物联网在海洋相关领域研究与应用进展

路晓磊,陈默

(1.国家海洋局北海海洋技术保障中心 青岛 266033;2.哈尔滨工程大学水声工程学院 哈尔滨 150001)

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,是信息领域的热点研究问题之一[1]。物联网技术在智能物流、智能家居、智能交通、车联网、智能电网、工业监控、环境保护、公共安全等领域发展迅速,如小米集团将人工智能物联网作为核心战略,在智能家居领域发布了智能音箱、智能照明、智能门锁等多款设备;京东将依托5G、人工智能、物联网等技术建设国内首个智能物流示范园区;国家电网在“三型两网”建设中将泛在电力物联网作为一项重要内容。在海洋相关领域,物联网作为一种前沿技术尚处于研究起步阶段,未来将有极大的发展空间[2]。本研究对物联网技术进行了概述,探讨它在海洋观测、海岛生态监测、海洋牧场监测、智能船舶等领域的应用和研究进展,以期进一步促进物联网在我国海洋信息化中的研究发展。

1 物联网技术概述

1.1 物联网概念的起源

物联网的理念最早出现在比尔·盖茨1995年出版的《未来之路》一书中。1999年,美国麻省理工学院自动识别中心提出了网络无线射频识别系统,核心思想是将射频识别等信息传感设备植入物品中,并将其联入互联网,从而实现物品的智能化识别和管理。2005年,国际电信联盟在突尼斯举行的信息社会世界峰会上发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,对物联网的概念进行了正式定义,并介绍了物联网的特征、关键技术、面临的挑战和未来前景等。物联网是将传感器技术与互联网技术相结合,利用智能传感器将互联网用户终端延伸到任何需要实时管理的物品,实现人与人、人与物、物与物在任何时间、任何地点的互联[3]。

1.2 物联网的基本特征与体系架构

物联网具有全面感知、可靠传送和智能处理3个基本特征[4]。其中,全面感知是指利用各种传感器的感知、捕获技术对物体进行信息采集和获取;可靠传送是指利用各种通信技术将采集的信息进行可靠的交互和共享;智能处理是指利用各种智能计算技术,对海量的感知信息和数据进行处理分析,实现物品的智能化管理。物联网的体系架构一般可以简易分为感知层、网络层和应用层3个层次,分别对应了它的3个基本特征。

1.3 物联网的发展现状

自2005年物联网的概念被正式提出以来,物联网技术得到快速发展,世界各国纷纷布局物联网产业,物联网逐渐成为各国综合国力竞争的重要因素。美国、欧盟、日本、韩国等都将物联网作为一项国家战略大力发展,都出台了一系列政策措施和研究计划。美国作为物联网概念的提出者和推动者,在物联网发展方面处于领先地位。2009年,美国提出“智慧地球”战略,并上升为国家战略。“智慧地球”战略是将IT技术充分运用到社会生产各个领域,将传感器嵌入地球各个角落的基础设施和设备中,利用物联网实现智能管理。欧盟在2009年提出《欧盟物联网行动计划》,各国也纷纷启动各自的研发计划。例如,芬兰联合国内8所大学和16家公司于2012年启动了为期4年、投资5 000多万欧元的物联网研究计划[5]。日本和韩国也分别推出了“i-Japan”“u-Korea”等战略,推动物联网的研究与应用。

我国是较早进行物联网研究和应用的国家之一,《2010年政府工作报告》提出“加快物联网的研发应用”,物联网的研究应用上升为国家战略,开启了我国的物联网元年。此后,在“十二五”“十三五”规划中物联网作为一项战略性新兴产业持续发展和推进。与世界先进国家比较,在国家战略层面基本相同,在技术层面,我国在关键电子元器件、电子芯片、半导体、专用仪器设备等感知层技术方面仍有较大差距,在网络层、应用层方面相差不大,有些技术如5G通信等甚至处于“领跑”地位。

2 在海洋相关领域的研究与应用进展

物联网技术快速发展和日益成熟,已逐渐应用于多个海洋领域。下面仅从海洋观测、海岛生态监测、海洋牧场监测和智能船舶4个方面分析物联网的应用和研究进展。

2.1 海洋观测领域

海洋在调节全球大气环流和气候变化中起着很重要的作用,海洋观测数据的准确实时获取对于海洋科学研究、环境预报和防灾减灾等具有重要意义。海洋观测手段主要包括利用调查船和潜浮标等开展的海基观测,利用卫星遥感和航空观测等开展的天基观测,以及利用水下传感器、海底光纤等组成的海底观测网。在海洋观测领域,现代海洋观测技术正朝着综合化、立体化、实时化、网络化、智能化的方向发展[6-8],利用物联网、大数据、人工智能等技术建立海洋环境立体观测体系是海洋领域的一个热点研究方向。

美国、欧盟、澳大利亚等海洋强国都将海洋信息的智能感知、获取、传输、应用列为重点发展方向。美国国防部高级研究计划局(DARPA)主导了美国“海洋物联网”项目,通过在海洋中部署成千上万个小型的、低成本的智能漂浮体建立分布式传感器网络,每个智能漂浮体内搭载相关传感器,可收集位置信息和海洋温度、盐度、海流等环境信息,甚至舰船、飞机和海洋生物的活动信息。这些信息通过卫星发送至云端存储和实时分析,可以获得广阔海域的持续态势感知能力。此外,澳大利亚海洋科学研究所(AIMS)、北约海事研究和实验中心等机构也利用物联网技术开展了相关研究。

我国正在开展的“透明海洋”工程和海底观测网系统都离不开物联网技术。2013年,青岛海洋科学与技术试点国家实验室提出了“透明海洋”工程并于2014年全面实施。“透明海洋”是指利用现代海洋观测探测技术、通信技术和预测预报技术,在天空、海面、海中、海底布放智能观测探测系统,构建面向全球海洋环境和目标感知的海洋物联网体系,实时获取综合海洋环境信息,可以解决全球气候变化、海洋态势感知等重大科学问题[9]。在国家“863”计划等支持下,我国已分别在东海和南海建设了海底观测网试验系统[10]。随着物联网等技术的发展,未来有望利用统一、通用的数据和接口标准将海底观测网与卫星遥感、水中无人航行器、各个观测站点、各类潜浮标等进行协同工作,形成覆盖近海、大洋和两极的层次化、综合化与智能化的“天-地-海”一体化立体观测网络。

2.2 海岛生态监测领域

海岛是自然资源的重要组成部分,在海洋经济、科学研究、领海基点、国防建设等方面具有重要作用。根据《中国海域海岛标准名录》显示,我国目前总计有约11 000多个海岛,其中无居民海岛占海岛总数的96%[11]。目前海岛的开发和利用状况不容乐观,部分无居民海岛长期存在无序和无度开发的情况,而大部分无居民海岛由于自然环境、地理位置、经济效益等因素处于闲置状态。随着国家和地方对海洋经济发展的重视,部分条件适宜的无居民海岛将被更多开发利用。然而海岛远离大陆,气候恶劣,土壤贫瘠,生态系统相对简单脆弱,容易受到破坏[12-14]。因此,对海岛特别是人类无法轻易到达的岛屿的生态环境进行长期监测非常有必要。

传统的人工定点监测效率低下,成本较高,无法长期实时监测。物联网技术可以有效地解决上述问题,通过在海岛上部署智能监测设备,如气象传感器(温度、湿度、降水、风速、风向等)、水文传感器(海水温度、盐度、海流、潮汐等)、水质传感器(叶绿素、p H值、溶解氧等)、植被传感器、土壤传感器、视频监控系统等,采集海岛的各类环境数据并存储在岛内控制中心,岛内控制中心再将数据传输到陆上控制中心,实现对海岛生态环境的长期智能监测。海岛物联网生态监测特别是无居民海岛生态监测的难点在于解决岛上供电和网络通信的保障问题。

在国际上,牛津大学的研究人员利用物联网传感器对Skomer岛进行了长期监测,以研究其气候变化;德国的亚琛工业大学研究人员通过物联网技术对Rat Mote岛鼠类的生活环境和行为方式进行了监测。在国内,常立侠等[15]对海岛生态物联网的概念及模型进行了详细阐述,吴文周等[16]针对远海岛礁生态环境监测与保护无法满足环境要素实时监测和智能处理的需求,研究了远海岛礁地理环境实时监测系统,崔振东等[17]针对近海、潮间带、海岛、临海陆地环境和生态的监测和评价相关需求,提出了层次型的海-岛感知物联网系统架构。中山大学开展了广东三角岛生态建设和生态物联网监测项目,通过对三角岛生态修复过程中生态要素的监测与预警,建立海岛生态物联网数据系统。三角岛生态物联网的有效建立,对于物联网在海岛生态监测中的应用具有重要的示范意义。

2.3 海洋牧场监测领域

海洋牧场能够有效拓展海洋渔业发展空间,促进海洋渔业可持续发展,是解决海洋经济发展和生态环境保护之间矛盾的重要手段[18]。随着科学技术的不断发展,传统的海洋牧场管理方式已不能满足时代要求,海洋牧场的信息化和智慧化将成为新的发展趋势。利用物联网、云计算、大数据等手段建设智慧型海洋牧场,可以实现海洋牧场的智能化、可视化和网络化,有利于提高海洋牧场管理水平、生产效率、环境承载力和抗风险能力[19]。

在国际上,日本作为海洋渔业大国,最先提出了海洋牧场的概念,海洋牧场的建设处于国际领先水平,海洋牧场已逐渐向智能化、网络化发展[20]。例如:研发了利用太阳能运行的物联网设备,利用传感器和机器学习技术来监测鱼类的行为以及确定喂食时间;利用物联网技术监控海洋牧场水质环境、人工鱼礁、智能网箱等。美国农业食品巨头嘉吉公司发布了一款渔业物联网监测平台,利用移动设备和传感器监测海洋牧场的环境数据、水质、鱼虾大小、喂食模式等,并利用卫星将数据传输到总部。在国内,我国已先后建设了232个海洋牧场,86个国家级海洋牧场示范区[21],大部分海洋牧场的日常管理与信息化无缘,基本依靠人工经验,海洋牧场信息化建设空间广阔。王恩辰等[22]对智慧海洋牧场的概念、特征等进行了阐述;石尧等[23]设计了海洋牧场多参数智能监控系统,对利用物联网实时监测海洋牧场水质进行了有益探索。具体应用方面,海南陵水成功部署了基于5G和物联网的网箱生物环境在线监测系统,通过采集深海养殖场的水温、盐度、溶解氧等环境数据和实时视频监控数据,对网箱内的海洋环境和鱼类行为异常进行有效预警,渔民通过手机App就可以实时监控养殖场水下情况。

2.4 智能船舶领域

智能船舶融合了人工智能、物联网、通信等技术手段,能够实现船舶自身、港口、物流等信息的自动感知,是未来船舶发展的主要趋势。目前世界主要造船国家均在大力推进智能船舶的研制与应用,但总体上,智能船舶仍处于探索和发展的初级阶段,智能感知等核心技术尚未突破,智能技术工程化应用程度有限。将物联网技术应用于智能船舶领域,可以在船舶智能生产、自动航行、货物管理等方面发挥重要作用。

在国际上,韩国造船业正致力于智能船舶的开发,大宇造船利用物联网技术建立了没有图纸也可以自动化生产船用配件的智能工程,并且计划引进英特尔船舶物联网解决方案;三星重工获得了美国船级社颁发的全球首个关于智能船舶解决方案的网络安保技术认证。日本邮船集团与挪威Dualog和NTT集团开展了船舶物联网相关研发试验。在国内,2018年,工业和信息化部、交通运输部、国防科工局联合印发了《智能船舶发展行动计划(2019—2021年)》,作为我国智能船舶领域的指导性文件,该计划指出要重点突破船舶智能感知、智能航行、网络通信等关键技术,物联网技术在其中可以发挥关键作用。虞丽娟[24]等和李加林[25]研究了基于物联网的远海渔船调度技术,苑晓龙[26]研究了基于物联网的系泊船舶监测系统。中国船舶重工集团公司第七○二研究所开发了用于监测船体结构安全的物联网监测系统,已应用于“蛟龙”号和“深海勇士”号载人潜水器以及多型水面舰船等。

3 结束语

海洋作为蕴含着巨大自然资源的宝库,也是国家重要的战略发展空间。海洋信息化是建设海洋强国的关键一环,加快建设以信息为主导的“智慧海洋”,可以有效提升我国开发和管控海洋的能力,是发展海洋经济、保护海洋环境、建设海洋强国的时代要求[27-28]。物联网具有智能化、小型化、低成本、低功耗、低时延等优势,是实现海洋透彻感知、加快海洋信息化建设的重要技术手段之一。目前,我国的海洋物联网建设面临自主产权的核心海洋传感器缺乏,深远海数据实时传输能力不足,信息安全等一系列问题。构建海洋物联网的关键在于突破核心海洋传感器研制,以及海洋卫星通信网组建,实现天空、海面、海中、海底的一体化感知探测。