曹海,李丹,彭偉,徐曉丹,王厚軍

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

0 引言

進入21世紀(jì),海洋再度成為世界關(guān)注的焦點,特別是沿海國家的戰(zhàn)略地位空前提升。我國作為海洋大國,近年來海洋事業(yè)在國家經(jīng)濟社會發(fā)展中的戰(zhàn)略地位和作用日益凸顯。黨的十八大報告提出“提高海洋資源開發(fā)能力,發(fā)展海洋經(jīng)濟,保護海洋生態(tài)環(huán)境,堅決維護國家海洋權(quán)益,建設(shè)海洋強國”;黨的十九大報告中提出“堅持陸海統(tǒng)籌,加快建設(shè)海洋強國”。由于歷史原因和國際政治外交形式的風(fēng)云變化,我國海洋權(quán)益面臨錯綜復(fù)雜的形勢,圍繞資源爭奪、島礁主權(quán)、海域劃分和通道安全的爭端態(tài)勢進一步加劇,島嶼侵占、資源盜采、非法測繪、非法捕撈、非法闖入等行為頻發(fā),但由于缺乏行之有效的管控手段,我國大部分管轄海域尚未實現(xiàn)全面監(jiān)控,只能依靠執(zhí)法船巡航、近岸監(jiān)控視頻、衛(wèi)星遙感等被動的手段予以應(yīng)對,且各種監(jiān)視系統(tǒng)間缺乏信息共享,協(xié)同監(jiān)視能力弱、時效性差,缺少統(tǒng)一調(diào)度與管理機制,嚴(yán)重制約了我國海洋強國戰(zhàn)略的深入實施。

1 現(xiàn)狀分析

我國涉海主要管理業(yè)務(wù)可分為海洋資源開發(fā)利用監(jiān)管、海洋生態(tài)環(huán)境保護、海上交通運輸保障、領(lǐng)海主權(quán)維護和違法走私活動監(jiān)管[1]5類,其中海洋資源開發(fā)利用監(jiān)管按資源屬性不同又可劃分為對海洋生物資源、海底礦產(chǎn)資源、海水資源、海洋能資源和海洋空間資源等的開發(fā)利用管理[2-3]。近年來,圍繞國家海洋強國戰(zhàn)略,針對提升海洋監(jiān)管能力的各類平臺、管理系統(tǒng)紛紛研制部署并投入使用,其中比較典型的有原國家海洋局牽頭建設(shè)的“國家海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)”[4]、北京海蘭信數(shù)據(jù)科技股份有限公司等5家涉海公司合作共建的“中國近海雷達綜合監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)[5]”、各級海事局組織研建的“船舶交通管理系統(tǒng)(vessel traffic service,VTS)”[6],中國電子科技集團公司建設(shè)的覆蓋海南近海的“藍海信息網(wǎng)絡(luò)示范系統(tǒng)[7]”等。其中:國家海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng),采用光纖專線、3G/4G 基站通信、衛(wèi)星通信、無人機微波數(shù)據(jù)鏈等通信手段,應(yīng)用衛(wèi)星遙感、航空(有人機、無人機)遙感、近岸視頻監(jiān)控、無人機移動監(jiān)測平臺等集成裝備,對我國近岸海域(內(nèi)水和領(lǐng)海)資源及其開發(fā)利用狀況進行立體化實時監(jiān)測,應(yīng)用主體為國家、省、市、縣四級海洋部門,已形成了較為成熟的業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、人員保障體系和網(wǎng)絡(luò)傳輸體系。中國近海雷達綜合監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)采用光纖通信、微波通信等通信手段,應(yīng)用雷達、視頻監(jiān)控、船舶自動識別(AIS)、顯示終端等集成裝備,解決近海小目標(biāo)綜合管理問題,如非法捕魚、非法采砂,實現(xiàn)對近海20 n mile范圍內(nèi)的大中型船舶跟蹤監(jiān)視,在天津、江蘇、浙江、福建、海南5地漁業(yè)管理部門實現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用。船舶交通管理系統(tǒng)采用甚高頻無線通信(VHF),應(yīng)用雷達、視頻監(jiān)控、船舶自動識別(AIS)、水文氣象系統(tǒng)、交通顯示系統(tǒng)等集成裝備,以保障船舶航行安全為目的,對船舶實施交通組織,監(jiān)督船舶遵守航行規(guī)則,向有關(guān)活動提供聯(lián)動行動支持等,我國沿海和內(nèi)河已建成VTS共有20個,基本覆蓋了沿海大部分港口重要水域和長江干線下游的重要航段。藍海信息網(wǎng)絡(luò)示范系統(tǒng)采用光纖、短波、LTE、北斗、Ku衛(wèi)通、微波、散射等通信手段,采用以錨泊浮臺、島礁信息系統(tǒng)、岸島觀測系統(tǒng)、綜合電子實驗船為基礎(chǔ),集成各型雷達、視頻監(jiān)控、AIS、電磁偵測、無人艇等集成裝備,以解決海上信息通信不暢為目的,可按需在各種海洋環(huán)境進行部署,實現(xiàn)大范圍覆蓋的海洋綜合信息網(wǎng)絡(luò),在海南局部地區(qū)進行示范驗證,為海警、邊防、地方海上執(zhí)法部門開展業(yè)務(wù)工作提供可靠的通信基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

綜合來看,當(dāng)前應(yīng)用在我國海上監(jiān)管的監(jiān)測手段按照信息獲取方式的不同可分為主動式和被動式兩種,其中主動式有各型雷達、視頻監(jiān)控、衛(wèi)星遙感、航空遙感、水下聲吶等,被動式主要為船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)和電磁偵測;通信手段有光纖通信、衛(wèi)星通信、微波數(shù)據(jù)鏈、散射通信、短波通信等,數(shù)據(jù)獲取和傳輸方面技術(shù)日趨成熟,已經(jīng)在我國海洋監(jiān)管中發(fā)揮重要作用,但由于各建設(shè)主體相對獨立且業(yè)務(wù)應(yīng)用側(cè)重點不同,導(dǎo)致不同信息系統(tǒng)間不互通、建設(shè)內(nèi)容重復(fù)。同時,我國現(xiàn)階段海域監(jiān)管仍以近岸海域為主,對比“美國廣域海上監(jiān)視系統(tǒng)(BAMS)”“歐洲海上邊界監(jiān)視系統(tǒng)”“日本基于MDA 的海洋監(jiān)視系統(tǒng)”“俄羅斯海岸統(tǒng)一監(jiān)視系統(tǒng)”等傳統(tǒng)海洋強國已建成的海上目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng),我國在識別監(jiān)視中遠海的海洋違法行為和海洋侵權(quán)行為,特別是應(yīng)對違法入侵、非法測繪、違法捕撈、資源盜采等問題在早期預(yù)警方面技術(shù)手段薄弱,在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)綜合處理和多手段協(xié)同監(jiān)視方面同發(fā)達國家相比差距明顯,亟待進一步加強。

2 設(shè)計思路

海上目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)手段按空間維度不同可劃分為“天基、空基、岸基、船基”4 個部分。其中“天基”監(jiān)測手段主要為高分辨率遙感衛(wèi)星(光學(xué)、SAR);“空基”監(jiān)測手段為有人機、無人機,可搭載可見光、多光譜、SAR 等任務(wù)載荷;“岸基”監(jiān)測手段為布放在近岸或島礁上的定點監(jiān)視平臺,可搭載雷達、AIS、光電監(jiān)視、電磁偵測等設(shè)備;“船基”監(jiān)測手段為綜合電子實驗船、海上錨泊浮臺[8]、海上民兵船、無人艇等海面監(jiān)視平臺,可搭載雷達、AIS、電磁偵測、光電監(jiān)視、聲吶等設(shè)備。

構(gòu)建我國海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng),應(yīng)充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ),集成自主研發(fā)的“天、空、船、岸”技術(shù)裝備和安全可靠的信息傳輸技術(shù)手段,利用天基、岸基、錨泊浮臺等進行大范圍常態(tài)化運行,空基、電子實驗船等例行巡航監(jiān)測,民兵船機動發(fā)現(xiàn)輔助;通過對采集到的海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行快速深度融合處理[9-10]形成全局態(tài)勢,并利用規(guī)則模板和知識庫匹配方法監(jiān)視海上目標(biāo)的異常行為,實現(xiàn)大范圍早期預(yù)警;基于早期預(yù)警輔助決策,通過多級指揮調(diào)度體系對所有平臺進行統(tǒng)一任務(wù)調(diào)度,實現(xiàn)對預(yù)警目標(biāo)的連續(xù)跟蹤監(jiān)視,必要情況下可進行抵近偵察確認(rèn)目標(biāo)違法狀態(tài),并將生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)推送至國家管理部門。

海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)從研究內(nèi)容上可劃分為對目標(biāo)感知、通信傳輸、系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)處理與業(yè)務(wù)應(yīng)用等的研究,按照體系工程的研究方法將上述研究內(nèi)容進行劃分。

2.1 海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)總體設(shè)計

圍繞海上目標(biāo)識別與監(jiān)視實際業(yè)務(wù)需求,設(shè)計異構(gòu)系統(tǒng)總體架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、工作模式、運行保障等內(nèi)容,統(tǒng)籌設(shè)計各分系統(tǒng)的功能、性能、接口等,并制定相應(yīng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和運行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2.2 天空多源遙感融合廣域目標(biāo)識別與監(jiān)視技術(shù)研究

設(shè)計天空基廣域監(jiān)視分系統(tǒng)的功能組成、層次參考模型和系統(tǒng)主要工作流,構(gòu)建天空基廣域監(jiān)視平臺感知體系,通信傳輸體系和處理體系,充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ),集成多類遙感衛(wèi)星和多型航空平臺監(jiān)視手段,研建天空基廣域監(jiān)視分系統(tǒng),開展天空一體化海洋遙感資源任務(wù)規(guī)劃,以及多源多時相遙感數(shù)據(jù)分析處理等技術(shù)研究,實現(xiàn)對廣域海上典型目標(biāo)的識別和監(jiān)視功能,形成大范圍預(yù)警能力。

2.3 船基多源數(shù)據(jù)融合目標(biāo)識別與監(jiān)視技術(shù)研究

開展船基多傳感器協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合等技術(shù)研究,集成示范船、船載無人機、船載無人艇、錨泊浮臺和海上民兵船等海面平臺監(jiān)視手段,以應(yīng)急監(jiān)視為主、常規(guī)監(jiān)視為輔研建船基前指監(jiān)視分系統(tǒng),形成海上柵格預(yù)警體系。充分發(fā)揮船基機動優(yōu)勢,實現(xiàn)對海上目標(biāo)的遠距離跟蹤監(jiān)視、抵近偵察和綜合研判功能,形成遠距離預(yù)警和目標(biāo)識別跟蹤能力。

2.4 岸基多源傳感器一體化目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)研究

開展岸基多元傳感器一體化協(xié)同監(jiān)視,以及基于全球AIS數(shù)據(jù)的異常行為分析等技術(shù)研究,集成多點位岸基遠近程監(jiān)視平臺(含島礁布設(shè)),接入海上錨泊浮臺數(shù)據(jù),結(jié)合綜合業(yè)務(wù)管理平臺推送的天基、空基、船基等方面的支援?dāng)?shù)據(jù),以全天候常規(guī)模式為主、應(yīng)急模式為輔研建岸基聯(lián)合監(jiān)視分系統(tǒng),從而形成不同傳感器相互引導(dǎo)、接力等一體化協(xié)同監(jiān)視能力,實現(xiàn)對海上動態(tài)目標(biāo)的有效識別和連續(xù)跟蹤。

2.5 一體化可靠傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[11]

基于現(xiàn)有國家海洋通信專網(wǎng)為基礎(chǔ),利用光纖、衛(wèi)星通信(包括商用衛(wèi)星)、散射、微波、VHF、短波、北斗、LTE和大S等通信手段,以通信自組織網(wǎng)為設(shè)計思想,研究通信動態(tài)快速重構(gòu)技術(shù),形成基于IP的海洋異構(gòu)自組織綜合通信網(wǎng)主體架構(gòu),實現(xiàn)基于異構(gòu)通信集成隨遇接入與可靠傳輸?shù)囊惑w化通信網(wǎng)系統(tǒng),逐步構(gòu)建覆蓋我國近海海域的海上通信保障體系,提供海上船-船、船-島、船-無人機、船-無人艇、船-岸、船-浮臺、岸-島、岸-浮臺、岸-無人機、島-島之間的寬、窄帶通信能力,局域支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、圖像、視頻等形式的綜合信息服務(wù),同時可將獲取的數(shù)據(jù)及處理成果通過海洋通信專網(wǎng)傳送至數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心。

2.6 綜合系統(tǒng)集成與業(yè)務(wù)化應(yīng)用

開展多基協(xié)同典型海上目標(biāo)大范圍早期預(yù)警技術(shù),基于機器學(xué)習(xí)的海上目標(biāo)識別與跟蹤技術(shù),面向任務(wù)的多基協(xié)同連續(xù)監(jiān)控技術(shù),面向海上目標(biāo)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)深度融合技術(shù),基于大數(shù)據(jù)目標(biāo)行為分析預(yù)測技術(shù)等技術(shù)研究。開發(fā)數(shù)據(jù)綜合處理服務(wù),目標(biāo)識別與監(jiān)視業(yè)務(wù)管理服務(wù),指揮調(diào)度服務(wù)和運行保障服務(wù)等應(yīng)用軟件,構(gòu)建綜合業(yè)務(wù)管理平臺。通過通信集成、數(shù)據(jù)集成、業(yè)務(wù)集成和功能集成,集成“天、空、船、岸”各分系統(tǒng),形成最終的海上目標(biāo)識別與監(jiān)視示范系統(tǒng)。

3 架構(gòu)體系

海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)從感知、傳輸、處理和應(yīng)用4個層面開展異構(gòu)系統(tǒng)集成的總體設(shè)計?；凇疤?、空、船、岸”多基異構(gòu)系統(tǒng),集成并構(gòu)建海上目標(biāo)識別與監(jiān)視立體感知手段?；诤Ｉ蠎?yīng)用場景,集成并建立一體化安全可靠傳輸網(wǎng)絡(luò)。利用多源數(shù)據(jù)深度融合、大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)[12]等技術(shù),實現(xiàn)對海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的分析處理。研制綜合業(yè)務(wù)管理平臺,完成數(shù)據(jù)產(chǎn)品到業(yè)務(wù)支撐的跨越,實現(xiàn)對海上目標(biāo)識別監(jiān)視,滿足大范圍早期預(yù)警和連續(xù)跟蹤監(jiān)視業(yè)務(wù)需求。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)總體架構(gòu)

我國管轄海域的特點是海岸線長、跨度大,南海、東海、北海三大海區(qū)業(yè)務(wù)內(nèi)容各有側(cè)重,特征顯著。同時,黨的十九屆三中全會以來,隨著黨和國家機構(gòu)改革的推進,新成立自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、中國海警局,將涉海管理依據(jù)資源、生態(tài)、執(zhí)法進行劃分,海上交通仍由海事局負(fù)責(zé),使新時期涉海管理業(yè)務(wù)更加清晰具體,為進一步全面提升海洋管理水平明確方向[13-15],對現(xiàn)有的技術(shù)能力優(yōu)化整合提出更高要求,推動海域監(jiān)管能力更好地滿足業(yè)務(wù)需求,支撐業(yè)務(wù)工作。

以往信息化監(jiān)管系統(tǒng)由各海洋業(yè)務(wù)主管部門結(jié)合實際需求自行組織建設(shè),包含部署終端設(shè)備、搭建通信鏈路、研制軟件平臺等全部過程,這種方式優(yōu)勢是業(yè)務(wù)針對性強,缺點為建設(shè)周期長、研制和維護成本高,資源浪費嚴(yán)重,故可嘗試采用“技術(shù)支撐”和“業(yè)務(wù)管理”分離的方式進行。

從國家層面明確建設(shè)和維護的責(zé)任主體機構(gòu),充分調(diào)研和分析當(dāng)前主要需求矛盾和技術(shù)能力現(xiàn)狀,以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ),制定標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口、服務(wù)、架構(gòu)體系,牽頭搭建國家級“海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)”應(yīng)用管理中心,并負(fù)責(zé)所有相關(guān)技術(shù)能力建設(shè)、升級及維護,包含硬件裝備、通信鏈路、核心數(shù)據(jù)庫、信息安全策略、數(shù)據(jù)綜合處理等。業(yè)務(wù)管理部門可結(jié)合自身實際業(yè)務(wù)需求向數(shù)據(jù)中心申請?zhí)囟ǖ臄?shù)據(jù)支持,開通指定數(shù)據(jù)的共享和使用權(quán)限,同時業(yè)務(wù)部門也可就數(shù)據(jù)要求和處理結(jié)果提出定制要求,在大幅度降低建設(shè)成本的同時,提升系統(tǒng)的利用率,也避免業(yè)務(wù)管理部門系統(tǒng)維護成本,業(yè)務(wù)支撐示意如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)管理支撐

4 結(jié)語

綜合判斷,在未來相當(dāng)長的時期內(nèi),維護國家海洋權(quán)益將面臨諸多挑戰(zhàn),形勢日趨復(fù)雜,提升我國管轄海域監(jiān)管能力,特別是大范圍主動式預(yù)警監(jiān)測能力已經(jīng)刻不容緩。新形勢下,以黨中央提出的“海洋強國建設(shè)”戰(zhàn)略部署為指導(dǎo),按照“強化體系、提升能力、深化應(yīng)用”的思路,突破各項關(guān)鍵技術(shù)研究,充分利用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)并挖掘潛力,逐步構(gòu)建對我國管轄海域的“全覆蓋、立體化、高精度”的海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng),維護國家海洋戰(zhàn)略權(quán)益,還需不斷的探索和努力。