海洋物联网技术现状与展望

来源:海洋信息 智慧海洋圈子订阅号   发布时间:2021-02-26 09:49:58 
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作者:姜晓轶、符昱、康林冲、王漪

国家海洋局数字海洋科学技术重点实验室

国家海洋信息中心

来源:海洋信息 2019年第三期


摘要:海洋物联网是当前各海洋领域的研究热点之一:本文论述了海洋物联网的基本概念,介绍了国外海洋信息获取、通信传输和处理分析的技术趋势,以及我国的发展现状和不足。从海洋信息感知智能技术、海洋信息传输网络关键技术、基于人工智能的海洋大数据挖掘服务技术3个方面描述了当前需要重点解决的技术难题。


海洋是生命的源泉,是地球系统的调节器,是国土空间的重要组成部分,也是世界各国争夺的战略要地。物联网即“万物相连的互联网”,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络,是将各种信息传感设备与互联网结合而形成的一个巨大网络,实现在任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。随着人类对海洋认知和态势感知需求的不断增加,探索海洋最深处的奥秘、获取三维海洋信息成为各海洋大国的研究热点。不久前,美国国防部高级研究计划局推出了一个全新的传感器网络,旨在通过成千上万个小型、低成本的可漂浮的传感器,收集舰船、海上设施、装备和海洋生物在该海域的活动状态信息,并通过卫星网络上传数据从而进行实时分析,搭建起海上物联网,提升海洋持续态势的感知能力,开启海上物联新时代。


当前,与海洋物联网相关的传感器及核心零部件、水下通信、新型材料、加工工艺以及能源供应等关键技术已经取得了突破。预计在未来15年间,随着复杂海洋环境下的数据感知与通信传输技术、重大海上观监测基础设施建设以及海洋大数据云计算等关键技术取得重大突破,可以实现重点关注海域的全域感知透明,将成为海洋探索、空间活动、经济建设和国防安全的重要支撑。


1海洋物联网的概念


物联网的最初概念出现于比尔·盖茨1995年的《未来之路》一书中,受限于当时无线网络、硬件及传感设备的发展,并未引起世人的重视1999年,美国首先提出物联网的概念,主要是建立在物品编码、RFID技术和互联网的基础上。在我国,物联网被称为传感网中科院早在1999年就启动了传感网的研究,并已取得了一些科研成果2003年,美国的《技术评论》屮提出传感M络技术是未来改变人们生活的十大技术之首:2005年11月17日,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WS丨S)上,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,正式提出了物联网的概念报告中指出,无所不在的物联通信时代即将来临,世界上所有的物体都可以通过因特网来主动进行信息交换。从通信对象和过程来看,物与物、人与物之间的信息交互是物联网的核心,其基本特征可以概括为整体感知、可靠传输和智能处理。


目前,关于海洋物联网的内涵和外延还没有明确的界定通常认为,海洋物联网是利用互联网技术,将各种传感设备相互联通,构造出一个立体覆盖海洋环境、目标和装备三大板块信息的物物互联的感知网络,从而将获取多源海洋信息进行汇集整合和实时分析处理,实现对海洋环境以及承载的各种目标和装备的系统化管理与“陆地物联网”相比,海洋物联网的核心仍然是物联网技术,但是由于海洋具有的广袤、多维、动态和温度、湿度、盐度、压力等物理和生化环境的急剧变化的特殊性,导致所采用的传感器件和通信手段比陆地上更复杂、更苛刻。广义上的海洋物联网应包括部署在前端的海洋信息采集传感器件、中间的通信网络和后端的分析处理系统。


2国外发展现状


2018年11月,美国国家科学技术委员会发布了《美国国家海洋科技发展:未来十年愿景》,该报告强调了需要充分利用全球范围内远程和原位传感器来收集各种海洋数据,强化海洋模型研究和产品研制,从而提高决策能力。日本在2018年9月发布的《第11次科学技术预测调查-面向2040年的日本》中,指出基础数据调查、海洋资源量把握、数值模拟仿真、海洋资源采集技术和海洋空间利用技术是日本可持续发展的重要环节其他发达国家如澳大利亚、加拿大等也在各自的海洋中长期战略规划中对海信息的感知、传输和计算应用进行了重点描述。2016年,俄罗斯海军最新研制出一种能将通信信息与声波相互转换的系统,把水下活动潜艇、深海载人潜水器、无人潜航器和潜水员联系起来,构筑出水下“互联网”,该系统已经在俄罗斯多种军事设备上通过测试,并在部分海军舰队上启用这一通信系统。海洋传感器是获取海洋信息的最直接来源,处于认知海洋的最前端。美国占据海洋传感器研发与市场的主导地位,技术最为全面领先,挪威、日本、英国、德国等则在某些领域具有自己的特长。比如,在温盐深传感器方面,美国海鸟公司的产品一直居于全球市场的主导地位,具有体积小、易携带、功耗低、功能丰富等优点;在潮位仪方面,美国Aquatrak公司的声学潮位传感器产品(分辨率可达到1mm.精度可达±3mm)和WaterLOG公司的雷达潮位传感器产品(精度可达±3mm)世界知名。美国开发出的名为“智能灰尘”的MEMS传感器,大小只有1.5mm3,重量5mg,但是集成了激光通信、CPU、电池等组件和速度、加速度、温度等多个传感器,并可以进行信号处理MEMS传感器目前已经在多个领域有所应用。当前,海洋观测技术装备正沿着高度模块化、谱系化、信息化和智能化的趋势发展美国军方新开发的智能AUV可以长期潜伏在固定海域,当附近出现目标时可自动激活并进行跟踪新概念智能浮标系统可以自动传输信息、自动选择多能互补供电方式,可根据海况来自动选择工作模式。为适应细分观测的需求,海洋观测装备在成品设备、标准件、元器件等方面均向通用化、模块化的方向发展,便于针对特定用途以实现快速、低成本、差异化的组网运行。


在组网观测方面,海洋立体观测网的建设能力代表了一个国家的海洋科技水平,针对不同的观测需求,配置卫星、有人机/无人机、观测船、浮标潜标、水下潜器和海床基观测站等,并通过海底光电缆提供长期、持续的能源供给和信息传输,实现从海底到海面、从米级到百公里级、从分钟级到年代级的观监测。美国的综合海洋观测系统(IOOS)、加拿大的海王星海底观测网分别代表了海洋观测和海底观测的国际最高水平。全球其他的海洋大数据计划还包括日本的深海地震观测网ARANA计划、密集型地震海啸海底监测网系统(DONET)、非洲沿海25国的近海资源数据和网络信息平台等。


海洋信息传输趋于向无线宽带、宽覆盖、跨介质、网络化、、全天候实时传输的方向发展。目前,通过宽带通信卫星系统、移动通信卫星系统等,基本能够实现全球海面通信的无缝覆盖。如在离岸通信方面,由挪威和华为联合研发了全球首个利用LTE技术实现的离岸通信网络,能够覆盖海上平台周围37km的海域,上行1Mbps下行2Mbps,解决了钻井平台、油轮以及与陆地间的语音通信和生产数据回传问题。水下中远距离通信技术一直是制约海洋通信系统发展的瓶颈,其中宽带、高速率水下通信技术是障海洋观监测体系建设和海洋信息应用服务的难题。目前,水下远距离通信主要采用水声通信和激光通信等技术。2017年5月,韩国实现了在水深100m的水下通信距离达到30km,比现有的技术传输距离提高了2倍以上。蓝绿激光水下通信具有海水穿透能力强、数据传输速率快、方向性好等优点,得到了快速发展,其不足之处在于光源易被可视侦察手段探知。2017年7月,日本在水深700m处完成了水下移动物体间蓝绿激光无线通信,通信距离超过100m,速率达20MbB/s。美国已经在实验室环境下,实现了约50Mb/s的水下光通信速率,利用协同降噪技术的水声通信速率可以达到约100kb/s,微波通信速率可达21.4Mb/s,较现役装备有了较大进步。磁感应通信作为近两年研究的新型通信手段,兼顾了光通信与电磁波通信的优势,其传输距离可达100mM,速率可达兆比特/秒量级,并且具有极强的隐蔽性,得到了美国自然科学基金委和DARPA的高度重视。水下通信技术的大幅提升,有望实现水下作业设备、海底探测观测仪器、潜艇与水面舰船、浮标,以及空中飞机、卫星等海、空、天之间的通信,使得海洋物联网的多单元组网和协同能力有了更大幅度的提升。


在海洋物联网的后端数据处理方面,目前均以云计算、大数据、人工智能等新兴技术作为核心,,研发数据实时处理系统以及与传感器交互新方法,实现了多源、异构、超大规模的海洋环境、目标、活动和态势信息快速在线处理与融合分析。2015年,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)联合亚马逊、谷歌、IBM、微软等公司和开放云联盟组织实施了“大数据计划”,旨在基于NOAA已有的海洋观测数据,利用各方的技术优势,建设海洋大数据服务平台。相关技术在海洋气象预测预报、蓝色生物资源开发利用、海底资源开采、海洋地形地貌测绘等方面逐步发挥作用并显示出广阔的应用前景。


3国内发展现状


近年来,在“中国制造2025”“互联网+”等政策的驱动下,我国物联网技术和产业迎来了突破性的发展。预计到2020年,物联网产业体系基本形成,包括感知制造、网络传输、智能信息服务在内的总体产业规模将突破1.5万亿元。物联网技术在海洋领域得到了空前的关注,并开展初步研究,但整体上仍以跟踪模仿国外海洋观监测系统建设理念为主。


我国已初步形成涵盖岸基、离岸、大洋和极地海洋观监测系统的基本框架,初步建成了业务化运行的海洋站(点)网,海啸预警观测系统,雷达、浮标、志愿船观测系统,海上平台观测系统,海洋断面调査和应急机动观测系统,建设了海域、海岛、海洋灾害和海洋生态环境等监控系统。截至2019年6月,我国已发射3个系列共7颗海洋卫星,其中5颗正常在轨运行。2020年前还将发射4颗海洋观测卫星。在未来的“十四五”期间,按照民用空间基础设施的中长期发展规划,我国将发射10颗海洋观测卫星。我国天基海洋遥感技术正逐渐接近国际先进水平。在海基探测方面,国内海洋浮标团队自主研制的4km深海自持式剖面浮标“浮星”海试成功海水碳酸盐体系原位监测、新参数的监测等海洋环境监测传感技术取得了显著进步。此外,我国在合成孔径雷达、高频地波雷达、水下机器人、拖曳探测、锚/漂流浮标、潜标、海床基、激光雷达等一批关键技术和设备方面取得技术突破,无人机、无人艇、波浪滑翔器等新型装备逐步投入应用在组网观测方面,目前正在规划实施全球海洋立体观测网、海底观测M等项目,整合先进的海洋观/监/探测等技术手段,实现海洋环境、资源、目标、活动等高密度、多要素、全天候、全自动的信息获取,对于实现海洋强国战略具有重要意义。


在海洋通信络方面,我国目前广泛应用的海洋通信系统主要包括海上无线短波通信、海洋卫星通信和岸基移动通信。北斗卫星系统主要面向亚太区域提供导航与通信服务,短报文通信服务功能不断增强,同时启动建设了鸿雁、虹云、行云等商业组网小卫星星座。目前,在轨民商用通信卫星有16颗,其中自行研制的仅有6颗,集屮覆盖亚太地区,管辖海域、远海/深海大洋和极地通信大量租用国际海事卫星,还无法满足自主可控的需求。在水下通信导航方面,已经取得了一定的技术与装备突破,但主要集屮在军事领域,没有形成民用推广。总体来说,面向全球业务发展,建设立体覆盖的自主海洋综合通信网络,巳是当前我国海洋强国建设的必备条件。


在新一代信息技术交叉融合方面,我国已经进行了有益的尝试。例如,基于大数据技术,开展海洋三维温盐流、台风路径和赤潮等预测已取得了一定的成果;通过挖掘AIS航运数据,对海洋经济运行指标监控的进一步定量化和精准化形成补充;基于Spark、Hadoop等框架的海洋大数据平台建设已初具规模;基于机器可读可理解理念的海洋地质数据平台建设等初步实现。


总体来看,我国的海洋感知技术仍以传统手段跟踪仿制为主,特别是海洋传感器普遍存在精度低、稳定性差、可靠性低等,且难以形成产业化规模面向组网应用的集数据收集、检测、记忆、传输等功能为一体的智能传感器处于起步阶段屮远海数据实时传输能力不足,普遍存在海量数据传不完、敏感信息不敢传、跨介质数据穿不透等问题,通信链路不能自主可控云计算、边缘计算、大数据、人工智能等新技术在海洋领域的实际应用还相对较少,大多处于研究探索阶段,信息处理相关算法大都借鉴国外,缺乏自主创新。


4重要技术发展方向展望


海洋物联网是未来实现海洋透彻感知、占领海洋制高点的重要技术手段之一。美、日、欧等海洋强国和地区都在加紧研究当中,以期突破关键技术和实现市场化应用未来重点要研究杂海洋环境下的数据感知、海洋网络空间异构传输、海洋大数据云计算等技术,以满足海洋多传感器的数据传输、融合、处理、挖掘需求。


4.1海洋信息感知智能技术

瞄准当前国际同类产品先进技术水平,以低功耗、智能化、小型化、隐蔽性、高分辨率为主要技术特点,发展海洋动力环境、生态环境、水下目标观测、监测、探测等高精度仪器和网络智能感知终端,解决负载能力有限、驱动能力弱、水下导航定位精确度低等观测平台技术;与相关学科交叉发展,包括仿生水下探测定位技术、机器鱼及受控鱼载等传感系统进行水下全方位感知技术。研发基于模式、数据等驱动的空中、水面及水下网络化智能移动观测平台系统。


4.2海洋信息传输网络关键技术

发展中微子、微波光子、太赫兹等新型海洋通信技术及跨介质通信等技术,发展基于大气波导、超视距雷达信息中继技术,研发新一代的海洋信息智能节点,开展天基、水面移动及下声学通信网络系统研究,构建支撑空间一地面一海洋一海底多传感器网络之间的实时通信,支持多节点、多用户随机接入和网络自适应等技术,开展系统集成和应用示范。


4.3基于人工智能的海洋大数据挖掘服务技术

面向全球超高分辨率耦合计算系统的建设需求,研究和构建海洋智能计算科学、海洋数据科学和海洋信息科学等信息海洋学基础理论方法体系,发展多源异构数据采集检测存储技术、数据清洗和质量控制、多源信息融合技术。围绕云端协同的多源异构海量信息的智能感知、边缘计算等需求,研究构建微超算、移动超算和云超算等超算新生态与海洋物联网智能协同计算体系。研究支持密文检索和基于密文数据索引等海洋大数据安全访问技术。研究设计海洋大数据与人工智能标准规范体系与开放共享平台,开展海洋动力环境、气象预测预报等典型应用和公共信息产品服务。


结语


目前,我国以城市物联网、工业物联网为代表的“陆地物联网”技术发展迅速,但是受到海洋自然环境的制约,海洋物联网研究和应用仍然存在着信息采集能力不足、数据传输速率低、信息不安全等诸多问题。构建海洋物联网的关键在于突破海洋传感网、海洋通信网和卫星通信网的多层次连接和复用技术。聚焦我国的重大战略需求,以建设国家全球海洋立体观测网为大背景,研发自主的集空间一地面一海面一海底一体化的组网感知通信技术,保证海上多传感器的信息高效、安全采集与传输,整体带动海洋技术、装备和产业的发展,对于加快海洋强国建设、服务“两个百年”目标,都具有重大的战略意义。

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