美国“海洋物联网”项目发展现状与关键技术分析

王 彤

（北京海鹰科技情报研究所，北京 100074）

1 引 言

目前，美国海洋态势感知主要依靠搭载传感器的舰艇和商船，以及机载和星载遥感器，海上雾、雨、云等的遮挡会对海洋态势感知产生不利影响。但由于缺乏对广阔海域的实时监测手段，制约了海洋科学以及海洋军民用事业的发展。为此，美国国防预先研究计划局（DARPA）开展“海洋物联网”（Ocean of Things，OoT）项目，计划通过部署大量低成本、环保、智能化海上浮标以组成分布式传感器网络，实现对大范围海洋区域的持续态势感知[1]。

2 项目概况

2017年12月，DARPA战略技术办公室发布“海洋物联网”项目的跨部门公告，寻求先进的浮标和数据分析技术，形成海上分布式态势感知系统。设想的整个系统由浮标、卫星通信系统、云端数据分析系统组成，部署示意图如图1所示，由这个系统生成并提供的高分辨率海洋观测信息，一方面用于海洋科学研究，提高对海洋生态的认知；另一方面，为马赛克战[2]研究和突破提供关键技术支撑，从而获取海上军事情报信息，如识别过往船只的航迹等。浮标部署示意图如图1所示[3]。

图1 浮标部署示意图Fig.1 Float deployment schema

根据项目跨部门公告，项目共分两个阶段进行，第一阶段（2017—2019年）包括最初的浮标和数据处理方法的设计工作；第二阶段（2019—2021年）将对浮标进行改进和细化，最终实现1.5万个浮标的海上演示试验。

3 项目关键技术

项目将重点研究两项关键技术，一是浮标硬件设计，二是浮标数据处理，即让浮标上的计算系统将原始数据整理转化为一个个信息包，通过卫星通信系统发送到岸上云系统中；数据在云端需要被拆分、汇集，利用机器学习等数据分析算法，对采集到的海洋物理特性和海上活动情况进行解析，分析结果最终纳入图形图像展示系统中演示，如图2所示[4]。

图2 “海洋物联网”项目架构图Fig.2 Schematic showing Oceans of Things architecture

3.1 浮标设计和开发

浮标硬件的设计和开发需求主要包括以下几个方面[5]。

（1）浮标由生物安全材料制成，配备一系列水上和水下传感器。浮标设计大小约是A级声呐标的一半，体量是0.0014～0.0032 m3，重3.2～8.2 kg，配备低成本全球定位系统（GPS）芯块、天线、惯性测量单元（IMUs）和各类传感器。摄像机、软件定义无线电、射频探测器和水听器作为任务传感器装在特定的浮标上，用于探测和跟踪飞机、船只等的航迹。

（2）浮标通过太阳能电池板和/或碱性电池为传感器和搭载的电子设备提供电力。浮标的间歇、被动采样也可节约电力消耗。

（3）海洋物联网系统采用鲁棒、相对低带宽的卫星通信系统传输信息。由于在一个集中区域中有大量浮标，每个浮标在消息长度和消息传递频率上都受到限制，因此整个系统需要根据优先级对传感器数据进行选择性传输，保证后续的数据分析工作。

（4）浮标配有高度可靠的沉没机制，可由内部逻辑触发，也可由操作员下达的沉没指令触发。每个浮标需要对周围环境进行至少一年的监测，然后寿命耗尽安全地沉入海底。

（5）浮标的设计和制造计划需满足大规模生产，单个浮标的目标成本是500美元。海洋物联网项目可使用低成本、异构的智能浮标来完成多种任务，实现价格可承受的海洋态势感知。

3.2 数据分析技术

数据分析部分开发基于云计算的软件和分析技术来处理浮标的报告数据。云系统通过数据分析可以动态显示浮标的位置、自身状况和任务性能，处理海洋和气象模型的环境数据，还可以自动检测、跟踪和识别附近的船只，并确定海洋活动一些新的指标。与基于岸上或高宽度传感器不同，浮标传感器只传输必要的数据，而且在传输前会进行压缩，如图3。

图3 在非常有限的带宽上进行数据传输需要数据压缩Fig.3 Data compression during data transmission over very limited bandwidth

海洋物联网项目有三个不同的重点领域需要进行数据分析[6]：（1）直接应用传感器记录值，如浮标位置和环境/气象测量数据，用于对浮标本身的指挥和控制，可视化浮标的当前位置，并对浮标在未来的位置进行预测；（2）传感器数据的推断，如测量和跟踪海洋环境中的物体（船只、飞机和海洋哺乳动物等）；（3）数据挖掘、异常检测或已知现象的识别。

4 项目进展情况

自2017年项目启动，DARPA就全面推进研发工作。

第一阶段中，帕洛阿尔托研究中心（PARC）、阿雷特协会和努穆鲁斯三家公司参与浮标竞争，如图4所示，施乐帕洛阿尔托研究中心18 kg的太阳能玻璃浮标获胜，该浮标可装备大约20个传感器。研发团队采集了南加州和墨西哥湾大约100个洋流浮标数据。2019年，斯克里普斯海洋学研究所的研究人员为项目研制了一个高保真水听器原型，作为浮标的传感器载荷之一[7]。关于后端开发，DARPA与蕾杜斯、德雷珀实验室合作，翱翔技术公司和几何数据分析公司帮助构建数据可视化、设备控制和性能预测所需的软件[8]。

图4 “海洋物联网”三家公司浮标设计（浮标③获胜）Fig.4 Three companies’ float designs of Ocean of Things program (float③ won)

2020年3月，DARPA启动“海洋物联网”第二阶段工作。2020年7月，DARPA授予帕洛阿尔托研究中心项目第二阶段开发合同，要求在第一阶段开发的1500个浮标基础上，再开发多达1万个更小更低成本的浮标[9]。目前，DARPA正在南加州海湾和墨西哥湾对此类浮标进行测试。2020年11月，北约海洋研究和实验中心（CMRE）宣布正在与DARPA合作，为项目设计浮标设备网络，以监测整个海洋的态势。

目前，DARPA计划第二阶段在南加州和墨西哥湾进行上千个漂浮阵列的测试。最初，将每3 km部署一个浮标。在保持覆盖范围的同时，可以扩大到每20 km部署一个浮标。未来将争取实现上万个浮标的部署工作。

部署地点在南加州湾地区，如图5所示。该地区拥有独特的地理位置、复杂的洋流、多样化的海上交通，包括商业、军事和游船，以及附近的相关科研设施。复杂的远洋和近岸洋流是一个主要挑战，部署区域内的高分辨率洋流和海风预测模型为最初的部署和浮标的定期补充提供了重要位置信息。

图5 南加洲湾的浮标计划部署Fig.5 Floats to be deployed in Southern California Bay

5 影响分析

海洋物联网通过机器学习、云计算、大数据等高新信息技术，可以提升海上侦察感知能力。

（1）促进海洋经济和科学的快速发展

海洋物联网项目强调在范围很广的海域部署高密度的浮标，通过对浮标实时传感器数据进行分析和处理，不但可以预测海洋环流、校准卫星测量数据、跟踪研究海洋动物，还可以全天候监视船只、舰艇，获得其航迹等基本情况信息。通过对海洋资源的动态管理，创新海洋科学技术，充分利用海洋的隐形优势，推动海洋科学进步，以保持美国海洋优势。

（2）提升海上战场态势感知能力

英国国防海上力量专家西德哈斯·考沙尔曾表示，该项目分散部署的浮标传感器可以进行持续24 h全天候监视，这是海上巡逻机或合成孔径雷达卫星所不能做到的，符合马赛克战概念。还将有效支撑DARPA跨域海上侦察与瞄准（CdMaST）项目，通过利用海洋物联网能力在广域、跨域（海下、海面、海洋上空）监视与瞄准敌方舰艇、潜艇，提升战场态势感知能力，辅助指挥员快速正确决策，提高跨域侦察打击能力，掌控大片有争议海域，进而支撑“马赛克战”概念的实现。

（3）其军民两用性将带来独特的威胁和挑战

“海洋物联网”项目公开的文献很少提及军事化应用，大部分都是民用方面的好处，如监测非法船只。但DARPA明确提出该项目是支撑“马赛克战”的重要组成部分，说明美国很有可能利用项目成果辅助军事行动。若美国以民用的名义在潜在冲突地区的公海海域广泛部署大量浮标，对他国实施长期、隐形的海上监视侦察，则将给对手国家带来极大的威胁，因此应密切跟踪和研究该项目的技术进展、试验和部署情况。

（4）启发我国“海洋物联网”建设和对抗思路

借鉴美“海洋物联网”项目建设思路，积极布局推动我国海洋科学发展并采取有效对抗措施。一方面，重点开发环保、可携带摄像机、水听器等多重载荷且隐蔽的浮标；发展云端数据平台，收集存储浮标数据，并充分利用人工智能、机器学习和大数据对海洋数据进行分析处理，以提供实时海上态势图像；开发先进海上网络通信技术，保证信息在浮标及云端之间的稳定传输。通过构建军民两用的海洋物联网，可更全面地掌控海上态势信息，提升作战效率；还可检测非法船只、跟踪研究海洋动物，促进海洋科学的进步。另一方面，开展海上浮标对抗措施研究，例如利用电子干扰等手段对浮标网络实施压制/欺骗，或利用入侵其网络并触发海上沉没机制。

6 结束语

本文通过研究DARPA开展的“海洋物联网”项目，分析美国对于构建海上分布式监视侦察网络的思路。项目通过开发低成本浮标对海洋数据进行收集，并开发先进的数据分析技术对数据进行解析，以掌控广域海洋态势。目前，项目进展顺利，已进入第二阶段。海洋物联网一旦成功部署和构建，将大幅提升美国广域海洋的实时监测和追踪能力。