“海洋物联网”提升海上分布式态势感知能力_浮标

2020年3月31日，美国防高级研究计划局发布“海洋物联网”第二阶段跨部门公告，并于4月7日举办了提案者日活动。项目第二阶段聚焦数据分析技术，通过利用部署于海上的大量自动浮标获取的数据，利用数据分析技术对其进行处理，最终得到满足任务需要的数据。该项目是支撑“马赛克战”的重要组成部分。

项目概况

目前，军事舰艇和商船通常只能利用舰载传感器进行态势感知，而雾、雨、云层覆盖以及其他环境条件，导致飞机和卫星遥感传感器受到限制。此外，缺乏对广阔海洋的实时监测和追踪能力，严重阻碍了海洋科学、军事和商业的进步。

2017 年12月，美国防高级研究计划局（DARPA）战略技术办公室（STO）发布“海洋物联网”（OoT）项目的跨部门公告（BAA），计划通过部署大量低成本、智能化海上浮标以组成分布式传感器网络，实现对大范围海洋区域的持续态势感知。

项目分两个阶段进行，重点分别是浮标硬件的设计和生产、浮标数据分析处理。浮标上的机载计算机需要将原始数据简化为小的信息包，通过卫星发送到岸上的云系统中。在云端，数据需要被拆解、汇集并使用机器学习等数据分析算法，对采集到的海洋物理特性和活动情况进行可视化，如图1。

图1 海洋物联网项目概念图

具体研究内容

01

浮标开发

浮标由生物安全材料制成，配备一系列水上和水下传感器，共有九种不同的浮标和传感器组合。浮标设计大小约是A级声纳浮标的一半，体量是0.0014-0.0032立方米，重3.2到8.2千克，配备低成本全球定位系统（GPS）芯块、天线和惯性测量单元（IMUs），以及各类传感器。

图2 “海洋物联网” 三种浮标设计（2019年3月）

浮标通过太阳能电池板和/或碱性电池为传感器和搭载的电子设备提供电力。浮标的间歇、被动采样也可以节约电力消耗。

OoT系统采用鲁棒、相对低带宽的卫星通信系统传输信息。由于在一个集中区域中有大量浮标，每个浮标在消息长度和消息传递频率上都受到限制。整个系统需要根据优先级对传感器数据进行选择性传输，保证后续的数据分析工作。

浮标配有高度可靠的沉没机制，可由内部逻辑触发，也可由操作员下达的沉没指令来触发。每个浮标需要对周围环境进行至少一年的监测，然后寿命耗尽安全地沉入海底。

02

数据分析

图3 在非常有限的带宽上进行数据传输需要数据压缩

海上部署情况

项目第一阶段计划在海上部署多达4500个浮标，曾计划在2019年年底至2020年初进行长达3个月的连续数据收集，然后进行几个月的数据分析和算法分析优化。目前没有进一步信息披露浮标的部署情况。第二阶段会在海上部署多达15000个浮标，计划在2020年年底到2021年初进行6-8个月的连续数据收集。第三阶段是过渡阶段，将在一年内实现50000个浮标的部署工作。

第一阶段和第二阶段的部署计划在南加州湾地区，如图4所示。该地区拥有独特的地理位置、复杂的洋流、多样化的海上交通，包括商业、军事和游船，以及附近的相关科研设施。复杂的远洋和近岸洋流是一个主要挑战，部署区域内的高分辨率洋流和海风预测模型为最初的部署和浮标的定期补充提供了重要位置信息。

图4 浮标计划部署在南加州湾

几点认识

海洋物联网通过机器学习、云计算、大数据等高新信息技术，提升海上态势感知能力，追求从近海走向远洋、从区域走向全球。

军事方面，海洋物联网可以提升海上战场态势感知能力，支撑“马赛克战”。在未来战场上，范围很广的海域部署了高密度的浮标，通过对浮标实时传感器数据进行分析和处理，便可以获得战场态势信息，辅助指挥员作出正确决策，这将给海上作战行动添砖加瓦。即使在恶劣天气的情况下，态势信息也能收集并传输。与此类似的，美CSBA智库在4月14日，发布《侦察威慑：无人机系统在大国竞争中的关键作用》报告，提出“侦察威慑”的作战概念，强调在西太平洋和东欧的关键地理区域长期部署非隐身长航时无人机，形成无人侦察网络，以保持实时持续的态势感知。（可参考 【作战概念】美CSBA智库发布《侦察威慑：无人机系统在大国竞争中的关键作用》报告 ）是否可以说部署可以长期侦察监视的态势感知网络已经成为美军在大国竞争时期的想法之一。

此外，使用传统的大型海洋平台进行持续监测的费用十分高昂，海洋物联网创建了低成本的浮标网络，并通过将商业传感器与强大的数据分析工具相结合，极大地扩展了海上感知能力，成本仅为当前传统方式的一小部分，又同时推动了海上军事行动、海洋科学、和商业的进步。

作者：北京海鹰科技情报研究所 王彤

转自：海鹰资讯

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