海洋论坛▏现代海洋科考船信息化解决方案

海洋约占地球表面积71%，是巨大的资源宝库、气候变化的调节器和经济发展的引擎。科学保护和合理开发海洋，直接关系到人类社会的可持续发展。海洋科学是一门以观测为基础的科学，其发展高度依赖现场调查数据。作为获取第一手数据和样品的多功能科研平台，海洋科考船支撑着从海洋物理、化学、生物到地质及资源勘探等多学科的综合调查，其采集数据的质量、可靠性与时效性直接决定了科学认知的深度与广度，是实施国家“海洋强国”战略不可或缺的核心科研基础装备。

随着信息革命的不断深化，信息化已逐渐成为驱动现代海洋科技发展与科考能力升级的重要力量。为解决科考航次管理方式落后、满足日益增长的科考需求，刘振冲等提出一种面向国内所有科考船的科考航次管理系统的设计方案。针对船舶维修保养管理手段落后，船岸信息不畅通的问题，“向阳红01”采用了船务管理系统软件。为了提升科考船的信息化，谭亮等先后提出了基于软件定义网络的科考船无线网络、基于系统集成的科考船融合信息门户系统、基于物联网技术架构的科考船样品实验支持系统和信息采集系统的设计方案。

尽管科考船系统的信息化建设已经得到广泛认可并取得了长足发展，但由于受到海上通信技术的制约，目前科考船的信息化还明显落后于信息技术的发展，尤其是在信息化的集成性方面。然而随着海洋科考船队结构的多样化，叠加船载仪器装备的多样化、智能化以及任务周期的持续延长，围绕海洋科考船产生的信息量和信息复杂性不断增加。为了提升信息的交互与利用效率，加强信息化集成性也显得尤为重要。因此，破解海洋领域长期存在的“信息孤岛”与“业务协同难”等瓶颈问题，打通信息共享通道，提升协同效率，加强信息化的一体化、集成化，不仅是我国海洋强国战略背景下海洋信息化的发展目标，也是世界科考船建设的一个重要趋势。

此外，对比中外科考船在信息化方面的发展历程也不难看出，无论是通信技术还是探测技术，虽因调查需求不同在布局上略有差异，但关键性的核心技术能力并未表现出显著差异。这表明中外科考船信息化的差异化竞争未来可能更多体现在技术的集成应用和信息的高效利用，目前这种趋势也日渐凸显。早期的信息化研究多聚焦于单一功能模块，如特定实验数据记录、航行导航设备(全球定位系统(GPS)、罗经、计程仪等)、通信网络、探测仪器(多波束测深、浅地层剖面仪、超短基线声学多普勒流速剖面仪、温盐深仪(CTD)、重力仪、磁力仪、无线遥控潜水器(ROV)/自主水下航行器等)，系统之间缺乏集成与协同，导致海洋科考对海洋的认识比较局部和片面，科考协作的效率相对较低。随着软硬件技术、网络通信和自动化水平的持续提升，信息化建设逐步打破了这种分散状态，在作业系统支撑、船载探测、科考网络等方面逐渐呈现系统化发展。例如：在网络建设方面，船载网络与船岸一体化通信技术为全网信息交互提供了基础支撑；在数据管理方面，对数据具有系统整合统筹管理、挖掘分析的集成化大数据平台系统已逐渐成为发展趋势；在船舶综合管理方面，依托资源管理集成化，实现备件的精准管理与能源的高效利用已成为常态；在对外公共服务方面，信息化集成已逐渐成为拓展科普教育与国际科研合作的媒介功能的重要手段。

因此，厦门大学科考船运行管理中心基于“嘉庚”号科考船运行管理经验，从全局视角对信息资源、业务流程与服务能力进行统一规划与协同管理，研发建成“海嘉船舶”信息化平台，旨在为科考船信息化的集成设计提供参考。

图1列举了目前已有科考船信息化系统，主要包括数据采集传输、船岸网络通信、岸端船队管理、船舶调度管理、共享航次管理以及设备与数据共享等环节的信息化建设。比如，我国“大洋一号”科考船率先在国内实现了船舶导航通信、网络信息采集、船舶信息管理等一体化集成，构建了综合的船舶计算机网络信息集成系统，奠定了我国科考船信息化建设基础。张俊明等提出的船载探测信息系统网络设计方案，通过统一的网络架构实现了科考数据的集中管理与共享，有效提升数据处理效率与网络通信性能。王栋提出了船岸一体化网络平台的设计方案，在兼顾科学考察网络需求的基础上，将系统划分为科学考察子网与公共信息子网两大部分，既满足科研作业的高带宽数据需求，也保障了船舶管理通信的需求。此外，网络安全与防护逐渐成为技术基础信息化的重要组成部分。目前，“科学”号、“向阳红01”号、“中山大学”号和“嘉庚”号等，均在此基础上构建了较为完善的技术基础信息化体系，已实现船载通信网络的互通互联。

图1 已有科考船信息化系统

目前各个科考船信息化系统既有差异，也有部分功能重叠，大多以某一具体需求为导向，缺乏统一规划，功能相对分散，科研作业、管理与服务、数据共享等各子系统相对孤立。集成能力欠缺引发了业务流与信息流的脱节，不仅增加了人工干预的成本与跨部门协同的阻碍，更因数据孤岛的普遍存在，导致融合与共享机制难以有效建立，最终从根本上制约了科考船向智能化转型的步伐。

为了厘清科考船信息化的技术架构与功能需求，进而实现科考船集成信息化的宏观布局与设计，本文将已有科考船的信息化的研究分为硬件和软件两类进行探讨。不难发现，硬件类(包括保障硬件正常运行的软件设计)以服务数据感知、采集、存储、传输、分发为目的，是信息化的物质基础；软件类(主要指整合数据信息，实现功能需求)以实现船舶事务综合管理、科考作业管理、船舶数字化与智能化、科考数据共享与资源开发等需求为目的，是信息化的数据分析、应用与调度中枢。表1归纳总结了以上几种需求的核心内容与典型数据。

表1 现代科考船信息化系统的需求类型

船舶事务综合管理信息化是科考船信息化体系的重要支撑，主要解决船舶运行与科考任务保障过程中的“管理”与“服务”问题，达成船舶物资保障、设备维护、人员调度与后勤保障等环节的精细化、协同化管理。我国“雪龙2”号搭建极地科考船实验室实现了设备管理和样品试剂管理。“向阳红01”号建立信息化船务管理流程，包含体系管理、海务管理和机务管理等，支持船岸协同、资源调度和安全保障。挪威船级社研发的ShipManager软件系统专注集中化和集成化的管理，建立了船舶管理、计划/非计划维修、采购管理、资产与数据管理、安全管理等综合管理系统。

科考作业管理重点解决科研任务执行过程中的“作业”与“控制”问题，旨在实现科考任务的高效执行、精准协同和全过程监控与数据采集等。国内外多型科考船均开发了面向任务协同的作业信息化系统。例如，我国“雪龙”号开发了适用于极地考察的现场作业综合管理系统，集成电子海图和科考站位管理、科考设备显示屏幕共享和科考作业视频监控等功能，用于统筹航次调查作业进程并规范作业安全管理。“雪龙2”号构建了科考作业协同管理平台，实现了极地中心陆地端和船舶端对科考计划和科考航次计划的业务化任务全过程管理。“大洋一号”自主开发现场数据管理系统，实现船载数据实时处理、存储和显示。“科学”号依托线上运行管理平台实现船时申请、航次计划管理、航次执行管理和航次反馈等功能。德国基尔数据管理团队(KDMT)通过海洋科学信息系统(OSIS-Kiel)实现船载DSHIP系统元数据的汇集与公开共享，为项目参与者提供航次信息、现场数据编辑及科研数据发布等综合服务。丹麦Galathea3科考船将船舶信息系统与ArcIMSGIS深度集成，实时显示船舶位置、航线及观测数据；公众可通过Web端实时监控Galathea3科考船的作业进展，实现数据可视化。

船舶数字化与智能化主要利用船舶的网络与传感器数据，为船舶的数字化显示与未来的智能化控制提供技术支撑。比如，利用船舶的航行与定位数据，数字化显示船舶的实时轨迹，以便岸端实时查看；为实现船舶的无人驾驶，实时采集机舱数据、海洋环境数据、船舶运行状态数据，并通过物理模型预测控制船舶运行状态。

科考数据共享与资源开发是科学数据共享发展的趋势。国家自然科学基金委员会推行共享航次计划，建立了海洋科学数据共享服务平台，实现基金委共享航次项目资料的汇集、整编和共享服务，有效促进了海洋科考数据的规范化管理和跨机构协作，为科研人员提供了高效的数据访问与成果共享机制。中国科学院海洋研究所海洋大数据中心设计研发的海洋科学数据汇交共享服务平台，实现海洋科学数据的在线化、流程化、自助式的汇交、管理和共享服务以及计算资源服务，显著提升了数据管理的自动化与智能化水平。此外，欧盟、美国等国家以及国际组织也在积极推动海洋科学数据管理与开放共享，保障海洋科学数据能够妥善保存和方便获取。未来，智能信息化的发展进一步推动了科考数据从“共享”向“智能应用”转变。通过引入人工智能、机器学习和可视化分析等技术，科考船产生的大量观测与实验数据可实现自动化处理、智能分类与多源融合分析，为科研任务提供实时决策支持。

我国在船舶设计智能化、科考装备信息化等硬件系统建设方面已取得显著成效，船队综合管理与船体信息化水平明显提升。然而，当前科考船发展呈现出“硬件先行”特征，对软件系统平台的重视程度仍显不够。尽管硬件系统已采集大量运行与作业数据，但因设备异构、接口不兼容、数据标准缺失，未实现全部有效感知、记录、分析与利用，也未能有效集成到应用系统中，从而无法真正发挥对船舶管理的支撑作用。

在已有硬件基础上开展系统整合，服务海洋信息工作“一盘棋”总体目标，已成为科考船数字化转型的关键。考虑到科考船作为船舶的一种，其信息化建设既需要适应国际公约对航行安全的要求，又应符合国际航运市场对船舶管理的要求，同时适应信息化社会的整体发展趋势，从而降低船舶营运成本、提升市场竞争力。基于前文科考船信息化硬件的支撑目的和软件的需求目的，再结合科考船的船舶属性，本文将科考船信息化建设的总体设计目标归纳为以下几个方面：

⑴构建信息化网络与船岸协同体系(硬件保障)：构建船岸一体化的通信网络架构，保障船岸之间双向数据传输安全与业务协同的稳定性，实现信息高效互通。

⑵保障系统与数据安全(安全保障)：遵循国际船级社协会发布的网络安全相关的URE26和URE27统一要求，构建覆盖“识别、保护、检测、响应和恢复”等五大要素的网络安全防护体系，进行网络分段与物理访问等控制，保障科考数据安全。

⑶强化船舶事务的精细化管理与智能决策(功能需求)：集成人、财、物及航次任务等关键管理要素，构建数据驱动的决策支持体系，通过智能分析与可视化技术，为船舶运行、科研组织及资源配置提供科学依据。

⑷支撑科考数据全流程管理与共享(功能需求)：建立覆盖数据采集、存储、传输、共享全流程的科研数据管理体系，确保科研数据的实时、可追溯，同时支撑国家海洋数据共享与开放利用的总体布局。

⑸强化船舶运行与科考作业的综合监控(功能需求)：对监控船舶各系统(如动力、导航、能耗、通信等)的运行状态以及科考设备状态与科考作业任务进展进行一体化实时监控，服务于对船舶实时位置、航行动态的掌握。

⑹数字孪生与智能化发展(功能需求)：依托数字孪生技术，构建科考船虚拟映射模型，实现船舶运行状态、设备健康及任务执行的实时仿真与预测。

为解决传统科考船运行中面临的信息孤岛、人机交互效率低下、管理模式滞后等问题，厦门大学科考船运行管理中心研发了“海嘉船舶”系统平台。该平台创新性集成了船舶综合管理、科考作业管理、科考数据存储与共享管理以及船岸协同通信等功能，建立了高效、稳定的信息共享与协同沟通机制，平台同步部署了智能船舶网络安全及防护体系，全面保障系统与数据的安全性。

⒈“嘉庚”号系统整体架构

根据科考船数据感知、采集、存储、分析、应用、传输的硬件设计目标，设计了一套纵向集成的整体架构(图2)，该架构的总体逻辑结构分为五个层次，由数据感知硬件层、数据采集层、数据处理存储层和数据服务层和数据应用层构成，并由船岸一体通信网络保障数据层之间、系统与外部的数据传输。其中，为解决科考船在数据采集、传输、监控与处理方面的问题，厦门大学科考船运行管理中心同步研发了还开发了“海嘉船舶”数据采集与分发系统、“海嘉船舶”数据传输系统、卫星基站环境监测系统、可视化前处理温盐深剖面仪器数据软件等一系列船岸数据传输和监控平台。上述一系列平台已成功获得软件著作权和专利，已在“嘉庚”号上使用并进行应用推广中。

图2 “海嘉船舶”网络平台

该设计实现了从底层数据源头到上层业务应用的全面贯通。通过统一的数据采集驱动层和处理存储层，将不同硬件数据在底层进行标准化集成，实现在底层设备级的互联互通；通过数据处理存储层和服务层建立统一的数据底座，从而构建起船岸一体、横向到边、纵向到底的集成化信息生态。同时，根据系统安全运行与安全控制保障体系设计多层防护机制。

数据感知硬件层：数据感知硬件层覆盖了科考船的所有设备。包括船舶核心设备(如动力推进系统、导航系统、网络通信系统等)和各类船载科考专用设备(如CTD、ROV及船载实验室仪器等)，这一层是所有信息化操作的物理基础，通过与数据采集层统一的数据采集与传输接口接入船岸一体通信网络，实现设备运行状态与科研数据的实时获取和上传，为上层系统提供可靠的感知与控制基础。

数据采集层：数据采集层负责与船上各类船舶科考设备进行接口对接，完成数据的直接采集。这一层至关重要，它确保了与多样化设备的“对话”，以实现原始数据准确及时的捕获。作为科考数据存储、研究和应用的前提条件，该层的效率和可靠性是决定科考任务成功与否的关键因素。

数据处理存储层：数据处理存储层负责对数据采集层获取的数据进行深度处理和严格的质量审核。其核心是将原始数据转化为可靠、一致且可用的格式，从而确保数据能为后续的数据应用与服务层提供高质量支撑。该层的主要构成包括数据库管理系统、备份数据库、数据库运维与监控等。

数据服务层：数据服务层作为处理船舶数据与科考数据的核心枢纽，负责数据的统一管理、服务接口封装以及向上层应用的高效支撑。

数据应用层：作为系统的最上层，数据应用层实现了各类业务功能的集成与可视化展现，是数据价值转化为实际应用的关键环节。在此层中，经过处理后的数据被应用于各种操作执行、科学分析和研究目的等多种应用场景，这包括但不限于海洋观测数据管理、船岸数据协同综合显示、船舶综合管理等。通过这一层，实现数据资源的高效应用与服务输出。

⒉“嘉庚”号信息系统的应用实现

由于最终的信息系统是服务于用户，而不同的用户具有不同的使用权限与需求，所以“嘉庚”号信息系统设计了可实现不同使用权限开放的多层防护机制，适用于不同用户的“海嘉船舶”综合显示系统、海洋观测数据管理系统、“海嘉船舶”综合信息系统等。

⑴多层防护机制

船舶网络安全是科考船信息化的基础。为保障网络安全，实现船岸数据协同。厦门大学科考船运行管理中心在“嘉庚”号上构建了覆盖船端、岸端及船岸通信链路的一体化网络安全平台，通过边界隔离、分层架构、分区管理等多层防护机制，实现对异常行为的防御与关键业务的持续安全保障，对船载各子系统(如通导、机舱、监控、科考等多类型网络)的访问控制、身份认证、数据加密和审计追踪等。综合应用国密算法、数字证书与密钥管理策略，建立链路加密、节点加密和端到端加密的多层数据加密体系。

船内关键组件配备了专门的安全机制，例如无线通信系统(尤其是GPS)集成抗干扰与防欺骗模块并融合惯性导航系统，Web浏览器与邮件系统启用加密协议与行为控制以防止恶意代码攻击，船载应用和系统软件实行集中式访问控制、认证测试、数据备份和安全更新，形成全链条安全保障能力。岸端作为远程指挥、数据接收和信息汇总的关键节点，部署了集中管理模块，可对船舶网络进行资产远程配置、漏洞检测、日志分析与策略统一下发等。船岸通信链路通过虚拟专用网络(VPN)和多因子认证机制，保障了船岸间高频数据交换过程中的安全性与可靠性。为提升关键业务系统的稳定性与抗干扰能力，进而降低病毒入侵、权限滥用和数据泄露等网络风险，已建立“船端安全可控、岸端稳定可靠、船岸联动高效”的网络安全及防护平台，实现了对船端网络、岸基网络和船岸通信链路的统一运维监测、集中可视化管理与异常行为快速响应。

⑵“海嘉船舶”综合显示系统

为支撑船舶运行与科考作业的监控，基于“海嘉船舶”平台，构建了“海嘉船舶”综合显示系统(图3)，为陆地上科学家、船舶管理单位、设备管理人员提供远程管理的平台。该平台将“嘉庚”号上关键船舶设备和科考设备的数据采集、存储、处理进行卫星传输和综合显示，使船岸端管理人员及时查看船舶运行状态、设备工况、科考作业进展、数据状态、人员状态，以便进行远程指挥。通过有效融合来自不同源头的信息，如视频、实时数据流、导航设备信息、科考设备信息等，将船舶各类机舱设备、传感器设备进行数据采集、解析与传输，并整合后进行个性化展示。系统集大屏综合显示、视频监控、机舱数据、实时轨迹、分类传感器数据、绞车作业显示等功能模块，应用于船舶的导航、监控、通信、故障诊断等方面，为用户提供直观、高效的信息展示与处理平台。此系统已成功应用于“向阳红10”号、“大洋号”、“同济”号科考船。

图3 “海嘉船舶”综合显示系统

⑶海洋观测数据管理系统

为开展科考作业全流程信息化管理与共享服务，为海上作业科考人员提供海洋现场作业和数据的综合管理，“海嘉船舶”平台研发了海洋观测数据管理系统(O2DMS，图4)，系统更注重“人—机—任务—船岸”的一体化联动，可达成海上专业化、规范化的科考作业协同管理。

图4 海洋观测数据管理系统

海洋观测数据管理系统集成多种数据源，如通导设备、传感器、科考设备等，将航行状态、环境参数与科研任务计划实时整合，实现对海洋环境科学调查元数据的高效管理。首席科学家通过系统完成在线现场作业任务规划、作业进度追踪、资源管理等，使海上作业的科学家、科考作业队员、探测人员实时了解作业任务，有效提高科考作业效率，帮助其获取更多的现场数据。该系统针对实时数据与分析结果数据，为科学家判断作业情况及制定下一步作业计划提供有力支持。系统功能覆盖现场作业的站位记录、作业类型与方式管理、统计分析、成图处理、数据综合应用以及安全共享，全面服务于科学调查作业需求。截止到目前为止，已执行六十余科考航次，为来自百余单位的逾两千名登船科考人员提供服务。

⑷“海嘉船舶”综合信息系统

除了科考作业本身，科考船的日常运行存在跨部门作业协同、资源调度优化、设备运行监控、人员管理及安全保障等复杂环节。为强化精细化管理，依托“海嘉船舶”平台，进一步研发了“海嘉船舶”综合信息系统，系统融合船舶运行状态、船舶安全管理体系、设备保养信息、船岸人员信息、采购资产等多维度信息，全面集成机务、海务、行政、采购、资产、体系等船舶管理核心模块，以实现船舶和科考设备维护保养的实时监控、船岸人员工作的实时监督以及行政采购资产的精细化管理，达成数据透明化，减少船岸信息断点。系统构建的船舶机械保养体系管理平台已获得中国船级社颁发的型式认可证书，适用于散货船、集装箱船、油船、杂货船和科考船等多种类型船舶。该平台可有效协助船东和船舶管理单位进行船舶管理，并在船舶主管机构的监督检查、货方指定的第三方评审(如RightShip检查)等高端服务中发挥积极作用。目前已实现科技成果转化，成功为三十余艘散货船和油船提供信息化服务。近四年来，“海嘉船舶”综合信息系统已数十次助力多艘船舶顺利通过RightShip检查，获得广泛认可。

⑸全数字模型

为满足数字孪生与智能化发展，团队构建了“嘉庚”号全数字模型(图5)，借助此模型，可高度仿真模拟海上作业场景，向登船人员提供安全培训和应急演练平台，为新登船出海的科研工作者提供练习场景。此外，还能服务于海洋科学普及，如通过构建沉浸式虚拟登船体验，使公众无需亲临现场即可全方位探访“嘉庚”号的内部构造。借助第一视角交互功能，用户可深入观察科考船的生活舱室、实验室及作业空间，直观了解船舶的科研功能与日常运作，进一步强化公众对海洋科学的认知与兴趣。

图5 “嘉庚”号全数字模型

对全船空间进行数字映射，建立高精度且具备真实质感的虚拟场景，实现虚拟模型与物理实体在静态属性和动态属性上的实时匹配与交互，并可实现虚拟现实实时交互、在线离线共生、船岸镜像等船舶三维可视化、虚拟现实显示功能。

【作者简介】文/秦巧昀 任晅 戴君伟 王海黎，分别来自厦门大学科考船运行管理中心、海洋生物地球化学全国重点实验室(厦门大学)。文章来自《厦门大学学报（自然科学版）》（2026年第2期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，本文编发已取得作者授权。