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专家视点 | 我国海洋信息化发展现状分析及展望
作者：程骏超,何中文
引言
自有历史记载以来, 海洋就在人类社会演变的进程中发挥至关重要的作用。随着16世纪初“地理大发现”的兴起, 人类逐步通过海洋开启全球化发展的进程。葡萄牙、西班牙、荷兰、英国、美国等国家充分利用各自的优势, 在不同历史时期建立海洋强国, 并借此进一步发展成为世界强国, 几百年来影响甚至是主导着世界发展。中国于2012年提出“建设海洋强国”的战略目标, 不仅顺应21世纪海洋大开发的发展潮流, 也是中国政治、经济、外交和社会进一步发展的必经之路。
近代几百年, 人类对于海洋强国的认识主要集中在国家海洋工业装备实力方面。如, 马汉在其著作《海权论》中指出, 利用强大海军 (主要指舰船武器装备) 获取制海权, 从而为本国商船开展全球贸易铺平道路, 进一步为攫取资源和商业暴力营造环境。这一思想不仅在西班牙、英国称霸全球的史实中得到验证, 更帮助美国在20世纪迅速崛起并被沿用至今。然而进入21世纪, 随着以物联网、云计算、大数据等为代表的新一代信息技术的快速发展, 对于海洋强国的认识在原有基础上加入利用信息技术“认知海洋、管理海洋、开发海洋”这一全新维度, 可将其看做国家海洋的软实力, 重要性丝毫不亚于工业装备实力。如, 美国于2013年3月发布的《国家海洋政策行动计划》中明确提出“海洋数据获取与信息提供能力增强计划”, 加强联邦和地方政府、各行业等对海洋的认识和理解, 为海洋事业发展做出更为科学与合理的决策。
由此可以看出,我国在建设海洋强国的进程中, 不仅需要提升工业装备方面的硬实力, 如海上石油钻井平台、LNG船、深远海开发装备等;更需要加强海洋信息化方面的软实力建设, 发挥信息在海洋环境认知、海洋事务管理、海洋资源开发、海洋活动保障以及海洋战略决策等多方面的体系黏合剂与力量倍增器的作用, 形成以信息为主导、以装备为支撑的协同发展格局。
海洋信息化发展需求
海洋自身特点对信息化发展的需求
海洋是地球表面被各大陆地分割而彼此相通的广大水域。作为人类赖以生存的第二自然环境, 海洋具有十分鲜明的自身特点。首先是“大”：海洋不仅面积辽阔、占全球表面积的70.8%, 而且空间立体, 包括空中、水面、水下3个层次, 到目前为止人类已探索的海底区域仅为5%, 还有95%的海底区域仍处于未知状态；其次是“分”:与陆地上完全主权的占有关系不同, 海洋是全人类共同拥有的自然资源, 根据《联合国海洋法公约》的规定, 海洋被分为领海、毗邻区、专属经济区和公海, 沿海国家在不同海域分别行使不同的权利;再次是“散”:由于海洋面积广阔, 较陆地而言, 各类海洋主体和海洋活动都处于高度分散的状态, 不仅相互之间难以建立联系, 更对海洋活动的管理和监控带来困难;最后是“变”:海洋始终处于运动变化的状态, 海洋水文气象环境、海上活动的主体和内容都在不断变化, 与陆地上相对稳定的状态截然不同。
由此可见, 对海洋的开发与治理需要充分考虑其自身的特点, 采用因海制宜的措施, 才能实现经略海洋的目标, 而信息的应用正是匹配上述4个特点的有效手段。通过对环境、目标和活动3类信息的及时获取与充分利用, 能够实现对广阔、立体海洋空间的认知, 制定不同海域的管理开发策略, 管控分散状态下各类海洋主体与相关活动, 应对各类变化带来的问题与挑战。可以说, “信息主导”是经略海洋的前提与基础。
国家海洋战略对信息化发展的需求
没有信息, 人类在海洋领域寸步难行。信息化水平和能力是各国制定海洋战略、发展海洋事业的主要参考依据。而且随着人类社会的演变和科技水平的不断进步, 海洋战略对于信息化发展的需求越发强烈, 信息化与海洋事业之间的联系也更为紧密。
从人类社会形成至15世纪这一段历史时期内, 对海洋的开发利用主要停留在“兴鱼盐之利, 通舟楫之便”的水平, 关键原因之一就在于几乎没有任何信息化手段支撑人类活动从近海走向远海。15世纪至20世纪, 随着航海导航、海图测绘等初级信息技术的进步, 以及海洋环境相关经验信息的不断积累、认知水平的不断提升, 人类逐步获得走向远海甚至在全球海域航行的能力;这一时期内, 葡萄牙、西班牙、荷兰、英国等历史海洋强国都根据其全球海域可达范围 (主要由信息化水平决定) 制定相应的海洋战略。
从20世纪后期开始, 沿海各国进一步拓展对于海洋的战略需求。在近海安全防卫、中远海航道通行等需求的基础上, 增加资源开发、经济发展、生态保护、防灾减灾、管控治理等一系列新的需求。考虑到海洋的未知性和演化性, 上述需求的满足从根本上而言更依赖于海洋感知、态势获取、通信导航以及分析应用等信息化手段。如, 没有海洋气象信息, 渔业生产安全将无法保证;没有海底地质信息, 资源开采将无从下手;没有海洋水文信息, 生态保护将无的放矢;没有海上活动目标信息, 沿海地区和海上航道安全将受到威胁, 海洋管控更是无据可循。因此, 信息化能力直接决定海洋事业发展的效果, 信息化建设在国家海洋战略中的地位也得到进一步提升。
国外海洋信息化建设进展
欧、美等西方发达国家均高度重视海洋信息化工作, 在各类海洋信息的获取、传输、处理与应用等方面投入大量资源开展长期建设, 促进本国海洋信息化水平不断提升。
美国在海洋事业发展中始终贯彻“数据为王”的理念, 从不断扩大信息搜集范围、提升信息利用价值2个方面开展工作。美国早在20世纪60年代就建立国家海洋数据中心, 逐步积累海洋相关信息。在初步完成东西管辖海域信息化基础设施建设以及信息调查的基础上, 于1998年开始布局全球, 主导开展Argo全球海洋观测试验项目, 以获取海水温、盐度等剖面资料。此后, 于2007年进一步启动综合海洋观测系统计划 (Integrated Ocean Observing System, IOOS) , 在美国各地已经建立的成百个近海观测系统基础上, 建设相互协调的全国主干系统和地区子系统, 进行联合观测、数据统一管理。在初步完成海洋数据规模性积累的基础上, 为进一步加强数据价值的挖掘, 于2013年启动海洋数据获取与信息提供能力增强计划。这一系列举措旨在形成一套覆盖全球的海洋观测、数据采集、数据处理与信息管理集成的体系, 提升海洋数据与信息产品质量, 不断强化美国作为当今世界第一海洋霸主的地位。
作为美国的邻居, 加拿大充分利用民间力量, 针对科学研究和海洋产业服务开展信息化建设。Ocean Networks公司在本国运输委员会和西方多元化项目的资助下, 联合维多利亚大学与IBM公司于2014年发布海洋感知与决策系统研发项目;该系统实现海洋信息的感知、传输、管理、分析与决策的自动化与智能化, 从而为科学研究、政府战略以及涉海行业提供信息和技术支撑。
欧盟集合各成员国的资源和优势科技力量, 针对资源和生态2个方面共同开展海洋信息化建设。爱尔兰、挪威等13个国家于2011-2014年联合开展iMarine计划, 研制并建设一套信息化基础设施, 旨在促进获取、开放和共享基础性海洋数据, 通过协同分析、处理和挖掘, 形成经验知识, 支撑欧盟对于海洋资源的开发和生态环境的保护。
我国海洋信息化发展现状及分析
发展历程
20世纪80年代以前, 我国海洋信息化工作主要以对历史海洋调查和考察数据的抢救性保存为主, 实现文档化资料管理;“九五”期间, 依托各类商业化软件, 逐步开展专题数据库的建设工作, 实现海量海洋数据的检索和使用;“十五”至“十一五”期间, 以专题数据库为支撑, 着手建立海洋信息系统, 实现软硬件设备的升级换代。经过几十年的发展, 我国海洋信息化成果已初步显现。
在政策保障方面, “十二五”以来, 随着国家不断加大对海洋事业的投入, 海洋的信息化建设也进入高速发展的黄金时期。国家和沿海省 (自治区、直辖市) 先后出台一系列海洋信息化建设的发展规划, 如《全国海洋观测网规划 (2014—2020年) 》《广东省智慧海洋与渔业发展规划》《青岛市“海洋+”行动计划》等, 分别从数值预报、渔业应用、环境监测等多个方面为海洋信息化建设提供政策保障。
在海洋信息化技术手段方面, 我国也取得长足进步。我国已成功发射3颗HY系列卫星, 岸基观测台站、高频地波雷达、水下机器人、锚系/漂流浮标、短波通信、北斗通信、水下光纤通信等一批关键技术和设备取得技术突破, 无人机、无人艇等新型装备逐步投入应用;当前处于论证阶段的“一带一路空间信息走廊”和“海底长期科学观测系统”将分别从太空和海底2个空间维度增强我国海洋信息获取能力。
当前发展热点
“数字地球”概念的提出在全球范围内引起强烈反响。我国海洋工作者将其与海洋领域的工作和实践相结合, 于1999年提出“数字海洋”概念以及相关建设构想, 并与2003年正式启动我国数字海洋信息基础框架构建项目, 成为我国海洋信息化领域首个全国范围内的专项工程。2011年数字海洋信息基础框架建设圆满结束, 取得一系列丰硕成果, 同时也还存在如缺乏实时、持续、立体的数据获取手段, 系统之间信息交换和协同能力较差, 较注重近海而缺乏远海信息等一系列问题。
数字海洋的核心是将大量复杂多变的海洋信息转变为可以度量的数字、数据, 再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型, 成为可计算、可存储的对象。海洋环境信息中, 温度、盐度、湿度等都是随着时间、空间变化而连续变化的, 只有通过数字化技术对这些连续变量进行采样、量化、编码, 才能形成可被存储、运算、处理的数值。因此可以认为, 数字海洋是海洋信息化发展的基础。
在“数字海洋”的基础上, 海洋科学与技术国家实验室的吴立新院士于近年提出“透明海洋”的工程构想。“透明海洋”针对我国南海、西太平洋和东印度洋, 实时或准实时获取和评估不同空间尺度海洋环境信息, 研究多尺度变化及气候资源效应机理, 进一步预测未来特定一段时间内海洋环境、气候及资源的时空变化, 实现海洋状态透明、过程透明、变化透明, 使其成为“透明海洋”。“透明海洋”是在海洋信息数字化的基础上, 向海洋环境信息应用迈出的重要一步, 将大幅提升我国认知海洋的能力。然而认知海洋只是基础, 经略海洋才是目标, 如何充分利用信息提升经略海洋的能力才是未来发展的关键。
存在的问题
虽然我国海洋信息化发展已取得丰硕成果, 但现阶段信息化水平还远无法有效支撑建设海洋强国、“21世纪海上丝绸之路”等战略目标的实现, 主要表现在几个方面。
问题一：海洋信息化缺乏顶层体系性设计
首先, 海洋涉及军事、政治、外交、经济、环境等多个领域, 而在海洋信息化建设过程中没有国家顶层的体系性设计和统一的规划引导, 缺乏空间、功能布局和实施步骤的合理统筹, 各部门、沿海地方通常按照自身业务需求独立开展建设, 各系统不仅难以相互协调支撑、统一形成合力, 而且造成重复建设和资源浪费。
其次, 海洋信息化建设内容丰富, 涵盖基础设施、管理机制、运行保障、标准质量、安全防护等多个方面, 且各部分关系紧密、不宜分立, 必须相互支撑、协调推进, 因此顶层体系性设计尤为关键。然而目前我国仍较重视个别领域的建设, 缺乏全局整体性发展规划, 从而形成能力短板, 严重制约海洋信息化建设的整体效果。
问题二：海洋信息获取能力亟待提升
从整体来看, 我国已初步形成由卫星、飞机、调查船、岸基监测站、浮标等组成的海洋环境立体监测网络, 在空中、海面、水下形成一套立体综合观测体系。然而我国自主获取的海洋信息在范围、内容和质量等方面还存在明显不足。
在范围方面, 目前我国布局的信息基础设施仅能够覆盖管辖海域, 且以水面信息为主, 对于深海、远海、重要战略通道等区域缺乏有效的信息获取手段, 而是主要以国际合作和交换资料为主, 难以实现对船舶远洋航行和海外军事/非军事行动的有效保障。
在内容方面, 目前我国仍以水文气象等环境信息为主, 对于低空、水面和水下活动目标信息难以做到及时掌握, 即使通过雷达、声呐等手段探测到目标, 也难以实现对目标身份和意图的有效识别, 从而给海上安全管控、突发事件应急处理带来巨大困难。
在质量方面, 受限于获取手段和仪器设备, 我国现有的海洋数据主要以批次性调查和日常业务工作积累等为主, 数据的时效性、时空分辨率以及精度等方面与国外还有较大差距, 且即使使用相同的原始数据也难以达到国外的处理水平。
问题三：海洋信息缺乏有效共享
由于信息系统分头建设, 涉海数据分别掌握在各业务主管部门和相关科研机构手中, 彼此之间相互隔绝, 再加上政策、技术、安全等方面的考虑, 形成多个数据孤岛, 使海洋数据的管理和共享出现各自为政的局面。一方面使数据重复采集、成本提升;另一方面也使大量数据囤积难以发挥其潜在价值。
数据共享机制的不健全进一步影响信息关联与协同的能力。海洋环境复杂多变的特点导致单一海洋信息的可信度和准确度通常较差, 无法凭此做出有效决策。只有将多种信息关联起来、相互比对, 并进一步建立信息之间的关系模型、协同使用数据, 才能够验证数据的有效性, 并深层次挖掘数据, 寻找规律、提炼价值。可见, 海洋数据共享程度直接影响数据使用效果。
问题四：海洋信息业务化应用水平低
我国虽已在相关涉海部门、行业初步建立信息应用系统, 但大多停留在数字化办公和掌握当前情况这一初级层面。对于信息自身价值的开发仍处于起步阶段, 而这一价值主要体现在取代经验、对未来进行更准确的预测。
综合来看, 受数据质量、历史积累以及最为关键的数据挖掘能力等方面的限制, 目前我国海洋信息对经济、管控、军事和开发等领域的决策支撑保障水平仍然较低, 信息在实际业务中的应用范围、应用深度都亟待提升。
问题五：海洋核心技术装备力量薄弱
海洋信息化能力以核心装备技术水平为基础。根据我国海洋工程与科技发展战略研究结果, 仅8%的国产核心装备达到国际先进水平、22%的国产核心装备与国际先进水平差距为5年、其余国产装备差距在5~20年。尤其在信息感知装备 (如水下观测设备、岸基雷达设备等) 方面, 缺乏自主研制和生产能力, 核心技术、关键零部件和整机装备大部分依赖进口和国外配套, 对未来我国海洋信息化发展造成不利影响。
我国海洋信息化未来展望和发展建议
未来展望：智慧化是海洋信息化发展的必经之路
近年来, CPS、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术飞速发展, 推动人类社会逐步由工业社会向信息社会转型。海洋作为对信息具有高度依赖性的特殊领域, 更是迎来划时代的发展机遇。
从整体来看, 新一代信息技术体系已经具备构建与人类所在物理空间相对应的虚拟空间的能力。凭借海洋物联网获取的与日俱增的海量数据, 加上长期积累的各类历史数据, 通过以云计算平台为支撑的工业大数据、社会大数据、科学大数据的分析处理, 可在虚拟空间中构建海洋环境演变模型、海上设备运行模型、涉海人员活动模型。在此基础上, 利用大量实时真实数据驱动虚拟空间中的各类模型, 可实现在虚拟海洋空间中模拟和预测实体海洋空间的发展变化情况。由此, 一方面可利用模拟预测结果对实体海洋空间的活动和决策进行指导;另一方面可利用实体空间产生的大量数据促进虚拟空间的成长, 提升模型的准确程度和预测能力。从而形成实体海洋空间与虚拟海洋空间相互指导、相互映射的良性互动关系。这正是CPS技术的核心思想。
在以CPS技术为核心的海洋信息化发展框架下, 随着网络环境的不断完善、相关数据的不断积累、模型准确性的不断提升, 海洋实体空间与对应虚拟空间的深度交互与融合将成为必然, 从而使得“虚实融合”的海洋信息化体系进一步朝着智能化的方向发展, 逐渐形成海洋信息的智能感知、智能管理、智能分析、智能决策等一系列核心能力, 最终成为智慧海洋。可见, 智慧化是海洋信息化发展的必经之路。
发展建议
在深刻认识我国海洋信息化发展中存在的问题的基础上, 应充分借鉴国外该领域积累的经验和形成的理念, 立足现有“数字海洋”“透明海洋”, 从全局战略性角度出发, 加强海洋信息化发展的顶层设计, 完善信息共享机制, 大胆利用新兴信息技术, 充分发挥其对现有业务模式的开创性作用, 形成后发优势, 分2步实现对世界先进水平的赶超, 实现对海洋强国战略发展的有力支撑。
第一步主要解决现存问题, 夯实完善海洋信息体系。通过海洋物联网、海上宽带通信、海洋工程装备等方面的发展, 打造覆盖全球的海洋信息基础设施网络。通过海洋大数据、云平台等方面的建设, 提升我国海洋信息开放共享、分析处理、价值挖掘等方面的能力。通过为各涉海领域提供具有准确预测能力的信息应用服务开发平台和环境, 鼓励海洋信息服务产业发展, 形成涉海领域全面覆盖的信息服务体系。
第二步主要提升信息体系能力, 构建智慧海洋。顺应海洋信息化发展的必然趋势, 着力推动大数据、云计算技术的深入应用, 加强海洋数据分析挖掘能力, 完善信息交互传输网络, 提升虚拟信息空间运行真实程度, 真正实现“虚实融合”“智能自治”的智慧海洋。
文章来源：本文选自《我国海洋信息化发展现状分析及展望》，原刊于《海洋开发与管理》，2017年02期
作者：程骏超,中国船舶工业系统工程研究院工程师；何中文，中国船舶工业系统工程研究院高级工程师