海洋網絡信息體系的基礎設施研究

王永皎，王冬海，張 博，商志剛，周鎮宇

(中國電子科學研究院，北京 100041)

0 引言

隨著人類對海洋開發利用的不斷深入和綜合管控的逐步加強，海洋已不是傳統意義上海島、海岸線和海洋的簡單空間組合，而是由海洋環境、海上裝備以及人類活動等多種元素綜合作用構成的復雜巨系統。海洋是“數字化”綜合體，具有立體化、網絡化、持續化和智能化的特點[1]。海洋每時每刻都在變化，由于海洋信息基礎設施的發展和應用，產生涵蓋了海底地形、海洋遙感、船測、水文及模式同化等諸多類型的海量數據，這些數據均可供技術人員研究和探索。

目前，前人普遍只是對海洋信息技術和一些關鍵海洋信息裝備的發展與方向進行總結和分析[2]；或從單項信息技術和裝備的角度進行分析，提出海洋信息工程裝備概念[3]；或者詳細描述了網絡信息體系的頂層架構設計與總體建設能力，對海洋信息網絡進行設計及分析[4-6]。但都沒有全面描述海洋網絡信息集成實施的概念和組成，以及對應的服務和應用等的總結研究。

本文從海洋信息網絡[7]的角度對海洋網絡信息基礎設施的概念和組成進行了分析，描述了海洋網絡信息基礎設施對海洋信息網絡體系中支撐作用，提出依靠海洋信息技術和海洋信息裝備，按照“節點+連接”構建海洋網絡信息基礎設施，結合多種典型應用，構建“物理分布、邏輯一體”的海洋信息網絡體系，展望了海洋網絡信息基礎設施未來發展趨勢。

1 海洋網絡信息基礎設施概念與組成

依據目前信息基礎設施建設發展[7]，依靠海洋信息技術和海洋信息裝備的發展，構建的海洋網絡信息基礎設施[8]核心由具備平臺、能源、管控及保障等功能的海上信息節點和具備感知、連接、計算、存儲、交換等功能的網絡連接而成。海洋網絡信息基礎設施具備智能信息感知、智能信息傳輸、業務應用、智能融合應用、綜合管控及體系保障等能力。構建以固定海洋信息裝備與機動海洋信息裝備相結合的海洋網絡信息基礎設施新模式，創建新型的海洋網絡信息基礎設施智慧應用，可以全面提升海洋工程基礎設施建設水平，把海洋網絡信息基礎設施打造成未來海洋經濟發展的新引擎，助力海洋網絡體系發展[8-9]。

以岸基信息節點、島礁信息節點、浮動信息節點、水下探測信息節點為核心節點的固定海洋網絡信息基礎設施，與以水下集群節點、水面集群節點、海空集群節點、天基通信衛星為核心節點的海洋機動信息基礎設施相結合，綜合海洋信息感知、傳輸、應用、管控等信息網絡技術，形成海洋網絡信息基礎設施，如圖1所示。

圖1 海洋網絡信息基礎設施示意圖Fig.1 Schematic diagram of marine network information infrastructure

應用“感知、傳送、應用、管控、能源、平臺”等海洋信息技術和“固定、機動”海洋信息裝備聯合構成海洋網絡信息基礎設施，形成“天、空、岸、海、潛”網絡化的“數字海洋”網絡信息體系。依托多種類海洋數據通信衛星，建立海洋衛星通信信息網絡；以有人機、無人機、飛艇等各類海上移動平臺為通信節點，采用移動自組網方式，形成局域性空中寬帶自組網絡；依托現有長波、短波、超短波及岸海電臺站等技術，建設海洋數據水面通信網絡；以岸站為核心節點、水下固定式傳感器為分支節點，建立水下通信網絡。海洋網絡信息基礎設施與海洋信息裝備及技術的關系二維示意圖，如圖2所示。

圖2 海洋網絡信息基礎設施的構建Fig.2 Construction of marine network information infrastructure

2 海洋網絡信息基礎設施支撐海洋網絡信息體系

21世紀是海洋的世紀，我國當前海洋事業已進入發展加速期，通過在海上柵格化[10]部署固定和機動的物理信息節點分布，網絡為邏輯紐帶，建立立體化、網絡化的多類型應用，共同構建海洋立體信息網絡體系[11-12]。海洋網絡信息體系的建設和應用，正處在逐步發展和迭代的過程中，以海洋網絡信息基礎設施為節點核心，信息網絡為邏輯紐帶的海洋信息網絡體系如圖3所示。

圖3 海洋網絡信息基礎設施支撐海洋網信體系Fig.3 Marine network information infrastructure supports marine network information system

海洋網絡信息基礎設施服務于國家海洋強國戰略，服務于海洋信息組網服務體系。隨著海洋網絡信息基礎設施的網絡化發展，“立體網絡化、無人化、智能化”的海洋綜合信息網絡體系在海上搜索救援、海洋資源保護、海洋安全防護、海洋信息服務等領域得到初步探索和應用。

3 海洋信息網絡技術與裝備

3.1 海洋信息技術

作為海洋網絡信息基礎設施的核心組成，海洋信息技術涉及的內涵豐富，包括對海洋資源環境和態勢的信息感知、網絡通信傳輸、數據計算與融合處理、信息產品挖掘和應用服務等[13]。從海洋網絡信息技術角度講，海洋信息技術由感知、傳送、應用處理、管控、能源及平臺等信息技術組成，如圖4所示。

圖4 海洋信息技術組成Fig.4 Composition of Marine Information Technology

海洋信息感知技術利用聲光電磁等領域技術實現海洋目標探測、海洋環境采集、公共信息處理等目標。海洋信息傳送技術包括通信組網、無線通信以及有線通信三方面。海洋信息應用處理技術包括數據分類處理、數據融合、公網數據信息處理、信息服務、海洋大數據以及信息挖掘等技術。海洋信息綜合管控技術包括綜合監視、綜合控制以及綜合管理等技術。海洋信息能源技術包括太陽能、潮汐能、風能等再生能源，以及電池及其他儲能裝置。海洋信息平臺技術分為固定海洋信息平臺和機動海洋信息平臺及固定和機動結合的海洋信息平臺。

隨著海洋信息技術的不斷進步，海洋數字化信息網絡將遍布全球，并賦予海洋信息全球化的真正內涵，全球海洋信息將在區域概念上實現真正的互連互通。

3.2 海洋信息裝備

海洋信息裝備主要是指海洋信息感知、傳送、處理、存儲、應用、管控、服務、保障的信息裝備和輔助裝備，科技含量高，具有高投入、高附加值、高風險的特點，是海洋安全的基石，產業輻射能力強，對國民經濟帶動作用大。以獲取海洋基礎信息數據為目的，采用必要的信息感知、信息傳送、信息融合等技術手段，在海洋實體平臺上實現海洋信息的物化表達。海洋信息裝備在海洋資源開發利用、海上搜索救援、海洋環境保護、海洋安全等方面起到很好的信息支撐保障作用。按照信息獲取手段、海洋裝備屬性，可以進行不同標準的分類，預計海洋裝備的動態特性，海洋信息裝備可以分為固定裝備和機動裝備，如圖5所示。

圖5 海洋信息裝備分類Fig.5 Classification of marine information equipment

海洋信息裝備將海洋信息的技術物化在海洋裝備，具有空間、能源、通信的高保障優勢。按照裝備功能劃分，固定海洋信息裝備分為海洋信息感知、海洋目標探測及海洋能源裝備等。機動海洋信息裝備將海洋信息技術手段物化于海洋機動信息平臺，利用機動平臺的游弋屬性，具有機動、靈活、擴展性強的優勢。

4 海洋網絡信息基礎設施綜合服務與應用

4.1 綜合服務

海洋網絡信息基礎設施重點向4類用戶提供海洋綜合信息網絡服務[14-15]：① 海域用戶組網信息服務，為海域作業的各類用戶提供海域綜合信息網絡服務；② 島礁用戶組網信息服務，對重點島礁周邊進行全時監控，為島礁用戶提供綜合信息網絡服務；③ 港口用戶組網信息服務，為港口用戶提供港口綜合信息網絡服務；④ 特殊用戶組網信息服務，為海上維權執法、海上應急救援、海洋資源開發等特殊用戶需求提供專用信息網絡服務。海洋網絡信息基礎設施的海洋綜合信息網絡服務包括海洋信息服務、海洋通信服務、海洋信息裝備租用服務、海上能源保障服務和海洋工程保障服務五部分。

4.2 綜合應用

我國的海洋信息網絡全方位發展，在數據信息安全使用的基礎上，構建包含共用態勢圖、供需會商、事件報告全流程的海上信息融合共享平臺，在海洋信息服務系統和海洋信息基礎數據產品等方面得到綜合應用。

4.2.1 海洋網絡信息服務系統

作為海上信息門戶，依托海洋網絡信息基礎設施，建立海洋信息服務系統，匯集主要海上信息網站入口(安全事件、船舶資料以及論壇等)，為國家各部門交流提供支撐。管理和應用海洋信息資源，協調海洋信息化業務工作，為海洋經濟、海洋管理、公益服務和海洋安全提供海洋信息的業務保障、技術支撐與服務。海洋信息服務系統具備“管理—儲存—服務”三級結構的數據管理與共享服務的業務化運行能力，提供國家海洋研究急需的數據服務，為科學研究及其各有關管理部門提供各種所需的信息服務。

4.2.2 海洋網絡信息基礎數據產品

建立形式多樣的海洋信息基礎數據產品，實現海洋數據的可視化展示，方便用戶全方位了解海洋數據[16]。整合海洋水文、氣象、生物、化學、地球物理、海底地形、島礁形態等實測數據，推出海洋環境統計分析、實況分析和再分析等各類海洋數據產品。海洋數據產品包括態勢產品、情報產品和遙感產品等。態勢產品側重于環境的動態整體態勢整合能力，以安全大數據為基礎，具備從全局視角提升對安全威脅的發現識別、理解分析以及響應處置能力，同時可提供具有順延性預測能力。情報產品側重于海上安全情報工作，可為用戶提供海上多源情報獲取、解析、評價、聚合、發布、展現、統計、查詢、關聯告警以及協同對接等情報應用管理功能，構建基于情報的內部安全通報機制。遙感產品側重對降雨、大氣參數、溫度和發射率等數據進行融合處理的同時，關注數據產品的精度和實用結果反饋，形成提供高精度數據-用戶反饋-提高數據精度的良性循環，具體案例如圖6所示。

(a) 船只跟蹤

5 結束語

隨著先進的網絡和信息技術發展，海洋網絡信息基礎設施向無人化、網絡化、立體化方向發展，形成縱向“立體化”、橫向“網絡化”、全域“無人化”的發展模式。縱向上從高空衛星通信、低空飛機目標探測、水面艦艇集群目標偵測、水下無人航行器集群、海底機動設備陣列，形成空、天、海、潛多源異構的立體化發展；橫向上以機動信息網絡為代表，形成實時連續的數字化跨學科信息裝備發展；全域上以海空無人機集群、海面無人艦艇集群、水下智能魚群為代表，形成多模態立體無人化群體智能發展。海洋網絡信息基礎設施的物理節點系統化布局，信息網絡的邏輯一體化綜合連接，促進了海洋信息網絡體系的發展。