張雪薇，韓震，2，周瑋辰，吳義生

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.上海河口海洋測繪工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

0 引言

海洋科學主要研究海洋中的物理、化學、生物和地質(zhì)過程的性質(zhì)、相互影響和變化規(guī)律，以及面向海洋資源開發(fā)利用的應用技術(shù)，為人類認識海洋世界提供了多源、多尺度時空信息的有效手段，并由此產(chǎn)生了定量的新的科學知識。隨著科技的日益發(fā)展，許多新興的科學技術(shù)滲透到海洋科學領域的發(fā)展中，智慧海洋概念孕育而生。智慧海洋[1]是指以信息化和工業(yè)化融合[2]建設海洋的系統(tǒng)工程，是海洋信息化的發(fā)展，信息與物理融合的海洋智能化技術(shù)革新。智慧海洋在海洋大數(shù)據(jù)的基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合海洋云平臺，利用人工智能來實現(xiàn)海洋戰(zhàn)略發(fā)展中的智能化處理，利用區(qū)塊鏈來降低成本適應海洋領域的發(fā)展趨勢。智慧海洋的核心基礎是海洋綜合感知網(wǎng)，智慧海洋的聯(lián)通紐帶是海洋信息通信網(wǎng)，智慧海洋的神經(jīng)中樞是海洋大數(shù)據(jù)云平臺，智慧海洋核心價值的體現(xiàn)[3-4]是海洋信息智能化應用服務群[5]。本文通過分析海洋大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和人工智能技術(shù)的發(fā)展過程，探究了智慧海洋大數(shù)據(jù)技術(shù)研究方法，并提出了智慧海洋未來的技術(shù)發(fā)展展望。

1 智慧海洋技術(shù)的發(fā)展過程

智慧海洋技術(shù)主要包括大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和人工智能。大數(shù)據(jù)是基礎，云計算是平臺，物聯(lián)網(wǎng)是支撐，三者是智慧海洋的使能技術(shù)；區(qū)塊鏈是保障，是智慧海洋的平臺技術(shù)；人工智能是智慧海洋場景應用的技術(shù)支持(圖1)。

圖1 智慧海洋技術(shù)組成結(jié)構(gòu)

1.1 使能技術(shù)

大數(shù)據(jù)是一種和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模式相比具有在獲取、存儲等方面有絕對優(yōu)勢的數(shù)據(jù)集合，具有數(shù)據(jù)規(guī)模大、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)快、數(shù)據(jù)類型多樣化和數(shù)據(jù)價值密度低等特征。20世紀90年代到21世紀初是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)階段，是大數(shù)據(jù)的萌芽期。2003—2006年是大數(shù)據(jù)發(fā)展的突破期，社交網(wǎng)絡的流行使得大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)出現(xiàn)。2006—2009年，大數(shù)據(jù)形成并行計算和分布式系統(tǒng)，為大數(shù)據(jù)發(fā)展的成熟期。2014年，美國白宮發(fā)布了全球“大數(shù)據(jù)”白皮書的研究報告《大數(shù)據(jù)：抓住機遇，守護價值》[6]。

作為智慧海洋的推動力，大數(shù)據(jù)[7-8]為云計算提供了大量的資源。2006年，云計算在搜索引擎大會上被正式提出[9]，標志著一個具有超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性等特點的技術(shù)的誕生。2008年，微軟公布了Windows Azure平臺[10]，雅虎、惠普宣布了聯(lián)合研究計劃，推出了云計算研究實驗床，Google推出了Google App Engine[11-12]。2010年，Novell與CSA共同宣布“可信任云計算計劃”，同年，Racksper、AMD等廠商共同宣布開放源代碼計劃。2018年，AWS和VMware 2家公司宣布，VMware正式部署AWS的云服務，AWS允許客戶訂購與其云服務相同的硬件，通過AWS Outposts服務在其數(shù)據(jù)中心運行。云計算框架分SOA體系、管理中間體系、資源虛擬化和物理資源4個部分。云計算的分布式存儲[13]可以進行大數(shù)據(jù)的管理，虛擬化[14]可以實現(xiàn)各個資源的有效化自動分配。

物聯(lián)網(wǎng)是將具有自我標識、感知和智能的物理實體基于通信技術(shù)有效地連接在一起，不受時間、地點的限制，實時采集監(jiān)測和互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)物與物之間的關(guān)聯(lián)[15]。在智慧海洋中，物聯(lián)網(wǎng)[16]起著至關(guān)重要的作用。1999年，Kevin Ashton 第一次提出把REID技術(shù)和傳感器相結(jié)合形成一個“物聯(lián)網(wǎng)”，物聯(lián)網(wǎng)的概念被首次提出。2018年，谷歌發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)(Android Things 1.0)。Android Things可以讓開發(fā)者大規(guī)模構(gòu)建和維護物聯(lián)網(wǎng)設備，且可以幫助開發(fā)者將物聯(lián)網(wǎng)設備從原型設計推進到商品化(圖2)。

圖2 使能技術(shù)、平臺技術(shù)和場景應用技術(shù)發(fā)展過程

1.2 平臺技術(shù)

區(qū)塊鏈是智慧海洋的保障，是智慧海洋的平臺技術(shù)。區(qū)塊鏈通過計算數(shù)學哈希函數(shù)來達成穩(wěn)定的共識，通過工作量證明排出額外的熵，從而實現(xiàn)低熵的共識狀態(tài)，具有不可抵賴、不可篡改等的特點。區(qū)塊鏈發(fā)展主要經(jīng)過了3個時期。2009年，Satoshi Nakamoto建立了一個開放源代碼項目，并制作了比特幣世界的第1個區(qū)塊“創(chuàng)世區(qū)塊”，正式宣告了比特幣[17-18]的誕生，自此區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展進入1.0時代。2013年，Vitalik Buterin發(fā)布了以太坊初版白皮書，標志著區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展進入2.0時代[19]。2017年，摩根大通、芝加哥交易所、微軟、英特爾等全球20多家頂級金融機構(gòu)與科技公司共同成立了以太坊聯(lián)盟，企業(yè)能夠更加容易地使用以太坊區(qū)塊鏈代碼，降低了企業(yè)成本。同年，資產(chǎn)數(shù)字化平臺資產(chǎn)鏈(acchain)分別在美國、英國、柬埔寨和中國全球ICO(initial coin offering)開啟，標志著區(qū)塊鏈3.0時代的到來[20]。2018年，天空鏈(skycoin)的底層鏈生態(tài)正式發(fā)布(圖2)。區(qū)塊鏈可以使得貨幣變得穩(wěn)定，通過建立綠色環(huán)保的區(qū)塊鏈，結(jié)合人工智能，運用身份認證來實現(xiàn)可靠的信用管理。區(qū)塊鏈作為智慧海洋的組成部分，在海洋的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品交易方面體現(xiàn)出了巨大的價值性。

1.3 場景應用技術(shù)

人工智能[21-22]是智慧海洋場景應用的技術(shù)支持。人工智能以智能形成為基本機理，通過研究自動機來實現(xiàn)對人類思維的模擬。1956年,達特思茅會議[23]開啟了人工智能的時代。20世紀60年代神經(jīng)網(wǎng)絡perceptron(感知機)[24]的到來使人工智能進入了第一個高潮時期。20世紀80年代進入了第2個黃金時代，第5代計算機的開發(fā)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡[25]的出現(xiàn)和CYC(大百科全書)[26]等技術(shù)隨之興起。20世紀90年代末，“深藍”戰(zhàn)勝國際象棋冠軍標志著人工智能進入了快速發(fā)展的時期。2010年，IBM開發(fā)了人工智能程序watson。2011年蘋果Siri[27]和2016年第4代AlphaGo[28]更是在與人類的圍棋博弈中大展風采。2019年，IBM 發(fā)布全球首個獨立商用量子計算機(圖2)。

2 智慧海洋技術(shù)的研究

2.1 使能技術(shù)

海洋使能技術(shù)分為通用技術(shù)、應用技術(shù)2個層次(圖3)。大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是使能技術(shù)的通用技術(shù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)是建設智慧海洋的靈魂[29]，也是海洋智慧大數(shù)據(jù)的根本。海洋云計算是智慧海洋的神經(jīng)中樞，其通過對海洋行業(yè)信息基礎設施的建設，以及多種海洋數(shù)據(jù)資料的交互融合和智慧挖掘，提供海洋存儲計算資源、數(shù)據(jù)資源和應用資源等支撐服務。海洋空間基準網(wǎng)、海洋導航網(wǎng)和海洋環(huán)境觀測網(wǎng)三網(wǎng)聯(lián)合形成了海洋物聯(lián)網(wǎng)。其應用技術(shù)包括海洋要素可視化技術(shù)、海洋現(xiàn)象模擬技術(shù)和海洋模型計算技術(shù)。

圖3 使能技術(shù)、平臺技術(shù)和場景應用技術(shù)的框架

海洋大數(shù)據(jù)技術(shù)應用對象主要是海洋自然科學大數(shù)據(jù)和海洋社會科學大數(shù)據(jù)。海洋自然大數(shù)據(jù)是對海洋自然環(huán)境進行監(jiān)測以及模擬而得到的數(shù)據(jù)，包括海洋實測數(shù)據(jù)、海洋遙感數(shù)據(jù)、海洋模式數(shù)據(jù)。海洋社會科學大數(shù)據(jù)則分為海洋戰(zhàn)略數(shù)據(jù)、海洋經(jīng)濟數(shù)據(jù)、海洋文化數(shù)據(jù)3類。海洋云計算技術(shù)包括IaaS(云資源環(huán)境)、PaaS(云平臺環(huán)境)和SaaS(云服務)。IaaS作用是硬件資源服務，PaaS是管理軟件服務，SaaS是應用軟件服務，其引擎包括可視化引擎、數(shù)據(jù)引擎、計算引擎以及資源引擎4個部分，云計算平臺直接對外開放應用服務接口，由云端自主去形成解決方案和行業(yè)應用?；谠朴嬎鉡30]，許多機構(gòu)開發(fā)了基于海面、水體、海底、海洋重力和磁力等多元化信息集成的海洋地理信息服務平臺[31-32]、一體化架構(gòu)服務平臺[33]和其他海洋應用系統(tǒng)平臺(如基于云計算的船舶結(jié)構(gòu)物靠泊損傷預防系統(tǒng)平臺)[34]。海洋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括射頻識別技術(shù)、無線傳感技術(shù)、智能嵌入技術(shù)和納米技術(shù)。許多部門通過使能技術(shù)建立了以海洋地理信息系統(tǒng)[35]為平臺的海洋時空大數(shù)據(jù)倉庫，在數(shù)據(jù)倉庫中，運用多環(huán)境模態(tài)建立深度學習模型，進而構(gòu)建多層次的實時決策預警系統(tǒng)。例如，“港珠澳大橋島遂工程海洋環(huán)境預報保障系統(tǒng)”利用海洋時空大數(shù)據(jù)和云計算服務平臺技術(shù)，為港珠澳大橋的順利完工提供了準確的海洋環(huán)境預報的保障。北京航天泰坦科技股份有限公司[36]結(jié)合海洋物聯(lián)網(wǎng)、海洋大數(shù)據(jù)[37]以及海洋云計算，將海洋綜合資源、海洋裝備與智能新技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)海洋的經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)保護以及減災防災等方面的技術(shù)支持和服務保障，從而加強在海量數(shù)據(jù)共享、知識分析與決策等技術(shù)領域的應用。2019年，螞蟻金服的數(shù)據(jù)庫Ocean-Base[38]打破了數(shù)據(jù)庫基準性能測試的記錄。美國NOAA計劃在2023年推出WoF系統(tǒng)(Warn-on-Forecast)，為美國及其近海域提供精細化的天氣預報和災害系統(tǒng)[39]。

2.2 平臺技術(shù)

區(qū)塊鏈[40]的頭部有區(qū)塊號、時間戳、隨機數(shù)等組成部分，在區(qū)塊體中，則有交易信息。其采用選舉類共識、證明類共識、聯(lián)盟類共識、隨機類共識和混合類共識等共識機制來進行數(shù)據(jù)廣播，從而保障數(shù)據(jù)的安全性。在海洋區(qū)塊鏈對應的海洋平臺技術(shù)的框架中，海洋平臺技術(shù)分為通用技術(shù)、應用技術(shù)2個層次(圖3)。通用技術(shù)包括密碼學、共識機制和智能合約3類技術(shù)，并在此基礎上建立去中心化的海洋數(shù)據(jù)和海洋產(chǎn)品的交易模式，從而更快捷地完成交易，具有可靠性、穩(wěn)定性、效率性和互聯(lián)性特點。傳統(tǒng)的海洋數(shù)據(jù)和海洋產(chǎn)品交易模式中，存在著交易不安全、責任難以追查、交易用戶之間個人隱私泄露等問題；而海洋區(qū)塊鏈所建立的信任機制通過比特幣[41-42]來實現(xiàn)用戶的隱私權(quán)的保護，利用公鑰加密和數(shù)字簽名來保障海洋各個交易之間的安全性和不可篡改性，使得獲得的海洋交易產(chǎn)品信息和海洋交易數(shù)據(jù)不可篡改、無法偽造從而保障自主交易。例如，2018年，英國海事船社Lloyd’s Register宣布已開發(fā)出了一種區(qū)塊鏈平臺，旨在提高船舶注冊效率[43-44]。荷蘭公司W(wǎng)aste2Wear 2019年在巴黎舉行的國際紡織品博覽會Premiere Vision上展示了世界上第一批使用區(qū)塊鏈技術(shù)完全可追溯的回收海洋塑料面料，通過實施區(qū)塊鏈技術(shù)，為回收紡織品的供應鏈帶來更多的透明度。

2.3 場景應用技術(shù)

海洋大數(shù)據(jù)多為非結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間關(guān)系復雜或無關(guān)聯(lián)。在智慧海洋中，人工智能技術(shù)作為其核心技術(shù)支撐海洋場景應用服務，如海洋遙感圖像檢索、海洋場景分類、海洋水下目標的識別以及海洋數(shù)據(jù)預測等[45]。海洋場景應用技術(shù)分為通用技術(shù)、應用技術(shù)2個層次(圖3)。通用技術(shù)包括符號模擬、計算智能、機器學習和機器感知4種基本技術(shù)[46]。在符號模擬中，包含圖搜索、自動推理、符號學習等方面；計算智能中包含神經(jīng)計算、進化計算、免疫計算等方面；機器學習[47]中包含歸納學習、模式學習、統(tǒng)計學習、深度學習[48-49]等方面；機器感知則包含計算機視覺、語音識別、自然語言處理[50]、圖像識別等方面。其應用技術(shù)包括海洋要素可視化技術(shù)[51-52]、海洋現(xiàn)象模擬技術(shù)[53]和海洋模型計算技術(shù)[54]，應用在海洋渦流[55-56]、海冰[57]和碳匯量[58]等研究領域中。人工智能技術(shù)以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，如人工智能中的深度學習可以采集大量的海洋大數(shù)據(jù)樣本，不斷地提高學習效率來提取數(shù)據(jù)中的信息來挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，從而提高數(shù)據(jù)處理效率和精度。又如英國自然環(huán)境研究理事會通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，構(gòu)建一個全方位的船舶自動監(jiān)測網(wǎng)絡[59]。英國皇家海軍與英國國家海洋學中心利用海洋人工智能技術(shù)提升反潛任務艦艇上的無人潛航器的能力。Ducournau等[60]提出一種基于深度學習的圖像超分辨率模型與復雜的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，對海量的海表面溫度(SST)數(shù)據(jù)[61-62]進行研究，評估用于海洋遙感數(shù)據(jù)的深度學習體系的效率與相關(guān)性。結(jié)果表明，經(jīng)過特殊訓練的海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的深度學習模型能支持重建高分辨率海洋表面溫度場。中集藍海洋科技有限公司利用“長鯨一號”，通過智慧海洋技術(shù)實現(xiàn)了實時反饋海洋水文信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)，在飼養(yǎng)方面實現(xiàn)了自動化作業(yè)，可以自動投餌、清洗漁網(wǎng)、提升網(wǎng)衣等。

3 結(jié)束語

海洋信息體系建設中海洋數(shù)據(jù)日趨龐大、海洋數(shù)據(jù)處理的傳統(tǒng)模式無法滿足相關(guān)部門的業(yè)務化需求，以及海洋數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的安全性和隱私性等問題已影響了我國海洋強國建設的步伐。發(fā)展海洋人工智能和海洋區(qū)塊鏈，結(jié)合海洋物聯(lián)網(wǎng)，推進海洋云計算平臺來實現(xiàn)海洋大數(shù)據(jù)的可視化和數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)從技術(shù)層面到業(yè)務化應用層面質(zhì)的提升，從而使得海洋信息和產(chǎn)品交互模式更加平民化，實現(xiàn)智慧海洋價值勢在必行。

海洋遙感信息包含海洋大數(shù)據(jù)(海洋水文、海洋生態(tài)、海洋物理等方面的自然數(shù)據(jù)和與海洋相關(guān)的社會數(shù)據(jù))，利用云計算可以實現(xiàn)處理海洋遙感信息的自動化，利用海洋遙感信息物聯(lián)網(wǎng)平臺來構(gòu)成智慧海洋建設中的基礎底層技術(shù)；利用區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化來實現(xiàn)海洋遙感信息處理的智能化。

結(jié)合智慧海洋的發(fā)展要求，在未來的海洋技術(shù)體系建設中，加強海洋遙感信息共享和相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)合；集合國家現(xiàn)有的海洋觀測、監(jiān)測和資源調(diào)查等資料，來加強獲取海洋的全要素實時遙感信息。利用多種通信手段來實現(xiàn)未來覆蓋全球海洋的通信能力以及遙感信息的傳遞與交換服務。建設海洋大數(shù)據(jù)資源體系，構(gòu)建云平臺，加快發(fā)展使能技術(shù)，提高海洋遙感數(shù)據(jù)處理分析能力，建設多層次、一體化的海洋遙感信息安全管理體系，是遙感信息在智慧海洋建設中的發(fā)展趨勢。

目前智慧海洋技術(shù)雖逐步完善，但為更深層更廣泛的應用，還需開展大量的工作。如海洋大數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)和分析技術(shù)，海洋云計算的多核分布式計算，海洋物聯(lián)網(wǎng)的由不同對象與服務以動態(tài)網(wǎng)絡的形式構(gòu)成的無系統(tǒng)構(gòu)架，解決通信、計算、導航、感知等問題，海洋區(qū)塊鏈從貨幣出發(fā)逐步向資產(chǎn)端管理、存證領域、海洋信息共享的擴散機制，海洋人工智能從弱人工智能向強人工智能的轉(zhuǎn)變，在強人工智能理念下的人類認知海洋的腦科學等。隨著智慧海洋技術(shù)的發(fā)展，未來各類海洋技術(shù)將不斷挖掘出新的需求，創(chuàng)造新的價值，實現(xiàn)海洋空間認知的新跨越，推動智慧地球科學的發(fā)展。