固定海洋信息装备技术研究

王冬海，戴 磊，周镇宇

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

世界格局调整持续深化，打造先进级的海洋网络信息体系，已成为支撑国家海洋战略发展的重要手段，固定海洋信息装备是构建海洋网络信息体系的重要基础。伴随海洋工程、电子信息等相关技术的快速发展，多样化的海洋信息装备不断涌现，逐步验证了海洋信息装备工作机理及综合服务能力，但实践中仍存在综合搭载能力较弱、长期有效服务能力不足、扩展性和通用性不强等问题，难以应对各类用户日趋多样化、综合化的业务需求。本文在综合论述海洋信息装备发展现状和问题的基础上，探讨了海洋固定信息装备的技术发展趋势，设计了一种高稳性、可灵活部署的浮式海洋网络信息节点，可作为海上信息基础设施的重要支点。

1 国内外研究现状

海洋信息装备主要是指海洋信息感知、传送、处理、存储、应用、管控、服务、保障的信息装备和辅助装备，科技含量高，具有高投入、高附加值、高风险的特点，是海洋安全的基石，产业辐射能力强，对国民经济带动作用大。以获取海洋基础信息数据为目的，采用必要的信息感知、信息传送、信息融合等技术手段，在海洋实体平台上实现海洋信息的物化表达；按照信息获取手段、海上平台属性，可以进行不同标准的分类，从海洋平台的能动性进行划分，可以分为固定海洋信息装备、机动海洋信息装备和海洋信息服务装备，本文着重讲述固定海洋信息装备。国内外在海上信息装备上已经开展了几十年的的研究应用，已形成部分成熟产品，但主要研究工作仍聚焦在用于感知设备搭载的海洋信息装备研究。目前，固定海洋信息装备按照搭载装备形态划分，可以分为浮标型、船载型和平台型[1]。

1.1 浮标型固定海洋信息装备

浮标型固定海洋信息装备具有结构简单、部署灵活、海域适应性强、功耗与成本不高以及适合大量部署等特点，在环境要素的综合采集方面应用最为广泛[2]。

海洋浮标在结构上通常是小型的系留平台，但较大的海洋浮标平台直径也可超过10 m，在供电方面一般采用太阳能及蓄电池，可对采集数据进行近实时传输，具有较小体量的设备搭载能力。如美国NOAA研制的系列浮标，其平台直径在1.5～12.0 m，可以实现对多海洋信息感知传感器的综合搭载[3]；美国伍兹霍尔研究所设计的水下剖面信息测量浮标[4]，可实现对6 000 m水深以内的剖面流速和水文资料观测；挪威OCEANOR公司设计的海上风剖面浮标SEAWATCH Wind LiDAR，可以搭载激光雷达测风[5]；美国NOAA的海啸浮标DART，能够实现5 000 m水深以下海域的海啸信息测量[6]；荷兰Datawell公司设计的波浪浮标——波浪骑士[7]，可以实现持续3年的自主波浪测量。我国在通用型浮标方面也开展了大量工作，其中，国家海洋局研制的白龙浮标，可以观测海表相对湿度、雨量、气温、气压、风速风向、长波及短波辐射等气象及环境要素，还可采集海洋表层至深层海水温度、盐度、海流及溶解氧等重要海洋参数，最大部署深度也能够达到7 000 m[8]；中科院研制的深海多参数实时传输浮标，集成了气象、剖面海流及剖面温盐等诸多传感器，可以近实时地获取海面气象、水文等资料[9]。

通用型的系留浮标由于技术成熟度不断提高，致使其研制成本低、可靠性及推广性较强，目前应用部署已较为广泛，但受到结构尺寸、供电能力等制约，连续工作能力普遍不足，后期维修维护成本高，难以满足日趋多样化、综合化的海洋网络信息体系业务发展需求。

1.2 船载型海洋信息装备

船载型海洋信息装备主要依托船舶平台作为任务电子信息系统的载体。该类装备具有良好的机动性，可以对目标海域进行大范围的海域调研。同时，其搭载空间和供电能力也能够满足大部分海洋观测设备的搭载。

目前，国外已经建有大量的船载型海洋平台电子信息系统装备，比如，较为先进的有美国BruceC.Heeze号综合调查船，船上装备12 000 m海深测深仪、CTD、多波束、浅地层剖面仪、磁力仪、ADCP、声速系统以及海洋表面温度测量系统等，能够满足开展海洋物理、化学、地磁、水文、地震及声学等多种学科的海洋综合调查；日本水产综合研究中心的“阳光丸”渔业调查船总重991 000 kg，航速13节，续航力5 760 n mile[10]；美国“Marcus G.Langseth”海底地质调查船，安装了Syntrak 960-24地震记录系统和气动生源阵列拖曳系统等，具有全面的地球物理学和地质地震探索能力[11]；美国海岸警卫队的“北极星”号极地调查船，具备功能先进的破冰和抗横倾系统，可以实现冰区的研究和保障[12]。

我国在船载海洋平台电子信息系统方面也开展了大量的工作。其中，中科院的“科学”号调查船是我国目前最大的综合科考船[13]，安装了自动气象站、万米测深仪、ADCP、双频回声测深仪等仪器以及辅助设备，船上还设置地震实验室、地貌实验室、磁力实验室、气象实验室、干湿实验室以及重力实验室等；我国自行设计建造的“海洋六号”地质调查船，配有4 000 m级深海水下机器人、深水多波束测深系统、深水浅地层剖面系统、长排列大容量高分辨率地震采集系统等多种高科技调查设备[14]；中科院南海所“实验1号”调查船是我国第一艘以水声调查为主的科研船，长60.9 m，满足DNVsilent-a级噪声要求，船舶搭载有舷侧水听阵，可用于监测水下的目标。

船载型海洋平台电子信息系统，一般具有较为出色的搭载能力、机动能力和环境适应能力，但由于其装备建造和运营均具有很高的成本，装备的经济性不高，而且不适宜在特定区域开展长期持续观测。

1.3 平台型海洋信息装备

在浮标型和船载型装备以外，依托岛礁平台、海油平台等海洋固定式或浮动式平台上搭载海洋电子信息系统也成为一种重要装备形式。海洋平台通常结构尺寸较大，具有足够的部署空间和能源供应，可支撑搭载的海洋仪器持续工作。比较有代表性的有韩国在苏岩礁建造的海洋平台，该平台利用风能、太阳能和油机供电，其上搭载卫通、雷达、气象设备等海洋仪器[15]；美国的海基X波段雷达系统采用海洋平台改建，搭载了SBX雷达，对空探测距离达4 800 km，同时搭载了大量的海面探测设备，可以对所在海域的综合信息进行探测[16]；唐山航岛海洋重工有限公司设计的桁架式超大型海上平台“航岛”，是长300 m、有1×108kg排水量的海上超大型浮式平台，可以为海洋观测装备提供充足的搭载环境和搭载条件。平台型海洋装备一般能够为任务电子系统提供充足搭载空间和保障能力，可以在海况恶劣海域长期定位观测，但是其造价和维护成本过高，难以大范围推广。

1.4 存在问题分析

总体而言，我国近海海域的海上固定信息装备多以小型浮标为主，节点搭载能力差、监测能力低、监测范围小、能源供应有限，难以应用于中远海域布放、大载荷搭载以及长期持续的监视应用，难以适用海上多用户的业务发展及使用要求；而对于船载和平台型装备，其搭载能力和供电能力均满足大量设备的搭载需求，但考虑其造价与维护成本高昂，无法实现大范围的推广使用。各类装备特点如表1所示。

表1 现有海洋信息装备特点分析

面向网络信息体系综合业务发展支撑需求，急需发展一型适应恶劣海洋环境、能源及通信保障能力强、具备综合搭载能力的海洋平台信息装备作为海洋网络信息体系的核心节点，通过节点间的信息组网破解海洋网络信息体系发展瓶颈。该型海洋平台信息装备应具备抗海洋复杂环境的高稳定平台基础、多能互补智能供电保障以及集感传用管一体化的综合电子信息支撑等能力。

2 海洋信息装备技术发展趋势分析

海洋信息装备涉及的技术主要包括海上联合感知技术、组网技术、海洋信息服务技术及相关海洋工程、平台和能源技术。随着全球对海洋信息产业发展关注度的提高，利用新兴技术促进海上组网技术和信息服务技术的发展必将成为不可逆转的趋势。以下重点介绍海洋组网技术和海洋信息服务技术。

2.1 海洋组网技术

类似目前陆基信息网络发展趋势，海洋信息网络技术发展也将向多维组网、宽带组网、智能组网方向发展。

2.1.1 天空岸海潜一体化组网技术

海洋网络信息体系面对全球部署的战略要求，还存在不少现实问题，如网络覆盖区域有限、未实现天地一体化组网、关键时刻响应慢、难以保障涉海用户的应用需求、应急服务能力跟不上等。为此，亟需吸纳各种网络发展的优势，利用多维组网技术，构建天空岸海潜一体化的综合信息网络。

目前，天基信息网络技术发展迅速，近期，国内高通量(Ka，中星16)、大S纷纷投入使用，国外星链、OneWeb等已发低轨Ka卫星。从长期发展趋势看，伴随发射成本(SpaceX的可回收火箭)、卫星成本(皮纳星)大幅降低，低轨小卫星的商业化运营可行性大幅提高，全球覆盖的普惠性通信基础设施建设及商业运营已成为可能。伴随低轨卫星、高通量卫星、皮纳星等技术的快速发展，天基信息网络基础设施建设竞争正进入全新的阶段。

以临近空间长航时无人机和平流层飞艇作为平台，在海上信息覆盖范围内，其组网能力将达到数千兆字节,对多用户的宽带通信将起到有效的保障，特别是在海上执行大型任务时，其通信作用将会异常突出。谷歌、facebook也在积极探索浮空气球及长航时无人机通信服务，其中，谷歌气球已孵化成功，facebook长航时无人机项目已宣告失败。总体而言，目前临空平台组网尚在研究阶段。

2.1.2 新一代超宽带信息网络技术

针对不断增长的数据业务与视频业务的宽带信息传送要求，应利用宽带卫星通信链路、微波级联组网手段、超短波宽带通信手段以及散射通信手段等综合组网，快速构建成新一代海上宽带信息网络，解决宽带信息业务传送和应急信息传送业务的急需。

2.1.3 海上机固结合组网技术

海上无人机动装备集群发展是当前海洋信息装备技术发展的热点，美军已计划逐步以海上无人系统替代人类士兵。伴随海洋网络信息体系建设发展，水面自主艇信息系统、水下机动浮标系统、机器鱼、水下滑翔器等无人系统集群大量涌现，发展海上无人机动集群组网技术已经迫在眉睫。为此，应依托海上固定信息节点平台和机动船舶平台的信息装备，构建跨介质的海上机动通信网络，包括利用下一代AIS(VDES通信网)、窄带物联网(NBIOT)等技术，提升动态组网能力，为海洋网络信息体系的能力延伸提供支持。

2.1.4 基于认知的智能化组网技术

针对海上复杂环境下信息系统容量、实时性、可靠性等要求，必然会推进基于软件无线电和认知无线电的探通抗一体化组网技术、基于新型组网架构的泛在网络技术、基于空间激光和水下信息网络的发展，完善基于认知和智能化组网，开辟新一代软件定义的海洋信息网络发展途径。

2.2 海洋信息服务技术

正如人类社会信息化体系建设的演化趋势一样，海洋信息服务技术也必将采用新兴技术方法，向下一代基于大数据分析服务、面向认知和智能处理、弹性适变与赛博免疫、人机融合与自主演化等趋势发展。

(1) 基于大数据分析服务

基于海量的海洋大数据分析，可以为涉海用户提供面向海洋的各类行动的决策优势；同时，利用泛在网络上提供的普适计算能力，可以向涉海用户提供在任何时间地点以任何方式进行信息获取与处理的能力。

(2) 面向认知和智能处理

利用深度学习等方法，将大量、冗余、繁杂的海洋数据与信息进行融合处理，为涉海用户提供所需的、符合认知特点和行为偏好的态势信息或决策支持说明，并通过智能处理方式进行优化和验证，自动生成行动方案。

(3) 弹性适变与赛博免疫

为了应对赛博攻击和物理毁伤，避免海洋信息网络整体崩溃，应利用弹性适变和赛博免疫智能分析预测系统异常，自主进行网络免疫防御、能力恢复与系统重构，通过对服务、网络和系统架构的适应性调整，为用户提供持续性安全服务。

(4) 人机融合与自主演化

通过更合理的人机分工，充分发挥人与海洋信息网络各自的优势，实现人在回路的混合增强智能与人机智能共生。通过海洋信息网络应用样本数据的学习，提升自学习和自演化能力，实现海洋信息网络能力的自主升级演化。

(5) 海洋边缘计算技术

针对海洋通信带宽资源不足、服务时延过长等问题，运用边缘计算技术，构建海上网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务，产生更快的网络服务响应。

3 浮式海洋网络信息节点设计

3.1 综合能力设计

面向综合业务支撑发展需求，浮式海洋网络信息节点的主要能力如图1所示。

图1 浮式海洋网络信息节点功能视图Fig.1 Function view of floating marine network information node

其中，在目标感知方面，浮式海洋网络信息节点具备搭载多类型感知装备能力，如：雷达、光电、AIS、ADS-B以及气象传感器等，具备对海面目标和空中目标的监视能力，并且具备对近距离目标的监视识别能力；在环境监测方面，系统可对浮台周边的气象、水文等环境要素进行综合采集；在信息传输方面，系统具备卫通、散射等多种通信手段保障岸海数据传输，并可根据不同信道状态和所传数据类型实时调整数据传输策略；在信息处理方面，系统可对系统内、外的各类数据信息进行汇聚处理和初步融合；在信息服务方面，系统可向附近海域用户提供公众移动通信服务、镜像网站访问服务以及航道信息服务；在综合管控方面，系统可探测目标情况、设备运行状态、天气情况、能源情况、安防报警情况与通信信道情况进行系统和设备的运行状态调整以及多设备联动工作，还可接收岸基中心指令，进行系统和设备运行状态调整；在安全防护方面，系统可对浮式海洋网络信息节点舱门开关状态、舱内人员活动情况、舱内温度、舱内烟雾浓度、舱体内液面高度、浮式海洋网络信息节点坐标位置以及锚灯供电电流脉冲情况等方面进行监测，并接收数据处理系统的指令进行广播示警和强声拒止；在能源保障方面，系统配有太阳能电池板、船载柴油发电机以及蓄电池等电源，可通过互补供电实现能源自保障。

3.2 电子系统设计

根据任务和功能要求，浮式海洋网络信息节点信息系统由任务分系统、能源分系统和平台分系统组成，系统架构设计如图2所示。

图2 浮式海洋网络信息节点系统架构图Fig.2 Architecture diagram of floating marine network information node system

其中，任务分系统主要由传感器网络、核心处理设备、通信链路以及信息服务设备四部分组成，实现了目标监测、电磁环境监测、海洋环境观测、信息服务、数据汇聚处理以及信息传送等浮式海洋网络信息节点信息系统主要功能。目标监测、电磁环境监测实现对浮台周边视距范围的活动目标、电磁目标的探测、识别和监视，并把获得的目标信息数据上报给数据汇聚处理设备和岸基中心，主要用于浮台周边防御。而海洋环境观测分系统用于实现对浮台周边温度、湿度等环境情况的监控。信息传送采用卫星通信、短波通信以及北斗短信等多种通信手段把浮式海洋网络信息节点信息系统的各节点连接到岸基，任务电子系统可根据当前的通信链路的状态采用自动或手动的方式进行切换。同时可通过集成的4G基站为接近的船只或人员提供公用信息和通信接入服务。

能源分系统在没有外部供电的情况下，可通过太阳能、柴油发电机和蓄电池多种供电结合的方法进行供电，可提供DC12 V、DC24 V、DC48 V、AC220 V电压输出，并由独立的能源分系统对各种电源进行统一控制和管理。该分系统主要功能包括：多种电源综合使用、综合电源控制管理、太阳能电池板效率控制、蓄电池充放电管理和应急保障功能。浮台能源分系统可根据上级管控指令或系统剩余电量进行全任务、值班、降级及休眠等工作模式切换。

平台分系统是浮式海洋网络信息节点信息系统的搭载载体，由浮体和锚泊系统两部分构成。浮体部分为任务系统和能源系统提供足够的搭载空间，用于支撑全套系统在复杂、恶劣的海况下持续、稳定的工作；系泊系统用于浮体部分的限位，采用单点系泊形式，既可以保证浮体在海洋环境荷载作用下的平面运动和姿态响应能够满足结构安全和任务系统应用需求，又降低了浮台布放施工的难度，提高了浮台的全海域适应能力。

3.3 平台结构设计

浮式海洋网络信息节点是一种基于半潜式概念设计的海上浮动式平台，将结构重心设计低于结构浮心，同时整体结构采用水密性设计，保证浮台具有极高的稳性，适宜电子信息装备搭载。结构物理形态和主体尺寸如图3所示。

图3 浮式海洋网络信息节点结构尺寸图(单位：mm)Fig.3 Structural dimension diagram of floating marine network information node(mm)

利用仿真软件对水动力进行分析，0°来流时横摇角度很小，且86.09%的时间中纵摇角度小于10°；45°来流时横摇角度较小，且78.58%的时间中纵摇角度小于10°,适用于具有较高稳性需求的电子信息系统。

(a) 0°来流下横摇结果

4 结论

建设国际领先的海洋网络信息体系，是支撑我国海洋战略发展的迫切要求，固定海洋信息装备是构建海洋信息基础设施的重要基础。当前，各类海洋信息装备的建设已逐步验证其工作机理及综合服务能力，但也存在海洋平台电子信息系统搭载能力不强、综合集成度不高、长期工作能力不足、扩展性及通用性受限等问题，难以适应在网络信息体系支撑下的各类用户多样化的应用服务需求。为此，在对主流的海上信息装备发展现状进行综合调研的基础上，探讨了未来海洋固定信息装备发展趋势，设计了一种可全海域部署、恶劣环境下能够工作、长期稳定的、可用于多种海洋电子信息装备搭载的浮式海洋网络信息节点。