基于云计算的探潜信息综合处理系统建设研究

王 伟，于福建，张峻铭

（中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094）

0 引言

世界上的先进潜艇在我国近海的部署及频繁活动，对我国的海防安全构成了前所未有的威胁，其严重性甚至超过表面上来势汹汹的航母战斗群，因为航母战斗群的威胁毕竟是公开的，并且中国已经拥有了许多可靠的反制手段，而那些可在水下长时间隐蔽游弋的先进潜艇则是现代海战场的超级隐身杀手。为应对亚太海域越来越多、越来越先进的潜艇的威胁，需要广泛部署水下探测力量，同时提高探潜信息的传输和综合处理能力，能够快速有效地引导作战力量进行防御和攻击，加紧建设一体化和现代化的中国探潜信息综合处理系统是当务之急。

近年来，云计算作为IT领域的新概念，频频出现在国内外各类媒体上，不仅对信息产业和商业领域产生了巨大影响，而且也迅速地走近人们的现实生活。国际上各大 IT巨头已围绕云计算技术纷纷布局，大肆圈地，人们惊呼 IT界已进入了多云时代，一场没有硝烟的信息战略博弈正在展开，美国市场研究公司 Gartner也将云计算评为 2011年对多数组织最具战略意义的十大技术和趋势之一，甚至有人预言，云计算将主导新信息时代的战争[1]。

若将新信息时代的先进技术——云计算，应用于反潜探测领域，将彼此孤立的反潜探测信息孤岛互连起来，将极大地提升信息处理和融合能力，构建起适合我国国情的反潜探测信息综合处理系统，必将进一步提升我国反潜探测能力。

1 反潜探测现状

1.1 反潜探测力量

反潜探测力量组成如图1所示。

图1 反潜探测力量组成图Fig.1 Compositional diagram of anti-submarine detection force

1）空间反潜探测力量。

随着空间技术和电子技术的发展，利用侦察卫星等空间载体搭载各种传感器（合成孔径雷达、光学、激光、红外探测器）可对潜艇的水面效应进行远距离、大范围的监视和探测。目前，美国海军已将太空反潜卫星作为重要反潜装备进行了实战部署，而我国海洋观测卫星应用和“神州”系列宇宙飞船成功发射，表明中国空间科技的研发能力已经进入世界前列，中国有能力运用空间探测技术进行反潜探测[2]。

2）空中反潜探测力量。

空中反潜探测力量是利用反潜飞机进行航空反潜，与水面舰艇和潜艇的反潜相比，反潜飞机实施的航空反潜的主要优点是：反潜飞机速度快、航程远、机动灵活、载弹量大、覆盖海域宽广、不易被水下潜艇发现和攻击，是历来效率最高、最重要的反潜手段，被称为悬在潜艇头顶的利剑[3]。

① 反潜直升机。

反潜直升机是用于反潜作战的直升机，载有完善的潜艇探测装置（如：机载声呐浮标、吊放声呐等）和充足的反潜作战武器。反潜直升机主要是指舰载反潜直升机，其体积小、重量轻、机动灵活，承担着现代水面舰艇的远程反潜任务，包括对敌方潜艇可能活动的海域进行系统探测；对已发现有敌方潜艇活动的海域进行应召搜索；发现敌方潜艇目标后发射机载反潜导弹或鱼雷实施攻击，或通过机载数据链将目标位置和运动诸元实时传输给反潜舰艇，由其实施攻击；随后查明攻击效果，决定自身及反潜舰艇是否再次攻击。

图 2是俄罗斯海军舰载“卡–27”反潜直升机正在进行吊放声呐的操作。

图2 俄罗斯海军舰载“卡–27”反潜直升机Fig.2 Shipborne K–27 anti-submarine helicopter of Russian Navy

② 反潜巡逻机。

固定翼反潜巡逻机是潜艇的另外一个主要的空中威胁，由于其起飞重量大、形体大，可载更多的反潜探测设备和反潜武器，速度较直升机快，具有更大的机动能力，航程远、续航时间长，可在更大的范围进行反潜作战，即：既能探测攻击远海深处的核潜艇，又能攻击近岸的常规潜艇，是空中反潜的主力。

图3是美国的P–8A多任务海上飞机，该机型将替代 P–3C成为美国海军在 21世纪初期和中期实施反潜作战、情报、监视和侦察的主力，2013年进入海军服役，生产总数为108架。

图3 美国的P–8A多任务海上飞机Fig.3 P–8A multi-mission maritime plane of US

③ 反潜无人机。

反潜巡逻无人机用于浅水区反潜战中的海上监视任务，可与反潜巡逻机共享执行反潜战和情报、监视、侦察任务时的有效载荷资源，在沿海的情报、监视和侦察行动中相互配合。

图4是通用原子公司的“捕食者”–增程无人机，用于参加美海军实施“广域海上监视无人机”（BAMS UAV）项目的竞争。

图4 通用原子公司研制的“捕食者B”增程型无人机Fig.4 Predator–B extended range UAV of General Atomics

3）水面反潜探测力量。

水面反潜舰艇利用携带的拖曳阵声呐、舰壳声呐等进行反潜探测，也可利用舰载对海探测雷达，探测某一海面区域的异常气象回波，实现对水下活动潜艇目标的发现和跟踪。水面反潜舰艇可单艘也可多艘组成反潜战斗群实施搜索[4]。

4）水下反潜探测力量。

① 攻击型潜艇。

攻击型潜艇装备有先进的声学信号处理系统、拖曳线列阵声呐、艇壳声呐、舷侧阵声呐以及非声学传感器，是反潜探测的重要水下力量。

② 水下监视系统。

水下监视系统即在一定海区布设各种水声探测仪器和光缆，可实施长期的水下侦察探测，是海军水下战场态势感知的倍增器，如：美海军现役的固定式水声监听系统（SOSUS）、拖曳阵列传感器监视系统（STASS）、水下音响听测系统等[5]。我国也在重要的港口、基地的周围布设了水下警戒网，对于重要航道、海区也需布设能够执行长期监听任务的水下监听网络。

③ 无人水下航行器（UUV）。

无人水下航行器（UUV）是一种可重复使用的自主无人航行器，可携带执行不同任务的有效载荷，包括传感器、武器和干扰装置，执行水面情报收集、监视和侦察以及水雷探测。它也可在高风险浅水域承担反潜任务，首先用声呐探测器跟踪潜艇，然后用小型超空泡武器实施攻击。

综上所述，反潜探测力量多种多样，但是这些探测力量往往不是单独实施，而是协同探测，比如：为了验证水面舰艇拖曳阵声呐探测到某方位和区域的可疑噪声，当估计距离较远时，可立即召集附近空中的直升机、反潜机或派出舰艇直升机进行搜索；潜艇也可以利用UUV增加探测距离和侦察范围。

1.2 反潜探测手段

声呐运用声学方法对水下潜艇进行探测，是反潜探测的主要装备，发挥着不可替代的作用，然而非声探测技术也在快速发展，并且具有其独特的探测优势。非声探测就是根据海下运动潜艇将会在海面和海下形成一定的物理场，研究和探索利用这些物理场的变化实现反潜探测[6]。反潜探测手段如图5所示。

图5 反潜探测手段分类图Fig.5 Classification diagram of anti-submarine detection means

综上所述，现代反潜探测力量和手段越来越丰富，且探测力量与探测手段的配装方式也多种多样（见表1），但是各有其优势和劣势，如果能将外层空间、空中、水面和水下反潜力量及其各自的水声、非声探测装备互连起来，构成立体的综合的探潜信息综合处理系统，则反潜能力就会极大地提升；从当今国外海军强国的反潜体系发展情况看，运用现代先进信息、通信技术将分散在各领域的探潜、反潜设备和兵力组合成多方式、高效的反潜探测网络代表着现代反潜的主要发展方向；云计算为构建大范围、立体化、多层次、综合高效的探潜信息综合处理系统提供了可能。

表1 反潜探测力量与反潜探测手段配装表Table 1 Assembly table of anti-submarine detection force and means

2 基于云计算的探潜信息综合处理系统

2.1 云计算

目前，在互联网上，云计算是个热度很高的新名词。由于它是多种技术混合演进的结果，其成熟度较高，又有大公司推动，发展极为迅速。云计算（cloud computing）是一种新兴的商业计算模型，它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务。云计算的主要优势有：

1）资源共享。

云计算可以将连接在网络上的所有计算机及其它硬件设备和软件、数据信息等资源进行统一的调度管理。对于用户来讲，云可以认为是无限的，可以随时按需使用云中的资源。用户也可以将自己拥有的软硬件资源共享到云端，成为共享资源的一部分，同时有效的权限管理策略可以让用户放心地与自己指定的用户共享资源，不会造成信息泄露。

2）性能强大。

通过网络连接的大量计算机与各种硬件设备形成一个性能超强的服务器，可以为用户提供强大的计算和数据处理能力，这在个人计算机上是难以企及的。

3）成本低廉。

企业不需购买昂贵的硬件设备，租用云端设备便可以构建自己的信息平台。

2.2 基于云计算的探潜信息综合处理系统

基于云计算的探潜信息综合处理系统由云端服务器集群和反潜探测节点构成，如图6所示。

图6 基于云计算的探潜信息综合处理系统Fig.6 Integrated processing system of anti-submarine detection information based on cloud computing

由云端服务器集群构建的反潜探测信息处理云，利用其强大的信息处理能力对各种类型反潜探测节点传送的水声和非音响信息进行高效处理和数据融合，并和海量的样本数据比对，打破单一探测节点探测能力、探测手段和信息处理分析能力的局限性；信息处理云根据目标的疑似程度和威胁等级指挥目标周围的探测节点对疑似潜艇目标进一步探测，在确认敌方潜艇目标后，则指挥周围作战平台向其发出警告或发起攻击。

反潜探测节点分布广泛、种类繁多，负责探测和上传各种形式的可疑信息。由于反潜探测信息处理云将具备强大的信息处理和融合能力，因此让反潜探测节点着重加强其探测能力，而弱化其信息处理能力，尤其是针对体积和能量有限的无人值守探测节点，仅保留其探测能力。

1）反潜探测信息处理云。

反潜探测信息处理云的规模可动态调控，便于在探潜信息综合处理系统中广泛部署，高效地处理海量数据，并快速反馈到各级节点，实现海战场态势、作战舰艇与探测节点的实时无缝结合，极大地提高整个海域的反潜探测能力。可在各个岸基指挥控制中心和大型作战舰艇上配置强大的反潜探测信息处理能力，并配备海洋环境信息、潜艇目标特征信息等海量数据存储服务器，由这些岸基指挥控制中心和各个大型作战舰艇构成反潜探测信息处理云，真正实现信息共享和交流，并为实时、精准的数据搜索和处理提供可能；而中小型作战舰艇和民船则无需配备或完整配备探测信息处理设备，当其探测到可疑目标信息后，立即发往反潜探测信息处理云中，由云端进行详细的信息处理和数据比对，并按需求将计算结果反馈回各级节点。

将探测信息交由反潜探测信息处理云进行处理，不仅能够得到更为精准的信息处理和数据比对，而且还能不断丰富反潜探测信息处理云中的潜艇目标特征数据库，积累更多的先验信息，使反潜探测信息处理云的信息处理能力和目标识别能力不断提高。

2）水声反潜探测节点。

反潜探测力量是整个探潜信息综合处理系统的基础，反潜探测力量包括水面舰艇、长航程巡航鱼水雷、无人水下潜航器（UUV）、潜艇、水下探测传感器等。反潜探测力量的数量增加和能力加强是推动探潜信息综合处理系统强大的源动力，然而有些反潜探测力量的能力加强并不是无限的，比如无人水下潜航器（UUV）、水下探测传感器等无人值守的、恶劣环境下的探测节点，由于受到其自身体积限制，不可能携带或具备复杂的信息处理设备，由表2可知，中小型UUV携带的能源也是极其有限的，工作时间仅为几十个小时。

表2 各级别UUV续航力对比表Table 2 Endurance comparison of UUVs at different levels

对于这些能源有限的探测节点无需对探测到的信息进行复杂的处理，以及建立信息数据库，只需对探测信息进行简单处理和压缩，然后发送到云端，由信息处理云对信息进行详细处理。当信息处理云对探测信息处理和比对后，认为有必要对目标进行精测，则向该探测节点或附近的其他探测节点发出精测指令，收到精测指令的探测节点进行目标精测，将更为详细的探测信息上传到云端。

由云计算构建的探潜信息综合处理系统可以大大减轻探测节点的工作量和负荷，探测节点无需配备复杂而昂贵的硬件模块，这不仅减少了空间和能量消耗，同时也减少了频繁和复杂的维护和升级，从而使各节点成本和能耗降至最低，为节点的研制和部署上带来更多的便利。

3 关键技术

3.1 反潜探测信息处理云的分级部署

信息处理云是整个综合处理系统的核心，需要分级部署，可在岸基、航母、反潜舰艇上部署1级云中心，且各个1级云中心可有效互联互通。1级云中心具备详实完备的海洋信息数据库和潜艇目标特征样本库，配备专业的声呐听音员，可对收到的探潜信息进行详细筛查，对疑似目标进行更为准确的类型识别，对于无法有效判断目标类型的信息，1级云中心有权调遣目标海域附近的探测节点前往目标散布海域进一步查证。

下设若干个2级云中心，普遍装备于海军各型作战舰艇、海警舰船和大型民用船只上，拥有基本的海洋信息数据库和密级较低的基本目标特征库，可对附近海域探测节点上报的探潜信息进行初部的筛查，必要时尽快前往目标海域进一步查证，对于无法查证的疑似目标及时上报1级云中心。

3.2 低成本扩大反潜探测节点

军用制式反潜探测装备不能布置或巡弋到敏感海域，但是民用船只数量庞大且不像军事装备那么敏感。民用船只包括货轮、客轮和民间船只的机帆船、渔船等，它具有一定的交通运输、商业贸易等用途，在战争中体现出了巨大的军事价值，目前世界各国的商船队伍已成为一支迅速崛起的“第二海军”。其实民用船只不仅仅在战时进行动员，在平时也可以作为重要的信息探测、信息传递和中继的节点，比如：美国为其战略海运船只都安装了在线密码系统、军用通信卫星系统、高频无线电和单边带语音系统，并通过多种手段加强对商用海事卫星中无线电通信设备的技术改造，着力提高其抗干扰和防摧毁能力；为所有民船加装了能够与卫星通信系统连接的保密电话系统，使民船也具有保密通信能力[7]。

而我国现有渔船总数达106万艘，数量居世界第 1，约占世界总数的 1/4，加上客轮、渡船、集装箱船、干货船、油船、拖船、海洋石油调查船等商船更是数量庞大，这些民船可以在战时或紧急状态下动员起来作为海军作战的辅助力量[8]，平时也能将其作为探潜信息综合处理系统的探测节点。虽然民船是不可能也不允许安装配备军用级的反潜信息处理设备和涉密的潜艇目标特征数据库，然而在云计算构建的探潜信息综合处理系统下，可以实现探测与信息处理和目标识别的分离。民船的探测设备可根据一定算法自主将探测到的疑似潜艇目标信息上传到反潜探测信息处理云中，由信息处理云进行可疑信息的处理和比对；当信息处理云需要对疑似目标探测或精测时，可向疑似目标周围的船只发出探测或精测指令，收到指令后的船上探测设备开始执行探测并将探测信息上传到云端。

4 结束语

利用云计算技术来构建立体的探潜信息综合处理系统，可实现信息探测和信息处理的分离，因此能够更为广泛地低成本部署大量的水声和非声探测节点，甚至将数量庞大的民船作为反潜探测的节点成为可能，而在各个岸基指挥控制中心和大型作战舰艇上可配备性能优异的反潜信息处理设备和潜艇目标特征信息数据库，进而把各个指挥控制中心和作战舰艇互连起来形成反潜探测信息处理云，为整个探潜信息综合处理系统提供强大的信息处理能力和数据比对能力，并且能够不断丰富反潜探测信息处理云的先验信息数据库，使反潜探测更为精准和高效。