海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系的基礎(chǔ)設(shè)施研究

王永皎，王冬海，張 博，商志剛，周鎮(zhèn)宇

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

隨著人類對海洋開發(fā)利用的不斷深入和綜合管控的逐步加強，海洋已不是傳統(tǒng)意義上海島、海岸線和海洋的簡單空間組合，而是由海洋環(huán)境、海上裝備以及人類活動等多種元素綜合作用構(gòu)成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。海洋是“數(shù)字化”綜合體，具有立體化、網(wǎng)絡(luò)化、持續(xù)化和智能化的特點[1]。海洋每時每刻都在變化，由于海洋信息基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展和應(yīng)用，產(chǎn)生涵蓋了海底地形、海洋遙感、船測、水文及模式同化等諸多類型的海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均可供技術(shù)人員研究和探索。

目前，前人普遍只是對海洋信息技術(shù)和一些關(guān)鍵海洋信息裝備的發(fā)展與方向進行總結(jié)和分析[2]；或從單項信息技術(shù)和裝備的角度進行分析，提出海洋信息工程裝備概念[3]；或者詳細描述了網(wǎng)絡(luò)信息體系的頂層架構(gòu)設(shè)計與總體建設(shè)能力，對海洋信息網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計及分析[4-6]。但都沒有全面描述海洋網(wǎng)絡(luò)信息集成實施的概念和組成，以及對應(yīng)的服務(wù)和應(yīng)用等的總結(jié)研究。

本文從海洋信息網(wǎng)絡(luò)[7]的角度對海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施的概念和組成進行了分析，描述了海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施對海洋信息網(wǎng)絡(luò)體系中支撐作用，提出依靠海洋信息技術(shù)和海洋信息裝備，按照“節(jié)點+連接”構(gòu)建海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合多種典型應(yīng)用，構(gòu)建“物理分布、邏輯一體”的海洋信息網(wǎng)絡(luò)體系，展望了海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施未來發(fā)展趨勢。

1 海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施概念與組成

依據(jù)目前信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展[7]，依靠海洋信息技術(shù)和海洋信息裝備的發(fā)展，構(gòu)建的海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施[8]核心由具備平臺、能源、管控及保障等功能的海上信息節(jié)點和具備感知、連接、計算、存儲、交換等功能的網(wǎng)絡(luò)連接而成。海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施具備智能信息感知、智能信息傳輸、業(yè)務(wù)應(yīng)用、智能融合應(yīng)用、綜合管控及體系保障等能力。構(gòu)建以固定海洋信息裝備與機動海洋信息裝備相結(jié)合的海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施新模式，創(chuàng)建新型的海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施智慧應(yīng)用，可以全面提升海洋工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平，把海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施打造成未來海洋經(jīng)濟發(fā)展的新引擎，助力海洋網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)展[8-9]。

以岸基信息節(jié)點、島礁信息節(jié)點、浮動信息節(jié)點、水下探測信息節(jié)點為核心節(jié)點的固定海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施，與以水下集群節(jié)點、水面集群節(jié)點、海空集群節(jié)點、天基通信衛(wèi)星為核心節(jié)點的海洋機動信息基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，綜合海洋信息感知、傳輸、應(yīng)用、管控等信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，形成海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施，如圖1所示。

圖1 海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施示意圖Fig.1 Schematic diagram of marine network information infrastructure

應(yīng)用“感知、傳送、應(yīng)用、管控、能源、平臺”等海洋信息技術(shù)和“固定、機動”海洋信息裝備聯(lián)合構(gòu)成海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施，形成“天、空、岸、海、潛”網(wǎng)絡(luò)化的“數(shù)字海洋”網(wǎng)絡(luò)信息體系。依托多種類海洋數(shù)據(jù)通信衛(wèi)星，建立海洋衛(wèi)星通信信息網(wǎng)絡(luò)；以有人機、無人機、飛艇等各類海上移動平臺為通信節(jié)點，采用移動自組網(wǎng)方式，形成局域性空中寬帶自組網(wǎng)絡(luò)；依托現(xiàn)有長波、短波、超短波及岸海電臺站等技術(shù)，建設(shè)海洋數(shù)據(jù)水面通信網(wǎng)絡(luò)；以岸站為核心節(jié)點、水下固定式傳感器為分支節(jié)點，建立水下通信網(wǎng)絡(luò)。海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施與海洋信息裝備及技術(shù)的關(guān)系二維示意圖，如圖2所示。

圖2 海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建Fig.2 Construction of marine network information infrastructure

2 海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施支撐海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系

21世紀是海洋的世紀，我國當(dāng)前海洋事業(yè)已進入發(fā)展加速期，通過在海上柵格化[10]部署固定和機動的物理信息節(jié)點分布，網(wǎng)絡(luò)為邏輯紐帶，建立立體化、網(wǎng)絡(luò)化的多類型應(yīng)用，共同構(gòu)建海洋立體信息網(wǎng)絡(luò)體系[11-12]。海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系的建設(shè)和應(yīng)用，正處在逐步發(fā)展和迭代的過程中，以海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施為節(jié)點核心，信息網(wǎng)絡(luò)為邏輯紐帶的海洋信息網(wǎng)絡(luò)體系如圖3所示。

圖3 海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施支撐海洋網(wǎng)信體系Fig.3 Marine network information infrastructure supports marine network information system

海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)于國家海洋強國戰(zhàn)略，服務(wù)于海洋信息組網(wǎng)服務(wù)體系。隨著海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，“立體網(wǎng)絡(luò)化、無人化、智能化”的海洋綜合信息網(wǎng)絡(luò)體系在海上搜索救援、海洋資源保護、海洋安全防護、海洋信息服務(wù)等領(lǐng)域得到初步探索和應(yīng)用。

3 海洋信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與裝備

3.1 海洋信息技術(shù)

作為海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心組成，海洋信息技術(shù)涉及的內(nèi)涵豐富，包括對海洋資源環(huán)境和態(tài)勢的信息感知、網(wǎng)絡(luò)通信傳輸、數(shù)據(jù)計算與融合處理、信息產(chǎn)品挖掘和應(yīng)用服務(wù)等[13]。從海洋網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)角度講，海洋信息技術(shù)由感知、傳送、應(yīng)用處理、管控、能源及平臺等信息技術(shù)組成，如圖4所示。

圖4 海洋信息技術(shù)組成Fig.4 Composition of Marine Information Technology

海洋信息感知技術(shù)利用聲光電磁等領(lǐng)域技術(shù)實現(xiàn)海洋目標(biāo)探測、海洋環(huán)境采集、公共信息處理等目標(biāo)。海洋信息傳送技術(shù)包括通信組網(wǎng)、無線通信以及有線通信三方面。海洋信息應(yīng)用處理技術(shù)包括數(shù)據(jù)分類處理、數(shù)據(jù)融合、公網(wǎng)數(shù)據(jù)信息處理、信息服務(wù)、海洋大數(shù)據(jù)以及信息挖掘等技術(shù)。海洋信息綜合管控技術(shù)包括綜合監(jiān)視、綜合控制以及綜合管理等技術(shù)。海洋信息能源技術(shù)包括太陽能、潮汐能、風(fēng)能等再生能源，以及電池及其他儲能裝置。海洋信息平臺技術(shù)分為固定海洋信息平臺和機動海洋信息平臺及固定和機動結(jié)合的海洋信息平臺。

隨著海洋信息技術(shù)的不斷進步，海洋數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)將遍布全球，并賦予海洋信息全球化的真正內(nèi)涵，全球海洋信息將在區(qū)域概念上實現(xiàn)真正的互連互通。

3.2 海洋信息裝備

海洋信息裝備主要是指海洋信息感知、傳送、處理、存儲、應(yīng)用、管控、服務(wù)、保障的信息裝備和輔助裝備，科技含量高，具有高投入、高附加值、高風(fēng)險的特點，是海洋安全的基石，產(chǎn)業(yè)輻射能力強，對國民經(jīng)濟帶動作用大。以獲取海洋基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)為目的，采用必要的信息感知、信息傳送、信息融合等技術(shù)手段，在海洋實體平臺上實現(xiàn)海洋信息的物化表達。海洋信息裝備在海洋資源開發(fā)利用、海上搜索救援、海洋環(huán)境保護、海洋安全等方面起到很好的信息支撐保障作用。按照信息獲取手段、海洋裝備屬性，可以進行不同標(biāo)準(zhǔn)的分類，預(yù)計海洋裝備的動態(tài)特性，海洋信息裝備可以分為固定裝備和機動裝備，如圖5所示。

圖5 海洋信息裝備分類Fig.5 Classification of marine information equipment

海洋信息裝備將海洋信息的技術(shù)物化在海洋裝備，具有空間、能源、通信的高保障優(yōu)勢。按照裝備功能劃分，固定海洋信息裝備分為海洋信息感知、海洋目標(biāo)探測及海洋能源裝備等。機動海洋信息裝備將海洋信息技術(shù)手段物化于海洋機動信息平臺，利用機動平臺的游弋屬性，具有機動、靈活、擴展性強的優(yōu)勢。

4 海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施綜合服務(wù)與應(yīng)用

4.1 綜合服務(wù)

海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施重點向4類用戶提供海洋綜合信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[14-15]：① 海域用戶組網(wǎng)信息服務(wù)，為海域作業(yè)的各類用戶提供海域綜合信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；② 島礁用戶組網(wǎng)信息服務(wù)，對重點島礁周邊進行全時監(jiān)控，為島礁用戶提供綜合信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；③ 港口用戶組網(wǎng)信息服務(wù)，為港口用戶提供港口綜合信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；④ 特殊用戶組網(wǎng)信息服務(wù)，為海上維權(quán)執(zhí)法、海上應(yīng)急救援、海洋資源開發(fā)等特殊用戶需求提供專用信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施的海洋綜合信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)包括海洋信息服務(wù)、海洋通信服務(wù)、海洋信息裝備租用服務(wù)、海上能源保障服務(wù)和海洋工程保障服務(wù)五部分。

4.2 綜合應(yīng)用

我國的海洋信息網(wǎng)絡(luò)全方位發(fā)展，在數(shù)據(jù)信息安全使用的基礎(chǔ)上，構(gòu)建包含共用態(tài)勢圖、供需會商、事件報告全流程的海上信息融合共享平臺，在海洋信息服務(wù)系統(tǒng)和海洋信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品等方面得到綜合應(yīng)用。

4.2.1 海洋網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)系統(tǒng)

作為海上信息門戶，依托海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施，建立海洋信息服務(wù)系統(tǒng)，匯集主要海上信息網(wǎng)站入口(安全事件、船舶資料以及論壇等)，為國家各部門交流提供支撐。管理和應(yīng)用海洋信息資源，協(xié)調(diào)海洋信息化業(yè)務(wù)工作，為海洋經(jīng)濟、海洋管理、公益服務(wù)和海洋安全提供海洋信息的業(yè)務(wù)保障、技術(shù)支撐與服務(wù)。海洋信息服務(wù)系統(tǒng)具備“管理—儲存—服務(wù)”三級結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理與共享服務(wù)的業(yè)務(wù)化運行能力，提供國家海洋研究急需的數(shù)據(jù)服務(wù)，為科學(xué)研究及其各有關(guān)管理部門提供各種所需的信息服務(wù)。

4.2.2 海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品

建立形式多樣的海洋信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的可視化展示，方便用戶全方位了解海洋數(shù)據(jù)[16]。整合海洋水文、氣象、生物、化學(xué)、地球物理、海底地形、島礁形態(tài)等實測數(shù)據(jù)，推出海洋環(huán)境統(tǒng)計分析、實況分析和再分析等各類海洋數(shù)據(jù)產(chǎn)品。海洋數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括態(tài)勢產(chǎn)品、情報產(chǎn)品和遙感產(chǎn)品等。態(tài)勢產(chǎn)品側(cè)重于環(huán)境的動態(tài)整體態(tài)勢整合能力，以安全大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，具備從全局視角提升對安全威脅的發(fā)現(xiàn)識別、理解分析以及響應(yīng)處置能力，同時可提供具有順延性預(yù)測能力。情報產(chǎn)品側(cè)重于海上安全情報工作，可為用戶提供海上多源情報獲取、解析、評價、聚合、發(fā)布、展現(xiàn)、統(tǒng)計、查詢、關(guān)聯(lián)告警以及協(xié)同對接等情報應(yīng)用管理功能，構(gòu)建基于情報的內(nèi)部安全通報機制。遙感產(chǎn)品側(cè)重對降雨、大氣參數(shù)、溫度和發(fā)射率等數(shù)據(jù)進行融合處理的同時，關(guān)注數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度和實用結(jié)果反饋，形成提供高精度數(shù)據(jù)-用戶反饋-提高數(shù)據(jù)精度的良性循環(huán)，具體案例如圖6所示。

(a) 船只跟蹤

5 結(jié)束語

隨著先進的網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)發(fā)展，海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施向無人化、網(wǎng)絡(luò)化、立體化方向發(fā)展，形成縱向“立體化”、橫向“網(wǎng)絡(luò)化”、全域“無人化”的發(fā)展模式。縱向上從高空衛(wèi)星通信、低空飛機目標(biāo)探測、水面艦艇集群目標(biāo)偵測、水下無人航行器集群、海底機動設(shè)備陣列，形成空、天、海、潛多源異構(gòu)的立體化發(fā)展；橫向上以機動信息網(wǎng)絡(luò)為代表，形成實時連續(xù)的數(shù)字化跨學(xué)科信息裝備發(fā)展；全域上以海空無人機集群、海面無人艦艇集群、水下智能魚群為代表，形成多模態(tài)立體無人化群體智能發(fā)展。海洋網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施的物理節(jié)點系統(tǒng)化布局，信息網(wǎng)絡(luò)的邏輯一體化綜合連接，促進了海洋信息網(wǎng)絡(luò)體系的發(fā)展。