趙旭赟，趙斯強，阮長明，劉 慧

(海軍指揮學(xué)院，江蘇 南京 210016)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)環(huán)境是一個涵蓋陸地、海洋、天空和太空等多維自然空間，包括自然地理、氣象水文、核化生、電磁和網(wǎng)絡(luò)等多種環(huán)境要素［1］。若自然地理環(huán)境是作戰(zhàn)環(huán)境的空間基準，則氣象水文環(huán)境則是自然地理環(huán)境的有機組成，氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境仿真已成為作戰(zhàn)環(huán)境仿真不可或缺的重要內(nèi)容。在美軍軍事訓(xùn)練中，戰(zhàn)場環(huán)境是軍事訓(xùn)練的依托，是訓(xùn)練展開的時空維度，是連接“訓(xùn)練場”到“戰(zhàn)場”的中樞環(huán)節(jié)，具有特殊重要的地位。因此，開展氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境的建模與仿真研究，構(gòu)建具有高可信度和可用度的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境模型體系，對于增強和改善軍事訓(xùn)練信息系統(tǒng)中的戰(zhàn)場環(huán)境仿真服務(wù)功能，提高模擬訓(xùn)練的質(zhì)量具有重要意義。

1 氣象水文因素提供的服務(wù)

在軍事訓(xùn)練信息系統(tǒng)中，加入氣象水文因素目標是提供虛擬的公共氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境服務(wù)，包括三個層次的內(nèi)容:氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境基礎(chǔ)服務(wù)、氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境決策服務(wù)和氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境管理服務(wù)。

1.1 氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境基礎(chǔ)服務(wù)

在軍事訓(xùn)練系統(tǒng)中，戰(zhàn)場自然環(huán)境基礎(chǔ)模型主要包括陸地地形模型、大氣模型和海洋環(huán)境模型。其中陸地地形模型描述的內(nèi)容主要包括地形高度、坡度、交通能力、通視、建筑、道路以及各地域的環(huán)境數(shù)據(jù)等;大氣模型描述的內(nèi)容主要包括高空氣象、地面氣象、晨光昏影、光照和日出日落、煙霧、能見度、化學(xué)和生物分布以及全球大氣環(huán)流動態(tài)數(shù)據(jù)等;海洋環(huán)境模型描述的內(nèi)容主要包括海洋的溫度、濕度、水深、海底底質(zhì)、坡度、海浪、海流、躍層、潮汐、鹽度、密度、海水的聲傳播特性以及海洋磁力和重力場數(shù)據(jù)等。戰(zhàn)場氣象水文環(huán)境由高空氣象環(huán)境、海洋水文氣象環(huán)境以及地面氣象水文環(huán)境構(gòu)成，是戰(zhàn)場自然環(huán)境的重要組成部分，其構(gòu)成如圖1所示。

以氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境基礎(chǔ)服務(wù)為作戰(zhàn)指揮訓(xùn)練模擬提供三個層次的服務(wù)。

圖1 氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)成

1)基于系統(tǒng)層次 直接在訓(xùn)練系統(tǒng)中為各指揮所指揮作業(yè)提供所需的氣象信息，包括戰(zhàn)場氣候背景、站點天氣實況和各種氣象要素分析，為各級指揮員自動收集、處理、分發(fā)氣象觀測信息和氣象預(yù)報產(chǎn)品。

2)基于數(shù)據(jù)層次 通過氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境的氣象水文空間數(shù)據(jù)庫訪問協(xié)議，為各種作戰(zhàn)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)提供作戰(zhàn)區(qū)域各網(wǎng)格點或者各站點的氣象動態(tài)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)、云、能見度、霧、降水和雷暴等氣象要素以及海浪等海洋水文要素等。

3)基于模型層次 為各種作戰(zhàn)模型提供氣象水文環(huán)境對作戰(zhàn)影響的仿真數(shù)據(jù)，包括氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境對各兵種作戰(zhàn)的影響，以及對各主戰(zhàn)武器裝備效能發(fā)揮的影響。

1.2 氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境決策服務(wù)

在軍事訓(xùn)練信息系統(tǒng)中，基于以上氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境基礎(chǔ)服務(wù)，根據(jù)“作戰(zhàn)模擬”的不同分類和層次，最終將提供滿足不同類別和層次需求的系列化、標準化氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境決策服務(wù)，即橫向支持軍事訓(xùn)練、作戰(zhàn)分析與武器仿真，縱向支持從戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)到技術(shù)層的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境生成、影響評估與輔助決策服務(wù)［2］。具體包括以下三方面。

1)軍事訓(xùn)練領(lǐng)域的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境模擬，其目的是突出“人”的訓(xùn)練，仿真、營造出適合于戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)各層面指揮(決策)訓(xùn)練需要的系列氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境，以及適合于技術(shù)層面技術(shù)訓(xùn)練需要的高分辨率氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境。

2)作戰(zhàn)分析領(lǐng)域的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境模擬，其目的是突出“方案”的分析需要，構(gòu)建出適合于戰(zhàn)略層次“決策分析”，戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)層次“方案分析”以及技術(shù)層次“武器運用”四個層次的多分辨率系列氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境服務(wù)。

3)武器仿真領(lǐng)域的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境模擬，其目的是突出“武器”的采辦、作戰(zhàn)運用，構(gòu)建出適合于戰(zhàn)略層次的“戰(zhàn)略武器”、戰(zhàn)役層次的“武器系統(tǒng)”、戰(zhàn)術(shù)層次的“武器單元”以及技術(shù)層次的“裝備單元”模擬所需的逼真的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境。

1.3 氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境管理服務(wù)

由于戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性和模擬應(yīng)用的多樣性，氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境管理服務(wù)將針對具體的訓(xùn)練和仿真應(yīng)用，實現(xiàn)“需求驅(qū)動、按需供給”，具體應(yīng)用時肯定是分專業(yè)、分層次的，各個不同專業(yè)、層次系統(tǒng)對同樣的功能有著統(tǒng)一的基礎(chǔ)平臺(框架)之上的針對各自領(lǐng)域使用要求的功能，以此形成的“系列”滿足“聯(lián)合”的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境總體仿真要求。因此應(yīng)通過“需求驅(qū)動”，不斷推動系列化的應(yīng)用實現(xiàn)。

氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境管理服務(wù)分為兩個階段的“按需供給”。

1)模擬訓(xùn)練前的“按需供給” 使用人員在開展訓(xùn)練模擬前創(chuàng)建或者編輯滿足其特定需求的戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，即達成環(huán)境數(shù)據(jù)的按需服務(wù)。環(huán)境數(shù)據(jù)的按需服務(wù)是氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)件系統(tǒng)的一個重要特征。這要求實現(xiàn)這種功能的數(shù)據(jù)“裁剪”工具能很好地適應(yīng)訓(xùn)練想定的要求，并能支持實時訓(xùn)練需求以達到預(yù)定的訓(xùn)練目標。用來“裁剪”綜合環(huán)境數(shù)據(jù)的工具要確保數(shù)據(jù)在五維空間的物理一致性(五維空間指時間、地理三維空間、作戰(zhàn)參數(shù))。

2)模擬訓(xùn)練中的“按需供給” 氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境管理服務(wù)是面向仿真用戶的戰(zhàn)場自然環(huán)境訪問統(tǒng)一入口。模擬訓(xùn)練中將由氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境管理服務(wù)按照不同專業(yè)、多層次用戶的需求，統(tǒng)一提供多分辨率、動態(tài)、實時、可交互的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境基礎(chǔ)服務(wù)和決策服務(wù)。其中一部分的決策服務(wù)來自于網(wǎng)上實時參加模擬的氣象水文保障力量。

2 氣象水文環(huán)境的體系構(gòu)建

氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境由數(shù)據(jù)層、管理層、服務(wù)層和交互層組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。其功能包括基礎(chǔ)與動態(tài)氣象水文空間信息的獲取、處理、分析與提供、氣象水文空間信息圖層的顯示以及氣象水文空間影響作戰(zhàn)、武器評估的數(shù)據(jù)提供等。氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境應(yīng)滿足三個方面的服務(wù)需求:滿足網(wǎng)上氣象水文空間戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)保障的需求、滿足系列模擬系統(tǒng)對氣象水文空間戰(zhàn)場環(huán)境信息平臺的需求、滿足聯(lián)合開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)對標準的需求。

2.1 數(shù)據(jù)層

本層為上層提供氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)，它包括兩類數(shù)據(jù):氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)和知識服務(wù)。

2.1.1 氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)

氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)包含全國地理信息數(shù)據(jù)、環(huán)境保障對象數(shù)據(jù)、環(huán)境保障實體數(shù)據(jù)、各種氣象水文要素預(yù)報及實況、各種氣象水文預(yù)報產(chǎn)品等。數(shù)據(jù)存儲使用面向綜合自然環(huán)境(SNE，Synthetic Natural Environment)的數(shù)據(jù)庫，由氣象水文公共元數(shù)據(jù)和氣象水文指揮元數(shù)據(jù)組成。該數(shù)據(jù)服務(wù)采用基于“數(shù)據(jù)聯(lián)邦”的氣象水文數(shù)據(jù)管理機制進行數(shù)據(jù)的管理，可以解決分布、異構(gòu)數(shù)據(jù)的一致性［3］，如圖3所示。

圖2 氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境體系結(jié)構(gòu)

圖3 戰(zhàn)場氣象水文環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)

聯(lián)邦體能使得各數(shù)據(jù)源在自身屬性和行為保持不變的前提下，納入統(tǒng)一的管理與使用。同時，聯(lián)邦體通過門戶節(jié)點，為外部提供戰(zhàn)場氣象水文環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)。

數(shù)據(jù)服務(wù)層內(nèi)部可分為聯(lián)邦體門戶與數(shù)據(jù)源節(jié)點兩層結(jié)構(gòu)。

第一層是聯(lián)邦體門戶。聯(lián)邦體門戶負責(zé)接收并響應(yīng)戰(zhàn)場氣象水文環(huán)境數(shù)據(jù)獲取的請求。門戶節(jié)點上保存數(shù)據(jù)聯(lián)邦體數(shù)據(jù)源的元數(shù)據(jù)信息，不保存戰(zhàn)場氣象水文環(huán)境數(shù)據(jù)本身，門戶將氣象水文數(shù)據(jù)請求引導(dǎo)到聯(lián)邦體第二層數(shù)據(jù)源節(jié)點上，不同來源的數(shù)據(jù)對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)源。待數(shù)據(jù)源節(jié)點返回數(shù)據(jù)后，門戶節(jié)點以XML文件報文的方式將來自一個或多個數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)進行匯總，發(fā)送給數(shù)據(jù)請求用戶。同時，門戶還負責(zé)管理維護數(shù)據(jù)源節(jié)點、監(jiān)控數(shù)據(jù)源節(jié)點的工作狀態(tài)。

第二層為數(shù)據(jù)源節(jié)注入器。數(shù)據(jù)源節(jié)點按照標準規(guī)整存放對應(yīng)來源的原始數(shù)據(jù)。將各種來源的戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)和氣象水文環(huán)境原始數(shù)據(jù)進行整理、并導(dǎo)入聯(lián)邦體對應(yīng)數(shù)據(jù)源節(jié)點的過程，稱為聯(lián)邦體的“數(shù)據(jù)注入”。數(shù)據(jù)注入使用的程序定義為“注入器”。將抽象出注入器的頂層接口，重點實現(xiàn)氣象水文實況數(shù)據(jù)注入器、預(yù)報結(jié)論注入器和一種武器裝備的氣象水文敏感數(shù)據(jù)注入器［4］。

2.1.2 知識服務(wù)

知識服務(wù)是為上層的決策服務(wù)提供知識，它存儲著氣象水文環(huán)境要素對武器平臺的影響規(guī)則、氣象水文環(huán)境對作戰(zhàn)任務(wù)的影響模型數(shù)據(jù)等知識，為氣象水文的輔助決策準備知識數(shù)據(jù)。

影響規(guī)則是指主戰(zhàn)武器或作戰(zhàn)任務(wù)對氣象水文環(huán)境要素依賴的程度，例如飛行任務(wù)要求能見度大于多少、云高必須大于多少等一些簡單的氣象水文保障規(guī)則。

影響模型數(shù)據(jù)是指對某項作戰(zhàn)任務(wù)的影響計算提供的基礎(chǔ)運算數(shù)據(jù)或?qū)δ硽庀蠓治龅幕A(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 管理層

該層為服務(wù)層提供按需定制管理，并生成定制的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境。它包括氣象水文環(huán)境服務(wù)調(diào)度管理、環(huán)境劇情生成管理、環(huán)境演員、環(huán)境保障實體接口。

1)氣象水文環(huán)境服務(wù)調(diào)度管理 該模塊是為上層服務(wù)提供的服務(wù)定制管理，實現(xiàn)按需服務(wù)的要求，按照上層的服務(wù)請求，選擇性的調(diào)用環(huán)境劇情生成管理模塊，從而生成可裁剪的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境，達到戰(zhàn)場環(huán)境仿真的目的。它還要完成服務(wù)請求的整合、服務(wù)的發(fā)布訂閱功能。

2)環(huán)境劇情生成管理 該模塊是根據(jù)仿真的要求調(diào)用不同的環(huán)境演員來實現(xiàn)不同氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境的生成，不是真正的環(huán)境生成實體，還只是個調(diào)用管理模塊，它同樣對需要的環(huán)境演員進行整合、剔出等操作，以達到環(huán)境生成的一致性。

3)環(huán)境演員 該模塊是戰(zhàn)場環(huán)境的真正生成實體，根據(jù)定制需求即作戰(zhàn)劇情生成相應(yīng)的戰(zhàn)場環(huán)境，是該層中最核心的模塊，它涵蓋著地形環(huán)境、大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、太空環(huán)境等的物理模型。

地形環(huán)境的物理模型主要用于武器實體的地形推理(Terrain Reasoning)，包括靜態(tài)地形和動態(tài)地形。靜態(tài)地形模型主要描述地形中各種對象的幾何特征、材質(zhì)屬性等，動態(tài)地形主要涉及武器實體的行為和環(huán)境內(nèi)部動態(tài)對地形造成的變化，如炸彈的爆炸摧毀道路，降水改變土壤濕度等。高逼真度的動態(tài)地形中包括土壤和水文模型主要考慮降水、氣溫等因素對土壤強度、濕度等狀態(tài)的影響，進而對地面上車輛的機動性能造成影響［5］。例如短時機動性能預(yù)測(SOFT，Short-Term Operational Forecasts of Trafficability)模型是一個預(yù)測土壤物理屬性動態(tài)變化的模型，這些物理屬性被用來預(yù)測輪式或履帶式車輛的機動性，如圖4所示。

圖4 對履帶車輛的通過性預(yù)測

大氣環(huán)境本質(zhì)上是在時間和空間上連續(xù)變化的場，其物理模型可以采用數(shù)值在時間上變化的一系列網(wǎng)格點數(shù)據(jù)表示，也可以采用數(shù)值氣象模型表示。海洋和空間環(huán)境與大氣環(huán)境性質(zhì)類似，一般也用基于網(wǎng)格的歷史數(shù)據(jù)或觀測數(shù)據(jù)表示。

4)環(huán)境保障實體接口 該模塊是本構(gòu)件接入環(huán)境保障實體(氣象水文保障力量單元)的接口，接入方式可以使用公共平臺上的文電傳輸或會商，以此達到對氣象水文保障力量的指揮控制的目的。

2.3 服務(wù)層

本層為交互層提供氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境基礎(chǔ)服務(wù)和氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境決策服務(wù)，為其直接提供環(huán)境數(shù)據(jù)。

1)氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境管理服務(wù) 該模塊根據(jù)交互層提出的服務(wù)請求，按需調(diào)用基礎(chǔ)服務(wù)和決策服務(wù)，以滿足用戶的交互要求。它還要完成服務(wù)請求的整合、服務(wù)的發(fā)布與訂閱功能。

2)氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境基礎(chǔ)服務(wù) 該模塊為交互層的顯示提供各種氣象水文基礎(chǔ)信息，包括氣候數(shù)據(jù)、各站點實況、區(qū)域氣象要素預(yù)報、單站氣象要素預(yù)報、與任務(wù)相關(guān)的預(yù)報及實況、各氣象要素分析;為氣象水文參謀和指揮員提供友軍、中立方和敵軍的地面、海上、空中部隊的當(dāng)前位置，以及所有可用的狀態(tài)信息，可能影響友軍、中立方和敵軍的地面、海上、空中部隊部署的氣象水文保障力量、保障裝備等基礎(chǔ)信息，例如各種雷達、氣象水文保障人員、氣象水文衛(wèi)星、機動氣象水文分隊;氣象水文保障任務(wù)信息，例如飛行保障任務(wù)等。

3)氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境決策服務(wù) 該模塊為交互層提供滿足不同類別和層次需求的系列化、標準化氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境決策服務(wù)，即橫向支持軍事訓(xùn)練，作戰(zhàn)分析與武器仿真，縱向支持從戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)到技術(shù)層的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境生成、影響評估與輔助決策服務(wù)。

對作戰(zhàn)行動的描述、解析作戰(zhàn)過程與結(jié)果的應(yīng)用，氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境對作戰(zhàn)單元、武器平臺及其執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的影響評估，以及氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境對指控、機動、火力、防護、情報偵察等作戰(zhàn)要素的影響評估。

根據(jù)戰(zhàn)場氣象水文空間實況服務(wù)層可為作戰(zhàn)單元提供所需的戰(zhàn)術(shù)決策支持，并能投影出當(dāng)前天氣的影響范圍、影響強度和影響目標，精確地描述氣象因素對作戰(zhàn)(空間、空中和地面)的影響，其中包括考慮飛機的最小可升限和可視范圍，以及環(huán)境對通信的影響，還可設(shè)定預(yù)想天氣條件以便分析模擬敵我的作戰(zhàn)能力。

針對不同的作戰(zhàn)單元，服務(wù)層模塊自動提供相應(yīng)的軍事氣象信息。例如:陸軍需要了解的行進路線中的地形地貌、土壤土質(zhì)、河流橋梁和道路路面因天氣等因素影響及損毀情況;空軍則需提供航線的天氣情況、目的地的能見度情況、目標物的地理環(huán)境特征情況等。同時提供具體的戰(zhàn)場自然環(huán)境數(shù)據(jù)對各種作戰(zhàn)單元的影響。例如海流的特性對登陸部隊的訓(xùn)練時間、批次間隔、泅渡方向、泅渡時間和距離、救護措施等的分析計算;艦隊在不同海洋、氣象條件下的編隊組成、完成任務(wù)的航線選擇、海洋聲道的利用、避風(fēng)和防浪措施(尤其在風(fēng)暴潮時期)的制定;導(dǎo)彈在運輸、發(fā)射準備和發(fā)射過程直接受到天氣的影響程度計算等。

2.4 交互層

該層直接面向用戶，可提供氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)件的可視化操作。構(gòu)件使用二維和三維的表現(xiàn)方式來描繪氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境，對于某些無法用圖形化的方式表現(xiàn)的預(yù)報產(chǎn)品使用數(shù)據(jù)表項來描繪。該構(gòu)件最后呈現(xiàn)在用戶面前的是一個豐富可交互的基于GIS的氣象水文戰(zhàn)場環(huán)境公共態(tài)勢圖。在該態(tài)勢圖上應(yīng)該顯示:戰(zhàn)場地形環(huán)境信息、戰(zhàn)場氣象水文環(huán)境信息、戰(zhàn)場氣象水文保障實體信息、戰(zhàn)場氣象水文保障對象實體信息、戰(zhàn)場氣象水文保障任務(wù)信息、戰(zhàn)場氣象水文預(yù)報及實況數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場氣象水文影響信息等。

3 結(jié)束語

本文提出的氣象水文環(huán)境構(gòu)建方案，可以為軍事訓(xùn)練信息系統(tǒng)中提供各項基礎(chǔ)服務(wù)，并可以實現(xiàn)構(gòu)建虛擬的氣象水文環(huán)境，從而對模擬的作戰(zhàn)行動產(chǎn)生影響。隨著聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練更加廣泛深入地開展，虛擬的氣象水文環(huán)境影響將會大大提高訓(xùn)練的復(fù)雜性和多變性，從而大大提高仿真訓(xùn)練的效果。

［1］ 劉曉靜，等．海軍作戰(zhàn)環(huán)境學(xué)［M］．北京:解放軍出版社，2009．

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［3］ 王勃，康曉予，張莉．虛擬海戰(zhàn)場態(tài)勢三維顯示系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012，36(24):202-206．

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