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论文专区▏海洋环境装备体系建设现状及发展策略

2017-09-05 申家双等 溪流之海洋人生
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一、引言

海洋环境是天空、大气、濒海地带、海面、水下与海底等多层空间环境的总称,通常包括海岸地形、海底地形、地貌、底质、障碍物以及海水温度、盐度、密度、海冰、海流、海浪、潮汐、海面风、海雾、气温、气压、重力、磁力、水声传播、噪声、混响等多种海洋要素[1-4],是一个结构复杂、瞬息万变、尚未探明的巨系统,更是国家重要的基础性和战略性资源,军队兵力运用及现代武器系统作战的必备要件,信息化体系作战的重要组成,它们随着科学技术和武器装备的发展而发展,具有很强的时代特征[5]。海洋环境装备是采集获取、处理分析、管理生产与应用服务这些海洋环境信息的物质基础与技术支撑。利用海洋环境装备与技术来探明研究海洋环境特点规律,是认识海洋、透明海洋、开发海洋、经略海洋的前提基础,是促进海洋可持续发展、实现海洋开发战略、维护海洋权益、建设海洋强国的重要保障,是发挥环境信息“倍增器”作用、提升部队战斗力、使武器装备保持优势的关键因素。

本文从海洋环境信息要素构成入手,梳理了当前海洋环境不同专业装备体系结构,首次对涵盖的专业装备体系进行归并整合,建立了统一的海洋环境装备体系,并分析了装备体系建设现状与差距,就海洋环境装备体系建设提出了发展对策与措施建议,以期为推动海洋环境装备的体系化、信息化与智能化建设提供决策参考与技术支撑。

二、海洋环境装备体系框架设定

海洋环境是影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的海洋自然因素的总称[6],主要涵盖海洋地理环境、海洋地球物理场环境、海洋水文环境、海洋气象环境、海洋水声环境、海洋自然环境、海洋人文环境等要素[2-4],具有类型层级多、覆盖范围广、时空变化大、探测预测难等特点,在全球环境中占有十分重要和突出的地位。随着国家海洋战略的实施以及海洋信息化进程的加快,对海洋环境信息技术及其装备建设要求越来越高,应用领域越来越广。作为综合体现保障能力水平的海洋环境系列装备,其使命任务应随着形势变化和需求拓展不断进行调整与变革。现阶段海洋环境装备建设重点,应围绕我国管辖海域、远海及大洋活动区域实施综合观探测,获取海洋地理、地球物理场、水文、气象、水声环境实测资料;处理、分析与管理各种海洋环境信息,编制、生产与发布各类保障产品,为各类各级用户提供海洋环境信息服务支持;并围绕海洋环境信息与作战指挥、作战平台、武器系统等融合应用,研制适应战略、战役、战术等多层级信息应用装备,为作战、训练、演习、试验、护航、维权、搜救、安保等多样化任务提供全覆盖、综合、精确、实时、高效、可靠、安全的海洋环境信息保障,推进海战场环境建设,助力武器装备效能发挥,支撑国家海洋经济建设与安全发展。

海洋环境涉及专业领域宽,信息多源、种类多样、结构复杂。目前,海洋环境涵盖的各专业装备体系是按照传统业务流程来单独设置的,如海洋测绘专业通常按照信息采集装备、信息处理装备、信息管理与产品生产装备、产品分发与信息应用装备来设定体系框架,而水文气象装备体系框架则是按照观探测装备、海洋监测网装备、传输分发装备、分析预报装备、辅助决策装备、综合集成装备来设置的。由于不同专业装备体系纵向框架分类有别,名称内容不一,横向缺乏关联对应,相互之间少有交叉,限制了海洋环境学科的技术融合与整体建设,影响到海洋环境装备的精细管理与统筹规划。

无论是海洋地理信息、海洋地球物理场信息,还是海洋水文、气象、水声要素信息,按照业务流程与工作需求,一般包括信息采集、量测、分析、处理、存储、管理、显示、分发、应用、服务等环节,并需相应支撑装备来实现这些功能。为规范海洋环境装备体系,加强海洋环境专业技术融合,在梳理分析现有各专业装备体系的基础上,结合装备建设现状及发展要求,按照“全面覆盖、分类清晰、整合优化、集约高效、形成合力”原则,对现有海洋环境各专业装备体系进行归纳整合,最终将海洋环境装备体系划定由信息获取、信息处理和信息应用三大类装备组成的体系框架,见图1,作为规划设计、建设发展与科学管理海洋环境装备的基本遵循与主要依据。

图1  海洋环境装备体系结构框图

⒈ 信息获取装备体系

主要涵盖天基、空基、岸基、海基、潜基五种平台安装的多种海洋调查测量观探测装备与信息综合收集装备六个部分。

天基平台获取装备主要包括基于测绘卫星、气象卫星、海洋环境动力卫星、海洋重力、磁力探测等卫星平台及多种探测仪器(传感器),获取海洋地理、地球物理、气象、水文环境要素信息的接收设备。

空基平台获取装备主要包括基于各类载人、无人航空器平台,获取各类海洋地理、地球物理、气象、水文、水声环境要素的航空探测仪器(传感器)及相应的数据采集系统、集中控制系统、基准支持系统(主要包括平面、垂直、重力和磁力基准)等装置。

岸基平台获取装备主要包括基于GNSS跟踪站、大地测量控制点监测站、车载平台、海洋站、气象站、雷达站、大气波导站等,获取各类海洋地理、地球物理、气象、水文、水声环境要素的岸基观测仪器及配套的装备系统。

海基平台获取装备主要包括水面舰艇自主实时海洋环境探测系统以及基于各类专业调查测量船、辅助船、水面/半潜式无人艇、浮标等平台,获取各类海洋地理、地球物理、气象、水文、水声环境要素的海基观测仪器与相应的数据采集系统、集中控制系统、基准支持系统、装备收放作业装置等。

潜基平台获取装备主要包括潜艇自主实时海洋环境探测系统以及基于自航式无人潜器(AUV)、水下机器人(ROV)、水下滑翔机(AUG)、潜标等平台、座底式探测系统、海底有缆观测系统,获取各类海洋地理、地球物理、气象、水文、水声环境要素的潜基观测仪器及配套的装备系统。

综合收集装备主要包括利用有线传输、卫星通信等手段对国内外全球各种海洋环境信息实时收集、传输、接收的装备。

⒉ 信息处理装备体系

主要涵盖对海洋地理、地球物理场、水文、气象、水声等各种海洋环境信息处理、分析、质量评估、成果规范化管理、多种产品标准化制作、信息多样化应用分发的软硬件装备,包括各类海洋环境要素信息标准化处理系统及数据处理工作站、大气海洋环境数值预报系统、各类海洋环境要素数据库管理系统、基于数据库的海图一体化生产平台、海洋环境要素专题产品制作装备、海洋环境信息分发系统等。

⒊ 信息应用装备体系

主要涵盖海洋地理、地球物理场、水文、气象、水声等各种海洋环境信息应用的软硬件装备,为各级指挥所,舰载机、水面舰艇、潜艇等各类作战平台,雷达、声纳、导弹、鱼雷、水雷等武器系统及海洋经济开发、海洋权益维护等应用领域提供各种海洋环境信息支持。

三、装备体系建设现状与差距

⒈ 体系现状

经过几十年的建设和发展,特别是在新需求、新技术的驱动下,海洋环境装备技术得到了快速发展,初步建立起了与国家地位相称、与履行现阶段使命任务要求相适应的海洋环境装备体系,基本满足了经济发展、国防建设与科学研究等对海洋环境信息的应用需求。

⑴信息获取装备体系

天基平台获取装备方面,依托我国自主研制的“天绘”、“资源”、“高分”、“海洋”和“风云”系列卫星以及国外公开的各类卫星资源,获取各类海洋环境信息[6-7]。目前装备了一定数量的固定式卫星接收系统,初步具备卫星数据分析和产品研发能力,但缺乏船(车)载移动式的卫星接收系统,天基平台信息获取能力与多种应用需求相比尚有一定差距。

空基平台获取装备方面,海洋航空调查测量装备体系建设处于起步阶段,航空磁力测量等装备已基本具备国产化能力,航空摄影测量、重力测量主要装备基本依赖进口;开展了无人机平台测量装备试制与试验,但专用空基作业平台数量不足,航空传感器自主研发能力不强[7]

岸基平台获取装备方面,传统岸基静态调查测量平台和装备都比较成熟,但部分装备存在功能单一、设备老化等情况,固定台站数量不足分布不均,尚缺少新型岸基车载移动观探测装备。

海基平台获取装备方面,已建成相对完整的装备体系,装备种类相对齐全,具备较强的作业能力[7]。但存在平台种类不全、载体老化、吨位偏小、适应能力差、信息实时传输能力弱等问题。

潜基平台获取装备方面,目前处于起步阶段,探测手段较为单一,缺少专用的水下、海底观探测装备,且受通信信道制约,无法满足信息实时性采集要求。

综合收集装备方面,方法手段相对单一,目前基于有线网络(或介质拷贝)可收集部分固定岸基站点观探测信息,尚缺乏基于无线传输(如卫星通讯)的收集装备,难以实时高效获取大范围、长序列的海洋环境综合观探测信息。

⑵信息处理装备体系

海洋地理和地球物理场信息处理、数据库管理与产品制作装备方面,大地控制、地磁要素、常规海岸地形地貌、常规水深测量、海洋重力测量、海洋磁力测量信息处理装备体系比较完善[7]。多波束测深、海底地貌、海底浅层剖面、空基重力、空基磁力、激光点云、激光测深、无人机航测、光谱成像、双介质摄影测量等信息处理及质量检验评估装备尚未成熟。潜基信息处理装备基本空白。常规纸质、数字海图、航海书表生产装备相对成熟,已形成比较完整的海洋测绘产品生产体系,并建立了水深、地形、航标、井架平台、重力场、磁力场等相关产品数据库,但装备水平与信息化保障要求尚有一定差距。尚未完全建立海底数字地形模型生产、遥感影像海洋地理产品生产、全球多源海洋测绘数据同化处理、面向多用户需求的海图制印和海图云装备体系。

海洋水文气象水声信息处理、数据库管理与产品制作装备方面,常规温盐深、走航式测流、海冰、海面气象、大气波导、声传播、环境噪声等信息处理装备相对成熟,初步建立了常规调查资料质量控制和标准化处理装备体系,但走航式温盐深、混响、底质声学特性、GNSS探空、微波辐射计、Argo浮标等新型海洋调查监测资料质量控制和标准化处理装备尚不完备。热带气旋、能见度、海洋跃层、海洋锋、中尺度涡、大气波导、海洋内波、声传播、环境噪声等军事敏感要素统计、诊断分析方法基本成熟,但分析处理装备尚未完全形成体系。大气海洋数值预报模式已实现业务化,但数值预报平台运算能力和预报产品精度尚需提升,海洋水声数值预报装备尚未成熟。水文气象态势产品、统计分析产品、分析预报产品制作装备基本成熟,但水声信息产品制作装备尚不成熟,模拟仿真产品、再分析产品种类还不齐全装备尚不完备。虽制作了海洋环境温盐标准数据集,初步建立了海洋环境数据库、大气环境数据库,实现了部分海洋环境实时数据、历史数据及专题产品资料标准化处理和综合管理,但产品应用有待加强。

在信息分发方面,海洋测绘领域虽建立了官方网站,实现航海通告和部分信息的发布,但数据交换与产品保障的主要手段还相对落后,缺乏专用的海洋地理信息传输通道及远程动态按需的传输分发装备;海洋水文气象领域开通了信息服务网站,建立了军内外相关单位之间的信息专线,基本实现了气象水文信息的发布共享,但产品信息发布的范围有待拓展,精准度有待提升。

⑶信息应用装备体系

针对军事应用需求,研制了电子航海图系统、电子沙盘系统、海洋环境信息综合保障系统、重力场保障系统、水文气象分析应用系统及气象水文环境影响评估系统等应用装备,初步建立了海洋环境信息应用服务体系,基本满足了海洋环境信息军事应用需求。

针对民方应用需求,研发了海洋地理信息基础平台、电子海图应用系统、S-57显控平台、海洋划界决策支持系统、港口疏浚辅助决策系统、网络验潮仪、水下安保地理信息应用系统等多种应用装备,基本满足了海洋权益维护、国家经济建设等海洋环境信息应用需要,但精细化保障能力与公众化应用水平尚需提升。

⒉ 问题差距

按照海洋环境装备体系分类框架及海洋环境信息装备构成,通过比较分析国内外装备技术状态、能力现状及应用情况,目前海洋环境装备整体建设能力与综合保障水平,与建设海洋强国目标要求和未来海洋环境信息应用需求相比仍有一定差距。

⑴信息获取体系有待拓展

在天基、空基海洋环境信息获取装备方面,尚未完全建立起完整的技术、标准与生产体系,大面积海洋环境信息快速探测能力与保障空间受限;在岸基海洋环境信息获取装备方面,尚缺少车载移动观探测平台,制约海洋环境综合信息快速探测与机动保障时效;在海基海洋环境信息获取装备方面,经过多年建设发展已成为信息获取的主要平台,但尚缺乏执行沿岸、极地和全海域观探测任务的作业平台;在潜基海洋环境信息获取装备方面,大多常规观探测装备难以胜任水下测量调查任务,水下潜器与海底观测平台有待建设,敏感海域隐蔽观探测能力有待加强[8];在无人平台海洋环境信息获取装备方面,无人机、无人船装备技术体系处于研制发展阶段,基于无人潜器、无人车辆等平台的获取装备与技术体系尚处于论证阶段;在海洋观测网建设方面,综合信息观探测装备种类不全,立体组网、信息集成、综合应用能力相对偏弱[9]

⑵装备技术基础有待改善

海洋环境观探测装备研发基础薄弱,投入不足,人才短缺,后劲不足,国内研制的装备与国外装备相比在探测精度、稳定性、可靠性等方面存在一定差距[8]。多波束测深系统、机载激光测深系统、海空重力仪、海空磁力仪、声学多普勒海流剖面仪、抛弃式温盐深仪、走航式温盐深仪、船用测波雷达、电缆光缆绞车等主要海洋测量调查装备基本依赖进口,核心装备技术受制于人的局面短期内难以改变。地磁日变站、长期验潮站、大气波导站等数量不足分布不尽合理关系到获取信息质量;信息传输网络通道不太通畅,远程、动态、实时、按需的信息化海洋环境应用服务保障装备成为制约海洋环境信息应用的瓶颈;标准体系不够健全,影响数据采集交换、信息质量评估、装备使用维护、信息应用服务等环节的刚性约束;尚未建立起高效、完备的信息综合收集装备体系及海洋环境综合信息数据中心,制约信息收集、分析与应用效能;数据安全措施相对落后,尚未完成形成容灾备份与数据恢复能力。

⑶处理保障效能有待提升

与全海域信息精准快速保障应用需求相比,海洋环境信息尚存在覆盖范围小、保障要素少、保障时效慢、应用效果差等不足;多源海量异构大数据的处理、分析、计算、存储、管理能力还不太强,装备标准化、工程化、一体化建设水平还不太高;处理装备多为单台工作站模式,集成处理程度不高,未完全建立网络环境的并行分布式处理机制与装备架构;基于数据库的一体化海图生产体系以及基于遥感影像的海图生产装备尚未完全形成能力;面向各类应用的海洋环境专题保障产品种类不全;缺乏新型观探测装备数据质量控制与标准化处理手段以及多源同步观测数据融合处理、典型复杂海洋环境诊断分析、海洋环境信息检验评估与典型海洋现象高精度诊断等装备;中期预报与灾害性天气预报能力相对不足,中远海海洋环境数值预报产品分辨率相对不高,海洋环境数据库难以应对多要素、多尺度、海量海洋环境信息数据管理要求。针对航行运输、海洋经济建设与海洋研究等多样化应用需求,以及针对作战指挥尤其是联合作战要求提供战略、战役、战术等层级支持装备还不相适配;作战平台自主观探测能力以及岸舰、岸潜、舰舰、舰潜信息支援能力有待加强。

四、海洋环境装备建设构想与对策建议

海洋占地球面积的71%,蕴藏着极其丰富的自然资源与空间资源,在政治、经济、军事、外交等方面有着举足轻重的战略地位。当前我国海洋正面临着疆界受挤压、资源被掠夺、岛屿被侵占、安全受威胁的局面[10]。特别是随着国家海洋战略的推进以及海洋信息化建设步伐加快,对海洋环境保障空间范围、内容要素、时效方式等方面提出了更高的要求,对海洋环境装备标准化管理与现代化建设也提出了更新的要求。

⒈ 建设目标

以“建设海洋强国”国家战略为指导,以构建“结构合理、门类齐全、编配科学、保障有力”海洋环境装备体系为目标,紧贴应用需求,突出科技创新,加强装备体系化标准化设计以及国产化工程化研发,全面提升海洋环境信息立体获取、快速处理、智能分析、综合应用能力,推进“透明海洋”“智慧海洋”建设,为维护国家安全、促进经济发展、提升作战效能提供精准、翔实的海洋环境信息支持。

⒉ 对策建议

“工欲善其事,必先利其器”。要想高效、科学、合理地研究海洋、开发海洋、利用海洋,就要有先进的技术手段以及具备达成目标的技术装备[8]。目前海洋环境装备发展面临的形势比较严峻,建设任务极其繁重。应以建设海洋强国战略为目标,以需求为牵引,以问题为导向,为应用为抓手,加强体系建设,坚持创新驱动,深化军民融合,加速推进海洋环境装备建设整体水平不断提升。

⑴需求牵引

在分析国内外海洋环境装备建设现状及能力差距的基础上,找准海洋环境装备建设短板弱项,加强应用需求调研论证,明确装备需求与保障要求,制定切实可行的装备研发保障计划;突出海洋环境军事应用引领作用,加强海洋环境信息与指挥系统、作战平台、武器装备的融合铰链,发展适应战略、战役、战术多层次、不同保障样式、天空岸海潜统筹的海洋环境信息应用装备,开发一批支撑我国海军装备体系、提高装备作战能力的军事海洋环境高新技术和设备[11],不断提升海洋环境信息的应用效能。

⑵体系规划

针对当前天基、空基、潜基观测平台缺乏,岸基、海基种类不全数量不足等现状,在统筹天基、空基、岸基、海基、潜基观探测平台平衡发展基础上,可按“优先发展空基、推动天基和潜基、完善海基和岸基、同步开展综合收集装备”推进思路,加强海洋环境装备、技术、标准、产品体系统筹规划设计,以装备体系建设为核心,以技术体系建设为支撑、以标准体系建设为法规、以产品体系建设为目标,突出获取装备立体化系列化,加强处理装备标准化智能化,突破应用装备网络化多样化,逐步形成天空岸海潜五位一体立体化的海洋环境信息获取体系,多源全要素一体化的海洋环境信息处理装备体系,军地多用户信息化的海洋环境应用装备体系。

⑶技术驱动

以信息探测的传感器技术、信息感知的物联网技术、信息传输的网络通讯技术、信息处理的大数据技术、信息应用的云服务技术、信息表达的虚拟现实仿真等技术为支撑,逐步建立海洋环境众源信息泛在获取、海量数据智能处理、空间信息真实表达、信息资源互联共享、信息增值服务的技术体系,以科技进步助力海洋环境装备型性能提升。深入贯彻军民融合发展国家战略,通过引进消化、综合集成、自主研发等手段,采取创新驱动、市场竞争、资源共享等措施,加大科研经费力量投入,加快成果转化应用,加强核心技术攻关,鼓励装备更新与升级换代,推进装备国产化研制与工程化应用,扶持装备建造企业,培育装备研发团队与高素质人才,逐步形成研、产、供、用完善的产业链,不断提升海洋环境信息实时化采集、全球化收集、标准化处理、网络化传输、自动化提取、智能化分析、信息化管理、一体化生产、可视化仿真、远程化保障及多样化应用的能力,着力实现海洋环境全要素、多领域、高效益的合作共赢发展格局。

⑷夯实基础

加强基础设施建设,为海洋环境空间信息获取、处理、传输、管理、分发、应用提供资源支持。开展地磁、验潮站等基准台站及海洋调查测量装备标校检校设施建设,为海洋环境信息质量与精度提供基础保障。开展多源信息质量评估与标准化处理、海洋环境综合(专题)数据库、云服务平台等装备设施建设,逐步建立海量存储、高效管理、快速调用、主动推送机制;加强容灾系统建设,为海洋环境信息安全提供保证;通过系列基础设施建设,逐步构建“大后台、精前台”海洋环境信息应用体系,不断提高装备应用保障的通用性、规范性、兼容性与海洋环境信息化、网络化、一体化建设水平,满足多项任务多种样式对海洋环境信息精细化、专题化、实时化应用需求。

⑸突出质量

贯彻装备全寿命管理理念,按照装备可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性“六性”要求,加强通用化、标准化与模块化设计,推动装备修造融合,将装备使用及保障需求向研制阶段前伸,提高装备战损生命力;做好研制阶段维修设备、图纸资料、备品备件配套工作,为后续使用、维修提供便利。健全装备质量反馈机制,将装备应用问题纳入装备优化改进程序中;健全装备档案登记与维修保养制度,有效掌控装备工作状态;规范与优化装备工作环境,确保装备运行正常、功能可靠、性能稳定。

五、结束语

海洋环境涉及海洋地理、水文、气象、水声、遥感、地质、地球物理、海洋法规及武器系统、作战指挥、计算机等多学科的交叉融合,是一个复杂的、长期的系统工程。虽然近年来随着高新技术的飞速发展,海洋环境装备建设水平与能力有了很大的提升,但距离全球化、多样化、智能化的应用需求以及信息化体系作战要求相比尚有很大的发展空间。通过对海洋环境涵盖的多学科、多要素、全过程装备建设现状分析以及差距对比,可以得出以下结论与启示。

⑴突出海洋环境装备体系建设。有效整合海洋环境各学科专业装备框架,合理设定海洋环境装备新体系结构,对于规范装备科学管理、牵引装备建设发展、发挥信息综合效能具有重要的意义。应以装备建设的短板弱项为突破口,以推动海洋信息化建设为着力点,以提升信息化体系作战能力为落脚点,注重装备体系统筹规划,查漏补缺,固强补弱,推动装备体系的均衡发展,提升装备建设整体水平。

⑵加强海洋环境装备发展研究。海洋环境要素的多样性、信息的连续性实时性全域性以及获取、处理及应用平台系统的广泛性,形成了当前装备种类多、型号杂的局面。为科学用装管装,应在全面梳理现有装备种类型号的基础上,分析各类各型装备的演变规律及发展特点,强化新技术、新方法、新需求衍生新装备研究,统合功能相近装备、淘汰功能重复型号,确定改进发展装备,并按照装备体系框架建立装备谱系,科学优化统筹规划装备建设,促进装备体系全面、协调与可持续发展。

⑶注重海洋环境装备能力建设。海洋环境装备能力与技术体系、标准体系、产品体系、组织力量体系等建设水平息息相关。当前海洋环境装备能力已成为体系作战能力的关键因素[7,12],因此,要充分发挥装备的应用效能,应处理好装备体系与技术、标准、产品、组织力量等体系之间的关系,充分发挥对装备能力的支撑作用,建立与装备能力相配套的业务保障体系,特别是加大信息化条件下的海洋环境信息保障理论的研究,聚焦“透明海洋”“智慧海洋”目标,牵引海洋环境装备建设,拓宽军地资源双向流动与共享渠道,充分利用成熟的技术与系统,大幅减少装备开发、维护、升级成本和时效,不断提升海洋环境装备质量性能,提高海洋环境装备的体系贡献率。

【致谢】感谢姜震、董文庆、黄谟涛高工、滕惠忠、陆秀平、贾俊涛、袁延茂、张靓、孙磊等同志在论文写作中给予的大力支持。

参考文献:

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■第一作者申家双,1968出生,男,河南新乡人,高级工程师,博士,主要从事海洋测量与遥感测绘技术研究;本文来自《海洋测绘》(2017年第4期),若其他公众平台转载,请备注论文作者,并说明文章来源,版权归《海洋测绘》所有。

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