地方級智慧海洋建設中的技術架構和系統(tǒng)設計

鮑廣擴

(濰坊市海洋發(fā)展研究院，山東 濰坊 261000)

海洋是生命的搖籃，不斷推動著現(xiàn)代社會的發(fā)展和人類文明的進步。21世紀是海洋的世紀，在人口問題、資源短缺和環(huán)境污染等因素的影響下，走向海洋成為人類的必然選擇，因此海洋是引領世界未來發(fā)展的重要領域。海洋信息化是認識、開發(fā)、利用、發(fā)展和保護海洋的基礎，也是國家信息化的重要內(nèi)容。隨著海洋強國戰(zhàn)略的實施，作為海洋信息化最新產(chǎn)物的智慧海洋應運而生。各地海洋強省(市)行動方案的提出，為沿海各地發(fā)展海洋經(jīng)濟提供了方向和行動指南。地方級智慧海洋的建設，能夠提高沿海地方經(jīng)略海洋的智慧化、智能化水平，提升海洋產(chǎn)業(yè)鏈的整體協(xié)同性，加快涉海產(chǎn)業(yè)的轉型升級。

1 國內(nèi)外海洋信息化發(fā)展概況

1.1 國外海洋信息化

世界發(fā)達國家一直很重視本國的海洋信息化建設，制定專項發(fā)展規(guī)劃和研發(fā)先進技術與裝備，提高海洋事務的話語權，維護本國的海洋權益。例如，由美國多部門共同建設的綜合海洋觀測系統(tǒng)(IOOS)，采用先進技術手段和裝備，對大洋或相關海域的信息數(shù)據(jù)進行采集、處理、發(fā)布，為政府部門、科研機構、企業(yè)和個人等各類用戶提供相關的信息及服務[1]；加拿大通過整合海洋觀測基礎設施和網(wǎng)絡，建立了加拿大海洋觀測網(wǎng)絡(Ocean Networks Canada，ONC)和智慧海洋系統(tǒng)(Smart OceanTMSystems)，通過海洋數(shù)據(jù)觀測、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)建設和數(shù)據(jù)分析等，服務于科學研究、環(huán)境監(jiān)測、海上安全、漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖、交通運輸?shù)阮I域[2]。

1.2 國內(nèi)海洋信息化

我國的海洋信息化建設起步相對較晚，在國內(nèi)海洋信息化發(fā)展的過程中有三個重要階段：用直觀數(shù)字體現(xiàn)的“數(shù)字海洋”、用海量信息認識的“透明海洋”、用知識服務的“智慧海洋”[3]。

1.2.1 數(shù)字海洋

數(shù)字海洋，是通過不斷完善的技術方法和手段，把現(xiàn)實海洋的狀況和各種信息，進行數(shù)字化，再通過計算機存儲、管理和運算，從而形成總體海洋信息系統(tǒng)[4]。它用數(shù)字表達對海洋的認知，對采集的海洋數(shù)據(jù)進行存儲、管理和加工，再用一定的格式輸出顯示。2003年“數(shù)字海洋”項目在我國開始實施，第一個全國性海洋信息化工程在2011年建成完工。在這段時間內(nèi)，國家雖然取得了很多海洋信息化建設的經(jīng)驗，但對海洋信息化系統(tǒng)的建設仍不完善，其在觀測方法、采集信息、硬件設備、協(xié)同聯(lián)動等方面還有明顯的短板[5]。

1.2.2 透明海洋

透明海洋，是指面向世界大洋或者指定海域，綜合利用先進的海洋探測與觀測手段，依托大數(shù)據(jù)和AI技術，獲取全方面的海洋環(huán)境以及相關目標信息，以此為依托，預測未來的海洋發(fā)展變化狀況，實現(xiàn)海洋變化過程“透明”，為海洋權益、海上安全和海洋發(fā)展等活動提供海洋信息服務與技術支持[6]。“數(shù)字海洋”的主要任務是獲取和處理海洋數(shù)據(jù)，“透明海洋”則是“數(shù)字海洋”的“升級版”[5]，“透明海洋”通過搜集和評估某海域范圍內(nèi)的各種類型的海洋信息數(shù)據(jù)，根據(jù)相關的科學原理和算法，預測未來海洋環(huán)境變化趨勢。在特定的海域，透明海洋能夠實現(xiàn)“視覺直觀、數(shù)據(jù)詳實、精準預測”，達到海洋變化“透明化”的效果[7]。

1.2.3 智慧海洋

智慧海洋(Smartocean)，是以搭建自主可控、安全穩(wěn)定的云環(huán)境下的海洋平臺為依托，以完整的信息采集與可靠的傳輸網(wǎng)絡為保障，系統(tǒng)整合海洋權益、管控、開發(fā)三大領域的相關任務，深度融合海洋領域的“信息化”和“工業(yè)化”，開發(fā)面向各類涉海人群的應用服務產(chǎn)品，協(xié)助人類智能地開展海洋活動和優(yōu)化運行海洋裝備，實現(xiàn)國家和地區(qū)智慧經(jīng)略海洋的一種整體解決方案[8]，它是海洋信息化發(fā)展到當今階段的最新產(chǎn)物。智慧海洋是關心海洋、認識海洋、經(jīng)略海洋的神經(jīng)系統(tǒng)，將下一代通信網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等高新技術融合到海洋開發(fā)、人類活動、裝備、管理等各方面，實現(xiàn)涉海萬物互聯(lián)互通一體化、數(shù)據(jù)智能挖掘，為海洋環(huán)保、港口航運、防災減災、執(zhí)法管理等涉?；顒犹峁╈`活高效的技術支持和保障[9]。

2 地方級智慧海洋概述

海洋信息化專家李海濤指出，“智慧海洋”按照服務范圍可以劃分成“國家級智慧海洋”與“地方級智慧海洋”?！皣抑腔酆Ｑ蟆笔侵竾也块T牽頭主導建設，為助推海洋強國和維護海洋權益而啟動的國家層面的戰(zhàn)略性重大海洋項目，其重點是基礎設施建設，提高信息傳輸和海洋感知水平；“地方級智慧海洋”是指沿海省、市等地方牽頭主導建設，推動海洋強省(市)建設，為服務于當?shù)氐暮Ｑ蠼?jīng)濟發(fā)展和海域管理而實施的海洋信息化項目，其重點是海洋信息采集、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)服務與應用，提高海洋信息化和智慧化水平。地方級智慧海洋可以定位于傳統(tǒng)的海洋和漁業(yè)發(fā)展服務，也可擴展到海洋環(huán)保、海上文旅、港口碼頭、防災減災等多種服務。“地方級智慧海洋”建設要讓規(guī)劃先行，并且以注重實效為主[10]。目前有很多地方已經(jīng)建設完成或者正在建設當?shù)氐闹腔酆Ｑ箜椖?，比?016年溫州市“智慧海洋”一期項目[11]、2020年青島首個區(qū)級智慧海洋一體化項目——青島西海岸新區(qū)智慧海洋管理平臺[12]等。

智慧海洋面向的主體是海洋，在建設的過程中會遇到一些問題：人類對海洋的認知程度還比較低，對海洋科學的知識和理論需要不斷地更新和完善；系統(tǒng)建設標準不統(tǒng)一，缺少地方特色；采集海洋數(shù)據(jù)的方法和手段仍然需要改進，對數(shù)據(jù)的加工和共享能力需要提升；海洋和陸地之間的網(wǎng)絡傳輸需要完善；各部門涉海系統(tǒng)隔離，存在行業(yè)壁壘，造成資源浪費[10]。

為了解決智慧海洋建設過程中遇到的上述問題，需要相關部門牽頭制定全國性的智慧海洋建設規(guī)范與標準，地方在建設切合本地實際的智慧海洋系統(tǒng)的同時，能夠對接國家智慧海洋系統(tǒng)；統(tǒng)一布局涉海平臺，打破信息壁壘，共享利用資源；加強智慧海洋平臺基礎設施建設，提高數(shù)據(jù)的獲取、加工和分析能力；完善信息傳輸網(wǎng)絡，提高數(shù)據(jù)的時效性，強化海陸整體協(xié)同性。

3 地方級智慧海洋的技術架構

要建設地方級智慧海洋，就要符合當?shù)睾Ｑ蟀l(fā)展的實際情況和具有地方特色，才能真正將信息技術服務于海洋經(jīng)濟。地方級智慧海洋系統(tǒng)的技術架構，應當以在本地海域范圍內(nèi)采集的海洋信息要素為基礎，以海洋數(shù)據(jù)接口為補充和擴展，以海洋工業(yè)化為支撐，以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、虛擬現(xiàn)實技術、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算和數(shù)據(jù)分析與挖掘等技術為依托，將“互聯(lián)網(wǎng)+”融入海洋信息化建設中，構建物理層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層和應用層(圖1)。各層和要素之間相互關聯(lián)、相互作用、運行通暢，各層之間通過接口相互訪問，構成一個有機的統(tǒng)一體，不斷開拓海洋領域的智慧化水平[9，13]。

3.1 物理層

物理層是智慧海洋的核心，為整個智慧海洋提供數(shù)據(jù)和信息的支撐。掌握精確、全面和及時的數(shù)據(jù)資料并加以利用，是管理者做出決策的基礎。物理層主要包括全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感、雷達、視頻監(jiān)控、水下機器人、多波束測深儀、波浪浮標、驗潮站、海洋環(huán)境監(jiān)測儀、監(jiān)測船等，根據(jù)功能要求擴展相關的物理設備；廣義的物理層還包括碼頭吊機、輪船、海上鉆井平臺等大型涉海裝備，甚至是魚群等流動生物。物理層實現(xiàn)的功能是對海上、海面、海下和海底全方位、立體化、多層次數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的關聯(lián)和統(tǒng)一，具體包括海洋空間地理信息數(shù)據(jù)(位置、面積、高程、海底地形等)、海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)(水質、沉積物、化學要素等)、海洋水文氣象數(shù)據(jù)(水動力、水溫、水深、鹽度、透明度、海流等)以及政策文件、人類活動、設備運作、海洋資源變化、涉海行業(yè)發(fā)展等系統(tǒng)內(nèi)關聯(lián)數(shù)據(jù)。以上獲取的數(shù)據(jù)都與地方海洋經(jīng)濟發(fā)展最為密切關聯(lián)，為地方級智慧海洋提供數(shù)據(jù)源頭[9]。

3.2 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層是智慧海洋的橋梁，將各層之間、要素之間、各層與要素之間串聯(lián)，通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的傳送，主要包括物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的主要內(nèi)容之一，基于通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡，通過各類網(wǎng)絡設備和接口，將系統(tǒng)內(nèi)部的所有元素貫通連接，智能化地識別和管理系統(tǒng)內(nèi)的元素和過程，每一個被獨立尋址的普通物理對象成為互聯(lián)互通的網(wǎng)絡中的一個元素[9，14]。在智慧海洋系統(tǒng)內(nèi)，將包括5G在內(nèi)的高新通信技術融入到三網(wǎng)之中，把沿海地方打造成一個海洋領域萬物互聯(lián)的整體。

3.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是智慧海洋的大腦，通過構建智慧海洋大數(shù)據(jù)平臺，采用分布式架構、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、云計算等技術，對通過物理層接收的海量海洋信息數(shù)據(jù)進行存儲、分類、提取、計算和輸出等?；谌溌窋?shù)據(jù)血緣管理進一步打造全方位多維度海洋數(shù)據(jù)湖，形成海洋數(shù)據(jù)資產(chǎn)，以規(guī)范數(shù)據(jù)治理，積淀海洋數(shù)據(jù)等級標簽和豐富海洋數(shù)據(jù)資產(chǎn)畫像，進而以智能BI、數(shù)據(jù)API、數(shù)據(jù)聯(lián)機查詢等方式為海洋生態(tài)管理提供模型化、智能化、自動化數(shù)據(jù)策略服務。依托大數(shù)據(jù)平臺建設，數(shù)據(jù)層通過海洋信息數(shù)據(jù)共享和聯(lián)動更新，打破“數(shù)據(jù)孤島”，為應用層提供連續(xù)、精準、可靠的數(shù)據(jù)源[9]。

3.4 應用層

應用層是智慧海洋的雙手，是具體實現(xiàn)不同功能的子系統(tǒng)的組合，是體現(xiàn)人類智慧的載體，也反映了地方海洋發(fā)展的需求。在大數(shù)據(jù)時代，借鑒先進模式和利用新興技術對所需的功能進行設計、開發(fā)和運營，服務于海洋環(huán)境保護、海洋測繪、海洋經(jīng)濟調(diào)查、海上交通、港口運輸、海洋旅游開發(fā)、海洋預報減災、海上應急管理等，形成海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、海洋基礎地理信息系統(tǒng)、海洋經(jīng)濟調(diào)查系統(tǒng)、海域海島動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)、海洋預報與防災減災系統(tǒng)、智慧港口運營系統(tǒng)、海上應急管理系統(tǒng)等各類子系統(tǒng)。通過引進5G、VR、AI技術，可以提高數(shù)據(jù)的可視化和服務的智能化水平[9]。

4 地方級智慧海洋子系統(tǒng)

以某沿海城市作為智慧海洋設計的研究對象，根據(jù)當?shù)貙嶋H情況：海域類型多樣且使用狀況變化較快、海洋自然災害頻繁發(fā)生、進出口貿(mào)易發(fā)展迅速。根據(jù)海域空間管理、海洋經(jīng)濟發(fā)展和當?shù)睾Ｑ笞匀粭l件，為其設計智慧海洋子系統(tǒng)，通過智慧海洋的建設，能夠提高當?shù)亟y(tǒng)籌規(guī)劃海洋資源、防治海洋自然災害和經(jīng)略海洋的能力。通過介紹該地方智慧海洋設計的其中3個子系統(tǒng)，展示了智慧海洋對當?shù)匕l(fā)展的巨大促進作用和未來應用前景。

4.1 海域空間資源規(guī)劃與監(jiān)管系統(tǒng)

結合當?shù)氐暮Ｓ蚝u自然地理條件，運用智慧化手段將獲取的海域空間數(shù)據(jù)加載到海洋基礎地理信息數(shù)據(jù)中，通過大數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)海洋信息數(shù)據(jù)的“一張圖”，對海域空間資源進行統(tǒng)籌規(guī)劃和可視化動態(tài)監(jiān)管。系統(tǒng)能夠提供海域海島的權屬數(shù)據(jù)、等深線、海岸線、不同類型用海范圍、海洋功能區(qū)劃、各類保護區(qū)分布以及重點地標等數(shù)據(jù)的顯示與管理，幫助海洋主管部門合理規(guī)劃海域空間資源，對建設項目用海、疑點疑區(qū)等進行動態(tài)監(jiān)管與評價。

4.2 海洋觀測預報與防災減災系統(tǒng)

在當?shù)睾Ｓ蚝脱匕?，合理布置觀(監(jiān))測設備，運用智能化手段對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，提供海洋水文數(shù)據(jù)的監(jiān)測與評價、海洋氣象數(shù)據(jù)的觀測與處理；做好海洋災害預警和分析研判，對常見的災害提供可視化模擬、推演，為各類應用和決策提供科學依據(jù)。不斷優(yōu)化海洋觀測預報與防災減災系統(tǒng)智慧化水平建設，提高海洋預報業(yè)務化工作的精細化水平和防災減災工作的時效性，服務于海水養(yǎng)殖、港航交通、應急救援、海洋旅游、海洋工程建設等領域[15-16]。

4.3 智慧港口運營系統(tǒng)

通過引進智慧港口運營系統(tǒng)，運用視頻監(jiān)控、岸基雷達、導航定位系統(tǒng)等技術，優(yōu)化進出港口的航線和泊位分配，幫助船長引航船舶至規(guī)定位置；運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能機器人等技術，實現(xiàn)碼頭對貨物的自動化作業(yè)，在資源配置、作業(yè)效率、人力成本和安全性上實現(xiàn)跨越式發(fā)展；與港口相關的貨船、集裝箱、設備、人員管理和物流運輸，都可以實現(xiàn)一站式監(jiān)管和溯源追蹤。智慧港口運營系統(tǒng)，助推港口成為拉動沿海城市經(jīng)濟發(fā)展的引擎[17]。

5 結語

地方級智慧海洋建設中的技術架構和系統(tǒng)設計，要在充分調(diào)研和論證的基礎上，制定完善的技術方案，保證技術架構的可靠性、先進性和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，為地方級智慧海洋的建設提供基礎支撐。而且，地方級智慧海洋建設中的技術架構和系統(tǒng)設計的定位，既要具有地方特色，又要滿足海洋經(jīng)濟發(fā)展需求，還要服務于當?shù)亟：徒?，也要統(tǒng)一到國家標準體系內(nèi)，從而推動地方級智慧海洋積極融合到國家級智慧海洋系統(tǒng)中，成為信息化建設的重要一環(huán)。

當前，海洋信息化的發(fā)展助推海洋生物醫(yī)藥、海洋能源、海洋漁業(yè)、海上交通與運輸、海洋裝備制造等海洋新興產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)取得了高質量發(fā)展和變革創(chuàng)新[18]。推進地方級智慧海洋建設，是提高我國經(jīng)略海洋能力的重要保障，也是實現(xiàn)我國海洋強國建設的戰(zhàn)略著力點[19]。