區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持設(shè)計

黃孝鵬 鮑鵬飛 蕭毅鴻 崔威威

1(中船重工第八研究院 江蘇 南京 211153)2(南京理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 江蘇 南京 210094)

0 引 言

海洋漁業(yè)是海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，也是海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。目前，以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等代表的新一代信息技術(shù)極大促進(jìn)了漁業(yè)信息化建設(shè)，不斷豐富海洋漁業(yè)服務(wù)的內(nèi)容和形式，極大推動海洋漁業(yè)的產(chǎn)業(yè)深刻變革和轉(zhuǎn)型升級。但近年來，漁業(yè)信息系統(tǒng)的決策支持能力難以應(yīng)對海洋漁業(yè)發(fā)展面臨的海洋漁業(yè)非法捕撈常態(tài)化監(jiān)管、漁船與漁民安全實時化保障、海洋災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警報、海水養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)環(huán)境信息化保障、遠(yuǎn)洋捕撈船舶全球定位與運營分析等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；設(shè)備與系統(tǒng)都存在多方重復(fù)建設(shè)、資源浪費等問題，且沒有體現(xiàn)出無人化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等新技術(shù)發(fā)展趨勢。

當(dāng)前，海洋信息化領(lǐng)域的研究熱度正逐漸增加，在海洋觀測技術(shù)[1-4]、海洋數(shù)據(jù)處理[5-7]，海洋信息可視化[8-10]、系統(tǒng)設(shè)計[11-12]等方面有著有眾多研究成果。這些研究偏重于某項具體技術(shù)研究和應(yīng)用總結(jié)，缺乏區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境“感-傳-知-用”一體化的多業(yè)務(wù)綜合集成設(shè)計。因此，針對區(qū)域化海域漁業(yè)活動服務(wù)需求，需要構(gòu)建融傳感器網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成(一張網(wǎng))，海洋目標(biāo)、活動與海洋環(huán)境等立體綜合感知態(tài)勢生成(一幅圖)，面向海洋漁業(yè)的決策支持功能服務(wù)群開發(fā)(一個平臺)等信息感知、處理和應(yīng)用能力為一體的區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持系統(tǒng)，以全面提升海洋漁業(yè)資源管理科學(xué)化與精細(xì)化水平。

針對區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境信息保障現(xiàn)狀，經(jīng)大量調(diào)研分析總結(jié)，典型能力需求主要表現(xiàn)在提升海洋漁業(yè)非法捕撈常態(tài)化監(jiān)管、漁船與漁民安全實時化保障、海洋災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警報、海水養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)環(huán)境信息化保障、遠(yuǎn)洋捕撈船舶全球定位與運營分析等五大方面。五大典型能力可分解為25項具體的典型功能服務(wù)，如表1所示。

表1 五大典型能力與25項典型功能服務(wù)的映射關(guān)系

1 系統(tǒng)建設(shè)思路與目標(biāo)

1.1 建設(shè)思路

瞄準(zhǔn)區(qū)域海洋經(jīng)濟(jì)示范工程建設(shè)，以海洋漁業(yè)非法捕撈常態(tài)化監(jiān)管、漁船與漁民安全實時化保障、海洋災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警報、海水養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)環(huán)境信息化保障、遠(yuǎn)洋捕撈船舶全球定位與運營分析等五大體系化能力建設(shè)為驅(qū)動，以“整合存量，建設(shè)增量”為建設(shè)思路，整合已有雷達(dá)監(jiān)視、視頻監(jiān)控等信息資源，補(bǔ)充建設(shè)地波雷達(dá)、多功能海洋測量雷達(dá)、天氣雷達(dá)、AIS、紅外光電探測儀、綜合浮標(biāo)、無人機(jī)、波浪能滑翔器、志愿船綜合觀測系統(tǒng)等國產(chǎn)化監(jiān)測手段，以綜合通信保障為輔助手段，構(gòu)建區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持系統(tǒng)。在海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋漁業(yè)科技創(chuàng)新、海洋漁業(yè)生態(tài)環(huán)境預(yù)報等方面，強(qiáng)化涉?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善海洋漁業(yè)公共服務(wù)體系，構(gòu)建藍(lán)色生態(tài)屏障，創(chuàng)新海洋漁業(yè)綜合管理體制機(jī)制。

1.2 建設(shè)目標(biāo)

瞄準(zhǔn)區(qū)域海洋漁業(yè)環(huán)境五大體系化能力建設(shè)，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集成構(gòu)建區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持系統(tǒng)(“一張網(wǎng)”)；獲取并存儲海洋目標(biāo)、海洋活動、海洋水文、海洋氣象、海洋災(zāi)害等海洋信息要素和核心變量，提供海洋一次數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)，并對海洋目標(biāo)、活動與海洋環(huán)境進(jìn)行典型常規(guī)處理和面向典型漁業(yè)環(huán)境保障應(yīng)用的數(shù)據(jù)挖掘分析，提供二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)，形成相關(guān)海域立體綜合感知態(tài)勢(“一幅圖”)；開發(fā)面向海洋漁業(yè)的決策支持功能服務(wù)群，并構(gòu)建區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境公共服務(wù)管理平臺提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)和典型應(yīng)用服務(wù)(“一個平臺”)；形成具有全國性海洋經(jīng)濟(jì)示范效應(yīng)、產(chǎn)業(yè)帶動性強(qiáng)的集海洋感知裝備、信息分析處理、智慧應(yīng)用等為一體的區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持系統(tǒng)，全面提升海洋漁業(yè)資源管理科學(xué)化與精細(xì)化水平，推動海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)信息體系理論和方法，以實現(xiàn)區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與存儲、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)等功能為目的，以“整合存量，建設(shè)增量”為建設(shè)思路，根據(jù)區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持系統(tǒng)的立體組網(wǎng)、資源共享、柔性服務(wù)和敏捷響應(yīng)等設(shè)計需求，采用云計算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息技術(shù)手段，在技術(shù)實現(xiàn)上按照“系統(tǒng)架構(gòu)統(tǒng)一化、傳感設(shè)備模塊化、處理平臺通用化、應(yīng)用平臺集成化”的思路，設(shè)計“三層兩翼”的統(tǒng)一化、開放式系統(tǒng)體系架構(gòu)。形成海洋漁業(yè)環(huán)境保障信息的全面立體感知、廣泛互聯(lián)互通、高效數(shù)據(jù)分析和深入智能服務(wù)等能力。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

(1) 感知層：整合雷達(dá)、視頻、浮標(biāo)、志愿船觀測系統(tǒng)等已有存量；新建岸、海、空、天和水下等立體空間中的地波雷達(dá)、多功能海洋監(jiān)測雷達(dá)、天氣雷達(dá)、激光雷達(dá)、AIS、紅外光電探測儀、綜合浮標(biāo)、無人機(jī)、波浪能滑翔器、志愿船綜合觀測系統(tǒng)等；接入海洋衛(wèi)星、高分衛(wèi)星信息等海洋感知手段。

(2) 信息層：數(shù)據(jù)層、處理層和訪問層等。數(shù)據(jù)層是指海洋立體感知數(shù)據(jù)庫，將海洋目標(biāo)、海洋活動、海洋水文、海洋氣象、海洋災(zāi)害、海洋化學(xué)、海洋聲光、海洋生物等原始信息匯集存儲，然后經(jīng)整編、標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)處理形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再經(jīng)處理分析形成特征數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫；處理層是指層級化數(shù)據(jù)智能處理，包括海洋數(shù)據(jù)典型處理、面向典型漁業(yè)環(huán)境保障應(yīng)用的海洋數(shù)據(jù)挖掘、碎片化信息下海洋知識描述等，主要方法有信息聚類、信息分類、時空變換、資料同化、反演計算、信息融合、數(shù)值預(yù)報、深度智能挖掘、灰色關(guān)聯(lián)、人工智能、預(yù)測與決策、評估、可視化等處理；訪問層是指海洋數(shù)據(jù)服務(wù)中心，提供統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)和開放的訪問接口，為應(yīng)用層提供定制化數(shù)據(jù)服務(wù)支撐。

(3) 應(yīng)用層(系統(tǒng)功能)：主要提供海洋漁業(yè)非法捕撈常態(tài)化監(jiān)管、漁船與漁民安全實時化保障、提升海洋災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警報、海水養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)環(huán)境信息化保障、遠(yuǎn)洋捕撈船舶全球定位與運營分析等決策支持服務(wù)。

安全體系保障覆蓋了總體架構(gòu)設(shè)計到基礎(chǔ)軟硬件的自主、安全、可控。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括政策法規(guī)方面的規(guī)范，也包括各類標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，如技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運營標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)等。綜合通信系統(tǒng)主要使用Ku/Ka衛(wèi)星通信、微波、VHF/UHF超短波及多網(wǎng)融合等多種軍民手段；并且系統(tǒng)設(shè)計時考慮與相關(guān)政務(wù)管理系統(tǒng)、公安執(zhí)法系統(tǒng)等平臺的信息交互與共享，提供地區(qū)政府公共服務(wù)以及文明執(zhí)法的重要信息支撐。

該系統(tǒng)的技術(shù)特色主要體現(xiàn)在：

(1) 整合存量、建設(shè)增量，綜合集成存量和增量；

(2) “接觸式+非接觸式”的立體全維感知方式，傳感器觀測信息要素全；

(3) 海洋漁業(yè)環(huán)境立體綜合感知信息處理；

(4) 海洋漁業(yè)環(huán)境立體綜合感知態(tài)勢生成；

(5) 海洋漁業(yè)環(huán)境公共服務(wù)管理平臺設(shè)計。

2.2 系統(tǒng)信息流程

從海洋漁業(yè)環(huán)境信息獲取、處理和應(yīng)用等信息流角度出發(fā)，設(shè)計系統(tǒng)流程，主要涉及海洋漁業(yè)環(huán)境保障立體觀探測裝備、原始資料庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)產(chǎn)品庫、決策支持應(yīng)用、應(yīng)用集成化平臺等六大部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信息流程

其中：

(1) 信息獲取包括雷達(dá)、光電、浮標(biāo)、無人平臺、衛(wèi)星等裝備，以及其他單位的區(qū)域化海洋環(huán)境和目標(biāo)信息引接；

(2) 數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟，如質(zhì)量控制、歸類整編、匹配融合等；

(3) 信息處理手段，如資料同化、數(shù)值預(yù)報、多源融合、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘、目標(biāo)綜合識別等；

(4) 決策支持應(yīng)用與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的關(guān)系，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫可為決策支持應(yīng)用提供一次數(shù)據(jù)產(chǎn)品，決策支持應(yīng)用對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫提出需求，并進(jìn)行質(zhì)量評估；

(5) 數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作與決策支持應(yīng)用的需求與服務(wù)關(guān)系；

(6) 決策支持應(yīng)用與數(shù)據(jù)產(chǎn)品庫的關(guān)系，數(shù)據(jù)產(chǎn)品庫可為決策支持應(yīng)用提供二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品，信息應(yīng)用對數(shù)據(jù)產(chǎn)品庫提出需求，并進(jìn)行質(zhì)量評估。

基于海洋漁業(yè)環(huán)境保障立體觀探測裝備，獲取多源、實時/準(zhǔn)實時業(yè)務(wù)化觀測數(shù)據(jù)存入原始資料庫，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，提供一次數(shù)據(jù)產(chǎn)品，制作二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品并入庫，提供二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)。結(jié)合海上漁業(yè)活動對海洋信息的需求，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)產(chǎn)品庫可按需定制、抽取或者推送一次/二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品，支撐海洋漁業(yè)典型決策支持應(yīng)用，形成典型應(yīng)用集成化平臺。

典型決策支持應(yīng)用過程向數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作過程提出需求，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)產(chǎn)品庫中提取所需要產(chǎn)品，并對數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評估，將評估結(jié)果反饋給產(chǎn)品制作過程。數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作可面向基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，并可支持海洋漁業(yè)環(huán)境立體觀測效能評估。

3 系統(tǒng)組成

基于系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計，結(jié)合五大典型能力需求，構(gòu)建區(qū)域化洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持系統(tǒng)。其主要由海洋漁業(yè)環(huán)境立體智能觀測網(wǎng)、海洋漁業(yè)環(huán)境綜合感知態(tài)勢、海洋漁業(yè)環(huán)境應(yīng)用服務(wù)集成平臺等三大部分組成。

3.1 “一張網(wǎng)”——海洋漁業(yè)環(huán)境立體智能觀測網(wǎng)

整合已有雷達(dá)、視頻、浮標(biāo)等存量，新建岸、海、空、天和水下等立體空間中的雷達(dá)、光電、浮標(biāo)、無人平臺、衛(wèi)星信息接入等海洋信息感知源，以綜合通信設(shè)備為輔助手段，構(gòu)建全面覆蓋相關(guān)海域的海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測網(wǎng)。建立固定與機(jī)動有機(jī)結(jié)合、常態(tài)化探測與應(yīng)急探測互為補(bǔ)充的綜合感知機(jī)制，具備網(wǎng)絡(luò)化、隨遇接入、無人化、遠(yuǎn)程管控、常態(tài)化等系統(tǒng)智能運維保障能力。提供全面覆蓋相關(guān)海域的目標(biāo)、氣象水文、地理、生態(tài)和電磁環(huán)境等海洋信息要素的精細(xì)化、常態(tài)化和立體化保障服務(wù)。圖3是海洋漁業(yè)環(huán)境立體智能觀測網(wǎng)絡(luò)概念圖。

圖3 海洋漁業(yè)環(huán)境立體智能觀測網(wǎng)絡(luò)概念圖

針對決策支持應(yīng)用的信息需求，梳理總結(jié)五大典型決策支持應(yīng)用對海洋目標(biāo)、海洋活動、海洋水文、海洋氣象、海洋災(zāi)害、海洋化學(xué)、海洋聲光還和海洋生物環(huán)境等8大類海洋環(huán)境信息的需求關(guān)系，并給出海洋環(huán)境信息與其裝備的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2 決策支持應(yīng)用、海洋環(huán)境信息類型 和觀測裝備間對應(yīng)關(guān)系

3.2 “一幅圖”——海洋漁業(yè)環(huán)境綜合感知態(tài)勢

海洋漁業(yè)環(huán)境信息中心包括海洋信息典型處理服務(wù)器、信息顯示服務(wù)器、應(yīng)用顯示服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫存儲服務(wù)、安全防護(hù)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和KVM等，裝載在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中。UPS電源為機(jī)柜提供持續(xù)電源，機(jī)柜和UPS均位于服務(wù)器機(jī)房，操控臺位于指揮室。其設(shè)備組成如圖4所示。

圖4 信息中心設(shè)備組成

信息中心的主要功能是收集并存儲8大類信息要素、36個核心變量。根據(jù)原始資料提供海洋一次數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)，并對海洋目標(biāo)、活動與海洋環(huán)境進(jìn)行典型常規(guī)處理和面向典型漁業(yè)環(huán)境保障應(yīng)用的數(shù)據(jù)挖掘分析，提供二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)。構(gòu)建區(qū)域化海洋立體綜合感知信息服務(wù)平臺，形成區(qū)域化立體綜合感知態(tài)勢(“一幅圖”)，如圖5所示。

圖5 區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境立體綜合感知信息服務(wù)平臺

3.3 “一個平臺”——海洋漁業(yè)環(huán)境應(yīng)用服務(wù)集成平臺

面向五大體系能力建設(shè)需求，構(gòu)建區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境應(yīng)用服務(wù)集成平臺，主要提供海洋漁業(yè)環(huán)境信息一次、二次數(shù)據(jù)服務(wù)，以及海洋漁業(yè)非法捕撈常態(tài)化監(jiān)管、漁船與漁民安全實時化保障、提升海洋災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警報、海水養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)環(huán)境信息化保障、遠(yuǎn)洋捕撈船舶全球定位與運營分析等決策支持服務(wù)。并可與其他部門、上級/同級海洋與漁業(yè)部門實現(xiàn)信息共享。集成平臺如圖6所示。

區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)包括：

(1) 系統(tǒng)開放式體系架構(gòu)設(shè)計技術(shù) 主要研究統(tǒng)一化的系統(tǒng)體系架構(gòu)、模塊化的設(shè)備接入系統(tǒng)、通用化的信息處理平臺、服務(wù)化的業(yè)務(wù)應(yīng)用集成平臺、信息安全防護(hù)等技術(shù)。

(2) 系統(tǒng)資源跨域動態(tài)重組技術(shù) 主要利用虛擬化技術(shù)將系統(tǒng)的存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、服務(wù)和應(yīng)用等虛擬化，通過多任務(wù)虛擬化資源管理技術(shù)，使信息要素和資源管理流程隨任務(wù)變化而動態(tài)重組。

(3) 海洋漁業(yè)環(huán)境層級化信息融合處理技術(shù) 主要研究通用化海洋大數(shù)據(jù)云處理平臺、典型海洋環(huán)境和目標(biāo)信息處理算法集成框架、應(yīng)用驅(qū)動的海洋大數(shù)據(jù)深度智能挖掘與知識描述、海洋數(shù)據(jù)服務(wù)定制等層級化海洋漁業(yè)環(huán)境信息融合技術(shù)，提升海洋知識的有效獲取和高效應(yīng)用能力。

(4) 海洋漁業(yè)決策支持建模與可視化技術(shù) 主要針對五大典型應(yīng)用進(jìn)行決策支持建模，并進(jìn)行多維可視化設(shè)計和展示。

(5) 任務(wù)驅(qū)動的系統(tǒng)效能評估技術(shù) 主要研究典型任務(wù)驅(qū)動的海洋立體觀測系統(tǒng)效能評估目標(biāo)確立和準(zhǔn)則設(shè)計、評估指標(biāo)設(shè)計、參數(shù)獲取、效能評估建模和效能分析等技術(shù)，為系統(tǒng)高效運行、優(yōu)化設(shè)計提供重要參考依據(jù)。

4 結(jié) 語

梳理總結(jié)現(xiàn)有海洋漁業(yè)環(huán)境的非法捕撈常態(tài)化監(jiān)管、漁船與漁民安全實時化保障、海洋災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警報、海水養(yǎng)殖區(qū)的生態(tài)環(huán)境信息化保障、遠(yuǎn)洋捕撈船舶全球定位與運營分析等五大典型能力需求，設(shè)計區(qū)域化海洋漁業(yè)環(huán)境智能觀測與決策支持系統(tǒng)，形成海洋漁業(yè)環(huán)境保障信息的全面立體感知、廣泛互聯(lián)互通、高效數(shù)據(jù)分析和深入智能服務(wù)等能力。支撐海洋漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋漁業(yè)科技創(chuàng)新、海洋漁業(yè)生態(tài)環(huán)境預(yù)報、海洋漁業(yè)公共服務(wù)體系等海洋漁業(yè)信息化建設(shè)，創(chuàng)新海洋漁業(yè)綜合管理體制機(jī)制。