海洋物聯網關鍵技術研究與應用

瞿逢重，來杭亮，劉建章，涂星濱，姜園

（1. 浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021；2. 中山大學電子與信息工程學院，廣東 廣州 510275）

1 引言

海洋觀測技術一直以來都是世界各國研究發展的重點，它既是數字海洋的技術支持體系，也是軍事戰略的重要支撐。世界各國都在積極發展現代海洋監測技術，從空中、水面、水下3個維度對海洋環境進行立體觀測。隨著我國國民經濟的發展以及基于國家安全方面的考慮，海洋觀測技術在我國海洋經濟、海洋科學以及軍事中的地位和作用都將愈發顯著。

常見的海洋觀測手段包括基于船舶的短期觀測、浮標觀測網[1]、衛星遙感[2]以及海底觀測網等方法。其中，海洋觀測網具備獨特優勢，能夠在惡劣條件下進行長期觀測、能夠提供可靠的電源供給和數據傳輸、支持多種類的傳感儀器接入、具備進一步擴展能力等，使得海洋觀測網成為海洋觀測領域主流的觀測手段[3]。傳統的海洋觀測網根據通信方式與布放形式，可以劃分為有纜的海底觀測網及無纜的水聲觀測網。單一的有纜海底觀測網受到復雜海洋環境的限制，工程難度大、成本高、維護難，難以大范圍地推廣；而無纜水聲觀測網則面臨通信速率低、距離受限、節點壽命短等問題。因此，在目前的海洋觀測領域，通過單一形式的有纜或者無纜觀測網難以滿足我國海洋信息領域的需求，結合有纜、無纜優勢，實現低成本投入、多儀器接入、低功耗運作、大數據挖掘的海洋物聯網（marine internet of thing），正逐漸成為海洋觀測技術的主流研究方向[4]。

海洋物聯網于21世紀第2個10年開始被提出，是一個集海洋監測、信息傳輸、數據挖掘、結果反饋等多種功能于一體的海洋信息綜合網絡[5]，利用物聯網相關技術，將水上及水下各類傳感與監測終端互聯互通，從而將海洋數據整合，實現對海洋繁雜數據的監測和系統化管理[6]。具體來說，海洋物聯網通過水上或水下傳感設備采集各類海洋傳感參數，通過多種通信手段將數據發送至岸基站、數據中心或云平臺，再利用數據挖掘和機器學習等技術與定制化的軟件，對海洋數據進行統一的管理、分析及利用[7]。

隨著我國海洋經濟的蓬勃發展，作為能在海洋環境中進行實時、原位、長時間立體觀測的海洋信息網絡，海洋物聯網將在我國海洋經濟和安全、海洋科學以及國防事業中發揮極為重要的作用。在海洋經濟和安全方面，海洋物聯網不僅可為海洋牧場、海洋漁業等提供生態環境實時監測、為海底管線、核電站周邊海域等提供狀態信息實時追蹤的服務，進而實現監測海域的可視、可測、可追蹤，還能夠對收集的數據開展深度融合智能分析，真正實現監測區域的環境可評估、風險可預警[8]。在海洋科學研究方面，海洋物聯網具備海洋大數據的獲取、存儲和應用的功能，進而擴展人類對海洋空間認知的維度和深度[9]。在國防事業中，海洋物聯網也將凸顯其在海洋軍事情報的監聽與收集、港口及近岸水域的監測、水下偵察與多節點協作探測等方面的技術先進性[10]。

本文將著重介紹海洋物聯網的發展過程與研究現狀，并結合舟山摘箬山島海洋觀測網的實際研究，提出一種具有通用性的海洋物聯網架構，并介紹一系列海洋物聯網關鍵儀器，最后對海洋物聯網的未來發展方向提出展望和思考。

2 海洋觀測網的發展與研究現狀

海洋物聯網由傳統海洋有纜和無纜觀測網絡的發展演變而來。在20世紀中期，美國就開始對海底觀測系統進行研究，早期的研究成果有美國羅格斯大學設計的長期無人環境監測（long-term ecosystem observatory，LEO）系統[11]、伍茲霍爾研究所設計的觀測（Hawaii-2 observatory，H2O）系統[12]。2006年，由美國與加拿大聯合在北太平洋海底建設的深海長期觀測網（victoria experimental network under the sea，VENUS）建成，其海底部分的核心控制設備為海洋儀器中控機（scientific instrument interface module，SIIM）[13]。2009年，加拿大海底觀測網（northeast pacific timeseries undersea networked experiments，NEPTUNE）完成建設，擁有800 km的環形主干纜和5個海底節點[14]。除此之外，國外較為著名的纜海底觀測網絡系統有：美國國家科學基金會的大洋觀測計劃（ocean observation initiative，OOI）和美國國家海洋與大氣管理局的海洋綜合觀測系統（integrated ocean observing system，IOOS）[15]、日本密集海底地震和海嘯網絡系統（development of dense ocean floor network system for earthquakes and tsunamis，DONET）[16]、歐洲海底觀測網（European seas observatory network，ESONET）[17]等。隨著我國經濟、科技水平的提升，國內不少單位也開展了相關的工作，如中國科學院南海海底觀測網[18]、同濟大學東海海底小衢山試驗站[19]等，這些站點為海洋信息的獲取和利用提供了有效的依據。國內外有纜觀測網的參數對比見表1。

表1 國內外有纜觀測網參數對比

2014年，由浙江大學自主研發設計的浙江大學摘箬山島海底觀測網絡（Zhejiang University Zhairuoshan experimental research observatory, Z2ERO），在浙江省舟山市摘箬山島建設完成并投入使用[20]。整套系統由岸基站（shore station）、接駁盒（junction box）、海洋儀器中控機（SIIM）以及全長1.5 km的中繼光纜組成，如圖1所示。Z2ERO采用?10 kV高壓直流供電，由接駁盒轉壓為375 V后輸入SIIM，再通過SIIM轉換為48 V、24 V、12 V等電壓后為觀測儀器供電。系統配備吉比特光纖通信，可用于高清視頻和海量觀測數據的實時傳輸。Z2ERO一共部署了兩套SIIM節點，連接了2組共計14個用于海洋觀測的傳感儀器。

圖1 浙江大學摘箬山島海洋立體觀測示范研究與試驗系統（Z2ERO）架構

Z2ERO系統于2014年布放。在完成5年穩定運行之后，于2019年3月打撈上岸，完成預定工作任務。

Z2ERO的研制和部署在我國海洋觀測網的發展過程中具有重要的意義，但同時也暴露出傳統有纜觀測網絡的許多問題。首先，Z2ERO是單一的有纜觀測網絡，包含兩個主要觀測節點，覆蓋范圍較為局限。其次，接駁盒與SIIM的布放與回收需要大型的作業船只和專業的操作人員，日常維護極為不便，在布放以及回收工作過程中耗費了大量的人力物力。單一的有纜通信模式，以及復雜的、大型化的海洋觀測接駁儀器限制了海洋觀測網的發展和推廣。小型化、無纜化、智能化的海洋觀測儀器與平臺，以及結合多種通信方式的海洋觀測網絡，具有重要的研究意義。

3 新型海洋物聯網設計與實踐成果

浙江大學海洋傳感與網絡研究所項目組在現有研究的基礎上，以舟山群島海域為典型，提出了一種新型海洋物聯網架構，并研發了一系列的海洋物聯網關鍵設備。該海洋物聯網的通用模型，如圖2所示。

圖2 通用海洋物聯網模型

該模型分為傳感層、傳輸層、網絡層、聚合層和應用層。第一層為傳感層，是新型海洋物聯網的信息源，包括海洋觀測儀器、傳感器、攝像頭等的數據，可為各種海洋應用提供有價值的傳感數據和識別數據。第二層為傳輸層，在海洋物聯網中根據應用場景及速率要求選擇不同的通信技術進行數據傳輸，是終端節點向上傳輸或接收 信息的手段，包括有線的以太網通信、無線的水聲通信、窄帶物聯網通信等。第三層為網絡層，該層為構建高效的海洋物聯網拓撲結構，將傳輸層產生的數據傳輸至聚合層，以控制海洋物聯網中各節點之間或節點與岸基之間的通信，如水聲通信網絡的介質訪問控制（medium access control，MAC）等。第四層為聚合層，該層結合邊緣計算和云計算技術，以處理海量的水下傳感器和觀測設備的數據。云服務器有著強大的計算能力，能將傳輸層數據進行分析計算并傳輸至應用層；邊緣服務器可進行協同計算以降低云服務處理的數據量，以更低的時延向終端發出更快的決策響應。第五層為應用層，利用聚合層處理后的海洋數據，向用戶提供可視化、智能化的服務，可應用于環境監測、海洋牧場、軍事應用等多種場景[21]。

舟山群島海洋物聯網架構如圖3所示，整體網絡根據層次和通信方式可以分為海底有纜觀測網絡、水下聲學觀測網絡與水面無線觀測網絡。其中，海底有纜觀測網絡由多個坐底式觀測平臺組成，平臺通過光電復合纜與岸基站相連，由岸基站提供供電和數據傳輸支持；水下聲學觀測網絡包括小型水聲觀測平臺與搭載水聲通信機的各類潛器（如AUV、ROV等），通過水聲通信進行數據發送和接收；水面無線觀測網包括無人船、浮標和浮球，通過電磁波進行無線通信，通信手段包括窄帶物聯網（narrowband internet of things，NB-IoT）、LoRa（long range）、4G/5G等。無線電通信將有纜觀測網與水聲觀測網采集的數據實時傳輸至岸基數據中心進行處理和存儲。這一架構將有纜觀測、水聲通信和無線電通信技術相結合，可實現海底、水下、水面的多層次立體化觀測。同時，小型化的海洋物聯網終端設計，在維持觀測節點性能和續航時間的同時，降低了節點的成本，使得網絡具有較強的可伸縮性，易于部署和維護。

圖3 舟山群島海洋物聯網架構

小型化和低功耗是海洋物聯網區別于傳統海洋觀測網的兩大特點，必須在物聯網關鍵設備上得以體現。本文在原有研究的基礎上，對海洋物聯網關鍵設備進行電氣和機械結構優化，研制了一批針對海洋物聯網的儀器設備與試驗平臺，關鍵儀器包括小型化SIIM、小型化水聲通信機和窄帶物聯網微型浮球，試驗平臺包括適用于有纜觀測的坐底式觀測平臺和適用于無纜觀測的便攜式水聲釋放平臺。

（1）小型化SIIM研制

小型化SIIM是海洋觀測節點的核心部件，具備電源管理、通信協議轉換和自診斷功能。一般來說，傳感器布放位置離岸較遠，而網線等都不具備遠距離傳輸的能力，故采取單模光纖作為通信媒介，以TCP/IP進行數據傳輸。而傳感器的數據接口多為RS232/RS485，為能通過光纖傳輸，SIIM需提供協議轉化模塊，將各協議轉為TCP/IP協議。同時SIIM要為傳感器及內部的電路供電，而各部件所需的電壓不同，因此需要電源模塊進行轉壓。最后，對于各部分傳感器的供電和通信需要進行管理，同時還要對SIIM內部的溫/濕度、姿態等數據進行監測。因此，SIIM整體上包括轉壓模塊、通信協議轉換模塊以及核心控制板。自主研制的小型化SIIM如圖4所示，整體尺寸120 mm×180 mm，重量為8 kg。單個SIIM對外提供5個接口，接口類型包括RS485、RS232、Ethernet，供電電壓包括48 V、24 V、12 V、5 V，單接口支持50 W峰值功耗，可根據搭載儀器需求調整SIIM內部電源模塊進行適應性選配。可接入的儀器包括且不限于海底地震儀、聲學多普勒流速剖面儀、溫鹽深儀、水下攝像頭、水質傳感器、水聲通信機等。小型化后SIIM相比于上一版本的SIIM，在最大限度保留其原有功能的情況下，體積縮小了92.5%，質量減小了86.7%。

圖4 小型化海洋儀器中控機（SIIM）

（2）小型化水聲通信機研制

由于水下電磁波傳播的局限性，聲波成為了水中遠距離傳輸更為有效的載體，而水聲通信機則是實現水下聲學通信與組網的關鍵設備。自主研發的小型化水聲通信機如圖5所示，工作頻段為13～18 kHz，發射峰值功率為50 W，并具備休眠與喚醒能力。在休眠模式下，整機功耗小于30 mW。相干通信模式下，可實現4 kbit/s、2 kbit/s、1 kbit/s自適應速率通信，非相干通信模式下可實現100 kbit/s速率通信，通信距離達2.4 km，并同時支持63個節點的組網通信。該水聲通信機的技術指標處于國內先進水平，能夠適應海洋物聯網多種場景下的應用需求。

圖5 小型化水聲通信機

（3）NB-IoT微型浮球研制

窄帶物聯網（NB-IoT）是一種新興的低功耗物聯網通信技術，具備低功耗、廣覆蓋、遠距離、海量接入的特點，非常適合于河流和近海的數據傳輸?；贜B-IoT技術研制了一系列的微型浮球，如圖6所示。搭載溫度傳感器、姿態傳感器與定位模塊，可以系于目標船體做跟隨運動，或隨海浪做拉格朗日漂流運動，并將采集數據實時回傳至數據中心。窄帶物聯網微型浮球自帶鋰電池，通過低功耗的器件選型、電路設計與控制策略，可在海上連續作業3個月以上。

圖6 窄帶物聯網微型浮球

（4）坐底式觀測試驗平臺研制

坐底式觀測平臺是一種有纜的儀器試驗平臺，如圖7所示。平臺直徑1.5 m，高0.5 m，重50 kg，采用光電復合纜進行供電和數據傳輸，對外提供5種不同類型的儀器艙，可以搭載多種類型海燕觀測儀器進行長期原位觀測作業。目前，平臺內部搭載有SIIM、鹽度傳感器、溶解氧傳感器、水下攝像頭等設備，于2021年1月布放于舟山摘箬山島北岙海域進行實海況試驗及數據采集，穩定工作至今。

圖7 坐底式觀測平臺

（5）便攜式聲學釋放海洋觀測平臺研制

便攜式聲學釋放海洋觀測平臺是一種無纜的儀器試驗平臺，如圖8所示。平臺直徑74 cm，高50 cm，總重30 kg，搭載有SIIM、傳感器、水聲通信機和聲學釋放結構。該平臺具備聲學釋放回收功能，在完成觀測任務后，可通過接收特定聲學波形信號，釋放攜帶的浮球，通過浮球攜帶的纜繩對平臺進行回收，適用于短期海洋觀測試驗作業。

以上所述的3種海洋物聯網關鍵儀器與兩種儀器試驗平臺，可以從海底、水下、海面3個維度進行多層次的海洋觀測，并通過光纜、水聲、無線電等多種方式進行數據傳輸，為海洋物聯網的構建提供了更多的接入方式和觀測手段。

4 海洋物聯網發展趨勢與思考

海洋物聯網是傳統海洋觀測技術的演進產物，也是物聯網技術在水下環境的延伸[22]。海洋物聯網可以增進人類對海洋的認識，充分利用海洋的潛力，更合理地進行海洋環境治理，促進人類與海洋的和諧共處。然而，海洋環境的復雜性極大地限制了海洋物聯網的發展，表現為海洋儀器復雜且貴重、水下通信手段受限、終端計算能力受限等，這些問題都亟待攻克和解決?？梢灶A見，海洋物聯網的發展將會有以下4個趨勢。

（1）海洋觀測節點小型化

輕量級、小型化、成熟且穩定的海洋觀測設備是發展海洋物聯網的基礎，材料科學的發展將產生適應海洋環境下長時間穩定工作的材料，微電子產業的進步將進一步縮小電路體積，提高儀器性能，海洋設備制造產業的成熟將降低海洋儀器的造價。在這一趨勢下，有更多的海洋儀器能夠用于海洋物聯網，拓寬海洋觀測和開發的范圍。

（2）水下通信技術多樣化

復雜多變的水聲信道極大地影響了水聲通信的速率、距離和穩定性，更多用于克服這一障礙的技術手段正不斷涌現，如水下MIMO通信技術、水下多模態通信技術等。同時，水下光通信、電磁通信也可在特定場景下作為聲學通信的補充，高速率、遠距離的水下通信技術將應運而生。

（3）智能終端與邊緣計算的發展

人工智能及邊緣計算的發展使得水下終端具備更強的數據處理能力，大部分的任務可以在邊緣側完成處理，從而降低數據的傳輸負載，提高海洋物聯網的整體性能。

（4）組網協議標準化

海洋觀測網中的觀測節點種類繁多，通信協議各異，缺乏統一的接入標準和節點組網協議，標準化、強兼容性的接入和組網協議，可以實現海洋觀測節點的互聯互通，使數據傳輸在海洋和陸地間暢通無阻。

觀測設備微型化是構建新型海洋物聯網的基礎，是傳統海洋觀測網向海洋物聯網轉變的第一步。在之后的研究工作中，將結合海洋物聯網發展趨勢，構建具有多樣化通信手段、智能化終端計算、標準化組網協議的新型海洋物聯網絡。

5 結束語

本文介紹了傳統海洋物聯網的發展與研究現狀，指出其存在的缺陷，并介紹了舟山群島海域的海洋物聯網架構以及SIIM、水聲通信機、窄帶物聯網微型浮球、坐底式有纜觀測平臺、便攜式無纜觀測平臺等關鍵設備。海洋物聯網的發展將逐步走向觀測節點小型化、通信技術多樣化、計算智能化。未來，海洋物聯網將進一步發展完善，以小型化、低成本、低功耗、智能化的節點形成大規模立體的海洋物聯網，并最終接入陸地互聯網絡，實現“空天地?！比f物互聯的偉大愿景。