智能浮标系统的架构与关键技术

赖粤龙 李 凯 傅雨佳

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

0 引言

自20 世纪20 年代开始，随着人类对海洋的探索与开发，出于不同需求与目的，人们结合更先进的技术，赋予了浮标越来越多传统使用方式以外的功能。目前，已有多个国家或组织已经形成了功能多样化的系列成熟产品，并建立了自己的浮标体系，如隶属于美国国家海洋和大气管理局的国家资料浮标中心、由世界气象组织与联合国教科文组织下属的政府间海洋学委员会联合成立的资料浮标合作组，以及包括美国、英国、德国和法国在内的由多个国家共同推进的Argo 计划等[1]。目前各个国家或组织的浮标体系在全球海洋广泛部署，为人类的海洋探索与开发提供了海量数据。

为了更好地探索、开发海洋以及维护国家海洋主权，本文提出建立1 套智能浮标体系的设想，既可以作为公共基础设施、用于满足人们对海洋环境数据日益增长的需求，又能作为海疆的前沿哨所、承担起维护国家海洋安全的使命。

1 海上浮标智能化需求

海上浮标是以锚定在海上的观测浮标为主体组成的海洋水文水质气象自动观测站，可以收集海洋的各种气象水文数据，同时兼顾航标功能。目前海上浮标的通信方式主要是全球移动通信系统传输、无线电传输及卫星传输等无线通信方式，存在传输速率低、受天气影响大以及成本高等缺点。随着海洋的不断开发以及中国海军的不断建设，传统的海上浮标已经无法满足军事和民事对海洋数据信息逐渐增长的需求。

我国拥有近300 万km2的领海，广袤的海域蕴藏着丰富资源。随着海洋开发利用的不断深入，人们在海洋活动过程中的信息化、智能化需求也日益增长，而海洋恶劣复杂的环境已成为人类海洋活动信息化、智能化的阻碍。为满足人们在海洋活动过程中对通信、导航和水文气象等通用服务、海洋科学研究，以及维护国家海洋主权的信息化与智能化的需求，本文提出了基于海底光缆技术、海上浮标技术与网络技术的智能浮标系统的构想。

2 智能浮标体系架构

智能浮标系统旨在构造1 个覆盖特定海域的观测预警、提供各类海洋活动服务的体系。相较于传统的浮标，在整体上，它是1 套能采集、传输、感知与计算存储海洋环境数据，并能够指导海上作业的智能体系；在个体上，智能浮标具备更多的观测手段与更高的信息传输性能，同时具备一定的边缘计算能力。

依托于海底光缆的有线传输，以及短波、超短波、卫星通信等无线通信手段，并且利用通信网络技术将智能浮标进行联通组网，使分布式的浮标构建成为1 套智能体系：平时可以作为提供民用服务的海上气象水文数据的观测系统，战时可以作为军事用途的前沿哨所。通过军民结合的方式，有效提高海上指挥浮标体系的利用率。

2.1 智能浮标系统装备体系

本文对智能浮标系统装备体系的设想如图1 所示。

图1 智能浮标系统装备体系示意图

在各级的节点浮标上安装感知设备，获取海洋情报：次级节点通过有线或无线方式传输数据至中心节点；中心节点通过有线方式传输至数据中心；数据中心再将收集的数据转换为服务信息，响应来自于岸基或船平台上服务终端的请求。这样的海洋网络就可以为来往船舶（甚至无人设备）提供数据、视频、音频和报文等服务，或是将海洋的情报传输至岸上、舰上的数据中心，为民事和军事用途提供情报支撑。

2.1.1 边缘节点

边缘节点相较于系统内的其他部分，具有体积最小、数量最多、分布最广和功能基础等特点，同时具备一定的边缘计算能力。为了方便将数据汇聚到中心节点浮标，边缘节点一般要围绕中心节点布置。它应当相对固定地锚定在海域的某点，这样的节点才能稳定地采集海洋数据，向船平台提供稳定的服务。

首先，边缘节点浮标是收集海洋环境数据的观测站。其可以将水文气象、温度、湿度和盐度等环境数据探测设备，通过规划调配，合理地分配到某片海域的边缘节点浮标上进行装配。

其次，边缘节点浮标是智能浮标系统内的网络基站。其将自身收集的数据与船舶平台服务终端发来的请求数据向上一层级传输，将上一层级发来的控制命令或服务信息传输至各终端设备（包括装配在浮标上本身的探测设备以及接入智能浮标系统内的船舶平台服务终端）。

2.1.2 中心节点

除了在边缘节点浮标上装配的设备，中心节点浮标上应当装配功能更多、范围更广的探测设备。相较于边缘节点，中心节点体积更大、数量更少、功能更强且计算能力更强。中心节点同时也需要具备相对于边缘节点更高的稳定性，可以依靠海上的岛、礁建设，因地制宜布置；能将边缘节点浮标收集的数据向上一层传输，将控制命令或服务信息向边缘节点传输。智能浮标平台构想如图2 所示。

图2 智能浮标概念图

2.1.3 数据中心

数据中心分为收发中心与管理中心两部分。前者主要负责数据的统一收发，由若干数据收发设备组成；后者主要负责数据的使用、存储和管理，由若干数据存储设备、数据计算设备和系统管理设备组成。数据中心相当于整个系统的大脑，它汇集着来自整个智能浮标系统的各种数据，进行不间断的计算并存储操作形成各种服务信息，最后根据用户的服务请求，通过网络将这些信息传输到服务终端。数据中心作为整个系统的核心，具备汇聚数据、计算存储和响应服务等作用，因此应当具备强大的信息交互与信息处理能力。

数据中心的硬件设施，应当根据整个系统的覆盖规模合理地进行建设。王进等[2]介绍了目前已经开始施工安装的海底数据中心项目。本系统的收发中心机柜等设备以及数据中心计算设备、存储设备等可布置安装于类似的海底数据中心，以解决大量机柜的冷却散热问题，减少能源消耗。将管理中心建设于沿海地区的陆地上，可实现对整个系统的管理与监控。

2.1.4 服务终端

服务终端是直接面向用户的窗口。用户方通过服务终端向数据中心发起请求，请求信息上传至数据中心的管理中心，再由管理中心响应请求，并将服务信息下传回服务终端；服务终端接收来自数据中心的服务信息后，通过合理的形式（如声音、画面和图表等）展示出来。

服务终端根据使用环境的不同，可以分为海上与陆上2 种情况，根据不同的应用场景开发不同的终端设备与应用软件，同时为注册在系统内的用户形成用户数据库并分配不同的权限。它应当具备便于安装、维修、更新，以及用户界面人性化、用户软件标准化和应用场景多样化等特点。

从边缘节点、中心节点、数据中心，再到服务终端，整个过程形成原始信息采集、传输汇聚、计算存储、需求提交、服务提供的闭环。

2.1.5 承载网络

承载网络是信息流通的高速通道，基于大规模的海底光缆铺设与成熟的短波、超短波、卫星通信等有线、无线通信手段，利用网络交换机、网络隔离设备、网络中继设备和无线接入设备等，将分布式的边缘节点、中心节点、数据中心和服务终端进行网络的互联互通，保证数据高效、稳定与安全地传输。高建文等[3]构想的一体化海洋通信网络构架，设想了1 套“三层两系统”的技术体系网络构架（“三层”指多元接入层、统一网络层、协同服务层，“两系统”指运维管控系统、安全防护系统），通过多网系融合、多平台资源统筹，拟实现一体化海洋通信网络的建设。

目前网络传输技术愈发成熟完善，网络能承载的数据流量日益增长，网络传输设备性能、环境适应能力也不断提升。运用于陆地上的互联网已运行了数十年，带来了生产和生活的革命。将这样的网络进行适应海洋环境的改造，提升设备的防水、防腐蚀和防浪涌等环境适应能力，实现承载智能浮标的构想。

2.2 智能浮标技术架构

从技术能力的角度分析，指挥浮标系统应当具备以下层级：感知层、传输层、计算存储层和服务层。如果将整个体系比作人身体的神经系统，那么感知层即相当于各种感受器，传输层相当于输入神经与输出神经，计算存储层类似神经中枢，服务层则相当于效应器。每一层都应当拥有相应的硬件与软件，用以支撑起本层应当具有的能力。智能浮标系统技术架构示意见图3。

2.2.1 感知层

作为系统的最底层，感知层是整个智能浮标系统的基础。它应当具备自然环境感知、非自然环境感知以及自身感知这3 种感知能力。

2.2.1.1 自然环境感知

自然环境感知分为水上感知部分与水下感知部分，利用气象仪、气象雷达、电磁场探测仪和温湿度计等成熟传感器设备，以海洋智能浮标为依托，采集包括但不限于水文气象、电磁环境、温度、湿度和盐度在内的海洋环境数据，实现对海洋自然环境的感知。水上部分探测风速、风向、温湿度、能见度和电磁环境等因素，水下部分探测波浪、洋流等。以下列举一些常用的自然环境传感器并简单解释其原理：

（1）风速风向感知

采用风杯式风速传感器。风力带动传感器转动，风速不同导致转速不同，利用霍尔元器件产生的脉冲，计算出相应风速并转换为数字信号，即可感知风速；利用格雷码盘作为基础元件，采用特殊编码方式，以光电信号转换原理，将风向信息转换为数字信号。某个点位的风速风向信息一般在几个字节到几十个字节之间，将其转换为IP 报文进行有线或无线传输占用带宽极小。

（2）温湿度感知

采用热敏电阻（如铂电阻、镍电阻和铜电阻）。该电阻阻值随温度变化而变化，恒定电压加载于电阻时，可通过测定电流感知计算出环境气温，转换为数字信号；采用湿敏电容或湿敏电阻，传感器的电容值或电阻值随相对湿度变化而变化，根据对应的电容值或电阻值计算对应的湿度，将其转换为数字信号。某个点位的温湿度信息一般在几个字节到几十个字节之间，利用有线或无线网络传输时占用极小的带宽资源。

（3）波浪、洋流感知

利用加速度传感器。加速度传感器随波浪的起伏输出加速度变化的信号，通过积分运算即可计算出波浪起伏的方向与高度，进而推算波浪的周期，将波浪的周期、高度和方向信息转换为数字信号；基于多普勒效应，利用海流剖面仪向海水中发射声波信号，即可测定不同层次洋流的流速流向。某个点位的波浪、洋流信息一般在几十个字节到几百个字节之间，利用有线或无线网络传输时占用极小的带宽资源。

以上列举了几种自然环境感知的设备及原理。目前各种环境数据采集的成熟技术不一而足，本文不再举例说明。王海涛等[4]将风速风向、温湿度和光照强度等传感器设计为印制电路板（printed circuit board,PCB）共型模式，共用公共的控制单元、电源模块及其他片上组件。采用类似的设计思路，可大大提高感知层集成度，减少空间资源与能源的消耗。

自然环境的变化通常是缓慢的渐变过程，故而对感知自然环境的实时性要求并不高，且该类数据信息并不是很大，故可以将数据格式进行统一，实现自然环境数据标准化。将上述传感器的一种或多种传感器装备于智能浮标上，某片海域内多个智能浮标采集的信息进行融合，即可实现对该海域自然环境的感知。

2.2.1.2 非自然环境感知

除自然环境外，海洋生物、人类活动和人造物等均被认为是非自然环境。通过声呐、雷达、光电探测设备和视频监视设备等探测仪器，感知水面和水下的目标，探测出存在于海洋的生物群落以及人造舰艇所产生的光电与画面等信息。

对于水面目标（如船舶、浮标和海上工作平台等），通常可利用光电设备、视频监视设备和雷达设备等进行感知。

光电设备与视频监视设备利用光学成像的原理，记录所探测到海域的画面，视频监视设备可记录可见光频段的信息。光电设备除可见光外，还能在黑暗、雨雾的条件下进行红外观测并兼具激光测距的功能。光电设备与视频监视设备虽然能得到清晰的画面，但是探测距离十分有限，且受环境影响较大，通常限制在目视距离范围内。

雷达设备利用电磁波反射回波的原理对目标进行探测。雷达天线发射电磁波信号，遇到障碍物即产生回波，周期性地向四周进行电磁波发射与接收，即可探测周围固定或移动的目标。雷达的工作频段很广，包含甚高频（very high frequency,VHF）、超高频（ultra high frequency,UHF）以及L、S、C 等频段，根据工作频段的不同，其探测范围也在几十到几百n mile 不等。在探测水面目标时，可先使用雷达进行探测，当目标进入光学探测范围时再进行光学探测，以减少不必要的能源消耗和信息传输。

对于水下目标（如海洋生物、潜航器等），目前主要的探测手段为声呐探测，其原理与雷达类似。由于海水中高频电磁波衰减极大，两者不同点在于声呐利用声波的反射对水下目标进行探测。由于不同声呐工作的频率、视场角和成像原理不同，其探测范围、分辨率也不尽相同，通常探测深度在几十米到几千米不等。

对于非自然环境中的船舶与潜航器，除上述探测手段外，还有船舶自动识别系统（automatic identification system,AIS）设备对船舶进行识别区分，若是军事船舶，甚至有敌我识别的手段进行判别。非自然环境的感知信息（如监视视频、雷达目标信息等）在几兆至几十兆比特之间，数据的传输将占用一部分的网络带宽，需利用有线手段进行传输。将上述一种或多种设备配置于智能浮标上，某片海域多个节点进行非自然目标的融合，即可实现对该海域非自然目标的感知。

2.2.1.3 自我感知

自我感知是指在海洋上的智能浮标平台，对自身配置设备、探测范围、位置信息、运动状态的感知。通过数据中心建立智能浮标的数据库系统，录入每个浮标的配置信息、设备信息，在智能浮标上配置设备接入监测系统并管理浮标数据库，即可实现浮标自身配置设备和探测范围的感知。利用北斗导航定位系统，即可实现智能浮标平台对自身位置信息的感知；利用加速度传感器，即可实现浮标自身运动状态的感知。

智能浮标的自我感知所产生的信息一般在几百到几千个字节之间，需定时向数据中心发送更新，可以建立统一的数据格式，实现自我感知数据的标准化。

分布于海域中的浮标，利用各种传感器采集来自海洋上的各类信息，获取的海量数据将作为系统感知海洋、提供服务的基础。本层在具备感知海洋、收集数据的同时，应当保留部分边缘计算的能力以支撑一些简单服务，如向浮标附近的船舶发送自身坐标信息，用以提供导航服务等。缪新颖[5]提及无线传感网络系统的设计原则，其中若干条同样适用于本系统，如节点小型化、能源有效利用、系统可靠性和传输有效性等。除此之外，本文认为应当考虑海洋环境的特殊性与多样性，增加生命顽强性、探测多样性的设计原则。

2.2.2 传输层

传输层是智能浮标体系信息流动的依托，根据信息流动的方向将传输层分为上行传输、下行传输和网络拓扑这3 个部分。它应当具备大容量、高带宽和低时延的特性，支持海量的数据在传输层流动。

（1）上行传输

即从感知层与服务层到计算存储层的信息传输链路。感知层与服务层通过有线或无线的通信方式，将感知的环境数据、服务的请求数据等各类数据上传至计算存储层，为计算存储层实现对海洋环境的感知、海洋作业服务信息的形成提供基础数据。

（2）下行传输

即从计算存储层到感知层与服务层的信息传输链路。计算存储层通过有线或无线通信方式，将控制信号传输至感知层，控制感知层各传感单元的工作状态，将计算存储层处理后形成的服务数据下发至服务层，为海上作业人员提供所需的服务信息。

（3）网络拓扑

即整个系统的网络节点连接情况，包含边缘节点、中心节点、数据中心和服务终端在传输层的数据流动情况。需要建立有较强抗毁能力、较高冗余度的网络拓扑结构，提高网络的鲁棒性、健壮性和安全性，保证本层数据传输的安全、可靠、经济。

在数据传输过程中，以传输方式进行区分，将传输层技术分为有线传输与无线传输。大批量的数据传输一般采取光缆传输等有线传输方式，故而有线传输网络应当作为传输层的主要组成部分，是传输网络的中心；而后，依托计算机网络技术，基于网络交换设备、网络隔离设备、网络中继设备和网络管理设备，结合海底光缆体系，构建智能浮标传输层有线传输的主体。考虑到存在移动式终端或不宜有线接入网络的设备和传感器，因此应采取WiFi、ZigBee、蓝牙、5G 等无线通信方式将短距离通信设备接入网络中，采取短波通信、超短波通信、卫星通信等方式将远距离通信设备接入网络中。

传输层依托计算机网络技术、无线通信技术、信息安全技术等现代通信技术，连接智能浮标系统的边缘节点、中心节点、数据中心和服务终端，保证上行与下行数据在各网络节点中高效、高速、安全流通。

2.2.3 计算存储层

计算存储层是智能浮标体系的中枢。它将汇集的海量数据进行存储、处理与运用，通过各种算法，使获取的原始数据变为可用以支撑各种需求的服务信息。计算存储层应当具备通用计算、数据仓库、数据分析这3 种能力：

（1）通用计算

作为即时性要求较高服务的计算支撑。将感知层获取的原始数据快速解析，根据需求对解析数据的类型进行分类处理，对即时性要求高的数据进行实时处理，用于提供即时性服务，如某片海域的实时水文气象、实时画面和即时通信数据等。该功能小部分在边缘节点、中心节点实现（如实现节点的数据加密解密、准入认证、入侵感知和预测维护等功能），大部分在数据中心实现（如实现格式化数据的整理归纳和应用分发的功能）。

（2）数据仓库

作为即时性要求较低服务的数据基础。将解析分类的格式化数据或其他来源的数据按需求存储起来，根据不同需求设置存储时限，得到1 个可以反映自然环境、非自然环境、浮标本身和使用用户的数据仓库，用以支持如海洋科研、气候分析和生态分析等需求。采取数据库技术，并利用计算机辅助管理数据，便能实现数据高效可靠地添加、修改、删除、处理、分类和理解。

（3）数据分析

将通用计算解析的即时性数据或数据仓库存储的数据进一步处理，通过各种算法便能得到可以指导民事或军事海上作业的信息，如判别海洋生物群落种类、跟踪海上船舶轨迹、进行海洋科研等。基于机器学习、大数据分析和神经网络等分析识别技术，高效辅助人员对采集到的海洋数据进行判别，融合各类数据构建海洋自然环境和非自然环境的态势，形成指导海洋作业的服务信息。

计算存储层用以支撑指挥浮标体系大量数据的计算与存储，根据智能浮标系统规模的不同，应当具备与之对应的计算存储能力。面向计算存储层海量数据计算、存储和分析的需求，结合超算中心建设的成果，利用数据库技术、机器学习技术、大数据分析技术，支撑数据存储层感知海洋、分析海洋和服务海洋等能力。

2.2.4 服务层

服务层是面向用户的层级，根据用户不同的需求，完成相应的服务。它将计算存储层得到的可以满足用户需求的信息，根据不同用户的权限与请求，通过声音、画面和图表等形式展现给用户。本层应当能提供至少包括通用服务、科研用途服务和军事用途这3 种类型的服务：

（1）通用服务

用以满足通用类的服务需求。录入、管理用户信息，为海上来往的船舶提供如水文气象、通信、导航和数据报文等服务，为海上渔民提供作业指导。

（2）科研用途服务

用以满足科研用途的数据需求。为科研工作者提供长期的海洋环境变化数据，成为如海洋数字孪生、数字海洋等科学研究的数据源。

（3）军事用途服务

用于满足军事用途的需求。为军事活动提供如海洋环境监控、不明船舶入侵判别、跟踪、报警以及战时电磁环境管控、战场态势情报收集等服务。

服务层是面向用户的层级，也是真正将海量数据化为各类服务的层级，用户一方应当有相应的接收设备用以接收本层发出的服务信息。采取客户机-服务器（client/server,c/s）或者浏览器-服务器（browser/server,b/s）的服务架构，实行数据订阅分发的形式，根据用户需求、角色的不同，赋予用户不同的数据知悉管理权限，提供相应的数据服务。

3 关键技术

智能浮标系统的建设是一项结合了多种工程技术、多学科融合的综合性工程。为了建设该系统，需要克服许多技术难题。以目前的技术水平，若要实现该智能浮标系统的建设，需重点突破以下几项关键技术。

3.1 海上接入海底光缆技术

长距离的无线传输无法满足传输层的技术要求，而海底光缆技术的发展与突破，则为本层的实现带来了可能。结合现有的海底光缆技术，将浮标平台上的信息设备接入广布海底的有线网络，能为智能浮标系统传输层提供海量、高速、稳定和低时延的网络信息传输支撑。

不过，智能浮标系统的建设，必然涉及到大面积海底光缆的敷设，海面平台如何接入海底光缆，该如何保证海底光缆的稳定连接与可靠传输，都是目前亟待解决的技术难题。

首先是海面平台接入海底光缆的技术。该技术要考虑到方方面面，如接入交换机的研究制造、安装与连接，以及光缆的制造与敷设等；结合海洋的恶劣环境，还要考虑到海底的高压、低温、生物环境复杂、洋流变化等因素。因此，对接入交换机与海底光缆在复杂环境下的适应性与生存能力要求极高。

其次是保证海底光缆本身的安全稳定。海洋环境复杂恶劣，影响海底光缆的因素有许多：自然因素包括地质活动、海底腐蚀、水流激振和海洋生物等；人为因素包括锚害、渔业活动、工程建设和蓄意破坏等。在保证海底光缆不被破坏方面，陈宇俊等[6]提出：应当对海底光缆的路由地址提前进行严格勘验，减少自然环境的影响；同时，落实宣贯工作，减少人为因素影响。

目前在海洋平台接入海底光缆的技术上，仍有很大的探索空间。钱德沛[7]提及了目前的海底光纤光缆技术、水下中继技术与水下分支技术，其中的光纤光缆技术已经在规模化使用，16 纤对水下中继器已经可以商用，水下分支器技术也在更新换代。

除了上述文献中提及的技术外，海上平台接入技术目前研究的程度还不够深，未来尚有很大研究空间。

3.2 智能浮标能源供给技术

在海洋环境下，智能浮标平台的能源供给是很重要的问题。本文提出以下3 种能源供给的形式：

（1）海底电缆供电

即通过海底电缆进行跨洋输电的技术。运用于智能浮标系统，虽然能够实现大功率、长距离地供给电力，但存在成本高、损耗大等问题。万光芬 等[8]介绍的秦皇岛曹妃甸岸电示范工程，说明了海上平台由路基通过海底电缆供电的可行性。

（2）定期更换蓄电池

即通过定期更换浮标平台蓄电池的方式进行能源供给。这不仅需消耗许多人力、物力，并且对蓄电池的蓄能、自然损耗和寿命等要求也更高。

（3）自然能源转换

即利用太阳能、风能和潮汐能等多种自然能源，实现能源的转化；通过蓄电池新材料、新技术的运用，增加其蓄电能力，减少其自然损耗。不过，这种供能方式在浮标平台设计时存在很大的技术难题。吴明东等[9]提及多种利用波浪能转换为浮标使用能源的实例，海洋中本身也存在着巨大的能源可供我们加以利用。

以上3 种方式都存在各自的优缺点，若将3 种形式结合并进行综合性能源供给与规划，也不失为1 种可能的方式，但目前也仍有许多工程问题亟需解决，许多技术问题需要突破。

3.3 智能浮标系统的协同技术

智能浮标系统是设备体系广泛分布、成员之间互相协同的统一系统，如何动态地保障整个系统高效、节能、稳定运作，也是需要解决的问题之一。本文提出以下3 种协同工作类型：

（1）协同感知

分布于海洋的浮标可用空间小、能源供给有限，单个浮标无法装配太多的探测设备，且海洋是动态的环境系统，各种感知设备的感知范围随着海洋环境变换而变化。为了全方位完整地实现海洋的感知，需要多个浮标平台协同起来，实现感知层的效率最大化。

（2）协同服务

智能浮标系统的服务对象在数量、空间位置和服务类型上都是动态变化的。为了保证服务的质量，需要管理中心、收发中心和浮标平台等设备的协同配合，实现服务层的高效。

（3）协同管理

智能浮标系统设备组成复杂、分布广泛，其状态也是动态变化的。为便于系统的更新、维护和修理，需通过协同管理，保证系统运作的安全稳定。

智慧协同网络提出的“三层”、“两域”体系模型同样适用于本系统，对比张宏科[10]列举的智慧协同网络在电信、高铁行业应用举例，本系统的协同设计需要考虑到海洋环境的多变与恶劣。

3.4 智能浮标系统的维护

智能浮标系统建设完成以后，需对系统进行维护。如何对这个覆盖面积广阔、设备设施多样、运行环境复杂的系统进行维护，也是一个巨大的 挑战：首先，应当制定统一的设备体系标准，指导各型设备进行规划的设计与生产，保证装备体系的产品质量与标准化，便于后续的维护与修理；其次，还需制定相应的巡查制度，对海域上智能浮标系统的各种设备进行有规律的巡查，检查设备的运行情况，防止系统被入侵与破坏，保证整个系统运行的通畅与安全；除此之外，还应当有与智能浮标系统维修相关配套的装备体系（例如：水面需要有以维修本系统为使命的配套船舶，水下需要有配套潜航器，浮标平台上需要有对应的简单维护设备，整个网络需要有运行维护的监控系统）。

4 智能浮标的应用构想

构建起如文中所描述的智能浮标系统，将能为海洋探索、开发，国家的海洋主权维护提供前所未有的便利。

4.1 民用服务

通用服务是指只要在智能浮标系统（包括中心浮标与边缘浮标）信号覆盖范围内，接入到智能浮标系统的网络，并具备相应权限，就能提供的服务。

（1）通信服务

通信服务包括话音、视频、数据等在内的网络通信。船平台间的通信，可以通过船舶平台上的服务终端接入边缘节点或中心节点的接收基站，将通信数据上传到海底与陆地上的网络进行传输，通过IP 寻址方式，实现船舶平台间的高质量通信。同理，也可以通过相同方式实现船舶平台与陆地之间的通信。若将智能浮标网络与其他公共网络连接，可以大大增加通信服务的类型。

（2）导航服务

智能浮标应当大致固定在海域的某点，故而可以根据浮标布设位置，给浮标预设大致的经纬度，智能浮标向接入网络的船舶转发这个经纬度，便可起到辅助导航的作用。此外，还可以在某些特定浮标上装配北斗、GPS、GLONASS 等导航设备，提高导航的精度。

（3）海洋环境预报服务

智能浮标系统可以将探测到的某片海域的水文气象、温度、湿度和盐度等信息发送至接入网络的船舶，提供来自于数据中心对该片海域的天气预报信息，或是由智能浮标系统转发来自于其他途径的天气预报信息。

（4）海上作业辅助服务

根据智能浮标探测到的生物或非生物物体的信息，辅助海上作业。例如根据探测到的生物群落活动情况、水文气象情况，辅助海上鱼类养殖与捕捞作业、海底沉船打捞作业等。

（5）遇险救生服务

智能浮标可以通过网络转发船舶发出的遇险救生信号，智能浮标本身可以作为海上的紧急避难所，常备应急的水与食物，装备遇险求生的通信设备，给海上遇难的人员争取时间。

智能浮标体系建立后，在这样的基础设施支撑下，能够开发出更多、更好的通用服务，提供给需要海洋数据服务的组织或个人，便于人们对海洋的利用，同时也能够实现对海洋活动更好的管理规划。

4.2 科学研究

海洋的科学研究需要大量的数据支持，智能浮标系统将收集的海洋数据按数据类型进行分类，建立以时间为顺序的海洋数据库，可为海洋科学研究提供基础的海洋数据。

（1）洋流研究

将智能浮标系统收集的水文气象数据，提供给海洋科学研究人员，可以成为长期跟踪洋流变化的数据基础，在单日、季度、年度甚至更长时间跨度内反映洋流变化，对于研究洋流规律有极大帮助。

（2）局部气候研究

智能浮标系统收集的温度、湿度等气候数据，能够成为科研人员研究海洋气候的数据基础。

（3）海洋生物研究

将声呐等探测设备收集到的生物群落信息（如种群大小、活动轨迹等）数据记录存储到数据库中，提供给海洋生物群落的研究人员，在不同的时间跨度下反映出海洋生物群落的变化规律。

（4）海洋数字孪生

各类传感器、探测器收集到的海洋数据，形成数据库，可以作为海洋数字孪生研究的基础数据支撑。

聂婕等[11]对海洋多模态智能计算的构想与本文所述智能浮标系统契合，本文构想的智能浮标系统架构作为海洋感知的依托，为海洋多模态大数据内容分析、数据和知识协同的推理决策和演变预测、海洋多模态大数据的交互分析3 个应用场景提供了实现的基础。智能浮标体系收集到的数据建成海洋数据库后，将为海洋科研带来极大的帮助。除了以上所述的海洋研究外，能运用到海洋数据库的场景还有很多。在智能浮标系统的支持下，人类对海洋的研究探索也将变得安全、便捷。

4.3 军事用途

智能浮标系统作为一种公共设施广布于海洋上，除了在民事方面的运用，也可以运用于军事方面。它分布在中国的领海内，既是对中国海洋主权的象征，也可作为海疆防卫的军事前哨。

（1）水面、水下航行器感知识别

作为海洋的军事前哨，智能浮标系统将时刻监视着海洋的情况，对来往的水面、水下航行器进行感知识别。一般来说，水下的航行器利用声呐进行探测，水面的航行器利用雷达、视频监控、光学仪器等设备进行探测。水面上，对接入智能浮标系统的船舶，显示船舶信息，对未接入的船舶以及水下航行器，则记录其形状大小、移速和航向等信息，为后续识别提供参数。

（2）不明舰艇入侵警告、监控

对于感知识别后确定为非法入侵的外国舰艇，利用公频无线电或声学设备进行警告，通过覆盖海域的浮标系统进行连续跟踪监控，并向数据中心进行告警，通过雷达、声呐和视频监视等探测设备跟踪显示入侵舰艇的信息。

（3）战场态势情报收集

在战场环境下，收集来往舰艇的信息，统计包括形状、数量和编队情况等在内的情报信息，显示敌方的画面信息等，并报送给我方人员。

（4）战时电磁环境管控

在战场环境下，检测海洋的电磁环境，保障我方人员的通信安全与稳定；甚至可以在浮标上装备电磁武器，干扰敌方的电磁信号，为我方创造优势。

智能浮标系统可以成为我国海疆国防建设的重要部分，作为海洋的军事前哨，实现对海洋的监视、管控，以及对战时的情报收集、电磁环境管控，为我方创造优势。

5 结语

随着人们对海洋的探索与开发需求的增长，海上网络基础设施的建设变得更加必要与迫切，海底光缆技术、信息网络技术、能源技术和超级计算机等前沿技术的发展，为数字海洋、透明海洋等前期的科学设想带来了新的可能与突破。

本文提出的智能浮标系统，建立了1 套将陆地上网络延伸至海洋的设想，提出了智能浮标的装备体系与技术架构，构想其应用场景，并分析了实现该系统的关键技术。对于文中可能存在的不足与瑕疵，希望后期能在此基础上不断完善与创新，从而勾勒并实现人类开发海洋、利用海洋的美好愿景。