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院士論壇:我國智慧海洋發展的建議

2018-12-19

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海洋作為人類賴以生存和發展的重要空間,擁有豐富的物質和能量資源,是各國戰略利益競爭的制高點。我國擁有300多萬平方千米的管轄海域和1.8萬km大陸岸線,擁有廣泛的海洋戰略安全和發展利益。黨的十八大提出建設海洋強國的重大戰略部署,黨的十九大進一步明確堅持陸海統籌,加快建設海洋強國。這充分說明海洋強國建設已是新時代中國特色社會主義事業的重要組成部分。

多年來,我國一直致力于海洋事業發展,在海洋科技、治理、經濟、文化等領域取得了顯著成效,但還遠不能滿足供給側結構性改革、創新驅動發展、海洋強國建設等重大戰略需求。因此,必須利用新一代信息技術,構建以海洋信息智能化基礎設施為核心的海洋信息體系,加快海洋核心智能科技的創新研發,實施智慧海洋工程,為海洋資源開發利用、海洋經濟發展、海洋生態環境保護和海洋權益維護,提供全面透徹的信息感知、泛在隨行的通信保障和精準智能的決策服務,創新海洋治理體系,構筑全球競爭優勢,從而全面提升認識海洋和經略海洋的能力。

本文在介紹智慧海洋發展大背景的基礎上,論述了智慧海洋的內涵,分析總結國內外海洋信息化發展現狀,提出智慧海洋的發展戰略構想和體系框架,提出未來發展建議。

一、海洋信息化發展現狀與趨勢

⒈國外海洋信息化發展現狀

世界范圍內,海洋發達國家積極推動海洋信息基礎設施建設,高度重視新一代信息技術和裝備在海洋領域的應用,大力實施國家級專項,持續提升海洋信息領域整體能力,不斷拓展戰略利益空間。

早在2007年,美國制定了《美國海洋行動計劃》,提出對各類海洋觀測點進行整合,建成綜合海洋觀測系統(IOOS),該系統將人工與科技相結合,對近海水體和海洋數據進行采集、整合和發布,為科學家們提供快速挖掘信息的方法,從而對海洋環境的改變進行追蹤、預測、管理和應對,也為決策者提供更安全可靠的信息,促進經濟發展,保護水體環境。近年來,又推出了“海軍海洋科學發展計劃”“海洋數據獲取與信息提供能力增強計劃”等一系列專項,以期通過這些專項提升海洋信息獲取分析的能力,促進海洋學科發展,為海洋戰略實施提供技術保障。


加拿大通過整合Neptune和Venus等計劃的觀測設施, 構建了Ocean Networks,研發了智能海洋系統(SOS),用于科學研究、政府決策、海洋環境監測、海洋環境安全保障、漁業資源利用等方面。俄羅斯海軍2016年最新研制出一種能將通信信息與聲波相互轉換的系統,把水下活動潛艇、深海載人潛水器、無人潛航器和潛水員聯系起來,構筑水下“互聯網”。歐盟“歐洲海洋觀測數據網絡(EMODNET)”提出Marine Knowledge 2020計劃,加強海洋的科學研究能力, 提升不同層級決策的質量和可靠性。法國“哥白尼海洋環境監測服務(CMEMS)”是歐盟地球觀測和監測項目的一部分,目標是通過空間觀測和原位觀測為歐盟提供自動的數據獲取能力,為海洋數據提供開放的平臺。英國2007年啟動了名為“海洋2025” 的重大海洋研究計劃,旨在提升英國海洋環境認知、更好地保護海洋。日本2012 年提出針對2013年到2017年的五年日本海洋發展階段性戰略,目的是提升水下資源開發能力,增強水體的監測能力和重大事態的應對體制。此外,韓國業務化海洋系統(KOOS),對海洋進行日常監測和72h的預報,為海洋災害提供預報預警。

鑒于海洋的戰略地位,國際上海洋強國較成功的經驗是建立海洋信息化的跨部門綜合管理,體現國家意志。美國2010年設立了國家海洋委員會,協調27個聯邦機構,隸屬于總統行政辦公室(內閣級別),委員會直接向總統匯報。歐盟設立了海洋管理委員會,對不同行業和部門的政策進行協調整合。俄羅斯2001年設立聯邦政府海洋委員會,由副總理擔任主席,保障聯邦執行權力機關和涉海單位之間協調行動。日本2007年設置綜合海洋政策部, 由日本首相兼任,協調交通、經濟產業和農村等中央省廳8個部門,用以統籌協調涉海事務和政策。

⒉我國海洋信息化現狀

經過多年的發展,我國海洋信息基礎設施建設初具規模,逐步構建海洋環境觀測系統,海洋資源綜合調查手段和范圍不斷拓展,資料獲取能力和數據量得到極大提升,觀測范圍初步覆蓋近岸、近海、大洋和極地,形成了較為豐富的海洋信息和數據家底。重大海洋信息裝備研制取得重要成果,“蛟龍號”載人潛水器、“海翼號”水下滑翔機、“海斗號”無人潛水器等成功海試。

海洋信息應用服務能力持續增強,相關涉海機構圍繞海上交通、海洋預報、海洋漁業、海洋資源開發、海洋環境監測、海島(礁)測繪、涉海電子政務等領域需求,開展了各具特色的信息應用服務,取得了顯著成效。2003年,借助我國近海海洋綜合調查與評價專項的實施,正式啟動了我國數字海洋信息基礎框架建設,建成了數字海洋信息基礎平臺和數字海洋原型系統,為我國海洋信息化發展奠定了堅實基礎。

⒊存在的不足與面臨的形勢

與世界上海洋發達國家相比,我國海洋信息體系建設總體上能力不強, 海洋觀測和開發的核心裝備“ 硬實力”不足,海洋信息體系“軟實力”不夠完善,主要表現在:一是缺乏全局戰略性頂層設計,海洋信息資源散又弱,難以發揮整體優勢;二是海洋核心技術裝備的自主研發能力不足,關鍵設備依賴進口,難以有效支撐海洋信息基礎設施建設;三是海洋信息自主獲取與通信能力嚴重不足,覆蓋范圍、觀測要素、時效精度和數據質量都亟待提升; 四是海洋相關標準不一、共享機制不暢,“信息孤島”現象嚴重;五是海洋信息服務規模小、水平低,難以滿足海洋綜合管理、軍事活動、經濟發展等方面的需要。總之,仍不能適應全球海洋治理格局的重大變革,不能滿足我國加快海洋強國建設的重大需求。

隨著云計算、大數據、人工智能等新一輪信息技術在各領域的深入應用, 各行業信息化都產生了深刻變革,智慧國土、智慧城市、智慧交通、智慧醫療等一系列與智慧相關的解決方案和工程相繼落地,并對人類生產生活產生長遠影響。當前,我國海洋強國戰略和國家信息化戰略穩步推進,海洋信息化發展已步入大有作為的重要戰略機遇期。新形勢下,加快推動以智慧海洋帶動海洋信息化深入發展,是順應國際國內兩個大勢、搶抓機遇、建設海洋強國的必然選擇。

二、智慧海洋內涵與定位

⒈智慧概念的產生

18 世紀以來,人類社會發展經歷了機械化、電氣化和數字化3次技術革命。20世紀下半葉開始,信息與物理融合技術的發展,帶來了第四次革命,即知識革命,并率先滲透到經濟、社會和生活等領域,人類社會進入智能化時代。美國IBM公司2008年率先提出了“智慧地球”的概念,其核心是把傳感器嵌入各種物理基礎設施中,連接形成“物聯網”,將物聯網和互聯網整合,使人類能以更加精細和動態的方式管理生產和生活,實現全球智慧狀態。所謂智慧,是對事物能迅速、靈活、正確地理解和處理的高超思維能力。信息與物理融合的知識革命就是將物理信號轉換為數據、數據處理成信息、信息轉化為知識的過程。在這個過程中,人的智慧得到了充分參與和展現。美國信息物理融合系統、德國工業4.0以及中國制造2025和人工智能2.0,均是信息與物理融合的知識革命在不同領域的實踐。

⒉智慧海洋內涵

人類社會的4次技術革命也間接推動了海洋領域從探索發現、考察認知、組網觀測向智能服務時代邁進。1405年鄭和第一次奉使出洋,之后連續7次下西洋。87年后的1492年到16世紀初,歐洲人開辟橫渡大西洋到達美洲、繞道非洲南端到達印度的新航線以及第一次環球航行,人類進入大航海時代,從而開啟了人類通過記錄和積累航海資料,對海洋空間位置的初步探索與認識。隨著電氣化的出現和造船能力的提高,沿海國家開始持續組織大規模海洋科學考察,采集和測量海洋物理環境信息,并逐漸建立相關理論方法, 海洋技術革命進入考察觀測時代。現代通信技術、計算機技術,以及搭載多種海洋傳感儀器和衛星遙感技術的發展,使人類能夠以組網的方式,全面立體實時獲取海洋信息,并且建立了“數字海洋”,利用數字去表達海洋。

傳統意義上的海洋是海島、海岸線和茫茫海水的簡單空間組合概念,隨著人類對海洋開發利用的不斷深入和綜合管控的逐步加強,現在的海洋是由海洋環境、裝備和各種人類活動等多種元素綜合作用構成的復雜巨系統。人類面對海洋這個巨系統出現的開發利用能力不強、環境規律掌握不透、權益爭端處置不當等種種問題,多源于對海洋認識不清、應對失據、缺乏智慧之故。信息與物理融合的知識革命使人們開始用知識去經略海洋, 用智慧去開發利用海洋資源、建設海洋生態文明和保障國家海洋安全,海洋技術革命進入智能服務時代。因此可以說智慧海洋是海洋信息化的深度發展,是信息與物理融合的海洋智能化技術革命4.0,是將新一代信息技術與海洋環境、海洋裝備、人類活動和管理主體四大板塊信息深度融合,實現互聯互通、智能化挖掘與服務,是認識和經略海洋的神經系統。

三、智慧海洋定位與體系框架

針對當前我國海洋信息體系發展的上述不足, 智慧海洋的發展定位應是引導我國海洋智能化技術革命4.0的信息基礎能力建設,主要包括海洋信息智能化基礎設施建設,以及核心海洋智能科技創新與核心信息裝備研發。智慧海洋的發展應基于海洋綜合立體感知, 互聯網實時信息傳輸和大數據、云計算、知識挖掘等三大高新技術,以海洋綜合感知網、海洋信息通信網、海洋大數據云平臺等信息基礎設施建設為主體,搭建海洋信息智能化應用服務群,即“兩網、一平臺、一個應用服務群”,并建立貫穿各個環節的標準質量、運維服務、技術裝備和信息安全體系。各組成部分之間相互關聯、相互融合,形成了一個有機整體。


海洋綜合感知網是智慧海洋的核心基礎,主要功能是實現海洋環境(水文氣象、生物化學、生態、地質、能源礦產、聲光電磁以及基礎地理信息等)、海上目標(空中、海上、水下)、涉海活動(海洋管控、資源開發、生態文明建設等)和重要海洋裝備(防務、資源開發、海洋運輸和科考裝備)等信息的全面獲取,為智慧海洋提供數據源。

海洋信息通信網是智慧海洋的聯通紐帶,通過提高海洋綜合感知、海上協同行動和海上公眾服務通信保障三大能力,著力解決不具備業務化海洋通信能力、過度依賴國外衛星通信、通信安全沒有保障和水下定位導航能力基本空白四大問題,實現各類海洋感知、管理決策、指揮控制信息和指令的安全、實時、暢通傳輸。

海洋大數據云平臺是智慧海洋的神經中樞,通過建設海洋大數據云平臺,實現對全部涉海行業信息基礎設施的集約利用以及各種海洋數據資料的交互融合和智慧挖掘,顯著提升海洋信息資源的智能分析和共享服務水平,為海洋環境認知、裝備研發、安全管控、智能應用等提供海洋存儲計算資源、數據資源和應用資源等支撐服務。

海洋信息應用服務群是智慧海洋核心價值的體現,通過統一規劃設計面向海洋安全與權益維護、海洋綜合管理、海洋開發利用、海洋公共服務保障、海洋環境認知和生態文明建設需求,以升級、重構、新建等方式整合各部門涉海信息存量資源,打通涉海領域行業應用之間的信息與業務應用系統交流渠道,形成統籌發展、共享協作的智能化應用服務體系。

四、智慧海洋發展建議

智慧海洋發展目標要符合新時代中國特色社會主義建設的總體要求,是一項長期性、基礎性和戰略性的任務,應像我國的航天工程一樣,做好統籌規劃, 分階段、有步驟地滾動實施。

第一,探索創新建立建管用統籌、產學研聯動、科研與應用相結合的體制機制,積極推進海洋信息基礎設施共建、信息共享和產業共融,探索政府購買服務的管理運營模式。按照國家戰略部署,適應重點任務和業務需求,做好資源間的協調配合,統籌推進智慧海洋發展。

第二,整合拓展我國現有海洋觀測、監測和調查資源,全面形成與海洋強國建設需求相適應的海洋信息自主獲取能力,獲取管轄海域、深海大洋、南北兩極以及全球重點關注區域的海洋環境、海上目標和活動等的全要素實時連續信息。綜合利用陸、海、空、天、潛等多種通信手段,逐步建設覆蓋全球海域的自主通信能力,提供穩定可靠、安全、大容量的信息傳輸與交換服務。

第三,深入開展海洋大數據匯集管理、融合處理和挖掘分析等技術攻關,制定國家海洋信息資源管理共享政策法規,整合建設國家層面的海洋大數據資源體系,搭建標準統一、開放兼容的海洋大數據云平臺,推進數據資源的互聯互通,顯著提升海洋大數據的處理分析、深度融合和共享開放服務水平, 充分發揮海洋信息的服務效能。

第四,建立完善海洋信息獲取、傳輸、處理分析、產品研制與應用服務的標準體系,實現標準研究、編制、優化、驗證、檢測、評估全過程支持,統一技術體制,消除信息孤島隱患。建立多層次、一體化的海洋信息安全組織架構,加快構建以防為主、軟硬結合的信息安全管理體系。

第五, 圍繞海洋信息感知技術和裝備領域國產化程度偏低的短板, 加強國產技術裝備研制,特別是海洋核心裝備關鍵零部件、傳感器等的研制和產業化, 突破關鍵核心技術, 獲得一批原創性技術成果和發明專利,提升我國海洋信息感知技術裝備自主創新能力。

文章作者:潘德爐  海洋遙感專家,中國工程院院士,國家海洋局第二海洋研究所衛星海洋動力環境學國家重點實驗室研究員 。

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