舰船航行环境动态要素信息建模方法综述*

谭 笑 王 勇 尹东亮

（海军工程大学作战运筹与规划系 武汉 430033）

1 引言

随着世界经济全球化的发展，我国的海运事业也开始迅速发展，因而对海上航行的安全、经济要求日益提高；在海上军事行动时很容易受到复杂海面环境因素影响，这种情况下怎样确保舰船安全抵达预定海域，执行作战任务，是取得海上战争胜利的前提条件。

航海学是研究选择一条理想的航线，并引导舰船安全而又经济地从出发点到目的地的理论和方法。军事航海学是把航海技术应用于海上军事活动的一门学科。舰船航行环境是指沿岸、狭水道、岛礁区、能见度不良、冰区和极区等复杂地理及复杂水文气象条件下的舰船航行环境。地理信息科学技术被应用到海洋领域，与海洋的特性相适应而发展起来的相关理论与技术，被称为海洋地理信息系统，对应于海洋领域的数据管理、现实模拟、综合分析和开发管理等。大数据时代的地理空间信息学为海上军事活动，尤其是复杂条件下舰船导航和航线规划提供了新的理论和方法支撑。

船舶导航系统有很多种，目前应用比例较高的包括全球卫星导航系统、罗兰C无线电导航系统、数字导航雷达（ARPA）、电子海图显示信息系统（ECDIS）以及综合导航系统等，其中ECDIS具有纸质海图无法比拟的优越性能，如可将罗经、AIS、GNSS、计程仪等导航设备的信息集成显示，实现综合导航，同时可以记录航行数据、进行航路监控等，如图1所示。

图1 电子海图显示信息系统

2 海洋动态环境信息建模

影响舰船航行安全的动态海洋环境研究主要集中在水深和台风信息建模和分析方面。海水深度对船舶安全航行会产生显著影响，传统方法确定航水深时，主要是结合海图水深和潮汐表查询方法而实现［1］。潮汐模型可依据其特征而分为经验模型、纯动力学模型和同化模型等类型，其中第一种单纯基于观测数据建立。经验模型的特征表现为在观测点上的精度较高，不过容易受到验潮站布置因素的影响。纯动力学模型的网格密度不会受到明显的限制，因而对研究波长较小区域相关潮汐分布的适应性强。不过在实际应用中，受到浅水区域摩擦系数、粘性系数等复杂多变因素的影响，其精度并不高。同化法在处理过程中有效地融合了理论模型和测量值，使得模型的质量显著的提高，同时还结合了经验法的真实性，因而在研究浅水区域潮汐规律方面有很高的适应性。张立华提出了瞬时水深模型的概念［2］，并采用基于POM模式和“Blending”同化法进行模拟分析，且在适当简化处理后建立了中国近海潮汐模型，提出了一种高精度瞬时水深模型的构建方法。王代锋建立常规和基于潮汐表数据同化的天文潮数值预报模型［3］，并分别采用这两种模型预报福建沿岸海域的天文潮，但没有考虑受气象因素影响的余水位改正。张安民［4］在进行e-航海动态信息服务研究过程中，综合了POM模式和同化法，且在一定简化假设基础上给出了区域潮汐模型，然后进行改进而提出动态水深模型。

目前，台风风场模型研究领域，主要侧重于模拟分析和结果精度方面。近年来相关台风灾害风险区划的研究开始受到关注。一些学者分析了灾害风险的严重性以及其可能导致的损失，然后对风险灾害进行分级，确定出各等级风险范围，为风险应对处理提供支持。江应境等［5］在研究过程中建立了动态权重的台风路径预报模型，且对其性能进行实证分析。高珊等［6］则应用地理信息系统进行台风灾害分析，基于所得结果建立相应模型。马娟娟等［7］在数据统计基础上，分析了台风特点和引发的影响情况，联合Flex技术开发出一套台风预警系统。王中山［8］在研究过程中建立了一个Shapiro台风风场模型，联合地理信息系统进行台风灾害的模拟分析，且确定出其影响区域情况，然后根据影响严重性进行等级划分。张进峰［9］则研究了大风浪情况下船舶的操纵特征，进行一定模拟分析而提出了近海船舶避台航线优化算法。

可以看出，当前对潮汐和台风等海洋动态环境研究在海洋学和气象学领域以物理建模和数值仿真为主；潮汐研究主要是结合数值预报和海图数据着重提高预报精度；航运领域重点考虑船舶在大风浪中的耐波性和操纵因素来研究避台航线优化模型。面向复杂条件下舰船航行安全的环境建模，当前重视专业数值预报研究，但是对海洋动态环境信息模型表达的精准性以及数据、模型接入应用的实时性，需要进一步提高，迫切需要研究从多源、异构的水文气象预测、预报数据到可实时接入的信息模型的构建问题，为切实打通当前舰船航行环境保障数据、资料从接收到协同、高效运用的“最后一公里”探索新的理论和方法。

3 海洋GIS时空数据模型

20世纪90年代初，LANGRAN G进行总结而提出时空立方体、快照序列、时空复合等几种典型的时空数据模型，这也为其后地理信息系统领域，时空数据模型的研究和应用打下良好的基础。为更好地满足应用要求，一些学者扩展了基本时空数据模型，对应的扩展模式包括综合集成法、变换表达法、变换语义法等。在不断改进和扩展基础上，出现多种与快照状态、地理对象、事件和过程相关的时空数据模型。朱庆［10］将时空变化作为一种新的地理信息对象，系统研究面向时空变化的GIS数据模型，显式刻画时空变化机制，深入分析时空变化的参与对象、驱动力与呈现模式，对时空变化进行高层次抽象，建立特征、过程和事件三域语义关联的GIS时空数据模型，设计变化语义感知的时空索引方法。根据此方面的资料分析可知，面向时空变化的这种模型在飞行终端区复杂环境建模、视频GIS建模、火灾疏散路径优化和室内复杂环境导航等方面得到发展和实例化验证。

海洋GIS时空数据模型是由GIS时空数据模型进行改进而形成的，在其后研究中一些学者提出针对海洋环境进行高效描述的海洋时空数据组织模型，这种模型也成为海洋GIS研究的基础。近年来，该方面研究向着海洋空间上的多维和时间上的动态这两个方面发展，同时关注海洋时空数据的尺度特征，且基于各领域的应用要求，而建立了针对性高效的时空数据模型。根据海洋GIS所要表达的环境要素的特点，这些模型可以概括为动态对象模型、场模型、以过程为核心的时空模型三类。

第一类，动态对象模型。冯文娟等［11］以面向对象的方式，且具体分析特征数据的形状而对这种模型进行划分，分为点、线、面、体特征对象模型等，同时在其中引入时间参数而对变化过程进行描述。Jin等在研究时引入了关系型数据而建立了一种统一时空数据模型，具体论述了这种模型的特征和数据结构相关情况。Dawn等则深入总结了海洋数据来源、特征情况，然后建立了一个ArcMDM海洋数据模型，此模型的特征表现为其中引入了GIS表达地理对象的思想，对海洋要素进行划分后，引入时间参数到海洋要素属性域中，实现了海洋时空数据的查询、可视化、处理及分析。Yuan等则基于Clif⁃ford代数理论进行研究，并根据问题处理要求，而建立了一个时空统一表达的结构模型，同时对其数据组织与存储结构进行设计，而实现各要素一体化表达的目的，在最短路径优化中，应用了这种代数模型，取得良好的效果。

第二类，动态场模型。邬伦等考虑不同专业领域的时空动态过程模拟的需求，提出一套以栅格数据文件为基础，同时综合应用关联表、点数据文件等，而提出一种动态数据建模方法，设计了一种能嵌入在GIS系统的空间动态模型语言。仉天宇在研究时对海洋GIS的要求和规范进行总结，据此建立了一个针对性强的海洋场模型，该模型在应用过程中引入了应多级格网数据，可以从宏观角度对海洋现象的大尺度变化情况进行观察分析。季民［12］建立了一种基于格网的时序快照修正模型与海洋GIS框架，接着在一定案例分析基础上证明了该框架模型的性能和适用性。Cova等则建立了一个模型来关联起地理空间对象和场，在实际应用过程中可以通过其映射处理连续场中的空间位置到离散目标，可以据此提供点、线、多边形相关的数据模型而满足用户不同条件下的应用要求。Kjenstad则结合场和对象而建立了一种表示模型，可通过其对连续和离散的地理实体进行描述。

第三类，以过程为核心的时空数据模型。以过程为核心，尝试在时空语义和表达框架体系中纳入地理实体变化机制，把事件序列、区域动态现象、地理时空单位、过程序列、时间序列、过程对象-实体演变序列等作为载体建模、表达和存储，从而高效的表达地理对象的动态变化。刘文亮等［13］则建立了一种基于过程的海洋时空数据模型，且详细统计分析了相应海洋数据来源、处理情况，同时依据特征数据的形状进行划分，而将此类数据模型划分为点、线、面、体特征对象模型，从而对地理实体的变化过程进行精确的描述，可以利用此模型来对海洋现象全面充分的研究。薛存金［14］在研究设计对上述模型进行改进，而建立了基于过程的海洋时空过程数据模型，该模型在处理中泛化了海洋过程，且对海洋过程进行适当的抽象处理，而抽象为过程状态、过程序列、过程阶段对象等。然后对模型的逻辑结构、时空操作等相关情况进行具体分析，接着依据原模型而对海洋锋、涡漩相关的过程进行模拟，为此类问题的处理提供支持。Karssen在对现实世界的现象演变过程进行研究时，引入一种基于场的时空演化模型，且对此模型相关的软件框架进行描述，据此来对观测值和模型结果进行同化处理。龚健雅等［15］在进行相关研究时，在同一个时空数据模型中，集成了地理对象、事件、事件类型、状态各方面要素，且进行适当的整合而引入新实时GIS。接着以四种动态地理对象相关时空数据的接入、存储等为例做了实证分析，据此而验证了所得模型的应用价值。

通过以上分析，可以看诸多学者针对不同的应用领域对时空数据模型作了大量富有成效的研究，海洋时空数据模型研究主要集中在针对渔业应用、海洋大气现象等时空过程的抽象和模拟，缺乏专门针对舰船航行安全的动态环境要素时空数据模型。动态航行环境数据的实时接入是为了感知可能发生的环境变化及其对舰船安全航行所构成的威胁态势，这种威胁态势是对航行环境动态要素语义的抽象，也是航行中对舰船航行安全的聚焦，这种实时变化的航行安全态势需要动态环境要素数据中全息抽象、精准建模、自适应表达。因此，需要在航行环境动态要素数据的基础上构建航行环境威胁态势信息模型。

4 结语

综上所述，随着航海导航技术的不断发展，各类航海保障设备日益增强、航海保障数据不断丰富，极大地保证了舰船航行安全。但是，在动态变化的复杂条件下航行时，航海人员对航行环境和安全态势的感知仍然依赖于导航信息在ECDIS上的叠加显示、查阅航海图书资料和预报图表以及传统的航迹绘算和海图作业，然后以人工决策的方式对航行环境变化进行分析。人工查阅或计算多种环境要素资料、数据的过程繁琐，甚至可能因为航海人员缺乏经验或疲劳、疏忽造成错误，使得航行环境威胁态势信息的实时性、精准性和可视性不高。如果将舰船航行环境威胁态势及其变化作为一种地理对象进行信息建模和显式表达，有望突破传统ECDIS隐式表达航行环境威胁态势的局限，实现向直接表达动态航行环境为主并显式描述威胁态势变化机制的转变。