海洋环境平行监测体系架构及应用

2018-04-09苏振东杨瑞平王飞跃

指挥与控制学报 2018年1期

苏振东　杨瑞平　王飞跃

占据地球表面积约70%的海洋蕴藏着丰富的各类自然资源,如石油、天然气、可再生能源和稀有金属等,同时也为人类的生存发展提供了大量的海洋食用资源.尤其是在陆地资源走向枯竭和环境不断恶化的今天,世界各国纷纷将目光转向海洋.开发海洋资源、发展海洋经济成为沿海国家发展国民经济的重要举措[1].

为了进一步认识海洋和开发海洋,各国科学家开发了各种海洋环境监测设备,如测波仪、测温仪、盐度计、地貌仪和鱼探仪等.利用上述设备、搭载平台和网络通信系统,构建了具有不同功能的海洋监测系统,如20世纪80年代中期,联合国教科文组织政府间海洋学委员会、世界气象组织、国际科学联合会理事会和联合国环境规划署共同发起并组织实施的全球海洋观测系统(GOOS)计划.以及在GOOS计划框架内,联合国教科文组织政府间海洋学委员会于1998年提出并开始实施的漂流浮标计划 (ARGO)[2−4].

海洋环境监测系统按照空间位置分为岸基、海基和空基3类.岸基海洋环境监测子系统由岸基水文气象监测点、海洋台站、雷达站、海气边界层监测站以及岸基移动设备等节点构成;海基海洋环境监测系统由各类浮标和潜标、海上平台观测系统、海底观测系统以及移动观测装备等节点构成;空基海洋环境监测子系统由各类航空遥感装备节点构成.

两个或两个以上的海洋环境监测系统,以任务为牵引,以通信网络为介质,有机组合成为海洋环境监测体系.海洋环境监测体系也被称作海洋环境监测网络,是在保卫国家海上安全、维护国家海洋权益、发展海洋经济、提高海洋防灾减灾能力对海洋环境信息的需求牵引下,由各种海洋环境监测设备、平台构成的传感器网络,利用现代通信技术,实现对海洋环境数据的不间断、周期性采集,为形成多样化的海洋环境信息服务产品提供基础数据支撑.海洋环境监测体系中可以包含岸基、海基和空基海洋环境监测系统.典型的海洋环境监测体系设备节点构成如图1所示.

1　海洋环境监测体系优化需求

图1　海洋环境监测体系设备节点构成示意图

海洋环境信息数量和质量直接影响人类对海洋环境的了解和掌握程度,是人类开发海洋资源、保护海洋环境、组织海上军事行动和制定海洋政策的主要决策依据.随着海洋科学技术的迅速发展和海洋应用需求的急剧膨胀,海洋环境信息的重要性愈加突出.海洋环境监测体系作为海洋环境信息获取手段,各国政府和军队投入巨量经费建立了形式多样的海洋环境监测系统,以保证对海洋环境的有效监测和对海上军事经济活动的高效保障.

建设海洋强国,有效开发、利用和保护海洋,必须首先认识并掌握海洋自身所具有的环境特点和变化规律.这就要求我们建立高效的海洋环境监测体系,准确、可靠、及时地获取海洋环境信息,为保卫国家海上安全、维护国家海洋权益、发展海洋经济、提高海洋防灾减灾能力打下坚实基础.

大规模海洋环境监测体系建设和日趋频繁的海洋活动对海洋环境监测的高度依赖,亟需解决以下3个方面的海洋环境监测体系优化问题.

1.1　监测体系规划

各种海洋环境监测系统建成并投入使用,这些系统各自独立运行没有互联互通，由此形成了一个又一个的“烟囱”.一方面,造成了资源的极大浪费;另一方面,对海洋自然环境带来了严重破坏.解决该问题的根本出路是:在国家层面,以及在各海洋环境监测重点区域,开展海洋环境监测体系顶层规划,统筹海洋环境监测系统建设,实现不同系统之间的资源共享和信息共享,形成无缝连接的海洋环境监测网络体系.

对于多个海洋环境监测体系建设方案来说,需要采用科学方法和工具,以及尽可能低的时间和经济成本,研究分析最合适的建设方案,或对不同方案进行优化组合,既满足各方面各层次的需要,也能尽可能减少重复建设和资源浪费.

1.2　监测任务应对

针对特定任务对海洋环境信息的需求,如果已有海洋环境监测体系无法提供合适的海洋环境信息.这就需要对已有海洋环境监测体系进行优化完善.但是,如何完善该体系？在现有体系中加入什么类型、什么功能的海洋环境监测设备就能满足需求？该监测设备部署在现有体系的什么位置最合适？这就要求我们采用科学手段对已有海洋环境监测体系进行优化分析和验证,并付诸实施,以满足任务需要.

1.3　突发故障解决

海洋环境监测体系突发故障表现为体系中监测设备故障或系统故障.这种情况下,需要采用科学手段,尽可能快地找出最小成本情况下、可行的最佳解决方案,并将方案作为解决海洋环境监测体系突发故障的实施依据.

2　体系优化概念和主要方法

海洋环境监测体系优化,也可称之为海洋环境监测装备体系优化.海洋环境监测装备体系优化属于装备体系优化范畴.装备体系优化是充分发挥装备体系效能、提高装备体系业务能力的重要途径.

2.1　体系优化概念

文献[5]认为,装备体系优化的核心思想是比较和选择.将装备体系优化分为体系结构优化和面向任务的优化配置两类.其中,体系结构优化立足体系宏观层面,针对体系组织结构,装备优化配置立足体系应用层面,针对具体任务.

文献[6]认为,装备体系优化是寻求装备体系在结构、比例、技术水平、数量、编配等方面达到整体最优的过程.

文献[7]指出,装备体系优化是一个复杂的多目标、多约束条件优化问题,装备体系优化主要满足4个方面的目标:一是体系能力结构优化,用于满足各种任务需求;二是体系组成结构优化,提供满足能力结构要求的合理装备组成;三是体系规模结构优化,在一定能力需求和经费约束下,寻求体系中各类装备的合理数量和最优比例关系;四是体系质量结构优化,给出合理的新老装备数量搭配比例.

2.2　体系优化方法

文献[8]系统梳理了当前用于装备体系优化的7种方法,分别是:三层综合优化法、探索性方法、可执行模型法、仿真优化法、多层次多阶段方法、多目标协同优化方法和数学规划法.比较了上述方法的适用范围、选用模型的类型、模型关键要素及其优点和不足等.

文献[9]针对复杂体系的3个发展阶段,提出了3类优化问题,通过研究体系结构、体系能力和体系效能之间的内在关系,给出了体系优化的思路,建立了以体系效能为优化目标的复杂体系优化模型.

3　海洋环境监测体系优化方法

3.1　传统体系优化方法应用思路和特点

传统体系优化方法应用于海洋环境监测体系优化,可以采用建模仿真、运筹分析等方法共同完成.

对于由多个系统组成的海洋环境监测体系建设方案论证之初,首先采用任务–系统–能力矩阵方法,根据任务、系统和能力之间的对应关系,选择满足任务要求的多个子系统,这些子系统按照能力搭配进行组合,形成满足复杂任务要求的多个监测体系建设方案.然后采用多方案优选方法,建立体系效能评估标准;运行仿真模型、解析模型或综合评价模型,对各方案的效能、风险、费用等进行综合评估,从而选择出最优的体系建设方案.

面向特定任务,对已有海洋环境监测体系进行优化以提升能力,可以采用仿真优化方法.建立体系仿真模型,然后根据事先设计的试验方案反复试验,通过观察体系输出来获得优化的体系方案.还可以采用探索性分析方法,探索各种不同监测体系结构参数组合变化对监测结果的影响,使决策者对监测体系结构变化的整体情况对完成使命任务的影响有较为全面的认识,从而提高决策的适应性和灵活性.

上述传统的体系优化方法需要建立体系网络和节点设备模型,依据模型运行结果进行分析.对于海洋环境监测体系这类复杂大系统来说,如果采用传统的体系优化方法,则势必导致建模工作量巨大,前期投入的人力和物力都非常高,且对人员综合素质要求较高,开展方案优化的论证人员需全面了解海洋环境监测体系现有装备、技术发展、可能经费支撑、海上行动任务目的等多方面情况.更重要的是,如果模型可信度不高,仿真运行偏差较大,则最终得到的所谓体系优化方案也没有太大意义.

3.2　基于平行系统的体系优化方法

分析海洋环境监测体系这类复杂大系统是一项艰巨的工作.受时间、经费和认知能力等条件限制,研究人员难以基于上述传统的体系优化方法,建立大量高逼真度模型来描述海洋环境监测体系,并进一步通过模型的运行实现对海洋环境监测体系结构的优化分析.

针对上述问题,王飞跃教授提出了复杂系统建模与调控的平行系统理论,该理论的基本思路是将人工系统作为建模工具,以数据为驱动,采用计算实验方法进行分析评估,实现真实系统与人工系统之间的交互,对二者之间的行为进行对比和分析,完成对各自未来状况的“借鉴”和“预估”,相应地调节各自的管理与控制方式,达到方案优化的目的[10−13].

基于平行系统理论研究复杂系统时,所表现出的特点是:一方面,不必刻意追求人工系统与实际系统在模型上完全相同或高度逼真,只要求两者在规模、行为方式和系统特性等方面具有一致性,由此较好地解决了建立大量高逼真度模型的难题.另一方面,在平行系统运行过程中,人工系统的角色从被动到主动、运行方式从静态到动态、交互方式从离线到在线,相互关系从从属地位到相等地位,人工系统的作用得到充分发挥.

平行系统理论和方法已经成功应用于石化、交通、能源等领域,用于解决复杂系统的管理控制和优化等问题,参见文献[14]−[16].

平行系统理论和方法用于优化海洋环境监测体系的思路是:建立海洋环境人工监测体系,与真实海洋环境监测体系并行运行,形成海洋环境平行监测体系,基于该平行监测体系平台,通过学习与训练、管理与控制、实验与评估等方法,实现两者的交互,最终完成对真实海洋环境监测体系的优化.海洋环境平行监测体系框架如图2所示.

也就是说,人工海洋环境监测体系与真实海洋环境监测体系两者之间的交互运行,构成完整的海洋环境平行监测体系.海洋环境平行监测体系的运行实际上是人工海洋环境监测体系和真实海洋环境监测体系同时运行.这一运行过程是建立问题、分析判断问题、获得运行结果的过程.

图2　海洋环境平行监测体系框架

4　海洋环境平行监测体系运行

海洋环境平行监测体系运行包括人工监测体系模型构建和可信度验证、计算实验和平行执行共3个方面.

4.1　模型构建

构建人工海洋环境监测体系所需要的模型,不以和建模对象的高逼真度为唯一目的,因此,模型的应用不会受到高逼真度的要求,只要求真实体系和人工体系在功能和行为上的“等价”.海洋环境人工监测体系模型包括以下5类.

1)监测设备类模型

海洋环境监测体系所使用的各种监测设备的模型.重点描述这些设备海洋环境的感知能力.

2)体系结构模型

描述海洋环境监测体系中各种设备和平台的连接配合方法、协同运用方法、相对位置、数量比例等关系.

3)海洋自然环境模型

描述海洋中各种自然现象的模型.包括对海洋水文、海洋气象和海洋声学等的描述.

4)海洋目标模型

描述海洋中的各种水面船只、潜艇、飞机等的物理特性.

5)数据规则库

上述4类建模对象的历史数据、监测体系运行规则和专家经验、专业知识等信息,统一存储在数据规则库中.

人工海洋环境监测体系运行前,必须对其模型进行校正,以保证其与真实海洋环境监测体系的等价性.许多方法可以实现标定和校正工作：采用真实海洋环境监测体系运行数据,对人工海洋环境监测体系不断修正和滚动优化,最终使人工体系与真实体系达到输入和输出的“等价”.

根据数据来源的不同,校正人工海洋环境监测体系模型的方式有两种:一是人工海洋环境监测体系离线学习真实海洋环境监测体系已有的历史数据进行校正;二是选取正在运行的真实海洋环境监测体系的数据,作为人工海洋环境监测体系的输入,在线校正人工海洋环境监测体系.在上述模型校正过程中,真实海洋环境监测体系对人工海洋环境监测体系起指导作用.

上述模型校正过程并不是针对某一个模型,而是从人工海洋环境监测体系模型的“个体一致性”和子系统的“局部一致性”校验出发,逐步发展到对人工海洋环境监测体系模型的“整体一致性”进行校验.即从各个基本模型组件校验开始,到对每个子系统结构合理性及功能进行验证,最终完成人工海洋环境监测体系与真实海洋环境监测体系整体结构和功能的“等价”校验.

4.2　计算实验

在人工海洋环境监测体系与真实海洋环境监测体系达到输入和输出的“等价”后,人工海洋环境监测体系成为了一个可控实验平台,利用该实验平台,通过改变监测装备体系参数,设计各种各样的实验,多次重复该实验并以统计的方法对结果进行分析,实现对海洋环境监测体系变化的定量研究.如海洋环境监测体系在装备结构、比例、技术水平、数量、编配等方面的调整带来体系监测能力的变化;预测突发性监测装备体系变化对系统体系监测能力的干扰,以及评估对应的方案和措施.以此作为依据，确定最终的优化决策.

4.3　平行执行

针对方案优化,海洋环境平行监测体系运行过程如图3所示.

在海洋环境平行监测体系运行过程中,人工海洋环境监测体系等同于真实海洋环境监测体系,真实海洋环境体系中方案选取或优化改进都是建立在人工海洋环境监测体系评估的基础上,以上一阶段的评估结果作为主要依据.找到真实海洋环境监测体系优化方案,为监测体系建设提供决策依据,或为实际海洋环境监测体系的调整优化提供参考依据.

5　海洋环境平行监测体系应用

海洋环境平行监测体系作为研究平台,能够完成海洋环境监测体系优化的各种需求.

5.1　多系统顶层规划

图3　海洋环境平行监测体系对方案的优化过程

决策机关需要对各级各部门上报的海洋环境监测系统建设方案统筹优化.首先将各系统合并为一个未优化的海洋环境监测体系,以海洋环境平行监测体系为平台,对未优化的人工海洋环境监测体系不断进行实验,在实验过程中观察数据情况并调整体系参数,如此反复,最终实现在不降低能力要求的情况下,逐步促使未优化的海洋环境监测体系实现整体最优,从而达到统筹规划多个海洋环境监测系统方案的目的.

5.2　应急任务下的体系调整

在海上应急抢救任务中,在要求的时间窗口内,需要高密度高精度实时监测实施应急抢救任务所在海域的气象水文情况,并提供给应急抢救指挥部.这种要求下,要求对该海域的海洋环境监测体系进行调整,以满足任务需要.

利用海洋环境平行监测体系,管理人员可以实时在人工海洋环境监测体系中实时推演该紧急情况下的体系优化调整措施,并根据结果分析,将验证后的优化调整措施应用到真实海洋环境监测体系中.

6　结论

本文以平行系统理论为基础,提出并构建了海洋环境平行监测体系.为海洋环境监测体系优化提供了更有力的方法支撑.实践应用表明,海洋环境平行监测体系的应用极大地减少了海洋环境监测体系优化分析所需人力和资金投入,进一步提高了监测体系优化结论的可行性和可操作性.

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