海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

瞿逢重，來杭亮，劉建章，涂星濱，姜園

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

1 引言

海洋觀測技術(shù)一直以來都是世界各國研究發(fā)展的重點，它既是數(shù)字海洋的技術(shù)支持體系，也是軍事戰(zhàn)略的重要支撐。世界各國都在積極發(fā)展現(xiàn)代海洋監(jiān)測技術(shù)，從空中、水面、水下3個維度對海洋環(huán)境進行立體觀測。隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展以及基于國家安全方面的考慮，海洋觀測技術(shù)在我國海洋經(jīng)濟、海洋科學(xué)以及軍事中的地位和作用都將愈發(fā)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(wǎng)[1]、衛(wèi)星遙感[2]以及海底觀測網(wǎng)等方法。其中，海洋觀測網(wǎng)具備獨特優(yōu)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(shù)據(jù)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(wǎng)成為海洋觀測領(lǐng)域主流的觀測手段[3]。傳統(tǒng)的海洋觀測網(wǎng)根據(jù)通信方式與布放形式，可以劃分為有纜的海底觀測網(wǎng)及無纜的水聲觀測網(wǎng)。單一的有纜海底觀測網(wǎng)受到復(fù)雜海洋環(huán)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(wǎng)則面臨通信速率低、距離受限、節(jié)點壽命短等問題。因此，在目前的海洋觀測領(lǐng)域，通過單一形式的有纜或者無纜觀測網(wǎng)難以滿足我國海洋信息領(lǐng)域的需求，結(jié)合有纜、無纜優(yōu)勢，實現(xiàn)低成本投入、多儀器接入、低功耗運作、大數(shù)據(jù)挖掘的海洋物聯(lián)網(wǎng)（marine internet of thing），正逐漸成為海洋觀測技術(shù)的主流研究方向[4]。

海洋物聯(lián)網(wǎng)于21世紀第2個10年開始被提出，是一個集海洋監(jiān)測、信息傳輸、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果反饋等多種功能于一體的海洋信息綜合網(wǎng)絡(luò)[5]，利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，將水上及水下各類傳感與監(jiān)測終端互聯(lián)互通，從而將海洋數(shù)據(jù)整合，實現(xiàn)對海洋繁雜數(shù)據(jù)的監(jiān)測和系統(tǒng)化管理[6]。具體來說，海洋物聯(lián)網(wǎng)通過水上或水下傳感設(shè)備采集各類海洋傳感參數(shù)，通過多種通信手段將數(shù)據(jù)發(fā)送至岸基站、數(shù)據(jù)中心或云平臺，再利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)與定制化的軟件，對海洋數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理、分析及利用[7]。

隨著我國海洋經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，作為能在海洋環(huán)境中進行實時、原位、長時間立體觀測的海洋信息網(wǎng)絡(luò)，海洋物聯(lián)網(wǎng)將在我國海洋經(jīng)濟和安全、海洋科學(xué)以及國防事業(yè)中發(fā)揮極為重要的作用。在海洋經(jīng)濟和安全方面，海洋物聯(lián)網(wǎng)不僅可為海洋牧場、海洋漁業(yè)等提供生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)測、為海底管線、核電站周邊海域等提供狀態(tài)信息實時追蹤的服務(wù)，進而實現(xiàn)監(jiān)測海域的可視、可測、可追蹤，還能夠?qū)κ占臄?shù)據(jù)開展深度融合智能分析，真正實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境可評估、風(fēng)險可預(yù)警[8]。在海洋科學(xué)研究方面，海洋物聯(lián)網(wǎng)具備海洋大數(shù)據(jù)的獲取、存儲和應(yīng)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(yè)中，海洋物聯(lián)網(wǎng)也將凸顯其在海洋軍事情報的監(jiān)聽與收集、港口及近岸水域的監(jiān)測、水下偵察與多節(jié)點協(xié)作探測等方面的技術(shù)先進性[10]。

本文將著重介紹海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程與研究現(xiàn)狀，并結(jié)合舟山摘箬山島海洋觀測網(wǎng)的實際研究，提出一種具有通用性的海洋物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并介紹一系列海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵儀器，最后對海洋物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展方向提出展望和思考。

2 海洋觀測網(wǎng)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

海洋物聯(lián)網(wǎng)由傳統(tǒng)海洋有纜和無纜觀測網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展演變而來。在20世紀中期，美國就開始對海底觀測系統(tǒng)進行研究，早期的研究成果有美國羅格斯大學(xué)設(shè)計的長期無人環(huán)境監(jiān)測（long-term ecosystem observatory，LEO）系統(tǒng)[11]、伍茲霍爾研究所設(shè)計的觀測（Hawaii-2 observatory，H2O）系統(tǒng)[12]。2006年，由美國與加拿大聯(lián)合在北太平洋海底建設(shè)的深海長期觀測網(wǎng)（victoria experimental network under the sea，VENUS）建成，其海底部分的核心控制設(shè)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(wǎng)（northeast pacific timeseries undersea networked experiments，NEPTUNE）完成建設(shè)，擁有800 km的環(huán)形主干纜和5個海底節(jié)點[14]。除此之外，國外較為著名的纜海底觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有：美國國家科學(xué)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(tǒng)（integrated ocean observing system，IOOS）[15]、日本密集海底地震和海嘯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（development of dense ocean floor network system for earthquakes and tsunamis，DONET）[16]、歐洲海底觀測網(wǎng)（European seas observatory network，ESONET）[17]等。隨著我國經(jīng)濟、科技水平的提升，國內(nèi)不少單位也開展了相關(guān)的工作，如中國科學(xué)院南海海底觀測網(wǎng)[18]、同濟大學(xué)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(jù)。國內(nèi)外有纜觀測網(wǎng)的參數(shù)對比見表1。

表1 國內(nèi)外有纜觀測網(wǎng)參數(shù)對比

2014年，由浙江大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計的浙江大學(xué)摘箬山島海底觀測網(wǎng)絡(luò)（Zhejiang University Zhairuoshan experimental research observatory, Z2ERO），在浙江省舟山市摘箬山島建設(shè)完成并投入使用[20]。整套系統(tǒng)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(zhuǎn)壓為375 V后輸入SIIM，再通過SIIM轉(zhuǎn)換為48 V、24 V、12 V等電壓后為觀測儀器供電。系統(tǒng)配備吉比特光纖通信，可用于高清視頻和海量觀測數(shù)據(jù)的實時傳輸。Z2ERO一共部署了兩套SIIM節(jié)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(xué)摘箬山島海洋立體觀測示范研究與試驗系統(tǒng)（Z2ERO）架構(gòu)

Z2ERO系統(tǒng)于2014年布放。在完成5年穩(wěn)定運行之后，于2019年3月打撈上岸，完成預(yù)定工作任務(wù)。

Z2ERO的研制和部署在我國海洋觀測網(wǎng)的發(fā)展過程中具有重要的意義，但同時也暴露出傳統(tǒng)有纜觀測網(wǎng)絡(luò)的許多問題。首先，Z2ERO是單一的有纜觀測網(wǎng)絡(luò)，包含兩個主要觀測節(jié)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(yè)船只和專業(yè)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(fù)雜的、大型化的海洋觀測接駁儀器限制了海洋觀測網(wǎng)的發(fā)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(jié)合多種通信方式的海洋觀測網(wǎng)絡(luò)，具有重要的研究意義。

3 新型海洋物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計與實踐成果

浙江大學(xué)海洋傳感與網(wǎng)絡(luò)研究所項目組在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以舟山群島海域為典型，提出了一種新型海洋物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并研發(fā)了一系列的海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備。該海洋物聯(lián)網(wǎng)的通用模型，如圖2所示。

圖2 通用海洋物聯(lián)網(wǎng)模型

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

舟山群島海洋物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示，整體網(wǎng)絡(luò)根據(jù)層次和通信方式可以分為海底有纜觀測網(wǎng)絡(luò)、水下聲學(xué)觀測網(wǎng)絡(luò)與水面無線觀測網(wǎng)絡(luò)。其中，海底有纜觀測網(wǎng)絡(luò)由多個坐底式觀測平臺組成，平臺通過光電復(fù)合纜與岸基站相連，由岸基站提供供電和數(shù)據(jù)傳輸支持；水下聲學(xué)觀測網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)發(fā)送和接收；水面無線觀測網(wǎng)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(lián)網(wǎng)（narrowband internet of things，NB-IoT）、LoRa（long range）、4G/5G等。無線電通信將有纜觀測網(wǎng)與水聲觀測網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)實時傳輸至岸基數(shù)據(jù)中心進行處理和存儲。這一架構(gòu)將有纜觀測、水聲通信和無線電通信技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)終端設(shè)計，在維持觀測節(jié)點性能和續(xù)航時間的同時，降低了節(jié)點的成本，使得網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)架構(gòu)

小型化和低功耗是海洋物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)海洋觀測網(wǎng)的兩大特點，必須在物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備上得以體現(xiàn)。本文在原有研究的基礎(chǔ)上，對海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備進行電氣和機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研制了一批針對海洋物聯(lián)網(wǎng)的儀器設(shè)備與試驗平臺，關(guān)鍵儀器包括小型化SIIM、小型化水聲通信機和窄帶物聯(lián)網(wǎng)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(jié)點的核心部件，具備電源管理、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換和自診斷功能。一般來說，傳感器布放位置離岸較遠，而網(wǎng)線等都不具備遠距離傳輸?shù)哪芰Γ什扇文９饫w作為通信媒介，以TCP/IP進行數(shù)據(jù)傳輸。而傳感器的數(shù)據(jù)接口多為RS232/RS485，為能通過光纖傳輸，SIIM需提供協(xié)議轉(zhuǎn)化模塊，將各協(xié)議轉(zhuǎn)為TCP/IP協(xié)議。同時SIIM要為傳感器及內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)部的溫/濕度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。因此，SIIM整體上包括轉(zhuǎn)壓模塊、通信協(xié)議轉(zhuǎn)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(jù)搭載儀器需求調(diào)整SIIM內(nèi)部電源模塊進行適應(yīng)性選配。可接入的儀器包括且不限于海底地震儀、聲學(xué)多普勒流速剖面儀、溫鹽深儀、水下攝像頭、水質(zhì)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(zhì)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(xiàn)水下聲學(xué)通信與組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。自主研發(fā)的小型化水聲通信機如圖5所示，工作頻段為13～18 kHz，發(fā)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(xiàn)4 kbit/s、2 kbit/s、1 kbit/s自適應(yīng)速率通信，非相干通信模式下可實現(xiàn)100 kbit/s速率通信，通信距離達2.4 km，并同時支持63個節(jié)點的組網(wǎng)通信。該水聲通信機的技術(shù)指標處于國內(nèi)先進水平，能夠適應(yīng)海洋物聯(lián)網(wǎng)多種場景下的應(yīng)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(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是一種新興的低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，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(shù)據(jù)傳輸。基于NB-IoT技術(shù)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(tài)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(shù)據(jù)實時回傳至數(shù)據(jù)中心。窄帶物聯(lián)網(wǎng)微型浮球自帶鋰電池，通過低功耗的器件選型、電路設(shè)計與控制策略，可在海上連續(xù)作業(yè)3個月以上。

圖6 窄帶物聯(lián)網(wǎng)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(fù)合纜進行供電和數(shù)據(jù)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(yè)。目前，平臺內(nèi)部搭載有SIIM、鹽度傳感器、溶解氧傳感器、水下攝像頭等設(shè)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(shù)據(jù)采集，穩(wěn)定工作至今。

圖7 坐底式觀測平臺

（5）便攜式聲學(xué)釋放海洋觀測平臺研制

便攜式聲學(xué)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(xué)釋放結(jié)構(gòu)。該平臺具備聲學(xué)釋放回收功能，在完成觀測任務(wù)后，可通過接收特定聲學(xué)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(yè)。

以上所述的3種海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)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(shù)據(jù)傳輸，為海洋物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建提供了更多的接入方式和觀測手段。

4 海洋物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢與思考

海洋物聯(lián)網(wǎng)是傳統(tǒng)海洋觀測技術(shù)的演進產(chǎn)物，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水下環(huán)境的延伸[22]。海洋物聯(lián)網(wǎng)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(huán)境治理，促進人類與海洋的和諧共處。然而，海洋環(huán)境的復(fù)雜性極大地限制了海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，表現(xiàn)為海洋儀器復(fù)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。可以預(yù)見，海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會有以下4個趨勢。

（1）海洋觀測節(jié)點小型化

輕量級、小型化、成熟且穩(wěn)定的海洋觀測設(shè)備是發(fā)展海洋物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，材料科學(xué)的發(fā)展將產(chǎn)生適應(yīng)海洋環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作的材料，微電子產(chǎn)業(yè)的進步將進一步縮小電路體積，提高儀器性能，海洋設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)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(lián)網(wǎng)，拓寬海洋觀測和開發(fā)的范圍。

（2）水下通信技術(shù)多樣化

復(fù)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(wěn)定性，更多用于克服這一障礙的技術(shù)手段正不斷涌現(xiàn)，如水下MIMO通信技術(shù)、水下多模態(tài)通信技術(shù)等。同時，水下光通信、電磁通信也可在特定場景下作為聲學(xué)通信的補充，高速率、遠距離的水下通信技術(shù)將應(yīng)運而生。

（3）智能終端與邊緣計算的發(fā)展

人工智能及邊緣計算的發(fā)展使得水下終端具備更強的數(shù)據(jù)處理能力，大部分的任務(wù)可以在邊緣側(cè)完成處理，從而降低數(shù)據(jù)的傳輸負載，提高海洋物聯(lián)網(wǎng)的整體性能。

（4）組網(wǎng)協(xié)議標準化

海洋觀測網(wǎng)中的觀測節(jié)點種類繁多，通信協(xié)議各異，缺乏統(tǒng)一的接入標準和節(jié)點組網(wǎng)協(xié)議，標準化、強兼容性的接入和組網(wǎng)協(xié)議，可以實現(xiàn)海洋觀測節(jié)點的互聯(lián)互通，使數(shù)據(jù)傳輸在海洋和陸地間暢通無阻。

觀測設(shè)備微型化是構(gòu)建新型海洋物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是傳統(tǒng)海洋觀測網(wǎng)向海洋物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變的第一步。在之后的研究工作中，將結(jié)合海洋物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢，構(gòu)建具有多樣化通信手段、智能化終端計算、標準化組網(wǎng)協(xié)議的新型海洋物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語

本文介紹了傳統(tǒng)海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，指出其存在的缺陷，并介紹了舟山群島海域的海洋物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)以及SIIM、水聲通信機、窄帶物聯(lián)網(wǎng)微型浮球、坐底式有纜觀測平臺、便攜式無纜觀測平臺等關(guān)鍵設(shè)備。海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將逐步走向觀測節(jié)點小型化、通信技術(shù)多樣化、計算智能化。未來，海洋物聯(lián)網(wǎng)將進一步發(fā)展完善，以小型化、低成本、低功耗、智能化的節(jié)點形成大規(guī)模立體的海洋物聯(lián)網(wǎng)，并最終接入陸地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)“空天地海”萬物互聯(lián)的偉大愿景。