推荐 | 地方级智慧海洋建设中的技术架构和系统设计

文章首先介绍了国内外海洋信息化的发展概况，其中智慧海洋是我国海洋信息化最新发展的成果;其次，简单介绍了国家级智慧海洋和地方级智慧海洋的联系，重点描述了地方级智慧海洋的技术架构:物理层、网络层、数据层和应用层及其作用、采用的技术和工作原理，四者互联互通，构成有机统一体;最后，通过三个应用层子系统的举例，展示了地方级智慧海洋对地方海域资源管理、海洋防灾减灾和海洋经济发展的重要性。
1 T8 q! D& x) A4 g海洋是生命的摇篮，不断推动着现代社会的发展和人类文明的进步。21世纪是海洋的世纪，在人口问题、资源短缺和环境污染等因素的影响下，走向海洋成为人类的必然选择，因此海洋是引领世界未来发展的重要领域。海洋信息化是认识、开发、利用、发展和保护海洋的基础，也是国家信息化的重要内容。随着海洋强国战略的实施，作为海洋信息化最新产物的智慧海洋应运而生。各地海洋强省(市)行动方案的提出，为沿海各地发展海洋经济提供了方向和行动指南。地方级智慧海洋的建设，能够提高沿海地方经略海洋的智慧化、智能化水平，提升海洋产业链的整体协同性，加快涉海产业的转型升级。
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1 国内外海洋信息化发展概况
3 S' n! S  n+ G5 i1.1 国外海洋信息化
) m* n( `8 J/ Z6 }1 P% D3 U世界发达国家一直很重视本国的海洋信息化建设，制定专项发展规划和研发先进技术与装备，提高海洋事务的话语权，维护本国的海洋权益。例如，由美国多部门共同建设的综合海洋观测系统(IOOS)，采用先进技术手段和装备，对大洋或相关海域的信息数据进行采集、处理、发布，为政府部门、科研机构、企业和个人等各类用户提供相关的信息及服务［1］;加拿大通过整合海洋观测基础设施和网络，建立了加拿大海洋观测网络(ONC)和智慧海洋系统，通过海洋数据观测、数据管理、系统建设和数据分析等，服务于科学研究、环境监测、海上安全、渔业和水产养殖、交通运输等领域［2］。
2 _( p0 F2 a% v4 _' k& ^" F1.2 国内海洋信息化
我国的海洋信息化建设起步相对较晚，在国内海洋信息化发展的过程中有三个重要阶段:用直观数字体现的“数字海洋”、用海量信息认识的“透明海洋”、用知识服务的“智慧海洋”［3］。
1.2.1 数字海洋
( }( _2 u3 d! J数字海洋，是通过不断完善的技术方法和手段，把现实海洋的状况和各种信息，进行数字化，再通过计算机存储、管理和运算，从而形成总体海洋信息系统［4］。它用数字表达对海洋的认知，对采集的海洋数据进行存储、管理和加工，再用一定的格式输出显示。2003年“数字海洋”项目在我国开始实施，第一个全国性海洋信息化工程在2011年建成完工。在这段时间内，国家虽然取得了很多海洋信息化建设的经验，但对海洋信息化系统的建设仍不完善，其在观测方法、采集信息、硬件设备、协同联动等方面还有明显的短板［5］。
1.2.2 透明海洋
, k6 y! F# g7 [: \3 ]2 W0 v透明海洋，是指面向世界大洋或者指定海域，综合利用先进的海洋探测与观测手段，依托大数据和AI技术，获取全方面的海洋环境以及相关目标信息，以此为依托，预测未来的海洋发展变化状况，实现海洋变化过程“透明”，为海洋权益、海上安全和海洋发展等活动提供海洋信息服务与技术支持［6］。“数字海洋”的主要任务是获取和处理海洋数据，“透明海洋”则是“数字海洋”的“升级版”［5］，“透明海洋”通过搜集和评估某海域范围内的各种类型的海洋信息数据，根据相关的科学原理和算法，预测未来海洋环境变化趋势。在特定的海域，透明海洋能够实现“视觉直观、数据详实、精准预测”，达到海洋变化“透明化”的效果［7］。
1.2.3 智慧海洋
智慧海洋(Smartocean)，是以搭建自主可控、安全稳定的云环境下的海洋平台为依托，以完整的信息采集与可靠的传输网络为保障，系统整合海洋权益、管控、开发三大领域的相关任务，深度融合海洋领域的“信息化”和“工业化”，开发面向各类涉海人群的应用服务产品，协助人类智能地开展海洋活动和优化运行海洋装备，实现国家和地区智慧经略海洋的一种整体解决方案［8］，它是海洋信息化发展到当今阶段的最新产物。智慧海洋是关心海洋、认识海洋、经略海洋的神经系统，将下一代通信网络、物联网、大数据、云计算等高新技术融合到海洋开发、人类活动、装备、管理等各方面，实现涉海万物互联互通一体化、数据智能挖掘，为海洋环保、港口航运、防灾减灾、执法管理等涉海活动提供灵活高效的技术支持和保障［9］。
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2 地方级智慧海洋概述
海洋信息化专家李海涛指出，“智慧海洋”按照服务范围可以划分成“国家级智慧海洋”与“地方级智慧海洋”。“国家智慧海洋”是指国家部门牵头主导建设，为助推海洋强国和维护海洋权益而启动的国家层面的战略性重大海洋项目，其重点是基础设施建设，提高信息传输和海洋感知水平;“地方级智慧海洋”是指沿海省、市等地方牵头主导建设，推动海洋强省(市)建设，为服务于当地的海洋经济发展和海域管理而实施的海洋信息化项目，其重点是海洋信息采集、数据处理、系统服务与应用，提高海洋信息化和智慧化水平。地方级智慧海洋可以定位于传统的海洋和渔业发展服务，也可扩展到海洋环保、海上文旅、港口码头、防灾减灾等多种服务。“地方级智慧海洋”建设要让规划先行，并且以注重实效为主［10］。目前有很多地方已经建设完成或者正在建设当地的智慧海洋项目，比如2016年温州市“智慧海洋”一期项目［11］、2020年青岛首个区级智慧海洋一体化项目———青岛西海岸新区智慧海洋管理平台［12］等。
智慧海洋面向的主体是海洋，在建设的过程中会遇到一些问题:人类对海洋的认知程度还比较低，对海洋科学的知识和理论需要不断地更新和完善;系统建设标准不统一，缺少地方特色;采集海洋数据的方法和手段仍然需要改进，对数据的加工和共享能力需要提升;海洋和陆地之间的网络传输需要完善;各部门涉海系统隔离，存在行业壁垒，造成资源浪费［10］。
! w" Y% R$ L. I* K$ `' ^为了解决智慧海洋建设过程中遇到的上述问题，需要相关部门牵头制定全国性的智慧海洋建设规范与标准，地方在建设切合本地实际的智慧海洋系统的同时，能够对接国家智慧海洋系统;统一布局涉海平台，打破信息壁垒，共享利用资源;加强智慧海洋平台基础设施建设，提高数据的获取、加工和分析能力;完善信息传输网络，提高数据的时效性，强化海陆整体协同性。


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3 地方级智慧海洋的技术架构
要建设地方级智慧海洋，就要符合当地海洋发展的实际情况和具有地方特色，才能真正将信息技术服务于海洋经济。地方级智慧海洋系统的技术架构，应当以在本地海域范围内采集的海洋信息要素为基础，以海洋数据接口为补充和扩展，以海洋工业化为支撑，以网络数据传输、虚拟现实技术、大数据、人工智能、云计算和数据分析与挖掘等技术为依托，将“互联网+”融入海洋信息化建设中，构建物理层、网络层、数据层和应用层(图1)。各层和要素之间相互关联、相互作用、运行通畅，各层之间通过接口相互访问，构成一个有机的统一体，不断开拓海洋领域的智慧化水平［9,13］。
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3.1 物理层
6 e7 p5 C+ G& ?! L4 i( Y" ~# k物理层是智慧海洋的核心，为整个智慧海洋提供数据和信息的支撑。掌握精确、全面和及时的数据资料并加以利用，是管理者做出决策的基础。物理层主要包括全球导航卫星系统、卫星遥感、雷达、视频监控、水下机器人、多波束测深仪、波浪浮标、验潮站、海洋环境监测仪、监测船等，根据功能要求扩展相关的物理设备;广义的物理层还包括码头吊机、轮船、海上钻井平台等大型涉海装备，甚至是鱼群等流动生物。物理层实现的功能是对海上、海面、海下和海底全方位、立体化、多层次数据的采集，实现动态数据和静态数据的关联和统一，具体包括海洋空间地理信息数据(位置、面积、高程、海底地形等)、海洋环境监测数据(水质、沉积物、化学要素等)、海洋水文气象数据(水动力、水温、水深、盐度、透明度、海流等)以及政策文件、人类活动、设备运作、海洋资源变化、涉海行业发展等系统内关联数据。以上获取的数据都与地方海洋经济发展最为密切关联，为地方级智慧海洋提供数据源头［9］。
4 A, D# R# R+ X: }3.2 网络层
- ~: A8 ~! }& [  w4 x+ c网络层是智慧海洋的桥梁，将各层之间、要素之间、各层与要素之间串联，通过网络进行数据的传送，主要包括物联网、通信网和互联网。物联网是新一代信息技术的主要内容之一，基于通信网、互联网等传输网络，通过各类网络设备和接口，将系统内部的所有元素贯通连接，智能化地识别和管理系统内的元素和过程，每一个被独立寻址的普通物理对象成为互联互通的网络中的一个元素［9，14］。在智慧海洋系统内，将包括5G在内的高新通信技术融入到三网之中，把沿海地方打造成一个海洋领域万物互联的整体。
) l1 I4 A4 E6 @6 k4 t& m4 V3.3 数据层
数据层是智慧海洋的大脑，通过构建智慧海洋大数据平台，采用分布式架构、数据仓库、数据分析、数据挖掘、云计算等技术，对通过物理层接收的海量海洋信息数据进行存储、分类、提取、计算和输出等。基于全链路数据血缘管理进一步打造全方位多维度海洋数据湖，形成海洋数据资产，以规范数据治理，积淀海洋数据等级标签和丰富海洋数据资产画像，进而以智能BI、数据API、数据联机查询等方式为海洋生态管理提供模型化、智能化、自动化数据策略服务。依托大数据平台建设，数据层通过海洋信息数据共享和联动更新，打破“数据孤岛”，为应用层提供连续、精准、可靠的数据源［9］。
3.4 应用层
: q2 F* R  E# Q2 ]应用层是智慧海洋的双手，是具体实现不同功能的子系统的组合，是体现人类智慧的载体，也反映了地方海洋发展的需求。在大数据时代，借鉴先进模式和利用新兴技术对所需的功能进行设计、开发和运营，服务于海洋环境保护、海洋测绘、海洋经济调查、海上交通、港口运输、海洋旅游开发、海洋预报减灾、海上应急管理等，形成海洋环境监测系统、海洋基础地理信息系统、海洋经济调查系统、海域海岛动态监管系统、海洋预报与防灾减灾系统、智慧港口运营系统、海上应急管理系统等各类子系统。通过引进5G、VＲ、AI技术，可以提高数据的可视化和服务的智能化水平［9］。
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4 地方级智慧海洋子系统
9 e% }4 u7 V: R& R, I+ @以某沿海城市作为智慧海洋设计的研究对象，根据当地实际情况:海域类型多样且使用状况变化较快、海洋自然灾害频繁发生、进出口贸易发展迅速。根据海域空间管理、海洋经济发展和当地海洋自然条件，为其设计智慧海洋子系统，通过智慧海洋的建设，能够提高当地统筹规划海洋资源、防治海洋自然灾害和经略海洋的能力。通过介绍该地方智慧海洋设计的其中3个子系统，展示了智慧海洋对当地发展的巨大促进作用和未来应用前景。
4.1 海域空间资源规划与监管系统
8 R% s; T2 y5 p1 P4 h, r; |结合当地的海域海岛自然地理条件，运用智慧化手段将获取的海域空间数据加载到海洋基础地理信息数据中，通过大数据融合，实现海洋信息数据的“一张图”，对海域空间资源进行统筹规划和可视化动态监管。系统能够提供海域海岛的权属数据、等深线、海岸线、不同类型用海范围、海洋功能区划、各类保护区分布以及重点地标等数据的显示与管理，帮助海洋主管部门合理规划海域空间资源，对建设项目用海、疑点疑区等进行动态监管与评价。
4.2 海洋观测预报与防灾减灾系统
5 m  g7 w7 A) M" I: E在当地海域和沿岸，合理布置观(监)测设备，运用智能化手段对数据进行实时监控，提供海洋水文数据的监测与评价、海洋气象数据的观测与处理;做好海洋灾害预警和分析研判，对常见的灾害提供可视化模拟、推演，为各类应用和决策提供科学依据。不断优化海洋观测预报与防灾减灾系统智慧化水平建设，提高海洋预报业务化工作的精细化水平和防灾减灾工作的时效性，服务于海水养殖、港航交通、应急救援、海洋旅游、海洋工程建设等领域［15－16］。
4.3 智慧港口运营系统
通过引进智慧港口运营系统，运用视频监控、岸基雷达、导航定位系统等技术，优化进出港口的航线和泊位分配，帮助船长引航船舶至规定位置;运用物联网、大数据、人工智能机器人等技术，实现码头对货物的自动化作业，在资源配置、作业效率、人力成本和安全性上实现跨越式发展;与港口相关的货船、集装箱、设备、人员管理和物流运输，都可以实现一站式监管和溯源追踪。智慧港口运营系统，助推港口成为拉动沿海城市经济发展的引擎［17］。
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5 结语
% \: |6 B: M) E, j0 R/ h" @% x地方级智慧海洋建设中的技术架构和系统设计，要在充分调研和论证的基础上，制定完善的技术方案，保证技术架构的可靠性、先进性和系统的安全稳定，为地方级智慧海洋的建设提供基础支撑。而且，地方级智慧海洋建设中的技术架构和系统设计的定位，既要具有地方特色，又要满足海洋经济发展需求，还要服务于当地近海和近岸，也要统一到国家标准体系内，从而推动地方级智慧海洋积极融合到国家级智慧海洋系统中，成为信息化建设的重要一环。当前，海洋信息化的发展助推海洋生物医药、海洋能源、海洋渔业、海上交通与运输、海洋装备制造等海洋新兴产业和传统产业取得了高质量发展和变革创新［18］。推进地方级智慧海洋建设，是提高我国经略海洋能力的重要保障，也是实现我国海洋强国建设的战略着力点［19］。
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