【深度】美国海域感知计划关键技术

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今日荐文

今日荐文的作者为中电科海洋信息技术研究院有限公司专家卢峰, 杨志霞, 徐歌, 。本篇节选自论文《美国海域感知计划关键技术研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第14卷第7期。

摘 要：海上威胁除了国家领海主权、海洋权益、海上活动自由为主要标志的海上传统威胁外，海上恐怖活动、走私、贩毒、有组织海上犯罪、海盗、非法移民、海上自然灾害等海上非传统威胁日益增长。为了尽早并尽可能远的发现海上安全威胁，及时采取应对措施，美国启动了海域态势感知国家计划。本文介绍了美国海域感知计划的架构、关键技术和评价体系，并总结了对我国海域感知信息共享的启示。

关键词: 海洋安全；海域感知；信息融合；信息共享

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论文全文摘编如下

仅供学术交流与参考

引 言

冷战结束以后，世界面临着与传统威胁显著不同的安全形势。由于民族和宗教文化矛盾日益突出、地区性争端对一些国家控制权造成削弱，非传统威胁呈现出迅速增长的趋势。海上威胁除了国家领海主权、海洋权益、海上活动自由为主要标志的海上传统威胁外，海上恐怖活动、走私、贩毒、有组织海上犯罪、海盗、非法移民、海上自然灾害等海上非传统威胁日益增长。而海上非传统威胁具有多样性、严重性、隐秘性及全球性等特点。海上非传统威胁己经超出了传统安全以国界为标志的特征地理空间，具有明显的跨地域性[1]。例如：根据掌握的情报，东南亚的恐怖组织已经组成了现代化的海盗“托拉斯”，下设分支机构，在各个地区招募雇员，常年活跃于马六甲海峡和印尼沿岸海域狭窄的水道、航道中，已经对东南亚各滨海国家的海上安全构成了严重的挑战[2]。

美国由于不断介入地区性争端，维护其超级大国地位，面临着尤为突出的安全形势。由于其地理特征和强大的传统军事优势，美国面临的威胁很大程度上和海上非传统威胁相关。2004年12月，时任美国总统布什签署了国家安全总统指令41号令和国土安全总统指令13号令（NSPD-41 / HSPD-13），指出“海上安全是一个全球性的问题”。要求美国国土安全部、国防部、司法部对获取到的态势信息进行共享，融合集成情报、监测、侦查、导航系统及其他信息源，形成海上综合态势图，尽早并尽可能远的发现海上安全威胁，及时采取应对措施。为此，美国政府成立了海上安全政策协调委员会，督促海上安全国家战略和相关计划的实施，并启动了海域态势感知国家计划（national plan to achieve maritime domain awareness，MDA）[3]。

MDA的实施对维护美国海上利益、实现全球海上安全战略目标具有重要意义。

• 首先，实施MDA是美国执行《国家海上安全战略》安全计划任务的基础。2005年9月颁布的《国家海上安全战略》进一步指出：“为了保护海上安全，官方或者民间实体之间的、彻底的合作以及情报和信息共享能力是必须的。[4]”该计划旨在为美国政府服务，指导各种联邦部门和机构密切协调，并联合国际力量，在联邦政府、美国私营部门和民事当局以及盟国和合作伙伴之间的共同努力下完成海上综合态势感知（MDA）。

• 其次，实施MDA是从“信息单方占有”向“信息联合共享”的战略转变。2007年5月，美国国防部公布了《国防部信息共享战略》。该战略指出，“可信度高的信息对于国防部内部的任何授权用户或者其它外部伙伴（除了国家法律和政策限制的用户）来说，必须是可见的、可接受的、可理解的。”

1. 海域感知计划技术体系的形成

在开始实施MDA时，美国的网络中心组织服务(net-centric enterprise services, NCES)已经开始建设，NCES是美国国防部从1999年开始建设的全球信息珊格（GIG）的骨干建设项目，包括一系列标准、规范、可重用组件、应用程序接口，以及构建系统环境的方法论，目的包括将数据与应用分离、为信息资源提供安全支持和协调管理的能力等。而MDA 从一开始，就强调跨部门共享数据和服务，需要一个强大的架构来支撑这种共享以及未来的服务扩展。NCES很自然地就成为MDA的架构支撑。下图是MDA的架构图，左方的黄色部分就是基于NCES的架构。

图1  MDA的架构图

NCES是基于面向服务的架构(SOA)，主要包括信息发现、信息交换、协同等功能。信息发现服务给服务提供者和使用服务的终端用户提供了必要的搜索能力，使用户可以在编目、索引、注册组成的共享空间仓库中确定数据资产的位置以及服务的位置。信息交换服务支持用户以同步或异步方式执行消息的建立、格式化、编码、传输、缓冲、存储、解析、显示等操作，并提供存储与转发、延时广播或中心化发布等多种信息交换能力；协同服务包括共享工作空间、电子白板、共享应用以及支持音频、视频和对话。信息交换与协同服务、发现服务相结合，再加上基于属性的访问控制，保障用户对信息资源及时、安全和全面的访问使用。

除了国防部的NCES外，国土安全部也有自己的系统，叫做HSIN（Homeland Security Information Network）。国土安全部的数据通过HSIN提供。

由于MDA在诞生初期是一个不断验证能力和扩充用户的过程，其研发模式采用了螺旋式迭代模式。从2006年2月到2009年3月，历经3个迭代版本。第一个版本直接建立在国防部和国土安全部原有的平台架构（NCES和HSIN）上，通过定义统一的数据格式、建设数据交换平台、搭建门户终端等实现了跨部门信息共享，并于2006年底对国防部进行了展示；第二个版本重点研发应用服务，包括历史档案服务和异常发现服务等；第三个版本进一步扩展了应用服务，包括预先到达通知服务和单一关注目标服务，并最终纳入到统一的国家安全建设规划中。

2. 海域感知计划关键技术

1.1. 数据来源

海域态势感知指的是对海空活动的近乎实时的掌握。海域态势感知体系包括三个基本的过程，即海域信息的数据搜集、数据分析以及数据共享与发布。由于海域感知信息的深度和复杂性，MDA对海域所感知的数据可以来自于任何渠道，例如国家建设的各种检测设备（如：无人机、卫星、雷达以及其他情报搜集工具，配套的信息分析和处理软件等），全球性的海洋信息系统（地球系统的协同观测及预报体系COPES，全球海洋实时观测网计划ARGO等），伙伴国家地区已组建的信息共享网络，以及相关私企（如船运公司），协会和联盟（国家海事安全咨询委员会NMSAC和其他私营部门咨询委员会）。

尽管规划中的信息来源很多，但MDA早期用于验证能力的核心数据主要包括近岸的雷达数据、船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）数据，以及船舶远程识别与跟踪系统（Long Range Identification and Tracking System，LRIT）数据。这三类数据覆盖范围由近岸到中远海。其中，AIS数据由于信息全面，覆盖范围大，是最主要的数据来源。传统目标识别所使用的雷达等数据无法按照MDA要求，在到达海岸线几天前，就提供威胁评估所需要的信息，而AIS数据覆盖全球，并且由于其用于避碰，即使是军舰，也需要在船舶密集的区域打开AIS。

1.2. 数据接入与处理

AIS数据来源于多个部门，有海军的船载AIS基站数据、海岸警卫队的岸基AIS，还有交通部的AIS数据等。并且各个部门有自己的显示系统。这就要求有一套通用的船舶数据传送规范。下图是用XML格式定义的船舶航迹信息，包括时间、地点、速度等字段。

 图2 用XML格式定义的船舶航迹信息

NCES在数据接入方面主要包括发现服务和数据总线。发现服务是用元数据来描述的，当新的AIS数据源加入时，只需要按照元数据格式注册，就可以被搜索到，从而自动加入到整个数据汇集系统中。MDA为发现服务专门开发了统一搜索服务（Federated Search）,用户可以使用一个搜索命令从多个数据仓库中获取数据。新的数据提供者先要注册到统一搜索服务，然后统一搜索服务再将其注册到NCES的发现服务。统一搜索服务是用Web service来实现的。下图表示Fed Search的架构。

 图3 Fed Search的架构

数据总线采用了发布-订阅的异步传送方式，用Web service实现。首先数据接收方要发起订阅请求，当数据发送方有新的数据时，将数据发布到消息服务总线。消息服务总线再将数据发至接收方。下图表示数据总线架构。

图4 数据总线架构

数据分析有两种方式，一是人工方式，分析师通过谍报分析进行；二是智能方式，利用编程技术通过算法来实现自动识别特定的模式，随着搜集的数据越来越庞大，智能分析会成为人工分析必不可少的补充。通过数据搜集、融合和分析，决策者可以预见并主动阻断海上威胁。

下图是MDA用例图，描述了数据分析员、决策者和和船舶对象的关系：

图5 MDA用例图

1.3. 信息共享

海域感知计划的核心在于在多个部门之间共享海域关键信息。为此，需要定义共享的内容和格式，这就是海域信息交换模型（Marine information exchange model, MIEM）。MIEM对船舶航迹这个最重要的共享对象进行了定义。一个航迹对象包括观测字段（名称、位置、事件、类型、来源等）和判断字段（异常类型、威胁等级、威胁对象、预测位置等）。MIEM用XML格式定义。

海域感知信息类型众多，包括船舶、港口、货物、人员、环境等，基于这些信息以及融合分析后的信息提供的接口数量也因此很多。海域感知接口面向多个用户的定制系统，为了避免接口重复，减少开发量，需要使用SOA的架构思想。美国海域感知系统使用了成熟的商用企业总线架构（Enterprise Service Bench）软件，基于SOA架构开发了核心服务和应用服务。核心服务包括权限管理、服务发现、协同、日志记录等。应用服务包括船舶、港口、人员的信息查询、船舶跟踪、威胁发现、告警处置等。

MDA数据共享与发布主要通过共同行动图（common operational picture，COP）来实现，即通过建立一个共同的、多层的、定期更新的海空活动图，MDA能在缺乏互信的条件下促进地区合作，加强彼此能力建设，防止误解误判。COP是一个近乎实时、动态可调、以网络为中心的虚拟信息网络平台，所有MDA用户根据安全级别、策略或法规的限制可按一定权限访问COP数据[6]。此外，COP还包含决策制定者数据库，每个用户可以根据他的信息需求、职责和访问级别访问和贡献数据库，以便于协助规划并帮助所有层级的用户实现态势感知。

1.4. 网络架构

MDA早期验证阶段，数据和服务完全是在非密网络，甚至是互联网上，便于数据共享和服务提供。下图是MDA网络拓扑示意图。

图6 MDA网络拓扑示意图

从图中可以看出，海军舰载数据源从美国国防部的非密IP路由网(NIPR)接入，交通部等其它数据以及核心服务都架构在互连网上。在早期迭代验证完成后，服务才转移到美国国防部加密IP 路由网(SIPRNet)中。

3. 海域感知计划的评价体系

由于海域感知是一个跨部门的、复杂而又创新的工程，对早期迭代版本的评测是通过实际的操作实验获得的, 而不是系统测试。既包括一些定性的测评，比如调查评论、聊天记录、对数据收集的观察，也提供了一些定量测试数据。这些数据包括系统性能、运营绩效、组织/指导、系统支持和可用性。

系统性能涉及系统执行功能的方式、对 MDA 操作的支持、作战验收、自动化以及系统管理和安全功能。比如，所提供信息占决策所需信息类型的百分比、信息处理效率、参与共享的部门数目、可以共享的信息占系统信息类型的百分比、可以访问信息源的数量等。

操作性能涉及关注船只、MDA 智能、监视和侦察 (ISR) 和海上拦截行动的操作。比如，共享信息所需步骤数、交换信息所需的时间、标准准则所涵盖的系统功能的百分比、操作员可以配置的信息搜索和信息显示、用1-5评价培训的充分性、培训是否与任务和工作流相关等。

作战性能侧重于操作员对 MDA 任务的接受和理解, 以及执行该任务的单位和个人能力. 比如，警报的类型、及时性和可配置性、自动信息处理占总要求的百分比、可用于评估负责区域中的船只信息的完整性、正确评估船只分类的百分比、船只位置错误率、可跟踪的船只数量、可跟踪的地理区域、船只信息报告频率、完成威胁评估的时间等。

组织/指南将重点放在组织结构和流程与 MDA任务的匹配、MDA 组织与海军指挥中心的兼容性、组织之间的协议是否充分以及组织内部的指导是否足够等方面. 比如，MDA 单位之间的责任和命令关系是否清晰、信息共享协议是否足够、参与单位与所需单位的百分比、共享参与的 MDA 活动数量、海军作战中心和 MDA 操作要求的协调一致、可无缝共享信息和工作流的百分比等。

系统支持和可用性涉及确保 MDA系统的健壮性和可靠性的因素。比如，信息查询的可用时间百分比、信息共享的可用时间百分比、系统问题期间的自动故障切换和数据库备份、由于系统故障而导致的任务失败时间百分比、在故障后修复或重新配置系统所需的时间等。

结 语

通过对美国MDA以及其他信息共享机制的调研，对海域态势感知的能力建设手段主要在于“两个整合”：

• 一是技术的整合，首先需要整合我国海域内已建和在建的态势感知网络，建立一个权限分层的共享网络；其次需要配备统一的共享信息的应用软件，以便军、警、政、企各层级用户在不安装新的硬件设备条件下可以实现信息共享。

• 二是制度的整合，即在现有的海上监测网络间构建信息共享联系，包括联合搜救的界定与行动、反海盗巡逻和行动、举行海上安全研讨会等基本海事合作并定期开展海上军事演习、联合打击海盗等高级海事合作，以便将海域的态势感知发挥到最大效用。

近年来，我国在海洋信息基础设施、海洋信息应用及数据共享服务方面启动了很多专项建设，相继建立了若干信息系统网络及相应的数据服务应用系统，而且部分系统己接入国际互联网，提供信息共享服务。但是我国海洋信息服务系统涉海信息数据孤岛现象严重、数据共享应用程度低、多源信息综合处理能力不足，种种技术发展上的限制导致我国海域态势感知的客观能力远远低于主观期待能力；同时，地缘政治的压力，争议海域的摩擦，也对我国海上信息融合共享发展战略与机制提出了更高的挑战与要求，尤其是在我国南海地区。我国亟需借鉴MDA经验，多策并举构建多边的联合信息共享机制和海域态势感知能力，全面提升海上信息感知及融合共享能力，实现海域信息的立体感知、实时融合、高度共享和态势统一，以便更好的管控竞争与摩擦，以及在尽可能互信的基础上开展区域国际合作。

【参考文献】

[1] 王百灵.海事非传统安全的国际合作法律探析[D].中国海洋大学, 2009.[2] 张剑.海上非传统威胁对海防安全的挑战与应对策略[J]. 国防, 2007 (10): 58-60.[3] 徐飞, 戴剑伟, 王永瑞, 郭璇.美国海事信息共享环境安全架构研究[J]. 兵工自动化, 2016, 35(2): 25-31.[4] http://mil.sohu.com/20100827/n274517488.shtml[5] 范·杰克逊等. 网络透明度建设:南海共同行动图计划[J]. 亚太安全与海洋研究, 2016 (3).[6] NATIONAL PLAN TO ACHIEVEMARITIME DOMAIN AWARENESS, 2005.1

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