張 博，王永皎，王冬海，黃橙橙，周鎮(zhèn)宇

(1.中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041；2.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300100)

0 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，我國(guó)當(dāng)前海洋事業(yè)已進(jìn)入發(fā)展加速期，海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系的建設(shè)和應(yīng)用，正處在逐步發(fā)展和迭代的過(guò)程中[1]。而我國(guó)要想實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為海洋強(qiáng)國(guó)，必須在開(kāi)發(fā)利用海洋資源上占得先機(jī)，需要站在全球網(wǎng)絡(luò)信息體系的高度，優(yōu)先發(fā)展先進(jìn)的海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系，研制海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備，構(gòu)建海上綜合信息網(wǎng)絡(luò)，為海洋開(kāi)發(fā)提供信息技術(shù)支撐。

海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備主要是指具有較高網(wǎng)絡(luò)信息化水平的信息裝備和輔助裝備，以獲取、傳輸、融合海洋基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)構(gòu)建海洋信息網(wǎng)絡(luò)為目的，采用必要的信息感知、信息傳送以及信息融合等技術(shù)手段，在海洋實(shí)體裝備平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)海洋信息的物化表達(dá)。機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備將海洋網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)手段應(yīng)用于海洋機(jī)動(dòng)信息平臺(tái)，利用機(jī)動(dòng)平臺(tái)的游弋屬性及其機(jī)動(dòng)、靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)海洋區(qū)域信息的智能采集、智能傳輸、智能處理、智能服務(wù)、智能應(yīng)用支撐及技術(shù)保障[2]。機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備與技術(shù)已成為我國(guó)搶占海洋科技發(fā)展制高點(diǎn)，是加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重要環(huán)節(jié)和突破口。

1 我國(guó)機(jī)動(dòng)海洋信息裝備發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)已初步形成了一個(gè)從海洋信息感知、海洋數(shù)據(jù)傳送、分析預(yù)報(bào)及產(chǎn)品分發(fā)等海洋信息應(yīng)用處理環(huán)節(jié)組成的業(yè)務(wù)化海洋網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，促進(jìn)了海洋信息裝備發(fā)展，突破了一批感知傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)產(chǎn)傳感器的性能水平基本達(dá)到業(yè)務(wù)化使用要求。

在機(jī)動(dòng)海洋信息裝備平臺(tái)方面，水下機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備平臺(tái)發(fā)展中，我國(guó)從開(kāi)始魚(yú)雷研究，到研制民用水下航行器，實(shí)現(xiàn)從有纜到無(wú)纜的進(jìn)步[3-4]，國(guó)內(nèi)多家單位開(kāi)展水下滑翔機(jī)技術(shù)研究，形成大油囊驅(qū)動(dòng)型、溫差能驅(qū)動(dòng)型、混合推進(jìn)型以及聲學(xué)觀測(cè)型等多類(lèi)型水下滑翔機(jī)品[5-6]。海面機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備平臺(tái)發(fā)展中，由有人艦艇到無(wú)人艦艇再到有人和無(wú)人結(jié)合艦艇相關(guān)技術(shù)研究和裝備應(yīng)用，形成多類(lèi)型海面機(jī)動(dòng)海洋裝備[7-8]。海空機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備平臺(tái)發(fā)展中，形成以無(wú)人為主、有人為輔的海洋信息結(jié)構(gòu)，在無(wú)人機(jī)、通信衛(wèi)星等方面成果累累[9-12]。目前，我國(guó)科學(xué)家正在構(gòu)建以海洋衛(wèi)星、智能潛標(biāo)、智能浮標(biāo)、水下滑翔器及水下自主潛航器等機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備為主要觀測(cè)手段，覆蓋海底到海面的立體綜合透明觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并已初步實(shí)現(xiàn)“兩洋一?！钡耐该骱Ｑ?、智慧海洋[13]。

通過(guò)海洋信息感知、通信、觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用、裝備平臺(tái)發(fā)展，我國(guó)具備了機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，并為未來(lái)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備創(chuàng)新發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但仍存在著缺少海洋信息技術(shù)與裝備工程系統(tǒng)發(fā)展的國(guó)家規(guī)劃、缺乏海洋信息技術(shù)與裝備工程的國(guó)家或行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、傳感器等通用技術(shù)與專(zhuān)用材料研發(fā)落后、缺乏技術(shù)裝備試驗(yàn)或標(biāo)定測(cè)試的公用平臺(tái)和公共試驗(yàn)場(chǎng)、裝備產(chǎn)業(yè)化困難等問(wèn)題[14]。

2 機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備發(fā)展重點(diǎn)

2.1 機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備體系

機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備、機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)及系統(tǒng)共同構(gòu)成機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備體系，將海洋信息技術(shù)手段物化于海洋機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備，構(gòu)建機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，利用機(jī)動(dòng)海洋裝備的游弋屬性，實(shí)現(xiàn)海洋區(qū)域信息的快速機(jī)動(dòng)獲取、傳送、處理及應(yīng)用。按照機(jī)動(dòng)裝備的屬性不同，機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備可劃分為三類(lèi)：海面機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備、?？諜C(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備、水下機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備。機(jī)動(dòng)海洋信息裝備體系示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)動(dòng)海洋信息裝備體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of mobile marine information equipment system

2.2 海面機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備

水面機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備，利用海面機(jī)動(dòng)信息感知技術(shù)、海面機(jī)動(dòng)信息傳輸技術(shù)、海面機(jī)動(dòng)信息應(yīng)用處理技術(shù)以及海面機(jī)動(dòng)信息綜合管控技術(shù)，形成具有感知、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理及信息應(yīng)用等能力的海面機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備。水下機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備在海面展現(xiàn)惡劣海況下水面機(jī)動(dòng)性、長(zhǎng)航時(shí)和深海布放等各種能力，是機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系的重要組成部分。海面機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備的發(fā)展重點(diǎn)包括水面無(wú)人艇、波浪滑翔器、海洋浮標(biāo)等，隨著海面機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備立體化和無(wú)人集群化發(fā)展，逐步形成由海洋機(jī)動(dòng)信息平臺(tái)和海洋機(jī)動(dòng)信息系統(tǒng)組成的海洋信息基礎(chǔ)設(shè)施，為機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系的發(fā)展提供支持，在海面機(jī)動(dòng)搜救、海上目標(biāo)機(jī)動(dòng)防護(hù)等方面起到關(guān)鍵支撐。

2.3 水下機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備

水下機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備是應(yīng)用水下感知探測(cè)技術(shù)、水下通信技術(shù)和水下能源供給技術(shù)，形成具有水下目標(biāo)探測(cè)、水下數(shù)據(jù)傳輸以及水下信息組等能力的水下機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備。水下機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備在海面以下可動(dòng)態(tài)移動(dòng)，既可以機(jī)動(dòng)式巡航，也可以機(jī)動(dòng)式布放，是海洋信息網(wǎng)絡(luò)體系的重要組成部分。水下機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備的發(fā)展重點(diǎn)包括無(wú)人水下航行器、仿生航行器、水下滑翔機(jī)以及深海潛標(biāo)等，向著水下無(wú)人集群化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，形成機(jī)動(dòng)海洋信息平臺(tái)和系統(tǒng)，為水下重點(diǎn)目標(biāo)防護(hù)、考古探測(cè)及水下搜救等典型應(yīng)用系統(tǒng)提供關(guān)鍵支撐。

2.4 海空機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備

?？諜C(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備是應(yīng)用空天基探測(cè)技術(shù)、動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)、信息傳輸和處理技術(shù)，形成具有通信、導(dǎo)航、感知、監(jiān)測(cè)能力的在海面以上空中可動(dòng)態(tài)移動(dòng)的信息裝備，根據(jù)?？諜C(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備所處空間，分為部署于外大氣層空間的天基信息裝備和部署于海域上空的空基信息裝備。?？諜C(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備的發(fā)展重點(diǎn)包括海洋衛(wèi)星和海上航空器、無(wú)人機(jī)等，海空機(jī)動(dòng)裝備從單一化向立體網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高速長(zhǎng)航時(shí)化方向發(fā)展，與海面、水下海洋裝備系統(tǒng)共同組成機(jī)動(dòng)海洋信息網(wǎng)絡(luò)，為海洋偵察監(jiān)視、海上搜索救援、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋資源調(diào)查與服務(wù)、海洋維權(quán)執(zhí)法等典型應(yīng)用系統(tǒng)提供裝備和技術(shù)支撐。

3 機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備應(yīng)用前景

機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備自主可控，由于其具備機(jī)動(dòng)、靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在復(fù)雜海域環(huán)境中，應(yīng)用局限性低、人員安全性高、作業(yè)效率高，在海上搜索救援、海洋資源保護(hù)以及海洋安全防護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

3.1 海上搜索救援

海上搜救面臨搜索面積大、水域情況復(fù)雜、天氣海況惡劣或危險(xiǎn)品泄漏等問(wèn)題，這些情況危及被救人員和施救人員的生命安全[15]。利用由水面無(wú)人機(jī)、海洋遙感衛(wèi)星、水面搜救無(wú)人艇以及水下打撈ROV等機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備構(gòu)成的海上搜索救援系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海域大范圍快速掃測(cè)，全天候網(wǎng)狀搜索，并能針對(duì)多種遇險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行救助或水下救助打撈等多功能任務(wù)。海上搜索救援系統(tǒng)構(gòu)成如圖 2所示。

圖2 海上搜索救援系統(tǒng)框架構(gòu)成圖Fig.2 Frame composition of maritime search and rescue system

采用機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備可迅速對(duì)多個(gè)區(qū)域同時(shí)展開(kāi)搜索，可進(jìn)入大型救助船難以進(jìn)入的淺灘暗礁水域及危險(xiǎn)品現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行搜救，適合在高海況和大深度條件下工作。

3.2 海洋資源保護(hù)

人類(lèi)的生存和發(fā)展將越來(lái)越多地依賴(lài)海洋，海洋中存在大量的礦產(chǎn)及生物資源，人類(lèi)現(xiàn)代海洋空間利用已發(fā)展到建造大量的人工島、海上機(jī)場(chǎng)、跨海橋梁、海底隧道、水下倉(cāng)庫(kù)、海上工廠、海底管道以及電纜等，對(duì)海洋資源進(jìn)行合理開(kāi)發(fā)和保護(hù)十分重要。利用機(jī)動(dòng)海洋信息裝備對(duì)海洋資源進(jìn)行保護(hù)是一種有效的技術(shù)手段，利用無(wú)人艇加載三維成像聲吶、淺剖聲吶、雷達(dá)、光電以及高精度組合導(dǎo)航等海洋信息裝備構(gòu)成的海管巡檢信息系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)海底管道快速巡檢，系統(tǒng)組成如圖 3所示?；跓o(wú)人艇機(jī)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)的海管巡檢信息系統(tǒng)，用于海底管道檢測(cè)，大大減小檢測(cè)施工作業(yè)的難度，提高檢測(cè)效率及精度，是有效的海底管道檢測(cè)與保護(hù)手段。

圖3 海管巡檢信息系統(tǒng)Fig.3 Information system of marine management inspection

3.3 海上安全防護(hù)

我國(guó)在領(lǐng)海區(qū)域、海上專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)乃至爭(zhēng)議海區(qū)逐步建設(shè)大量的油氣平臺(tái)、島礁通信設(shè)施及港口設(shè)施等海上平臺(tái)，以此來(lái)確立和維護(hù)應(yīng)有的海上利益。但是這些海上平臺(tái)由于活動(dòng)空間小、值守人員少、保障資源有限，經(jīng)常受到水下蛙人、小型水下航行器的水下攻擊，導(dǎo)致設(shè)備遭到破壞，嚴(yán)重影響到海上平臺(tái)的安全運(yùn)行。基于海洋通信衛(wèi)星、海上無(wú)人機(jī)、水下機(jī)器人以及無(wú)人巡邏艇等機(jī)動(dòng)海洋信息裝備的海洋安全防護(hù)系統(tǒng)如圖 4所示，針對(duì)海域小目標(biāo)入侵威脅(包括水下蛙人、UUV及水下漂浮物，水面非法越界船只，水面漂浮物，以及海域上空“低、慢、小”空中目標(biāo)等)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)、威脅預(yù)警、機(jī)動(dòng)處置，實(shí)現(xiàn)海、空和水下等多維度的安全防護(hù)。

圖4 海洋安全防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用示意Fig.4 Application of marine safety protection system

4 機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備展望

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)海洋事業(yè)總體上進(jìn)入了歷史上最好的發(fā)展時(shí)期，機(jī)動(dòng)海洋信息裝備發(fā)展較好。機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備應(yīng)致力于依據(jù)“聲、光、電、磁、重、熱”各自然場(chǎng)的原理，全面開(kāi)發(fā)各類(lèi)信息裝備，發(fā)展適合深遠(yuǎn)海及其他極端環(huán)境的特種信息裝備，突出定位、精準(zhǔn)分析，發(fā)展獨(dú)具特色的無(wú)人集群化、智能化方向的高精尖機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備。

4.1 無(wú)人集群化發(fā)展

機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備正由單一裝備向集群裝備發(fā)展，立足單體技術(shù)，拓展群體智能海洋技術(shù)裝備并實(shí)現(xiàn)自主協(xié)同與自主作業(yè)，成為重要應(yīng)用方向。當(dāng)面臨復(fù)雜的水域環(huán)境，以及越來(lái)越精密化、多樣化的任務(wù)時(shí)，多無(wú)人機(jī)動(dòng)海洋信息裝備構(gòu)成的集群系統(tǒng)具有作業(yè)范圍廣、作業(yè)效率高、魯棒性強(qiáng)以及靈活性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，形成特定任務(wù)下的集群化作業(yè)模式，采用集群技術(shù)突破單體設(shè)備的性能局限，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用效能的最大化，構(gòu)建自主化、智能化的智能無(wú)人集群，協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)。將衛(wèi)星集群、無(wú)人機(jī)集群、無(wú)人船集群以及無(wú)人潛航器集群等空海機(jī)動(dòng)裝備合理布局與集成應(yīng)用，形成的無(wú)人立體化、綜合性群體智能的海洋信息網(wǎng)絡(luò)體系。

4.2 智能化發(fā)展

機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備在經(jīng)歷了機(jī)械化、自動(dòng)化之后，正在迎來(lái)智能化發(fā)展的熱潮，智能化已成為我國(guó)機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備發(fā)展的必由之路。隨著海洋平臺(tái)、能源、通信、管控及應(yīng)用等科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的群起，建立智能化機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備體系將成為可能。將大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算及人工智能等技術(shù)引入到機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備研發(fā)中，研制具備智能感知、智能分析、智能決策的機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備，開(kāi)發(fā)多種智能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用模式，提升海域感知與應(yīng)用服務(wù)的智能化水平。

5 結(jié)論

本文對(duì)機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備體系進(jìn)行了初步探討與分析，提出應(yīng)以無(wú)人艇、水下航行器、海洋衛(wèi)星、海上無(wú)人機(jī)等水面、水下、?？諜C(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備為發(fā)展重點(diǎn)，并向無(wú)人集群化、智能化方向發(fā)展，推進(jìn)機(jī)動(dòng)海洋網(wǎng)絡(luò)信息裝備在海上搜索救援、海洋資源保護(hù)、海洋安全防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，為我國(guó)海洋網(wǎng)絡(luò)信息體系的建設(shè)和發(fā)展提供參考。