海洋工程自主空間信息技術應用與服務前景

崔銀秋，牛玉欣，田俊峰，張浩強

海洋工程自主空間信息技術應用與服務前景

崔銀秋1，牛玉欣2，田俊峰1，張浩強1

（1.中國交通建設股份有限公司，北京100086；2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京100089）

海洋工程與科技是推動我國海洋經濟持續發展的重要因素，自主空間信息技術將為海洋工程帶來革命性變化。文章敘述了我國自主空間信息技術體系發展現狀，針對海洋工程建設過程中亟待解決的關鍵技術難題，深入分析提出海洋工程的空間信息技術需求，總結近年在海洋工程中開展了廣泛的自主空間信息技術應用與服務實踐，并以國家發展戰略和時代技術特征為主導，勾勒出未來海洋工程自主空間信息應用與服務的藍圖。

空間信息技術；海洋工程；應用；服務

1　概述

海洋工程是在海洋上進行的基礎設施建設與管理活動，是開展海洋能源、水上交通、海洋礦產資源、島礁開發等一切活動的先行工程。為提高海洋資源開發能力，海洋工程行業亟需借助高新技術實現轉型升級，實現由近岸近海向離岸遠海的跨越[1]。海洋工程建設迫切需要加強信息資源的整合利用，通過提升海洋工程的信息服務能力，逐步實現海洋工程建設的信息化、智慧化，推動“四個交通”邁上新臺階。

由衛星導航GNSS、遙感RS、地理信息系統GIS三大技術構成的空間信息技術（簡稱3S技術）作為信息技術的一個重要分支，與納米技術、生物技術并稱國際三大科技前沿領域之一，在交通、電力、測繪、應急、農業、林業等領域廣泛應用并受好評。3S技術的應用離不開通信網絡，“3S+C”（即GNSS，RS，GIS+通訊Communication）能夠充分發揮各種通信網絡能力，組合利用多種衛星系統，整合應用各類天基與地基系統資源，是各行業信息化發展的趨勢，也是未來地理信息產業發展的方向。

“3S+C”以地理信息開發利用為核心，以行業應用為目標，提供行業信息的獲取、處理、應用與服務，逐步形成了以定位、導航和遙感信息為基礎的空間信息應用與服務體系，近年來迅速興起并高速增長，應用前景廣闊。

2　海洋工程對空間信息技術的需求

2.1自主空間信息體系

我國目前在軌運行衛星有120余顆，通信衛星和遙感衛星已實現全球覆蓋，北斗衛星導航系統由區域運行正在向全球拓展。在未來5 a內，計劃發射約120顆衛星。

1）北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統（簡稱BDS）是中國正在實施的自主建設、獨立運行，與世界其他衛星導航系統兼容的全球衛星導航系統，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、測速、授時服務，并兼具短報文通信能力。該系統已成功應用于測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域，經濟效益和社會效益顯著。

目前，我國衛星導航應用理論研究和技術研發發展迅速，導航芯片、天線等關鍵技術取得重大突破并實現了產品化。北斗衛星導航系統建設取得突破性進展，衛星導航產業發展取得長足進步，已具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力，2018年將率先為“一帶一路”國家提供基本服務，到2020年左右將建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統[2]。

2015年5月8日，中俄簽署的《中國北斗和俄羅斯格洛納斯系統兼容與互操作聯合聲明》，是北斗衛星導航系統與全球其他衛星導航系統簽署的首個系統間兼容與互操作文件，這是其國際化發展的重要標志。2015年7月25日中國成功發射2顆北斗導航衛星，將為中國建成全球導航衛星系統開展全面驗證，為后續的全球組網衛星奠定基礎[3]。

2）高分辨率對地觀測衛星系統

高分辨率對地觀測系統（簡稱高分專項）是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》所確定的16個重大專項之一，該系統由天基觀測系統、臨近空間觀測系統、航空觀測系統、地面系統、應用系統等組成。高分專項將統籌建設基于衛星、平流層飛艇和飛機的高分辨率對地觀測系統，建立對地觀測數據中心等地面支撐和運行系統，與其他觀測手段結合，形成全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力，將提高我國空間數據自給率，對于促進我國空間基礎設施建設，培育衛星應用企業集群和產業鏈，推動衛星應用和戰略性新興產業發展具有重大意義。

高分專項包含至少7顆衛星和其它觀測平臺，將于2020年前完成發射并投入使用。目前高分一號和二號已經發射并投入使用，分別達到了1 m全色和4 m多光譜，高分八號和九號衛星已發射成功即將投入使用[4]。高分專項衛星數據已在國土、礦產、環保、農業、水利、災害等行業部門應用，并在城市精細化管理、中小城鎮開發現狀監測、區域經濟作物監測等領域應用發揮了重要作用[5]。

3）地理信息系統

地理信息系統（簡稱GIS）是管理和研究空間數據的技術系統，可以對空間數據按地理坐標或空間位置進行各種處理、對數據的有效管理、研究各種空間實體及相互關系。通過對多因素的綜合分析，能夠迅速獲取滿足應用需求的信息，并以地圖、圖形或數據的形式表示結果。

目前世界上常用的GIS軟件已達400多種，其大小不一、風格各異，國外較著名的有ARC/INFO、GENAMAP、MGE等，國內較著名的有MAP/GIS、Geostar和CITYSTAR等。我國GIS雖然起步稍晚，但發展較快，已成功應用到農業、林業、國土、海洋、交通、應急等多個領域。

4）自主衛星移動通信系統

衛星移動通信系統是指利用地球靜止軌道衛星或中低軌道衛星作為中繼站來實現區域乃至全球范圍的移動通信系統，是由衛星通信技術和地面移動通信技術結合產生的新的通信方式，具有覆蓋范圍廣、系統容量大、通信距離遠、不受地形限制、抗災能力強等優勢，有著非常重要的戰略意義和廣闊的發展前景。

我國已具有世界上最大的光纖、地面移動通信網絡，地面通信技術水平已達世界領先水平，擁有世界上最大的用戶群。但重大活動和突發災難時，一旦地面設施遭到破壞，勢必依賴衛星通信。雖然北斗在2008年北京奧運會、汶川抗震救災等事件中發揮了重要作用，但其短報文通信遠遠不能滿足通信需求，目前我國民用衛星移動通信系統的應用，仍然主要依賴國外系統。

我國正在加快自主衛星移動通信系統的建設，隨著自主S頻段移動通信衛星系統的建設，將會帶動地面系統和軍用、民用移動通信的快速發展[6]。

2.2海洋工程

海洋工程涉及海洋資源調查、水文地質勘察、海洋氣象觀測、工程環境監測、海洋結構工程、海洋巖土工程、海洋工程材料與防腐、建造、運輸與安裝、海洋工程安全管理等領域，投資大，風險高，重型復雜裝備投入多，施工定位精度要求高，工程項目管理難度大。隨著社會經濟的發展，海洋工程由近岸近海向離岸深海、遠海推進。

目前，我國深遠海開發建設剛處于起步階段，深遠海區域有著特殊的地質、海況和氣候，施工運程長，后勤補給困難，通訊不暢，缺乏精確導航定位，項目協同困難，相關海洋環境資料缺乏，設備維護監測難，參建人員安全等問題突出，缺乏應急救援保障手段，施工效率較低[7]。

1）自然環境惡劣

不同于近海作業，深遠海工程施工現場的地質、水文、氣候環境更加復雜、惡劣。

2）水文地質資料缺乏

普遍缺乏深遠海施工區域的水文地質資料，相關工程的地質研究滯后，施工方案、施工工藝復雜。

3）通訊手段受限制

施工現場遠離大陸，缺乏岸基通訊基站，衛星電話實用價格昂貴，部分施工區域受保密制度限制，基于國外衛星的電話不能隨意使用，船舶-工區指揮部-項目經理部相互之間沒有有效、可靠、實用的通信手段。

4）導航定位限制

GPS衛星定位精度與穩定性存在受外部控制的可能，使用GPS定位存在重大的安全隱患，北斗導航定位系統是唯一正確的使用選擇。但如何在惡劣的自然條件和環境下，達到分米級、甚至厘米級的定位精度成為深遠海海洋工程施工作業難題。

5）工程人員安全保障困難

深遠海作業給養不足，外部干擾情況時有發生，施工人員作業存在較高的安全風險，必須建立良好的通訊和定位系統，對施工人員進行實時監測與跟蹤，緊急情況下能迅速應急救援。

6）協同指揮、應急救援難度大

深遠海工程建設是一個很大的綜合協同系統工程，施工協作單位多，信息孤島現象嚴重，各級工程指揮部無法及時了解現場作業情況，導致遠程保障、補給與救援無法做到有效的遠程協助、指揮調度，響應突發事件速度慢，亟需建設具備遠程響應機制和協同管理的項目集成管理平臺。

2.3海洋工程對空間信息技術的需求

海洋工程的施工現場、裝備、人員往往處于交通通信設施尚未完善的區域，并且頻繁移動，無法通過國家公眾通信網建立與項目部、所屬公司及相互之間的持續有效數據通信，嚴重制約了工程的管理水平。正在建設的自主衛星移動通信民用應用系統，為我國空間信息應用實現通導一體、天地一體創造了條件。

1）裝備動態監控需求

裝備動態監控是裝備安全監管最基本的需求，包括裝備自身動態監控、安全動態報警以及安全調度等功能。目前船舶動態監控的軟件多數基于GPS定位，通過AIS、3G網絡、海事衛星等傳輸船位、艏向、航跡向、船舶基本信息等數據，而AIS和3G網絡難以適應遠離海岸基站的海域（往往超過海岸30~50 n mile就不再適用），海事衛星傳輸則陷入費用費率高的困境。同時，GPS定位往往會有區域性失靈的現象，部分地區輕則定位數據跳動頻繁，重則無法鎖定定位。

因此，亟需研制基于自主空間信息應用與服務體系的裝備動態監控系統，滿足工程大型裝備與工程船舶調動頻繁、多公司多類型裝備交叉使用的特殊需求。

2）實時工況監控需求

由于地域分散，特別是船舶分布在不同海域施工，項目部及其所屬公司需要實時獲得裝備的施工工況，為后續工藝診斷及優化打下基礎，遠程實時工況監控面臨較大挑戰。

以挖泥船為例（下同），所有疏浚業主都要求安裝實時遠程工況監控系統，如耙吸船要求能遠程監視船位、主機、液壓系統等子系統的多個參數，迫切需要建立船舶自身的集成監控系統，實時采集、存儲所需工況數據。由于不同船舶集成監控系統的供應商不同、版本不同、接口不同，造成數據采集融合形式高度差異化，亟待研制衛星系統數據傳輸通訊協議和接口，通過衛星通信或公眾移動通信網絡遠程傳輸數據，在建立集中數據庫的基礎上基于Web技術提供給相關用戶，實現遠海工程裝備的實時施工工況監控、記錄、回放。

3）裝備工藝優化分析需求

裝備工藝的優化是提高生產效率的主要手段之一。

目前海洋工程行業內大型裝備均已機電一體化，如新建挖泥船已普遍采用集成控制系統，即挖泥船駕駛臺上諸如測量、疏浚、導航、電子海圖等子系統都通過網絡連接起來，使信息資源得到共享，并分級控制。集成控制系統簡化了疏浚操作，提高了疏浚的安全性并且一定程度上提高了疏浚效率。

基于自主“3S+C”技術空間信息應用與服務體系的應用，使“挖泥船工藝分析優化系統”實現了遠程船岸通訊，可以實時查看優化系統的運行狀態，并可以根據系統運行狀態設定邊界信息和控制參數，科學完善的遠程故障診斷，使得整個系統更加靈活高效。目前“工藝分析優化系統”+“自主空間信息技術”模式的產品在國內外不成熟，未來推廣應用前景相當可觀。同樣，對于隧橋建設的大型裝備，如架橋機、提梁機、隧道盾構機等，也可以采用遠程工藝分析優化系統。

4）物資跟蹤管理需求

施工設備和物資的運輸是工程建設中必不可少的環節。

由于無法對各類工程設備和物資的運輸信息進行實時監控，造成了設備物資信息反饋不及時、不精確、不全面等問題，而設備物資監控調度管理系統在“3S+C”技術支持下，可實現設備物資管理部門對運輸工具（包括船舶）的全程監控，提高了運輸工具的效率和安全，降低了企業成本。

海洋工程資源保障除了涵蓋常規資源保障的所有業務要素和業務環節之外，還在數據傳輸通信、工程物資供應及物流協同監控、工程裝備運行、維修保障、故障檢測-診斷與遠程維修支援、裝備備品備件供應保障管理等方面有其特殊需求。

5）工程人員應急搜救需求

海洋工程作業人員時常發生落水、遇險等緊急情況，需要為作業人員、船員配備一套遇險信號發射器，該產品的需求量大，能為人員安全監管、應急搜救提供保障。目前深遠海作業用的便攜式遇險信號發射器體積大，且需要安裝在救生衣上，不便于攜帶和充電。

亟需研制基于北斗及自主衛星移動通信等多種技術融合創新的信號發射器，可手動/自動觸發報警信號，將報警信息、人員信息、位置信息發送至母船，有利于快速報告發現險情，適應海洋遇險搜救。

6）管理人員安全監管需求

采用基于身份認證、北斗定位和GPRS通信功能的安全護照，可以在有移動通信服務的地區使用，可提供人員定位、記錄并上報位置、應急報警等功能。選用基于身份認證、北斗定位和北斗通信功能的移動通訊終端，可以應對完全沒有移動通信服務的地區或緊急情況，提供人員定位、記錄并上報位置、雙向短報文傳輸、應急報警等功能。

建立安全護照發放管理子系統。根據用戶需求定制后臺管理子系統。基于GIS數據庫完成報警處理、位置顯示、統計分析和報表生成，為科學高效的生產提供數據支撐。

7）高精度導航定位需求

在島嶼上建立地面北斗差分服務站，通過地基增強形成區域北斗增強系統，實現高精度導航定位，為海上交通和施工、測繪提供高精度的定位基準，填補北斗在遠海領域應用的空白，不僅能滿足國民經濟、國際貿易和社會發展的需要，還能滿足航行在我國主要港口、重要水道和沿岸的海上公眾用戶以及海洋測繪、海洋石油開發、海洋漁業、海洋資源調查、海上交通安全管理、疏浚、引航等需要高精度導航服務的用戶需求。

8）深遠海開發建設基礎地理信息服務需求

我國已初步建立了一定范圍內的海洋站監測網絡，但大部分為沿海海洋氣象水文觀測臺站，遠海海洋觀測站布設量較少，分布不盡合理，監測范圍有限，難以滿足深遠海工程的設計、施工要求。

基于自主“3S+C”技術，對重點區域進行地形地貌全覆蓋監測，了解海洋資源分布情況，建立數據傳輸鏈路，研制低功耗北斗通信定位終端，將各類觀測數據實時、準確、完整地發送到數據處理中心，為國家海洋戰略及經濟開發做好技術儲備，也可為海洋工程施工方案優化提供參考，有利于國家海洋經濟建設。

3　海洋工程空間信息技術應用實踐

中國交建作為基礎設施建設行業的代表，踐行“一帶一路”的典范企業，所屬水工裝備、專業技術隊伍和疏浚船隊分布在全球各地，實施各類港口、島礁、公路、橋梁、隧道、吹填造地、工業園區的建設。然而，施工現場、裝備、人員往往處于交通通信設施尚未完善的區域，如海洋、島礁、灘涂等偏遠和人煙稀少地區，無法通過國家公眾通信網建立與項目部、所屬公司及相互之間的持續有效數據通信。

3.1衛星移動通信技術應用實踐

目前，中國交建疏浚板塊各局施工船舶基本上使用GPRS/CDMA公眾無線網絡實現數據傳輸，天航局約十余艘主力船舶使用Ku波段衛星數據通信與岸基公眾無線網絡集合的方式，上航局海外自航船舶語音通信/傳真通常使用Inmarsat船站，海外項目部則普遍使用當地固定寬帶網絡或衛星數據通信。

3.2高分專項應用實踐

中國交建十分注重高分遙感行業應用研究，下屬公司中咨集團承擔的重大專項“高分綜合交通遙感應用示范”項目已完成先期攻關的研發，突破了基于GF-1、GF-2等衛星替代數據源的交通基礎信息提取與更新、交通災害因子信息提取和特征參數反演、航道監測及船舶運營管理等關鍵技術，形成了多項標準規范，建立了高分交通數據庫，搭建了高分綜合交通遙感應用示范原型系統，開展了相關測試。

在未來的研發過程中，項目組將進一步攻克相關交通應用關鍵技術，全面完成高分綜合交通遙感應用示范系統建設，形成基于我國自主高分數據的交通應用示范和成果轉化能力，突破遙感技術在交通領域應用的關鍵性難題，滿足航運監控、監控應急、公眾出行等需求，提高交通信息服務水平。

3.3北斗衛星導航系統應用實踐

中國交建高度重視北斗在海洋工程中的應用，重點扶持有利于公司轉型升級和發揮全產業鏈優勢的重大科研項目，積極推廣應用北斗衛星導航定位系統，大力實施海洋工程建設技術研發應用。中交所屬的多家公司與多家北斗專業供應商開展了基于北斗的系列技術開發與應用合作，已落地并展開了特色應用。

中交上航局承擔的2013年國家衛星及應用產業發展專項“基于北斗兼容系統的工程船舶智能位置服務平臺研制與應用示范”以北斗系統為依托，解決了北斗多卡并發、信息標準化采集與傳輸等技術難題，完成了基于北斗兼容系統的信息傳輸、智能位置服務技術研發，研制了北斗集成通信機等設備，建立了工程船舶智能位置服務平臺，實現了工程船舶信息遠程傳輸與實時遠程管理，獲得多項自主知識產權，已在中交上航局100多艘工程船舶、30多個海洋水文觀測站上成功應用，在國家重大海洋工程項目的生產調度、應急指揮、資源保障等方面發揮了積極的作用。項目利用北斗信息平臺，成功實施3次搶險救援，避免了上億元損失，取得了較好的經濟效益，行業示范應用效果明顯，順利通過國家驗收。

由中國交建負責組織實施的國家2014北斗衛星導航產業重大應用示范發展專項海洋開發應用領域的應用示范工作正在實施，重點支持建設北斗工程管理平臺和相關基礎設施，在海洋資源調查、水文地質勘查、施工作業、遠海工程項目管理等領域推廣應用北斗衛星導航定位裝備，提供開發利用海洋資源的能力。項目依托北斗系統，圍繞“3S+C”技術融合創新主線，組合利用多種衛星系統，整合應用各類天基與地基系統資源，充分發揮各種通信網絡能力；服務中國交建國內外安全應急管理和生產經營管理，重點提升全集團應急管理水平，為重大工程項目提供科技保障；推動北斗成為行業的標準配置，為我國海洋工程行業起到示范引領作用。

4　海洋工程自主空間信息應用與服務體系應用前景

擁有獨立的衛星導航、通信系統，不僅事關國家的獨立自主，也事關國家的影響力。綜合應用自主空間信息技術，在保障國家經濟安全和獨立、促進經濟發展等方面有著重要的作用。

當下，北斗已成為經濟發展的強大發動機，更是連接行業和國家的重要信息紐帶，北斗的推廣應用將會帶動空間信息技術不斷完善。在物聯網、大數據應用發展背景下，以北斗為首的自主空間信息技術應用產業要堅持高端引領，把北斗與現代測繪和地理信息系統、遙感、通信、云計算等技術融合創新，與海洋工程行業結合，形成“北斗+”的倍增效果，為全國乃至全球提供時空領域的“中國服務”。

2015年5月19日國務院正式印發《中國制造2025》，這是我國實施制造強國戰略第1個10年行動綱領。《中國制造2025》中提出，加快推進國家民用空間基礎設施建設，發展新型衛星等空間平臺與有效載荷、空天地寬帶互聯網系統，形成長期持續穩定的衛星遙感、通信、導航等空間信息服務能力。這是我國面向未來智能信息產業的大發展大變革，也是海洋工程行業領先國際實現跨越發展的優選路徑。

[1]田俊峰.盡快讓“北斗”服務海洋工程建設[N].交通建設報，2014-05-29（5）. TIAN Jun-feng.Let the BeiDou Satellite serve for ocean engineering construction as soon as possible[N].Communications Construction News,2014-05-29(5).

[2]北斗衛星導航系統政府網站.北斗衛星導航系統簡介[EB/OL]. （2010-01-15）[2015-12-23].http://www.beidou.gov.cn/xtjs.html. Govemment websites of the BeiDou Navigation Satellite System. Introduction of the BeiDou Navigation Satellite System[EB/OL]. (2010-01-15)[2015-12-23].http://www.beidou.gov.cn/xtjs.htm l.

[3]新華社.北斗又添雙星將試驗全球組網[N].新京報，2015-07-27（A05）. The Xinhua News Agency.BeiDou Satellite added double satellites,to test theglobalnetwork[N].The Beijing News,2015-07-27 (A05).

[4]鄒維榮，宗兆盾.我國成功發射高分九號衛星[N].解放軍報，2015-09-23. ZOUWei-rong,ZONG Zhao-dun.China hassuccessfully launched a High-score-9 Satellite[N].Peop le′s Liberation Army Daily, 2015-09-23.

[5]張棉棉，邱學雷.我國成功發射高分二號衛星多方面實現技術突破[EB/OL].（2014-08-19）[2015-12-23].http：//china.cnr.cn/ gdgg/201408/t20140819_516251208.shtm l. ZHANGMian-mian,QIU Xue-lei.Chinahassuccessfully launched a High-score-2 Satellite to achieve a technical breakthrough in manyways[EB/OL].(2014-08-19)[2015-12-23].http://china.cnr. cn/gdgg/201408/t20140819_516251028.shtml.

[6]呂靜偉，陳紅濤，陶智偉.國內外衛星應用產業發展現狀與趨勢分析[J].中國航天，2009（11）：20-23. LüJing-wei,CHEN Hong-tao,TAO Zhi-wei.Current status and trend of domestic and international satellite application industry [J].AerospaceChina,2009(11):20-23.

[7]何建波，張工，崔銀秋，等.北斗在遠海工程人員安全監管中的應用前景[J].中國港灣建設，2015，35（4）：68-71. HE Jian-bo,ZHANG Gong,CUIYin-qiu,et al.Application prospect of BeiDou Navigation Satellite System in staff safety supervision of open-sea engineering[J].China Harbour Engineering,2015,35(4):68-71.

Prospects of independent spatial information application and service in ocean engineering

CUIYin-qiu1，NIUYu-xin2，TIAN Jun-feng1，ZHANGHao-qiang1
（1.China Communications Construction Company Ltd.,Beijing 100086,China；2.China Highway Engineering Consulting Company Ltd.,Beijing100089,China）

Ocean engineering and technology are important factors to promoting the sustained developmentof China′s ocean economy,and the independent spatial information technology will bring revolutionary changes for ocean engineering. Considering the current developmentof China′s spatial information technology system,we proposed the key technical problems need to be solved urgently in app lication process,discussed deep ly the demands of ocean engineering in spatial information technology,summarized the independent spatial information applications and service practices in ocean engineering in recent years.With the national development strategy and the technical features of times,we sketched out its′blueprint in future ocean engineering.

spatial information technology;ocean engineering;application;service

U652.4

C

2095-7874（2016）04-0071-06

10.7640/zggw js201604018

2015-12-23

崔銀秋（1971—），男，河南淇縣人，工程碩士，高級工程師，國家一級注冊建造師，北斗辦副主任，主要從事海洋測繪、工程測量、北斗專項應用等工作。E-mail：yqcui@ccccltd.cn