境建模针对复杂、动态的舰船运行环境模型,研究其推演机制与演变规则,基于自然环境数据构建军事作战单元模型,构建舰船运行环境模型,技术路线图3态势感知数据处理与存储姚冬安等:态势感知数据驱动的舰船运行环境动态建模研
22、究88舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期如图4所示。图4舰船运行环境建模技术路线针对海洋地质地貌模型,主要有数据模型与数值模拟的方式。海洋数据模型是将探测得到的多波束数据通过预处理得到水深数据进行分区插值填补、区域建模最后拼接处理,生成整体海底地形模型16。基于快速拉格朗日数值模拟构建海洋地质地貌模型,首先将构建模拟对象的最基本几何单元定义成微小的多面体(如四面体、立方体等),以适应不同模拟对象几何外形的精度需要。其次利用划分算法生成多面体单元堆积形成的海底地形模型,同时利用多项式趋势面分析法,拟合出与地质层空间变化趋势分布一致的空间曲面,最终建立舰船运行环境模型中的海洋地质地貌模型
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