海洋牧場自動監測系統研究

謝鑫剛 徐元哲 吳路光 龍順宇 張安翻

摘? 要：海洋牧場利用天然的海洋生態環境，對漁業等海洋資源進行有目的、有計劃性的海上養殖，完成可持續的現代生態漁業發展，并達到海洋生態修復的目的，而海洋牧場監測技術是海洋牧場建設的重要環節。針對海洋牧場長時在線監測技術的現狀，該項目探討了海洋牧場多環境因子長時監測、海洋牧場水下生物視頻監測技術。提出了針對現代海洋牧場的自動監測系統，采用浮標的原位長時自動監測技術與無人船動態監測相結合的方式，可實現對海洋牧場點、面的長時實時監測。

關鍵詞：海洋牧場;浮標平臺;無人船;在線監測

中圖分類號：P745;S931.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

海洋牧場是指在一個特定的海域里，為了有計劃地培育和管理漁業資源而設置的人工漁場，其較好地實現了漁業工程技術與生態漁業的結合，實現了經濟、生態、資源可持續發展的理念[1]。海洋牧場環境監測以及水下養殖生物實時監測是海洋牧場建設的重要方向之一[2]。

伴隨人口數量的增加和陸地資源的不斷減少，以及工業時代到來和科技的不斷發展，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系統被打破了。為滿足人們不斷增長的各種需求，人們對于海洋生物資源的開發、利用也越來越強烈，過度的捕撈、資源衰竭等問題不斷突出，再加上養殖業本身的污染以及沿海城市的發展、工業的開發等，使沿海生態環境受到了非常嚴重的破壞，有的大型海藻、魚類、貝殼類經濟生物資源嚴重匱乏，甚至有的魚類資源已接近滅絕。北方海域的部分大型藻場出現了退化現象，南方海域的珊瑚礁系統也被明顯破壞。尤其是這些年海漁業資源的不斷減少，使海洋資源可再生利用成為了國家重視的問題之一。所以在這樣的背景下，海洋牧場的建設也開始不斷發展。

目前海洋牧場長時在線監測系統主要包括兩種形式：基于浮標的多環境因子自動監測系統;基于海底有纜的在線監測系統。利用浮標進行監測，主要是獲取水面的各項環境參數因子，無法完成水下視頻、水下環境參數獲取，且僅能完成牧場環境一個點的參數獲取。基于海底有纜的在線監測系統，目前主要分為高壓電纜與光纜兩種，都需要岸端有復雜的系統和設備與之對接，成本太高，且監測僅局限于海底參數與海底視頻，推廣與應用具有很大的局限性。

為了保護海洋生態環境、海洋漁業資源，實現可持續發展，滿足人們對于各種優質海產品的需求，海洋牧場由此開展。針對海洋牧場多因子、多點的監測需求，海洋牧場自動監測系統，應該集傳感器技術、新型材料、海洋信息技術、多種遠程通信技術于一體，可實現按需定點多路視頻采集，水下按需定點多環境因子、海洋剖面多環境因子等自動監測，并最好可完成牧場魚群種類識別與數量統計。

針對海洋牧場需求與現有技術的優缺點，本文提出了基于浮標改進的原點監測系統與利用無人船動態監測相結合的方案。

1? 基于浮標改進的原點監測系統

對海洋生態開展跟蹤監測、分析，完善海域使用以及環評中的監測工作是不可缺少的。因為人類對大海認知非常有限，當前海洋生態仍處在初級開發階段中，對海洋區域的科學、合理使用，以及海洋生態因子對于其影響的研究仍存在一定問題，無法準確預測有關因子對于海洋環境影響程度、范圍，所以需要通過對各因子進行跟蹤、監測，獲得實際環境影響的資源。

基于浮標改進的原點監測系統完成海洋牧場中海水溫度、鹽度、流速剖面、pH值、溶解氧等環境要素和生物的運動狀態及生活習性的水下、水上觀測系統，開發全時海洋牧場數據監控系統，完成數據的云平臺存儲和岸基大數據展示，進而實現對海洋牧場生態環境的長期連續實時監控，如圖1所示。

（1）浮標本體。采用現成的3米直徑或者5米直徑浮標，但需要對部分設備進行改進，浮標錨泊系統需要與光纜線進行結合，光纜線能夠連接到水下人工魚礁上，進行固系，并需留足夠長度，防止風浪對線纜造成破壞。

（2）水質參數探測。：包括含有溫度、鹽度、流速剖面、pH值、溶解氧等環境要素傳感器，并連接處理器，采用485或者并行串口總線實現數據的采集，處理器將數據采集并打包形成新幀。

（3）水下云臺視頻圖像采集裝置。含有水下攝像機與水下云臺，可實時完成對攝像頭的180°旋轉。水下云臺固定在人工魚礁上，水下攝像機用于監測人工魚礁附近的生物信息。

（4）數據處理系統。單浮標數據系統一方面用于水質環境參數實時監測，另一套用于水下生物實時監測，以實現水質參數實時獲取和水下影像觀測，獲取更加完整的海洋環境和水下生物信息。水下傳輸：多路傳感參數信息傳輸采用485總線或平行串口方式傳輸到處理器，處理器進行數據處理后，對其數據通過網口傳輸;水下視頻傳輸采用視頻壓縮技術，經過DSP處理后，通過網口傳輸;兩路網口連接光纖收發信機，完成從網口到光口的轉換，并完成水下信號傳輸。水上傳輸：通過光纖收發信機連接水下傳輸數據，并增加水上信號處理部分，對多路傳感參數信息（包括GPS與AIS信息），采用數傳模塊或者移動通信網（GPRS/3G/ 4G）等方式進行傳輸。對兩路視頻信號進行視頻壓縮后采用無線網橋或者4G網絡方式進行傳輸。

（5）接收與顯示。利用無線傳輸端對應的方式接收，在接收基礎上，進行數據的存儲與顯示，平臺完成海洋牧場環境因子、視頻實時監測;海洋牧場各數據存儲與數據積累管理;牧場魚群種類分類篩選與數量統計;并利用Web方式完成數據圖顯示信息的服務器發布，用戶可依據瘦客戶端如手機、電腦、Pad等完成數據的實時獲取。

2? 基于無人船的動態監測系統

目前海洋牧場動態監測主要由人工方式進行，人工搭載船只，攜帶水下ROV（遙控無人潛水器，Remote Operated Vehicle），ROV搭載視頻攝像頭，并可搭載環境參數傳感器，采用人工遙控方式完成水下牧場生態與生物習性監測。本文主要利用子母船結構實現無人母船控制ROV，ROV平臺搭建成像系統與環境參數傳感器，完成海洋環境水質成分，水下環境，藻類濃度，魚群多樣性等監測。基于無人船的動態監測系統其結構組成包括：地面站控制系統、無人母船系統、ROV系統。

如圖2所示，無人船系統處于海上/湖泊，ROV隨無人船出海，無人船具備在海上定點位置，完成ROV的釋放回收、運動控制、各類參數獲取與水下視頻傳輸，地面站系統可實時監控無人船、ROV控制參數、傳感參數等，并可在地面站對無人母船、ROV進行控制（無人船與ROV設計牽扯較多，在本文中不做描述）。

3? 海洋牧場監測提升方法

（1）加強防備方針的擬定、落實，有效制約海洋環境的退化，爭取更多的資金支持，加快漁港的建設和漁港配套設備的建設。進一步優化海洋牧草環境監測指標，加快監測的頻率以及對牧場環境的評估，對海洋牧場生物多樣性做好調查、評估，合理建設牧場。

（2）加大引入先進技術，加中水產養殖技術培訓，實現精細養殖、立體化養殖，讓海洋牧場可以發揮最大的潛力。

（3）加強調查研究，借鑒國內、國外先進管理經驗，構建科學的海洋牧場管理體系，實現科學化管理。根據有關最新制度，結合實際，加強立法調查，完善海洋牧場有關制度。

4? 結? 論

目前國內海洋牧場建設已有一定規模，但因為只處在起步的階段，存在著規模小，基礎薄弱、未形成完整科學養殖體系等各種問題。雖然國內有學者對此開展了專項研究，但由于時間問題未獲得更多的數據支持，大型理論體系無法得以建設，對于海洋牧場科學化分布、飼養等帶來了較大問題。但海洋牧場的自動監測以及分析系統，可對海洋牧場內海洋的環境進行動態監測，實現各海洋牧場的信息共享，通過數據分析得到海洋魚類養殖的最好環境，實現海洋生物的可持續、可再生的利用。

在本研究中，以基于浮標改進的原點監測系統為主，利用與無人船動態監測輔助相結合的方案，可以依據海洋牧場需求，完成海洋牧場多點視覺、多環境因子參數獲取，魚群種類分類篩別與數量統計，實現信息發布等功能，完成現代海洋牧場自動監測系統。

但在實現過程中，浮標系統需要完成水下信號獲取，為防止風浪較大，扯斷光纜信號，牧場區域風浪不可過大;另由于定點浮標系統需要多路視頻信號采集、壓縮與傳輸，整個系統用電量較大，僅靠浮標本體太陽能充電、供電，電量不足，在使用過程中，需定期人為進行蓄電池更換與充電，或者可采用視頻監測平時中斷，在需要的時候開啟這種方式來達到省電的目的。

參考文獻：

[1] 田濤，陳勇，陳辰，等.獐子島海洋牧場海域人工魚礁區投礁前的生態環境調查與評估 [J].大連海洋大學學報，2014，29（1）：75-81.

[2] 邢旭峰，王剛，李明智，等.海洋牧場環境信息綜合監測系統的設計與實現 [J].大連海洋大學學報，2017，32（1）：105-110.

作者簡介：謝鑫剛（1982.09-），男，漢族，陜西渭南人，講

師，博士，研究方向：海洋信息技術及應用;徐元哲（1964.02-），男，朝鮮族，吉林人，教授，博士，研究方向：光電檢測技術;吳路光（1989.10-），男，漢族，河北邯鄲人，實驗師，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，實驗師，碩士，研究生，研究方向：單片機與嵌入式系統;張安翻（1989.10-），女，漢族，重慶人，課程負責人，講師，博士，研究方向：仿生機器人。