基于海洋物联网的快速机动组网观测技术研究

任 翀，李 楠，张立杰

（1.中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237 ）

0 引言

根据国际电信联盟的定义，物联网（IoT，Internet of Things）是通过可互操作信息技术和通信技术实现事物（物理和虚拟）相互连接从而提升服务能力的信息技术基础设施[1]。海洋物联网是物联网技术在海洋领域的应用，通过海洋数字设备互通互联，结合云计算、大数据和人工智能等实现海洋数据统一管理并提供智能化服务[2]。

海洋观测是海洋科学研究的基础，也是海洋科技竞争的重要发力点。目前，观测对象正由海洋气候尺度过程向气候与天气尺度综合观测方向发展，观测手段正由固定平台观测向固定与移动平台协同观测方向发展；观测数据由自容存储向实时/准实时采集、传输及应用方向发展[3]。面向重点海域中小尺度过程、突发事件及关键目标观探测需求，通过研制和集成多介质海洋观测装备，以无人智能移动平台为核心，构建基于海洋物联网的快速机动组网观测系统，实时/准实时地获取高分辨率的海洋环境及目标信息，可为海洋科学研究、海洋经济发展及海洋权益维护等提供支撑与保障。

1 国外发展现状

随着卫星、浮标、潜标、漂流浮标、无人潜器等海洋观测技术装备的发展，以及TAO/TRITON、Argo、OOI等民用/军民两用观测系统的建设，发达国家尤其是美国和欧洲已基本形成了对全球上层海洋大尺度（百km级）信息的实时获取能力，开发了业务化的海洋预测预报系统，可在全球海洋2 000 m水深的中尺度（百公里到十km级）范围内保障其海洋活动[4-5]。

2017年，美国国防高级研究计划局（DARPA）提出了建设海洋物联网（Ocean of Things）的计划，拟通过在百万平方公里海域内布放上万个低成本、智能化的移动观测设备，借助云平台及大数据技术，实时感知海气参数及水面、水下目标，实现全水深、高分辨率（10 km到km级）观探测，进而支撑全球海洋信息感知、预测与目标探测警戒（图 1）[6]。2018年，美国国家科学技术委员会发布了《美国国家海洋科技发展：未来十年愿景》，强调要利用全球范围内远程和原位传感器来收集海洋数据，强化海洋模型研究和产品研制，从而提高决策能力[7]。其他发达国家如日本、澳大利亚和加拿大等也在各自的海洋战略计划中对海洋信息的感知、传输和计算应用进行了重点描述。

图1 美国国防高级研究计划局（DARPA）海洋物联网概念图[6]Fig.1 Concept of DARPA’s Ocean of Things

海洋观测装备智能化、信息化已成为重要的发展方向。美国军方开发的智能AUV可长期潜伏在指定海域，当目标出现时可自动激活并实施跟踪。美国研制的智能浮标系统可自动传输信息，根据海况自动选择多能互补供电方式及工作模式。加拿大AML公司开发的Smart-X系列仪器能够自动更换传感器探头，实施智能化实时观测。美国、加拿大及欧洲已开发完成多型水面观测装备，包括低成本小型漂流浮标、波浪滑翔器及无人船等，开展了协同组网观测。俄罗斯海军研制出能将通信信息与声波相互转换的系统，将潜艇及无人潜器等联系起来，构建水下互联网，该系统已在俄罗斯多型装备上通过测试，开始列装海军[8]。

海洋信息传输正向无线宽带、宽覆盖、跨介质、网络化、全天候实时传输的方向发展。目前，主要以岸基移动通信、海上无线通信、卫星通信和水声通信等分立的通信网络实现对全球海洋的覆盖。在岸基移动通信方面，已实现对近海30 km范围的有效覆盖。挪威和我国华为联合研发了全球首个利用LTE技术实现的离岸通信网络，能够覆盖海上平台周围37 km的海域，上行速率1 Mbps、下行速率2 Mbps。在海上无线通信方面，采用中/高频和甚高频通信实现了近海和中远海域的覆盖，支持话音和窄带数据传输。国际海事卫星系统（Inmarsat）和铱星系统（Iridium）是应用最为广泛的全球海洋卫星通信系统，最新的第五代海事卫星系统已支持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术发展的瓶颈之一。目前，水下通信手段主要包括水声通信和激光通信等。2017年，韩国在 100 m水深处实现水声通信距离达到30 km，比现有技术的传输距离提高了2倍。日本在 700 m水深处完成了水下移动平台间蓝绿激光无线通信试验，通信距离超过 100 m，速率达2 Mbps。美国在实验室环境下实现了50 Mbps的水下光通信速率，利用协同降噪技术的水声通信速率可达100 kbps，微波通信速率可达21.4 Mbps，较现有装备有了较大提升[8-9]。

在海洋物联网数据处理应用方面，目前以云计算、大数据、人工智能等新兴技术作为核心，研发数据实时处理系统以及与传感器交互新方法，实现了多源、异构、超大规模的海洋环境、目标、活动和态势信息快速在线处理与融合分析。2015年，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）联合亚马逊、谷歌、IBM、微软等公司实施了“大数据计划”，旨在基于NOAA现有的海洋观测数据，利用各方技术优势建设海洋大数据服务平台[8]。

2 国内发展现状

在海洋观测装备方面，我国自主研发了浮标、潜标、海床基、漂流浮标、水下滑翔机、ROV、AUV、水下拖体、海底爬行机器人等系列化观测装备，装备种类与国外基本一致，但整体技术水平显著落后于欧美发达国家。据中国工程院报道，我国海洋观测装备技术水平落后于发达国家10～20年左右[10]。在天基观测装备方面，我国已发射7颗海洋卫星，其中5颗正常在轨运行。在海基观测装备方面，我国自主研制的万米级水下滑翔机及4 000 m级自持式剖面漂流浮标海试成功[11]。此外，无人机、无人艇、波浪滑翔器等新型观测装备逐步投入应用。在海洋观测系统方面，我国已初步形成涵盖岸基、离岸、大洋和极地的海洋观测系统框架，初步建成了业务化运行的海洋站（点）网，海啸预警观测系统，雷达、浮标、志愿船观测系统，海上平台观测系统，海洋断面调査和应急机动观测系统，建设了海域、海岛、海洋灾害和海洋生态环境等监控系统。国家海洋局、中科院及教育部等编制了区域以及全球海洋观测计划，正在实施全球海洋立体观测网、海底观测网等项目[12]。在机动组网观测方面，2017年，青岛海洋科学与技术试点国家实验室（QNLM）在南海应用30台/套自主研发的海洋观测装备，包括水下滑翔机、波浪滑翔器、剖面漂流浮标、潜标及AUV等，开展了协同组网观测，成功获取台风过程中的海洋温度、盐度和流速等信息，这是国内首次快速机动组网观测（图2）。2019年，继续在南海实施了到目前为止最大规模的无人系统组网观测，最大同时在网设备45台/套，运行 221 d，观测海域 105×104km2[11，13]。

图2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室（QNLM）南海立体组网观测体系示意图[13]Fig.2 QNLM’s observing system in South China Sea

在海洋通信技术方面，我国广泛应用的海洋通信系统主要包括海上无线短波通信、海洋卫星通信和岸基移动通信系统等。我国主要采用奈伏泰斯系统（NAVTEX，Navigational Telex）和船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）等海上无线通信系统。2016年，我国发射了首颗移动通信卫星“天通一号”，初步实现对我国领海及周边海域的覆盖。2017年发射了首颗高通量卫星“中星16”，覆盖了对我国近海300 km海域，最高支持 150 Mbps的宽带通信。2020年北斗卫星导航系统完成全球组网，可为全球用户提供短报文通信服务。虽然我国卫星通信技术有了长足发展，但目前在我国领海、远海/深海大洋和极地通信仍大量租用国际海事卫星，无法满足自主可控的需求。在水下通信与导航方面，已经取得了一定的突破，但主要集中在军事领域，尚未形成民用推广。目前，亟需建设立体覆盖、自主可控的海洋综合通信网络[14]。

在海洋信息技术方面，我国进行了有益的探索。例如，基于大数据技术，开展的海洋三维温盐流、台风路径和赤潮等预测已取得了一定的成果；通过挖掘AIS航运数据，对海洋经济运行指标监控的定量化和精准化形成补充；基于超级计算的海上综合信息应用服务系统正在建设；基于 Spark、Hadoop等框架的海洋大数据平台已初具规模。

整体上，我国海洋物联网技术仍以跟踪模仿国外先进技术为主。自研装备普遍存在精度低、稳定性及可靠性差等短板，面向组网应用的集数据采集、处理、存储、传输等功能为一体的智能传感器尚处于起步阶段。中远海及深海数据实时传输能力不足，存在海量数据传不完、敏感信息不敢传、跨介质数据穿不透等问题，通信链路尚未做到自主可控。云计算、大数据、人工智能等新技术在海洋领域的成熟应用较少，大多处于研究探索阶段，相关算法大量借鉴国外，缺乏自主创新。

受技术水平及体制机制的制约，我国海洋观测技术相对落后。近年来，海洋物联网技术的快速发展，为我国海洋观测技术原始创新和弯道超车提供了可能。发展基于海洋物联网的以无人智能移动平台为核心观测技术与装备体系，是推动我国海洋科技创新发展的良好契机。

3 基于海洋物联网的快速机动组网观测系统

随着我国加强海洋观测能力建设，海洋信息获取及目标探测能力有了较大的进步，但仍存在区域碎片化、时空分辨率低、数据传输延滞等短板，尚未形成对全球海洋环境信息的实时、立体、高分辨率、多要素同步获取能力以及水面、水下目标的高效探测能力。针对重点海域以及重大海洋环境突发事件的快速机动观测能力尤为不足，与国际海洋强国有较大差距。为快速实时获取高分辨率海洋环境及目标信息，亟需构建基于海洋物联网的快速机动组网观测系统。

面向重点海域中小尺度过程、突发事件及关键目标观探测需求，通过集成自主研发的无人机、无人艇、波浪滑翔器、剖面漂流浮标、水下滑翔机、自主潜航器（AUV）、潜标、海床基及投弃式观测装备（表 1），突破跨介质信息共享与异构信道组网传输等关键技术，形成海洋观测装备多介质自动组网技术规范，构建基于海洋物联网的海、潜、空、天、地立体快速机动组网观测系统，开展海上示范应用，实现海洋环境及目标高分辨率实时观测，融入现有军用及民用海洋环境保障系统，并开展相关应用服务。为达成上述目标，需开展系统需求分析、总体方案设计、关键技术研究、海上应用示范以及组网规范研究等工作。

表1 快速机动组网观测系统集成的观测装备Table 1 Equipment of rapid networking mobile observing system

3.1 系统需求分析

除了实施大范围海域的常态化、业务化观测，针对重点海域中小尺度过程、突发事件及关键目标，还应具备快速机动、立体化观探测能力。上述中小尺度过程包括海洋锋面、海洋涡旋等；突发事件包括台风、赤潮等海洋灾害、溢油、危险化学品泄漏、核泄漏等安全事故及交通事故等；关键目标包括利益攸关海域的水上、水下各类关键目标。这些过程、事件及目标具有难以预测、发展迅速、危害严重等特点。突发事件信息获取的时效性和准确性会影响相关部门对事态的研判，进而影响后续处置工作的开展。构建快速机动组网观测系统，实现海洋环境及目标信息的快速获取和处理，可为海洋科学研究、海洋经济发展及海洋权益维护等提供支撑与保障。

3.2 总体方案设计

基于海洋物联网的快速机动组网观测系统由信息感知层、信息传输层、信息处理层及信息应用层组成（图3）。系统具备对海表温度、盐度、波浪场、流场、海面风、温、湿、气压等环境要素以及水上、水下目标的实时同步高分辨率观测能力，具备空中、水面、水下多节点自主组网、快速接入、安全传输能力，具备多源异构观测数据融合处理、共享及服务能力。通过开展观测系统总体设计，研究确定海洋观测平台与观测载荷装备方案、组网通信方案、数据开发应用方案、系统集成测试方案、海上示范应用运行管理方案及组网技术规范等。

1）信息感知层。

以自主研发的无人机、无人艇、波浪滑翔器、水下滑翔机、AUV、剖面漂流浮标及投弃式观测装备等无人智能移动观测装备为主干观测节点，结合潜标、海床基等定点观测装备，构建快速机动海洋信息感知物联网络，实现对海洋环境及水上、水下目标的多要素、立体化、实时/准实时感知。

2）信息传输层。

通过卫星通信、无线电通信、光通信、水声通信等多种通信方式及跨介质信息共享与异构信道组网传输技术，构建基于海、潜、空、天、地的立体数据实时传输网络，实现观测节点自主快速接入组网和信息安全快速传输。

3）信息处理层。

开发快速机动组网观测系统软件，基于海洋观测装备及传输链路，研究多平台、多要素海洋环境及目标实时数据汇集技术，开展观测数据质控和标准化处理，实现全系统各类观测数据的汇集、质控及融合处理。

4）信息应用层。

针对海洋科学研究、经济建设、环境保护及国防安全等需求进行观测数据的开发应用，生成数据分析产品，提供信息分发与共享服务，并与国家海洋环境安全保障平台对接。

图3 基于海洋物联网的快速机动组网观测系统Fig.3 Rapid networking mobile observing system based on Ocean of Things

3.3 关键技术研究

开展多介质无人机动组网观测装备改进与集成、自主接入快速组网及数据安全传输以及海洋环境及目标观测数据开发应用等关键技术研究。基于自主研发的无人机、无人艇、波浪滑翔器、水下滑翔机、AUV、剖面漂流浮标、潜标、海床基及投弃式观测装备，开展快速机动组网观测适应性改进以及多介质多平台多传感器海洋观测装备集成，实现观测任务自适应，满足实时/准实时高分辨率协同观测要求。通过研究卫星通信、无线电通信、光通信、水声通信等多种通信方式及跨介质信息共享与异构信道组网传输技术，构建基于海、潜、空、天、地的立体数据实时传输网络，实现观测节点自主快速接入组网和数据安全传输，提高海洋观测信息的交互与处理能力。开展海洋环境及目标观测数据开发应用，实现全系统各类观测数据的汇集、质控、融合处理，针对海洋科学研究、经济建设及国防等需求进行观测数据的开发应用，提供数据信息分发与共享服务，并与国家海洋环境安全保障平台对接。

3.4 海上应用示范

系统集成的自主研制的观测装备包括无人机、无人艇、波浪滑翔器、水下滑翔机、AUV、剖面漂流浮标、潜标、海床基及投弃式观测装备等多种装备，观测系统建设及海上作业任务困难复杂。通过开展海上作业任务实施方案研究，制定海上作业运行试验大纲，确保系统在海上实际工作高效可靠。开展海洋环境及目标实时观测示范应用，实现全网系统各类观测数据的汇集、质控、融合处理，针对海洋科学研究、经济建设及国防等需求进行观测数据的开发应用，提供数据信息分发与共享服务，并与国家海洋环境安全保障平台对接。为实现系统的平稳运行，需对系统各节点进行运行管理，研究制定系统示范应用运行期间的设备状态反馈措施。另外，面对海上的复杂环境，需要研究制定系统维护方案，确保海洋观测数据的有效获取、处理与应用。

3.5 组网规范研究

开展多介质海洋观测装备自动组网技术规范研究，建立设备接入、自动组网、数据采集、数据传输、数据存储、数据质量控制、数据开发应用、数据分发共享等规范体系，拓展现有各型海洋观测装备数据采集传输能力，提高海洋观测信息的交互与处理能力，从而实现实时/准实时高分辨率的海洋环境及目标信息感知与利用。

4 基于海洋物联网的快速机动组网观测关键技术

4.1 快速机动组网观测装备改进与集成

以自主研发的无人机、无人艇、波浪滑翔器、水下滑翔机、AUV、剖面漂流浮标及投弃式观测装备等无人智能移动观测装备为主干观测节点，结合潜标、海床基等定点观测装备，针对快速机动组网观测要求开展适应性改进。开展多介质多平台的海洋观测装备综合集成，实现观测任务自适应，满足目标海区的实时/准实时高分辨率观测协同要求。

1）快速机动组网观测装备适应性改进。

为满足自动组网协同观测需求，基于自主研发的无人机、无人艇、波浪滑翔器、水下滑翔机、AUV、剖面漂流浮标、潜标、海床基及投弃式观测装备，针对多介质自动组网开展适应性改进，以匹配相应的数据传输接口规范，实现跨介质信息共享与异构信道组网。具体包括：

无人机：基于现有无人机装备，提升复杂海况下无人机飞行性能，开展自动投放技术研究，实现多类型载荷多点精准投放。开展基于无人机的无线通讯与控制系统集成，利用海（水上、水下平台）、空（机载平台）、天（卫星平台）等多平台智能通讯设备，构建基于空中无人移动平台的通讯网络，开展数据实时传输及远程控制试验。开展观测装备协同作业技术研究及试验，满足多介质无人平台协同组网观测需求。

无人艇、波浪滑翔器：基于自主研发的无人艇、波浪滑翔器，开展海上自主接入快速组网改进与测试，实现水面无人移动平台自主接入快速组网能力。开展基于无人艇、波浪滑翔器的无线通讯与控制系统集成，利用海、空、天等多平台智能通讯设备，构建基于水面无人移动平台的通讯网络，开展数据实时传输及远程控制试验。开展观测装备协同作业技术研究及试验，满足多介质无人平台协同组网观测需求。

水下滑翔机、AUV：基于自主研发的水下滑翔机、AUV，开展水下自主接入快速组网改进与测试，实现水下无人移动平台自主接入快速组网能力。开展基于水下滑翔机、AUV的无线通讯与控制系统集成，利用海、空、天等多平台智能通讯设备，构建基于水下无人移动平台的通讯网络，开展数据实时传输及远程控制试验。开展观测装备协同作业技术研究及试验，满足多介质无人平台协同组网观测需求。

针对剖面漂流浮标、潜标、海床基、机载投弃式观测装备（机载投弃式探空仪等）、船载投弃式观测装备（表面漂流浮标等）等观测节点，基于国内自主研发的观测装备，开展自主接入快速组网改进与测试，实现快速接入多介质无人平台协同组网自主观测能力。

2）多介质海洋观测装备综合集成。

根据海上自然环境和通信条件，针对无人观测装备的多样性、异构性特点，开展多介质、多平台、多传感器海洋环境及目标观测任务规划研究，实现观测任务自适应，满足目标海区的实时/准实时高分辨率观测需求。通过对移动观测节点的实时任务分配与优化、航行轨迹优化、轨迹偏离自动补偿、实时航位推算、观测数据实时融合处理与发布等关键技术研究，开发可实时/准实时观测的快速机动组网观测操控系统，通过卫星、无线电及水声等通信手段，实时显示观测系统主要节点的运行轨迹、观测信息及运行状态，根据任务需求采用最优控制策略，生成群组观测航路规划，自动或人工向移动观测节点发送控制指令，控制其航行与观测参数，实现观测节点与岸基操控平台间的信息双向传输。

4.2 自主接入快速组网及数据安全传输技术

面向海洋观测数据的实时性、完整性、一致性需求，针对海洋观测装备的多样性、异构性特点，通过研究卫星通信、无线电通信、光通信、水声通信等多种通信方式及跨介质信息共享与异构信道组网传输技术，构建基于海、潜、空、天、地的多介质立体数据实时传输网络，建立基于混合接入的分层网络架构和海洋观测数据统一表征模型，实现观测节点自主快速接入组网和数据安全传输，提高海洋观测信息的交互与处理能力。

1）跨介质信息共享与异构信道组网技术。

根据卫通、无线电、光通信、水声信道传输特性和跨介质信息传输需求，研究动态时分多址（DTDMA）和载波侦听多路存取（CSMA）混合接入体制，突破面向业务特征的动态网络资源调度与分配技术，实现网络资源与业务需求的高效智能匹配。研究满足信息支持与保障的拓扑控制与结构优化技术，提高路由效率，减少网络能耗，为网络信息传输提供可靠支撑。

2）基于海洋信道特性的自适应水声通信技术。

基于海上恶劣的自然环境和通信条件，分析快速机动组网观测系统对数据传输实时性、可靠性与低功耗相平衡方面的需求。针对海洋观测信息种类多、复杂度高等特点，设计面向数据高效封装和可靠传输的消息协议，制定高效的消息交换与压缩规范，研究满足观测需求的多种传输速率的多源数据处理和融合的信道选择与优化技术。建立海洋观测信息统一表征模型，构建统一的信息交换模型，用于各节点异构异类信息的分发和处理。采用频谱感知技术和单载波频域均衡体制（SC-FDE），满足系统多速率传输组网要求，对抗海上多径影响。研究低资源占用条件下的信息统一表征与处理协议技术，实现信息实时交换。建立分层分布式网络架构模型，采用自适应多速率选择技术，解决不稳定信道条件下的组网传输与应用问题。物理层采用水声正交频分复用（OFDM）高速通信技术，优化移动平台下的水声时变稀疏信道估计与宽带多普勒补偿技术。链路层采用竞争类协议，按需竞争使用无线信道，降低端到端延时和平均能耗。采用停止等待ARQ（Automatic Repeat reQuest）协议，提升水声链路的可靠性。

3）非稳定平台高精度卫星通信技术。

研究基于卡尔曼滤波的海泊动态搜星方法及动中通天线双四元数控制方法，实现非稳定平台高精度卫星通信能力，驱动天线以固定仰角绕地垂线旋转来搜寻信标所在方向。载体地速为0时，假定载体初始航向为0、横滚角和俯仰角初值也为0，可以通过加入卡尔曼滤波组合导航算法得到载体的俯仰角和横滚角，从而可以实时算出地垂线在载体系下的矢量方向和与地垂线呈固定夹角的任意矢量在载体系下的坐标，驱动天线以固定仰角绕地垂线旋转，直至天线搜索到卫星信号。

4）非稳定平台光通信技术。

针对海洋观测平台的大动态范围非稳定特性，突破通过大气信道进行光信息高速传输的技术，开展通讯信道、对准跟踪系统、收发系统、信息调制及信道编码等研究。采用宏观唯像衰减散射模型结合Monte Carlo方法模拟大气信道的传输过程，建立仿真模型。研究天气、湿度、温度、时间等因素对光通信性能的影响，分析大气信道吸收、散射、湍流以及光子技术探测过程对于通信传输速率、信道衰减以及误码率的影响，为通信系统设计提供依据。在现有航天高精度稳定转台和高精度经纬仪的基础上，开展小型化高精度对准跟踪系统研发。采用粗瞄、精瞄、通讯链路信息反馈的闭环，控制对准跟踪精度，建立稳定通讯链路。光学收发系统是无线光通讯的核心系统，包括小角度发射和接收光学系统匹配与优化、噪声抑制、发射光源等研究内容。开展非稳定平台光通信技术研究，采用强度调制方式进行信息调制，对开关键控（OOK）和脉冲位置调制（PPM）两种调制方式进行对比研究。通过采用RS、Turbo、LDPC以及 SCPPM等多种编码方法，对比研究不同纠错码的性能，降低通信误码率。

5）通信组网安全及硬件加速技术。

开展面向跨介质信息传输及组网的双向认证技术研究，针对DOS攻击、重放攻击、口令猜测攻击、盗取验证表攻击、假冒服务器攻击及假冒观测节点攻击等安全风险，设计基于 AES、RSA和消息认证码的双向口令认证协议。分析信息加密的硬件需求，采用Verilog硬件描述语言对加密算法进行设计及硬件加速优化，设计硬件加速模块，利用 ModelSim对加密算法的 Verilog设计进行仿真验证与评估，提升系统通信组网安全性。

4.3 海洋环境及目标观测数据开发应用

开展海洋环境及目标实时观测数据开发应用，实现全系统各类观测数据的汇集、质控、融合处理，针对海洋科学研究、经济建设、环境保护及国防安全等需求进行观测数据的开发应用，提供数据信息分发与共享服务，并与国家海洋环境安全保障平台对接。

1）多源观测数据汇集管理。

基于海上机动组网观测装备及传输链路，研究多平台、多要素海洋环境及目标实时数据汇集技术，在组网示范运行期间，实时收集无人艇、波浪滑翔器、水下滑翔机、剖面漂流浮标、潜标等各类固定与移动观测节点的观测数据，解析观测数据信息，建立面向多传感器的观测数据汇集模块，根据平台、数据量、要素种类、存储方式设计数据信息表结构，实现数据自动加载、存储、查询检索以及数据运行维护监控。

2）观测数据质量评估与标准化处理。

以快速机动组网观测系统海上示范应用运行为基础，以多源观测数据汇集管理为平台，开展观测数据质控和标准化处理，包括格式转换、质量控制、排重、合并和标准化处理等。制定多平台多要素数据格式，设计多平台多要素质量控制流程，开展观测数据质量检验评估，进行多平台多要素资料排重和整合，形成各要素标准化数据。

3）观测数据开发及应用示范。

针对海洋科学研究、经济建设及国防等需求，开展海洋环境及目标实时观测数据开发及示范应用。基于海上立体快速机动组网观测及数据融合处理，结合海洋气象、航空气象、海洋水文以及数值预报保障业务需求，建立实时观测信息与海洋环境保障业务系统的接入机制，为掌握海战场环境要素、目标实况以及数值预报等提供信息支持。

4）观测数据共享和发布。

根据军民海洋环境保障需求和信息安全要求，基于多种传输链路，建立数据信息交换共享机制，提供实时观测数据及延时产品的分发服务，实现军民融合、多源汇集、信息共享，并与国家海洋环境安全保障平台对接。

5 发展方向

目前，我国以城市物联网、工业物联网为代表的陆地物联网技术发展迅速。海洋物联网是认识海洋、经略海洋的重要技术制高点，但与陆地物联网相比，海洋物联网研究和应用仍存在信息感知能力差、数据传输延滞、信息服务水平低等短板。未来，需要重点突破复杂海洋环境下的智能信息感知、跨介质高速信息传输网络、基于人工智能的海洋大数据等技术方向，以满足复杂海洋环境下多平台、跨介质的信息感知、传输、处理、应用等需求。

5.1 复杂海洋环境下的智能信息感知

随着卫星遥感、空中、水面及水下海洋观测装备的发展和观测网络建设，对上层海洋的信息感知能力不断提升。但在深海及两极水域，观探测能力仍然不足。需要开展耐压结构及材料、水下能源、智能控制等关键技术攻关，研发适应深海高压、极区低温及冰下等复杂海洋环境的观探测装备。针对关键目标追踪探测需求，需研制具备快速反应、隐蔽追踪、近距探测以及跨介质复杂环境适应能力的探测装备。针对观测平台负载能力有限、驱动能力弱、水下导航定位精确度低等技术难点，需开展推进、定位导航、环境适应等关键技术攻关。在传感器方面，针对高精度、多要素、快速、低功耗、智能化观探测需求，需开展传感器敏感原理、材料、结构、工艺、平台搭载适应性、智能控制及多传感器信息融合等技术攻关，提升复杂环境适应性及信息感知智能化水平。

5.2 跨介质高速信息传输网络

突破中微子、微波光子、太赫兹等新型高速跨介质通信技术，发展基于大气波导、超视距雷达的信息中继技术，开展深海、冰下、恶劣海况等复杂环境下的实时/准实时通信技术研究，研发低成本、小型化、可大量布放的海洋物联网智能节点，构建基于海、潜、空、天、地多传感器的跨介质高速信息传输网络，支持多节点、多用户快速自主接入和网络自适应，提升海洋网络空间异构传输能力。

5.3 基于人工智能的海洋大数据

为了高效利用海量、多源、异构的海洋数据，需加强海洋智能计算科学、海洋数据科学和海洋信息科学等信息海洋学基础理论方法研究，发展人工智能、多源异构数据采集检测存储、数据清洗和质量控制、多源信息融合等技术。围绕云端协同的多源异构海量信息的智能感知、边缘计算等需求，构建微超算、移动超算和云超算等超算新生态与海洋物联网智能协同计算体系。研究支持密文检索和基于密文数据索引等的海洋大数据信息安全技术。研究设计海洋大数据与人工智能标准规范体系与开放共享平台，面向海洋科学研究、经济建设、环境保护及国防安全等应用场景提供信息服务。

6 结束语

随着我国在全球海洋科研和经贸领域地位的提升，对海洋环境及目标信息的实时高分辨率获取能力、预测预报能力、信息服务能力的需求日益迫切。在军事领域，建设海洋物联网是海洋军事保障的重要发展方向，将海洋观测技术与军事应用相结合是我国未来军民融合的重要任务。目前，我国物联网技术发展迅速，但海洋物联网研究与应用在信息感知、数据传输、服务水平等方面仍存在诸多短板。聚焦我国重大战略需求，构建基于海洋物联网的海、潜、空、天、地立体快速机动组网观测系统，保障海洋环境及目标信息高效安全感知、传输、处理与应用，进而推动海洋观测技术、装备和产业的发展，对于加快海洋强国建设具有重要意义。