任 翀，李 楠，張立杰

（1.中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237 ）

0 引言

根據(jù)國際電信聯(lián)盟的定義，物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）是通過可互操作信息技術和通信技術實現(xiàn)事物（物理和虛擬）相互連接從而提升服務能力的信息技術基礎設施[1]。海洋物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術在海洋領域的應用，通過海洋數(shù)字設備互通互聯(lián)，結合云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理并提供智能化服務[2]。

海洋觀測是海洋科學研究的基礎，也是海洋科技競爭的重要發(fā)力點。目前，觀測對象正由海洋氣候尺度過程向氣候與天氣尺度綜合觀測方向發(fā)展，觀測手段正由固定平臺觀測向固定與移動平臺協(xié)同觀測方向發(fā)展；觀測數(shù)據(jù)由自容存儲向?qū)崟r/準實時采集、傳輸及應用方向發(fā)展[3]。面向重點海域中小尺度過程、突發(fā)事件及關鍵目標觀探測需求，通過研制和集成多介質(zhì)海洋觀測裝備，以無人智能移動平臺為核心，構建基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)，實時/準實時地獲取高分辨率的海洋環(huán)境及目標信息，可為海洋科學研究、海洋經(jīng)濟發(fā)展及海洋權益維護等提供支撐與保障。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著衛(wèi)星、浮標、潛標、漂流浮標、無人潛器等海洋觀測技術裝備的發(fā)展，以及TAO/TRITON、Argo、OOI等民用/軍民兩用觀測系統(tǒng)的建設，發(fā)達國家尤其是美國和歐洲已基本形成了對全球上層海洋大尺度（百km級）信息的實時獲取能力，開發(fā)了業(yè)務化的海洋預測預報系統(tǒng)，可在全球海洋2 000 m水深的中尺度（百公里到十km級）范圍內(nèi)保障其海洋活動[4-5]。

2017年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）提出了建設海洋物聯(lián)網(wǎng)（Ocean of Things）的計劃，擬通過在百萬平方公里海域內(nèi)布放上萬個低成本、智能化的移動觀測設備，借助云平臺及大數(shù)據(jù)技術，實時感知海氣參數(shù)及水面、水下目標，實現(xiàn)全水深、高分辨率（10 km到km級）觀探測，進而支撐全球海洋信息感知、預測與目標探測警戒（圖 1）[6]。2018年，美國國家科學技術委員會發(fā)布了《美國國家海洋科技發(fā)展：未來十年愿景》，強調(diào)要利用全球范圍內(nèi)遠程和原位傳感器來收集海洋數(shù)據(jù)，強化海洋模型研究和產(chǎn)品研制，從而提高決策能力[7]。其他發(fā)達國家如日本、澳大利亞和加拿大等也在各自的海洋戰(zhàn)略計劃中對海洋信息的感知、傳輸和計算應用進行了重點描述。

圖1 美國國防高級研究計劃局（DARPA）海洋物聯(lián)網(wǎng)概念圖[6]Fig.1 Concept of DARPA’s Ocean of Things

海洋觀測裝備智能化、信息化已成為重要的發(fā)展方向。美國軍方開發(fā)的智能AUV可長期潛伏在指定海域，當目標出現(xiàn)時可自動激活并實施跟蹤。美國研制的智能浮標系統(tǒng)可自動傳輸信息，根據(jù)海況自動選擇多能互補供電方式及工作模式。加拿大AML公司開發(fā)的Smart-X系列儀器能夠自動更換傳感器探頭，實施智能化實時觀測。美國、加拿大及歐洲已開發(fā)完成多型水面觀測裝備，包括低成本小型漂流浮標、波浪滑翔器及無人船等，開展了協(xié)同組網(wǎng)觀測。俄羅斯海軍研制出能將通信信息與聲波相互轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，將潛艇及無人潛器等聯(lián)系起來，構建水下互聯(lián)網(wǎng)，該系統(tǒng)已在俄羅斯多型裝備上通過測試，開始列裝海軍[8]。

海洋信息傳輸正向無線寬帶、寬覆蓋、跨介質(zhì)、網(wǎng)絡化、全天候?qū)崟r傳輸?shù)姆较虬l(fā)展。目前，主要以岸基移動通信、海上無線通信、衛(wèi)星通信和水聲通信等分立的通信網(wǎng)絡實現(xiàn)對全球海洋的覆蓋。在岸基移動通信方面，已實現(xiàn)對近海30 km范圍的有效覆蓋。挪威和我國華為聯(lián)合研發(fā)了全球首個利用LTE技術實現(xiàn)的離岸通信網(wǎng)絡，能夠覆蓋海上平臺周圍37 km的海域，上行速率1 Mbps、下行速率2 Mbps。在海上無線通信方面，采用中/高頻和甚高頻通信實現(xiàn)了近海和中遠海域的覆蓋，支持話音和窄帶數(shù)據(jù)傳輸。國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)（Inmarsat）和銥星系統(tǒng)（Iridium）是應用最為廣泛的全球海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)，最新的第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)已支持100 Mbps的下行速率和5 Mbps的上行速率。水下通信是海洋通信技術發(fā)展的瓶頸之一。目前，水下通信手段主要包括水聲通信和激光通信等。2017年，韓國在 100 m水深處實現(xiàn)水聲通信距離達到30 km，比現(xiàn)有技術的傳輸距離提高了2倍。日本在 700 m水深處完成了水下移動平臺間藍綠激光無線通信試驗，通信距離超過 100 m，速率達2 Mbps。美國在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)了50 Mbps的水下光通信速率，利用協(xié)同降噪技術的水聲通信速率可達100 kbps，微波通信速率可達21.4 Mbps，較現(xiàn)有裝備有了較大提升[8-9]。

在海洋物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理應用方面，目前以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術作為核心，研發(fā)數(shù)據(jù)實時處理系統(tǒng)以及與傳感器交互新方法，實現(xiàn)了多源、異構、超大規(guī)模的海洋環(huán)境、目標、活動和態(tài)勢信息快速在線處理與融合分析。2015年，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）聯(lián)合亞馬遜、谷歌、IBM、微軟等公司實施了“大數(shù)據(jù)計劃”，旨在基于NOAA現(xiàn)有的海洋觀測數(shù)據(jù)，利用各方技術優(yōu)勢建設海洋大數(shù)據(jù)服務平臺[8]。

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在海洋觀測裝備方面，我國自主研發(fā)了浮標、潛標、海床基、漂流浮標、水下滑翔機、ROV、AUV、水下拖體、海底爬行機器人等系列化觀測裝備，裝備種類與國外基本一致，但整體技術水平顯著落后于歐美發(fā)達國家。據(jù)中國工程院報道，我國海洋觀測裝備技術水平落后于發(fā)達國家10～20年左右[10]。在天基觀測裝備方面，我國已發(fā)射7顆海洋衛(wèi)星，其中5顆正常在軌運行。在海基觀測裝備方面，我國自主研制的萬米級水下滑翔機及4 000 m級自持式剖面漂流浮標海試成功[11]。此外，無人機、無人艇、波浪滑翔器等新型觀測裝備逐步投入應用。在海洋觀測系統(tǒng)方面，我國已初步形成涵蓋岸基、離岸、大洋和極地的海洋觀測系統(tǒng)框架，初步建成了業(yè)務化運行的海洋站（點）網(wǎng)，海嘯預警觀測系統(tǒng)，雷達、浮標、志愿船觀測系統(tǒng)，海上平臺觀測系統(tǒng)，海洋斷面調(diào)査和應急機動觀測系統(tǒng)，建設了海域、海島、海洋災害和海洋生態(tài)環(huán)境等監(jiān)控系統(tǒng)。國家海洋局、中科院及教育部等編制了區(qū)域以及全球海洋觀測計劃，正在實施全球海洋立體觀測網(wǎng)、海底觀測網(wǎng)等項目[12]。在機動組網(wǎng)觀測方面，2017年，青島海洋科學與技術試點國家實驗室（QNLM）在南海應用30臺/套自主研發(fā)的海洋觀測裝備，包括水下滑翔機、波浪滑翔器、剖面漂流浮標、潛標及AUV等，開展了協(xié)同組網(wǎng)觀測，成功獲取臺風過程中的海洋溫度、鹽度和流速等信息，這是國內(nèi)首次快速機動組網(wǎng)觀測（圖2）。2019年，繼續(xù)在南海實施了到目前為止最大規(guī)模的無人系統(tǒng)組網(wǎng)觀測，最大同時在網(wǎng)設備45臺/套，運行 221 d，觀測海域 105×104km2[11，13]。

圖2 青島海洋科學與技術試點國家實驗室（QNLM）南海立體組網(wǎng)觀測體系示意圖[13]Fig.2 QNLM’s observing system in South China Sea

在海洋通信技術方面，我國廣泛應用的海洋通信系統(tǒng)主要包括海上無線短波通信、海洋衛(wèi)星通信和岸基移動通信系統(tǒng)等。我國主要采用奈伏泰斯系統(tǒng)（NAVTEX，Navigational Telex）和船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）等海上無線通信系統(tǒng)。2016年，我國發(fā)射了首顆移動通信衛(wèi)星“天通一號”，初步實現(xiàn)對我國領海及周邊海域的覆蓋。2017年發(fā)射了首顆高通量衛(wèi)星“中星16”，覆蓋了對我國近海300 km海域，最高支持 150 Mbps的寬帶通信。2020年北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)，可為全球用戶提供短報文通信服務。雖然我國衛(wèi)星通信技術有了長足發(fā)展，但目前在我國領海、遠海/深海大洋和極地通信仍大量租用國際海事衛(wèi)星，無法滿足自主可控的需求。在水下通信與導航方面，已經(jīng)取得了一定的突破，但主要集中在軍事領域，尚未形成民用推廣。目前，亟需建設立體覆蓋、自主可控的海洋綜合通信網(wǎng)絡[14]。

在海洋信息技術方面，我國進行了有益的探索。例如，基于大數(shù)據(jù)技術，開展的海洋三維溫鹽流、臺風路徑和赤潮等預測已取得了一定的成果；通過挖掘AIS航運數(shù)據(jù)，對海洋經(jīng)濟運行指標監(jiān)控的定量化和精準化形成補充；基于超級計算的海上綜合信息應用服務系統(tǒng)正在建設；基于 Spark、Hadoop等框架的海洋大數(shù)據(jù)平臺已初具規(guī)模。

整體上，我國海洋物聯(lián)網(wǎng)技術仍以跟蹤模仿國外先進技術為主。自研裝備普遍存在精度低、穩(wěn)定性及可靠性差等短板，面向組網(wǎng)應用的集數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、傳輸?shù)裙δ転橐惑w的智能傳感器尚處于起步階段。中遠海及深海數(shù)據(jù)實時傳輸能力不足，存在海量數(shù)據(jù)傳不完、敏感信息不敢傳、跨介質(zhì)數(shù)據(jù)穿不透等問題，通信鏈路尚未做到自主可控。云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術在海洋領域的成熟應用較少，大多處于研究探索階段，相關算法大量借鑒國外，缺乏自主創(chuàng)新。

受技術水平及體制機制的制約，我國海洋觀測技術相對落后。近年來，海洋物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，為我國海洋觀測技術原始創(chuàng)新和彎道超車提供了可能。發(fā)展基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的以無人智能移動平臺為核心觀測技術與裝備體系，是推動我國海洋科技創(chuàng)新發(fā)展的良好契機。

3 基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)

隨著我國加強海洋觀測能力建設，海洋信息獲取及目標探測能力有了較大的進步，但仍存在區(qū)域碎片化、時空分辨率低、數(shù)據(jù)傳輸延滯等短板，尚未形成對全球海洋環(huán)境信息的實時、立體、高分辨率、多要素同步獲取能力以及水面、水下目標的高效探測能力。針對重點海域以及重大海洋環(huán)境突發(fā)事件的快速機動觀測能力尤為不足，與國際海洋強國有較大差距。為快速實時獲取高分辨率海洋環(huán)境及目標信息，亟需構建基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)。

面向重點海域中小尺度過程、突發(fā)事件及關鍵目標觀探測需求，通過集成自主研發(fā)的無人機、無人艇、波浪滑翔器、剖面漂流浮標、水下滑翔機、自主潛航器（AUV）、潛標、海床基及投棄式觀測裝備（表 1），突破跨介質(zhì)信息共享與異構信道組網(wǎng)傳輸?shù)汝P鍵技術，形成海洋觀測裝備多介質(zhì)自動組網(wǎng)技術規(guī)范，構建基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的海、潛、空、天、地立體快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)，開展海上示范應用，實現(xiàn)海洋環(huán)境及目標高分辨率實時觀測，融入現(xiàn)有軍用及民用海洋環(huán)境保障系統(tǒng)，并開展相關應用服務。為達成上述目標，需開展系統(tǒng)需求分析、總體方案設計、關鍵技術研究、海上應用示范以及組網(wǎng)規(guī)范研究等工作。

表1 快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)集成的觀測裝備Table 1 Equipment of rapid networking mobile observing system

3.1 系統(tǒng)需求分析

除了實施大范圍海域的常態(tài)化、業(yè)務化觀測，針對重點海域中小尺度過程、突發(fā)事件及關鍵目標，還應具備快速機動、立體化觀探測能力。上述中小尺度過程包括海洋鋒面、海洋渦旋等；突發(fā)事件包括臺風、赤潮等海洋災害、溢油、危險化學品泄漏、核泄漏等安全事故及交通事故等；關鍵目標包括利益攸關海域的水上、水下各類關鍵目標。這些過程、事件及目標具有難以預測、發(fā)展迅速、危害嚴重等特點。突發(fā)事件信息獲取的時效性和準確性會影響相關部門對事態(tài)的研判，進而影響后續(xù)處置工作的開展。構建快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)，實現(xiàn)海洋環(huán)境及目標信息的快速獲取和處理，可為海洋科學研究、海洋經(jīng)濟發(fā)展及海洋權益維護等提供支撐與保障。

3.2 總體方案設計

基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)由信息感知層、信息傳輸層、信息處理層及信息應用層組成（圖3）。系統(tǒng)具備對海表溫度、鹽度、波浪場、流場、海面風、溫、濕、氣壓等環(huán)境要素以及水上、水下目標的實時同步高分辨率觀測能力，具備空中、水面、水下多節(jié)點自主組網(wǎng)、快速接入、安全傳輸能力，具備多源異構觀測數(shù)據(jù)融合處理、共享及服務能力。通過開展觀測系統(tǒng)總體設計，研究確定海洋觀測平臺與觀測載荷裝備方案、組網(wǎng)通信方案、數(shù)據(jù)開發(fā)應用方案、系統(tǒng)集成測試方案、海上示范應用運行管理方案及組網(wǎng)技術規(guī)范等。

1）信息感知層。

以自主研發(fā)的無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標及投棄式觀測裝備等無人智能移動觀測裝備為主干觀測節(jié)點，結合潛標、海床基等定點觀測裝備，構建快速機動海洋信息感知物聯(lián)網(wǎng)絡，實現(xiàn)對海洋環(huán)境及水上、水下目標的多要素、立體化、實時/準實時感知。

2）信息傳輸層。

通過衛(wèi)星通信、無線電通信、光通信、水聲通信等多種通信方式及跨介質(zhì)信息共享與異構信道組網(wǎng)傳輸技術，構建基于海、潛、空、天、地的立體數(shù)據(jù)實時傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)觀測節(jié)點自主快速接入組網(wǎng)和信息安全快速傳輸。

3）信息處理層。

開發(fā)快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)軟件，基于海洋觀測裝備及傳輸鏈路，研究多平臺、多要素海洋環(huán)境及目標實時數(shù)據(jù)匯集技術，開展觀測數(shù)據(jù)質(zhì)控和標準化處理，實現(xiàn)全系統(tǒng)各類觀測數(shù)據(jù)的匯集、質(zhì)控及融合處理。

4）信息應用層。

針對海洋科學研究、經(jīng)濟建設、環(huán)境保護及國防安全等需求進行觀測數(shù)據(jù)的開發(fā)應用，生成數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品，提供信息分發(fā)與共享服務，并與國家海洋環(huán)境安全保障平臺對接。

圖3 基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)Fig.3 Rapid networking mobile observing system based on Ocean of Things

3.3 關鍵技術研究

開展多介質(zhì)無人機動組網(wǎng)觀測裝備改進與集成、自主接入快速組網(wǎng)及數(shù)據(jù)安全傳輸以及海洋環(huán)境及目標觀測數(shù)據(jù)開發(fā)應用等關鍵技術研究?；谧灾餮邪l(fā)的無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標、潛標、海床基及投棄式觀測裝備，開展快速機動組網(wǎng)觀測適應性改進以及多介質(zhì)多平臺多傳感器海洋觀測裝備集成，實現(xiàn)觀測任務自適應，滿足實時/準實時高分辨率協(xié)同觀測要求。通過研究衛(wèi)星通信、無線電通信、光通信、水聲通信等多種通信方式及跨介質(zhì)信息共享與異構信道組網(wǎng)傳輸技術，構建基于海、潛、空、天、地的立體數(shù)據(jù)實時傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)觀測節(jié)點自主快速接入組網(wǎng)和數(shù)據(jù)安全傳輸，提高海洋觀測信息的交互與處理能力。開展海洋環(huán)境及目標觀測數(shù)據(jù)開發(fā)應用，實現(xiàn)全系統(tǒng)各類觀測數(shù)據(jù)的匯集、質(zhì)控、融合處理，針對海洋科學研究、經(jīng)濟建設及國防等需求進行觀測數(shù)據(jù)的開發(fā)應用，提供數(shù)據(jù)信息分發(fā)與共享服務，并與國家海洋環(huán)境安全保障平臺對接。

3.4 海上應用示范

系統(tǒng)集成的自主研制的觀測裝備包括無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標、潛標、海床基及投棄式觀測裝備等多種裝備，觀測系統(tǒng)建設及海上作業(yè)任務困難復雜。通過開展海上作業(yè)任務實施方案研究，制定海上作業(yè)運行試驗大綱，確保系統(tǒng)在海上實際工作高效可靠。開展海洋環(huán)境及目標實時觀測示范應用，實現(xiàn)全網(wǎng)系統(tǒng)各類觀測數(shù)據(jù)的匯集、質(zhì)控、融合處理，針對海洋科學研究、經(jīng)濟建設及國防等需求進行觀測數(shù)據(jù)的開發(fā)應用，提供數(shù)據(jù)信息分發(fā)與共享服務，并與國家海洋環(huán)境安全保障平臺對接。為實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，需對系統(tǒng)各節(jié)點進行運行管理，研究制定系統(tǒng)示范應用運行期間的設備狀態(tài)反饋措施。另外，面對海上的復雜環(huán)境，需要研究制定系統(tǒng)維護方案，確保海洋觀測數(shù)據(jù)的有效獲取、處理與應用。

3.5 組網(wǎng)規(guī)范研究

開展多介質(zhì)海洋觀測裝備自動組網(wǎng)技術規(guī)范研究，建立設備接入、自動組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)開發(fā)應用、數(shù)據(jù)分發(fā)共享等規(guī)范體系，拓展現(xiàn)有各型海洋觀測裝備數(shù)據(jù)采集傳輸能力，提高海洋觀測信息的交互與處理能力，從而實現(xiàn)實時/準實時高分辨率的海洋環(huán)境及目標信息感知與利用。

4 基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的快速機動組網(wǎng)觀測關鍵技術

4.1 快速機動組網(wǎng)觀測裝備改進與集成

以自主研發(fā)的無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標及投棄式觀測裝備等無人智能移動觀測裝備為主干觀測節(jié)點，結合潛標、海床基等定點觀測裝備，針對快速機動組網(wǎng)觀測要求開展適應性改進。開展多介質(zhì)多平臺的海洋觀測裝備綜合集成，實現(xiàn)觀測任務自適應，滿足目標海區(qū)的實時/準實時高分辨率觀測協(xié)同要求。

1）快速機動組網(wǎng)觀測裝備適應性改進。

為滿足自動組網(wǎng)協(xié)同觀測需求，基于自主研發(fā)的無人機、無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、AUV、剖面漂流浮標、潛標、海床基及投棄式觀測裝備，針對多介質(zhì)自動組網(wǎng)開展適應性改進，以匹配相應的數(shù)據(jù)傳輸接口規(guī)范，實現(xiàn)跨介質(zhì)信息共享與異構信道組網(wǎng)。具體包括：

無人機：基于現(xiàn)有無人機裝備，提升復雜海況下無人機飛行性能，開展自動投放技術研究，實現(xiàn)多類型載荷多點精準投放。開展基于無人機的無線通訊與控制系統(tǒng)集成，利用海（水上、水下平臺）、空（機載平臺）、天（衛(wèi)星平臺）等多平臺智能通訊設備，構建基于空中無人移動平臺的通訊網(wǎng)絡，開展數(shù)據(jù)實時傳輸及遠程控制試驗。開展觀測裝備協(xié)同作業(yè)技術研究及試驗，滿足多介質(zhì)無人平臺協(xié)同組網(wǎng)觀測需求。

無人艇、波浪滑翔器：基于自主研發(fā)的無人艇、波浪滑翔器，開展海上自主接入快速組網(wǎng)改進與測試，實現(xiàn)水面無人移動平臺自主接入快速組網(wǎng)能力。開展基于無人艇、波浪滑翔器的無線通訊與控制系統(tǒng)集成，利用海、空、天等多平臺智能通訊設備，構建基于水面無人移動平臺的通訊網(wǎng)絡，開展數(shù)據(jù)實時傳輸及遠程控制試驗。開展觀測裝備協(xié)同作業(yè)技術研究及試驗，滿足多介質(zhì)無人平臺協(xié)同組網(wǎng)觀測需求。

水下滑翔機、AUV：基于自主研發(fā)的水下滑翔機、AUV，開展水下自主接入快速組網(wǎng)改進與測試，實現(xiàn)水下無人移動平臺自主接入快速組網(wǎng)能力。開展基于水下滑翔機、AUV的無線通訊與控制系統(tǒng)集成，利用海、空、天等多平臺智能通訊設備，構建基于水下無人移動平臺的通訊網(wǎng)絡，開展數(shù)據(jù)實時傳輸及遠程控制試驗。開展觀測裝備協(xié)同作業(yè)技術研究及試驗，滿足多介質(zhì)無人平臺協(xié)同組網(wǎng)觀測需求。

針對剖面漂流浮標、潛標、海床基、機載投棄式觀測裝備（機載投棄式探空儀等）、船載投棄式觀測裝備（表面漂流浮標等）等觀測節(jié)點，基于國內(nèi)自主研發(fā)的觀測裝備，開展自主接入快速組網(wǎng)改進與測試，實現(xiàn)快速接入多介質(zhì)無人平臺協(xié)同組網(wǎng)自主觀測能力。

2）多介質(zhì)海洋觀測裝備綜合集成。

根據(jù)海上自然環(huán)境和通信條件，針對無人觀測裝備的多樣性、異構性特點，開展多介質(zhì)、多平臺、多傳感器海洋環(huán)境及目標觀測任務規(guī)劃研究，實現(xiàn)觀測任務自適應，滿足目標海區(qū)的實時/準實時高分辨率觀測需求。通過對移動觀測節(jié)點的實時任務分配與優(yōu)化、航行軌跡優(yōu)化、軌跡偏離自動補償、實時航位推算、觀測數(shù)據(jù)實時融合處理與發(fā)布等關鍵技術研究，開發(fā)可實時/準實時觀測的快速機動組網(wǎng)觀測操控系統(tǒng)，通過衛(wèi)星、無線電及水聲等通信手段，實時顯示觀測系統(tǒng)主要節(jié)點的運行軌跡、觀測信息及運行狀態(tài)，根據(jù)任務需求采用最優(yōu)控制策略，生成群組觀測航路規(guī)劃，自動或人工向移動觀測節(jié)點發(fā)送控制指令，控制其航行與觀測參數(shù)，實現(xiàn)觀測節(jié)點與岸基操控平臺間的信息雙向傳輸。

4.2 自主接入快速組網(wǎng)及數(shù)據(jù)安全傳輸技術

面向海洋觀測數(shù)據(jù)的實時性、完整性、一致性需求，針對海洋觀測裝備的多樣性、異構性特點，通過研究衛(wèi)星通信、無線電通信、光通信、水聲通信等多種通信方式及跨介質(zhì)信息共享與異構信道組網(wǎng)傳輸技術，構建基于海、潛、空、天、地的多介質(zhì)立體數(shù)據(jù)實時傳輸網(wǎng)絡，建立基于混合接入的分層網(wǎng)絡架構和海洋觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一表征模型，實現(xiàn)觀測節(jié)點自主快速接入組網(wǎng)和數(shù)據(jù)安全傳輸，提高海洋觀測信息的交互與處理能力。

1）跨介質(zhì)信息共享與異構信道組網(wǎng)技術。

根據(jù)衛(wèi)通、無線電、光通信、水聲信道傳輸特性和跨介質(zhì)信息傳輸需求，研究動態(tài)時分多址（DTDMA）和載波偵聽多路存?。–SMA）混合接入體制，突破面向業(yè)務特征的動態(tài)網(wǎng)絡資源調(diào)度與分配技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源與業(yè)務需求的高效智能匹配。研究滿足信息支持與保障的拓撲控制與結構優(yōu)化技術，提高路由效率，減少網(wǎng)絡能耗，為網(wǎng)絡信息傳輸提供可靠支撐。

2）基于海洋信道特性的自適應水聲通信技術。

基于海上惡劣的自然環(huán)境和通信條件，分析快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性與低功耗相平衡方面的需求。針對海洋觀測信息種類多、復雜度高等特點，設計面向數(shù)據(jù)高效封裝和可靠傳輸?shù)南f(xié)議，制定高效的消息交換與壓縮規(guī)范，研究滿足觀測需求的多種傳輸速率的多源數(shù)據(jù)處理和融合的信道選擇與優(yōu)化技術。建立海洋觀測信息統(tǒng)一表征模型，構建統(tǒng)一的信息交換模型，用于各節(jié)點異構異類信息的分發(fā)和處理。采用頻譜感知技術和單載波頻域均衡體制（SC-FDE），滿足系統(tǒng)多速率傳輸組網(wǎng)要求，對抗海上多徑影響。研究低資源占用條件下的信息統(tǒng)一表征與處理協(xié)議技術，實現(xiàn)信息實時交換。建立分層分布式網(wǎng)絡架構模型，采用自適應多速率選擇技術，解決不穩(wěn)定信道條件下的組網(wǎng)傳輸與應用問題。物理層采用水聲正交頻分復用（OFDM）高速通信技術，優(yōu)化移動平臺下的水聲時變稀疏信道估計與寬帶多普勒補償技術。鏈路層采用競爭類協(xié)議，按需競爭使用無線信道，降低端到端延時和平均能耗。采用停止等待ARQ（Automatic Repeat reQuest）協(xié)議，提升水聲鏈路的可靠性。

3）非穩(wěn)定平臺高精度衛(wèi)星通信技術。

研究基于卡爾曼濾波的海泊動態(tài)搜星方法及動中通天線雙四元數(shù)控制方法，實現(xiàn)非穩(wěn)定平臺高精度衛(wèi)星通信能力，驅(qū)動天線以固定仰角繞地垂線旋轉(zhuǎn)來搜尋信標所在方向。載體地速為0時，假定載體初始航向為0、橫滾角和俯仰角初值也為0，可以通過加入卡爾曼濾波組合導航算法得到載體的俯仰角和橫滾角，從而可以實時算出地垂線在載體系下的矢量方向和與地垂線呈固定夾角的任意矢量在載體系下的坐標，驅(qū)動天線以固定仰角繞地垂線旋轉(zhuǎn)，直至天線搜索到衛(wèi)星信號。

4）非穩(wěn)定平臺光通信技術。

針對海洋觀測平臺的大動態(tài)范圍非穩(wěn)定特性，突破通過大氣信道進行光信息高速傳輸?shù)募夹g，開展通訊信道、對準跟蹤系統(tǒng)、收發(fā)系統(tǒng)、信息調(diào)制及信道編碼等研究。采用宏觀唯像衰減散射模型結合Monte Carlo方法模擬大氣信道的傳輸過程，建立仿真模型。研究天氣、濕度、溫度、時間等因素對光通信性能的影響，分析大氣信道吸收、散射、湍流以及光子技術探測過程對于通信傳輸速率、信道衰減以及誤碼率的影響，為通信系統(tǒng)設計提供依據(jù)。在現(xiàn)有航天高精度穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺和高精度經(jīng)緯儀的基礎上，開展小型化高精度對準跟蹤系統(tǒng)研發(fā)。采用粗瞄、精瞄、通訊鏈路信息反饋的閉環(huán)，控制對準跟蹤精度，建立穩(wěn)定通訊鏈路。光學收發(fā)系統(tǒng)是無線光通訊的核心系統(tǒng)，包括小角度發(fā)射和接收光學系統(tǒng)匹配與優(yōu)化、噪聲抑制、發(fā)射光源等研究內(nèi)容。開展非穩(wěn)定平臺光通信技術研究，采用強度調(diào)制方式進行信息調(diào)制，對開關鍵控（OOK）和脈沖位置調(diào)制（PPM）兩種調(diào)制方式進行對比研究。通過采用RS、Turbo、LDPC以及 SCPPM等多種編碼方法，對比研究不同糾錯碼的性能，降低通信誤碼率。

5）通信組網(wǎng)安全及硬件加速技術。

開展面向跨介質(zhì)信息傳輸及組網(wǎng)的雙向認證技術研究，針對DOS攻擊、重放攻擊、口令猜測攻擊、盜取驗證表攻擊、假冒服務器攻擊及假冒觀測節(jié)點攻擊等安全風險，設計基于 AES、RSA和消息認證碼的雙向口令認證協(xié)議。分析信息加密的硬件需求，采用Verilog硬件描述語言對加密算法進行設計及硬件加速優(yōu)化，設計硬件加速模塊，利用 ModelSim對加密算法的 Verilog設計進行仿真驗證與評估，提升系統(tǒng)通信組網(wǎng)安全性。

4.3 海洋環(huán)境及目標觀測數(shù)據(jù)開發(fā)應用

開展海洋環(huán)境及目標實時觀測數(shù)據(jù)開發(fā)應用，實現(xiàn)全系統(tǒng)各類觀測數(shù)據(jù)的匯集、質(zhì)控、融合處理，針對海洋科學研究、經(jīng)濟建設、環(huán)境保護及國防安全等需求進行觀測數(shù)據(jù)的開發(fā)應用，提供數(shù)據(jù)信息分發(fā)與共享服務，并與國家海洋環(huán)境安全保障平臺對接。

1）多源觀測數(shù)據(jù)匯集管理。

基于海上機動組網(wǎng)觀測裝備及傳輸鏈路，研究多平臺、多要素海洋環(huán)境及目標實時數(shù)據(jù)匯集技術，在組網(wǎng)示范運行期間，實時收集無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機、剖面漂流浮標、潛標等各類固定與移動觀測節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)，解析觀測數(shù)據(jù)信息，建立面向多傳感器的觀測數(shù)據(jù)匯集模塊，根據(jù)平臺、數(shù)據(jù)量、要素種類、存儲方式設計數(shù)據(jù)信息表結構，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動加載、存儲、查詢檢索以及數(shù)據(jù)運行維護監(jiān)控。

2）觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估與標準化處理。

以快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)海上示范應用運行為基礎，以多源觀測數(shù)據(jù)匯集管理為平臺，開展觀測數(shù)據(jù)質(zhì)控和標準化處理，包括格式轉(zhuǎn)換、質(zhì)量控制、排重、合并和標準化處理等。制定多平臺多要素數(shù)據(jù)格式，設計多平臺多要素質(zhì)量控制流程，開展觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗評估，進行多平臺多要素資料排重和整合，形成各要素標準化數(shù)據(jù)。

3）觀測數(shù)據(jù)開發(fā)及應用示范。

針對海洋科學研究、經(jīng)濟建設及國防等需求，開展海洋環(huán)境及目標實時觀測數(shù)據(jù)開發(fā)及示范應用?；诤Ｉ狭Ⅲw快速機動組網(wǎng)觀測及數(shù)據(jù)融合處理，結合海洋氣象、航空氣象、海洋水文以及數(shù)值預報保障業(yè)務需求，建立實時觀測信息與海洋環(huán)境保障業(yè)務系統(tǒng)的接入機制，為掌握海戰(zhàn)場環(huán)境要素、目標實況以及數(shù)值預報等提供信息支持。

4）觀測數(shù)據(jù)共享和發(fā)布。

根據(jù)軍民海洋環(huán)境保障需求和信息安全要求，基于多種傳輸鏈路，建立數(shù)據(jù)信息交換共享機制，提供實時觀測數(shù)據(jù)及延時產(chǎn)品的分發(fā)服務，實現(xiàn)軍民融合、多源匯集、信息共享，并與國家海洋環(huán)境安全保障平臺對接。

5 發(fā)展方向

目前，我國以城市物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為代表的陸地物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速。海洋物聯(lián)網(wǎng)是認識海洋、經(jīng)略海洋的重要技術制高點，但與陸地物聯(lián)網(wǎng)相比，海洋物聯(lián)網(wǎng)研究和應用仍存在信息感知能力差、數(shù)據(jù)傳輸延滯、信息服務水平低等短板。未來，需要重點突破復雜海洋環(huán)境下的智能信息感知、跨介質(zhì)高速信息傳輸網(wǎng)絡、基于人工智能的海洋大數(shù)據(jù)等技術方向，以滿足復雜海洋環(huán)境下多平臺、跨介質(zhì)的信息感知、傳輸、處理、應用等需求。

5.1 復雜海洋環(huán)境下的智能信息感知

隨著衛(wèi)星遙感、空中、水面及水下海洋觀測裝備的發(fā)展和觀測網(wǎng)絡建設，對上層海洋的信息感知能力不斷提升。但在深海及兩極水域，觀探測能力仍然不足。需要開展耐壓結構及材料、水下能源、智能控制等關鍵技術攻關，研發(fā)適應深海高壓、極區(qū)低溫及冰下等復雜海洋環(huán)境的觀探測裝備。針對關鍵目標追蹤探測需求，需研制具備快速反應、隱蔽追蹤、近距探測以及跨介質(zhì)復雜環(huán)境適應能力的探測裝備。針對觀測平臺負載能力有限、驅(qū)動能力弱、水下導航定位精確度低等技術難點，需開展推進、定位導航、環(huán)境適應等關鍵技術攻關。在傳感器方面，針對高精度、多要素、快速、低功耗、智能化觀探測需求，需開展傳感器敏感原理、材料、結構、工藝、平臺搭載適應性、智能控制及多傳感器信息融合等技術攻關，提升復雜環(huán)境適應性及信息感知智能化水平。

5.2 跨介質(zhì)高速信息傳輸網(wǎng)絡

突破中微子、微波光子、太赫茲等新型高速跨介質(zhì)通信技術，發(fā)展基于大氣波導、超視距雷達的信息中繼技術，開展深海、冰下、惡劣海況等復雜環(huán)境下的實時/準實時通信技術研究，研發(fā)低成本、小型化、可大量布放的海洋物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點，構建基于海、潛、空、天、地多傳感器的跨介質(zhì)高速信息傳輸網(wǎng)絡，支持多節(jié)點、多用戶快速自主接入和網(wǎng)絡自適應，提升海洋網(wǎng)絡空間異構傳輸能力。

5.3 基于人工智能的海洋大數(shù)據(jù)

為了高效利用海量、多源、異構的海洋數(shù)據(jù)，需加強海洋智能計算科學、海洋數(shù)據(jù)科學和海洋信息科學等信息海洋學基礎理論方法研究，發(fā)展人工智能、多源異構數(shù)據(jù)采集檢測存儲、數(shù)據(jù)清洗和質(zhì)量控制、多源信息融合等技術。圍繞云端協(xié)同的多源異構海量信息的智能感知、邊緣計算等需求，構建微超算、移動超算和云超算等超算新生態(tài)與海洋物聯(lián)網(wǎng)智能協(xié)同計算體系。研究支持密文檢索和基于密文數(shù)據(jù)索引等的海洋大數(shù)據(jù)信息安全技術。研究設計海洋大數(shù)據(jù)與人工智能標準規(guī)范體系與開放共享平臺，面向海洋科學研究、經(jīng)濟建設、環(huán)境保護及國防安全等應用場景提供信息服務。

6 結束語

隨著我國在全球海洋科研和經(jīng)貿(mào)領域地位的提升，對海洋環(huán)境及目標信息的實時高分辨率獲取能力、預測預報能力、信息服務能力的需求日益迫切。在軍事領域，建設海洋物聯(lián)網(wǎng)是海洋軍事保障的重要發(fā)展方向，將海洋觀測技術與軍事應用相結合是我國未來軍民融合的重要任務。目前，我國物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速，但海洋物聯(lián)網(wǎng)研究與應用在信息感知、數(shù)據(jù)傳輸、服務水平等方面仍存在諸多短板。聚焦我國重大戰(zhàn)略需求，構建基于海洋物聯(lián)網(wǎng)的海、潛、空、天、地立體快速機動組網(wǎng)觀測系統(tǒng)，保障海洋環(huán)境及目標信息高效安全感知、傳輸、處理與應用，進而推動海洋觀測技術、裝備和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于加快海洋強國建設具有重要意義。