杨剑：数字孪生海洋所蕴含的新质生产力

新质生产力的一个重要衡量标尺是，人类在其生产活动和治理活动中多大程度上运用了新技术，多大程度上发展了新领域、新业态和新模式，多大程度上应对了新挑战，以及在多大程度上建立起新的生产关系和治理机制。 

一、数字生态文明转型中的共性关键技术

新质生产力能够帮助人类寻求绿色发展之路，解决人类发展的增长极限问题。习近平总书记在谈到健全美丽中国建设保障体系时特别强调，要“深化人工智能等数字技术应用，构建美丽中国数字化治理体系，建设绿色智慧的数字生态文明。”在海洋领域建构美丽中国数字化治理体系，那就要以新一代信息技术为支撑，以全要素、全维度的观测数据为基础，通过集成 实时数据、预测建模、高级分析和创建海洋的数字副本，提升海洋科技创新能力，构建可持续海洋产业体系，建立中国的数字化海洋治理体系，实现海洋决策科学化、治理精准化和生产智能化，建设绿色智能的海洋生态文明。 

数字孪生使我们能够模拟各种条件下假设情景，从而实现有效的保护和治理。它革命性地建构了“认知—决策—行动”的海洋治理过程，将治理范式从“经验驱动”向“数据推演驱 动”跃迁。 它的社会价值，源自全要素感知网络，量子化的建模能力，以及镜像、预测和模拟方案。依托卫星遥感、岸基、水面、水下传感器阵列与人工智能物联网（AIoT），可以对海洋参数进行高密度和高精度监测。 通过量子计算与深度学习融合，数字孪生海洋可在数十小时内完成关于海洋物理过程、海洋化学过程的模拟，进而构建多重维度、多重变量的数字海洋镜像，帮助决策者在虚拟空间测试成百上千的政策干预方案和潜在后果。 

数字孪生平台是产业革命一项重要通用目的技术（GPT）。 从经济学概念讲，通用目的技术通常指产业革命中的关键共性技术。它的通用性使其应用场景广阔，具有溢出效应，从最初的特定应用拓展到全社会应用，促进生产和管理方式的效率和优化，其外部性产生的社会效应会超过创新主体的私人收益。共性关键技术具有的集成能力，使其成为推进产业革命的新型基础设施。在现代技术史上互联网和全球导航卫星系统曾具有类似的地位。2020年4月，国家发改委根据中央关于推进中国式现代化的精神，对新型基础设施作了权威界定：“新型基础设施是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系，包括信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施三个方面。”发改委也将数字孪生技术列为中国“上云、用数、赋智”行动的关键七项新技术之一。 发改委的方案指出：“加快数字化转型共性技术、关键技术研发应用。支持在具备条件的行业领域和企业范围探索大数据、人工智能、云计算、数字孪生、5G、物联网和区块链等新一代数字技术应用和集成创新。”

二、新技术运用改变人类与海洋的互动模式

共性关键技术的运用可以改变人类与海洋的互动模式。 以数字孪生海洋为要件的数字海洋基础设施，是以新一代信息技术为支撑，以海量、全时空、多尺度、多类型动态海洋数据为基础，实现海洋数字化、网络化、智能化，是构建现代海洋产业体系、提升海洋科技创新能力的重要基础，是提升海洋治理体系和治理能力现代化水平的重要引擎。

从新技术运用角度看，数字孪生海洋系统通过持续动态的数字映射，为人类提供了两面认知海洋的镜子：一面是对当下海洋的物理— 生物—化学系统进行实时镜像的“现在之镜”， 一面是模拟多情景演变的“未来之窗”。 这种对海洋系统的全要素透视与前瞻推演能力，使人类首次获得对占地球表面70％的海洋进行精确 诊断与干预规划的能力，从海洋环流建模到渔业资源管理，从台风路径预测到海底采矿影响评估。 这项技术的应用可以完成海洋治理向智能化迁移，形成人类与人工智能协同决策机制。 数字孪生技术在海洋领域的运用是生产工具的革命性变化，数据成为新的生产资料，运算力和推演能力成为生产工具及其效率的一部分。 该项技术的运用体现了新质生产力在破解“利用和保护”二元张力方面的特殊能效，极大地平衡了人类开发利用海洋和保护海洋环境之间的矛盾。 

数字孪生海洋的出现代表了海洋科学、海洋经济和海洋治理的模式转变。它提供了一种动态的、数据驱动的方法来发现和应对海洋环境的变化。例如，在数字孪生技术的推进下，港口运营和航运也演变成智能、互联的活动枢纽。数字孪生系统优化了自主船舶的航线，以避开风暴、减少燃料消耗并最大限度地降低对环境的影响。数字孪生平台管理着港口运营的每一个环节，从船舶的抵达、货物的装卸到物流的调度。它利用实时数据预测延误、优化交通流量，并确保货物以最高效的方式交付，使得航运业变得比以往任何时候都更快、更清洁、更可靠。 

三、数字孪生技术引导人类正确开拓海洋新领域

海洋是地球上人类最大的公共领域。然而，我们对海洋认识有限、开发有限，而且治理不力。海洋覆盖了地球表面的70％以上，但我们只探索了不足５％的海洋，还有95％以上的海洋新区域及其丰富的资源有待我们去认识、去开发。 海洋资源可以为人类的未来提供食物、能源和生计。目前全球海洋经济的市场规模已达３万亿～６万亿美元，预计未来几十年的增长 速度将超过以陆地为基础的全球经济增长速度。 海洋里蕴藏着多金属结核等矿物资源。 海水淡化能帮助人类解决水资源短缺问题。 海水运动过程中产生的潮汐能、波浪能、海流能、盐度差能等可以解决全球能源问题。 借助新的技术，以海洋运动产生的动能发电可以满足世界电力需求的两倍以上。海洋新的生物资源利用大有可为。 据估计，海洋中还有48.2万～74.1万个生物物种有待发现。新的海洋植物、微生物和海洋动物将越来越多地用作食品工业和化妆品的原料。深水细菌和食物链上层的深海物 种都具有独特基因组合和化学过程。 许多独特的DNA序列和稀有化合物可用于生产新型抗 生素和其他药物造福人类健康。 

在这些新领域的开拓中，数字孪生技术将大大提升海洋新经济活动的智能化水平。 基于实时数据和可视化技术的数字孪生可提高海底 采矿的智能化水平；深海基因资源的AI勘探可使新化合物发现效率数十倍地提升；海上牧场和海上钻井设备运行的智能感知、智能控制和智能决策，使海洋装备的效能和可靠性大大提升。中国海洋石油公司在南海油气田部署了数字孪生系统，模拟海底管道应力变化和钻井平台安全风险，降低运维成本。中国科学家领衔的“数字化深海典型生境”项目就是一个揭示新领域的计划。它重点关注深海生物跨栖息地物质、能源和信息的交换过程，形成深海典型生境治理解决方案。 

海洋是一个典型的巨型、开放、复杂系统。不同圈层之间的物质、信息和能量交换是快速且复杂的。我们开拓新的海洋区域和开发新的海洋经济，其中最大的不确定性是此类活动将对海洋生态系统造成什么样的侵扰和破坏。在解决巨型、开放、复杂系统方面，数字孪生海洋能够展现其从微观优化到系统宏观互动模拟的强大技术能量。它的自主孪生能力能够处理不断增长的数据量和复杂性，解析涉及海洋的远距离的耦合关系，同时可以快速地对后果进行校准，并对相互冲突的因素进行智能平衡。 

四、数字孪生系统在应对全球危机中的价值

当前地球面临气候变化、生物多样性锐减及海洋污染三大危机。覆盖在地球表面的海洋在调节地球气候、支持生物多样性方面发挥着关键作用。传统的海洋监测和管理方法不足以应对这些复杂且相互关联的挑战。数字孪生海洋在减缓气候变化方面作用突出。海洋吸收了人类活动排放大约25％ 的二氧化碳，使其成为全球碳循环的重要组成部分。 但吸收二氧化碳也可能会导致海洋酸化，从而对珊瑚和软体动物等海洋生物构成重大威胁。 

数字孪生海洋可以通过对碳循环过程的详细解析，精确地推进海洋碳循环过程。 它可以模拟大气与海洋以及海洋生态系统之间的相互作用，借此开发碳捕获和储存技术，以增强海洋的碳封存能力。在提高气候变化适应力方面，数字孪生海洋可以模拟台风的形成和轨迹，提供有关风速、浪高和风暴潮的实时数据，提供早期预警系统，使政府和社区能够采取积极措施来保护生命和财产。 

生物多样性对于海洋生态系统的健康和复原力至关重要。然而，海洋生物多样性正受到过度捕捞、栖息地破坏、污染和气候变化的威胁。数字孪生海洋通过整合来自卫星图像、水下传感器和生物调查的数据，可以解码海洋物种和生态系统的分布、丰度和健康状况，例如分析珊瑚礁、海草床和红树林发展变化的详细数据。通过数字孪生动态监测红树林的生长变化和碳汇能力，模拟人工修复珊瑚礁方案，预测生态恢复路径。它可以帮助确定物种特殊栖息地和生物多样性关键区域，指导海洋保护区的有效干预和科学保护。

数字孪生海洋正推动海洋环保从被动应对转向主动防御。数字孪生技术通过流体动力学模型与实时数据融合，可精准预测污染物迁移路径。在船舶和钻井平台的泄漏事件中，数字孪生技术可以集成泄漏点坐标、海流速度、风向等参数形成污染扩散模型，大幅提高应急决策效率。作为全球航运工具的船舶，一直是海洋污染的主要来源。数字孪生港口建设优化了船舶排污监管，使得包括含油污水、生活污水和船舶垃圾在内的污染物排放大幅减少。