美國“海洋物聯網”項目發(fā)展現狀與關鍵技術分析

王 彤

（北京海鷹科技情報研究所，北京 100074）

1 引 言

目前，美國海洋態(tài)勢感知主要依靠搭載傳感器的艦艇和商船，以及機載和星載遙感器，海上霧、雨、云等的遮擋會對海洋態(tài)勢感知產生不利影響。但由于缺乏對廣闊海域的實時監(jiān)測手段，制約了海洋科學以及海洋軍民用事業(yè)的發(fā)展。為此，美國國防預先研究計劃局（DARPA）開展“海洋物聯網”（Ocean of Things，OoT）項目，計劃通過部署大量低成本、環(huán)保、智能化海上浮標以組成分布式傳感器網絡，實現對大范圍海洋區(qū)域的持續(xù)態(tài)勢感知[1]。

2 項目概況

2017年12月，DARPA戰(zhàn)略技術辦公室發(fā)布“海洋物聯網”項目的跨部門公告，尋求先進的浮標和數據分析技術，形成海上分布式態(tài)勢感知系統(tǒng)。設想的整個系統(tǒng)由浮標、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、云端數據分析系統(tǒng)組成，部署示意圖如圖1所示，由這個系統(tǒng)生成并提供的高分辨率海洋觀測信息，一方面用于海洋科學研究，提高對海洋生態(tài)的認知；另一方面，為馬賽克戰(zhàn)[2]研究和突破提供關鍵技術支撐，從而獲取海上軍事情報信息，如識別過往船只的航跡等。浮標部署示意圖如圖1所示[3]。

圖1 浮標部署示意圖Fig.1 Float deployment schema

根據項目跨部門公告，項目共分兩個階段進行，第一階段（2017—2019年）包括最初的浮標和數據處理方法的設計工作；第二階段（2019—2021年）將對浮標進行改進和細化，最終實現1.5萬個浮標的海上演示試驗。

3 項目關鍵技術

項目將重點研究兩項關鍵技術，一是浮標硬件設計，二是浮標數據處理，即讓浮標上的計算系統(tǒng)將原始數據整理轉化為一個個信息包，通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送到岸上云系統(tǒng)中；數據在云端需要被拆分、匯集，利用機器學習等數據分析算法，對采集到的海洋物理特性和海上活動情況進行解析，分析結果最終納入圖形圖像展示系統(tǒng)中演示，如圖2所示[4]。

圖2 “海洋物聯網”項目架構圖Fig.2 Schematic showing Oceans of Things architecture

3.1 浮標設計和開發(fā)

浮標硬件的設計和開發(fā)需求主要包括以下幾個方面[5]。

（1）浮標由生物安全材料制成，配備一系列水上和水下傳感器。浮標設計大小約是A級聲吶標的一半，體量是0.0014～0.0032 m3，重3.2～8.2 kg，配備低成本全球定位系統(tǒng)（GPS）芯塊、天線、慣性測量單元（IMUs）和各類傳感器。攝像機、軟件定義無線電、射頻探測器和水聽器作為任務傳感器裝在特定的浮標上，用于探測和跟蹤飛機、船只等的航跡。

（2）浮標通過太陽能電池板和/或堿性電池為傳感器和搭載的電子設備提供電力。浮標的間歇、被動采樣也可節(jié)約電力消耗。

（3）海洋物聯網系統(tǒng)采用魯棒、相對低帶寬的衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸信息。由于在一個集中區(qū)域中有大量浮標，每個浮標在消息長度和消息傳遞頻率上都受到限制，因此整個系統(tǒng)需要根據優(yōu)先級對傳感器數據進行選擇性傳輸，保證后續(xù)的數據分析工作。

（4）浮標配有高度可靠的沉沒機制，可由內部邏輯觸發(fā)，也可由操作員下達的沉沒指令觸發(fā)。每個浮標需要對周圍環(huán)境進行至少一年的監(jiān)測，然后壽命耗盡安全地沉入海底。

（5）浮標的設計和制造計劃需滿足大規(guī)模生產，單個浮標的目標成本是500美元。海洋物聯網項目可使用低成本、異構的智能浮標來完成多種任務，實現價格可承受的海洋態(tài)勢感知。

3.2 數據分析技術

數據分析部分開發(fā)基于云計算的軟件和分析技術來處理浮標的報告數據。云系統(tǒng)通過數據分析可以動態(tài)顯示浮標的位置、自身狀況和任務性能，處理海洋和氣象模型的環(huán)境數據，還可以自動檢測、跟蹤和識別附近的船只，并確定海洋活動一些新的指標。與基于岸上或高寬度傳感器不同，浮標傳感器只傳輸必要的數據，而且在傳輸前會進行壓縮，如圖3。

圖3 在非常有限的帶寬上進行數據傳輸需要數據壓縮Fig.3 Data compression during data transmission over very limited bandwidth

海洋物聯網項目有三個不同的重點領域需要進行數據分析[6]：（1）直接應用傳感器記錄值，如浮標位置和環(huán)境/氣象測量數據，用于對浮標本身的指揮和控制，可視化浮標的當前位置，并對浮標在未來的位置進行預測；（2）傳感器數據的推斷，如測量和跟蹤海洋環(huán)境中的物體（船只、飛機和海洋哺乳動物等）；（3）數據挖掘、異常檢測或已知現象的識別。

4 項目進展情況

自2017年項目啟動，DARPA就全面推進研發(fā)工作。

第一階段中，帕洛阿爾托研究中心（PARC）、阿雷特協(xié)會和努穆魯斯三家公司參與浮標競爭，如圖4所示，施樂帕洛阿爾托研究中心18 kg的太陽能玻璃浮標獲勝，該浮標可裝備大約20個傳感器。研發(fā)團隊采集了南加州和墨西哥灣大約100個洋流浮標數據。2019年，斯克里普斯海洋學研究所的研究人員為項目研制了一個高保真水聽器原型，作為浮標的傳感器載荷之一[7]。關于后端開發(fā)，DARPA與蕾杜斯、德雷珀實驗室合作，翱翔技術公司和幾何數據分析公司幫助構建數據可視化、設備控制和性能預測所需的軟件[8]。

圖4 “海洋物聯網”三家公司浮標設計（浮標③獲勝）Fig.4 Three companies’ float designs of Ocean of Things program (float③ won)

2020年3月，DARPA啟動“海洋物聯網”第二階段工作。2020年7月，DARPA授予帕洛阿爾托研究中心項目第二階段開發(fā)合同，要求在第一階段開發(fā)的1500個浮標基礎上，再開發(fā)多達1萬個更小更低成本的浮標[9]。目前，DARPA正在南加州海灣和墨西哥灣對此類浮標進行測試。2020年11月，北約海洋研究和實驗中心（CMRE）宣布正在與DARPA合作，為項目設計浮標設備網絡，以監(jiān)測整個海洋的態(tài)勢。

目前，DARPA計劃第二階段在南加州和墨西哥灣進行上千個漂浮陣列的測試。最初，將每3 km部署一個浮標。在保持覆蓋范圍的同時，可以擴大到每20 km部署一個浮標。未來將爭取實現上萬個浮標的部署工作。

部署地點在南加州灣地區(qū)，如圖5所示。該地區(qū)擁有獨特的地理位置、復雜的洋流、多樣化的海上交通，包括商業(yè)、軍事和游船，以及附近的相關科研設施。復雜的遠洋和近岸洋流是一個主要挑戰(zhàn)，部署區(qū)域內的高分辨率洋流和海風預測模型為最初的部署和浮標的定期補充提供了重要位置信息。

圖5 南加洲灣的浮標計劃部署Fig.5 Floats to be deployed in Southern California Bay

5 影響分析

海洋物聯網通過機器學習、云計算、大數據等高新信息技術，可以提升海上偵察感知能力。

（1）促進海洋經濟和科學的快速發(fā)展

海洋物聯網項目強調在范圍很廣的海域部署高密度的浮標，通過對浮標實時傳感器數據進行分析和處理，不但可以預測海洋環(huán)流、校準衛(wèi)星測量數據、跟蹤研究海洋動物，還可以全天候監(jiān)視船只、艦艇，獲得其航跡等基本情況信息。通過對海洋資源的動態(tài)管理，創(chuàng)新海洋科學技術，充分利用海洋的隱形優(yōu)勢，推動海洋科學進步，以保持美國海洋優(yōu)勢。

（2）提升海上戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力

英國國防海上力量專家西德哈斯·考沙爾曾表示，該項目分散部署的浮標傳感器可以進行持續(xù)24 h全天候監(jiān)視，這是海上巡邏機或合成孔徑雷達衛(wèi)星所不能做到的，符合馬賽克戰(zhàn)概念。還將有效支撐DARPA跨域海上偵察與瞄準（CdMaST）項目，通過利用海洋物聯網能力在廣域、跨域（海下、海面、海洋上空）監(jiān)視與瞄準敵方艦艇、潛艇，提升戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，輔助指揮員快速正確決策，提高跨域偵察打擊能力，掌控大片有爭議海域，進而支撐“馬賽克戰(zhàn)”概念的實現。

（3）其軍民兩用性將帶來獨特的威脅和挑戰(zhàn)

“海洋物聯網”項目公開的文獻很少提及軍事化應用，大部分都是民用方面的好處，如監(jiān)測非法船只。但DARPA明確提出該項目是支撐“馬賽克戰(zhàn)”的重要組成部分，說明美國很有可能利用項目成果輔助軍事行動。若美國以民用的名義在潛在沖突地區(qū)的公海海域廣泛部署大量浮標，對他國實施長期、隱形的海上監(jiān)視偵察，則將給對手國家?guī)順O大的威脅，因此應密切跟蹤和研究該項目的技術進展、試驗和部署情況。

（4）啟發(fā)我國“海洋物聯網”建設和對抗思路

借鑒美“海洋物聯網”項目建設思路，積極布局推動我國海洋科學發(fā)展并采取有效對抗措施。一方面，重點開發(fā)環(huán)保、可攜帶攝像機、水聽器等多重載荷且隱蔽的浮標；發(fā)展云端數據平臺，收集存儲浮標數據，并充分利用人工智能、機器學習和大數據對海洋數據進行分析處理，以提供實時海上態(tài)勢圖像；開發(fā)先進海上網絡通信技術，保證信息在浮標及云端之間的穩(wěn)定傳輸。通過構建軍民兩用的海洋物聯網，可更全面地掌控海上態(tài)勢信息，提升作戰(zhàn)效率；還可檢測非法船只、跟蹤研究海洋動物，促進海洋科學的進步。另一方面，開展海上浮標對抗措施研究，例如利用電子干擾等手段對浮標網絡實施壓制/欺騙，或利用入侵其網絡并觸發(fā)海上沉沒機制。

6 結束語

本文通過研究DARPA開展的“海洋物聯網”項目，分析美國對于構建海上分布式監(jiān)視偵察網絡的思路。項目通過開發(fā)低成本浮標對海洋數據進行收集，并開發(fā)先進的數據分析技術對數據進行解析，以掌控廣域海洋態(tài)勢。目前，項目進展順利，已進入第二階段。海洋物聯網一旦成功部署和構建，將大幅提升美國廣域海洋的實時監(jiān)測和追蹤能力。