专家视点 | “透明海洋”的战略方向、建设路径与对策建议

作者：李大海，吴立新，陈朝晖

(一) 战略方向

实施“透明海洋”战略, 就是围绕“加快建设海洋强国”战略需求, 以提升全球海洋信息获取、分析和预报能力为目标, 以综合化、体系化、智能化、动态化为特征, 建立完善现代化海洋立体观测系统, 增强海洋认知、海洋预报和海洋信息服务能力。经过5-10年的努力, 研发一批具有自主知识产权的海洋观测技术装备, 基本建成立体化和系统化的海洋环境和资源监测网, 自主研发符合我国国情和经济社会发展需求的海洋与气候预测系统, 实现对全球海洋中尺度、西太平洋-南海-印度洋 (以下简称“两洋一海”) 亚中尺度、重点海域百米级的预测预报能力, 构建“透明海洋”信息服务系统, 大幅提升海洋观测对海洋经济发展、生态文明建设和国家安全的支撑能力。围绕构建“透明海洋”物联网技术体系这个主线, 在天空、水面、水下和海底四个空间层次布放智能观探测装备, 开展海洋多层次、多维度、多平台的智能协同、互联、一体化立体感知关键技术与装备研发, 构建面向全球海洋环境与目标感知的“海洋物联网”技术体系, 建立海洋智能模拟与大数据分析中心, 基于海洋大数据开展综合应用与信息服务, 建立“透明海洋”综合应用示范区, 使我国海洋环境的观测感知能力从百公里级提升到公里级、观探测参数从物理海洋为主拓展到多学科主要参数、模拟仿真空间分辨率达到百米级、全球大洋及特定海域实现智能模拟/回溯/预测预报, 最终实现海洋的状态、过程、变化和目标四个“透明”。具体而言, 依据“基础研发—关键技术突破—形成装备或应用”链条在六个方面展开布局。

(二) 建设路径

1.“卫星观澜”——新体制卫星海洋遥感。

在天基观测方面, 针对当前海洋卫星观测对水体穿透能力、观测精度有限的问题, 创新卫星遥感技术, 构建海洋卫星观测的中国方案, 实现海洋从中尺度到亚中尺度、表面到海洋混合层、主动微波与主动光学联合同步观测。研制新型海洋激光雷达以及相应的干涉成像高度计和真实性检验系统, 在国际上首次构建将宽刈幅干涉成像雷达高度计与激光雷达水体剖面同步观测相结合的新体制。一是通过研发星载海洋激光雷达及水体剖面信息提取技术, 实现大洋混合层垂直穿透的海洋综合信息探测。二是通过研发新机制干涉成像高度计及反演方法, 实现全球海面从中尺度到亚中尺度分辨的海洋动力过程的观测。三是通过研发新体制海洋透视卫星同步观测与真实性检验关键技术, 开展新体制海洋透视卫星技术与地面应用系统关键技术研究、亚中尺度分辨率的数据产品制作及海洋三维数据反演。

2.“海气交互”——海气界面观测。

在水面观测方面, 发展海面智能移动和定点锚系平台互连观测与探测技术, 综合利用大型锚系海气观测浮标、漂流式海气观测浮标、波浪滑翔器、无人船等观测平台, 构建集多手段、协同组网、高时空分辨率、网格化观测、数据实时通信等功能于一体的海气交互观测技术系统, 实现对海-气界面物质能量交换的实时监测、水下移动观测平台的通信中继。基于当前水面观测技术装备现状, 主要从以下几个方面推进技术研发。一是设计研发高海况下海气监测浮标系统, 以黑潮延伸体为目标海域, 根据高海况工作环境进行针对性设计, 一方面保证仪器、设备及数据安全, 另一方面使标体尺寸便于运输与深海布设及回收。二是针对深水海域特点设计相应锚系系统, 满足大水深多传感器感应耦合式测量要求。三是设计研发智能化浮标控制和通信系统, 支持系统自我诊断, 实现数据、信息的 (准) 实时回传、存储管理及诊断、自动维护与备份等功能, 支持多种方式实时数据回取。四是设计能源供给系统, 满足浮标系统长时间工作和搭载多种设备的能源需求。

3.“深海星空”——深海观探测。

在水下观测方面, 开发全水深水下无人智能小型移动观测平台, 研发基于新平台的多学科传感器。构建深海长期定点实时观测平台和移动观测平台相结合的水下观测系统, 实现对深海动力、电、磁、声学、生物地球化学等环境要素的实时或准实时综合观测, 构建覆盖全球深海大洋的一体化、全水深综合观测技术体系。为了实现上述目标, 需要在以下几个方面推进技术突破。一是开发多参数深海实时潜标观测系统, 研制潜标单元、数据采集单元、水声通信单元和卫星通信单元, 并进行系统综合集成。二是开发全海深剖面智能浮标平台技术, 包括主被动浮力驱动与压力补偿技术、深海多参数传感器集成与数据处理技术、海洋环境能源利用技术等。三是开发水下平台通信组网技术, 包括水声广域通信组网技术、水下通信网络节点研制技术等。四是开发新型水下传感器技术。五是开发水下接驳无线充电等海洋观测网能源补充技术。

4.“海底透视”——海底观探测。

在海底观测方面, 开发海底自主高精度定位、新一代接驳技术和数据传输技术, 建设以勘测海底过程、重塑海底环境为目标的海底观测技术示范系统, 为环境观测提供基础平台和技术支撑。当前, 海底观测系统总体上还处于起步试验阶段, 面临诸多技术制约。建设海底观测系统, 需要在以下几个方面进行技术攻关。一是开展海洋环境仿真及特征分析。二是研制海底观测网深海湿插拔连接器, 攻克海底观测网深海光电湿插拔连接器设计、制备和测试技术。三是研发高精度海底地球物理场多尺度立体探测技术, 实现关键海域海底边界层信息快速提取。

5.“深蓝大脑”——智能模拟与大数据。

在数据处理方面, 发展海洋高分辨率模拟器、人工智能与大数据技术, 建设“透明海洋”中枢系统。基于超级计算机研发控制平台, 建设全球亚公里级透明海洋智能模拟器, 实现对“透明海洋”系统的智能自驱动、自发现和自演进。数据处理与应用是“透明海洋”的核心组成, 是“透明海洋”为国家经济社会发展与安全服务的重要载体。一是要研发机器智能、边缘计算和大数据分析等前沿技术, 建立具有自主智能、自动发现、自演进的深蓝大脑, 构建面向超大规模、超高维度、超复杂海洋大数据的可高速处理的自主智能与协同控制体系。二是搭建基于“深蓝大脑”的“空-天-地-海”海洋物联网络中枢系统, 实现空间精细、时空连续、分量完备的“透明海洋”大数据系统。三是建立透明海洋智能计算平台, 通过人工智能引导, 初步具备任务驱动的观测设备自主控制与调度能力, 形成设备智能交互体系框架和区域海洋物联网智能感知平台。四是构建超高精度类脑智能并行计算平台, 研究国产众核环境下的多机高速协同计算与管理, 高效分布式访存、多机分布式模型共享等体系模型以及集异构处理器协同任务分配技术。

6.“透明示范”——海洋环境与目标信息综合应用与服务。

“透明海洋”战略实施是一个逐步推进的过程。可先行推动示范区建设, 选择重要区域, 对各类新技术开展示范应用, 逐步整合形成新的技术体系与应用模式, 再逐步向全球海域拓展。根据我国海洋强国战略发展需求, 建议在“两洋一海”区域建设“透明海洋”海洋物联网综合应用示范区, 开展多尺度多学科海洋物质能量循环、深海大洋动力过程及其气候资源效应等重大科学研究, 开展海洋环境综合信息服务, 研发目标综合感知与辅助决策信息系统、自适应快速环境评估示范系统, 突破跨平台组网感知技术, 形成多位一体的现代化海洋观测体系。“透明海洋”区域示范应当统筹技术研发与示范应用目标, 兼顾先进性与实用性。一是开发海洋环境协同组网适应性观测与目标探测技术, 集成浮标、潜标、ARGO浮标、水下滑翔机、智能浮标、卫星遥感等多样化观测手段和数据反演方法, 获取更精确可靠的海洋环境数据。二是开发高分辨率海洋同化与数值预报技术, 研发“两洋一海”区域耦合延伸期数值预测系统, 实现对区域大气、海洋要素的多时空尺度的延伸期预测。三是开发海洋环境效应智能决策技术。对策建议
(一) 加强顶层统筹“透明海洋”战略是一项需要长期实施的系统工程。观测系统建设、运行管理和应用等各个环节, 需要由国内众多部门和单位参与, 形成统一组织、分工负责、密切合作的工作体系。这就需要建立以科技主管部门为统领、相关涉海部门与沿海地方参与的统筹协作机制。组建“透明海洋”科技创新战略领导小组, 建立部际联席会议制度, 负责项目总体规划和相关配套政策制定, 指导和监管项目实施。成立跨部门、跨系统的专家委员会, 负责各主要技术攻关方向和集成方案的设计。在项目层面充分发挥首席科学家、责任专家、监理专家在战略方向、总体进度、重点环节方面的关键作用, 强化过程管理。

(二) 创新组织模式

发挥青岛海洋科学与技术试点国家实验室 (以下简称“海洋试点国家实验室”) 平台型科研单位体制优势, 实行行政管理、技术管理两条体系并行的组织管理模式。由海洋试点国家实验室牵头, 整合优化理事单位、合作科研单位、行业和地方的科研力量, 充分发挥企业在科技创新和成果转化中的作用, 创新项目管理、经费管理和考核评价机制, 确保项目顺利实施。建立利益相容的激励机制, 凡国内科研单位在海洋试点国家实验室平台参与“透明海洋”建设的, 可以取得科研成果的单位第一署名权和成果转让收益权。加快大型海洋科学工程和设施、科学数据与信息平台建设, 完善海洋标准、计量和检测技术体系, 促进数据信息共享。

(三) 完善管理体制

强化项目评审、立项和过程管理等机制建设, 完善项目总体设计、子任务遴选机制, 通过公开择优、定向委托等多种方式确定项目承担单位。建立竞争、动态调整机制, 对项目实施动态管理。加强对科技资金管理使用的审计监督, 完善科研信用体系建设, 实行“黑名单”制度和责任倒查机制。建立统一的科研成果评价监督制度, 将项目验收结果纳入国家科技报告。

(四) 重视成果转化

以落实科技成果使用处置和收益改革精神为动力, 依托创新链打造“透明海洋”产业链, 推进优势海洋科技机构与高新技术企业之间的大联合和大协作, 由科研单位和企业共同组建创新团队, 形成“产学研”协同攻关模式。探索建立规模化通用海洋仪器零配件企业库, 依托海洋试点国家实验室建立“透明海洋”技术装备采购平台, 批量采购自主研发的通用材料与零部件, 建立通用技术工艺指导规范和样板加工制造工艺流程体系。引入航天、军工质量管控和项目管理体系, 形成海洋仪器设备的特色质量保障、技术配套体系。

(五) 强化要素支撑

建立多元化投资机制, 在争取中央财政支持的同时, 创新投融资模式, 按照“利益共享、风险共担”的原则, 促进 “透明海洋”与区域海洋产业发展的融合, 带动地方、社会资本等多元投入。推动海洋技术装备成果转化与推广应用, 推动建立以企业为主体的海洋技术创新体系。以“透明海洋”项目为载体, 以国内外优秀科技骨干、中青年学科带头人为重点, 加强人才培养和引进, 打造国际高水平海洋创新团队。在海洋防灾减灾等低敏感领域开展国际合作研究, 提高国际科技影响力, 推动自主研发的先进海洋技术装备打入国际市场。

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