智慧海洋技术研究综述

张雪薇，韩震，2，周玮辰，吴义生

(1.上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306；2.上海河口海洋测绘工程技术研究中心，上海 201306)

0 引言

海洋科学主要研究海洋中的物理、化学、生物和地质过程的性质、相互影响和变化规律，以及面向海洋资源开发利用的应用技术，为人类认识海洋世界提供了多源、多尺度时空信息的有效手段，并由此产生了定量的新的科学知识。随着科技的日益发展，许多新兴的科学技术渗透到海洋科学领域的发展中，智慧海洋概念孕育而生。智慧海洋[1]是指以信息化和工业化融合[2]建设海洋的系统工程，是海洋信息化的发展，信息与物理融合的海洋智能化技术革新。智慧海洋在海洋大数据的基础上，利用物联网，结合海洋云平台，利用人工智能来实现海洋战略发展中的智能化处理，利用区块链来降低成本适应海洋领域的发展趋势。智慧海洋的核心基础是海洋综合感知网，智慧海洋的联通纽带是海洋信息通信网，智慧海洋的神经中枢是海洋大数据云平台，智慧海洋核心价值的体现[3-4]是海洋信息智能化应用服务群[5]。本文通过分析海洋大数据、云计算、物联网、区块链和人工智能技术的发展过程，探究了智慧海洋大数据技术研究方法，并提出了智慧海洋未来的技术发展展望。

1 智慧海洋技术的发展过程

智慧海洋技术主要包括大数据、云计算、物联网、区块链和人工智能。大数据是基础，云计算是平台，物联网是支撑，三者是智慧海洋的使能技术；区块链是保障，是智慧海洋的平台技术；人工智能是智慧海洋场景应用的技术支持(图1)。

图1 智慧海洋技术组成结构

1.1 使能技术

大数据是一种和传统数据模式相比具有在获取、存储等方面有绝对优势的数据集合，具有数据规模大、数据流转快、数据类型多样化和数据价值密度低等特征。20世纪90年代到21世纪初是数据挖掘技术阶段，是大数据的萌芽期。2003—2006年是大数据发展的突破期，社交网络的流行使得大量非结构化数据出现。2006—2009年，大数据形成并行计算和分布式系统，为大数据发展的成熟期。2014年，美国白宫发布了全球“大数据”白皮书的研究报告《大数据：抓住机遇，守护价值》[6]。

作为智慧海洋的推动力，大数据[7-8]为云计算提供了大量的资源。2006年，云计算在搜索引擎大会上被正式提出[9]，标志着一个具有超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性等特点的技术的诞生。2008年，微软公布了Windows Azure平台[10]，雅虎、惠普宣布了联合研究计划，推出了云计算研究实验床，Google推出了Google App Engine[11-12]。2010年，Novell与CSA共同宣布“可信任云计算计划”，同年，Racksper、AMD等厂商共同宣布开放源代码计划。2018年，AWS和VMware 2家公司宣布，VMware正式部署AWS的云服务，AWS允许客户订购与其云服务相同的硬件，通过AWS Outposts服务在其数据中心运行。云计算框架分SOA体系、管理中间体系、资源虚拟化和物理资源4个部分。云计算的分布式存储[13]可以进行大数据的管理，虚拟化[14]可以实现各个资源的有效化自动分配。

物联网是将具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术有效地连接在一起，不受时间、地点的限制，实时采集监测和互联网来实现物与物之间的关联[15]。在智慧海洋中，物联网[16]起着至关重要的作用。1999年，Kevin Ashton 第一次提出把REID技术和传感器相结合形成一个“物联网”，物联网的概念被首次提出。2018年，谷歌发布了物联网操作系统(Android Things 1.0)。Android Things可以让开发者大规模构建和维护物联网设备，且可以帮助开发者将物联网设备从原型设计推进到商品化(图2)。

图2 使能技术、平台技术和场景应用技术发展过程

1.2 平台技术

区块链是智慧海洋的保障，是智慧海洋的平台技术。区块链通过计算数学哈希函数来达成稳定的共识，通过工作量证明排出额外的熵，从而实现低熵的共识状态，具有不可抵赖、不可篡改等的特点。区块链发展主要经过了3个时期。2009年，Satoshi Nakamoto建立了一个开放源代码项目，并制作了比特币世界的第1个区块“创世区块”，正式宣告了比特币[17-18]的诞生，自此区块链技术发展进入1.0时代。2013年，Vitalik Buterin发布了以太坊初版白皮书，标志着区块链技术发展进入2.0时代[19]。2017年，摩根大通、芝加哥交易所、微软、英特尔等全球20多家顶级金融机构与科技公司共同成立了以太坊联盟，企业能够更加容易地使用以太坊区块链代码，降低了企业成本。同年，资产数字化平台资产链(acchain)分别在美国、英国、柬埔寨和中国全球ICO(initial coin offering)开启，标志着区块链3.0时代的到来[20]。2018年，天空链(skycoin)的底层链生态正式发布(图2)。区块链可以使得货币变得稳定，通过建立绿色环保的区块链，结合人工智能，运用身份认证来实现可靠的信用管理。区块链作为智慧海洋的组成部分，在海洋的数据和产品交易方面体现出了巨大的价值性。

1.3 场景应用技术

人工智能[21-22]是智慧海洋场景应用的技术支持。人工智能以智能形成为基本机理，通过研究自动机来实现对人类思维的模拟。1956年,达特思茅会议[23]开启了人工智能的时代。20世纪60年代神经网络perceptron(感知机)[24]的到来使人工智能进入了第一个高潮时期。20世纪80年代进入了第2个黄金时代，第5代计算机的开发、循环神经网络[25]的出现和CYC(大百科全书)[26]等技术随之兴起。20世纪90年代末，“深蓝”战胜国际象棋冠军标志着人工智能进入了快速发展的时期。2010年，IBM开发了人工智能程序watson。2011年苹果Siri[27]和2016年第4代AlphaGo[28]更是在与人类的围棋博弈中大展风采。2019年，IBM 发布全球首个独立商用量子计算机(图2)。

2 智慧海洋技术的研究

2.1 使能技术

海洋使能技术分为通用技术、应用技术2个层次(图3)。大数据技术、云计算技术和物联网技术是使能技术的通用技术。大数据技术是建设智慧海洋的灵魂[29]，也是海洋智慧大数据的根本。海洋云计算是智慧海洋的神经中枢，其通过对海洋行业信息基础设施的建设，以及多种海洋数据资料的交互融合和智慧挖掘，提供海洋存储计算资源、数据资源和应用资源等支撑服务。海洋空间基准网、海洋导航网和海洋环境观测网三网联合形成了海洋物联网。其应用技术包括海洋要素可视化技术、海洋现象模拟技术和海洋模型计算技术。

图3 使能技术、平台技术和场景应用技术的框架

海洋大数据技术应用对象主要是海洋自然科学大数据和海洋社会科学大数据。海洋自然大数据是对海洋自然环境进行监测以及模拟而得到的数据，包括海洋实测数据、海洋遥感数据、海洋模式数据。海洋社会科学大数据则分为海洋战略数据、海洋经济数据、海洋文化数据3类。海洋云计算技术包括IaaS(云资源环境)、PaaS(云平台环境)和SaaS(云服务)。IaaS作用是硬件资源服务，PaaS是管理软件服务，SaaS是应用软件服务，其引擎包括可视化引擎、数据引擎、计算引擎以及资源引擎4个部分，云计算平台直接对外开放应用服务接口，由云端自主去形成解决方案和行业应用。基于云计算[30]，许多机构开发了基于海面、水体、海底、海洋重力和磁力等多元化信息集成的海洋地理信息服务平台[31-32]、一体化架构服务平台[33]和其他海洋应用系统平台(如基于云计算的船舶结构物靠泊损伤预防系统平台)[34]。海洋物联网技术包括射频识别技术、无线传感技术、智能嵌入技术和纳米技术。许多部门通过使能技术建立了以海洋地理信息系统[35]为平台的海洋时空大数据仓库，在数据仓库中，运用多环境模态建立深度学习模型，进而构建多层次的实时决策预警系统。例如，“港珠澳大桥岛遂工程海洋环境预报保障系统”利用海洋时空大数据和云计算服务平台技术，为港珠澳大桥的顺利完工提供了准确的海洋环境预报的保障。北京航天泰坦科技股份有限公司[36]结合海洋物联网、海洋大数据[37]以及海洋云计算，将海洋综合资源、海洋装备与智能新技术相结合来实现海洋的经济发展、生态保护以及减灾防灾等方面的技术支持和服务保障，从而加强在海量数据共享、知识分析与决策等技术领域的应用。2019年，蚂蚁金服的数据库Ocean-Base[38]打破了数据库基准性能测试的记录。美国NOAA计划在2023年推出WoF系统(Warn-on-Forecast)，为美国及其近海域提供精细化的天气预报和灾害系统[39]。

2.2 平台技术

区块链[40]的头部有区块号、时间戳、随机数等组成部分，在区块体中，则有交易信息。其采用选举类共识、证明类共识、联盟类共识、随机类共识和混合类共识等共识机制来进行数据广播，从而保障数据的安全性。在海洋区块链对应的海洋平台技术的框架中，海洋平台技术分为通用技术、应用技术2个层次(图3)。通用技术包括密码学、共识机制和智能合约3类技术，并在此基础上建立去中心化的海洋数据和海洋产品的交易模式，从而更快捷地完成交易，具有可靠性、稳定性、效率性和互联性特点。传统的海洋数据和海洋产品交易模式中，存在着交易不安全、责任难以追查、交易用户之间个人隐私泄露等问题；而海洋区块链所建立的信任机制通过比特币[41-42]来实现用户的隐私权的保护，利用公钥加密和数字签名来保障海洋各个交易之间的安全性和不可篡改性，使得获得的海洋交易产品信息和海洋交易数据不可篡改、无法伪造从而保障自主交易。例如，2018年，英国海事船社Lloyd’s Register宣布已开发出了一种区块链平台，旨在提高船舶注册效率[43-44]。荷兰公司Waste2Wear 2019年在巴黎举行的国际纺织品博览会Premiere Vision上展示了世界上第一批使用区块链技术完全可追溯的回收海洋塑料面料，通过实施区块链技术，为回收纺织品的供应链带来更多的透明度。

2.3 场景应用技术

海洋大数据多为非结构或半结构化数据，数据之间关系复杂或无关联。在智慧海洋中，人工智能技术作为其核心技术支撑海洋场景应用服务，如海洋遥感图像检索、海洋场景分类、海洋水下目标的识别以及海洋数据预测等[45]。海洋场景应用技术分为通用技术、应用技术2个层次(图3)。通用技术包括符号模拟、计算智能、机器学习和机器感知4种基本技术[46]。在符号模拟中，包含图搜索、自动推理、符号学习等方面；计算智能中包含神经计算、进化计算、免疫计算等方面；机器学习[47]中包含归纳学习、模式学习、统计学习、深度学习[48-49]等方面；机器感知则包含计算机视觉、语音识别、自然语言处理[50]、图像识别等方面。其应用技术包括海洋要素可视化技术[51-52]、海洋现象模拟技术[53]和海洋模型计算技术[54]，应用在海洋涡流[55-56]、海冰[57]和碳汇量[58]等研究领域中。人工智能技术以数据为驱动，如人工智能中的深度学习可以采集大量的海洋大数据样本，不断地提高学习效率来提取数据中的信息来挖掘数据之间的关联，从而提高数据处理效率和精度。又如英国自然环境研究理事会通过大数据技术和人工智能技术，构建一个全方位的船舶自动监测网络[59]。英国皇家海军与英国国家海洋学中心利用海洋人工智能技术提升反潜任务舰艇上的无人潜航器的能力。Ducournau等[60]提出一种基于深度学习的图像超分辨率模型与复杂的卷积神经网络的方法，对海量的海表面温度(SST)数据[61-62]进行研究，评估用于海洋遥感数据的深度学习体系的效率与相关性。结果表明，经过特殊训练的海洋卫星遥感数据的深度学习模型能支持重建高分辨率海洋表面温度场。中集蓝海洋科技有限公司利用“长鲸一号”，通过智慧海洋技术实现了实时反馈海洋水文信息、监测数据，在饲养方面实现了自动化作业，可以自动投饵、清洗渔网、提升网衣等。

3 结束语

海洋信息体系建设中海洋数据日趋庞大、海洋数据处理的传统模式无法满足相关部门的业务化需求，以及海洋数据和产品的安全性和隐私性等问题已影响了我国海洋强国建设的步伐。发展海洋人工智能和海洋区块链，结合海洋物联网，推进海洋云计算平台来实现海洋大数据的可视化和数据挖掘，实现从技术层面到业务化应用层面质的提升，从而使得海洋信息和产品交互模式更加平民化，实现智慧海洋价值势在必行。

海洋遥感信息包含海洋大数据(海洋水文、海洋生态、海洋物理等方面的自然数据和与海洋相关的社会数据)，利用云计算可以实现处理海洋遥感信息的自动化，利用海洋遥感信息物联网平台来构成智慧海洋建设中的基础底层技术；利用区块链技术的去中心化来实现海洋遥感信息处理的智能化。

结合智慧海洋的发展要求，在未来的海洋技术体系建设中，加强海洋遥感信息共享和相关产业结合；集合国家现有的海洋观测、监测和资源调查等资料，来加强获取海洋的全要素实时遥感信息。利用多种通信手段来实现未来覆盖全球海洋的通信能力以及遥感信息的传递与交换服务。建设海洋大数据资源体系，构建云平台，加快发展使能技术，提高海洋遥感数据处理分析能力，建设多层次、一体化的海洋遥感信息安全管理体系，是遥感信息在智慧海洋建设中的发展趋势。

目前智慧海洋技术虽逐步完善，但为更深层更广泛的应用，还需开展大量的工作。如海洋大数据的可视化技术和分析技术，海洋云计算的多核分布式计算，海洋物联网的由不同对象与服务以动态网络的形式构成的无系统构架，解决通信、计算、导航、感知等问题，海洋区块链从货币出发逐步向资产端管理、存证领域、海洋信息共享的扩散机制，海洋人工智能从弱人工智能向强人工智能的转变，在强人工智能理念下的人类认知海洋的脑科学等。随着智慧海洋技术的发展，未来各类海洋技术将不断挖掘出新的需求，创造新的价值，实现海洋空间认知的新跨越，推动智慧地球科学的发展。