遠洋漁船電子監控技術應用研究進展及展望

孫永文，張勝茂，蔣科技，樊 偉，隋江華，朱文斌

（1.大連海洋大學航海與船舶工程學院，遼寧大連 116023；2.中國水產科學研究院東海水產研究所，農業農村部東海漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090；3.浙江省海洋漁業資源可持續利用技術研究重點實驗室，浙江省海洋水產研究所，浙江舟山 316021）

遠洋漁業資源的合理開發，可保障優質蛋白持續供給，改善漁業產業結構，提高產業國際競爭力，維持漁業可持續捕撈，因此對遠洋漁業資源實施監管具有重大意義［1-2］。從1990年至2018年，全球捕撈漁業總產量相對穩定，海洋捕撈漁業產量占比達87.5%，其中遠洋漁業產量逐年增加［3-4］。隨著內陸和近海漁業資源的匱乏，現今遠洋漁業資源正在被全世界迅速開發，為了防止遠洋漁業資源被開發過度，對其有效監管和制定監管標準迫在眉睫。自1982年以來，《聯合國海洋法公約》等相關公約要求所有成員國履行海洋資源養護和管理義務［5-7］，為了監控處于可持續水平魚類種群的合理捕撈和不可持續水平魚類種群的有效保護，很多國家已經采用了無人機或者巡邏船、漁船船舶監視系統（VMS）、自采樣、觀察員等方法監管遠洋漁船［2］。這些方法對監管遠洋漁業資源的開發起到了積極作用，但因不能準確審計魚種數據或人工審計費時等原因而尚未實現有效監管［8-9］。隨著衛星遙感、攝像機、互聯網等技術的進步，電子監控（electronic monitoring，EM）獲取的數據和觀察員相差無幾［2，10］。如今EM已經應用到許多國家的遠洋漁船，用于獲取目標漁獲物的數據和監控被誤捕的珍稀海洋生物的放生過程。

EM的應用最開始是為了監控不列顛哥倫比亞省捕蟹陷阱的數量，以控制漁獲量并防止漁具被盜［1］。2002年，隨著對海洋資源的監管，阿拉斯加延繩釣漁業對EM進行測試，以記錄鰈形目（Pleuronectiformes）魚類漁業的捕撈努力量和漁獲情況，并測試漁船的捕撈行為是否符合相關漁業法規［2］。2003年，為了監測刺網和拖網以及海洋哺乳動物和海鳥的相互作用，新西蘭啟動一項EM計劃［1］。歐盟EM試驗始于2008年，一些歐盟成員國采取激勵措施來減少漁船丟棄的遠東寬突鱈（Eleginusgracilis）數量，并資助EM試驗來驗證漁船的捕撈量［11-12］。自2012年以來，EM已在大西洋和印度洋的熱帶金槍魚（Thunnus）漁業中進行了測試［10，13］。同時，為了提高EM在漁船的抽樣覆蓋率，在西太平洋、南太平洋和中太平洋的捕撈試驗中也加入了EM［1，14-15］。從2015年到2016年，法國熱帶金槍魚圍網漁船通過對比EM與觀察員收集的非目標漁獲物和拋棄物數據，測試了EM的效率［16］。2018年，西班牙兩個金槍魚圍網協會開始對捕魚活動實行100%EM覆蓋［1］。同年，中國在熱帶太平洋西部進行EM試驗，對EM與觀察員收集的21組同一航行期間的監控數據進行對比，結果表明，EM可用于增強觀察者計劃［17］。中國在中部和西太平洋一些金槍魚延繩釣漁船配備了EM系統，該系統具有記錄漁船活動和監測冷鏈數據等功能［18］。在視頻影像智能分析方面，已經可以使用神經網絡技術提取文本信息判斷漁船的狀態［19］。近幾年，由于EM在遠洋漁船的廣泛應用，不同類型漁具的EM標準也在加快制定和不斷完善。2017年，大西洋金槍魚資源保護委員會（ICCAT）采用了EM系統的圍網最低標準［20］。2020年5月，國際海產品可持續發展基金會（ISSF）和印度洋金槍魚委員會（IOTC）等編寫了一份關于EM安裝、收集、分析和存儲數據的最低標準的論文。

本文通過綜述EM在遠洋漁船的應用，著重分析了國內外遠洋漁船的EM基本組成和運用EM監管各種目標的具體方法，簡述了EM在3種常見漁具的應用情況和目前可應用于遠洋漁船的EM產品具備的功能，分析現階段EM的優缺點，并在此基礎上，對未來EM研究方向提出建議，以期為EM在遠洋漁船的應用和進一步研究提供參考。

1 遠洋漁船EM方法

1.1 EM系統組成

EM系統通常由各種傳感器、攝像頭、GPS接收器和計算機硬件組成（圖1），主要記錄捕撈作業及漁船實時位置等信息。目前各類傳感器中液壓傳感器、旋轉編碼器在EM系統應用較多，高清數碼攝像機也已在遠洋漁船中應用［1-2］。監控主機將視頻、漁船經緯度、時間等信息整合、管理，視頻信息防篡改技術也逐漸應用到EM中［21］。隨著存儲密度及存儲容量的增加，硬盤可以存儲更多內容。漁船在海上作業時，利用定位等技術獲取漁船相關數據，比如航速、船位等信息，信息通過海事衛星等通訊方式傳回。當漁船靠港時，可以通過網絡通訊（4G，WIFI）傳輸視頻數據，還可以拆卸硬盤帶回漁業企業或漁業監管部門。

圖1 EM系統結構示意圖及獲取的數據Fig.1 Schematic diagram of electronic monitoring system structure and acquired data

1.2 不同目標漁獲的EM方法

目前各國EM應用于船端的方法基本類似，即使用攝像機獲取完整有效的捕撈作業視頻［22］，運用滾筒上的旋轉編碼器獲取滾筒圈數，進而估算出網長度，最終匯總到計算機監控主機進行初步處理，實現集中管理、本地存儲功能。遠程終端可以通過海事衛星確定漁船位置和航速等輔助性信息，數據傳輸目前主要通過硬盤實現［23-25］。處理獲取的視頻數據，目前可以運用計算機深度學習［26-28］、圖像識別［29-30］、網格測量等技術識別目標漁獲物，并測量目標漁獲物的長度，再結合海事衛星傳回的數據，確定漁獲物出現的具體位置，為后期有針對性地智能監控該種漁獲物提供數據。

如表1所示，針對高經濟價值漁獲物應用不同的EM方法開展試驗，獲取的試驗數據一是可以驗證EM方法的可靠性，二是可為研討和制定EM應用標準作依據，對遠洋漁業的可持續性發展具有重要意義。從1980年到2018年，有鰭魚類約占海洋捕撈總量的85%，其中占比較大的魚類有秘魯鳀（Engraulisringens）、阿拉斯加狹鱈（Gaduschalcogrammus）、大 西 洋 鯡（Clupea harengus）、藍鱈（Micromesistiuspoutassou）、歐洲沙丁魚（Sardinapilchardus）、日 本 鯖（Scomber japonicus）、黃鰭金槍魚（T.albacores）等，累計占比約30%，其中，鱈魚類、金槍魚類等在近幾年漁獲量統計中創新高［3］。監管上述捕撈產量高的魚種可快速規范捕撈產業［31］。近十年來，澳大利亞有6個EM項目，以金槍魚、比目魚等為主要目標；美國有5個EM項目，對藍鰭金槍魚（T.thynnus）、鰈形目和大馬哈魚（Oncorhynchusketa）等多種魚類的捕撈進行監測［1］。中國對金槍魚的捕撈監測也應用了EM。

表1 各種監測目標的電子監控項目試驗［1］及方法Tab.1 Experiments［1］and methods of electronic monitoring items for various monitoring targets

2 EM系統的技術發展現狀

隨著越來越多的國家開展EM項目試驗，結果表明，EM可替代一部分觀察員來記錄漁船數據且效果良好［17，32-33］，使得EM在漁業監控領域的地位逐漸穩固。許多應用于漁業的EM技術正在蓬勃發展，可為不同類型遠洋漁船提供適合的EM系統。根據表2可了解目前不同公司的EM系統具備的功能。其中Archipelago生產的EM系統適用于小型近海漁船、大型遠洋船，目前已經裝備了600多艘漁船；Saltwater研發的EM系統幾乎適用于所有漁船；Anchor Labs、Satlink適用于商業船；Digital Observer Services專門用于金槍魚圍網漁船。EM系統均具備GPS接收、硬盤驅動器傳輸數據、高清攝像頭拍攝等基本功能，且各公司的技術人員可根據漁船類型提供合理的安裝方案。

表2 各公司的電子監控系統具備的功能Tab.2 Functions of the electronic monitoring system of each company

3 3種捕撈漁具的EM應用進展

遠洋漁船捕撈成本高，航次時間較長，為了一次性獲得較高的漁獲量，往往選擇捕撈產量高、捕撈效率高的漁具，如延繩釣、圍網、拖網等。在裝備了上述3種漁具的漁船中，金槍魚圍網漁船、超低溫延繩釣漁船和大型拖網加工漁船等在遠洋捕撈中使用較普遍。由于這3種漁具的捕撈特點，容易出現過度捕撈，破壞海洋生態，許多國家已在這類漁具的遠洋漁船上安裝了EM。

3.1 延繩釣

延繩釣漁具主要由干繩、支繩、浮球、浮繩、釣鉤等組成，即在延伸的干繩上垂掛若干根帶鉤的支繩，使用釣鉤捕魚。其中金槍魚延繩釣在延繩釣漁具中應用較成熟，分布面最廣，數量和產量很高，本文以金槍魚延繩釣為例介紹EM在延繩釣的應用。金槍魚延繩釣捕撈屬于一鉤一魚，EM可以清晰記錄漁獲物的數量和尺寸［34］。該漁具因其捕撈方式獨特且對海洋生態友好，EM應用到這種捕撈類型的項目試驗效果較好。2015年，大西洋金槍魚延繩釣高度洄游物種（HMS）漁業中，有112艘延繩釣漁船安裝了EM，用于監測藍鰭金槍魚（T.thynnus）的捕撈［1］；2015年，中國太平洋金槍魚漁業安裝EM的漁船有33艘［1］；截至2018年安裝EM的斐濟延繩釣漁船有50艘［1］。

3.2 圍網

圍網是主要由網片、綱索、浮球等構成呈長帶形或有網囊的網漁具。采用圍捕或者結合圍張、圍拖等方式，迫使魚群集中在網囊，從而實現捕撈。2012年，國際海鮮可持續發展基金會（ISSF）就開始對熱帶金槍魚圍網漁業公海EM系統進行了評估和測試。試驗結果表明，EM技術在金槍魚圍網漁業監測方面具有較大潛力［35］。2017年，印度洋金槍魚委員會（IOTC）開始采用圍網最低EM標準，但由于圍網漁獲種類較多、捕撈強度大、捕撈量多，當時的EM系統難以實現有效監測，為解決該問題，各種針對不同漁獲物的EM系統被提出，EM技術得到快速發展［36-37］。2018年，印度洋、大西洋區域開展的ANABAC OPAGAC熱帶金槍魚圍網項目中有49艘圍網漁船安裝EM，同年在西班牙20艘金槍魚圍網漁船和供應船上安裝了電子眼（electronic eye，EE）系統［1］。

3.3 拖網

拖網主要由拖曳纜繩、采樣鐵框架和網籃等組成，使用漁船拖曳囊袋形網具捕撈目標魚群。拖網漁具的捕撈效率較高，捕撈強度大［38-39］，但其中底拖網捕撈會嚴重破壞海床，對海洋生態平衡造成破壞，所以對拖網的監控很有必要［40-42］。早在2006年，不列顛哥倫比亞省鱈魚漁業35艘拖網漁船就開展了EM試驗［1］；從2008年到2016年，丹麥開展了EM試驗，監控36艘拖網漁船的漁獲物情況［1］；2018年，美國西海岸底層魚類拖網EM項目（包括針對鱈魚的EM項目）有36艘拖網漁船安裝EM用于監測目標漁獲物［1］。

4 EM優缺點

EM能在遠洋漁船上試驗并迅速投入使用，得益于它穩固的優勢（表3）。EM在有溫差、噪聲、風雨等惡劣海洋環境下仍能正常工作，但是觀察員則無法在這種環境下長時間工作。而且EM只需要遠洋漁船提供很小的空間位置用于安裝固定［43］，觀察員則需要基本的生活空間，但在每艘遠洋漁船上設置一間觀察員專用房間是不現實的。與觀察員相比，EM也有一些劣勢（表3）：如檢查誤捕的哺乳動物死亡原因，觀察員可以在船上解剖并記錄，而EM無法實現這種功能；EM無法收集一些特殊類型的數據，如：魚類化石等［2］；另外，攝像頭外部經常會沾上水滴，需要定期清理，否則會影響拍攝質量；硬盤容易出現折損，會導致數據丟失。

針對EM存在的這些問題，目前已經給出其中一部分解決辦法（表3）。EM和觀察員結合使用可準確獲取特殊類型數據，但成本較高。可以將攝像頭的清潔等基本維護技能加入到遠洋漁船船員培訓，則船員可在遠洋漁船作業期間保證EM正常收集數據。采用高防護等級的硬盤，可提高硬盤防破損能力。

表3 電子監控的優勢與劣勢以及解決劣勢的方法Tab.3 Advantages and disadvantages of electronic monitoring and methods to solve the disadvantages

5 小結與展望

綜上所述，EM技術在遠洋漁船的應用越來越廣泛，應用標準逐漸規范。EM不僅可以在惡劣環境下替代觀察員的工作，解決了觀察員在遠洋漁船覆蓋率低的問題，且在無形中對違法捕撈行為構成一種約束。此外，EM記錄的數據具有追溯性，可對歷史數據反復審計核驗。目前基于EM視頻數據利用深度學習的方法可預先實現自動識別特定漁獲物，從而獲取遠洋漁船捕撈數據記錄。但是，目前對EM技術的研究還不夠深入，仍然存在許多亟待解決的問題。首先，專業EM數據分析產品更多是針對目標漁獲物，但其對漁獲品種并不能達到自動識別，特別是相似漁獲物識別難度較高；其次，在漁船靠港后第一時間使用無線將硬盤數據傳輸到有關部門，比起觀察員或硬盤傳輸數據更方便迅速，但遠洋漁船航行時間長、數據傳輸不及時的問題仍未解決；最后，近幾年，許多區域性最低EM標準被應用，但并沒有一個包含不同地區、不同漁具的最低EM標準被所有國際漁業組織認可，許多草案和區域性EM標準仍需要更多試驗數據作為支撐以不斷驗證和完善［45-50］。因此，在EM技術未來的研究中，應該從以下幾點出發：

1）開發具有機器視覺的攝像頭或分析軟件，使其具備可自動識別漁獲物并計數的能力，且遇到受保護漁獲物上船時特別標記此段拍攝并及時發出警告；

2）提升衛星傳遞信息的技術。目前中國北斗系統已具備傳輸短報文信息的能力，隨著衛星傳遞信息技術的不斷改進，未來可按照設定的時間間隔不斷地將EM實時記錄的捕撈數據通過衛星進行傳輸，進而實現實時監控。

3）制定EM應用的國際標準。通過獲取各地區、各類漁獲物的EM試驗數據，分析試驗數據，共同研討出一份適合不同噸位、不同漁具、不同漁獲物的EM國際標準。

4）制定相關法律以約束違法行為，防止偷捕者為了偷捕而故意影響EM獲取數據。

雖然EM在遠洋漁船中的研究和應用存在諸多困難，但其仍受到很多國家和國際漁業組織的認可。隨著更多的國家、國際漁業組織和科研人員共同努力突破EM技術的瓶頸，EM也必將得到更廣泛的應用。