海洋牧場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

謝鑫剛 徐元哲 吳路光 龍順宇 張安翻

摘? 要：海洋牧場(chǎng)利用天然的海洋生態(tài)環(huán)境，對(duì)漁業(yè)等海洋資源進(jìn)行有目的、有計(jì)劃性的海上養(yǎng)殖，完成可持續(xù)的現(xiàn)代生態(tài)漁業(yè)發(fā)展，并達(dá)到海洋生態(tài)修復(fù)的目的，而海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是海洋牧場(chǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。針對(duì)海洋牧場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，該項(xiàng)目探討了海洋牧場(chǎng)多環(huán)境因子長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)、海洋牧場(chǎng)水下生物視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)。提出了針對(duì)現(xiàn)代海洋牧場(chǎng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用浮標(biāo)的原位長(zhǎng)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)與無人船動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋牧場(chǎng)點(diǎn)、面的長(zhǎng)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：海洋牧場(chǎng);浮標(biāo)平臺(tái);無人船;在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P745;S931.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）01-0102-03

Abstract：The marine ranch uses the natural marine ecological environment for purposeful and planned mariculture of marine resources such as fishery to achieve the sustainable development of modern ecological fishery and the purpose of marine ecological restoration. The monitoring technology of marine ranch is an important link in the construction of marine ranch. According to the present situation of long-term online monitoring technology of marine ranch，the long-term monitoring technology of multi environmental factors and underwater biological video monitoring technology of marine ranch were discussed. The paper proposes an automatic monitoring system for modern marine pastures，which combines the in-situ long-time automatic monitoring technology of buoys with the dynamic monitoring of unmanned boats，and can realize the long-time real-time monitoring of the points and surfaces of marine pastures.

Keywords：marine ranch;buoy platform;unmanned ship;online monitoring

0? 引? 言

海洋牧場(chǎng)是指在一個(gè)特定的海域里，為了有計(jì)劃地培育和管理漁業(yè)資源而設(shè)置的人工漁場(chǎng)，其較好地實(shí)現(xiàn)了漁業(yè)工程技術(shù)與生態(tài)漁業(yè)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、資源可持續(xù)發(fā)展的理念[1]。海洋牧場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及水下養(yǎng)殖生物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是海洋牧場(chǎng)建設(shè)的重要方向之一[2]。

伴隨人口數(shù)量的增加和陸地資源的不斷減少，以及工業(yè)時(shí)代到來和科技的不斷發(fā)展，人類在資源開采上存在過度開采、肆意破壞等行為，原本保持平衡的海洋生態(tài)系統(tǒng)被打破了。為滿足人們不斷增長(zhǎng)的各種需求，人們對(duì)于海洋生物資源的開發(fā)、利用也越來越強(qiáng)烈，過度的捕撈、資源衰竭等問題不斷突出，再加上養(yǎng)殖業(yè)本身的污染以及沿海城市的發(fā)展、工業(yè)的開發(fā)等，使沿海生態(tài)環(huán)境受到了非常嚴(yán)重的破壞，有的大型海藻、魚類、貝殼類經(jīng)濟(jì)生物資源嚴(yán)重匱乏，甚至有的魚類資源已接近滅絕。北方海域的部分大型藻場(chǎng)出現(xiàn)了退化現(xiàn)象，南方海域的珊瑚礁系統(tǒng)也被明顯破壞。尤其是這些年海漁業(yè)資源的不斷減少，使海洋資源可再生利用成為了國(guó)家重視的問題之一。所以在這樣的背景下，海洋牧場(chǎng)的建設(shè)也開始不斷發(fā)展。

目前海洋牧場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括兩種形式：基于浮標(biāo)的多環(huán)境因子自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);基于海底有纜的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用浮標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要是獲取水面的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)因子，無法完成水下視頻、水下環(huán)境參數(shù)獲取，且僅能完成牧場(chǎng)環(huán)境一個(gè)點(diǎn)的參數(shù)獲取?；诤５子欣|的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前主要分為高壓電纜與光纜兩種，都需要岸端有復(fù)雜的系統(tǒng)和設(shè)備與之對(duì)接，成本太高，且監(jiān)測(cè)僅局限于海底參數(shù)與海底視頻，推廣與應(yīng)用具有很大的局限性。

為了保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境、海洋漁業(yè)資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，滿足人們對(duì)于各種優(yōu)質(zhì)海產(chǎn)品的需求，海洋牧場(chǎng)由此開展。針對(duì)海洋牧場(chǎng)多因子、多點(diǎn)的監(jiān)測(cè)需求，海洋牧場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)該集傳感器技術(shù)、新型材料、海洋信息技術(shù)、多種遠(yuǎn)程通信技術(shù)于一體，可實(shí)現(xiàn)按需定點(diǎn)多路視頻采集，水下按需定點(diǎn)多環(huán)境因子、海洋剖面多環(huán)境因子等自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并最好可完成牧場(chǎng)魚群種類識(shí)別與數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

針對(duì)海洋牧場(chǎng)需求與現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了基于浮標(biāo)改進(jìn)的原點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與利用無人船動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方案。

1? 基于浮標(biāo)改進(jìn)的原點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)海洋生態(tài)開展跟蹤監(jiān)測(cè)、分析，完善海域使用以及環(huán)評(píng)中的監(jiān)測(cè)工作是不可缺少的。因?yàn)槿祟悓?duì)大海認(rèn)知非常有限，當(dāng)前海洋生態(tài)仍處在初級(jí)開發(fā)階段中，對(duì)海洋區(qū)域的科學(xué)、合理使用，以及海洋生態(tài)因子對(duì)于其影響的研究仍存在一定問題，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)有關(guān)因子對(duì)于海洋環(huán)境影響程度、范圍，所以需要通過對(duì)各因子進(jìn)行跟蹤、監(jiān)測(cè)，獲得實(shí)際環(huán)境影響的資源。

基于浮標(biāo)改進(jìn)的原點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成海洋牧場(chǎng)中海水溫度、鹽度、流速剖面、pH值、溶解氧等環(huán)境要素和生物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及生活習(xí)性的水下、水上觀測(cè)系統(tǒng)，開發(fā)全時(shí)海洋牧場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的云平臺(tái)存儲(chǔ)和岸基大數(shù)據(jù)展示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋牧場(chǎng)生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖1所示。

（1）浮標(biāo)本體。采用現(xiàn)成的3米直徑或者5米直徑浮標(biāo)，但需要對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)需要與光纜線進(jìn)行結(jié)合，光纜線能夠連接到水下人工魚礁上，進(jìn)行固系，并需留足夠長(zhǎng)度，防止風(fēng)浪對(duì)線纜造成破壞。

（2）水質(zhì)參數(shù)探測(cè)。：包括含有溫度、鹽度、流速剖面、pH值、溶解氧等環(huán)境要素傳感器，并連接處理器，采用485或者并行串口總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，處理器將數(shù)據(jù)采集并打包形成新幀。

（3）水下云臺(tái)視頻圖像采集裝置。含有水下攝像機(jī)與水下云臺(tái)，可實(shí)時(shí)完成對(duì)攝像頭的180°旋轉(zhuǎn)。水下云臺(tái)固定在人工魚礁上，水下攝像機(jī)用于監(jiān)測(cè)人工魚礁附近的生物信息。

（4）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。單浮標(biāo)數(shù)據(jù)系統(tǒng)一方面用于水質(zhì)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，另一套用于水下生物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)獲取和水下影像觀測(cè)，獲取更加完整的海洋環(huán)境和水下生物信息。水下傳輸：多路傳感參數(shù)信息傳輸采用485總線或平行串口方式傳輸?shù)教幚砥?，處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，對(duì)其數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳輸;水下視頻傳輸采用視頻壓縮技術(shù)，經(jīng)過DSP處理后，通過網(wǎng)口傳輸;兩路網(wǎng)口連接光纖收發(fā)信機(jī)，完成從網(wǎng)口到光口的轉(zhuǎn)換，并完成水下信號(hào)傳輸。水上傳輸：通過光纖收發(fā)信機(jī)連接水下傳輸數(shù)據(jù)，并增加水上信號(hào)處理部分，對(duì)多路傳感參數(shù)信息（包括GPS與AIS信息），采用數(shù)傳模塊或者移動(dòng)通信網(wǎng)（GPRS/3G/ 4G）等方式進(jìn)行傳輸。對(duì)兩路視頻信號(hào)進(jìn)行視頻壓縮后采用無線網(wǎng)橋或者4G網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行傳輸。

（5）接收與顯示。利用無線傳輸端對(duì)應(yīng)的方式接收，在接收基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示，平臺(tái)完成海洋牧場(chǎng)環(huán)境因子、視頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);海洋牧場(chǎng)各數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)積累管理;牧場(chǎng)魚群種類分類篩選與數(shù)量統(tǒng)計(jì);并利用Web方式完成數(shù)據(jù)圖顯示信息的服務(wù)器發(fā)布，用戶可依據(jù)瘦客戶端如手機(jī)、電腦、Pad等完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。

2? 基于無人船的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前海洋牧場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要由人工方式進(jìn)行，人工搭載船只，攜帶水下ROV（遙控?zé)o人潛水器，Remote Operated Vehicle），ROV搭載視頻攝像頭，并可搭載環(huán)境參數(shù)傳感器，采用人工遙控方式完成水下牧場(chǎng)生態(tài)與生物習(xí)性監(jiān)測(cè)。本文主要利用子母船結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無人母船控制ROV，ROV平臺(tái)搭建成像系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)傳感器，完成海洋環(huán)境水質(zhì)成分，水下環(huán)境，藻類濃度，魚群多樣性等監(jiān)測(cè)?；跓o人船的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)組成包括：地面站控制系統(tǒng)、無人母船系統(tǒng)、ROV系統(tǒng)。

如圖2所示，無人船系統(tǒng)處于海上/湖泊，ROV隨無人船出海，無人船具備在海上定點(diǎn)位置，完成ROV的釋放回收、運(yùn)動(dòng)控制、各類參數(shù)獲取與水下視頻傳輸，地面站系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船、ROV控制參數(shù)、傳感參數(shù)等，并可在地面站對(duì)無人母船、ROV進(jìn)行控制（無人船與ROV設(shè)計(jì)牽扯較多，在本文中不做描述）。

3? 海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)提升方法

（1）加強(qiáng)防備方針的擬定、落實(shí)，有效制約海洋環(huán)境的退化，爭(zhēng)取更多的資金支持，加快漁港的建設(shè)和漁港配套設(shè)備的建設(shè)。進(jìn)一步優(yōu)化海洋牧草環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)，加快監(jiān)測(cè)的頻率以及對(duì)牧場(chǎng)環(huán)境的評(píng)估，對(duì)海洋牧場(chǎng)生物多樣性做好調(diào)查、評(píng)估，合理建設(shè)牧場(chǎng)。

（2）加大引入先進(jìn)技術(shù)，加中水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)培訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)養(yǎng)殖、立體化養(yǎng)殖，讓海洋牧場(chǎng)可以發(fā)揮最大的潛力。

（3）加強(qiáng)調(diào)查研究，借鑒國(guó)內(nèi)、國(guó)外先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建科學(xué)的海洋牧場(chǎng)管理體系，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理。根據(jù)有關(guān)最新制度，結(jié)合實(shí)際，加強(qiáng)立法調(diào)查，完善海洋牧場(chǎng)有關(guān)制度。

4? 結(jié)? 論

目前國(guó)內(nèi)海洋牧場(chǎng)建設(shè)已有一定規(guī)模，但因?yàn)橹惶幵谄鸩降碾A段，存在著規(guī)模小，基礎(chǔ)薄弱、未形成完整科學(xué)養(yǎng)殖體系等各種問題。雖然國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)此開展了專項(xiàng)研究，但由于時(shí)間問題未獲得更多的數(shù)據(jù)支持，大型理論體系無法得以建設(shè)，對(duì)于海洋牧場(chǎng)科學(xué)化分布、飼養(yǎng)等帶來了較大問題。但海洋牧場(chǎng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及分析系統(tǒng)，可對(duì)海洋牧場(chǎng)內(nèi)海洋的環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)各海洋牧場(chǎng)的信息共享，通過數(shù)據(jù)分析得到海洋魚類養(yǎng)殖的最好環(huán)境，實(shí)現(xiàn)海洋生物的可持續(xù)、可再生的利用。

在本研究中，以基于浮標(biāo)改進(jìn)的原點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主，利用與無人船動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)輔助相結(jié)合的方案，可以依據(jù)海洋牧場(chǎng)需求，完成海洋牧場(chǎng)多點(diǎn)視覺、多環(huán)境因子參數(shù)獲取，魚群種類分類篩別與數(shù)量統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布等功能，完成現(xiàn)代海洋牧場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

但在實(shí)現(xiàn)過程中，浮標(biāo)系統(tǒng)需要完成水下信號(hào)獲取，為防止風(fēng)浪較大，扯斷光纜信號(hào)，牧場(chǎng)區(qū)域風(fēng)浪不可過大;另由于定點(diǎn)浮標(biāo)系統(tǒng)需要多路視頻信號(hào)采集、壓縮與傳輸，整個(gè)系統(tǒng)用電量較大，僅靠浮標(biāo)本體太陽能充電、供電，電量不足，在使用過程中，需定期人為進(jìn)行蓄電池更換與充電，或者可采用視頻監(jiān)測(cè)平時(shí)中斷，在需要的時(shí)候開啟這種方式來達(dá)到省電的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田濤，陳勇，陳辰，等.獐子島海洋牧場(chǎng)海域人工魚礁區(qū)投礁前的生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評(píng)估 [J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29（1）：75-81.

[2] 邢旭峰，王剛，李明智，等.海洋牧場(chǎng)環(huán)境信息綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，32（1）：105-110.

作者簡(jiǎn)介：謝鑫剛（1982.09-），男，漢族，陜西渭南人，講

師，博士，研究方向：海洋信息技術(shù)及應(yīng)用;徐元哲（1964.02-），男，朝鮮族，吉林人，教授，博士，研究方向：光電檢測(cè)技術(shù);吳路光（1989.10-），男，漢族，河北邯鄲人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究生，研究方向：控制理論與控制工程;龍順宇（1989.06-），男，漢族，重慶人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究生，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng);張安翻（1989.10-），女，漢族，重慶人，課程負(fù)責(zé)人，講師，博士，研究方向：仿生機(jī)器人。