军事训练信息系统中气象水文环境的构建

2013-11-09赵旭赟赵斯强阮长明

指挥控制与仿真 2013年3期

赵旭赟，赵斯强，阮长明，刘慧

(海军指挥学院，江苏南京 210016)

现代战争的作战环境是一个涵盖陆地、海洋、天空和太空等多维自然空间，包括自然地理、气象水文、核化生、电磁和网络等多种环境要素［1］。若自然地理环境是作战环境的空间基准，则气象水文环境则是自然地理环境的有机组成，气象水文战场环境仿真已成为作战环境仿真不可或缺的重要内容。在美军军事训练中，战场环境是军事训练的依托，是训练展开的时空维度，是连接“训练场”到“战场”的中枢环节，具有特殊重要的地位。因此，开展气象水文战场环境的建模与仿真研究，构建具有高可信度和可用度的气象水文战场环境模型体系，对于增强和改善军事训练信息系统中的战场环境仿真服务功能，提高模拟训练的质量具有重要意义。

1 气象水文因素提供的服务

在军事训练信息系统中，加入气象水文因素目标是提供虚拟的公共气象水文战场环境服务，包括三个层次的内容:气象水文战场环境基础服务、气象水文战场环境决策服务和气象水文战场环境管理服务。

1.1 气象水文战场环境基础服务

在军事训练系统中，战场自然环境基础模型主要包括陆地地形模型、大气模型和海洋环境模型。其中陆地地形模型描述的内容主要包括地形高度、坡度、交通能力、通视、建筑、道路以及各地域的环境数据等;大气模型描述的内容主要包括高空气象、地面气象、晨光昏影、光照和日出日落、烟雾、能见度、化学和生物分布以及全球大气环流动态数据等;海洋环境模型描述的内容主要包括海洋的温度、湿度、水深、海底底质、坡度、海浪、海流、跃层、潮汐、盐度、密度、海水的声传播特性以及海洋磁力和重力场数据等。战场气象水文环境由高空气象环境、海洋水文气象环境以及地面气象水文环境构成，是战场自然环境的重要组成部分，其构成如图1所示。

以气象水文战场环境数据库为基础，气象水文战场环境基础服务为作战指挥训练模拟提供三个层次的服务。

图1 气象水文战场环境构成

1)基于系统层次直接在训练系统中为各指挥所指挥作业提供所需的气象信息，包括战场气候背景、站点天气实况和各种气象要素分析，为各级指挥员自动收集、处理、分发气象观测信息和气象预报产品。

2)基于数据层次通过气象水文战场环境的气象水文空间数据库访问协议，为各种作战训练仿真系统提供作战区域各网格点或者各站点的气象动态数据，包括风、云、能见度、雾、降水和雷暴等气象要素以及海浪等海洋水文要素等。

3)基于模型层次为各种作战模型提供气象水文环境对作战影响的仿真数据，包括气象水文战场环境对各兵种作战的影响，以及对各主战武器装备效能发挥的影响。

1.2 气象水文战场环境决策服务

在军事训练信息系统中，基于以上气象水文战场环境基础服务，根据“作战模拟”的不同分类和层次，最终将提供满足不同类别和层次需求的系列化、标准化气象水文战场环境决策服务，即横向支持军事训练、作战分析与武器仿真，纵向支持从战役、战术到技术层的气象水文战场环境生成、影响评估与辅助决策服务［2］。具体包括以下三方面。

1)军事训练领域的气象水文战场环境模拟，其目的是突出“人”的训练，仿真、营造出适合于战略、战役、战术各层面指挥(决策)训练需要的系列气象水文战场环境，以及适合于技术层面技术训练需要的高分辨率气象水文战场环境。

2)作战分析领域的气象水文战场环境模拟，其目的是突出“方案”的分析需要，构建出适合于战略层次“决策分析”，战役、战术层次“方案分析”以及技术层次“武器运用”四个层次的多分辨率系列气象水文战场环境服务。

3)武器仿真领域的气象水文战场环境模拟，其目的是突出“武器”的采办、作战运用，构建出适合于战略层次的“战略武器”、战役层次的“武器系统”、战术层次的“武器单元”以及技术层次的“装备单元”模拟所需的逼真的气象水文战场环境。

1.3 气象水文战场环境管理服务

由于战场环境的复杂性和模拟应用的多样性，气象水文战场环境管理服务将针对具体的训练和仿真应用，实现“需求驱动、按需供给”，具体应用时肯定是分专业、分层次的，各个不同专业、层次系统对同样的功能有着统一的基础平台(框架)之上的针对各自领域使用要求的功能，以此形成的“系列”满足“联合”的气象水文战场环境总体仿真要求。因此应通过“需求驱动”，不断推动系列化的应用实现。

气象水文战场环境管理服务分为两个阶段的“按需供给”。

1)模拟训练前的“按需供给” 使用人员在开展训练模拟前创建或者编辑满足其特定需求的战场环境数据，即达成环境数据的按需服务。环境数据的按需服务是气象水文战场环境构件系统的一个重要特征。这要求实现这种功能的数据“裁剪”工具能很好地适应训练想定的要求，并能支持实时训练需求以达到预定的训练目标。用来“裁剪”综合环境数据的工具要确保数据在五维空间的物理一致性(五维空间指时间、地理三维空间、作战参数)。

2)模拟训练中的“按需供给” 气象水文战场环境管理服务是面向仿真用户的战场自然环境访问统一入口。模拟训练中将由气象水文战场环境管理服务按照不同专业、多层次用户的需求，统一提供多分辨率、动态、实时、可交互的气象水文战场环境基础服务和决策服务。其中一部分的决策服务来自于网上实时参加模拟的气象水文保障力量。

2 气象水文环境的体系构建

气象水文战场环境由数据层、管理层、服务层和交互层组成，其体系结构如图2所示。其功能包括基础与动态气象水文空间信息的获取、处理、分析与提供、气象水文空间信息图层的显示以及气象水文空间影响作战、武器评估的数据提供等。气象水文战场环境应满足三个方面的服务需求:满足网上气象水文空间战场环境数据保障的需求、满足系列模拟系统对气象水文空间战场环境信息平台的需求、满足联合开发应用系统对标准的需求。

2.1 数据层

本层为上层提供气象水文战场环境数据服务，它包括两类数据:气象水文战场环境数据服务和知识服务。

2.1.1 气象水文战场环境数据服务

气象水文战场环境数据包含全国地理信息数据、环境保障对象数据、环境保障实体数据、各种气象水文要素预报及实况、各种气象水文预报产品等。数据存储使用面向综合自然环境(SNE，Synthetic Natural Environment)的数据库，由气象水文公共元数据和气象水文指挥元数据组成。该数据服务采用基于“数据联邦”的气象水文数据管理机制进行数据的管理，可以解决分布、异构数据的一致性［3］，如图3所示。

图2 气象水文战场环境体系结构

图3 战场气象水文环境数据服务

联邦体能使得各数据源在自身属性和行为保持不变的前提下，纳入统一的管理与使用。同时，联邦体通过门户节点，为外部提供战场气象水文环境数据服务。

数据服务层内部可分为联邦体门户与数据源节点两层结构。

第一层是联邦体门户。联邦体门户负责接收并响应战场气象水文环境数据获取的请求。门户节点上保存数据联邦体数据源的元数据信息，不保存战场气象水文环境数据本身，门户将气象水文数据请求引导到联邦体第二层数据源节点上，不同来源的数据对应不同的数据源。待数据源节点返回数据后，门户节点以XML文件报文的方式将来自一个或多个数据源数据进行汇总，发送给数据请求用户。同时，门户还负责管理维护数据源节点、监控数据源节点的工作状态。

第二层为数据源节注入器。数据源节点按照标准规整存放对应来源的原始数据。将各种来源的战场态势数据和气象水文环境原始数据进行整理、并导入联邦体对应数据源节点的过程，称为联邦体的“数据注入”。数据注入使用的程序定义为“注入器”。将抽象出注入器的顶层接口，重点实现气象水文实况数据注入器、预报结论注入器和一种武器装备的气象水文敏感数据注入器［4］。

2.1.2 知识服务

知识服务是为上层的决策服务提供知识，它存储着气象水文环境要素对武器平台的影响规则、气象水文环境对作战任务的影响模型数据等知识，为气象水文的辅助决策准备知识数据。

影响规则是指主战武器或作战任务对气象水文环境要素依赖的程度，例如飞行任务要求能见度大于多少、云高必须大于多少等一些简单的气象水文保障规则。

影响模型数据是指对某项作战任务的影响计算提供的基础运算数据或对某气象分析的基础数据。

2.2 管理层

该层为服务层提供按需定制管理，并生成定制的气象水文战场环境。它包括气象水文环境服务调度管理、环境剧情生成管理、环境演员、环境保障实体接口。

1)气象水文环境服务调度管理该模块是为上层服务提供的服务定制管理，实现按需服务的要求，按照上层的服务请求，选择性的调用环境剧情生成管理模块，从而生成可裁剪的气象水文战场环境，达到战场环境仿真的目的。它还要完成服务请求的整合、服务的发布订阅功能。

2)环境剧情生成管理该模块是根据仿真的要求调用不同的环境演员来实现不同气象水文战场环境的生成，不是真正的环境生成实体，还只是个调用管理模块，它同样对需要的环境演员进行整合、剔出等操作，以达到环境生成的一致性。

3)环境演员该模块是战场环境的真正生成实体，根据定制需求即作战剧情生成相应的战场环境，是该层中最核心的模块，它涵盖着地形环境、大气环境、海洋环境、太空环境等的物理模型。

地形环境的物理模型主要用于武器实体的地形推理(Terrain Reasoning)，包括静态地形和动态地形。静态地形模型主要描述地形中各种对象的几何特征、材质属性等，动态地形主要涉及武器实体的行为和环境内部动态对地形造成的变化，如炸弹的爆炸摧毁道路，降水改变土壤湿度等。高逼真度的动态地形中包括土壤和水文模型主要考虑降水、气温等因素对土壤强度、湿度等状态的影响，进而对地面上车辆的机动性能造成影响［5］。例如短时机动性能预测(SOFT，Short-Term Operational Forecasts of Trafficability)模型是一个预测土壤物理属性动态变化的模型，这些物理属性被用来预测轮式或履带式车辆的机动性，如图4所示。

图4 对履带车辆的通过性预测

大气环境本质上是在时间和空间上连续变化的场，其物理模型可以采用数值在时间上变化的一系列网格点数据表示，也可以采用数值气象模型表示。海洋和空间环境与大气环境性质类似，一般也用基于网格的历史数据或观测数据表示。

4)环境保障实体接口该模块是本构件接入环境保障实体(气象水文保障力量单元)的接口，接入方式可以使用公共平台上的文电传输或会商，以此达到对气象水文保障力量的指挥控制的目的。

2.3 服务层

本层为交互层提供气象水文战场环境基础服务和气象水文战场环境决策服务，为其直接提供环境数据。

1)气象水文战场环境管理服务该模块根据交互层提出的服务请求，按需调用基础服务和决策服务，以满足用户的交互要求。它还要完成服务请求的整合、服务的发布与订阅功能。

2)气象水文战场环境基础服务该模块为交互层的显示提供各种气象水文基础信息，包括气候数据、各站点实况、区域气象要素预报、单站气象要素预报、与任务相关的预报及实况、各气象要素分析;为气象水文参谋和指挥员提供友军、中立方和敌军的地面、海上、空中部队的当前位置，以及所有可用的状态信息，可能影响友军、中立方和敌军的地面、海上、空中部队部署的气象水文保障力量、保障装备等基础信息，例如各种雷达、气象水文保障人员、气象水文卫星、机动气象水文分队;气象水文保障任务信息，例如飞行保障任务等。

3)气象水文战场环境决策服务该模块为交互层提供满足不同类别和层次需求的系列化、标准化气象水文战场环境决策服务，即横向支持军事训练，作战分析与武器仿真，纵向支持从战略、战役、战术到技术层的气象水文战场环境生成、影响评估与辅助决策服务。

对作战行动的描述、解析作战过程与结果的应用，气象水文战场环境对作战单元、武器平台及其执行作战任务的影响评估，以及气象水文战场环境对指控、机动、火力、防护、情报侦察等作战要素的影响评估。

根据战场气象水文空间实况服务层可为作战单元提供所需的战术决策支持，并能投影出当前天气的影响范围、影响强度和影响目标，精确地描述气象因素对作战(空间、空中和地面)的影响，其中包括考虑飞机的最小可升限和可视范围，以及环境对通信的影响，还可设定预想天气条件以便分析模拟敌我的作战能力。

针对不同的作战单元，服务层模块自动提供相应的军事气象信息。例如:陆军需要了解的行进路线中的地形地貌、土壤土质、河流桥梁和道路路面因天气等因素影响及损毁情况;空军则需提供航线的天气情况、目的地的能见度情况、目标物的地理环境特征情况等。同时提供具体的战场自然环境数据对各种作战单元的影响。例如海流的特性对登陆部队的训练时间、批次间隔、泅渡方向、泅渡时间和距离、救护措施等的分析计算;舰队在不同海洋、气象条件下的编队组成、完成任务的航线选择、海洋声道的利用、避风和防浪措施(尤其在风暴潮时期)的制定;导弹在运输、发射准备和发射过程直接受到天气的影响程度计算等。

2.4 交互层

该层直接面向用户，可提供气象水文战场环境构件的可视化操作。构件使用二维和三维的表现方式来描绘气象水文战场环境，对于某些无法用图形化的方式表现的预报产品使用数据表项来描绘。该构件最后呈现在用户面前的是一个丰富可交互的基于GIS的气象水文战场环境公共态势图。在该态势图上应该显示:战场地形环境信息、战场气象水文环境信息、战场气象水文保障实体信息、战场气象水文保障对象实体信息、战场气象水文保障任务信息、战场气象水文预报及实况数据、战场气象水文影响信息等。