智能浮標系統(tǒng)的架構與關鍵技術

賴粵龍 李 凱 傅雨佳

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引言

自20 世紀20 年代開始，隨著人類對海洋的探索與開發(fā)，出于不同需求與目的，人們結合更先進的技術，賦予了浮標越來越多傳統(tǒng)使用方式以外的功能。目前，已有多個國家或組織已經(jīng)形成了功能多樣化的系列成熟產(chǎn)品，并建立了自己的浮標體系，如隸屬于美國國家海洋和大氣管理局的國家資料浮標中心、由世界氣象組織與聯(lián)合國教科文組織下屬的政府間海洋學委員會聯(lián)合成立的資料浮標合作組，以及包括美國、英國、德國和法國在內的由多個國家共同推進的Argo 計劃等[1]。目前各個國家或組織的浮標體系在全球海洋廣泛部署，為人類的海洋探索與開發(fā)提供了海量數(shù)據(jù)。

為了更好地探索、開發(fā)海洋以及維護國家海洋主權，本文提出建立1 套智能浮標體系的設想，既可以作為公共基礎設施、用于滿足人們對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)日益增長的需求，又能作為海疆的前沿哨所、承擔起維護國家海洋安全的使命。

1 海上浮標智能化需求

海上浮標是以錨定在海上的觀測浮標為主體組成的海洋水文水質氣象自動觀測站，可以收集海洋的各種氣象水文數(shù)據(jù)，同時兼顧航標功能。目前海上浮標的通信方式主要是全球移動通信系統(tǒng)傳輸、無線電傳輸及衛(wèi)星傳輸?shù)葻o線通信方式，存在傳輸速率低、受天氣影響大以及成本高等缺點。隨著海洋的不斷開發(fā)以及中國海軍的不斷建設，傳統(tǒng)的海上浮標已經(jīng)無法滿足軍事和民事對海洋數(shù)據(jù)信息逐漸增長的需求。

我國擁有近300 萬km2的領海，廣袤的海域蘊藏著豐富資源。隨著海洋開發(fā)利用的不斷深入，人們在海洋活動過程中的信息化、智能化需求也日益增長，而海洋惡劣復雜的環(huán)境已成為人類海洋活動信息化、智能化的阻礙。為滿足人們在海洋活動過程中對通信、導航和水文氣象等通用服務、海洋科學研究，以及維護國家海洋主權的信息化與智能化的需求，本文提出了基于海底光纜技術、海上浮標技術與網(wǎng)絡技術的智能浮標系統(tǒng)的構想。

2 智能浮標體系架構

智能浮標系統(tǒng)旨在構造1 個覆蓋特定海域的觀測預警、提供各類海洋活動服務的體系。相較于傳統(tǒng)的浮標，在整體上，它是1 套能采集、傳輸、感知與計算存儲海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，并能夠指導海上作業(yè)的智能體系；在個體上，智能浮標具備更多的觀測手段與更高的信息傳輸性能，同時具備一定的邊緣計算能力。

依托于海底光纜的有線傳輸，以及短波、超短波、衛(wèi)星通信等無線通信手段，并且利用通信網(wǎng)絡技術將智能浮標進行聯(lián)通組網(wǎng)，使分布式的浮標構建成為1 套智能體系：平時可以作為提供民用服務的海上氣象水文數(shù)據(jù)的觀測系統(tǒng)，戰(zhàn)時可以作為軍事用途的前沿哨所。通過軍民結合的方式，有效提高海上指揮浮標體系的利用率。

2.1 智能浮標系統(tǒng)裝備體系

本文對智能浮標系統(tǒng)裝備體系的設想如圖1 所示。

圖1 智能浮標系統(tǒng)裝備體系示意圖

在各級的節(jié)點浮標上安裝感知設備，獲取海洋情報：次級節(jié)點通過有線或無線方式傳輸數(shù)據(jù)至中心節(jié)點；中心節(jié)點通過有線方式傳輸至數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)中心再將收集的數(shù)據(jù)轉換為服務信息，響應來自于岸基或船平臺上服務終端的請求。這樣的海洋網(wǎng)絡就可以為來往船舶（甚至無人設備）提供數(shù)據(jù)、視頻、音頻和報文等服務，或是將海洋的情報傳輸至岸上、艦上的數(shù)據(jù)中心，為民事和軍事用途提供情報支撐。

2.1.1 邊緣節(jié)點

邊緣節(jié)點相較于系統(tǒng)內的其他部分，具有體積最小、數(shù)量最多、分布最廣和功能基礎等特點，同時具備一定的邊緣計算能力。為了方便將數(shù)據(jù)匯聚到中心節(jié)點浮標，邊緣節(jié)點一般要圍繞中心節(jié)點布置。它應當相對固定地錨定在海域的某點，這樣的節(jié)點才能穩(wěn)定地采集海洋數(shù)據(jù)，向船平臺提供穩(wěn)定的服務。

首先，邊緣節(jié)點浮標是收集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的觀測站。其可以將水文氣象、溫度、濕度和鹽度等環(huán)境數(shù)據(jù)探測設備，通過規(guī)劃調配，合理地分配到某片海域的邊緣節(jié)點浮標上進行裝配。

其次，邊緣節(jié)點浮標是智能浮標系統(tǒng)內的網(wǎng)絡基站。其將自身收集的數(shù)據(jù)與船舶平臺服務終端發(fā)來的請求數(shù)據(jù)向上一層級傳輸，將上一層級發(fā)來的控制命令或服務信息傳輸至各終端設備（包括裝配在浮標上本身的探測設備以及接入智能浮標系統(tǒng)內的船舶平臺服務終端）。

2.1.2 中心節(jié)點

除了在邊緣節(jié)點浮標上裝配的設備，中心節(jié)點浮標上應當裝配功能更多、范圍更廣的探測設備。相較于邊緣節(jié)點，中心節(jié)點體積更大、數(shù)量更少、功能更強且計算能力更強。中心節(jié)點同時也需要具備相對于邊緣節(jié)點更高的穩(wěn)定性，可以依靠海上的島、礁建設，因地制宜布置；能將邊緣節(jié)點浮標收集的數(shù)據(jù)向上一層傳輸，將控制命令或服務信息向邊緣節(jié)點傳輸。智能浮標平臺構想如圖2 所示。

圖2 智能浮標概念圖

2.1.3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心分為收發(fā)中心與管理中心兩部分。前者主要負責數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收發(fā)，由若干數(shù)據(jù)收發(fā)設備組成；后者主要負責數(shù)據(jù)的使用、存儲和管理，由若干數(shù)據(jù)存儲設備、數(shù)據(jù)計算設備和系統(tǒng)管理設備組成。數(shù)據(jù)中心相當于整個系統(tǒng)的大腦，它匯集著來自整個智能浮標系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，進行不間斷的計算并存儲操作形成各種服務信息，最后根據(jù)用戶的服務請求，通過網(wǎng)絡將這些信息傳輸?shù)椒战K端。數(shù)據(jù)中心作為整個系統(tǒng)的核心，具備匯聚數(shù)據(jù)、計算存儲和響應服務等作用，因此應當具備強大的信息交互與信息處理能力。

數(shù)據(jù)中心的硬件設施，應當根據(jù)整個系統(tǒng)的覆蓋規(guī)模合理地進行建設。王進等[2]介紹了目前已經(jīng)開始施工安裝的海底數(shù)據(jù)中心項目。本系統(tǒng)的收發(fā)中心機柜等設備以及數(shù)據(jù)中心計算設備、存儲設備等可布置安裝于類似的海底數(shù)據(jù)中心，以解決大量機柜的冷卻散熱問題，減少能源消耗。將管理中心建設于沿海地區(qū)的陸地上，可實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理與監(jiān)控。

2.1.4 服務終端

服務終端是直接面向用戶的窗口。用戶方通過服務終端向數(shù)據(jù)中心發(fā)起請求，請求信息上傳至數(shù)據(jù)中心的管理中心，再由管理中心響應請求，并將服務信息下傳回服務終端；服務終端接收來自數(shù)據(jù)中心的服務信息后，通過合理的形式（如聲音、畫面和圖表等）展示出來。

服務終端根據(jù)使用環(huán)境的不同，可以分為海上與陸上2 種情況，根據(jù)不同的應用場景開發(fā)不同的終端設備與應用軟件，同時為注冊在系統(tǒng)內的用戶形成用戶數(shù)據(jù)庫并分配不同的權限。它應當具備便于安裝、維修、更新，以及用戶界面人性化、用戶軟件標準化和應用場景多樣化等特點。

從邊緣節(jié)點、中心節(jié)點、數(shù)據(jù)中心，再到服務終端，整個過程形成原始信息采集、傳輸匯聚、計算存儲、需求提交、服務提供的閉環(huán)。

2.1.5 承載網(wǎng)絡

承載網(wǎng)絡是信息流通的高速通道，基于大規(guī)模的海底光纜鋪設與成熟的短波、超短波、衛(wèi)星通信等有線、無線通信手段，利用網(wǎng)絡交換機、網(wǎng)絡隔離設備、網(wǎng)絡中繼設備和無線接入設備等，將分布式的邊緣節(jié)點、中心節(jié)點、數(shù)據(jù)中心和服務終端進行網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，保證數(shù)據(jù)高效、穩(wěn)定與安全地傳輸。高建文等[3]構想的一體化海洋通信網(wǎng)絡構架，設想了1 套“三層兩系統(tǒng)”的技術體系網(wǎng)絡構架（“三層”指多元接入層、統(tǒng)一網(wǎng)絡層、協(xié)同服務層，“兩系統(tǒng)”指運維管控系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)），通過多網(wǎng)系融合、多平臺資源統(tǒng)籌，擬實現(xiàn)一體化海洋通信網(wǎng)絡的建設。

目前網(wǎng)絡傳輸技術愈發(fā)成熟完善，網(wǎng)絡能承載的數(shù)據(jù)流量日益增長，網(wǎng)絡傳輸設備性能、環(huán)境適應能力也不斷提升。運用于陸地上的互聯(lián)網(wǎng)已運行了數(shù)十年，帶來了生產(chǎn)和生活的革命。將這樣的網(wǎng)絡進行適應海洋環(huán)境的改造，提升設備的防水、防腐蝕和防浪涌等環(huán)境適應能力，實現(xiàn)承載智能浮標的構想。

2.2 智能浮標技術架構

從技術能力的角度分析，指揮浮標系統(tǒng)應當具備以下層級：感知層、傳輸層、計算存儲層和服務層。如果將整個體系比作人身體的神經(jīng)系統(tǒng)，那么感知層即相當于各種感受器，傳輸層相當于輸入神經(jīng)與輸出神經(jīng)，計算存儲層類似神經(jīng)中樞，服務層則相當于效應器。每一層都應當擁有相應的硬件與軟件，用以支撐起本層應當具有的能力。智能浮標系統(tǒng)技術架構示意見圖3。

2.2.1 感知層

作為系統(tǒng)的最底層，感知層是整個智能浮標系統(tǒng)的基礎。它應當具備自然環(huán)境感知、非自然環(huán)境感知以及自身感知這3 種感知能力。

2.2.1.1 自然環(huán)境感知

自然環(huán)境感知分為水上感知部分與水下感知部分，利用氣象儀、氣象雷達、電磁場探測儀和溫濕度計等成熟傳感器設備，以海洋智能浮標為依托，采集包括但不限于水文氣象、電磁環(huán)境、溫度、濕度和鹽度在內的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對海洋自然環(huán)境的感知。水上部分探測風速、風向、溫濕度、能見度和電磁環(huán)境等因素，水下部分探測波浪、洋流等。以下列舉一些常用的自然環(huán)境傳感器并簡單解釋其原理：

（1）風速風向感知

采用風杯式風速傳感器。風力帶動傳感器轉動，風速不同導致轉速不同，利用霍爾元器件產(chǎn)生的脈沖，計算出相應風速并轉換為數(shù)字信號，即可感知風速；利用格雷碼盤作為基礎元件，采用特殊編碼方式，以光電信號轉換原理，將風向信息轉換為數(shù)字信號。某個點位的風速風向信息一般在幾個字節(jié)到幾十個字節(jié)之間，將其轉換為IP 報文進行有線或無線傳輸占用帶寬極小。

（2）溫濕度感知

采用熱敏電阻（如鉑電阻、鎳電阻和銅電阻）。該電阻阻值隨溫度變化而變化，恒定電壓加載于電阻時，可通過測定電流感知計算出環(huán)境氣溫，轉換為數(shù)字信號；采用濕敏電容或濕敏電阻，傳感器的電容值或電阻值隨相對濕度變化而變化，根據(jù)對應的電容值或電阻值計算對應的濕度，將其轉換為數(shù)字信號。某個點位的溫濕度信息一般在幾個字節(jié)到幾十個字節(jié)之間，利用有線或無線網(wǎng)絡傳輸時占用極小的帶寬資源。

（3）波浪、洋流感知

利用加速度傳感器。加速度傳感器隨波浪的起伏輸出加速度變化的信號，通過積分運算即可計算出波浪起伏的方向與高度，進而推算波浪的周期，將波浪的周期、高度和方向信息轉換為數(shù)字信號；基于多普勒效應，利用海流剖面儀向海水中發(fā)射聲波信號，即可測定不同層次洋流的流速流向。某個點位的波浪、洋流信息一般在幾十個字節(jié)到幾百個字節(jié)之間，利用有線或無線網(wǎng)絡傳輸時占用極小的帶寬資源。

以上列舉了幾種自然環(huán)境感知的設備及原理。目前各種環(huán)境數(shù)據(jù)采集的成熟技術不一而足，本文不再舉例說明。王海濤等[4]將風速風向、溫濕度和光照強度等傳感器設計為印制電路板（printed circuit board,PCB）共型模式，共用公共的控制單元、電源模塊及其他片上組件。采用類似的設計思路，可大大提高感知層集成度，減少空間資源與能源的消耗。

自然環(huán)境的變化通常是緩慢的漸變過程，故而對感知自然環(huán)境的實時性要求并不高，且該類數(shù)據(jù)信息并不是很大，故可以將數(shù)據(jù)格式進行統(tǒng)一，實現(xiàn)自然環(huán)境數(shù)據(jù)標準化。將上述傳感器的一種或多種傳感器裝備于智能浮標上，某片海域內多個智能浮標采集的信息進行融合，即可實現(xiàn)對該海域自然環(huán)境的感知。

2.2.1.2 非自然環(huán)境感知

除自然環(huán)境外，海洋生物、人類活動和人造物等均被認為是非自然環(huán)境。通過聲吶、雷達、光電探測設備和視頻監(jiān)視設備等探測儀器，感知水面和水下的目標，探測出存在于海洋的生物群落以及人造艦艇所產(chǎn)生的光電與畫面等信息。

對于水面目標（如船舶、浮標和海上工作平臺等），通常可利用光電設備、視頻監(jiān)視設備和雷達設備等進行感知。

光電設備與視頻監(jiān)視設備利用光學成像的原理，記錄所探測到海域的畫面，視頻監(jiān)視設備可記錄可見光頻段的信息。光電設備除可見光外，還能在黑暗、雨霧的條件下進行紅外觀測并兼具激光測距的功能。光電設備與視頻監(jiān)視設備雖然能得到清晰的畫面，但是探測距離十分有限，且受環(huán)境影響較大，通常限制在目視距離范圍內。

雷達設備利用電磁波反射回波的原理對目標進行探測。雷達天線發(fā)射電磁波信號，遇到障礙物即產(chǎn)生回波，周期性地向四周進行電磁波發(fā)射與接收，即可探測周圍固定或移動的目標。雷達的工作頻段很廣，包含甚高頻（very high frequency,VHF）、超高頻（ultra high frequency,UHF）以及L、S、C 等頻段，根據(jù)工作頻段的不同，其探測范圍也在幾十到幾百n mile 不等。在探測水面目標時，可先使用雷達進行探測，當目標進入光學探測范圍時再進行光學探測，以減少不必要的能源消耗和信息傳輸。

對于水下目標（如海洋生物、潛航器等），目前主要的探測手段為聲吶探測，其原理與雷達類似。由于海水中高頻電磁波衰減極大，兩者不同點在于聲吶利用聲波的反射對水下目標進行探測。由于不同聲吶工作的頻率、視場角和成像原理不同，其探測范圍、分辨率也不盡相同，通常探測深度在幾十米到幾千米不等。

對于非自然環(huán)境中的船舶與潛航器，除上述探測手段外，還有船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system,AIS）設備對船舶進行識別區(qū)分，若是軍事船舶，甚至有敵我識別的手段進行判別。非自然環(huán)境的感知信息（如監(jiān)視視頻、雷達目標信息等）在幾兆至幾十兆比特之間，數(shù)據(jù)的傳輸將占用一部分的網(wǎng)絡帶寬，需利用有線手段進行傳輸。將上述一種或多種設備配置于智能浮標上，某片海域多個節(jié)點進行非自然目標的融合，即可實現(xiàn)對該海域非自然目標的感知。

2.2.1.3 自我感知

自我感知是指在海洋上的智能浮標平臺，對自身配置設備、探測范圍、位置信息、運動狀態(tài)的感知。通過數(shù)據(jù)中心建立智能浮標的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，錄入每個浮標的配置信息、設備信息，在智能浮標上配置設備接入監(jiān)測系統(tǒng)并管理浮標數(shù)據(jù)庫，即可實現(xiàn)浮標自身配置設備和探測范圍的感知。利用北斗導航定位系統(tǒng)，即可實現(xiàn)智能浮標平臺對自身位置信息的感知；利用加速度傳感器，即可實現(xiàn)浮標自身運動狀態(tài)的感知。

智能浮標的自我感知所產(chǎn)生的信息一般在幾百到幾千個字節(jié)之間，需定時向數(shù)據(jù)中心發(fā)送更新，可以建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)自我感知數(shù)據(jù)的標準化。

分布于海域中的浮標，利用各種傳感器采集來自海洋上的各類信息，獲取的海量數(shù)據(jù)將作為系統(tǒng)感知海洋、提供服務的基礎。本層在具備感知海洋、收集數(shù)據(jù)的同時，應當保留部分邊緣計算的能力以支撐一些簡單服務，如向浮標附近的船舶發(fā)送自身坐標信息，用以提供導航服務等?？娦路f[5]提及無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計原則，其中若干條同樣適用于本系統(tǒng)，如節(jié)點小型化、能源有效利用、系統(tǒng)可靠性和傳輸有效性等。除此之外，本文認為應當考慮海洋環(huán)境的特殊性與多樣性，增加生命頑強性、探測多樣性的設計原則。

2.2.2 傳輸層

傳輸層是智能浮標體系信息流動的依托，根據(jù)信息流動的方向將傳輸層分為上行傳輸、下行傳輸和網(wǎng)絡拓撲這3 個部分。它應當具備大容量、高帶寬和低時延的特性，支持海量的數(shù)據(jù)在傳輸層流動。

（1）上行傳輸

即從感知層與服務層到計算存儲層的信息傳輸鏈路。感知層與服務層通過有線或無線的通信方式，將感知的環(huán)境數(shù)據(jù)、服務的請求數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)上傳至計算存儲層，為計算存儲層實現(xiàn)對海洋環(huán)境的感知、海洋作業(yè)服務信息的形成提供基礎數(shù)據(jù)。

（2）下行傳輸

即從計算存儲層到感知層與服務層的信息傳輸鏈路。計算存儲層通過有線或無線通信方式，將控制信號傳輸至感知層，控制感知層各傳感單元的工作狀態(tài)，將計算存儲層處理后形成的服務數(shù)據(jù)下發(fā)至服務層，為海上作業(yè)人員提供所需的服務信息。

（3）網(wǎng)絡拓撲

即整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點連接情況，包含邊緣節(jié)點、中心節(jié)點、數(shù)據(jù)中心和服務終端在傳輸層的數(shù)據(jù)流動情況。需要建立有較強抗毀能力、較高冗余度的網(wǎng)絡拓撲結構，提高網(wǎng)絡的魯棒性、健壯性和安全性，保證本層數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠、?jīng)濟。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，以傳輸方式進行區(qū)分，將傳輸層技術分為有線傳輸與無線傳輸。大批量的數(shù)據(jù)傳輸一般采取光纜傳輸?shù)扔芯€傳輸方式，故而有線傳輸網(wǎng)絡應當作為傳輸層的主要組成部分，是傳輸網(wǎng)絡的中心；而后，依托計算機網(wǎng)絡技術，基于網(wǎng)絡交換設備、網(wǎng)絡隔離設備、網(wǎng)絡中繼設備和網(wǎng)絡管理設備，結合海底光纜體系，構建智能浮標傳輸層有線傳輸?shù)闹黧w?？紤]到存在移動式終端或不宜有線接入網(wǎng)絡的設備和傳感器，因此應采取WiFi、ZigBee、藍牙、5G 等無線通信方式將短距離通信設備接入網(wǎng)絡中，采取短波通信、超短波通信、衛(wèi)星通信等方式將遠距離通信設備接入網(wǎng)絡中。

傳輸層依托計算機網(wǎng)絡技術、無線通信技術、信息安全技術等現(xiàn)代通信技術，連接智能浮標系統(tǒng)的邊緣節(jié)點、中心節(jié)點、數(shù)據(jù)中心和服務終端，保證上行與下行數(shù)據(jù)在各網(wǎng)絡節(jié)點中高效、高速、安全流通。

2.2.3 計算存儲層

計算存儲層是智能浮標體系的中樞。它將匯集的海量數(shù)據(jù)進行存儲、處理與運用，通過各種算法，使獲取的原始數(shù)據(jù)變?yōu)榭捎靡灾胃鞣N需求的服務信息。計算存儲層應當具備通用計算、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)分析這3 種能力：

（1）通用計算

作為即時性要求較高服務的計算支撐。將感知層獲取的原始數(shù)據(jù)快速解析，根據(jù)需求對解析數(shù)據(jù)的類型進行分類處理，對即時性要求高的數(shù)據(jù)進行實時處理，用于提供即時性服務，如某片海域的實時水文氣象、實時畫面和即時通信數(shù)據(jù)等。該功能小部分在邊緣節(jié)點、中心節(jié)點實現(xiàn)（如實現(xiàn)節(jié)點的數(shù)據(jù)加密解密、準入認證、入侵感知和預測維護等功能），大部分在數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)（如實現(xiàn)格式化數(shù)據(jù)的整理歸納和應用分發(fā)的功能）。

（2）數(shù)據(jù)倉庫

作為即時性要求較低服務的數(shù)據(jù)基礎。將解析分類的格式化數(shù)據(jù)或其他來源的數(shù)據(jù)按需求存儲起來，根據(jù)不同需求設置存儲時限，得到1 個可以反映自然環(huán)境、非自然環(huán)境、浮標本身和使用用戶的數(shù)據(jù)倉庫，用以支持如海洋科研、氣候分析和生態(tài)分析等需求。采取數(shù)據(jù)庫技術，并利用計算機輔助管理數(shù)據(jù)，便能實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效可靠地添加、修改、刪除、處理、分類和理解。

（3）數(shù)據(jù)分析

將通用計算解析的即時性數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)倉庫存儲的數(shù)據(jù)進一步處理，通過各種算法便能得到可以指導民事或軍事海上作業(yè)的信息，如判別海洋生物群落種類、跟蹤海上船舶軌跡、進行海洋科研等。基于機器學習、大數(shù)據(jù)分析和神經(jīng)網(wǎng)絡等分析識別技術，高效輔助人員對采集到的海洋數(shù)據(jù)進行判別，融合各類數(shù)據(jù)構建海洋自然環(huán)境和非自然環(huán)境的態(tài)勢，形成指導海洋作業(yè)的服務信息。

計算存儲層用以支撐指揮浮標體系大量數(shù)據(jù)的計算與存儲，根據(jù)智能浮標系統(tǒng)規(guī)模的不同，應當具備與之對應的計算存儲能力。面向計算存儲層海量數(shù)據(jù)計算、存儲和分析的需求，結合超算中心建設的成果，利用數(shù)據(jù)庫技術、機器學習技術、大數(shù)據(jù)分析技術，支撐數(shù)據(jù)存儲層感知海洋、分析海洋和服務海洋等能力。

2.2.4 服務層

服務層是面向用戶的層級，根據(jù)用戶不同的需求，完成相應的服務。它將計算存儲層得到的可以滿足用戶需求的信息，根據(jù)不同用戶的權限與請求，通過聲音、畫面和圖表等形式展現(xiàn)給用戶。本層應當能提供至少包括通用服務、科研用途服務和軍事用途這3 種類型的服務：

（1）通用服務

用以滿足通用類的服務需求。錄入、管理用戶信息，為海上來往的船舶提供如水文氣象、通信、導航和數(shù)據(jù)報文等服務，為海上漁民提供作業(yè)指導。

（2）科研用途服務

用以滿足科研用途的數(shù)據(jù)需求。為科研工作者提供長期的海洋環(huán)境變化數(shù)據(jù)，成為如海洋數(shù)字孿生、數(shù)字海洋等科學研究的數(shù)據(jù)源。

（3）軍事用途服務

用于滿足軍事用途的需求。為軍事活動提供如海洋環(huán)境監(jiān)控、不明船舶入侵判別、跟蹤、報警以及戰(zhàn)時電磁環(huán)境管控、戰(zhàn)場態(tài)勢情報收集等服務。

服務層是面向用戶的層級，也是真正將海量數(shù)據(jù)化為各類服務的層級，用戶一方應當有相應的接收設備用以接收本層發(fā)出的服務信息。采取客戶機-服務器（client/server,c/s）或者瀏覽器-服務器（browser/server,b/s）的服務架構，實行數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)的形式，根據(jù)用戶需求、角色的不同，賦予用戶不同的數(shù)據(jù)知悉管理權限，提供相應的數(shù)據(jù)服務。

3 關鍵技術

智能浮標系統(tǒng)的建設是一項結合了多種工程技術、多學科融合的綜合性工程。為了建設該系統(tǒng)，需要克服許多技術難題。以目前的技術水平，若要實現(xiàn)該智能浮標系統(tǒng)的建設，需重點突破以下幾項關鍵技術。

3.1 海上接入海底光纜技術

長距離的無線傳輸無法滿足傳輸層的技術要求，而海底光纜技術的發(fā)展與突破，則為本層的實現(xiàn)帶來了可能。結合現(xiàn)有的海底光纜技術，將浮標平臺上的信息設備接入廣布海底的有線網(wǎng)絡，能為智能浮標系統(tǒng)傳輸層提供海量、高速、穩(wěn)定和低時延的網(wǎng)絡信息傳輸支撐。

不過，智能浮標系統(tǒng)的建設，必然涉及到大面積海底光纜的敷設，海面平臺如何接入海底光纜，該如何保證海底光纜的穩(wěn)定連接與可靠傳輸，都是目前亟待解決的技術難題。

首先是海面平臺接入海底光纜的技術。該技術要考慮到方方面面，如接入交換機的研究制造、安裝與連接，以及光纜的制造與敷設等；結合海洋的惡劣環(huán)境，還要考慮到海底的高壓、低溫、生物環(huán)境復雜、洋流變化等因素。因此，對接入交換機與海底光纜在復雜環(huán)境下的適應性與生存能力要求極高。

其次是保證海底光纜本身的安全穩(wěn)定。海洋環(huán)境復雜惡劣，影響海底光纜的因素有許多：自然因素包括地質活動、海底腐蝕、水流激振和海洋生物等；人為因素包括錨害、漁業(yè)活動、工程建設和蓄意破壞等。在保證海底光纜不被破壞方面，陳宇俊等[6]提出：應當對海底光纜的路由地址提前進行嚴格勘驗，減少自然環(huán)境的影響；同時，落實宣貫工作，減少人為因素影響。

目前在海洋平臺接入海底光纜的技術上，仍有很大的探索空間。錢德沛[7]提及了目前的海底光纖光纜技術、水下中繼技術與水下分支技術，其中的光纖光纜技術已經(jīng)在規(guī)?；褂?，16 纖對水下中繼器已經(jīng)可以商用，水下分支器技術也在更新?lián)Q代。

除了上述文獻中提及的技術外，海上平臺接入技術目前研究的程度還不夠深，未來尚有很大研究空間。

3.2 智能浮標能源供給技術

在海洋環(huán)境下，智能浮標平臺的能源供給是很重要的問題。本文提出以下3 種能源供給的形式：

（1）海底電纜供電

即通過海底電纜進行跨洋輸電的技術。運用于智能浮標系統(tǒng)，雖然能夠實現(xiàn)大功率、長距離地供給電力，但存在成本高、損耗大等問題。萬光芬 等[8]介紹的秦皇島曹妃甸岸電示范工程，說明了海上平臺由路基通過海底電纜供電的可行性。

（2）定期更換蓄電池

即通過定期更換浮標平臺蓄電池的方式進行能源供給。這不僅需消耗許多人力、物力，并且對蓄電池的蓄能、自然損耗和壽命等要求也更高。

（3）自然能源轉換

即利用太陽能、風能和潮汐能等多種自然能源，實現(xiàn)能源的轉化；通過蓄電池新材料、新技術的運用，增加其蓄電能力，減少其自然損耗。不過，這種供能方式在浮標平臺設計時存在很大的技術難題。吳明東等[9]提及多種利用波浪能轉換為浮標使用能源的實例，海洋中本身也存在著巨大的能源可供我們加以利用。

以上3 種方式都存在各自的優(yōu)缺點，若將3 種形式結合并進行綜合性能源供給與規(guī)劃，也不失為1 種可能的方式，但目前也仍有許多工程問題亟需解決，許多技術問題需要突破。

3.3 智能浮標系統(tǒng)的協(xié)同技術

智能浮標系統(tǒng)是設備體系廣泛分布、成員之間互相協(xié)同的統(tǒng)一系統(tǒng)，如何動態(tài)地保障整個系統(tǒng)高效、節(jié)能、穩(wěn)定運作，也是需要解決的問題之一。本文提出以下3 種協(xié)同工作類型：

（1）協(xié)同感知

分布于海洋的浮標可用空間小、能源供給有限，單個浮標無法裝配太多的探測設備，且海洋是動態(tài)的環(huán)境系統(tǒng)，各種感知設備的感知范圍隨著海洋環(huán)境變換而變化。為了全方位完整地實現(xiàn)海洋的感知，需要多個浮標平臺協(xié)同起來，實現(xiàn)感知層的效率最大化。

（2）協(xié)同服務

智能浮標系統(tǒng)的服務對象在數(shù)量、空間位置和服務類型上都是動態(tài)變化的。為了保證服務的質量，需要管理中心、收發(fā)中心和浮標平臺等設備的協(xié)同配合，實現(xiàn)服務層的高效。

（3）協(xié)同管理

智能浮標系統(tǒng)設備組成復雜、分布廣泛，其狀態(tài)也是動態(tài)變化的。為便于系統(tǒng)的更新、維護和修理，需通過協(xié)同管理，保證系統(tǒng)運作的安全穩(wěn)定。

智慧協(xié)同網(wǎng)絡提出的“三層”、“兩域”體系模型同樣適用于本系統(tǒng)，對比張宏科[10]列舉的智慧協(xié)同網(wǎng)絡在電信、高鐵行業(yè)應用舉例，本系統(tǒng)的協(xié)同設計需要考慮到海洋環(huán)境的多變與惡劣。

3.4 智能浮標系統(tǒng)的維護

智能浮標系統(tǒng)建設完成以后，需對系統(tǒng)進行維護。如何對這個覆蓋面積廣闊、設備設施多樣、運行環(huán)境復雜的系統(tǒng)進行維護，也是一個巨大的 挑戰(zhàn)：首先，應當制定統(tǒng)一的設備體系標準，指導各型設備進行規(guī)劃的設計與生產(chǎn)，保證裝備體系的產(chǎn)品質量與標準化，便于后續(xù)的維護與修理；其次，還需制定相應的巡查制度，對海域上智能浮標系統(tǒng)的各種設備進行有規(guī)律的巡查，檢查設備的運行情況，防止系統(tǒng)被入侵與破壞，保證整個系統(tǒng)運行的通暢與安全；除此之外，還應當有與智能浮標系統(tǒng)維修相關配套的裝備體系（例如：水面需要有以維修本系統(tǒng)為使命的配套船舶，水下需要有配套潛航器，浮標平臺上需要有對應的簡單維護設備，整個網(wǎng)絡需要有運行維護的監(jiān)控系統(tǒng)）。

4 智能浮標的應用構想

構建起如文中所描述的智能浮標系統(tǒng)，將能為海洋探索、開發(fā)，國家的海洋主權維護提供前所未有的便利。

4.1 民用服務

通用服務是指只要在智能浮標系統(tǒng)（包括中心浮標與邊緣浮標）信號覆蓋范圍內，接入到智能浮標系統(tǒng)的網(wǎng)絡，并具備相應權限，就能提供的服務。

（1）通信服務

通信服務包括話音、視頻、數(shù)據(jù)等在內的網(wǎng)絡通信。船平臺間的通信，可以通過船舶平臺上的服務終端接入邊緣節(jié)點或中心節(jié)點的接收基站，將通信數(shù)據(jù)上傳到海底與陸地上的網(wǎng)絡進行傳輸，通過IP 尋址方式，實現(xiàn)船舶平臺間的高質量通信。同理，也可以通過相同方式實現(xiàn)船舶平臺與陸地之間的通信。若將智能浮標網(wǎng)絡與其他公共網(wǎng)絡連接，可以大大增加通信服務的類型。

（2）導航服務

智能浮標應當大致固定在海域的某點，故而可以根據(jù)浮標布設位置，給浮標預設大致的經(jīng)緯度，智能浮標向接入網(wǎng)絡的船舶轉發(fā)這個經(jīng)緯度，便可起到輔助導航的作用。此外，還可以在某些特定浮標上裝配北斗、GPS、GLONASS 等導航設備，提高導航的精度。

（3）海洋環(huán)境預報服務

智能浮標系統(tǒng)可以將探測到的某片海域的水文氣象、溫度、濕度和鹽度等信息發(fā)送至接入網(wǎng)絡的船舶，提供來自于數(shù)據(jù)中心對該片海域的天氣預報信息，或是由智能浮標系統(tǒng)轉發(fā)來自于其他途徑的天氣預報信息。

（4）海上作業(yè)輔助服務

根據(jù)智能浮標探測到的生物或非生物物體的信息，輔助海上作業(yè)。例如根據(jù)探測到的生物群落活動情況、水文氣象情況，輔助海上魚類養(yǎng)殖與捕撈作業(yè)、海底沉船打撈作業(yè)等。

（5）遇險救生服務

智能浮標可以通過網(wǎng)絡轉發(fā)船舶發(fā)出的遇險救生信號，智能浮標本身可以作為海上的緊急避難所，常備應急的水與食物，裝備遇險求生的通信設備，給海上遇難的人員爭取時間。

智能浮標體系建立后，在這樣的基礎設施支撐下，能夠開發(fā)出更多、更好的通用服務，提供給需要海洋數(shù)據(jù)服務的組織或個人，便于人們對海洋的利用，同時也能夠實現(xiàn)對海洋活動更好的管理規(guī)劃。

4.2 科學研究

海洋的科學研究需要大量的數(shù)據(jù)支持，智能浮標系統(tǒng)將收集的海洋數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)類型進行分類，建立以時間為順序的海洋數(shù)據(jù)庫，可為海洋科學研究提供基礎的海洋數(shù)據(jù)。

（1）洋流研究

將智能浮標系統(tǒng)收集的水文氣象數(shù)據(jù)，提供給海洋科學研究人員，可以成為長期跟蹤洋流變化的數(shù)據(jù)基礎，在單日、季度、年度甚至更長時間跨度內反映洋流變化，對于研究洋流規(guī)律有極大幫助。

（2）局部氣候研究

智能浮標系統(tǒng)收集的溫度、濕度等氣候數(shù)據(jù)，能夠成為科研人員研究海洋氣候的數(shù)據(jù)基礎。

（3）海洋生物研究

將聲吶等探測設備收集到的生物群落信息（如種群大小、活動軌跡等）數(shù)據(jù)記錄存儲到數(shù)據(jù)庫中，提供給海洋生物群落的研究人員，在不同的時間跨度下反映出海洋生物群落的變化規(guī)律。

（4）海洋數(shù)字孿生

各類傳感器、探測器收集到的海洋數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，可以作為海洋數(shù)字孿生研究的基礎數(shù)據(jù)支撐。

聶婕等[11]對海洋多模態(tài)智能計算的構想與本文所述智能浮標系統(tǒng)契合，本文構想的智能浮標系統(tǒng)架構作為海洋感知的依托，為海洋多模態(tài)大數(shù)據(jù)內容分析、數(shù)據(jù)和知識協(xié)同的推理決策和演變預測、海洋多模態(tài)大數(shù)據(jù)的交互分析3 個應用場景提供了實現(xiàn)的基礎。智能浮標體系收集到的數(shù)據(jù)建成海洋數(shù)據(jù)庫后，將為海洋科研帶來極大的幫助。除了以上所述的海洋研究外，能運用到海洋數(shù)據(jù)庫的場景還有很多。在智能浮標系統(tǒng)的支持下，人類對海洋的研究探索也將變得安全、便捷。

4.3 軍事用途

智能浮標系統(tǒng)作為一種公共設施廣布于海洋上，除了在民事方面的運用，也可以運用于軍事方面。它分布在中國的領海內，既是對中國海洋主權的象征，也可作為海疆防衛(wèi)的軍事前哨。

（1）水面、水下航行器感知識別

作為海洋的軍事前哨，智能浮標系統(tǒng)將時刻監(jiān)視著海洋的情況，對來往的水面、水下航行器進行感知識別。一般來說，水下的航行器利用聲吶進行探測，水面的航行器利用雷達、視頻監(jiān)控、光學儀器等設備進行探測。水面上，對接入智能浮標系統(tǒng)的船舶，顯示船舶信息，對未接入的船舶以及水下航行器，則記錄其形狀大小、移速和航向等信息，為后續(xù)識別提供參數(shù)。

（2）不明艦艇入侵警告、監(jiān)控

對于感知識別后確定為非法入侵的外國艦艇，利用公頻無線電或聲學設備進行警告，通過覆蓋海域的浮標系統(tǒng)進行連續(xù)跟蹤監(jiān)控，并向數(shù)據(jù)中心進行告警，通過雷達、聲吶和視頻監(jiān)視等探測設備跟蹤顯示入侵艦艇的信息。

（3）戰(zhàn)場態(tài)勢情報收集

在戰(zhàn)場環(huán)境下，收集來往艦艇的信息，統(tǒng)計包括形狀、數(shù)量和編隊情況等在內的情報信息，顯示敵方的畫面信息等，并報送給我方人員。

（4）戰(zhàn)時電磁環(huán)境管控

在戰(zhàn)場環(huán)境下，檢測海洋的電磁環(huán)境，保障我方人員的通信安全與穩(wěn)定；甚至可以在浮標上裝備電磁武器，干擾敵方的電磁信號，為我方創(chuàng)造優(yōu)勢。

智能浮標系統(tǒng)可以成為我國海疆國防建設的重要部分，作為海洋的軍事前哨，實現(xiàn)對海洋的監(jiān)視、管控，以及對戰(zhàn)時的情報收集、電磁環(huán)境管控，為我方創(chuàng)造優(yōu)勢。

5 結語

隨著人們對海洋的探索與開發(fā)需求的增長，海上網(wǎng)絡基礎設施的建設變得更加必要與迫切，海底光纜技術、信息網(wǎng)絡技術、能源技術和超級計算機等前沿技術的發(fā)展，為數(shù)字海洋、透明海洋等前期的科學設想帶來了新的可能與突破。

本文提出的智能浮標系統(tǒng)，建立了1 套將陸地上網(wǎng)絡延伸至海洋的設想，提出了智能浮標的裝備體系與技術架構，構想其應用場景，并分析了實現(xiàn)該系統(tǒng)的關鍵技術。對于文中可能存在的不足與瑕疵，希望后期能在此基礎上不斷完善與創(chuàng)新，從而勾勒并實現(xiàn)人類開發(fā)海洋、利用海洋的美好愿景。