海洋网络信息体系的基础设施研究

王永皎，王冬海，张 博，商志刚，周镇宇

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

随着人类对海洋开发利用的不断深入和综合管控的逐步加强，海洋已不是传统意义上海岛、海岸线和海洋的简单空间组合，而是由海洋环境、海上装备以及人类活动等多种元素综合作用构成的复杂巨系统。海洋是“数字化”综合体，具有立体化、网络化、持续化和智能化的特点[1]。海洋每时每刻都在变化，由于海洋信息基础设施的发展和应用，产生涵盖了海底地形、海洋遥感、船测、水文及模式同化等诸多类型的海量数据，这些数据均可供技术人员研究和探索。

目前，前人普遍只是对海洋信息技术和一些关键海洋信息装备的发展与方向进行总结和分析[2]；或从单项信息技术和装备的角度进行分析，提出海洋信息工程装备概念[3]；或者详细描述了网络信息体系的顶层架构设计与总体建设能力，对海洋信息网络进行设计及分析[4-6]。但都没有全面描述海洋网络信息集成实施的概念和组成，以及对应的服务和应用等的总结研究。

本文从海洋信息网络[7]的角度对海洋网络信息基础设施的概念和组成进行了分析，描述了海洋网络信息基础设施对海洋信息网络体系中支撑作用，提出依靠海洋信息技术和海洋信息装备，按照“节点+连接”构建海洋网络信息基础设施，结合多种典型应用，构建“物理分布、逻辑一体”的海洋信息网络体系，展望了海洋网络信息基础设施未来发展趋势。

1 海洋网络信息基础设施概念与组成

依据目前信息基础设施建设发展[7]，依靠海洋信息技术和海洋信息装备的发展，构建的海洋网络信息基础设施[8]核心由具备平台、能源、管控及保障等功能的海上信息节点和具备感知、连接、计算、存储、交换等功能的网络连接而成。海洋网络信息基础设施具备智能信息感知、智能信息传输、业务应用、智能融合应用、综合管控及体系保障等能力。构建以固定海洋信息装备与机动海洋信息装备相结合的海洋网络信息基础设施新模式，创建新型的海洋网络信息基础设施智慧应用，可以全面提升海洋工程基础设施建设水平，把海洋网络信息基础设施打造成未来海洋经济发展的新引擎，助力海洋网络体系发展[8-9]。

以岸基信息节点、岛礁信息节点、浮动信息节点、水下探测信息节点为核心节点的固定海洋网络信息基础设施，与以水下集群节点、水面集群节点、海空集群节点、天基通信卫星为核心节点的海洋机动信息基础设施相结合，综合海洋信息感知、传输、应用、管控等信息网络技术，形成海洋网络信息基础设施，如图1所示。

图1 海洋网络信息基础设施示意图Fig.1 Schematic diagram of marine network information infrastructure

应用“感知、传送、应用、管控、能源、平台”等海洋信息技术和“固定、机动”海洋信息装备联合构成海洋网络信息基础设施，形成“天、空、岸、海、潜”网络化的“数字海洋”网络信息体系。依托多种类海洋数据通信卫星，建立海洋卫星通信信息网络；以有人机、无人机、飞艇等各类海上移动平台为通信节点，采用移动自组网方式，形成局域性空中宽带自组网络；依托现有长波、短波、超短波及岸海电台站等技术，建设海洋数据水面通信网络；以岸站为核心节点、水下固定式传感器为分支节点，建立水下通信网络。海洋网络信息基础设施与海洋信息装备及技术的关系二维示意图，如图2所示。

图2 海洋网络信息基础设施的构建Fig.2 Construction of marine network information infrastructure

2 海洋网络信息基础设施支撑海洋网络信息体系

21世纪是海洋的世纪，我国当前海洋事业已进入发展加速期，通过在海上栅格化[10]部署固定和机动的物理信息节点分布，网络为逻辑纽带，建立立体化、网络化的多类型应用，共同构建海洋立体信息网络体系[11-12]。海洋网络信息体系的建设和应用，正处在逐步发展和迭代的过程中，以海洋网络信息基础设施为节点核心，信息网络为逻辑纽带的海洋信息网络体系如图3所示。

图3 海洋网络信息基础设施支撑海洋网信体系Fig.3 Marine network information infrastructure supports marine network information system

海洋网络信息基础设施服务于国家海洋强国战略，服务于海洋信息组网服务体系。随着海洋网络信息基础设施的网络化发展，“立体网络化、无人化、智能化”的海洋综合信息网络体系在海上搜索救援、海洋资源保护、海洋安全防护、海洋信息服务等领域得到初步探索和应用。

3 海洋信息网络技术与装备

3.1 海洋信息技术

作为海洋网络信息基础设施的核心组成，海洋信息技术涉及的内涵丰富，包括对海洋资源环境和态势的信息感知、网络通信传输、数据计算与融合处理、信息产品挖掘和应用服务等[13]。从海洋网络信息技术角度讲，海洋信息技术由感知、传送、应用处理、管控、能源及平台等信息技术组成，如图4所示。

图4 海洋信息技术组成Fig.4 Composition of Marine Information Technology

海洋信息感知技术利用声光电磁等领域技术实现海洋目标探测、海洋环境采集、公共信息处理等目标。海洋信息传送技术包括通信组网、无线通信以及有线通信三方面。海洋信息应用处理技术包括数据分类处理、数据融合、公网数据信息处理、信息服务、海洋大数据以及信息挖掘等技术。海洋信息综合管控技术包括综合监视、综合控制以及综合管理等技术。海洋信息能源技术包括太阳能、潮汐能、风能等再生能源，以及电池及其他储能装置。海洋信息平台技术分为固定海洋信息平台和机动海洋信息平台及固定和机动结合的海洋信息平台。

随着海洋信息技术的不断进步，海洋数字化信息网络将遍布全球，并赋予海洋信息全球化的真正内涵，全球海洋信息将在区域概念上实现真正的互连互通。

3.2 海洋信息装备

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。海洋信息装备在海洋资源开发利用、海上搜索救援、海洋环境保护、海洋安全等方面起到很好的信息支撑保障作用。按照信息获取手段、海洋装备属性，可以进行不同标准的分类，预计海洋装备的动态特性，海洋信息装备可以分为固定装备和机动装备，如图5所示。

图5 海洋信息装备分类Fig.5 Classification of marine information equipment

海洋信息装备将海洋信息的技术物化在海洋装备，具有空间、能源、通信的高保障优势。按照装备功能划分，固定海洋信息装备分为海洋信息感知、海洋目标探测及海洋能源装备等。机动海洋信息装备将海洋信息技术手段物化于海洋机动信息平台，利用机动平台的游弋属性，具有机动、灵活、扩展性强的优势。

4 海洋网络信息基础设施综合服务与应用

4.1 综合服务

海洋网络信息基础设施重点向4类用户提供海洋综合信息网络服务[14-15]：① 海域用户组网信息服务，为海域作业的各类用户提供海域综合信息网络服务；② 岛礁用户组网信息服务，对重点岛礁周边进行全时监控，为岛礁用户提供综合信息网络服务；③ 港口用户组网信息服务，为港口用户提供港口综合信息网络服务；④ 特殊用户组网信息服务，为海上维权执法、海上应急救援、海洋资源开发等特殊用户需求提供专用信息网络服务。海洋网络信息基础设施的海洋综合信息网络服务包括海洋信息服务、海洋通信服务、海洋信息装备租用服务、海上能源保障服务和海洋工程保障服务五部分。

4.2 综合应用

我国的海洋信息网络全方位发展，在数据信息安全使用的基础上，构建包含共用态势图、供需会商、事件报告全流程的海上信息融合共享平台，在海洋信息服务系统和海洋信息基础数据产品等方面得到综合应用。

4.2.1 海洋网络信息服务系统

作为海上信息门户，依托海洋网络信息基础设施，建立海洋信息服务系统，汇集主要海上信息网站入口(安全事件、船舶资料以及论坛等)，为国家各部门交流提供支撑。管理和应用海洋信息资源，协调海洋信息化业务工作，为海洋经济、海洋管理、公益服务和海洋安全提供海洋信息的业务保障、技术支撑与服务。海洋信息服务系统具备“管理—储存—服务”三级结构的数据管理与共享服务的业务化运行能力，提供国家海洋研究急需的数据服务，为科学研究及其各有关管理部门提供各种所需的信息服务。

4.2.2 海洋网络信息基础数据产品

建立形式多样的海洋信息基础数据产品，实现海洋数据的可视化展示，方便用户全方位了解海洋数据[16]。整合海洋水文、气象、生物、化学、地球物理、海底地形、岛礁形态等实测数据，推出海洋环境统计分析、实况分析和再分析等各类海洋数据产品。海洋数据产品包括态势产品、情报产品和遥感产品等。态势产品侧重于环境的动态整体态势整合能力，以安全大数据为基础，具备从全局视角提升对安全威胁的发现识别、理解分析以及响应处置能力，同时可提供具有顺延性预测能力。情报产品侧重于海上安全情报工作，可为用户提供海上多源情报获取、解析、评价、聚合、发布、展现、统计、查询、关联告警以及协同对接等情报应用管理功能，构建基于情报的内部安全通报机制。遥感产品侧重对降雨、大气参数、温度和发射率等数据进行融合处理的同时，关注数据产品的精度和实用结果反馈，形成提供高精度数据-用户反馈-提高数据精度的良性循环，具体案例如图6所示。

(a) 船只跟踪

5 结束语

随着先进的网络和信息技术发展，海洋网络信息基础设施向无人化、网络化、立体化方向发展，形成纵向“立体化”、横向“网络化”、全域“无人化”的发展模式。纵向上从高空卫星通信、低空飞机目标探测、水面舰艇集群目标侦测、水下无人航行器集群、海底机动设备阵列，形成空、天、海、潜多源异构的立体化发展；横向上以机动信息网络为代表，形成实时连续的数字化跨学科信息装备发展；全域上以海空无人机集群、海面无人舰艇集群、水下智能鱼群为代表，形成多模态立体无人化群体智能发展。海洋网络信息基础设施的物理节点系统化布局，信息网络的逻辑一体化综合连接，促进了海洋信息网络体系的发展。