姜晓轶等：海洋信息技术新进展

kscg7a827t · 发表于科研成果分享 2022-11-27 01:56:09

18世纪以来，人类社会发展经历了机械化、电气化和数字化3次技术革命。从20世纪下半叶开始，信息与物理技术开始不断融合，并带来了第四次技术革命，即知识革命，推动人类社会进入智能化时代。随着人类对海洋开发利用的不断深入和综合管控的逐步加强，海洋已不是传统意义上的海岛、海岸线和茫茫海水的简单空间组合，而是由海洋环境、海上装备和人类活动等多种元素综合作用构成的复杂巨系统。海洋信息技术则是认知和经略这个复杂巨系统最直接、最便捷的手段。海洋信息技术涉及的内涵丰富，包括对海洋资源环境和态势信息的感知、通信组网传输、数据计算与融合处理、信息产品挖掘和应用服务等。与人类社会的四次技术革命相对应，海洋信息技术也逐步从数字化，向网络化、智能化发展。下面简要概述2015年以来海洋信息技术和信息基础设施发展的现状与特征。
一、国际新进展
⒈海洋信息感知技术
海洋传感器处于感知海洋的最前端。当前，海洋传感器设计研发注重利用新原理、新结构、新材料，以能够适应海上恶劣的自然环境与条件。美国开发的名为“智能灰尘”的MEMS传感器，有1.5mm3，5mg重，但集成了激光通信、CPU、电池等组件和速度、加速度、温度等多个传感器，已被用在多个领域。新概念智能浮标系统可自动传输信息和自动选择多能互补供电方式，并根据海况自动选择工作模式。
为适应细分观测的需求，海洋观测装备在成品设备、标准件、元器件等方面均向通用化、模块化的方向发展，针对特定用途已实现快速、低成本、差异化的组网运行，并逐步由“平台为中心”向“网络为中心”转变。2016年，俄罗斯海军研制出一种能将通信信息与声波相互转换的系统，把水下活动潜艇、深海载人潜水器、无人潜航器和潜水员联系起来，构筑了水下“互联网”。美国DAPAR推出了一个全新的传感器网络，旨在通过成千上万个小型、低成本的可漂浮传感器，收集舰船、海上设施、装备和海洋生物的活动信息，并通过卫星网络上传数据进而做出实时分析，以搭建海上物联网，提升海洋信息的持续感知能力。DAPAR近年又提出了近零功耗的能量驱动新型传感技术，其原理是：利用自然界广布的各种能量作为原始驱动，由目标信息能量来驱动微传感芯片进行能量转换，并利用效应传递形成开关动作，进而驱动后续的感知或探测系统工作。该技术是涉及国家安全的关键基础技术，由美国电子复兴计划持续支持，在2015～2018年间取得了多项重要技术突破。由于待机功耗可以达到纳瓦或皮瓦量级，因此它可实现长时间的无能量耗散值守，在海洋信息感知方面具有广阔的应用前景。
卫星海洋遥感观测一直是获取海洋环境和海洋动力信息最便捷、最有效的手段之一。从1995年至今，全球共有海洋卫星或具备海洋观监测能力的卫星近百颗，目前星载遥感器可提供全球海表层的重要数据或环境特征。
⒉海洋通信组网技术
当前，海洋信息传输技术向宽覆盖、跨介质、网络化、全天候及实时的方向发展。利用宽带通信卫星系统和移动通信卫星系统等，基本能够实现全球海面的通信覆盖。同时，随着海上平台技术的发展，一些原本在陆地广泛应用的通信手段正在逐步伸向海洋，新型通信技术如5G通信、量子通信、中微子通信等在海洋信息技术方面的应用也得到了较快的发展。目前国外主流的宽带通信卫星正处于第二代，主要建设于2005～2007年，能够为用户提供256kbt/s～5Mbit/s的信息速率，支持互联网接入服务。第三代卫星宽带通信系统可用速率最高可达20Mbit/s，能够提供真正的视频多媒体互联网服务；单颗卫星的容量达到100Mbit/s；可满足200～500万用户的需求。在空基通信方面，被国际电信联盟定义为“弥补信息覆盖缝隙”的新技术—－临近空间飞行器互联网（指距地面20～100km）已开展研究。与卫星通信相比，临近空间飞行器的优点是效费比高、机动性好、有效载荷技术难度小、易于更新和维护。Google、Facebook分别提出了利用高空气球实现互联网信号接入的“潜鸟计划”，以及基于太阳能无人机的激光无线通信网络。在无线通信组网方面，在微波、4G、5G等视距组网的基础上，基于超视距雷达中继和大气波导的超视距通信已初现端倪。
水下中远距离通信技术一直是制约海洋通信系统发展的瓶颈。美国伯克利国家实验室研发出轨道角动量复用技术，把深海水声通信速率提高了8倍。2016年美国DARPA启动“深海导航定位系统”项目，力争使水下航行器在实现精确导航的同时，一直潜在水下。整体而言，由静态组网转向动态组网，增强网络环境适应性和自组织功能，已成为水声通信网络技术领域的主要发展趋势。水下通信技术的大幅提升，将使海洋多单元组网和协同能力有更大幅度的提升。
⒊海洋信息基础设施
在海洋信息基础设施建设方面，美国的综合海洋观测系统IOOS和加拿大的海王星海底观测网Neptune代表了当前国际的最高水平。这些重大海洋信息基础设施建设大多是由国家主导，多部门协同，体系化推进。2018年，美国国家科学技术委员会发布的《美国国家海洋科技发展：未来十年愿景》和日本发布的《第11次科学技术预测调査一面向2040年的日本》均强调充分利用全球范围内的远程和原位传感器来收集各种海洋数据，强化海洋模型研究和产品研制，从而提高决策能力。其他发达国家如澳大利亚、加拿大等也在各自的海洋中长期战略计划中对海洋信息的感知、传输和计算应用进行了重点描述。
⒋海洋信息应用服务技术
世界各国纷纷围绕大数据、人工智能、超级计算、区块链等新一代信息技术与海洋科学的交叉融合展开了研究，从不断丰富的海量数据中高效快速地提取到相关信息，加深了人类对海洋的认知和理解，相关应用较为广泛。
2015年，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）联合亚马逊、谷歌等公司及开放云联盟组织，实施了“大数据汁划”，旨在基于NOAA已有的海洋观测数据，利用各方面的技术优势，建设海洋大数据服务平台。美国加州大学伯克利分校开发的Spark系统，集分布式存储和流处理、批处理、机器学习等处理与挖掘功能于一体，已成为业界公认的大数据系统。日本海洋研究机构和九州大学，利用人工智能深度学习技术，开发出从全球云系统分辨率模型（NICAM）气候实验数据中高精度识别出热带低气压征兆云的方法，利用该方法可识别出Ｅ季西北太平洋热带低气压发生一周前的征兆。近年来，海洋数据同化、再分析、预测预报等技术得到了飞速发展。美国国家环境预报中心（NCEP）及欧洲中期预报中心（ECMWF）等研制发布的数据产品，越发倾向于高时空分辨率和实时准实时化，已被广泛应用于海洋各领域。
在信息资源共享服务方面，各国纷纷设立专门的部门和机构，负责组织协调本国和全球海洋数据的收集、整合集成工作。美国国家海洋数据中心（NODC），利用云计算技术，向公众发布并共享各个国家、科研机构、行业部门等所获取的海洋信息。欧洲海洋观测和数据网络（EMODNET）通过制定通用的数据标准及免费开放的数据共享政策，基于欧洲海洋数据网络（SeaDataNet）、欧洲海底观测网（ESONET）、欧洲全球海洋观测系统（EuroGOOS）等相关数据和观测体系，实现了不同国家、地区系统间的整合。
二、国内新进展
随着信息技术的发展以及对海洋资源开发利用的重视，我国在海洋信息技术方面也取得了显著成就。
⒈海洋信息感知技术
国内在传统物理海洋传感器方面，部分测量要素技术（如船用高精度CTD剖面仪、XCTD、XBT等）的研发水平已接近国际先进水平，但其成果的产品转化和新平台新环境产品衍生的步伐缓慢。在基于光纤、雷达等新方法新原理的物理海洋传感器方面，国内已具有部分技术基础。在海洋装备方面，近年来，中国重点突破了水下滑翔机的长续航、可组网、大潜深等技术，目前其最大航程已超过3000km，并完成最大12台海上集群组网的观测应用。“海翼7000”是目前世界上唯一能在7000m深度长期稳定观测作业的水下滑翔机。至2019年6月，中国共有水色、动力、监视监测3个系列7颗海洋卫星（其中5颗在轨运行），包括海洋1号水色卫星（HY-1A/B/C）、海洋2号动力卫星（（HY-2A/B）、高分3号卫星和中法海洋卫星等。其中高分3号C频段多极化合成孔径雷达（SAR）成像卫星的分辨率为1m，达到国际主流的SAR卫星分辨率水平。总体来说，中国的海洋传感器技术整体上相当于发达国家2000～2005年间的水平。国内应立足满足海洋信息获取业务化应用需求，重点自主发展海洋动力环境、生态环境、水下目标观/监测等高精度仪器和网络智能感知终端，并结合当前透明海洋、智慧海洋等重大工程所需，培育以使用自主传感器为主的产业化环境。
⒉海洋信息通信组网技术
中国广泛应用的海洋通信系统主要包括海上无线短波通信、海洋卫星通信和岸基移动通信。在天基通信组网方面，2017年北斗三号卫星系统开始向全球提供服务。它创新融合了导航与通信能力，不断增强短报文通信服务功能，同时开启了鸿雁、虹云、行云等商业组网小卫星星座的建设。中国在轨民商用卫星的覆盖区域高度集中于本国国土及亚太地区，而在管辖海域，进行深远海大洋和极地通信方面，卫星通信链路还无法满足自主可控的需求，需要大量租用国际海事卫星等系统的转发器。在水下通信与导航方面，2017年上海交通大学成功完成首个海水量子通信实验，其通信距离达900m。此外，中国正在尝试发展无人机升空应急通信。中国海洋信息传输组网仍存在一些明显不足：一是过多依赖国外系统，海洋感知信息安全没有保障；二是军民间、部门间开展海上协同行动时互联互通手段匮乏，信息共享与协同困难；三是自主通信能力弱，制约了海洋信息感知和海上信息消费的发展。
⒊海洋信息基础设施
经过多年发展，中国海洋信息基础设施建设初具规模。自然资源部初步建成由近岸海洋观测、离岸海洋观测以及大洋和极地观测组成的海洋观测网基本框架，近岸观测系统包括133个海洋站，35套大型锚系浮标，3套岸基高频地波雷达，8套X波段雷达，51艘志愿船和15条海洋断面；大洋观测由大洋科学考察船、浮潜标、卫星和志愿船等承担，南北两极已基本形成“两船五基地”的科学观测格局。中国气象局建设了290个海岛自动气象站，39个船舶自动气象站，25个锚系浮标气象站，6部地波雷达和2个风暴潮站等。交通运输部管理海洋观测站点近20个，沿海航标（AIS）岸基台站201座，海区级AIS中心3个，国家级AIS中心1个。中科院海洋所在黄东海布设了21套浮标观测系统和2套海岛自动气象站观测系统，在中国近海至西太平洋海域布设的海洋立体观测网络从2009年到现在的22套浮标和74套潜标。其他涉海部委以及地方海洋管理部门和涉海企事业单位也根据业务需要，部署了一定数量的岸基和海上观测站点。
“十三五”期间，“全球海洋立体观测网”整合建设正式纳入国家重大工程计划。项目集成海洋空间、环境、生态、资源等各类数据，整合先进的海洋观测技术及手段，实现了高密度、多要素、全天候、全自动的全球海洋立体观测。海底科学观测网国家重大科技基础设施项目2017年正式立项，是中国海洋领域第一个国家重大科技基础设施，对实现海洋强国战略具有重要意义。
⒋海洋信息应用服务技术
在海洋大数据理论方法研究与应用方面，中国已率先开展了尝试，主要成果有：研究构建海洋大数据技术体系，提出了分类分级的海洋大数据资源管理总体设计，并将列存储、分布式和虚拟化等大数据技术应用于海洋数据全流程管理，建成了中国新一代海洋综合数据库，该数据库的千亿级记录全量查询耗时仅3s；研究了基于海洋大数据的海面高度、海表温度、三维温盐和声场、台风、ENSO和赤潮等的海洋预报技术，有效降低了海洋动力方程参数化带来的不确定性。在海洋数据共享服务方面，在国务院和科技部的组织推动下，国家海洋科学数据中心、西太海洋数据共享服务系统和南海及其邻近海区科学数据中心等已投入业务化运行，面向社会各类用户可提供多元化的数据共享服务。国家海洋信息中心、中国海洋大学等在海洋数据同化与再分析方面推出了积累数据长达60年且覆盖西太平洋区域的分辨率达1/12°的三维温盐流产品，其精度在远海区域与国外同类产品接近，近岸近海部分高于国外。在应用系统建设方面，一是向数据协同、业务协同的超大系统方向发展；二是利用信息物理融合、智能决策等技术，向精细化、智能化业务管理方向发展。整体而言，新一代信息新技术在中国海洋信息处理服务方面的应用仍有一定的滞后性，其发展缺乏大的科学计划的引领，信息处理相关算法大都借鉴国外，缺乏自主创新，信息产品精度低，服务能力不足。
三、未来展望
当前，全球海洋信息体系和治理体系正处在技术变革和调整的关键时期。传统海洋强国纷纷建立跨部门的海洋信息统筹机制，以体现国家意志，积极推动海洋信息基础设施的建设，不断拓展战略利益空间。
中国在建设海洋强国、抢占海洋制高点过程中，必须高度关注海洋信息技术创新的全球变化趋势，抓住当前海洋智能化技术革命的有利契机，在以下几方面开展工作：构建海洋信息立体获取和传输体系，全面提升海洋信息感知能力，实现部门内与部门间海洋信息资源互通共享，显著提升海洋信息分析处理和共享开放能力；结合海洋安全与权益维护、海洋开发利用、海洋环境认知等信息应用服务的需求，拓展智慧应用服务能力；逐步推进海洋状态全面感知、信息广泛互联、资源按需分配和服务协同智能的发展。这些工作对实现“两个一百年”的发展目标，具有重大现实和战略意义。

文章来源：原刊于《海洋信息》2020年01期
作者简介：姜晓轶，男，1973年3月生，博士，研究员；康林冲符昱孙苗，分别来自自然资源部海洋信息技术创新中心和国家海洋信息中心

姜晓轶等：海洋信息技术新进展

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