区域化海洋渔业环境智能观测与决策支持设计

黄孝鹏 鲍鹏飞 萧毅鸿 崔威威

1(中船重工第八研究院 江苏 南京 211153)2(南京理工大学经济管理学院 江苏 南京 210094)

0 引 言

海洋渔业是海洋经济发展的传统产业，也是海洋经济发展的重要支柱产业之一。目前，以大数据、云计算、物联网、人工智能等代表的新一代信息技术极大促进了渔业信息化建设，不断丰富海洋渔业服务的内容和形式，极大推动海洋渔业的产业深刻变革和转型升级。但近年来，渔业信息系统的决策支持能力难以应对海洋渔业发展面临的海洋渔业非法捕捞常态化监管、渔船与渔民安全实时化保障、海洋灾害精细化预警报、海水养殖区的生态环境信息化保障、远洋捕捞船舶全球定位与运营分析等严峻挑战；设备与系统都存在多方重复建设、资源浪费等问题，且没有体现出无人化、智能化、网络化等新技术发展趋势。

当前，海洋信息化领域的研究热度正逐渐增加，在海洋观测技术[1-4]、海洋数据处理[5-7]，海洋信息可视化[8-10]、系统设计[11-12]等方面有着有众多研究成果。这些研究偏重于某项具体技术研究和应用总结，缺乏区域化海洋渔业环境“感-传-知-用”一体化的多业务综合集成设计。因此，针对区域化海域渔业活动服务需求，需要构建融传感器网络化系统集成(一张网)，海洋目标、活动与海洋环境等立体综合感知态势生成(一幅图)，面向海洋渔业的决策支持功能服务群开发(一个平台)等信息感知、处理和应用能力为一体的区域化海洋渔业环境智能观测与决策支持系统，以全面提升海洋渔业资源管理科学化与精细化水平。

针对区域化海洋渔业环境信息保障现状，经大量调研分析总结，典型能力需求主要表现在提升海洋渔业非法捕捞常态化监管、渔船与渔民安全实时化保障、海洋灾害精细化预警报、海水养殖区的生态环境信息化保障、远洋捕捞船舶全球定位与运营分析等五大方面。五大典型能力可分解为25项具体的典型功能服务，如表1所示。

表1 五大典型能力与25项典型功能服务的映射关系

1 系统建设思路与目标

1.1 建设思路

瞄准区域海洋经济示范工程建设，以海洋渔业非法捕捞常态化监管、渔船与渔民安全实时化保障、海洋灾害精细化预警报、海水养殖区的生态环境信息化保障、远洋捕捞船舶全球定位与运营分析等五大体系化能力建设为驱动，以“整合存量，建设增量”为建设思路，整合已有雷达监视、视频监控等信息资源，补充建设地波雷达、多功能海洋测量雷达、天气雷达、AIS、红外光电探测仪、综合浮标、无人机、波浪能滑翔器、志愿船综合观测系统等国产化监测手段，以综合通信保障为辅助手段，构建区域化海洋渔业环境智能观测与决策支持系统。在海洋渔业经济发展、海洋渔业科技创新、海洋渔业生态环境预报等方面，强化涉海基础设施建设，完善海洋渔业公共服务体系，构建蓝色生态屏障，创新海洋渔业综合管理体制机制。

1.2 建设目标

瞄准区域海洋渔业环境五大体系化能力建设，通过传感器网络化系统集成构建区域化海洋渔业环境智能观测与决策支持系统(“一张网”)；获取并存储海洋目标、海洋活动、海洋水文、海洋气象、海洋灾害等海洋信息要素和核心变量，提供海洋一次数据产品服务，并对海洋目标、活动与海洋环境进行典型常规处理和面向典型渔业环境保障应用的数据挖掘分析，提供二次数据产品服务，形成相关海域立体综合感知态势(“一幅图”)；开发面向海洋渔业的决策支持功能服务群，并构建区域化海洋渔业环境公共服务管理平台提供数据产品服务和典型应用服务(“一个平台”)；形成具有全国性海洋经济示范效应、产业带动性强的集海洋感知装备、信息分析处理、智慧应用等为一体的区域化海洋渔业环境智能观测与决策支持系统，全面提升海洋渔业资源管理科学化与精细化水平，推动海洋渔业经济和产业化发展。

2 系统设计

2.1 系统架构

基于网络信息体系理论和方法，以实现区域化海洋渔业环境智能观测与决策支持系统数据获取与存储、数据处理与应用产品开发服务等功能为目的，以“整合存量，建设增量”为建设思路，根据区域化海洋渔业环境智能观测与决策支持系统的立体组网、资源共享、柔性服务和敏捷响应等设计需求，采用云计算、大数据等先进信息技术手段，在技术实现上按照“系统架构统一化、传感设备模块化、处理平台通用化、应用平台集成化”的思路，设计“三层两翼”的统一化、开放式系统体系架构。形成海洋渔业环境保障信息的全面立体感知、广泛互联互通、高效数据分析和深入智能服务等能力。系统架构如图1所示。

图1 系统体系架构

(1) 感知层：整合雷达、视频、浮标、志愿船观测系统等已有存量；新建岸、海、空、天和水下等立体空间中的地波雷达、多功能海洋监测雷达、天气雷达、激光雷达、AIS、红外光电探测仪、综合浮标、无人机、波浪能滑翔器、志愿船综合观测系统等；接入海洋卫星、高分卫星信息等海洋感知手段。

(2) 信息层：数据层、处理层和访问层等。数据层是指海洋立体感知数据库，将海洋目标、海洋活动、海洋水文、海洋气象、海洋灾害、海洋化学、海洋声光、海洋生物等原始信息汇集存储，然后经整编、标准化、预处理形成基础数据，再经处理分析形成特征数据，构建数据库；处理层是指层级化数据智能处理，包括海洋数据典型处理、面向典型渔业环境保障应用的海洋数据挖掘、碎片化信息下海洋知识描述等，主要方法有信息聚类、信息分类、时空变换、资料同化、反演计算、信息融合、数值预报、深度智能挖掘、灰色关联、人工智能、预测与决策、评估、可视化等处理；访问层是指海洋数据服务中心，提供统一的信息标准和开放的访问接口，为应用层提供定制化数据服务支撑。

(3) 应用层(系统功能)：主要提供海洋渔业非法捕捞常态化监管、渔船与渔民安全实时化保障、提升海洋灾害精细化预警报、海水养殖区的生态环境信息化保障、远洋捕捞船舶全球定位与运营分析等决策支持服务。

安全体系保障覆盖了总体架构设计到基础软硬件的自主、安全、可控。标准规范包括政策法规方面的规范，也包括各类标准的规范，如技术标准、运营标准、服务标准等。综合通信系统主要使用Ku/Ka卫星通信、微波、VHF/UHF超短波及多网融合等多种军民手段；并且系统设计时考虑与相关政务管理系统、公安执法系统等平台的信息交互与共享，提供地区政府公共服务以及文明执法的重要信息支撑。

该系统的技术特色主要体现在：

(1) 整合存量、建设增量，综合集成存量和增量；

(2) “接触式+非接触式”的立体全维感知方式，传感器观测信息要素全；

(3) 海洋渔业环境立体综合感知信息处理；

(4) 海洋渔业环境立体综合感知态势生成；

(5) 海洋渔业环境公共服务管理平台设计。

2.2 系统信息流程

从海洋渔业环境信息获取、处理和应用等信息流角度出发，设计系统流程，主要涉及海洋渔业环境保障立体观探测装备、原始资料库、基础数据库、数据产品库、决策支持应用、应用集成化平台等六大部分，如图2所示。

图2 系统信息流程

其中：

(1) 信息获取包括雷达、光电、浮标、无人平台、卫星等装备，以及其他单位的区域化海洋环境和目标信息引接；

(2) 数据预处理步骤，如质量控制、归类整编、匹配融合等；

(3) 信息处理手段，如资料同化、数值预报、多源融合、统计分析、数据挖掘、目标综合识别等；

(4) 决策支持应用与基础数据库的关系，基础数据库可为决策支持应用提供一次数据产品，决策支持应用对基础数据库提出需求，并进行质量评估；

(5) 数据产品制作与决策支持应用的需求与服务关系；

(6) 决策支持应用与数据产品库的关系，数据产品库可为决策支持应用提供二次数据产品，信息应用对数据产品库提出需求，并进行质量评估。

基于海洋渔业环境保障立体观探测装备，获取多源、实时/准实时业务化观测数据存入原始资料库，经过数据预处理后进入基础数据库，提供一次数据产品，制作二次数据产品并入库，提供二次数据产品服务。结合海上渔业活动对海洋信息的需求，基础数据库和数据产品库可按需定制、抽取或者推送一次/二次数据产品，支撑海洋渔业典型决策支持应用，形成典型应用集成化平台。

典型决策支持应用过程向数据产品制作过程提出需求，从基础数据库或者数据产品库中提取所需要产品，并对数据产品进行质量评估，将评估结果反馈给产品制作过程。数据产品制作可面向基础数据库进行数据质量评估，并可支持海洋渔业环境立体观测效能评估。

3 系统组成

基于系统体系架构设计，结合五大典型能力需求，构建区域化洋渔业环境智能观测与决策支持系统。其主要由海洋渔业环境立体智能观测网、海洋渔业环境综合感知态势、海洋渔业环境应用服务集成平台等三大部分组成。

3.1 “一张网”——海洋渔业环境立体智能观测网

整合已有雷达、视频、浮标等存量，新建岸、海、空、天和水下等立体空间中的雷达、光电、浮标、无人平台、卫星信息接入等海洋信息感知源，以综合通信设备为辅助手段，构建全面覆盖相关海域的海洋渔业环境智能观测网。建立固定与机动有机结合、常态化探测与应急探测互为补充的综合感知机制，具备网络化、随遇接入、无人化、远程管控、常态化等系统智能运维保障能力。提供全面覆盖相关海域的目标、气象水文、地理、生态和电磁环境等海洋信息要素的精细化、常态化和立体化保障服务。图3是海洋渔业环境立体智能观测网络概念图。

图3 海洋渔业环境立体智能观测网络概念图

针对决策支持应用的信息需求，梳理总结五大典型决策支持应用对海洋目标、海洋活动、海洋水文、海洋气象、海洋灾害、海洋化学、海洋声光还和海洋生物环境等8大类海洋环境信息的需求关系，并给出海洋环境信息与其装备的对应关系，如表2所示。

表2 决策支持应用、海洋环境信息类型 和观测装备间对应关系

3.2 “一幅图”——海洋渔业环境综合感知态势

海洋渔业环境信息中心包括海洋信息典型处理服务器、信息显示服务器、应用显示服务器、数据库存储服务、安全防护设备、网络设备和KVM等，装载在标准机柜中。UPS电源为机柜提供持续电源，机柜和UPS均位于服务器机房，操控台位于指挥室。其设备组成如图4所示。

图4 信息中心设备组成

信息中心的主要功能是收集并存储8大类信息要素、36个核心变量。根据原始资料提供海洋一次数据产品服务，并对海洋目标、活动与海洋环境进行典型常规处理和面向典型渔业环境保障应用的数据挖掘分析，提供二次数据产品服务。构建区域化海洋立体综合感知信息服务平台，形成区域化立体综合感知态势(“一幅图”)，如图5所示。

图5 区域化海洋渔业环境立体综合感知信息服务平台

3.3 “一个平台”——海洋渔业环境应用服务集成平台

面向五大体系能力建设需求，构建区域化海洋渔业环境应用服务集成平台，主要提供海洋渔业环境信息一次、二次数据服务，以及海洋渔业非法捕捞常态化监管、渔船与渔民安全实时化保障、提升海洋灾害精细化预警报、海水养殖区的生态环境信息化保障、远洋捕捞船舶全球定位与运营分析等决策支持服务。并可与其他部门、上级/同级海洋与渔业部门实现信息共享。集成平台如图6所示。

区域化海洋渔业环境智能观测与决策支持设计的关键技术包括：

(1) 系统开放式体系架构设计技术 主要研究统一化的系统体系架构、模块化的设备接入系统、通用化的信息处理平台、服务化的业务应用集成平台、信息安全防护等技术。

(2) 系统资源跨域动态重组技术 主要利用虚拟化技术将系统的存储、计算、网络、数据、服务和应用等虚拟化，通过多任务虚拟化资源管理技术，使信息要素和资源管理流程随任务变化而动态重组。

(3) 海洋渔业环境层级化信息融合处理技术 主要研究通用化海洋大数据云处理平台、典型海洋环境和目标信息处理算法集成框架、应用驱动的海洋大数据深度智能挖掘与知识描述、海洋数据服务定制等层级化海洋渔业环境信息融合技术，提升海洋知识的有效获取和高效应用能力。

(4) 海洋渔业决策支持建模与可视化技术 主要针对五大典型应用进行决策支持建模，并进行多维可视化设计和展示。

(5) 任务驱动的系统效能评估技术 主要研究典型任务驱动的海洋立体观测系统效能评估目标确立和准则设计、评估指标设计、参数获取、效能评估建模和效能分析等技术，为系统高效运行、优化设计提供重要参考依据。

4 结 语

梳理总结现有海洋渔业环境的非法捕捞常态化监管、渔船与渔民安全实时化保障、海洋灾害精细化预警报、海水养殖区的生态环境信息化保障、远洋捕捞船舶全球定位与运营分析等五大典型能力需求，设计区域化海洋渔业环境智能观测与决策支持系统，形成海洋渔业环境保障信息的全面立体感知、广泛互联互通、高效数据分析和深入智能服务等能力。支撑海洋渔业经济发展、海洋渔业科技创新、海洋渔业生态环境预报、海洋渔业公共服务体系等海洋渔业信息化建设，创新海洋渔业综合管理体制机制。