路曉磊,陳默

(1.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033;2.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分,是信息領(lǐng)域的熱點研究問題之一[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能物流、智能家居、智能交通、車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境保護(hù)、公共安全等領(lǐng)域發(fā)展迅速,如小米集團將人工智能物聯(lián)網(wǎng)作為核心戰(zhàn)略,在智能家居領(lǐng)域發(fā)布了智能音箱、智能照明、智能門鎖等多款設(shè)備;京東將依托5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建設(shè)國內(nèi)首個智能物流示范園區(qū);國家電網(wǎng)在“三型兩網(wǎng)”建設(shè)中將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)作為一項重要內(nèi)容。在海洋相關(guān)領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)作為一種前沿技術(shù)尚處于研究起步階段,未來將有極大的發(fā)展空間[2]。本研究對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了概述,探討它在海洋觀測、海島生態(tài)監(jiān)測、海洋牧場監(jiān)測、智能船舶等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展,以期進(jìn)一步促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在我國海洋信息化中的研究發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概念的起源

物聯(lián)網(wǎng)的理念最早出現(xiàn)在比爾·蓋茨1995年出版的《未來之路》一書中。1999年,美國麻省理工學(xué)院自動識別中心提出了網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別系統(tǒng),核心思想是將射頻識別等信息傳感設(shè)備植入物品中,并將其聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng),從而實現(xiàn)物品的智能化識別和管理。2005年,國際電信聯(lián)盟在突尼斯舉行的信息社會世界峰會上發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》,對物聯(lián)網(wǎng)的概念進(jìn)行了正式定義,并介紹了物聯(lián)網(wǎng)的特征、關(guān)鍵技術(shù)、面臨的挑戰(zhàn)和未來前景等。物聯(lián)網(wǎng)是將傳感器技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合,利用智能傳感器將互聯(lián)網(wǎng)用戶終端延伸到任何需要實時管理的物品,實現(xiàn)人與人、人與物、物與物在任何時間、任何地點的互聯(lián)[3]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的基本特征與體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳送和智能處理3個基本特征[4]。其中,全面感知是指利用各種傳感器的感知、捕獲技術(shù)對物體進(jìn)行信息采集和獲取;可靠傳送是指利用各種通信技術(shù)將采集的信息進(jìn)行可靠的交互和共享;智能處理是指利用各種智能計算技術(shù),對海量的感知信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,實現(xiàn)物品的智能化管理。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)一般可以簡易分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個層次,分別對應(yīng)了它的3個基本特征。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

自2005年物聯(lián)網(wǎng)的概念被正式提出以來,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到快速發(fā)展,世界各國紛紛布局物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè),物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為各國綜合國力競爭的重要因素。美國、歐盟、日本、韓國等都將物聯(lián)網(wǎng)作為一項國家戰(zhàn)略大力發(fā)展,都出臺了一系列政策措施和研究計劃。美國作為物聯(lián)網(wǎng)概念的提出者和推動者,在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方面處于領(lǐng)先地位。2009年,美國提出“智慧地球”戰(zhàn)略,并上升為國家戰(zhàn)略?！爸腔鄣厍颉睉?zhàn)略是將IT技術(shù)充分運用到社會生產(chǎn)各個領(lǐng)域,將傳感器嵌入地球各個角落的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備中,利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能管理。歐盟在2009年提出《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》,各國也紛紛啟動各自的研發(fā)計劃。例如,芬蘭聯(lián)合國內(nèi)8所大學(xué)和16家公司于2012年啟動了為期4年、投資5 000多萬歐元的物聯(lián)網(wǎng)研究計劃[5]。日本和韓國也分別推出了“i-Japan”“u-Korea”等戰(zhàn)略,推動物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用。

我國是較早進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)研究和應(yīng)用的國家之一,《2010年政府工作報告》提出“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用”,物聯(lián)網(wǎng)的研究應(yīng)用上升為國家戰(zhàn)略,開啟了我國的物聯(lián)網(wǎng)元年。此后,在“十二五”“十三五”規(guī)劃中物聯(lián)網(wǎng)作為一項戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展和推進(jìn)。與世界先進(jìn)國家比較,在國家戰(zhàn)略層面基本相同,在技術(shù)層面,我國在關(guān)鍵電子元器件、電子芯片、半導(dǎo)體、專用儀器設(shè)備等感知層技術(shù)方面仍有較大差距,在網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層方面相差不大,有些技術(shù)如5G通信等甚至處于“領(lǐng)跑”地位。

2 在海洋相關(guān)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用進(jìn)展

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展和日益成熟,已逐漸應(yīng)用于多個海洋領(lǐng)域。下面僅從海洋觀測、海島生態(tài)監(jiān)測、海洋牧場監(jiān)測和智能船舶4個方面分析物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和研究進(jìn)展。

2.1 海洋觀測領(lǐng)域

海洋在調(diào)節(jié)全球大氣環(huán)流和氣候變化中起著很重要的作用,海洋觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確實時獲取對于海洋科學(xué)研究、環(huán)境預(yù)報和防災(zāi)減災(zāi)等具有重要意義。海洋觀測手段主要包括利用調(diào)查船和潛浮標(biāo)等開展的?；^測,利用衛(wèi)星遙感和航空觀測等開展的天基觀測,以及利用水下傳感器、海底光纖等組成的海底觀測網(wǎng)。在海洋觀測領(lǐng)域,現(xiàn)代海洋觀測技術(shù)正朝著綜合化、立體化、實時化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展[6-8],利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)建立海洋環(huán)境立體觀測體系是海洋領(lǐng)域的一個熱點研究方向。

美國、歐盟、澳大利亞等海洋強國都將海洋信息的智能感知、獲取、傳輸、應(yīng)用列為重點發(fā)展方向。美國國防部高級研究計劃局(DARPA)主導(dǎo)了美國“海洋物聯(lián)網(wǎng)”項目,通過在海洋中部署成千上萬個小型的、低成本的智能漂浮體建立分布式傳感器網(wǎng)絡(luò),每個智能漂浮體內(nèi)搭載相關(guān)傳感器,可收集位置信息和海洋溫度、鹽度、海流等環(huán)境信息,甚至艦船、飛機和海洋生物的活動信息。這些信息通過衛(wèi)星發(fā)送至云端存儲和實時分析,可以獲得廣闊海域的持續(xù)態(tài)勢感知能力。此外,澳大利亞海洋科學(xué)研究所(AIMS)、北約海事研究和實驗中心等機構(gòu)也利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展了相關(guān)研究。

我國正在開展的“透明海洋”工程和海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)都離不開物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2013年,青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室提出了“透明海洋”工程并于2014年全面實施?！巴该骱Ｑ蟆笔侵咐矛F(xiàn)代海洋觀測探測技術(shù)、通信技術(shù)和預(yù)測預(yù)報技術(shù),在天空、海面、海中、海底布放智能觀測探測系統(tǒng),構(gòu)建面向全球海洋環(huán)境和目標(biāo)感知的海洋物聯(lián)網(wǎng)體系,實時獲取綜合海洋環(huán)境信息,可以解決全球氣候變化、海洋態(tài)勢感知等重大科學(xué)問題[9]。在國家“863”計劃等支持下,我國已分別在東海和南海建設(shè)了海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)[10]。隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展,未來有望利用統(tǒng)一、通用的數(shù)據(jù)和接口標(biāo)準(zhǔn)將海底觀測網(wǎng)與衛(wèi)星遙感、水中無人航行器、各個觀測站點、各類潛浮標(biāo)等進(jìn)行協(xié)同工作,形成覆蓋近海、大洋和兩極的層次化、綜合化與智能化的“天-地-?！币惑w化立體觀測網(wǎng)絡(luò)。

2.2 海島生態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域

海島是自然資源的重要組成部分,在海洋經(jīng)濟、科學(xué)研究、領(lǐng)?；c、國防建設(shè)等方面具有重要作用。根據(jù)《中國海域海島標(biāo)準(zhǔn)名錄》顯示,我國目前總計有約11 000多個海島,其中無居民海島占海島總數(shù)的96%[11]。目前海島的開發(fā)和利用狀況不容樂觀,部分無居民海島長期存在無序和無度開發(fā)的情況,而大部分無居民海島由于自然環(huán)境、地理位置、經(jīng)濟效益等因素處于閑置狀態(tài)。隨著國家和地方對海洋經(jīng)濟發(fā)展的重視,部分條件適宜的無居民海島將被更多開發(fā)利用。然而海島遠(yuǎn)離大陸,氣候惡劣,土壤貧瘠,生態(tài)系統(tǒng)相對簡單脆弱,容易受到破壞[12-14]。因此,對海島特別是人類無法輕易到達(dá)的島嶼的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行長期監(jiān)測非常有必要。

傳統(tǒng)的人工定點監(jiān)測效率低下,成本較高,無法長期實時監(jiān)測。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地解決上述問題,通過在海島上部署智能監(jiān)測設(shè)備,如氣象傳感器(溫度、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等)、水文傳感器(海水溫度、鹽度、海流、潮汐等)、水質(zhì)傳感器(葉綠素、p H值、溶解氧等)、植被傳感器、土壤傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等,采集海島的各類環(huán)境數(shù)據(jù)并存儲在島內(nèi)控制中心,島內(nèi)控制中心再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥懮峡刂浦行?實現(xiàn)對海島生態(tài)環(huán)境的長期智能監(jiān)測。海島物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)監(jiān)測特別是無居民海島生態(tài)監(jiān)測的難點在于解決島上供電和網(wǎng)絡(luò)通信的保障問題。

在國際上,牛津大學(xué)的研究人員利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器對Skomer島進(jìn)行了長期監(jiān)測,以研究其氣候變化;德國的亞琛工業(yè)大學(xué)研究人員通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對Rat Mote島鼠類的生活環(huán)境和行為方式進(jìn)行了監(jiān)測。在國內(nèi),常立俠等[15]對海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的概念及模型進(jìn)行了詳細(xì)闡述,吳文周等[16]針對遠(yuǎn)海島礁生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)無法滿足環(huán)境要素實時監(jiān)測和智能處理的需求,研究了遠(yuǎn)海島礁地理環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng),崔振東等[17]針對近海、潮間帶、海島、臨海陸地環(huán)境和生態(tài)的監(jiān)測和評價相關(guān)需求,提出了層次型的海-島感知物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)。中山大學(xué)開展了廣東三角島生態(tài)建設(shè)和生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測項目,通過對三角島生態(tài)修復(fù)過程中生態(tài)要素的監(jiān)測與預(yù)警,建立海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。三角島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的有效建立,對于物聯(lián)網(wǎng)在海島生態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用具有重要的示范意義。

2.3 海洋牧場監(jiān)測領(lǐng)域

海洋牧場能夠有效拓展海洋漁業(yè)發(fā)展空間,促進(jìn)海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展,是解決海洋經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間矛盾的重要手段[18]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的海洋牧場管理方式已不能滿足時代要求,海洋牧場的信息化和智慧化將成為新的發(fā)展趨勢。利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等手段建設(shè)智慧型海洋牧場,可以實現(xiàn)海洋牧場的智能化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化,有利于提高海洋牧場管理水平、生產(chǎn)效率、環(huán)境承載力和抗風(fēng)險能力[19]。

在國際上,日本作為海洋漁業(yè)大國,最先提出了海洋牧場的概念,海洋牧場的建設(shè)處于國際領(lǐng)先水平,海洋牧場已逐漸向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展[20]。例如:研發(fā)了利用太陽能運行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,利用傳感器和機器學(xué)習(xí)技術(shù)來監(jiān)測魚類的行為以及確定喂食時間;利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控海洋牧場水質(zhì)環(huán)境、人工魚礁、智能網(wǎng)箱等。美國農(nóng)業(yè)食品巨頭嘉吉公司發(fā)布了一款漁業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺,利用移動設(shè)備和傳感器監(jiān)測海洋牧場的環(huán)境數(shù)據(jù)、水質(zhì)、魚蝦大小、喂食模式等,并利用衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偛?。在國?nèi),我國已先后建設(shè)了232個海洋牧場,86個國家級海洋牧場示范區(qū)[21],大部分海洋牧場的日常管理與信息化無緣,基本依靠人工經(jīng)驗,海洋牧場信息化建設(shè)空間廣闊。王恩辰等[22]對智慧海洋牧場的概念、特征等進(jìn)行了闡述;石堯等[23]設(shè)計了海洋牧場多參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng),對利用物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測海洋牧場水質(zhì)進(jìn)行了有益探索。具體應(yīng)用方面,海南陵水成功部署了基于5G和物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)箱生物環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng),通過采集深海養(yǎng)殖場的水溫、鹽度、溶解氧等環(huán)境數(shù)據(jù)和實時視頻監(jiān)控數(shù)據(jù),對網(wǎng)箱內(nèi)的海洋環(huán)境和魚類行為異常進(jìn)行有效預(yù)警,漁民通過手機App就可以實時監(jiān)控養(yǎng)殖場水下情況。

2.4 智能船舶領(lǐng)域

智能船舶融合了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)手段,能夠?qū)崿F(xiàn)船舶自身、港口、物流等信息的自動感知,是未來船舶發(fā)展的主要趨勢。目前世界主要造船國家均在大力推進(jìn)智能船舶的研制與應(yīng)用,但總體上,智能船舶仍處于探索和發(fā)展的初級階段,智能感知等核心技術(shù)尚未突破,智能技術(shù)工程化應(yīng)用程度有限。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能船舶領(lǐng)域,可以在船舶智能生產(chǎn)、自動航行、貨物管理等方面發(fā)揮重要作用。

在國際上,韓國造船業(yè)正致力于智能船舶的開發(fā),大宇造船利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了沒有圖紙也可以自動化生產(chǎn)船用配件的智能工程,并且計劃引進(jìn)英特爾船舶物聯(lián)網(wǎng)解決方案;三星重工獲得了美國船級社頒發(fā)的全球首個關(guān)于智能船舶解決方案的網(wǎng)絡(luò)安保技術(shù)認(rèn)證。日本郵船集團與挪威Dualog和NTT集團開展了船舶物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研發(fā)試驗。在國內(nèi),2018年,工業(yè)和信息化部、交通運輸部、國防科工局聯(lián)合印發(fā)了《智能船舶發(fā)展行動計劃(2019—2021年)》,作為我國智能船舶領(lǐng)域的指導(dǎo)性文件,該計劃指出要重點突破船舶智能感知、智能航行、網(wǎng)絡(luò)通信等關(guān)鍵技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在其中可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。虞麗娟[24]等和李加林[25]研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)海漁船調(diào)度技術(shù),苑曉龍[26]研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的系泊船舶監(jiān)測系統(tǒng)。中國船舶重工集團公司第七○二研究所開發(fā)了用于監(jiān)測船體結(jié)構(gòu)安全的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),已應(yīng)用于“蛟龍”號和“深海勇士”號載人潛水器以及多型水面艦船等。

3 結(jié)束語

海洋作為蘊含著巨大自然資源的寶庫,也是國家重要的戰(zhàn)略發(fā)展空間。海洋信息化是建設(shè)海洋強國的關(guān)鍵一環(huán),加快建設(shè)以信息為主導(dǎo)的“智慧海洋”,可以有效提升我國開發(fā)和管控海洋的能力,是發(fā)展海洋經(jīng)濟、保護(hù)海洋環(huán)境、建設(shè)海洋強國的時代要求[27-28]。物聯(lián)網(wǎng)具有智能化、小型化、低成本、低功耗、低時延等優(yōu)勢,是實現(xiàn)海洋透徹感知、加快海洋信息化建設(shè)的重要技術(shù)手段之一。目前,我國的海洋物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)面臨自主產(chǎn)權(quán)的核心海洋傳感器缺乏,深遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)實時傳輸能力不足,信息安全等一系列問題。構(gòu)建海洋物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵在于突破核心海洋傳感器研制,以及海洋衛(wèi)星通信網(wǎng)組建,實現(xiàn)天空、海面、海中、海底的一體化感知探測。