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海洋环境平行监测体系架构及应用 精选

已有 5720 次阅读 2018-7-12 07:58 |个人分类:学海泛舟|系统分类:论文交流

 海洋环境平行监测体系架构及应用


苏振东,杨瑞平,王飞跃

 

摘要针对海洋环境监测体系建设方案优化结果评估手段缺, 己有监测体系改进完善措施效果难以评估等问, 引入海洋环境平行监测体系的概念, 提出海洋环境平行监测体系基本框架, 以及应用于方案优化和效果评估的方法思路. 实践工作表明, 该平行监测体系能较好地实现多方案优化组合, 针对现有监测体系的任务要求, 给出科学合理的体系改进完善方案.


关键词】海洋环境监测, 平行系统, 平行监测体系, 方案优化


引用格式    苏振东, 杨瑞平, 王飞跃. 海洋环境平行监测体系架构及应用 [J]. 指挥与控制学, 2018, 4(1): 3236

 

Parallel Marine Environment Monitoring Systems:

Architecture and Application


SU Zhen-DongYANG Rui-Ping

WANG Fei-Yue

 

Abstract Aiming to the lack of evaluation measures to the marine environment monitoring system construction scheme optimization, and improvement measuresl effect of the existing monitoring system is difficult to evaluate, etc. Introduces the concept of parallel marine environment monitoring systems, puts forward the framework of parallel marine environment monitoring systems, and suggests the ideas applied to evaluate the effect and scheme optimization. The practice shows that the parallel marine environment monitoring systems can achieve the optimal combination of multiple schemes, and bring about scientific and reasonable improvement plans for the mission requirements of the existing monitoring system.


Key words    marine environmental monitoring, parallel systems, parallel monitoring systems, schema optimization


Citation  SU Zhen-Dong, YANG Rui-Ping, WANG Fei-Yue. Parallel marine environment monitoring systems: architecture and application [J]. Journal of Command and Control, 2018, 4(1): 32-36


占据地球表面积 70% 的海洋蕴藏着丰富各类自然资源, 如石油天然气可再生能源和稀金属等, 同时也为人类的生存发展提供了大量的洋食用资源. 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, 各国科学开发了各种海洋环境监测设, 如测波仪测温仪盐度地貌仪和鱼探仪.  利用上述设平台和网络通信系, 构建了具有不同功能的海监测系, 20 80 年代中, 联合国教科组织府间海洋学委员会世界气象组织国际学联合会理事会和联合国环境规划署共同发起并织实施的全球海洋观测系 (GOOS) . 以及GOOS 计划框架, 联合国教科文组织政府间海学委员会 1998 年提出并开始实施的漂流浮标计划 (ARGO)[24].


海洋环境监测系统按照空间位置分为岸基基和空 3 . 岸基海洋环境监测子系统由岸基水文气象监测海洋台雷达海气边界层监测站以及岸基移动设备等节点构; 海基海洋环境测系统由各类浮标和潜标海上平台观测系统底观测系统以及移动观测装备等节点构; 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, 以任为牵, 以通信网络为介, 有机组合成为海洋环监测体. 海洋环境监测体系也被称作海洋环境测网, 是在保卫国家海上安维护国家海洋发展海洋经济提高海洋防灾减灾能力对海环境信息的需求牵引, 由各种海洋环境监测设备平台构成的传感器网, 利用现代通信技, 实现对海洋环境数据的不间周期性采集, 为形成多样化的海洋环境信息服务产品提供基础数据支.  环境监测体系中可以包含岸基海基和空基海洋境监测系. 典型的海洋环境监测体系设备节点构成如图 1 所示.


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图 1  海洋环境监测体系设备节点构成示意图


1  海洋环境监测体系优化需求


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, 是人类开发海洋资保护海洋环境组织海上军事行动和制定海洋政策的要决策依据. 随着海洋科学技术的迅速发展和海应用需求的急剧膨胀, 海洋环境信息的重要性愈出. 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, 有效开发利用和保护海, 须首先认识并掌握海洋自身所具有的环境特点和化规. 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, 为保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, 系统各自独立运行没有互联互由此形成了一又一个 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济成本, 研究分析最合适的建设方案, 或对不同方进行优化组合, 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. 这就需要对己有海洋环境监测体系进行优化完善. 是, 如何完善该体?在现有体系中加入什么什么功能的海洋环境监测设备就能满足需?监测设备部署在现有体系的什么位置最合适?要求我们采用科学手段对己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可行的最佳解决方, 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, 也可称之为海洋环监测装备体系优化. 海洋环境监测装备体系优化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. 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, 针对体系组织结, 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多约束条件优化问, 装备体系优化主要满 4个方面的目: 一是体系能力结构优, 用于满足种任务需; 二是体系组成结构优, 提供满足能结构要求的合理装备组; 二是体系规模结构优, 在一定能力需求和经费约束, 寻求体系中各类备的合理数量和最优比例关; 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: 二层综合优化法探索性方法可执行模型仿真优化多层次多阶段方多目标协同优化方法和数学规划法. 比较了上述方法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, 通过研究体系结体系能力和体系效能之间的内在关, 给出了体系优化的思, 立了以体系效能为优化目标的复杂体系优化模型.


 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方案论证之, 首先采用任 能力矩阵方法, 根据任务系统和能力之间的对应关, 选择足任务要求的多个子系, 这些子系统按照能力配进行组, 形成满足复杂任务要求的多个监测系建设方. 然后采用多方案优选方, 建立体系效能评估标准; 运行仿真模解析模型或综合评价模型, 对各方案的效费用等进行综合评, 从而选择出最优的体系建设方案.


面向特定任, 对己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, 然后根据事先设计的试验方案反复试, 通过观察体系输出来获得优化的体系方. 还可采用探索性分析方, 探索各种不同监测体系结参数组合变化对监测结果的影, 使决策者对监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节点设备模, 依据模型运行结果进行分. 对于洋环境监测体系这类复杂大系统来, 如果采用统的体系优化方, 则势必导致建模工作量巨, 期投入的人力和物力都非常, 且对人员综合素要求较, 开展方案优化的论证人员需全面了解洋环境监测体系有装备技术发展可能经费海上行动任务目的等多方面情. 更重要的, 如果模型可信度不, 仿真运行偏差较, 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, 大量高逼真度模型来描述海洋环境监测体系, 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, 王飞跃教授提出了复杂系统模与调控的平行系统理, 该理论的基本思路是人工系统作为建模工, 以数据为驱, 采用计算验方法进行分析评, 实现真实系统与人工系统间的交, 对二者之间的行为进行对比和分, 成对各自未来状况的 借鉴预估”, 相应地调节各自的管理与控制方式,  达到方案优化的目的[1013].


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到主动运行方式从静态到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己经成功应用于石化能源等领域, 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, 形成海洋环境平行监, 基于该平行监测体系平, 通过学习与训练 管理与控制实验与评估等方, 实现两者的交, 最终完成对真实海洋环境监测体系的优.  海洋环境平行监测体系框架如图 2 所示.


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


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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模型构建和可信度验计算实验和平行执行 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, 此, 模型应用不会受到高逼真度的要求, 只要求真实体系人工体系在功能和行为上 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协同运用方相对位数量比例等关系.


3) 海洋自然环境模型


描述海洋中各种自然现象的模.  包括对海洋水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飞机等的物理特性.


5) 数据规则库


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


人工海洋环境监测体系运行, 必须对其模进行校, 以保证其与真实海洋环境监测体系的. 许多方法可以实现标定和校正工: 采用实海洋环境监测体系运行数, 对人工海洋环境测体系不断修正和滚动优, 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, 校正人工海洋环境监体系模型的方式有两: 一是人工海洋环境监测系离线学习真实海洋环境监测体系己有的历史数进行校; 二是选取正在运行的真实海洋环境监体系的数, 作为人工海洋环境监测体系的输, 线校正人工海洋环境监测体. 在上述模型校正, 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, 是从人工海洋环境监测体系模型 个体一致和子系统 局部一致校验出, 逐步发展到人工海洋环境监测体系模型 整体一致行校验. 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, 最终完成人工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体系达到输入和输出 , 人工海洋环境测体系成为了一个可控实验平, 利用该实验平, 通过改变监测装备体系参, 设计各种各样的实, 多次重复该实验并以统计的方法对结果进行分, 实现对海洋环境监测体系变化的定量研. 如海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; 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. 以此作为依确定最终的优化决策.


4.3  平行执行


针对方案优, 海洋环境平行监测体系运行过程如图 3 所示.


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图 3   海洋环境平行监测体系对方案的优化过程


在海洋环境平行监测体系运行过程中, 人工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人工海洋环境监测体系评估的基础上, 以上一阶的评估结果作为主要依据. 找到真实海洋环境监体系优化方案, 为监测体系建设提供决策依据, 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


决策机关需要对各级各部门上报的海洋环境测系统建设方案统筹优首先将各系统合并为个未优化的海洋环境监测体以海洋环境平行测体系为平对未优化的人工海洋环境监测体不断进行实在实验过程中观察数据情况并调体系参如此反最终实现在不降低能力要求情况逐步促使未优化的海洋环境监测体系实整体最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在要求的时间窗口需要高密度高精度实时监测实施应急抢救任务所海域的气象水文情并提供给应急抢救指挥种要求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管理人员可以时在人工海洋环境监测体系中实时推演该紧急情下的体系优化调整措并根据结果分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.


 结论


本文以平行系统理论为基提出并构建了洋环境平行监测体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优化分析所需人力和资金投进一步提高了监测体系优化结论的可行性和可操作性.


 

References


1  国家发改, 国家海洋. 全国海洋经济发展规划纲 [M]. : 国家发改委, 国家海洋局, 2003.

2  许丽娜, 王孝强. 我国海洋环境监测工作现状及发展对策 [J]. 海洋环境科学, 2003, 22(1): 63−68.

3  BROWN M. Valuing marine activities in europe: provisional estimates, concepts and data sources[C]// Proceedings of Second Euro GOOS Conference, Netherlands: Elsevier Science BV, Amsterdam, 2002: 23−33.

4 STEL J H, MANNIXB F. A benefit-cost analysis of a regional global ocean observing system: sea watch Europe [J]. Marine Policy, 1996, 20(5):  357376.

5 李英华, 申之明, 李. 武器装备体系研究的方法论 [J]. 军事运筹与系统工程, 2004, 18 (1): 1720.

6 毛昭军, 蔡业泉, 李云芝. 武器装备体系优化方法研究 [J]. 装备学院学报,2007, 18(2):  913.

7 李涛, 杨秀月, 郭齐. 基于探索性计算实验的信息化武器装备体系优化 [J]. 装甲兵工程学院学报, 2008, 22(1): 15.

8 程责, 鲁延京, 周宇. 武器装备体系优化方法研究进展 [J]. 系统工程与电子技术, 2012, 34(1): 8590.

9 , 常显. 基于不确定性理论的复杂体系优化方法研 [J]. 计算机仿真, 2007, 24(5): 165168.

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14  , 王飞, 邹余, . 提升乙烯长周期生产管理的平行估计方法 [J]. 控制工程, 2010, 17(3): 141-146.

15  , 王飞, 侯家, . 提高核电站安全可靠性的平行系统方 [J]. 系统工程理论与实践, 2012, 32(5): 10181026.

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作者简介


苏振  (1974), , , 主要研究方向为海洋环境监测体系规平行系统.


杨瑞平  (1972), , , 副研究, 主要研究方向为综合保平行系统.


王飞跃  (1961−), , , 研究, 主要研究方向为复杂系平行系统. 本文通信作者.

E-mail: naasim@126.com


后记:本文于2018年3月发表在《指挥与控制学报》第 4 卷 第 1 期


海洋环境平行监测体系架构及应用.pdf




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