面向深遠海網箱養殖的海洋環境監測系統設計

李 楠，任 翀，王田野，曾軍財

（1. 中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237）

0 引言

海洋漁業正從傳統的海洋捕撈向深遠海養殖方向發展[1]。據聯合國糧農組織（FAO）2020年統計，全球捕撈產量自21世紀以來基本穩定，而水產養殖產量逐年攀升，預計在2030年前后將超過捕撈產量[2]。隨著近海自然漁業資源的減少和環境保護壓力的增加，未來水產品增量將更加依賴深遠海養殖來實現[3]。我國《全國海洋經濟發展“十三五”規劃》明確提出全面提升遠洋漁業資源開發能力，推動建設深水網箱養殖產業帶，大力發展深水網箱養殖，促進海洋漁業產業調整結構、轉變漁業經濟增長方式。

發展深遠海養殖需要先進的養殖裝備作為支撐。基于養殖網箱實施自動化、智能化養殖，是提升養殖規模和效益、降低人員工作強度和養殖風險的重要手段。對養殖海域環境實施遠程實時監測是養殖自動化、智能化的關鍵環節。面向深遠海網箱養殖需求，基于高精度溫鹽深測量儀、無線數據傳輸網絡、監測信息實時處理與集成等關鍵技術，研制與深遠海大型智能化養殖網箱配套的海洋環境監測系統，能夠為深遠海養殖提供技術與裝備支撐，推動海洋漁業及相關產業發展。

1 研究現狀

自20世紀60年代以來，深水養殖產業發展迅速，深遠海養殖網箱等高端漁業裝備蓬勃發展，代表性產品包括世界首座深海半潛式智能網箱“Ocean Farm 1”（圖1[4]）、目前容量最大的網箱結構養殖工船“HAVFARM 1”（圖2[5]）等。目前，深水網箱核心技術被挪威、日本、加拿大、俄羅斯等國所壟斷。我國網箱養殖已有一定規模，但主要分布在內灣和近海，養殖密度高，水體質量差[6]。我國深水網箱等養殖裝備起步較晚，核心裝備主要依靠進口，本土化配套能力不足，限制了我國養殖裝備的長遠發展[7-9]。

圖1 挪威“Ocean Farm 1”深海養殖網箱Fig. 1 Norwegian Ocean Farm 1 deep-sea aquaculture cage

圖2 “HAVFARM 1”深海養殖工船Fig. 2 HAVFARM 1 deep-sea mariculture vessel

在網箱養殖監控技術方面，主要是結合傳感器和有線/無線通信技術獲取海洋環境、生物狀態、養殖設施的相關信息，實現遠程監測。這些方案普遍采用2級模型：養殖點和監控中心。由養殖點的傳感器采集數據，再用有線或無線的方式傳輸到監控中心。例如，海南陵水“5G+海洋牧場” 采用5G網絡技術，集成網箱海洋環境實時在線監測系統，對深海網箱水質水文環境及內部狀況進行實時在線監測（圖3[10]）。

圖3 海南“5G+海洋牧場”海洋環境監測系統Fig. 3 Hainan 5G+Ocean Farm marine environmental monitoring system

2 海洋環境監測系統方案設計

針對深遠海網箱數字化管理和集約化養殖需求，基于高精度溫鹽深測量儀、無線數據傳輸網絡、監測信息實時處理與集成等關鍵技術，設計了與深遠海大型智能化養殖網箱配套的海洋環境監測系統，實現溫度、鹽度、溶解氧等海洋環境要素的遠程實時監測。

2.1 系統組成

對此，歐洲法院在Child and Family Agency案中指出，《布魯塞爾條例Ⅱa》第15條不方便法院條款的設計是基于兒童利益最大化，移送案件也是基于兒童的最大利益。因此，原審法院不應考慮將案件移送到另一成員國對所涉兒童之外其他人遷徙自由的影響，除非這些因素可能會對兒童的狀況產生不利影響②Case C 428/15，27 October 2016，para.62-65.。

CTD是數據采集子系統的核心設備，其性能對監測系統的技術指標具有決定性影響。CTD由溫度傳感器、電導率傳感器、壓力傳感器、測量轉換電路、綜合控制系統、耐壓艙等組成。測量時，由傳感器感應海水的溫度、電導率及壓力要素，通過轉換電路將物理量變成電信號輸出，由綜合控制系統接收并通過通信接口傳輸測量數據。高精度CTD研制的核心工作是溫度、壓力和電導率3種傳感器的研制，重點為電導率傳感器研制。

海洋環境監測系統硬件主要由數據采集子系統、控制子系統、數傳子系統、能源子系統等組成（圖4）。軟件主要是上位機軟件。

圖4 系統組成Fig. 4 System composition

數據采集子系統包括搭載的各式傳感器、配套的電平轉換、A/D轉換元器件等數據采集設備，負責采集海洋環境參數。控制子系統包括監測點的主控Soc與其配套的控制程序，根據控制指令控制各傳感器的采樣頻率、采樣周期、采樣模式等，監測各部件運行狀態，將操作結果與運行信息反饋至監控中心。數傳子系統負責轉發監測數據、狀態數據至中控系統，轉發控制指令至各傳感器。能源子系統負責為監測點供電，采用備用電池設計，在主電源切斷的情況下可臨時供電，保證系統不間斷運行。上位機軟件是數據采集子系統與集中控制系統及控制人員的接口，主要負責監測信息實時處理與集成。

2.2 監測規劃

今年以來，在收藏市場眾多郵品中，《改革開放四十周年》郵票珍藏冊脫穎而出，如《鄧小平同志誕生一百周年》紀念郵票、《中國共產黨十一屆三中全會二十周年》紀念郵票、《改革開放三十周年》紀念郵票、《改革開放四十周年》紀念郵票。其中，《改革開放三十周年》紀念郵票是“改革開放”系列題材的首枚郵票，作為十年一發的主題系列郵票，這枚郵票的龍頭效應也已凸顯。小型張四方連整版票珍貴版式價值走高。《改革開放四十周年》郵票珍藏冊收錄的郵票版式包含：四方連、小型張、整版票。以上三個版式，均是郵市價格持續保值、走高的郵票版式，更在集郵圈備受歡迎。

企業以電子信息為媒介，對財物監控采用了新的管理模式，使得企業成本大大降低。同時，非結構化處理的模式利于企業將數據直接傳送到財務信息系統中心進行勘測，促進了財務管理的集中化。高級管理人員由此掌握了財務的控制權力，根據市場變動，及時做出調整。

那羅寨礦原煤質量見表1。考慮到礦井原煤質量及生產成本，依據洗選加工效益最大化原則，該礦原煤按動力煤洗選加工更合適。選煤廠確定采用篩分工藝，將篩下低灰高發熱量物料直接作為動力煤產品銷售，篩上高灰低發熱量物料進入重介質分選系統。在原煤篩分破碎樓新增一套分級系統。生產實踐證明，系統穩定運行，保證了礦井劣質原煤生產，同時又降低了洗選加工成本。

以圖5所示網箱（直徑110 m，工作吃水40 m）為例，在網箱的中央及外圍立柱的不同深度設置若干個水下監測點，實現表、中、底層水體覆蓋。每個監測點均配備溫度、電導率、溶解氧和壓力等通用傳感器。在中央立柱設置海流傳感器。在網箱平臺設置水上監測點，配備姿態、氣象等傳感器。此外，可根據養殖產品種類的不同選配其他傳感器（表1）。

圖5 養殖網箱示意圖Fig. 5 Diagram of aquaculture cage

表1 監測規劃Table 1 Monitoring planning

3 硬件設計

3.1 高精度溫鹽深測量儀（CTD）

有些應該保持有限速度。比如說抓改革、謀發展，確實是慢不得也急不得，既要防止錯過改革發展的最佳機遇，又要防止因舉措失當、發展失衡造成不必要的損失，力爭做到蹄疾步穩。再如，中國高鐵的“落地”，從“和諧號”到“復興號”，從時速300到350公里，其速度僅為“高速飛行列車”論證速度的8.75%。這里邊既有對規律的尊重，也有對發展的負責，更有對生命的敬畏。□

研制的七電極電導率傳感器具有較高的測量精度，其電導池實現了電流電極和電壓電極的分離，可顯著減少電極極化阻抗，導流空間大，響應時間快。七電極電導率傳感器的電導池兩端有2個接地電極，可有效屏蔽外部干擾。研制的溫度傳感器采用新型微結構形式，具有快速響應、耐高壓等特點。此外，還研制了硅壓阻型壓力傳感器（圖6）。

圖6 電導率、溫度、壓力傳感器Fig. 6 CTD sensors

完成CTD樣機加工及相關調試后，為保證測量準確性，利用CTD校準實驗室開展了傳感器校準（圖 8）。通過試驗方法建立了傳感器輸入輸出關系，進而獲得校準系數等相關參數。

圖7 測量電路Fig. 7 Measurement circuit

針對網箱監測點多套CTD同時工作的應用場景，在測量電路（圖7）設計方面采用了低功耗及抗干擾設計。通過選用低功率器件，降低功耗及溫度。通過降低單片機的晶振頻率，減小來自電源的噪聲，在盡量靠近 A/D轉換器處接地以及屏蔽振蕩器區域，來增強抗干擾能力。

圖8 傳感器校準Fig. 8 Sensor calibration

3.2 數據傳輸網絡

由于深遠海養殖水域遠離海岸，需采用有線/無線數據傳輸網絡將網箱數據實時傳輸至岸站。綜合考慮成本、功耗及通信技術發展趨勢，采用網箱有線組網、網箱與岸站間無線傳輸的數據傳輸方案。網箱監測點的傳感器通過串口服務器、網線等連接至以太網交換機，組成局域網絡。網箱與岸站間架設一對無線網橋，上位裝置以及無線網橋也連接至千兆以太網交換機，實現網箱與岸站監控中心的無線數據傳輸。無線網橋采用 airFiber?X AF-2X，具有高達17.1 Mbps/MHz的頻譜效率，發射距離超過200 km，吞吐量大于500 Mbps，可以設置不同的上行與下行任務周期來滿足非對稱流量需求。如圖9。

圖9 數據傳輸網絡示意圖Fig. 9 Diagram of data transmission network

4 軟件設計

監測點將數據傳輸至岸站，通過上位機軟件實現監測信息的實時處理與集成。上位機軟件的主要功能為實現人機交互，將采集的數據、工作狀態等信息進行圖形化集成顯示，便于中控系統控制以及人員實時監測，同時提供下位機控制接口，將上位機控制指令實時傳輸給數采子系統。軟件具備數據采集、數據存儲、數據顯示、數據輸出及傳感器控制等功能。軟件可采集溫度、電導率/鹽度、壓力/深度、溶解氧、流速、流向及姿態等參數以及工作狀態信息，采集頻次可調；采集數據存儲于本地數據庫；以文字、實時曲線等方式顯示；以UDP報文形式輸出至中控系統；可控制傳感器開關及觀測頻次。

軟件開發環境為Microsoft Visual Studio。數據接入部分使用C#/Golang/Rust編寫，從串口接收解析消息幀，發送操作指令，采用第三方WebSocket庫。數據庫方面，由于需承載的數據量較小，選擇應用廣泛的關系型數據庫SQLite和MariaDB。系統需要管理主要資源是設備和數據信息，因此數據表分為2類，分別存儲設備和數據信息。每一類數據表均有1張總表，保存所有設備的基本信息和所有消息的基本信息，作為指向詳細信息的索引。對于每一種設備/消息，均有一張設備/消息表存儲所有該類設備/消息特定的信息。應用服務器連接數據接入單元，同數據庫通信，對外提供 RESTful API。瀏覽器即可作為客戶端，簡化額外軟件要求。使用WebSocket + Json交換數據。實時顯示傳感器數據，使用Echarts 3和Measurement Studio可視化歷史數據。觀測數據存入數據庫中，除使用客戶端查看歷史曲線外，還可以使用通用數據庫管理軟件（DBeaver、Navicat等）管理數據，也可導出為通用格式（.xls、.csv、.txt等）進行后續處理。

5 水池功能驗證試驗

開展了海洋環境監測系統（包括CTD及上位機軟件）的水池功能驗證試驗（圖 10），對監測系統的數據采集、傳輸等功能進行了初步驗證。通過與美國海鳥SBE–37 CTD的水池比測，系統工作狀況正常，監測數據正確、穩定、可靠。

圖10 水池功能驗證試驗Fig. 10 Function verification test in laboratory water tank

6 結束語

系統初步實現了溫度、鹽度、溶解氧等海洋環境要素的遠程實時監測，但在長期工作可靠性等方面仍有待檢驗，在監測要素及數據處理應用方面仍有待拓展。下一步，計劃研發集成化學、生物等多要素傳感器，開展監測設備海上長期應用試驗，開發水質預測預警等數據分析產品，滿足數字化管理和集約化養殖需求，提升海洋環境監測及漁業養殖裝備國產化水平，助力“藍色糧倉”建設。