内刊访谈

[特别策划] 透明海洋与海洋信息体系构建

发表时间:2019-08-16 11:49:34

文/陈朝晖 林霄沛

 

  陈朝晖:中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室副主任、教授、博士生导师

  林霄沛:中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室副主任、教授、博士生导师,青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室主任


 

  提话:“经略海洋”集中体现在对海洋环境的感知、认知及预测能力、海洋资源的开发能力、海洋权益的维护能力、海洋生态环境的保护能力上,实施“透明海洋”计划,将完善感知-认知与预测技术体系,极大提升“经略海洋”能力。


 

  海洋是人类生存发展的重要物质基础,是全社会高质量发展的战略要地。随着陆地资源减少甚至枯竭,海洋已经成为拓展人类生存与发展空间的主要领域,世界各国都把维护国家海洋权益、发展海洋经济、保护海洋环境、开发海洋资源列为重大发展战略。党的十八大提出“海洋强国建设”战略,强调“要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋,推动我国海洋强国建设不断取得新成就”。 “一带一路”的提出,把“海上丝绸之路”作为重要国家战略任务,尤其是党的十九大又提出了“加快海洋强国建设”的新目标,更凸显了海洋的重要性。

 

  “透明海洋”重大意义
 

  “经略海洋”集中体现在对海洋环境的感知、认知及预测能力、海洋资源的开发能力、海洋权益的维护能力、海洋生态环境的保护能力上,而感知-认知与预测是后几种能力的基础。世界主要发达国家一直在提升“经略海洋”能力,尤其是近20年来,争夺海洋主权和海底矿产资源的“圈海运动”兴起,使得这些国家高度重视海洋观测及信息系统建设。近年来我国加强海洋观测能力建设,通过科技部863计划等,研发了一批海洋观测装备;通过科技部973计划、重点研发计划以及国家专项,建设了一批海洋观测平台和区域观测网,海洋信息获取及目标探测能力有了较大的进步。但整体上来讲,存在着区域碎片化、信息单一化、时空分辨低质化、数据传输延滞化等制约,尚未形成对全球及核心海区海洋环境信息的实时、立体、高分辨率、多要素的整体同步获取能力以及水面和水下目标的高效探测能力,与国际海洋强国仍有较大差距。特别是最近几次革命性的海洋观测技术计划,我国贡献明显不足,这与我们对经略海洋的需求和国际大国的地位极不相称。实施“透明海洋”计划,将完善感知-认知与预测技术体系,极大提升“经略海洋”能力。

  所谓“透明海洋”,是指集成和发展现代海洋观测与探测技术,面向全球大洋和特定海区,以人工智能和大数据为核心,构建“海洋物联网”技术体系,实时或准实时获取全海深、高时空分辨率的海洋综合环境与目标信息,并在此基础上,预测未来特定时间内海洋环境变化,实现海洋的状态透明、过程透明、变化透明、目标透明,为国家海洋事业、经济社会发展、权益维护等提供全面精准的海洋信息技术支撑与服务。

 

  “透明海洋”观测、探测和预测体系构建设想
 

  围绕海洋科学认知、气候变化、资源开发与权益维护等国家重大科学与应用需求,通过布局亚中尺度和次表层主动遥感新型卫星遥感(天空)、海气界面智能定点与移动组网观测(水面)、水下无人智能移动平台及组网观测(水下)、海底观探测(海底) 四个立体层次的系列智能观探测核心技术装备及相关基础研究、一个全球海洋模拟与大数据智能分析处理中心,进而集成研发一套军民融合环境与目标综合感知与信息服务应用系统,构建面向全球海洋环境与目标感知的“海洋物联网”技术体系,并建立南海“海洋物联网”综合应用示范区,在国际上引领几个重大科学问题研究,多尺度多学科海洋物质能量循环和深海大洋动力过程及其气候资源效应(图1)。

  从提升能力的角度来看,海洋环境的观测感知能力从百公里的大尺度提升到公里级的亚中尺度、观探测参数从物理海洋为主拓展到多学科主要参数、模拟仿真空间分辨率达到百米级、实现重点海区的分钟级水面与水下目标感知能力、提供高精度全球大洋及特定海域的智能模拟/回溯/预测预报,从而实现海洋的状态、过程、变化和目标四个透明,即“透明海洋”,提升我国在海洋环境变化、海洋环境保障和海洋权益维护等方面的科技能力和水平,支撑海洋强国建设。




图1 “透明海洋”物联网技术体系示意图

图2 “透明海洋”观测、探测和预测体系构建概念图
 

  为实现“透明海洋”物联网技术体系的构建,从太空到海底多层级、水平二维到三维、大中尺度到亚中尺度多尺度、分钟级到年际变化、智能传感器/设备/移动平台到海洋大数据智能处理中心和信息系统,依次设计了4层立体感知技术、1个数据智能中枢、1套应用示范信息系统(图2),具体包括:

  1. 新型卫星海洋遥感,即“观澜号”海洋透视卫星计划,在国际上首次提出将主动微波宽刈幅干涉成像雷达高度计和激光雷达水体剖面同步观测相结合的新体制卫星遥感技术(“中国方案”),实现对全球海洋亚中尺度过程及穿透混合层深度的卫星观测技术。

  国际上首次实现同步搭载干涉成像高度计和海洋激光雷达的卫星观测新体制,填补海洋卫星遥感从中尺度识别(约10~100km)到亚中尺度分辨(1~10km)的观测空白;另外,我国将首次实现从海表二维遥感观测到水体垂直剖面探测的重大突破。

  2. 海气界面观测,简称“海气交互”,发展海面智能移动和定点平台结合的互联观探测技术,实现对海-气界面物质能量交换的实时监测、水下潜器的通讯中继以及水面水下目标探测与特征识别,引领全球海气通量观测国际计划。

  该信息感知体系将聚焦基于漂流式海气观测浮标、波浪滑翔器、无人船等海气交互观测技术,研发出低成本、小型化、高精度、高稳定性、智能化的新型水面移动观测平台,开发传感器并提升基于新型移动平台的海气交互观测精度和有效性。拓展锚系浮标在印度洋、西太平洋和南海的科学应用规模,强化其节点功能,构建“透明海洋”浮标观测体系,并与多种应用体系开展数据共享协作。通过研发新型大型锚系浮标与水面、水下移动观测平台的协同组网、水下潜器通信中继及定位导航等关键技术,构建以新型大型锚系浮标为主节点、以小型水面智能移动观测平台为辅助节点的海洋物联网络技术体系,并形成未来业务化运作的技术支撑,形成连续实时数据流。

  3. 深海无人智能移动平台及组网观探测体系,简称“深海星空”,将发展全水深、小型化、智能移动观测平台及基于移动平台的传感器技术和定位导航技术,发展高速大航程移动平台运载技术,最终实现对深海动力、电、磁、声、生物地球化学等环境要素及目标特性的实时或准实时综合观测。具体包括:

  该体系的构建需要突破深海观测设备关键技术,拓展深海装备的连续自主的工作时间、工作深度和工作航程,突破水下大航程高速运载潜器总体及核心,提高其水下自主定位和导航的精度;此外,要拓展水下固定节点的实时数据传输和中继能力,基于固定和移动平台获取的水声、地磁、地形地貌信息,为水下平台提供组合定位和匹配导航服务;实现深海观测水下移动节点和固定节点的协同技术;显著提升深海观测设备的国产化率。

  在此基础上,构建深海大洋特别是“两洋一海”(西太平洋-南海-印度洋)区域的先进、可靠、互联、共享的水下一体化多学科观测物联网络,实现水下平台的“移动互联”。另外,基于“物联网”理念,优化移动和固定节点的配置和运行,提高整体观测网络的时空覆盖范围、观测分辨率、观测精度和实时传输能力;装备技术与数据服务于科学研究和水下目标探测。

  4. 海底观探测,简称“海底透视”,发展对海底环境及海底物质成分识别、海底背景和异常地球物理场探测、海底节点与移动平台的互联与接驳等重大前沿技术体系,为国家海洋环境和目标的立体观测网络体系提供基础平台和技术支撑。

  该体系建设需要突破海底观探测技术,建立重/磁/电/震/声的背景和异常地球物理场探测重大前沿技术体系,揭示水体和海底边界层结构和物质组成,为环境和目标的立体监测体系提供海底基平台和技术系统,以提高我国在海底基地球物理场快速调查研究所需的技术和装备能力。

  5. 智能海洋模拟与大数据,简称“深蓝大脑”,发展面向全球海洋的高分辨率模拟器、海洋大数据与人工智能技术,实现对全球海洋环境变化信息高效汇集、分析处理与预报的“海洋物联网”中枢系统。

  该体系涵盖数据获取、数据存储与处理、数据加工与应用等方面。具体要构建以机器智能为核心的“海洋物联网”中枢系统(海洋深蓝大脑),实现海洋物联网和观测设备智能管控、海洋大数据智能分析与同化,建设全球十公里级、区域公里到百米级数值预报能力的超高精度自驱动、自发现和自演进海洋智能模拟器,解决重大科学任务驱动下空天地海海洋物联网的实时协同和智能计算。

  6. 海洋环境与目标信息综合应用与服务专题,在上述五个专题技术装备及数据智能分析模拟的支撑下,发展军民融合海洋环境与目标的智能综合感知和辅助决策信息技术体系,针对科学、社会经济和军事需求开展应用示范。建立南海“海洋物联网”综合应用示范区,为环境保障与目标感知装备试验、技术系统示范运行等提供基础条件;在国际上引领多尺度多学科海洋物质能量循环和深海大洋动力过程及其气候资源效应研究;面向全球大洋,重点针对南海,开展海洋环境综合信息服务;研发军民融合目标综合感知与辅助决策信息系统。

  构建“观测-海洋-声学-决策-反馈”五位一体的AREA(Adaptive Rapid Environmental Assessment)体系,推动海洋环境为海上作战服务保障能力的提升;研发智能化海洋目标感知技术及其与无人平台的集成技术,突破水下目标警戒无人平台核心技术和跨平台组网感知技术,集成军地双方各类观测平台,为构建海洋目标感知体系开展示范应用。

 

  总结
 

  “透明海洋”立足地球科学前沿和国际重大需求,通过布局依托基于物联网技术的太空天空、海气界面和深海的立体观测网计划,构建基于人工智能和大数据驱动的全球和区域海洋与气候观测预测系统,揭示多尺度海洋动力过程的相互作用机理及其在海洋能量物质循环中的作用和气候生态效应,阐明水体圈、生物圈和大气圈的关联机制,提升对海洋和气候系统的感知、认知和预测能力,引领跨尺度、跨圈层的多学科交叉研究,为应对全球气候变化和维护海洋生态系统健康提供重要科学指导,支撑人类社会可持续发展和人类海洋命运共同体建设。