科研進展

RESEARCH PROGRESS

近日，廈門大學海洋生物地球化學全國重點實驗室、海洋與地球學院柴扉教授和多位國際專家，在海洋數字孿生研究領域取得重要進展。團隊系統(tǒng)梳理了海洋數字孿生的核心架構，深度解析其在藍色經濟發(fā)展中的關鍵應用場景，并對該領域當前挑戰(zhàn)與未來前景作出前瞻性研判。相關綜述與展望以“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)展與藍色經濟筑牢理論基礎、提供實踐方向。

研究背景

Background

當前全球海洋經濟年產值已達約2.5萬億美元，然而傳統(tǒng)海洋經濟發(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，兼顧經濟增長、生態(tài)保護與社會公平協同發(fā)展的藍色經濟模式應運而生。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字技術實現治理能力升級。海洋數字孿生作為一項顛覆性前沿技術，通過構建海洋系統(tǒng)的動態(tài)虛擬副本，正成為驅動藍色經濟高質量轉型、賦能海洋可持續(xù)發(fā)展的關鍵支撐。

圖1.面向藍色經濟的海洋數字孿生系統(tǒng)概念框架

研究結果

Research Results

研究團隊系統(tǒng)梳理了海洋數字孿生的分層多模塊核心架構，將其凝練為數據、模型、分析、可視化與交互四大模塊。其中，數據模塊承擔多源海洋數據的采集、處理、融合與嵌入工作，推動數據處理范式從傳統(tǒng)數值同化向端到端混合框架轉型；模型模塊實現海洋環(huán)境的高保真模擬、精準預報及社會經濟價值的定量評估；分析模塊完成數據特征解析、異常診斷與決策優(yōu)化，有效提升海洋產業(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支撐下，各模塊既可獨立運行，又能高效協同、深度互通，使數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（“現在是什么狀態(tài)？”）、前瞻性（“接下來會怎樣？”）和假設性（“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。

本研究對海洋數字孿生在藍色經濟核心領域的全生命周期應用進行了全面綜述，涵蓋海洋水產養(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，海洋數字孿生可深度賦能海洋產業(yè)發(fā)展，推動其實現從被動式數據分析向主動式預測型決策支持的范式躍遷，為相關領域的規(guī)劃、建設與運營提供精準決策支撐。與此同時，該綜述系統(tǒng)剖析了當前海洋數字孿生發(fā)展面臨的主要技術挑戰(zhàn)，涉及數據處理能力、模型模擬精度、計算資源成本、數據治理與安全等方面。在整和現有研究的基礎上，文章提出構建統(tǒng)一數學框架、發(fā)展混合建模方法、搭建邊云協同計算架構、強化跨學科協作及推動全球數據共享等關鍵未來發(fā)展方向，為海洋數字孿生技術的深化落地與持續(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

• 信息來源：海洋生物地球化學全國重點實驗室。

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