機動海洋網絡信息裝備發展現狀及展望

張 博，王永皎，王冬海，黃橙橙，周鎮宇

(1.中國電子科學研究院，北京 100041；2.天津大學 機械工程學院，天津 300100)

0 引言

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，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[1]。而我國要想實現跨越式發展，成為海洋強國，必須在開發利用海洋資源上占得先機，需要站在全球網絡信息體系的高度，優先發展先進的海洋網絡信息體系，研制海洋網絡信息裝備，構建海上綜合信息網絡，為海洋開發提供信息技術支撐。

海洋網絡信息裝備主要是指具有較高網絡信息化水平的信息裝備和輔助裝備，以獲取、傳輸、融合海洋基礎信息數據構建海洋信息網絡為目的，采用必要的信息感知、信息傳送以及信息融合等技術手段，在海洋實體裝備平臺上實現海洋信息的物化表達。機動海洋網絡信息裝備將海洋網絡信息技術手段應用于海洋機動信息平臺，利用機動平臺的游弋屬性及其機動、靈活、擴展性強的優勢，實現海洋區域信息的智能采集、智能傳輸、智能處理、智能服務、智能應用支撐及技術保障[2]。機動海洋網絡信息裝備與技術已成為我國搶占海洋科技發展制高點，是加快建設海洋強國的重要環節和突破口。

1 我國機動海洋信息裝備發展現狀

目前，我國已初步形成了一個從海洋信息感知、海洋數據傳送、分析預報及產品分發等海洋信息應用處理環節組成的業務化海洋網絡信息系統，促進了海洋信息裝備發展，突破了一批感知傳感器的關鍵技術，國產傳感器的性能水平基本達到業務化使用要求。

在機動海洋信息裝備平臺方面，水下機動網絡信息裝備平臺發展中，我國從開始魚雷研究，到研制民用水下航行器，實現從有纜到無纜的進步[3-4]，國內多家單位開展水下滑翔機技術研究，形成大油囊驅動型、溫差能驅動型、混合推進型以及聲學觀測型等多類型水下滑翔機品[5-6]。海面機動網絡信息裝備平臺發展中，由有人艦艇到無人艦艇再到有人和無人結合艦艇相關技術研究和裝備應用，形成多類型海面機動海洋裝備[7-8]。海空機動網絡信息裝備平臺發展中，形成以無人為主、有人為輔的海洋信息結構，在無人機、通信衛星等方面成果累累[9-12]。目前，我國科學家正在構建以海洋衛星、智能潛標、智能浮標、水下滑翔器及水下自主潛航器等機動海洋網絡信息裝備為主要觀測手段，覆蓋海底到海面的立體綜合透明觀測網絡，并已初步實現“兩洋一海”的透明海洋、智慧海洋[13]。

通過海洋信息感知、通信、觀測系統應用、裝備平臺發展，我國具備了機動海洋網絡信息裝備可持續發展的基礎，并為未來海洋網絡信息裝備創新發展奠定了基礎。但仍存在著缺少海洋信息技術與裝備工程系統發展的國家規劃、缺乏海洋信息技術與裝備工程的國家或行業技術標準、傳感器等通用技術與專用材料研發落后、缺乏技術裝備試驗或標定測試的公用平臺和公共試驗場、裝備產業化困難等問題[14]。

2 機動海洋網絡信息裝備發展重點

2.1 機動海洋網絡信息裝備體系

機動海洋網絡信息技術、機動海洋網絡信息裝備、機動海洋網絡信息平臺及系統共同構成機動海洋網絡信息裝備體系，將海洋信息技術手段物化于海洋機動網絡信息裝備，構建機動海洋網絡信息系統，利用機動海洋裝備的游弋屬性，實現海洋區域信息的快速機動獲取、傳送、處理及應用。按照機動裝備的屬性不同，機動海洋網絡信息裝備可劃分為三類：海面機動網絡信息裝備、海空機動網絡信息裝備、水下機動網絡信息裝備。機動海洋信息裝備體系示意圖如圖1所示。

圖1 機動海洋信息裝備體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of mobile marine information equipment system

2.2 海面機動網絡信息裝備

水面機動網絡信息裝備，利用海面機動信息感知技術、海面機動信息傳輸技術、海面機動信息應用處理技術以及海面機動信息綜合管控技術，形成具有感知、數據傳輸、數據處理及信息應用等能力的海面機動網絡信息裝備。水下機動網絡信息裝備在海面展現惡劣海況下水面機動性、長航時和深海布放等各種能力，是機動海洋網絡信息體系的重要組成部分。海面機動網絡信息裝備的發展重點包括水面無人艇、波浪滑翔器、海洋浮標等，隨著海面機動網絡信息裝備立體化和無人集群化發展，逐步形成由海洋機動信息平臺和海洋機動信息系統組成的海洋信息基礎設施，為機動海洋網絡信息體系的發展提供支持，在海面機動搜救、海上目標機動防護等方面起到關鍵支撐。

2.3 水下機動網絡信息裝備

水下機動網絡信息裝備是應用水下感知探測技術、水下通信技術和水下能源供給技術，形成具有水下目標探測、水下數據傳輸以及水下信息組等能力的水下機動網絡信息裝備。水下機動網絡信息裝備在海面以下可動態移動，既可以機動式巡航，也可以機動式布放，是海洋信息網絡體系的重要組成部分。水下機動網絡信息裝備的發展重點包括無人水下航行器、仿生航行器、水下滑翔機以及深海潛標等，向著水下無人集群化、網絡化方向發展，形成機動海洋信息平臺和系統，為水下重點目標防護、考古探測及水下搜救等典型應用系統提供關鍵支撐。

2.4 海空機動網絡信息裝備

海空機動網絡信息裝備是應用空天基探測技術、動力系統技術、信息傳輸和處理技術，形成具有通信、導航、感知、監測能力的在海面以上空中可動態移動的信息裝備，根據海空機動網絡信息裝備所處空間，分為部署于外大氣層空間的天基信息裝備和部署于海域上空的空基信息裝備。海空機動網絡信息裝備的發展重點包括海洋衛星和海上航空器、無人機等，海空機動裝備從單一化向立體網絡化、智能化、高速長航時化方向發展，與海面、水下海洋裝備系統共同組成機動海洋信息網絡，為海洋偵察監視、海上搜索救援、海洋環境保護、海洋資源調查與服務、海洋維權執法等典型應用系統提供裝備和技術支撐。

3 機動海洋網絡信息裝備應用前景

機動海洋網絡信息裝備自主可控，由于其具備機動、靈活、擴展性強的優勢，在復雜海域環境中，應用局限性低、人員安全性高、作業效率高，在海上搜索救援、海洋資源保護以及海洋安全防護等領域具有廣闊的市場應用前景和發展空間。

3.1 海上搜索救援

海上搜救面臨搜索面積大、水域情況復雜、天氣海況惡劣或危險品泄漏等問題，這些情況危及被救人員和施救人員的生命安全[15]。利用由水面無人機、海洋遙感衛星、水面搜救無人艇以及水下打撈ROV等機動海洋網絡信息裝備構成的海上搜索救援系統，實現海域大范圍快速掃測，全天候網狀搜索，并能針對多種遇險目標進行救助或水下救助打撈等多功能任務。海上搜索救援系統構成如圖 2所示。

圖2 海上搜索救援系統框架構成圖Fig.2 Frame composition of maritime search and rescue system

采用機動海洋網絡信息裝備可迅速對多個區域同時展開搜索，可進入大型救助船難以進入的淺灘暗礁水域及危險品現場進行搜救，適合在高海況和大深度條件下工作。

3.2 海洋資源保護

人類的生存和發展將越來越多地依賴海洋，海洋中存在大量的礦產及生物資源，人類現代海洋空間利用已發展到建造大量的人工島、海上機場、跨海橋梁、海底隧道、水下倉庫、海上工廠、海底管道以及電纜等，對海洋資源進行合理開發和保護十分重要。利用機動海洋信息裝備對海洋資源進行保護是一種有效的技術手段，利用無人艇加載三維成像聲吶、淺剖聲吶、雷達、光電以及高精度組合導航等海洋信息裝備構成的海管巡檢信息系統能夠實現海底管道快速巡檢，系統組成如圖 3所示。基于無人艇機動網絡信息平臺的海管巡檢信息系統，用于海底管道檢測，大大減小檢測施工作業的難度，提高檢測效率及精度，是有效的海底管道檢測與保護手段。

圖3 海管巡檢信息系統Fig.3 Information system of marine management inspection

3.3 海上安全防護

我國在領海區域、海上專屬經濟區乃至爭議海區逐步建設大量的油氣平臺、島礁通信設施及港口設施等海上平臺，以此來確立和維護應有的海上利益。但是這些海上平臺由于活動空間小、值守人員少、保障資源有限，經常受到水下蛙人、小型水下航行器的水下攻擊，導致設備遭到破壞，嚴重影響到海上平臺的安全運行。基于海洋通信衛星、海上無人機、水下機器人以及無人巡邏艇等機動海洋信息裝備的海洋安全防護系統如圖 4所示，針對海域小目標入侵威脅(包括水下蛙人、UUV及水下漂浮物，水面非法越界船只，水面漂浮物，以及海域上空“低、慢、小”空中目標等)進行安全監測、威脅預警、機動處置，實現海、空和水下等多維度的安全防護。

圖4 海洋安全防護系統應用示意Fig.4 Application of marine safety protection system

4 機動海洋網絡信息裝備展望

經過多年發展，我國海洋事業總體上進入了歷史上最好的發展時期，機動海洋信息裝備發展較好。機動海洋網絡信息裝備應致力于依據“聲、光、電、磁、重、熱”各自然場的原理，全面開發各類信息裝備，發展適合深遠海及其他極端環境的特種信息裝備，突出定位、精準分析，發展獨具特色的無人集群化、智能化方向的高精尖機動海洋網絡信息裝備。

4.1 無人集群化發展

機動海洋網絡信息裝備正由單一裝備向集群裝備發展，立足單體技術，拓展群體智能海洋技術裝備并實現自主協同與自主作業，成為重要應用方向。當面臨復雜的水域環境，以及越來越精密化、多樣化的任務時，多無人機動海洋信息裝備構成的集群系統具有作業范圍廣、作業效率高、魯棒性強以及靈活性高等諸多優點，形成特定任務下的集群化作業模式，采用集群技術突破單體設備的性能局限，實現應用效能的最大化，構建自主化、智能化的智能無人集群，協同完成復雜任務。將衛星集群、無人機集群、無人船集群以及無人潛航器集群等空海機動裝備合理布局與集成應用，形成的無人立體化、綜合性群體智能的海洋信息網絡體系。

4.2 智能化發展

機動海洋網絡信息裝備在經歷了機械化、自動化之后，正在迎來智能化發展的熱潮，智能化已成為我國機動海洋網絡信息裝備發展的必由之路。隨著海洋平臺、能源、通信、管控及應用等科學技術的進步，特別是云計算、物聯網、移動終端、大數據和人工智能技術的群起，建立智能化機動海洋網絡信息裝備體系將成為可能。將大數據處理、云計算及人工智能等技術引入到機動海洋網絡信息裝備研發中，研制具備智能感知、智能分析、智能決策的機動海洋網絡信息裝備，開發多種智能應用，實現智能化應用模式，提升海域感知與應用服務的智能化水平。

5 結論

本文對機動海洋網絡信息裝備體系進行了初步探討與分析，提出應以無人艇、水下航行器、海洋衛星、海上無人機等水面、水下、海空機動海洋網絡信息裝備為發展重點，并向無人集群化、智能化方向發展，推進機動海洋網絡信息裝備在海上搜索救援、海洋資源保護、海洋安全防護等領域的應用，為我國海洋網絡信息體系的建設和發展提供參考。