机动海洋网络信息装备发展现状及展望

张 博，王永皎，王冬海，黄橙橙，周镇宇

(1.中国电子科学研究院，北京 100041；2.天津大学 机械工程学院，天津 300100)

0 引言

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，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[1]。而我国要想实现跨越式发展，成为海洋强国，必须在开发利用海洋资源上占得先机，需要站在全球网络信息体系的高度，优先发展先进的海洋网络信息体系，研制海洋网络信息装备，构建海上综合信息网络，为海洋开发提供信息技术支撑。

海洋网络信息装备主要是指具有较高网络信息化水平的信息装备和辅助装备，以获取、传输、融合海洋基础信息数据构建海洋信息网络为目的，采用必要的信息感知、信息传送以及信息融合等技术手段，在海洋实体装备平台上实现海洋信息的物化表达。机动海洋网络信息装备将海洋网络信息技术手段应用于海洋机动信息平台，利用机动平台的游弋属性及其机动、灵活、扩展性强的优势，实现海洋区域信息的智能采集、智能传输、智能处理、智能服务、智能应用支撑及技术保障[2]。机动海洋网络信息装备与技术已成为我国抢占海洋科技发展制高点，是加快建设海洋强国的重要环节和突破口。

1 我国机动海洋信息装备发展现状

目前，我国已初步形成了一个从海洋信息感知、海洋数据传送、分析预报及产品分发等海洋信息应用处理环节组成的业务化海洋网络信息系统，促进了海洋信息装备发展，突破了一批感知传感器的关键技术，国产传感器的性能水平基本达到业务化使用要求。

在机动海洋信息装备平台方面，水下机动网络信息装备平台发展中，我国从开始鱼雷研究，到研制民用水下航行器，实现从有缆到无缆的进步[3-4]，国内多家单位开展水下滑翔机技术研究，形成大油囊驱动型、温差能驱动型、混合推进型以及声学观测型等多类型水下滑翔机品[5-6]。海面机动网络信息装备平台发展中，由有人舰艇到无人舰艇再到有人和无人结合舰艇相关技术研究和装备应用，形成多类型海面机动海洋装备[7-8]。海空机动网络信息装备平台发展中，形成以无人为主、有人为辅的海洋信息结构，在无人机、通信卫星等方面成果累累[9-12]。目前，我国科学家正在构建以海洋卫星、智能潜标、智能浮标、水下滑翔器及水下自主潜航器等机动海洋网络信息装备为主要观测手段，覆盖海底到海面的立体综合透明观测网络，并已初步实现“两洋一海”的透明海洋、智慧海洋[13]。

通过海洋信息感知、通信、观测系统应用、装备平台发展，我国具备了机动海洋网络信息装备可持续发展的基础，并为未来海洋网络信息装备创新发展奠定了基础。但仍存在着缺少海洋信息技术与装备工程系统发展的国家规划、缺乏海洋信息技术与装备工程的国家或行业技术标准、传感器等通用技术与专用材料研发落后、缺乏技术装备试验或标定测试的公用平台和公共试验场、装备产业化困难等问题[14]。

2 机动海洋网络信息装备发展重点

2.1 机动海洋网络信息装备体系

机动海洋网络信息技术、机动海洋网络信息装备、机动海洋网络信息平台及系统共同构成机动海洋网络信息装备体系，将海洋信息技术手段物化于海洋机动网络信息装备，构建机动海洋网络信息系统，利用机动海洋装备的游弋属性，实现海洋区域信息的快速机动获取、传送、处理及应用。按照机动装备的属性不同，机动海洋网络信息装备可划分为三类：海面机动网络信息装备、海空机动网络信息装备、水下机动网络信息装备。机动海洋信息装备体系示意图如图1所示。

图1 机动海洋信息装备体系示意图Fig.1 Schematic diagram of mobile marine information equipment system

2.2 海面机动网络信息装备

水面机动网络信息装备，利用海面机动信息感知技术、海面机动信息传输技术、海面机动信息应用处理技术以及海面机动信息综合管控技术，形成具有感知、数据传输、数据处理及信息应用等能力的海面机动网络信息装备。水下机动网络信息装备在海面展现恶劣海况下水面机动性、长航时和深海布放等各种能力，是机动海洋网络信息体系的重要组成部分。海面机动网络信息装备的发展重点包括水面无人艇、波浪滑翔器、海洋浮标等，随着海面机动网络信息装备立体化和无人集群化发展，逐步形成由海洋机动信息平台和海洋机动信息系统组成的海洋信息基础设施，为机动海洋网络信息体系的发展提供支持，在海面机动搜救、海上目标机动防护等方面起到关键支撑。

2.3 水下机动网络信息装备

水下机动网络信息装备是应用水下感知探测技术、水下通信技术和水下能源供给技术，形成具有水下目标探测、水下数据传输以及水下信息组等能力的水下机动网络信息装备。水下机动网络信息装备在海面以下可动态移动，既可以机动式巡航，也可以机动式布放，是海洋信息网络体系的重要组成部分。水下机动网络信息装备的发展重点包括无人水下航行器、仿生航行器、水下滑翔机以及深海潜标等，向着水下无人集群化、网络化方向发展，形成机动海洋信息平台和系统，为水下重点目标防护、考古探测及水下搜救等典型应用系统提供关键支撑。

2.4 海空机动网络信息装备

海空机动网络信息装备是应用空天基探测技术、动力系统技术、信息传输和处理技术，形成具有通信、导航、感知、监测能力的在海面以上空中可动态移动的信息装备，根据海空机动网络信息装备所处空间，分为部署于外大气层空间的天基信息装备和部署于海域上空的空基信息装备。海空机动网络信息装备的发展重点包括海洋卫星和海上航空器、无人机等，海空机动装备从单一化向立体网络化、智能化、高速长航时化方向发展，与海面、水下海洋装备系统共同组成机动海洋信息网络，为海洋侦察监视、海上搜索救援、海洋环境保护、海洋资源调查与服务、海洋维权执法等典型应用系统提供装备和技术支撑。

3 机动海洋网络信息装备应用前景

机动海洋网络信息装备自主可控，由于其具备机动、灵活、扩展性强的优势，在复杂海域环境中，应用局限性低、人员安全性高、作业效率高，在海上搜索救援、海洋资源保护以及海洋安全防护等领域具有广阔的市场应用前景和发展空间。

3.1 海上搜索救援

海上搜救面临搜索面积大、水域情况复杂、天气海况恶劣或危险品泄漏等问题，这些情况危及被救人员和施救人员的生命安全[15]。利用由水面无人机、海洋遥感卫星、水面搜救无人艇以及水下打捞ROV等机动海洋网络信息装备构成的海上搜索救援系统，实现海域大范围快速扫测，全天候网状搜索，并能针对多种遇险目标进行救助或水下救助打捞等多功能任务。海上搜索救援系统构成如图 2所示。

图2 海上搜索救援系统框架构成图Fig.2 Frame composition of maritime search and rescue system

采用机动海洋网络信息装备可迅速对多个区域同时展开搜索，可进入大型救助船难以进入的浅滩暗礁水域及危险品现场进行搜救，适合在高海况和大深度条件下工作。

3.2 海洋资源保护

人类的生存和发展将越来越多地依赖海洋，海洋中存在大量的矿产及生物资源，人类现代海洋空间利用已发展到建造大量的人工岛、海上机场、跨海桥梁、海底隧道、水下仓库、海上工厂、海底管道以及电缆等，对海洋资源进行合理开发和保护十分重要。利用机动海洋信息装备对海洋资源进行保护是一种有效的技术手段，利用无人艇加载三维成像声呐、浅剖声呐、雷达、光电以及高精度组合导航等海洋信息装备构成的海管巡检信息系统能够实现海底管道快速巡检，系统组成如图 3所示。基于无人艇机动网络信息平台的海管巡检信息系统，用于海底管道检测，大大减小检测施工作业的难度，提高检测效率及精度，是有效的海底管道检测与保护手段。

图3 海管巡检信息系统Fig.3 Information system of marine management inspection

3.3 海上安全防护

我国在领海区域、海上专属经济区乃至争议海区逐步建设大量的油气平台、岛礁通信设施及港口设施等海上平台，以此来确立和维护应有的海上利益。但是这些海上平台由于活动空间小、值守人员少、保障资源有限，经常受到水下蛙人、小型水下航行器的水下攻击，导致设备遭到破坏，严重影响到海上平台的安全运行。基于海洋通信卫星、海上无人机、水下机器人以及无人巡逻艇等机动海洋信息装备的海洋安全防护系统如图 4所示，针对海域小目标入侵威胁(包括水下蛙人、UUV及水下漂浮物，水面非法越界船只，水面漂浮物，以及海域上空“低、慢、小”空中目标等)进行安全监测、威胁预警、机动处置，实现海、空和水下等多维度的安全防护。

图4 海洋安全防护系统应用示意Fig.4 Application of marine safety protection system

4 机动海洋网络信息装备展望

经过多年发展，我国海洋事业总体上进入了历史上最好的发展时期，机动海洋信息装备发展较好。机动海洋网络信息装备应致力于依据“声、光、电、磁、重、热”各自然场的原理，全面开发各类信息装备，发展适合深远海及其他极端环境的特种信息装备，突出定位、精准分析，发展独具特色的无人集群化、智能化方向的高精尖机动海洋网络信息装备。

4.1 无人集群化发展

机动海洋网络信息装备正由单一装备向集群装备发展，立足单体技术，拓展群体智能海洋技术装备并实现自主协同与自主作业，成为重要应用方向。当面临复杂的水域环境，以及越来越精密化、多样化的任务时，多无人机动海洋信息装备构成的集群系统具有作业范围广、作业效率高、鲁棒性强以及灵活性高等诸多优点，形成特定任务下的集群化作业模式，采用集群技术突破单体设备的性能局限，实现应用效能的最大化，构建自主化、智能化的智能无人集群，协同完成复杂任务。将卫星集群、无人机集群、无人船集群以及无人潜航器集群等空海机动装备合理布局与集成应用，形成的无人立体化、综合性群体智能的海洋信息网络体系。

4.2 智能化发展

机动海洋网络信息装备在经历了机械化、自动化之后，正在迎来智能化发展的热潮，智能化已成为我国机动海洋网络信息装备发展的必由之路。随着海洋平台、能源、通信、管控及应用等科学技术的进步，特别是云计算、物联网、移动终端、大数据和人工智能技术的群起，建立智能化机动海洋网络信息装备体系将成为可能。将大数据处理、云计算及人工智能等技术引入到机动海洋网络信息装备研发中，研制具备智能感知、智能分析、智能决策的机动海洋网络信息装备，开发多种智能应用，实现智能化应用模式，提升海域感知与应用服务的智能化水平。

5 结论

本文对机动海洋网络信息装备体系进行了初步探讨与分析，提出应以无人艇、水下航行器、海洋卫星、海上无人机等水面、水下、海空机动海洋网络信息装备为发展重点，并向无人集群化、智能化方向发展，推进机动海洋网络信息装备在海上搜索救援、海洋资源保护、海洋安全防护等领域的应用，为我国海洋网络信息体系的建设和发展提供参考。