内刊访谈

[特别策划] 信息海洋学关键技术体系

发表时间:2019-08-16 11:19:47

文 / 黄磊 魏志强 许佳立 贾东宁 殷波

 

  黄磊:中国海洋大学信息科学与工程学院副教授

  魏志强:中国海洋大学信息科学与工程学院院长、教授

  许佳立:青岛海洋科学与技术试点国家实验室高性能科学计算与系统仿真平台工程师

  贾东宁:青岛海洋科学与技术试点国家实验室高性能科学计算与系统仿真平台副主任,中国海洋大学信息科学与工程学院高级工程师、硕士生导师

  殷波:中国海洋大学信息科学与工程学院副教授


 

  提话:信息海洋学是海洋事业发展的“助推剂”,是打通海洋信息资源利用的“大动脉”,是海洋学科的重要组成部分。为促进信息海洋技术在海洋领域的深度融合与应用,提升认识海洋、经略海洋的能力,助力海洋强国建设,本文主要探讨了信息海洋学关键技术体系,以加速实现海洋信息的互联互通、融合共享、智能挖掘和智慧应用。


 

  自从党的十八大做出“建设海洋强国”的重大部署以来,我国稳步推进海洋强国建设事业,在海洋科技、海洋军事、海洋经济、海洋生态环境等诸多领域取得了一系列实质性成效。在科技创新与制度创新的双轮驱动下,中国海洋强国建设迎来历史性机遇期,海洋事业进入发展加速期。因此,要加速实现“海洋强国”战略顺利实施,需要大力发展自主创新的相关海洋科学技术。随着数据科学的迅猛发展,大数据、人工智能和超算被称为带动海洋科学发展的“新三驾马车”,而信息海洋学也成为从认识海洋到经略海洋的必经之路。

  信息海洋学是围绕海洋动力过程与气候变化、海洋生命过程与资源、海洋生态环境演变与保护、海底过程与油气资源、深远海和极地极端环境等重大领域问题,以空、天、地、海综合信息获取体系为依托,以海洋科学与信息科学为前沿交叉融合支撑,以人工智能、大数据和超算等为关键应用技术,建立可计算、可预测预报的海洋时空一体化信息技术体系,构建智能化、自动化、自演进的超高精度海洋智能模拟仿真系统,以实现对未来海洋超前认知的新兴交叉学科。

  为进一步贯彻“建设海洋强国”战略,本文探讨了信息海洋学关键技术创新体系,重点探讨以海洋技术物理前沿和海洋数据科学前沿为核心的海洋网络信息特性共性基础理论、海洋智能物联网关键技术和信息海洋学数据分析关键技术,从而形成海洋网络公共技术服务体系。

 

  信息海洋体系共性基础理论
 

  信息海洋体系共性理论是信息海洋学关键技术创新体系中的理论基础,主要包括海洋技术物理前沿和海洋数据科学前沿两个方面。
 

  1.海洋技术物理前沿

  海洋技术物理是指以声、光、电、磁等感知和通信手段获取海洋环境、海洋资源以及海洋经济等各个领域内的关键信息,是研究信息海洋学的基础。海洋技术物理前沿依托人工智能和嵌入式技术,利用小型水声和电磁传感器等,结合低功耗嵌入式技术、智能控制技术以及智能边缘计算方法等,构建围绕海洋声光电磁场的智能感知基础理论,在此基础上开展感知装备的异构互联、动态自组网、智能协同与自主调度控制等多装备协同、多网立体协同的海洋物理场立体协同研究,为海洋声场和海洋电磁场等海洋大数据的智能感知与多网立体协同观测、多协议融合传输等提供理论支撑。
 

  2.海洋数据科学前沿

  海洋数据科学研究海洋信息获取、存储、处理、服务等海洋数据科学基础理论。具体来说,海洋数据科学前沿包括:(1)采用空、天、地、海多种手段对海洋环境、海洋资源等进行多维信息的有效获取和协同,实现时空复杂网络的一体化综合处理和有效利用;(2)以透明海洋、蓝色智库、深海极地等海洋领域需求为导向,采用大数据驱动思想,以量子计算、超级计算和智能计算为手段,开展多学科互通的、能够有效揭示海洋大数据关系的大数据处理与分析方法理论研究,探明海洋大数据的内在规律,为海洋科学发展奠定坚实的数据理论基础。

 

  信息海洋智能物联网关键技术
 

  海洋智能物联网关键技术研究如何利用声、光、电、磁等感知和通信手段,更为有效地获取海洋环境、海洋资源、海洋经济、海洋科技等关键信息。以下将从智能信息海洋感知体系、智能泛在组网技术和智能网络协同计算与控制技术三个方面进行探讨。
 

  1.智能信息海洋感知体系

  (1)海洋智能传感器

  随着海洋信息网络的发展,海洋传感器已被广泛应用于海上军事、环境监测、航运等领域。如何实现对海洋物理场的智能感知,研发具有海洋观测能力的智能传感器是海洋传感器的挑战之一。海洋智能传感器结合多种人工智能技术使传感器具有信号处理、学习、决策能力,全面提升海洋传感器的感知精度、传输速率、信号解析、状态监控、故障诊断等重要性能,推动海洋传感器的发展。

  (2)智能探测平台

  由于海洋环境的复杂性,海洋数据探测存在采集难度大、传输困难等挑战,严重制约海洋科学的发展。对此,建设空天地海一体化的海洋信息观测平台,包括以海洋探测卫星为主的海洋航天观测网,以海洋遥感飞机、遥感无人机为主的海洋航空观测网,以岸基雷达为主的地面海洋观测网和以浮标、海底环境监测器为主的海洋海基观测网。构建空基、天基、陆基、船基、海基的海洋立体监测/监视数据采集与传输系统,建设可对海域全时空、高分辨率、高频率、实时、动态、交互式立体观测的海洋立体观测网络,实现海洋数据采集与传输的智能化、实时化、自动化、并行化和网络化,为数据驱动的海洋科学研究奠定数据基础。

  (3)智能边缘计算

  边缘计算,是相对于云计算而言,在物理上临近数据源头就近提供边缘智能计算服务的一种工作模式,它使物联网、智能制造等所需的网络通信、数据存储、实时计算、应用处理等核心功能在靠近工作现场的地方得以完成。海洋物联网设备的迅速增加带来网络传输带宽负载增加和数据计算量庞大的难题,引入基于智能边缘计算的去中心化分布式计算模型,将数据处理的一部分过程转移至智能海洋传感器中,将有效提升计算的性能和智能化水平。
 

  2.智能泛在组网技术

  泛在一词源自拉丁语,其意思是存在于任意地方。泛在网络是指把先进的计算技术及数字处理技术和智能网络等其他先进技术结合而成的技术社会形态。泛在网络的出现,提供了一种海洋信息获取传递的新方法,使得智能泛在组网技术的实现成为可能。将数量众多的海洋传感器利用泛在组网技术实现网络互通,依托声光电多模态海洋观测传感器构建海洋信息观测网,不同观测网之间通过泛在组网技术实现区域融合和数据融合的空天地海一体化网络通信体系,实现海洋信息的高效实时获取。
 

  3.智能网络协同计算与控制技术

  计算机网络技术、通信技术、多媒体技术和群件技术共同构成了协同计算环境,可以使不同地域、不同时间、不同文化背景的人们协调一致地为某项任务而共同工作,这就是协同计算。针对海洋信息获取的不同网络之间、不同传感器之间观测数据不同、观测目标不同、观测区域不同的问题,提出智能网络协同计算与控制技术。基于声光电多模态的特点,利用空天地海多区域海洋数据的协同计算与云端网络协同控制技术,对不同网络观测数据进行协同处理,提高计算性能和区域覆盖广度。

 

  信息海洋数据智能分析关键技术
 

  海洋数据智能分析关键技术将重点从海洋人工智能、海洋大数据技术、海洋计算仿真系统融合驱动下的海洋系统建模及预测预报和海洋信息服务技术4个方面进行探讨,如图1所示。



图1 信息海洋数据智能分析关键技术
 

  1.海洋人工智能

  以机器智能、类脑智能和量子智能为核心,研究海洋数据的智能处理、规律发现和知识推理等内在机理和前沿技术,建立海洋人工智能关键技术体系。

  (1)海洋机器智能

  人工智能在图像识别、数据挖掘及医疗领域的应用越来越广泛,如何将最新的人工智能理论和机器智能理论应用到海洋智能计算领域是亟待解决的问题。针对海洋领域的特点和应用需求,通过高并发、可扩展的海洋大数据挖掘与智能分析方法,实现对海洋大数据的高效、准确的分类、识别、关联和预测,提高海洋信息处理的智能化水平,推进海洋科学的智能化进程。

  (2)类脑智能和量子智能

  以最新的脑神经科学和人类认知行为研究为理论支撑,通过软硬件协同实现逐渐逼近具有自主学习和信息处理能力的海洋人工智能关键技术体系。面向超大规模、超高维度、超复杂度的海洋大数据,探索海洋大数据智能感知、处理、规律发现和推理等前沿技术,实现在海洋数据处理、分析与预测的自主能力;探索可对海洋大数据高速处理的量子智能技术,提高任务执行的并行能力,提高系统的快速响应能力,实现可实时化的人工智能系统。
 

  2.海洋大数据技术

  大数据技术是从广泛的数据中提取有效数据价值的技术,根据特定目标,经过数据采集和算法分析等,从各类型的数据中快速获得有价值的信息,从而为正确决策提供参考依据。通过在海洋领域充分发挥大数据技术的优势,可实现对海洋信息的分析处理,推进海洋科学研究进程。针对由智能信息海洋感知体系获取的海洋网络信息大数据异构性强的特点,海洋大数据技术研究混合数据模式,构建具有高可扩展性、高性能、高容错性、高可伸缩性和低运营成本的海洋大数据存储与管理系统;研究海洋大数据处理技术,通过数据融合与重构,提高多源异构大数据的质量,为后续的大数据重构以及融合提供高精度数据;研究海洋大数据高性能交换网络支撑软件关键技术和海洋大数据多粒度共享技术,建立高并发的异构分布式海洋大数据交换支撑平台,实现异构海洋大数据的数据及服务交换共享;研究支持海洋大数据的高并发分布式学习方法、可扩展的机器学习方法和深度学习网络模型,提高海洋大数据分析方法的执行效率和性能。
 

  3.海洋计算仿真系统融合驱动下的海洋系统建模及预测预报

  通过开展超大规模海洋数据并行可视化、超高维度海洋数据智能交互式分析、超高精度海洋数值模式仿真、超细粒度虚拟现实与可视化融合以及精确预测预报技术研究,实现多传感器的集成和融合系统建模,构建海洋精准仿真系统。针对海洋资源全球服务需求,研究数值分析、数据计算、量子计算和智能计算等关键技术,并将网络服务进行动态组合、服务监控和复杂交互,建设跨平台的动态业务模式,构建开放环境下的海洋系统建模及预测预报平台。
 

  4.海洋信息服务技术

  海洋信息服务是新一代信息技术与新时期海洋科学的深度融合。把握信息化发展趋势、找准海洋领域的供需契合点、开展海洋信息服务技术研究,对海洋事业的发展有重要作用。海洋信息服务技术以海洋工程、资源开发和生态环境保护实际应用需求为导向,开展面向海洋预测预报、海洋工程、资源开发和生态环境保护需求的海洋智能信息服务研究,构建网络化、个性化、精准化的海洋智能信息服务技术平台。

 

  信息海洋数据支撑服务技术
 

  信息海洋数据支撑服务技术主要包括海洋网络信息标准规范体系、海洋网络空间安全与保密体系和海洋网络信息开发共享与交易体系,如图2所示。



图2 信息海洋数据支撑服务技术
 

  1.海洋网络信息标准规范体系

  标准规范化的海洋数据可以为数据驱动的海洋科学研究提供统一接口,是研究信息海洋学的数据基础。海洋网络信息标准规范体系由网络信息交换框架、网络信息语义交互规范和信息资源管理框架构成。具体来说,信息交互框架主要包括海洋信息采集、传输和持久规范以及对海洋信息分析和挖掘规范;网络信息语义交互规范由批处理交互、实时处理交互和流处理交互规范以及信息基础标准通则等各部分构成;信息资源管理框架主要针对计算机资源、存储资源、网络资源以及知识资源等进行规范管理控制。上述标准规范可以为海洋网络信息提供者、获取者、基础设施提供者、服务提供者以及机构决策者在海洋网络信息的大数据全生命周期过程中的活动行为以及活动内容提供标准和规范。
 

  2.海洋网络空间安全与保密体系

  海洋网络空间安全与保密体系是信息海洋学的安全基础,为从认识海洋到经略海洋提供关键保障。网络空间安全与保密体系主要包括网络空间安全与保密平台、集中安全和风险管理、数据全生命周期安全支持、网络与计算平台运行监控等四个方面。具体为:(1)建立海洋立体通信网络环境下的跨时空数据安全管理框架,构建多级、分域海洋数据安全模型,设计面向复杂节点网络的数据源追溯、流向感知和安全计算与可控应用机制;(2)构建适用于多任务场景、不同保密等级需求、异构软硬件载体的安全秘钥管理系统,设计面向涉海移动数据采集终端的嵌入式终端密码模块和易于系统集成的分布式秘钥生成组件,实现高鲁棒、可扩展、全局去中心化的海洋数据安全系统秘钥生成和分发体系;(3)引入不对称海洋数据终端间秘钥协商及数据安全传输协议,设计多级多跳、非实时传输条件下的涉海源数据完整性验证方法,构建海洋立体观测计算网络中节点源认证及数据可靠传输机制,形成涉海大数据安全保密传输和抗攻击防御方案。(4)应用并发展国有自主知识产权软硬件和安全可控的核心安全协议,构建海洋大数据平台安全监管系统,支撑海洋大数据平台的安全访问控制、存储计算资源安全共享管理和全时运行监控。
 

  3.海洋网络信息开发共享与交易体系

  信息开发共享与交易体系主要包括海洋大数据共享与交易平台建设、交易与共享技术的研究以及海洋大数据价值的提升。具体的,海洋大数据共享与交易平台研究海洋大数据高性能交换网络支撑软件关键技术,建立高并发的异构分布式海洋大数据共享交换支撑平台;海洋网络信息交易与共享研究海洋大数据多粒度共享与交易技术,实现面向智慧应用的异构海洋大数据的数据共享及数据交易服务;海洋大数据价值的提升是指基于海洋大数据在交换共享过程中产生的海量交换信息,优化交换网络结构,并采用知识发掘技术发现海洋大数据的应用规律与关联规则,实现海洋大数据的价值提升和数据等值交换。

 

  结束语
 

  本文对信息海洋学关键技术体系进行了深入探讨。随着海洋技术物理、海洋数据科学、海洋物联网技术和人工智能技术的发展及海洋大数据时代的到来,海洋科学的发展正在步入新时期。海洋领域与新一代信息技术的深度融合与应用必将提升认识海洋、经略海洋的能力,助力推进海洋强国战略建设。