王冬海，戴 磊，周鎮(zhèn)宇

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

世界格局調(diào)整持續(xù)深化，打造先進(jìn)級(jí)的海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系，已成為支撐國家海洋戰(zhàn)略發(fā)展的重要手段，固定海洋信息裝備是構(gòu)建海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系的重要基礎(chǔ)。伴隨海洋工程、電子信息等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，多樣化的海洋信息裝備不斷涌現(xiàn)，逐步驗(yàn)證了海洋信息裝備工作機(jī)理及綜合服務(wù)能力，但實(shí)踐中仍存在綜合搭載能力較弱、長期有效服務(wù)能力不足、擴(kuò)展性和通用性不強(qiáng)等問題，難以應(yīng)對(duì)各類用戶日趨多樣化、綜合化的業(yè)務(wù)需求。本文在綜合論述海洋信息裝備發(fā)展現(xiàn)狀和問題的基礎(chǔ)上，探討了海洋固定信息裝備的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種高穩(wěn)性、可靈活部署的浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)，可作為海上信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要支點(diǎn)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海洋信息裝備主要是指海洋信息感知、傳送、處理、存儲(chǔ)、應(yīng)用、管控、服務(wù)、保障的信息裝備和輔助裝備，科技含量高，具有高投入、高附加值、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，是海洋安全的基石，產(chǎn)業(yè)輻射能力強(qiáng)，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)作用大。以獲取海洋基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)為目的，采用必要的信息感知、信息傳送、信息融合等技術(shù)手段，在海洋實(shí)體平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)海洋信息的物化表達(dá)；按照信息獲取手段、海上平臺(tái)屬性，可以進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)的分類，從海洋平臺(tái)的能動(dòng)性進(jìn)行劃分，可以分為固定海洋信息裝備、機(jī)動(dòng)海洋信息裝備和海洋信息服務(wù)裝備，本文著重講述固定海洋信息裝備。國內(nèi)外在海上信息裝備上已經(jīng)開展了幾十年的的研究應(yīng)用，已形成部分成熟產(chǎn)品，但主要研究工作仍聚焦在用于感知設(shè)備搭載的海洋信息裝備研究。目前，固定海洋信息裝備按照搭載裝備形態(tài)劃分，可以分為浮標(biāo)型、船載型和平臺(tái)型[1]。

1.1 浮標(biāo)型固定海洋信息裝備

浮標(biāo)型固定海洋信息裝備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部署靈活、海域適應(yīng)性強(qiáng)、功耗與成本不高以及適合大量部署等特點(diǎn)，在環(huán)境要素的綜合采集方面應(yīng)用最為廣泛[2]。

海洋浮標(biāo)在結(jié)構(gòu)上通常是小型的系留平臺(tái)，但較大的海洋浮標(biāo)平臺(tái)直徑也可超過10 m，在供電方面一般采用太陽能及蓄電池，可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行近實(shí)時(shí)傳輸，具有較小體量的設(shè)備搭載能力。如美國NOAA研制的系列浮標(biāo)，其平臺(tái)直徑在1.5～12.0 m，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多海洋信息感知傳感器的綜合搭載[3]；美國伍茲霍爾研究所設(shè)計(jì)的水下剖面信息測(cè)量浮標(biāo)[4]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)6 000 m水深以內(nèi)的剖面流速和水文資料觀測(cè)；挪威OCEANOR公司設(shè)計(jì)的海上風(fēng)剖面浮標(biāo)SEAWATCH Wind LiDAR，可以搭載激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)[5]；美國NOAA的海嘯浮標(biāo)DART，能夠?qū)崿F(xiàn)5 000 m水深以下海域的海嘯信息測(cè)量[6]；荷蘭Datawell公司設(shè)計(jì)的波浪浮標(biāo)——波浪騎士[7]，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)3年的自主波浪測(cè)量。我國在通用型浮標(biāo)方面也開展了大量工作，其中，國家海洋局研制的白龍浮標(biāo)，可以觀測(cè)海表相對(duì)濕度、雨量、氣溫、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、長波及短波輻射等氣象及環(huán)境要素，還可采集海洋表層至深層海水溫度、鹽度、海流及溶解氧等重要海洋參數(shù)，最大部署深度也能夠達(dá)到7 000 m[8]；中科院研制的深海多參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸浮標(biāo)，集成了氣象、剖面海流及剖面溫鹽等諸多傳感器，可以近實(shí)時(shí)地獲取海面氣象、水文等資料[9]。

通用型的系留浮標(biāo)由于技術(shù)成熟度不斷提高，致使其研制成本低、可靠性及推廣性較強(qiáng)，目前應(yīng)用部署已較為廣泛，但受到結(jié)構(gòu)尺寸、供電能力等制約，連續(xù)工作能力普遍不足，后期維修維護(hù)成本高，難以滿足日趨多樣化、綜合化的海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

1.2 船載型海洋信息裝備

船載型海洋信息裝備主要依托船舶平臺(tái)作為任務(wù)電子信息系統(tǒng)的載體。該類裝備具有良好的機(jī)動(dòng)性，可以對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行大范圍的海域調(diào)研。同時(shí)，其搭載空間和供電能力也能夠滿足大部分海洋觀測(cè)設(shè)備的搭載。

目前，國外已經(jīng)建有大量的船載型海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)裝備，比如，較為先進(jìn)的有美國BruceC.Heeze號(hào)綜合調(diào)查船，船上裝備12 000 m海深測(cè)深儀、CTD、多波束、淺地層剖面儀、磁力儀、ADCP、聲速系統(tǒng)以及海洋表面溫度測(cè)量系統(tǒng)等，能夠滿足開展海洋物理、化學(xué)、地磁、水文、地震及聲學(xué)等多種學(xué)科的海洋綜合調(diào)查；日本水產(chǎn)綜合研究中心的“陽光丸”漁業(yè)調(diào)查船總重991 000 kg，航速13節(jié)，續(xù)航力5 760 n mile[10]；美國“Marcus G.Langseth”海底地質(zhì)調(diào)查船，安裝了Syntrak 960-24地震記錄系統(tǒng)和氣動(dòng)生源陣列拖曳系統(tǒng)等，具有全面的地球物理學(xué)和地質(zhì)地震探索能力[11]；美國海岸警衛(wèi)隊(duì)的“北極星”號(hào)極地調(diào)查船，具備功能先進(jìn)的破冰和抗橫傾系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)冰區(qū)的研究和保障[12]。

我國在船載海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)方面也開展了大量的工作。其中，中科院的“科學(xué)”號(hào)調(diào)查船是我國目前最大的綜合科考船[13]，安裝了自動(dòng)氣象站、萬米測(cè)深儀、ADCP、雙頻回聲測(cè)深儀等儀器以及輔助設(shè)備，船上還設(shè)置地震實(shí)驗(yàn)室、地貌實(shí)驗(yàn)室、磁力實(shí)驗(yàn)室、氣象實(shí)驗(yàn)室、干濕實(shí)驗(yàn)室以及重力實(shí)驗(yàn)室等；我國自行設(shè)計(jì)建造的“海洋六號(hào)”地質(zhì)調(diào)查船，配有4 000 m級(jí)深海水下機(jī)器人、深水多波束測(cè)深系統(tǒng)、深水淺地層剖面系統(tǒng)、長排列大容量高分辨率地震采集系統(tǒng)等多種高科技調(diào)查設(shè)備[14]；中科院南海所“實(shí)驗(yàn)1號(hào)”調(diào)查船是我國第一艘以水聲調(diào)查為主的科研船，長60.9 m，滿足DNVsilent-a級(jí)噪聲要求，船舶搭載有舷側(cè)水聽陣，可用于監(jiān)測(cè)水下的目標(biāo)。

船載型海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)，一般具有較為出色的搭載能力、機(jī)動(dòng)能力和環(huán)境適應(yīng)能力，但由于其裝備建造和運(yùn)營均具有很高的成本，裝備的經(jīng)濟(jì)性不高，而且不適宜在特定區(qū)域開展長期持續(xù)觀測(cè)。

1.3 平臺(tái)型海洋信息裝備

在浮標(biāo)型和船載型裝備以外，依托島礁平臺(tái)、海油平臺(tái)等海洋固定式或浮動(dòng)式平臺(tái)上搭載海洋電子信息系統(tǒng)也成為一種重要裝備形式。海洋平臺(tái)通常結(jié)構(gòu)尺寸較大，具有足夠的部署空間和能源供應(yīng)，可支撐搭載的海洋儀器持續(xù)工作。比較有代表性的有韓國在蘇巖礁建造的海洋平臺(tái)，該平臺(tái)利用風(fēng)能、太陽能和油機(jī)供電，其上搭載衛(wèi)通、雷達(dá)、氣象設(shè)備等海洋儀器[15]；美國的?；鵛波段雷達(dá)系統(tǒng)采用海洋平臺(tái)改建，搭載了SBX雷達(dá)，對(duì)空探測(cè)距離達(dá)4 800 km，同時(shí)搭載了大量的海面探測(cè)設(shè)備，可以對(duì)所在海域的綜合信息進(jìn)行探測(cè)[16]；唐山航島海洋重工有限公司設(shè)計(jì)的桁架式超大型海上平臺(tái)“航島”，是長300 m、有1×108kg排水量的海上超大型浮式平臺(tái)，可以為海洋觀測(cè)裝備提供充足的搭載環(huán)境和搭載條件。平臺(tái)型海洋裝備一般能夠?yàn)槿蝿?wù)電子系統(tǒng)提供充足搭載空間和保障能力，可以在海況惡劣海域長期定位觀測(cè)，但是其造價(jià)和維護(hù)成本過高，難以大范圍推廣。

1.4 存在問題分析

總體而言，我國近海海域的海上固定信息裝備多以小型浮標(biāo)為主，節(jié)點(diǎn)搭載能力差、監(jiān)測(cè)能力低、監(jiān)測(cè)范圍小、能源供應(yīng)有限，難以應(yīng)用于中遠(yuǎn)海域布放、大載荷搭載以及長期持續(xù)的監(jiān)視應(yīng)用，難以適用海上多用戶的業(yè)務(wù)發(fā)展及使用要求；而對(duì)于船載和平臺(tái)型裝備，其搭載能力和供電能力均滿足大量設(shè)備的搭載需求，但考慮其造價(jià)與維護(hù)成本高昂，無法實(shí)現(xiàn)大范圍的推廣使用。各類裝備特點(diǎn)如表1所示。

表1 現(xiàn)有海洋信息裝備特點(diǎn)分析

面向網(wǎng)絡(luò)信息體系綜合業(yè)務(wù)發(fā)展支撐需求，急需發(fā)展一型適應(yīng)惡劣海洋環(huán)境、能源及通信保障能力強(qiáng)、具備綜合搭載能力的海洋平臺(tái)信息裝備作為海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系的核心節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)間的信息組網(wǎng)破解海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系發(fā)展瓶頸。該型海洋平臺(tái)信息裝備應(yīng)具備抗海洋復(fù)雜環(huán)境的高穩(wěn)定平臺(tái)基礎(chǔ)、多能互補(bǔ)智能供電保障以及集感傳用管一體化的綜合電子信息支撐等能力。

2 海洋信息裝備技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

海洋信息裝備涉及的技術(shù)主要包括海上聯(lián)合感知技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、海洋信息服務(wù)技術(shù)及相關(guān)海洋工程、平臺(tái)和能源技術(shù)。隨著全球?qū)Ｑ笮畔a(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)注度的提高，利用新興技術(shù)促進(jìn)海上組網(wǎng)技術(shù)和信息服務(wù)技術(shù)的發(fā)展必將成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。以下重點(diǎn)介紹海洋組網(wǎng)技術(shù)和海洋信息服務(wù)技術(shù)。

2.1 海洋組網(wǎng)技術(shù)

類似目前陸基信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)，海洋信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展也將向多維組網(wǎng)、寬帶組網(wǎng)、智能組網(wǎng)方向發(fā)展。

2.1.1 天空岸海潛一體化組網(wǎng)技術(shù)

海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系面對(duì)全球部署的戰(zhàn)略要求，還存在不少現(xiàn)實(shí)問題，如網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域有限、未實(shí)現(xiàn)天地一體化組網(wǎng)、關(guān)鍵時(shí)刻響應(yīng)慢、難以保障涉海用戶的應(yīng)用需求、應(yīng)急服務(wù)能力跟不上等。為此，亟需吸納各種網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，利用多維組網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建天空岸海潛一體化的綜合信息網(wǎng)絡(luò)。

目前，天基信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，近期，國內(nèi)高通量(Ka，中星16)、大S紛紛投入使用，國外星鏈、OneWeb等已發(fā)低軌Ka衛(wèi)星。從長期發(fā)展趨勢(shì)看，伴隨發(fā)射成本(SpaceX的可回收火箭)、衛(wèi)星成本(皮納星)大幅降低，低軌小衛(wèi)星的商業(yè)化運(yùn)營可行性大幅提高，全球覆蓋的普惠性通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及商業(yè)運(yùn)營已成為可能。伴隨低軌衛(wèi)星、高通量衛(wèi)星、皮納星等技術(shù)的快速發(fā)展，天基信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)競(jìng)爭(zhēng)正進(jìn)入全新的階段。

以臨近空間長航時(shí)無人機(jī)和平流層飛艇作為平臺(tái)，在海上信息覆蓋范圍內(nèi)，其組網(wǎng)能力將達(dá)到數(shù)千兆字節(jié),對(duì)多用戶的寬帶通信將起到有效的保障，特別是在海上執(zhí)行大型任務(wù)時(shí)，其通信作用將會(huì)異常突出。谷歌、facebook也在積極探索浮空氣球及長航時(shí)無人機(jī)通信服務(wù)，其中，谷歌氣球已孵化成功，facebook長航時(shí)無人機(jī)項(xiàng)目已宣告失敗?？傮w而言，目前臨空平臺(tái)組網(wǎng)尚在研究階段。

2.1.2 新一代超寬帶信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

針對(duì)不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與視頻業(yè)務(wù)的寬帶信息傳送要求，應(yīng)利用寬帶衛(wèi)星通信鏈路、微波級(jí)聯(lián)組網(wǎng)手段、超短波寬帶通信手段以及散射通信手段等綜合組網(wǎng)，快速構(gòu)建成新一代海上寬帶信息網(wǎng)絡(luò)，解決寬帶信息業(yè)務(wù)傳送和應(yīng)急信息傳送業(yè)務(wù)的急需。

2.1.3 海上機(jī)固結(jié)合組網(wǎng)技術(shù)

海上無人機(jī)動(dòng)裝備集群發(fā)展是當(dāng)前海洋信息裝備技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，美軍已計(jì)劃逐步以海上無人系統(tǒng)替代人類士兵。伴隨海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系建設(shè)發(fā)展，水面自主艇信息系統(tǒng)、水下機(jī)動(dòng)浮標(biāo)系統(tǒng)、機(jī)器魚、水下滑翔器等無人系統(tǒng)集群大量涌現(xiàn)，發(fā)展海上無人機(jī)動(dòng)集群組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。為此，應(yīng)依托海上固定信息節(jié)點(diǎn)平臺(tái)和機(jī)動(dòng)船舶平臺(tái)的信息裝備，構(gòu)建跨介質(zhì)的海上機(jī)動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，包括利用下一代AIS(VDES通信網(wǎng))、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NBIOT)等技術(shù)，提升動(dòng)態(tài)組網(wǎng)能力，為海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系的能力延伸提供支持。

2.1.4 基于認(rèn)知的智能化組網(wǎng)技術(shù)

針對(duì)海上復(fù)雜環(huán)境下信息系統(tǒng)容量、實(shí)時(shí)性、可靠性等要求，必然會(huì)推進(jìn)基于軟件無線電和認(rèn)知無線電的探通抗一體化組網(wǎng)技術(shù)、基于新型組網(wǎng)架構(gòu)的泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、基于空間激光和水下信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，完善基于認(rèn)知和智能化組網(wǎng)，開辟新一代軟件定義的海洋信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展途徑。

2.2 海洋信息服務(wù)技術(shù)

正如人類社會(huì)信息化體系建設(shè)的演化趨勢(shì)一樣，海洋信息服務(wù)技術(shù)也必將采用新興技術(shù)方法，向下一代基于大數(shù)據(jù)分析服務(wù)、面向認(rèn)知和智能處理、彈性適變與賽博免疫、人機(jī)融合與自主演化等趨勢(shì)發(fā)展。

(1) 基于大數(shù)據(jù)分析服務(wù)

基于海量的海洋大數(shù)據(jù)分析，可以為涉海用戶提供面向海洋的各類行動(dòng)的決策優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，利用泛在網(wǎng)絡(luò)上提供的普適計(jì)算能力，可以向涉海用戶提供在任何時(shí)間地點(diǎn)以任何方式進(jìn)行信息獲取與處理的能力。

(2) 面向認(rèn)知和智能處理

利用深度學(xué)習(xí)等方法，將大量、冗余、繁雜的海洋數(shù)據(jù)與信息進(jìn)行融合處理，為涉海用戶提供所需的、符合認(rèn)知特點(diǎn)和行為偏好的態(tài)勢(shì)信息或決策支持說明，并通過智能處理方式進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，自動(dòng)生成行動(dòng)方案。

(3) 彈性適變與賽博免疫

為了應(yīng)對(duì)賽博攻擊和物理毀傷，避免海洋信息網(wǎng)絡(luò)整體崩潰，應(yīng)利用彈性適變和賽博免疫智能分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)異常，自主進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)免疫防御、能力恢復(fù)與系統(tǒng)重構(gòu)，通過對(duì)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)架構(gòu)的適應(yīng)性調(diào)整，為用戶提供持續(xù)性安全服務(wù)。

(4) 人機(jī)融合與自主演化

通過更合理的人機(jī)分工，充分發(fā)揮人與海洋信息網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)人在回路的混合增強(qiáng)智能與人機(jī)智能共生。通過海洋信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，提升自學(xué)習(xí)和自演化能力，實(shí)現(xiàn)海洋信息網(wǎng)絡(luò)能力的自主升級(jí)演化。

(5) 海洋邊緣計(jì)算技術(shù)

針對(duì)海洋通信帶寬資源不足、服務(wù)時(shí)延過長等問題，運(yùn)用邊緣計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建海上網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺(tái)，就近提供最近端服務(wù)，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)。

3 浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 綜合能力設(shè)計(jì)

面向綜合業(yè)務(wù)支撐發(fā)展需求，浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)的主要能力如圖1所示。

圖1 浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)功能視圖Fig.1 Function view of floating marine network information node

其中，在目標(biāo)感知方面，浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)具備搭載多類型感知裝備能力，如：雷達(dá)、光電、AIS、ADS-B以及氣象傳感器等，具備對(duì)海面目標(biāo)和空中目標(biāo)的監(jiān)視能力，并且具備對(duì)近距離目標(biāo)的監(jiān)視識(shí)別能力；在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，系統(tǒng)可對(duì)浮臺(tái)周邊的氣象、水文等環(huán)境要素進(jìn)行綜合采集；在信息傳輸方面，系統(tǒng)具備衛(wèi)通、散射等多種通信手段保障岸海數(shù)據(jù)傳輸，并可根據(jù)不同信道狀態(tài)和所傳數(shù)據(jù)類型實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸策略；在信息處理方面，系統(tǒng)可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)、外的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯聚處理和初步融合；在信息服務(wù)方面，系統(tǒng)可向附近海域用戶提供公眾移動(dòng)通信服務(wù)、鏡像網(wǎng)站訪問服務(wù)以及航道信息服務(wù)；在綜合管控方面，系統(tǒng)可探測(cè)目標(biāo)情況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、天氣情況、能源情況、安防報(bào)警情況與通信信道情況進(jìn)行系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整以及多設(shè)備聯(lián)動(dòng)工作，還可接收岸基中心指令，進(jìn)行系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整；在安全防護(hù)方面，系統(tǒng)可對(duì)浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)艙門開關(guān)狀態(tài)、艙內(nèi)人員活動(dòng)情況、艙內(nèi)溫度、艙內(nèi)煙霧濃度、艙體內(nèi)液面高度、浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置以及錨燈供電電流脈沖情況等方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并接收數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的指令進(jìn)行廣播示警和強(qiáng)聲拒止；在能源保障方面，系統(tǒng)配有太陽能電池板、船載柴油發(fā)電機(jī)以及蓄電池等電源，可通過互補(bǔ)供電實(shí)現(xiàn)能源自保障。

3.2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)和功能要求，浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)信息系統(tǒng)由任務(wù)分系統(tǒng)、能源分系統(tǒng)和平臺(tái)分系統(tǒng)組成，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of floating marine network information node system

其中，任務(wù)分系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)、核心處理設(shè)備、通信鏈路以及信息服務(wù)設(shè)備四部分組成，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)監(jiān)測(cè)、電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境觀測(cè)、信息服務(wù)、數(shù)據(jù)匯聚處理以及信息傳送等浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)信息系統(tǒng)主要功能。目標(biāo)監(jiān)測(cè)、電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)浮臺(tái)周邊視距范圍的活動(dòng)目標(biāo)、電磁目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別和監(jiān)視，并把獲得的目標(biāo)信息數(shù)據(jù)上報(bào)給數(shù)據(jù)匯聚處理設(shè)備和岸基中心，主要用于浮臺(tái)周邊防御。而海洋環(huán)境觀測(cè)分系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)浮臺(tái)周邊溫度、濕度等環(huán)境情況的監(jiān)控。信息傳送采用衛(wèi)星通信、短波通信以及北斗短信等多種通信手段把浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)信息系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)連接到岸基，任務(wù)電子系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前的通信鏈路的狀態(tài)采用自動(dòng)或手動(dòng)的方式進(jìn)行切換。同時(shí)可通過集成的4G基站為接近的船只或人員提供公用信息和通信接入服務(wù)。

能源分系統(tǒng)在沒有外部供電的情況下，可通過太陽能、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池多種供電結(jié)合的方法進(jìn)行供電，可提供DC12 V、DC24 V、DC48 V、AC220 V電壓輸出，并由獨(dú)立的能源分系統(tǒng)對(duì)各種電源進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理。該分系統(tǒng)主要功能包括：多種電源綜合使用、綜合電源控制管理、太陽能電池板效率控制、蓄電池充放電管理和應(yīng)急保障功能。浮臺(tái)能源分系統(tǒng)可根據(jù)上級(jí)管控指令或系統(tǒng)剩余電量進(jìn)行全任務(wù)、值班、降級(jí)及休眠等工作模式切換。

平臺(tái)分系統(tǒng)是浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)信息系統(tǒng)的搭載載體，由浮體和錨泊系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。浮體部分為任務(wù)系統(tǒng)和能源系統(tǒng)提供足夠的搭載空間，用于支撐全套系統(tǒng)在復(fù)雜、惡劣的海況下持續(xù)、穩(wěn)定的工作；系泊系統(tǒng)用于浮體部分的限位，采用單點(diǎn)系泊形式，既可以保證浮體在海洋環(huán)境荷載作用下的平面運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)響應(yīng)能夠滿足結(jié)構(gòu)安全和任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用需求，又降低了浮臺(tái)布放施工的難度，提高了浮臺(tái)的全海域適應(yīng)能力。

3.3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)是一種基于半潛式概念設(shè)計(jì)的海上浮動(dòng)式平臺(tái)，將結(jié)構(gòu)重心設(shè)計(jì)低于結(jié)構(gòu)浮心，同時(shí)整體結(jié)構(gòu)采用水密性設(shè)計(jì)，保證浮臺(tái)具有極高的穩(wěn)性，適宜電子信息裝備搭載。結(jié)構(gòu)物理形態(tài)和主體尺寸如圖3所示。

圖3 浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位：mm)Fig.3 Structural dimension diagram of floating marine network information node(mm)

利用仿真軟件對(duì)水動(dòng)力進(jìn)行分析，0°來流時(shí)橫搖角度很小，且86.09%的時(shí)間中縱搖角度小于10°；45°來流時(shí)橫搖角度較小，且78.58%的時(shí)間中縱搖角度小于10°,適用于具有較高穩(wěn)性需求的電子信息系統(tǒng)。

(a) 0°來流下橫搖結(jié)果

4 結(jié)論

建設(shè)國際領(lǐng)先的海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系，是支撐我國海洋戰(zhàn)略發(fā)展的迫切要求，固定海洋信息裝備是構(gòu)建海洋信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前，各類海洋信息裝備的建設(shè)已逐步驗(yàn)證其工作機(jī)理及綜合服務(wù)能力，但也存在海洋平臺(tái)電子信息系統(tǒng)搭載能力不強(qiáng)、綜合集成度不高、長期工作能力不足、擴(kuò)展性及通用性受限等問題，難以適應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)信息體系支撐下的各類用戶多樣化的應(yīng)用服務(wù)需求。為此，在對(duì)主流的海上信息裝備發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜合調(diào)研的基礎(chǔ)上，探討了未來海洋固定信息裝備發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種可全海域部署、惡劣環(huán)境下能夠工作、長期穩(wěn)定的、可用于多種海洋電子信息裝備搭載的浮式海洋網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)。