我國海洋信息化發展現狀分析及展望

程駿超，何中文

(中國船舶工業系統工程研究院 北京 100094)

我國海洋信息化發展現狀分析及展望

程駿超，何中文

(中國船舶工業系統工程研究院 北京 100094)

信息化能力是適應海洋自身特點、支撐國家海洋戰略的核心要素，得到美、日等海洋強國的高度重視和巨大投入。新中國成立以來，我國海洋信息化發展成果顯著，正處于由“數字海洋”形態向“透明海洋”形態發展的過程中，但仍無法滿足海洋強國戰略發展需求。文章分析我國海洋信息化發展中存在的問題，結合當下新興信息技術的發展趨勢，提出以智慧化為發展目標、分兩步走的實施建議，為我國海洋信息化發展提供借鑒。

海洋信息化;數字海洋;智慧海洋

自有歷史記載以來，海洋就在人類社會演變的進程中發揮至關重要的作用。隨著16世紀初“地理大發現”的興起，人類逐步通過海洋開啟全球化發展的進程。葡萄牙、西班牙、荷蘭、英國、美國等國家充分利用各自的優勢，在不同歷史時期建立海洋強國，并借此進一步發展成為世界強國，幾百年來影響甚至是主導著世界發展。中國于2012年提出“建設海洋強國”的戰略目標，不僅順應21世紀海洋大開發的發展潮流，也是中國政治、經濟、外交和社會進一步發展的必經之路［1］。

近代幾百年，人類對于海洋強國的認識主要集中在國家海洋工業裝備實力方面。如，馬漢在其著作《海權論》［2］中指出，利用強大海軍(主要指艦船武器裝備)獲取制海權，從而為本國商船開展全球貿易鋪平道路，進一步為攫取資源和商業暴力營造環境。這一思想不僅在西班牙、英國稱霸全球的史實中得到驗證，更幫助美國在20世紀迅速崛起并被沿用至今［3］。然而進入21世紀，隨著以物聯網、云計算、大數據等為代表的新一代信息技術的快速發展，對于海洋強國的認識在原有基礎上加入利用信息技術“認知海洋、管理海洋、開發海洋”這一全新維度［4］，可將其看做國家海洋的軟實力，重要性絲毫不亞于工業裝備實力。如，美國于2013年3月發布的《國家海洋政策行動計劃》中明確提出“海洋數據獲取與信息提供能力增強計劃”［5］，加強聯邦和地方政府、各行業等對海洋的認識和理解，為海洋事業發展做出更為科學與合理的決策。

由此可以看出，我國在建設海洋強國的進程中，不僅需要提升工業裝備方面的硬實力，如海上石油鉆井平臺、LNG船、深遠海開發裝備等;更需要加強海洋信息化方面的軟實力建設，發揮信息在海洋環境認知、海洋事務管理、海洋資源開發、海洋活動保障以及海洋戰略決策等多方面的體系黏合劑與力量倍增器的作用，形成以信息為主導、以裝備為支撐的協同發展格局。

本文首先從海洋自身特點和國家海洋戰略2個方面闡述信息化發展的需求，并對國外海洋信息化建設的情況進行介紹;概述我國海洋信息化發展歷程以及當前發展熱點，并對我國海洋信息化發展現狀以及面臨的問題進行深入分析;以此為基礎，進一步提出將智慧化作為海洋信息化發展方向的展望與實施建議，試圖通過信息化建設實現我國海洋事業在全球范圍內的“彎道超車”。

1 海洋信息化發展需求

1.1 海洋自身特點對信息化發展的需求

海洋是地球表面被各大陸地分割而彼此相通的廣大水域。作為人類賴以生存的第二自然環境，海洋具有十分鮮明的自身特點。首先是“大”:海洋不僅面積遼闊、占全球表面積的70.8%，而且空間立體，包括空中、水面、水下3個層次，到目前為止人類已探索的海底區域僅為5%，還有95%的海底區域仍處于未知狀態;其次是“分”:與陸地上完全主權的占有關系不同，海洋是全人類共同擁有的自然資源，根據《聯合國海洋法公約》的規定［6］，海洋被分為領海、毗鄰區、專屬經濟區和公海，沿海國家在不同海域分別行使不同的權利;再次是“散”:由于海洋面積廣闊，較陸地而言，各類海洋主體和海洋活動都處于高度分散的狀態，不僅相互之間難以建立聯系，更對海洋活動的管理和監控帶來困難;最后是“變”:海洋始終處于運動變化的狀態，海洋水文氣象環境、海上活動的主體和內容都在不斷變化，與陸地上相對穩定的狀態截然不同。

由此可見，對海洋的開發與治理需要充分考慮其自身的特點，采用因海制宜的措施，才能實現經略海洋的目標，而信息的應用正是匹配上述4個特點的有效手段。通過對環境、目標和活動3類信息的及時獲取與充分利用，能夠實現對廣闊、立體海洋空間的認知，制定不同海域的管理開發策略，管控分散狀態下各類海洋主體與相關活動，應對各類變化帶來的問題與挑戰。可以說，“信息主導”是經略海洋的前提與基礎。

1.2 國家海洋戰略對信息化發展的需求

沒有信息，人類在海洋領域寸步難行。信息化水平和能力是各國制定海洋戰略、發展海洋事業的主要參考依據。而且隨著人類社會的演變和科技水平的不斷進步，海洋戰略對于信息化發展的需求越發強烈，信息化與海洋事業之間的聯系也更為緊密。

從人類社會形成至15世紀這一段歷史時期內，對海洋的開發利用主要停留在“興魚鹽之利，通舟楫之便”的水平［3］，關鍵原因之一就在于幾乎沒有任何信息化手段支撐人類活動從近海走向遠海。15世紀至20世紀，隨著航海導航、海圖測繪等初級信息技術的進步，以及海洋環境相關經驗信息的不斷積累、認知水平的不斷提升，人類逐步獲得走向遠海甚至在全球海域航行的能力［7］;這一時期內，葡萄牙、西班牙、荷蘭、英國等歷史海洋強國都根據其全球海域可達范圍(主要由信息化水平決定)制定相應的海洋戰略［8］。

從20世紀后期開始，沿海各國進一步拓展對于海洋的戰略需求。在近海安全防衛、中遠海航道通行等需求的基礎上，增加資源開發、經濟發展、生態保護、防災減災、管控治理等一系列新的需求［9］。考慮到海洋的未知性和演化性，上述需求的滿足從根本上而言更依賴于海洋感知、態勢獲取、通信導航以及分析應用等信息化手段。如，沒有海洋氣象信息，漁業生產安全將無法保證;沒有海底地質信息，資源開采將無從下手;沒有海洋水文信息，生態保護將無的放矢;沒有海上活動目標信息，沿海地區和海上航道安全將受到威脅，海洋管控更是無據可循。因此，信息化能力直接決定海洋事業發展的效果，信息化建設在國家海洋戰略中的地位也得到進一步提升。

2 國外海洋信息化建設進展

歐、美等西方發達國家均高度重視海洋信息化工作，在各類海洋信息的獲取、傳輸、處理與應用等方面投入大量資源開展長期建設，促進本國海洋信息化水平不斷提升。

美國在海洋事業發展中始終貫徹“數據為王”的理念，從不斷擴大信息搜集范圍、提升信息利用價值2個方面開展工作。美國早在20世紀60年代就建立國家海洋數據中心［10］，逐步積累海洋相關信息。在初步完成東西管轄海域信息化基礎設施建設以及信息調查的基礎上，于1998年開始布局全球，主導開展Argo全球海洋觀測試驗項目［11］，以獲取海水溫、鹽度等剖面資料。此后，于2007年進一步啟動綜合海洋觀測系統計劃(Integrated Ocean Observing System，IOOS)［11］，在美國各地已經建立的成百個近海觀測系統基礎上，建設相互協調的全國主干系統和地區子系統，進行聯合觀測、數據統一管理。在初步完成海洋數據規模性積累的基礎上，為進一步加強數據價值的挖掘，于2013年啟動海洋數據獲取與信息提供能力增強計劃。這一系列舉措旨在形成一套覆蓋全球的海洋觀測、數據采集、數據處理與信息管理集成的體系，提升海洋數據與信息產品質量，不斷強化美國作為當今世界第一海洋霸主的地位。

作為美國的鄰居，加拿大充分利用民間力量，針對科學研究和海洋產業服務開展信息化建設。Ocean Networks公司在本國運輸委員會和西方多元化項目的資助下，聯合維多利亞大學與IBM公司于2014年發布海洋感知與決策系統研發項目［12］;該系統實現海洋信息的感知、傳輸、管理、分析與決策的自動化與智能化，從而為科學研究、政府戰略以及涉海行業提供信息和技術支撐。

歐盟集合各成員國的資源和優勢科技力量，針對資源和生態2個方面共同開展海洋信息化建設。愛爾蘭、挪威等13個國家于2011－2014年聯合開展iMarine計劃［13］，研制并建設一套信息化基礎設施，旨在促進獲取、開放和共享基礎性海洋數據，通過協同分析、處理和挖掘，形成經驗知識，支撐歐盟對于海洋資源的開發和生態環境的保護。

3 我國海洋信息化發展現狀及分析

3.1 發展歷程

20世紀80年代以前，我國海洋信息化工作主要以對歷史海洋調查和考察數據的搶救性保存為主，實現文檔化資料管理;“九五”期間，依托各類商業化軟件，逐步開展專題數據庫的建設工作，實現海量海洋數據的檢索和使用;“十五”至“十一五”期間，以專題數據庫為支撐，著手建立海洋信息系統，實現軟硬件設備的升級換代。經過幾十年的發展，我國海洋信息化成果已初步顯現［14］。

在政策保障方面，“十二五”以來，隨著國家不斷加大對海洋事業的投入，海洋的信息化建設也進入高速發展的黃金時期。國家和沿海省(自治區、直轄市)先后出臺一系列海洋信息化建設的發展規劃，如《全國海洋觀測網規劃(2014—2020年)》《廣東省智慧海洋與漁業發展規劃》《青島市“海洋+”行動計劃》等，分別從數值預報、漁業應用、環境監測等多個方面為海洋信息化建設提供政策保障。

在海洋信息化技術手段方面，我國也取得長足進步。我國已成功發射3顆HY系列衛星，岸基觀測臺站、高頻地波雷達、水下機器人、錨系/漂流浮標、短波通信、北斗通信、水下光纖通信等一批關鍵技術和設備取得技術突破，無人機、無人艇等新型裝備逐步投入應用［15］;當前處于論證階段的“一帶一路空間信息走廊”［16］和“海底長期科學觀測系統”［17］將分別從太空和海底2個空間維度增強我國海洋信息獲取能力。

3.2 當前發展熱點

“數字地球”概念的提出在全球范圍內引起強烈反響。我國海洋工作者將其與海洋領域的工作和實踐相結合，于1999年提出“數字海洋”概念以及相關建設構想，并與2003年正式啟動我國數字海洋信息基礎框架構建項目，成為我國海洋信息化領域首個全國范圍內的專項工程［18］。2011年數字海洋信息基礎框架建設圓滿結束，取得一系列豐碩成果，同時也還存在如缺乏實時、持續、立體的數據獲取手段，系統之間信息交換和協同能力較差，較注重近海而缺乏遠海信息等一系列問題［19］。

數字海洋的核心是將大量復雜多變的海洋信息轉變為可以度量的數字、數據，再以這些數字、數據建立起適當的數字化模型，成為可計算、可存儲的對象。海洋環境信息中，溫度、鹽度、濕度等都是隨著時間、空間變化而連續變化的，只有通過數字化技術對這些連續變量進行采樣、量化、編碼，才能形成可被存儲、運算、處理的數值。因此可以認為，數字海洋是海洋信息化發展的基礎。

在“數字海洋”的基礎上，海洋科學與技術國家實驗室的吳立新院士于近年提出“透明海洋”的工程構想［20］。“透明海洋”針對我國南海、西太平洋和東印度洋，實時或準實時獲取和評估不同空間尺度海洋環境信息，研究多尺度變化及氣候資源效應機理，進一步預測未來特定一段時間內海洋環境、氣候及資源的時空變化，實現海洋狀態透明、過程透明、變化透明，使其成為“透明海洋”。“透明海洋”是在海洋信息數字化的基礎上，向海洋環境信息應用邁出的重要一步，將大幅提升我國認知海洋的能力。然而認知海洋只是基礎，經略海洋才是目標，如何充分利用信息提升經略海洋的能力才是未來發展的關鍵。

3.3 存在的問題

雖然我國海洋信息化發展已取得豐碩成果，但現階段信息化水平還遠無法有效支撐建設海洋強國、“21世紀海上絲綢之路”等戰略目標的實現，主要表現在幾個方面。

3.3.1 海洋信息化缺乏頂層體系性設計

首先，海洋涉及軍事、政治、外交、經濟、環境等多個領域，而在海洋信息化建設過程中沒有國家頂層的體系性設計和統一的規劃引導，缺乏空間、功能布局和實施步驟的合理統籌，各部門、沿海地方通常按照自身業務需求獨立開展建設，各系統不僅難以相互協調支撐、統一形成合力，而且造成重復建設和資源浪費。

其次，海洋信息化建設內容豐富，涵蓋基礎設施、管理機制、運行保障、標準質量、安全防護等多個方面，且各部分關系緊密、不宜分立，必須相互支撐、協調推進，因此頂層體系性設計尤為關鍵。然而目前我國仍較重視個別領域的建設，缺乏全局整體性發展規劃，從而形成能力短板，嚴重制約海洋信息化建設的整體效果。

3.3.2 海洋信息獲取能力亟待提升

從整體來看，我國已初步形成由衛星、飛機、調查船、岸基監測站、浮標等組成的海洋環境立體監測網絡，在空中、海面、水下形成一套立體綜合觀測體系［19］。然而我國自主獲取的海洋信息在范圍、內容和質量等方面還存在明顯不足。

在范圍方面，目前我國布局的信息基礎設施僅能夠覆蓋管轄海域，且以水面信息為主，對于深海、遠海、重要戰略通道等區域缺乏有效的信息獲取手段，而是主要以國際合作和交換資料為主，難以實現對船舶遠洋航行和海外軍事/非軍事行動的有效保障。

在內容方面，目前我國仍以水文氣象等環境信息為主，對于低空、水面和水下活動目標信息難以做到及時掌握，即使通過雷達、聲吶等手段探測到目標，也難以實現對目標身份和意圖的有效識別，從而給海上安全管控、突發事件應急處理帶來巨大困難。

在質量方面，受限于獲取手段和儀器設備，我國現有的海洋數據主要以批次性調查和日常業務工作積累等為主，數據的時效性、時空分辨率以及精度等方面與國外還有較大差距，且即使使用相同的原始數據也難以達到國外的處理水平。

3.3.3 海洋信息缺乏有效共享

由于信息系統分頭建設，涉海數據分別掌握在各業務主管部門和相關科研機構手中，彼此之間相互隔絕，再加上政策、技術、安全等方面的考慮，形成多個數據孤島，使海洋數據的管理和共享出現各自為政的局面。一方面使數據重復采集、成本提升;另一方面也使大量數據囤積難以發揮其潛在價值。

數據共享機制的不健全進一步影響信息關聯與協同的能力。海洋環境復雜多變的特點導致單一海洋信息的可信度和準確度通常較差，無法憑此做出有效決策。只有將多種信息關聯起來、相互比對，并進一步建立信息之間的關系模型、協同使用數據，才能夠驗證數據的有效性，并深層次挖掘數據，尋找規律、提煉價值。可見，海洋數據共享程度直接影響數據使用效果。

3.3.4 海洋信息業務化應用水平低

我國雖已在相關涉海部門、行業初步建立信息應用系統，但大多停留在數字化辦公和掌握當前情況這一初級層面。對于信息自身價值的開發仍處于起步階段，而這一價值主要體現在取代經驗、對未來進行更準確的預測。

綜合來看，受數據質量、歷史積累以及最為關鍵的數據挖掘能力等方面的限制，目前我國海洋信息對經濟、管控、軍事和開發等領域的決策支撐保障水平仍然較低，信息在實際業務中的應用范圍、應用深度都亟待提升。

3.3.5 海洋核心技術裝備力量薄弱

海洋信息化能力以核心裝備技術水平為基礎。根據我國海洋工程與科技發展戰略研究結果［21］，僅8%的國產核心裝備達到國際先進水平、22%的國產核心裝備與國際先進水平差距為5年、其余國產裝備差距在5～20年。尤其在信息感知裝備(如水下觀測設備、岸基雷達設備等)方面，缺乏自主研制和生產能力，核心技術、關鍵零部件和整機裝備大部分依賴進口和國外配套，對未來我國海洋信息化發展造成不利影響。

4 我國海洋信息化未來展望和發展建議

4.1 智慧化是海洋信息化發展的必經之路

近年來，CPS［22］、大數據［23］、云計算［24］、物聯網［25］等新一代信息技術飛速發展，推動人類社會逐步由工業社會向信息社會轉型。海洋作為對信息具有高度依賴性的特殊領域，更是迎來劃時代的發展機遇。

從整體來看，新一代信息技術體系已經具備構建與人類所在物理空間相對應的虛擬空間的能力。憑借海洋物聯網獲取的與日俱增的海量數據，加上長期積累的各類歷史數據，通過以云計算平臺為支撐的工業大數據［26］、社會大數據、科學大數據［23］的分析處理，可在虛擬空間中構建海洋環境演變模型、海上設備運行模型、涉海人員活動模型。在此基礎上，利用大量實時真實數據驅動虛擬空間中的各類模型，可實現在虛擬海洋空間中模擬和預測實體海洋空間的發展變化情況［27］。由此，一方面可利用模擬預測結果對實體海洋空間的活動和決策進行指導;另一方面可利用實體空間產生的大量數據促進虛擬空間的成長，提升模型的準確程度和預測能力。從而形成實體海洋空間與虛擬海洋空間相互指導、相互映射的良性互動關系。這正是CPS技術的核心思想［27］。

在以CPS技術為核心的海洋信息化發展框架下，隨著網絡環境的不斷完善、相關數據的不斷積累、模型準確性的不斷提升，海洋實體空間與對應虛擬空間的深度交互與融合將成為必然，從而使得“虛實融合”的海洋信息化體系進一步朝著智能化的方向發展，逐漸形成海洋信息的智能感知、智能管理、智能分析、智能決策等一系列核心能力，最終成為智慧海洋。可見，智慧化是海洋信息化發展的必經之路。

4.2 發展建議

在深刻認識我國海洋信息化發展中存在的問題的基礎上，應充分借鑒國外該領域積累的經驗和形成的理念，立足現有“數字海洋”“透明海洋”，從全局戰略性角度出發，加強海洋信息化發展的頂層設計，完善信息共享機制，大膽利用新興信息技術，充分發揮其對現有業務模式的開創性作用，形成后發優勢，分2步實現對世界先進水平的趕超，實現對海洋強國戰略發展的有力支撐。

第一步主要解決現存問題，夯實完善海洋信息體系。通過海洋物聯網、海上寬帶通信、海洋工程裝備等方面的發展，打造覆蓋全球的海洋信息基礎設施網絡。通過海洋大數據、云平臺等方面的建設，提升我國海洋信息開放共享、分析處理、價值挖掘等方面的能力。通過為各涉海領域提供具有準確預測能力的信息應用服務開發平臺和環境，鼓勵海洋信息服務產業發展，形成涉海領域全面覆蓋的信息服務體系。

第二步主要提升信息體系能力，構建智慧海洋。順應海洋信息化發展的必然趨勢，著力推動大數據、云計算技術的深入應用，加強海洋數據分析挖掘能力，完善信息交互傳輸網絡，提升虛擬信息空間運行真實程度，真正實現“虛實融合”“智能自治”的智慧海洋。

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Analysis and Expectation of China's Maritime Informatization Status

CHENG Junchao，HE Zhongwen

(Systems Engineering Research Institute，Beijing 100094，China)

Marine informatization ability is a core element in support of the developing strategy of maritime countries．Since the establishment of People's Republic of China，the development of marine informatization has achieved great success，and is experiencing the evolvement from“Digital Ocean”to“Transparent Ocean”．However，such achievement still cannot satisfy the requirement of maritime strategic development of China．In this paper，the marine informatization status of China was analyzed．Based on the developing trends of rising information technologies，a two-step implementation suggestion，which took the“Smart Ocean”as the future target，was proposed，and defined the direction of development of China's maritime informatizaiton．

Maritime informatization，Digital ocean，Smart ocean

P7

A

1005－9857(2017)02－0046－06

2016-08-30;

2016-12-03

程駿超，工程師，博士，研究方向為海洋信息化、體系工程，電子信箱:junchaocheng@163.com