物聯(lián)網(wǎng)在海洋相關(guān)領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展

路曉磊,陳默

(1.國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033;2.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分,是信息領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能物流、智能家居、智能交通、車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境保護(hù)、公共安全等領(lǐng)域發(fā)展迅速,如小米集團(tuán)將人工智能物聯(lián)網(wǎng)作為核心戰(zhàn)略,在智能家居領(lǐng)域發(fā)布了智能音箱、智能照明、智能門鎖等多款設(shè)備;京東將依托5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建設(shè)國(guó)內(nèi)首個(gè)智能物流示范園區(qū);國(guó)家電網(wǎng)在“三型兩網(wǎng)”建設(shè)中將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)作為一項(xiàng)重要內(nèi)容。在海洋相關(guān)領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)作為一種前沿技術(shù)尚處于研究起步階段,未來(lái)將有極大的發(fā)展空間[2]。本研究對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了概述,探討它在海洋觀測(cè)、海島生態(tài)監(jiān)測(cè)、海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)、智能船舶等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展,以期進(jìn)一步促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)海洋信息化中的研究發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概念的起源

物聯(lián)網(wǎng)的理念最早出現(xiàn)在比爾·蓋茨1995年出版的《未來(lái)之路》一書中。1999年,美國(guó)麻省理工學(xué)院自動(dòng)識(shí)別中心提出了網(wǎng)絡(luò)無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng),核心思想是將射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備植入物品中,并將其聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)物品的智能化識(shí)別和管理。2005年,國(guó)際電信聯(lián)盟在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)上發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的概念進(jìn)行了正式定義,并介紹了物聯(lián)網(wǎng)的特征、關(guān)鍵技術(shù)、面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)前景等。物聯(lián)網(wǎng)是將傳感器技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合,利用智能傳感器將互聯(lián)網(wǎng)用戶終端延伸到任何需要實(shí)時(shí)管理的物品,實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的互聯(lián)[3]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的基本特征與體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳送和智能處理3個(gè)基本特征[4]。其中,全面感知是指利用各種傳感器的感知、捕獲技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行信息采集和獲取;可靠傳送是指利用各種通信技術(shù)將采集的信息進(jìn)行可靠的交互和共享;智能處理是指利用各種智能計(jì)算技術(shù),對(duì)海量的感知信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,實(shí)現(xiàn)物品的智能化管理。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)一般可以簡(jiǎn)易分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個(gè)層次,分別對(duì)應(yīng)了它的3個(gè)基本特征。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

自2005年物聯(lián)網(wǎng)的概念被正式提出以來(lái),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到快速發(fā)展,世界各國(guó)紛紛布局物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè),物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為各國(guó)綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的重要因素。美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)等都將物聯(lián)網(wǎng)作為一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略大力發(fā)展,都出臺(tái)了一系列政策措施和研究計(jì)劃。美國(guó)作為物聯(lián)網(wǎng)概念的提出者和推動(dòng)者,在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方面處于領(lǐng)先地位。2009年,美國(guó)提出“智慧地球”戰(zhàn)略,并上升為國(guó)家戰(zhàn)略。“智慧地球”戰(zhàn)略是將IT技術(shù)充分運(yùn)用到社會(huì)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域,將傳感器嵌入地球各個(gè)角落的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備中,利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能管理。歐盟在2009年提出《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》,各國(guó)也紛紛啟動(dòng)各自的研發(fā)計(jì)劃。例如,芬蘭聯(lián)合國(guó)內(nèi)8所大學(xué)和16家公司于2012年啟動(dòng)了為期4年、投資5 000多萬(wàn)歐元的物聯(lián)網(wǎng)研究計(jì)劃[5]。日本和韓國(guó)也分別推出了“i-Japan”“u-Korea”等戰(zhàn)略,推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用。

我國(guó)是較早進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)研究和應(yīng)用的國(guó)家之一,《2010年政府工作報(bào)告》提出“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用”,物聯(lián)網(wǎng)的研究應(yīng)用上升為國(guó)家戰(zhàn)略,開啟了我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)元年。此后,在“十二五”“十三五”規(guī)劃中物聯(lián)網(wǎng)作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展和推進(jìn)。與世界先進(jìn)國(guó)家比較,在國(guó)家戰(zhàn)略層面基本相同,在技術(shù)層面,我國(guó)在關(guān)鍵電子元器件、電子芯片、半導(dǎo)體、專用儀器設(shè)備等感知層技術(shù)方面仍有較大差距,在網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層方面相差不大,有些技術(shù)如5G通信等甚至處于“領(lǐng)跑”地位。

2 在海洋相關(guān)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用進(jìn)展

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展和日益成熟,已逐漸應(yīng)用于多個(gè)海洋領(lǐng)域。下面僅從海洋觀測(cè)、海島生態(tài)監(jiān)測(cè)、海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)和智能船舶4個(gè)方面分析物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和研究進(jìn)展。

2.1 海洋觀測(cè)領(lǐng)域

海洋在調(diào)節(jié)全球大氣環(huán)流和氣候變化中起著很重要的作用,海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲取對(duì)于海洋科學(xué)研究、環(huán)境預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)等具有重要意義。海洋觀測(cè)手段主要包括利用調(diào)查船和潛浮標(biāo)等開展的海基觀測(cè),利用衛(wèi)星遙感和航空觀測(cè)等開展的天基觀測(cè),以及利用水下傳感器、海底光纖等組成的海底觀測(cè)網(wǎng)。在海洋觀測(cè)領(lǐng)域,現(xiàn)代海洋觀測(cè)技術(shù)正朝著綜合化、立體化、實(shí)時(shí)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展[6-8],利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)建立海洋環(huán)境立體觀測(cè)體系是海洋領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。

美國(guó)、歐盟、澳大利亞等海洋強(qiáng)國(guó)都將海洋信息的智能感知、獲取、傳輸、應(yīng)用列為重點(diǎn)發(fā)展方向。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)主導(dǎo)了美國(guó)“海洋物聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目,通過(guò)在海洋中部署成千上萬(wàn)個(gè)小型的、低成本的智能漂浮體建立分布式傳感器網(wǎng)絡(luò),每個(gè)智能漂浮體內(nèi)搭載相關(guān)傳感器,可收集位置信息和海洋溫度、鹽度、海流等環(huán)境信息,甚至艦船、飛機(jī)和海洋生物的活動(dòng)信息。這些信息通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送至云端存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)分析,可以獲得廣闊海域的持續(xù)態(tài)勢(shì)感知能力。此外,澳大利亞海洋科學(xué)研究所(AIMS)、北約海事研究和實(shí)驗(yàn)中心等機(jī)構(gòu)也利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展了相關(guān)研究。

我國(guó)正在開展的“透明海洋”工程和海底觀測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)都離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2013年,青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了“透明海洋”工程并于2014年全面實(shí)施。“透明海洋”是指利用現(xiàn)代海洋觀測(cè)探測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù),在天空、海面、海中、海底布放智能觀測(cè)探測(cè)系統(tǒng),構(gòu)建面向全球海洋環(huán)境和目標(biāo)感知的海洋物聯(lián)網(wǎng)體系,實(shí)時(shí)獲取綜合海洋環(huán)境信息,可以解決全球氣候變化、海洋態(tài)勢(shì)感知等重大科學(xué)問(wèn)題[9]。在國(guó)家“863”計(jì)劃等支持下,我國(guó)已分別在東海和南海建設(shè)了海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)[10]。隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)有望利用統(tǒng)一、通用的數(shù)據(jù)和接口標(biāo)準(zhǔn)將海底觀測(cè)網(wǎng)與衛(wèi)星遙感、水中無(wú)人航行器、各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)、各類潛浮標(biāo)等進(jìn)行協(xié)同工作,形成覆蓋近海、大洋和兩極的層次化、綜合化與智能化的“天-地-海”一體化立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 海島生態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域

海島是自然資源的重要組成部分,在海洋經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究、領(lǐng)海基點(diǎn)、國(guó)防建設(shè)等方面具有重要作用。根據(jù)《中國(guó)海域海島標(biāo)準(zhǔn)名錄》顯示,我國(guó)目前總計(jì)有約11 000多個(gè)海島,其中無(wú)居民海島占海島總數(shù)的96%[11]。目前海島的開發(fā)和利用狀況不容樂(lè)觀,部分無(wú)居民海島長(zhǎng)期存在無(wú)序和無(wú)度開發(fā)的情況,而大部分無(wú)居民海島由于自然環(huán)境、地理位置、經(jīng)濟(jì)效益等因素處于閑置狀態(tài)。隨著國(guó)家和地方對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重視,部分條件適宜的無(wú)居民海島將被更多開發(fā)利用。然而海島遠(yuǎn)離大陸,氣候惡劣,土壤貧瘠,生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單脆弱,容易受到破壞[12-14]。因此,對(duì)海島特別是人類無(wú)法輕易到達(dá)的島嶼的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)非常有必要。

傳統(tǒng)的人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)效率低下,成本較高,無(wú)法長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地解決上述問(wèn)題,通過(guò)在海島上部署智能監(jiān)測(cè)設(shè)備,如氣象傳感器(溫度、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等)、水文傳感器(海水溫度、鹽度、海流、潮汐等)、水質(zhì)傳感器(葉綠素、p H值、溶解氧等)、植被傳感器、土壤傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等,采集海島的各類環(huán)境數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在島內(nèi)控制中心,島內(nèi)控制中心再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥懮峡刂浦行?實(shí)現(xiàn)對(duì)海島生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期智能監(jiān)測(cè)。海島物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)監(jiān)測(cè)特別是無(wú)居民海島生態(tài)監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)在于解決島上供電和網(wǎng)絡(luò)通信的保障問(wèn)題。

在國(guó)際上,牛津大學(xué)的研究人員利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器對(duì)Skomer島進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),以研究其氣候變化;德國(guó)的亞琛工業(yè)大學(xué)研究人員通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)Rat Mote島鼠類的生活環(huán)境和行為方式進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。在國(guó)內(nèi),常立俠等[15]對(duì)海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的概念及模型進(jìn)行了詳細(xì)闡述,吳文周等[16]針對(duì)遠(yuǎn)海島礁生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)無(wú)法滿足環(huán)境要素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能處理的需求,研究了遠(yuǎn)海島礁地理環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),崔振東等[17]針對(duì)近海、潮間帶、海島、臨海陸地環(huán)境和生態(tài)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)相關(guān)需求,提出了層次型的海-島感知物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)。中山大學(xué)開展了廣東三角島生態(tài)建設(shè)和生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,通過(guò)對(duì)三角島生態(tài)修復(fù)過(guò)程中生態(tài)要素的監(jiān)測(cè)與預(yù)警,建立海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。三角島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的有效建立,對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)在海島生態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用具有重要的示范意義。

2.3 海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域

海洋牧場(chǎng)能夠有效拓展海洋漁業(yè)發(fā)展空間,促進(jìn)海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展,是解決海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間矛盾的重要手段[18]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的海洋牧場(chǎng)管理方式已不能滿足時(shí)代要求,海洋牧場(chǎng)的信息化和智慧化將成為新的發(fā)展趨勢(shì)。利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等手段建設(shè)智慧型海洋牧場(chǎng),可以實(shí)現(xiàn)海洋牧場(chǎng)的智能化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化,有利于提高海洋牧場(chǎng)管理水平、生產(chǎn)效率、環(huán)境承載力和抗風(fēng)險(xiǎn)能力[19]。

在國(guó)際上,日本作為海洋漁業(yè)大國(guó),最先提出了海洋牧場(chǎng)的概念,海洋牧場(chǎng)的建設(shè)處于國(guó)際領(lǐng)先水平,海洋牧場(chǎng)已逐漸向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展[20]。例如:研發(fā)了利用太陽(yáng)能運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,利用傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)魚類的行為以及確定喂食時(shí)間;利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控海洋牧場(chǎng)水質(zhì)環(huán)境、人工魚礁、智能網(wǎng)箱等。美國(guó)農(nóng)業(yè)食品巨頭嘉吉公司發(fā)布了一款漁業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái),利用移動(dòng)設(shè)備和傳感器監(jiān)測(cè)海洋牧場(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)、水質(zhì)、魚蝦大小、喂食模式等,并利用衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偛俊Ｔ趪?guó)內(nèi),我國(guó)已先后建設(shè)了232個(gè)海洋牧場(chǎng),86個(gè)國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)[21],大部分海洋牧場(chǎng)的日常管理與信息化無(wú)緣,基本依靠人工經(jīng)驗(yàn),海洋牧場(chǎng)信息化建設(shè)空間廣闊。王恩辰等[22]對(duì)智慧海洋牧場(chǎng)的概念、特征等進(jìn)行了闡述;石堯等[23]設(shè)計(jì)了海洋牧場(chǎng)多參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋牧場(chǎng)水質(zhì)進(jìn)行了有益探索。具體應(yīng)用方面,海南陵水成功部署了基于5G和物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)箱生物環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)采集深海養(yǎng)殖場(chǎng)的水溫、鹽度、溶解氧等環(huán)境數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),對(duì)網(wǎng)箱內(nèi)的海洋環(huán)境和魚類行為異常進(jìn)行有效預(yù)警,漁民通過(guò)手機(jī)App就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控養(yǎng)殖場(chǎng)水下情況。

2.4 智能船舶領(lǐng)域

智能船舶融合了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)手段,能夠?qū)崿F(xiàn)船舶自身、港口、物流等信息的自動(dòng)感知,是未來(lái)船舶發(fā)展的主要趨勢(shì)。目前世界主要造船國(guó)家均在大力推進(jìn)智能船舶的研制與應(yīng)用,但總體上,智能船舶仍處于探索和發(fā)展的初級(jí)階段,智能感知等核心技術(shù)尚未突破,智能技術(shù)工程化應(yīng)用程度有限。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能船舶領(lǐng)域,可以在船舶智能生產(chǎn)、自動(dòng)航行、貨物管理等方面發(fā)揮重要作用。

在國(guó)際上,韓國(guó)造船業(yè)正致力于智能船舶的開發(fā),大宇造船利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了沒有圖紙也可以自動(dòng)化生產(chǎn)船用配件的智能工程,并且計(jì)劃引進(jìn)英特爾船舶物聯(lián)網(wǎng)解決方案;三星重工獲得了美國(guó)船級(jí)社頒發(fā)的全球首個(gè)關(guān)于智能船舶解決方案的網(wǎng)絡(luò)安保技術(shù)認(rèn)證。日本郵船集團(tuán)與挪威Dualog和NTT集團(tuán)開展了船舶物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研發(fā)試驗(yàn)。在國(guó)內(nèi),2018年,工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部、國(guó)防科工局聯(lián)合印發(fā)了《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2019—2021年)》,作為我國(guó)智能船舶領(lǐng)域的指導(dǎo)性文件,該計(jì)劃指出要重點(diǎn)突破船舶智能感知、智能航行、網(wǎng)絡(luò)通信等關(guān)鍵技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在其中可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。虞麗娟[24]等和李加林[25]研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)海漁船調(diào)度技術(shù),苑曉龍[26]研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的系泊船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所開發(fā)了用于監(jiān)測(cè)船體結(jié)構(gòu)安全的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),已應(yīng)用于“蛟龍”號(hào)和“深海勇士”號(hào)載人潛水器以及多型水面艦船等。

3 結(jié)束語(yǔ)

海洋作為蘊(yùn)含著巨大自然資源的寶庫(kù),也是國(guó)家重要的戰(zhàn)略發(fā)展空間。海洋信息化是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵一環(huán),加快建設(shè)以信息為主導(dǎo)的“智慧海洋”,可以有效提升我國(guó)開發(fā)和管控海洋的能力,是發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)海洋環(huán)境、建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的時(shí)代要求[27-28]。物聯(lián)網(wǎng)具有智能化、小型化、低成本、低功耗、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)海洋透徹感知、加快海洋信息化建設(shè)的重要技術(shù)手段之一。目前,我國(guó)的海洋物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)面臨自主產(chǎn)權(quán)的核心海洋傳感器缺乏,深遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸能力不足,信息安全等一系列問(wèn)題。構(gòu)建海洋物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵在于突破核心海洋傳感器研制,以及海洋衛(wèi)星通信網(wǎng)組建,實(shí)現(xiàn)天空、海面、海中、海底的一體化感知探測(cè)。