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科研進展

RESEARCH PROGRESS

來源：廈門大學海洋與地球?qū)W院

近日，廈門大學海洋與地球?qū)W院、海洋生物地球化學全國重點實驗室柴扉教授和多位國際專家，在海洋數(shù)字孿生研究領(lǐng)域取得重要進展。團隊系統(tǒng)梳理了海洋數(shù)字孿生的核心架構(gòu)，深度解析其在藍色經(jīng)濟發(fā)展中的關(guān)鍵應用場景，并對該領(lǐng)域當前挑戰(zhàn)與未來前景作出前瞻性研判。相關(guān)綜述與展望以“Digital twin of the ocean as a catalyst for blue economy innovation”為題，發(fā)表于National Science Review，為全球海洋可持續(xù)發(fā)展與藍色經(jīng)濟筑牢理論基礎(chǔ)、提供實踐方向。

研究背景

Background

當前全球海洋經(jīng)濟年產(chǎn)值已達約2.5萬億美元，然而傳統(tǒng)海洋經(jīng)濟發(fā)展模式多以犧牲海洋生態(tài)為代價，發(fā)展模式難以為繼。在此背景下，兼顧經(jīng)濟增長、生態(tài)保護與社會公平協(xié)同發(fā)展的藍色經(jīng)濟模式應運而生。隨著海洋開發(fā)活動日趨復雜多元，傳統(tǒng)治理手段在實時監(jiān)測、跨域協(xié)作與高效決策等方面的短板日益凸顯，迫切需要依托前沿數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)治理能力升級。海洋數(shù)字孿生作為一項顛覆性前沿技術(shù)，通過構(gòu)建海洋系統(tǒng)的動態(tài)虛擬副本，正成為驅(qū)動藍色經(jīng)濟高質(zhì)量轉(zhuǎn)型、賦能海洋可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵支撐。

圖1.面向藍色經(jīng)濟的海洋數(shù)字孿生系統(tǒng)概念框架

研究結(jié)果

Research Results

研究團隊系統(tǒng)梳理了海洋數(shù)字孿生的分層多模塊核心架構(gòu)，將其凝練為數(shù)據(jù)、模型、分析、可視化與交互四大模塊。其中，數(shù)據(jù)模塊承擔多源海洋數(shù)據(jù)的采集、處理、融合與嵌入工作，推動數(shù)據(jù)處理范式從傳統(tǒng)數(shù)值同化向端到端混合框架轉(zhuǎn)型；模型模塊實現(xiàn)海洋環(huán)境的高保真模擬、精準預報及社會經(jīng)濟價值的定量評估；分析模塊完成數(shù)據(jù)特征解析、異常診斷與決策優(yōu)化，有效提升海洋產(chǎn)業(yè)運營效能；可視化與交互模塊則依托交互式可視化與AI自然語言接口，大幅降低非專業(yè)用戶的使用與操作門檻。在人工智能與超級計算的雙重技術(shù)支撐下，各模塊既可獨立運行，又能高效協(xié)同、深度互通，使數(shù)字孿生成為一套完備且強大的分析框架。該框架能夠精準回應即時性（“現(xiàn)在是什么狀態(tài)？”）、前瞻性（“接下來會怎樣？”）和假設(shè)性（“如果……會怎樣？”）三類核心運營問題，最終為用戶科學決策與高效管控提供有力支撐。

本研究對海洋數(shù)字孿生在藍色經(jīng)濟核心領(lǐng)域的全生命周期應用進行了全面綜述，涵蓋海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖、海上風電、可持續(xù)航運與港口運營、海洋防災減災、藍碳及海洋旅游等重點方向。綜述指出，海洋數(shù)字孿生可深度賦能海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動其實現(xiàn)從被動式數(shù)據(jù)分析向主動式預測型決策支持的范式躍遷，為相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)劃、建設(shè)與運營提供精準決策支撐。與此同時，該綜述系統(tǒng)剖析了當前海洋數(shù)字孿生發(fā)展面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，涉及數(shù)據(jù)處理能力、模型模擬精度、計算資源成本、數(shù)據(jù)治理與安全等方面。在整和現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，文章提出構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)學框架、發(fā)展混合建模方法、搭建邊云協(xié)同計算架構(gòu)、強化跨學科協(xié)作及推動全球數(shù)據(jù)共享等關(guān)鍵未來發(fā)展方向，為海洋數(shù)字孿生技術(shù)的深化落地與持續(xù)升級提供了重要的路徑參考。

研究團隊及資助

Research Group and Funding

該論文第一作者及通訊作者為廈門大學柴扉教授，研究團隊由中國、德國、日本、法國等多國的科研人員組成，依托廈門大學海洋生物地球化學全國重點實驗室、鷺江創(chuàng)新實驗室等平臺開展研究。

論文來源及鏈接

Fei Chai, Qiang Deng, Minhan Dai, et al. Digital twin of the ocean as a catalyst for blue economy innovation [J]. National Science Review, 2026, 13: nwag012.

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag012

https://academic.oup.com/nsr/article/13/3/nwag012/8431396

供稿 | 柴扉教授團隊

編輯 | 朱佳 蘇穎

排版 | 陳蕾

審核 | 呂柯偉 曹知勉

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