海洋牧場智慧漁業傳感系統及其編碼規范研究

關鍵詞：傳感系統，編碼規范，智慧漁業，海洋牧場

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.03.021

0 引言

在水產養殖監測傳感系統構建方面，國外主要結合聲學、光學、水下攝像和無線通信等技術獲取生物狀態、養殖設施的相關數據，以實現對其監測。西方發達國家在水產養殖領域己經徹底擺脫了傳統的人工監測，將智能化設備和技術運用到監測中。挪威AKVA集團[1]開發的養殖管理系統可以將魚類運動、攝食等信息匯集到中央控制中心，由計算機處理后對養殖環境進行特定編程，制定最優解決方案。在國內，也發展了相應的服務于水產養殖的監測系統，如中國農業大學研究團隊[2]提出的水產養殖全過程聯物網監管系統可實現養殖過程監控，使得水產品在標準化的養殖環境下生長，提高水產品的質量。結合國內外研究現狀可以看出，現有的水產養殖監測系統主要針對水質中關鍵參數的監測或針對其中一類技術開展研究，監測內容相對較為單一，尚未形成系統化研究。

當前智慧漁業傳感系統的研究案例基本是針對具體應用開展系統設計和系統搭建調試等，但關于智慧漁業傳感系統標準的研究較少被報道。目前關于海上養殖平臺設施裝備的規范文件主要是中國船級社發布的《海上漁業養殖設施檢驗指南（2019）》[3]，尚無直接關于智慧漁業傳感系統編碼規范的相關標準。本文立足于體系層面開展智慧漁業傳感系統功能、系統組成及系統架構等標準研究，并立足于體系層面開展智慧漁業傳感系統物資管理、文檔管理以及過程管理的編碼規范研究。通過智慧漁業傳感系統標準與編碼規范研究，推動現代海洋牧場集約化、規模化和智能化的高質量發展。

1 智慧漁業傳感系統

1.1 智慧漁業傳感系統功能

智慧漁業傳感系統是指應用在漁業養殖場景中，通過聲、光、磁、電等傳輸介質感知場景中的物理、化學及生物參量，并將其轉化為可識別模擬或數字信號的技術系統。智慧漁業傳感系統聚焦養殖水質與海域環境、養殖對象狀態、養殖裝備狀態及養殖安全等四類目標參量的感知。智慧漁業傳感系統可以感知漁業養殖場景中的溫度、鹽度、照度、濁度、聲音、酸堿度等各種信號，并將相關信號轉化為計算機或處理器等可以處理的模擬或數字信號。

從工程應用角度，智慧漁業傳感系統具有以下功能：

（1）漁業養殖場景中，感知養殖環境、養殖對象和養殖裝備等不同目標的各類參量信號；

（2）根據參量信號的屬性選擇適應性手段進行采集，以成為傳感系統的初始輸入數據；

（3）借助計算機等科學運算工具進行處理和分析，以得到有科學、工程意義的結果；

（4）智慧漁業傳感系統各個子系統之間需要上下行承接、同個子系統不同設備間需要組網協同；

（5）智慧漁業傳感系統的信號數據實現從漁業養殖場景中被采集到科學運算，整個過程需要完整的網絡鏈路承擔數據傳輸的通信和互操作任務。

1.2 智慧漁業傳感系統組成

根據空間部署維度，智慧漁業傳感系統由以下子系統組成：

（1）水面監測子系統包括水質監測、水文監測、氣象參數監測等；

（2）水下監測子系統包括環境立體監測、水下攝像視頻監測、魚類識別、魚群追蹤監測等；

（3）水底監測子系統包括近紅外分析、溫度監測、鹽度監測、溶解氧監測、pH值監測、渾濁度監測、海水流速監測、生物量估算等；

（4）水下巡檢子系統包括水下目標追蹤、水下巡檢掃描、水下作業等；

（5）結構監測子系統包括環境立體監測、養殖平臺結構安全監測、養殖平臺異常狀態監測、入侵探測等。

根據系統邏輯，智慧漁業傳感系統由以下子系統組成：

（1）信號感知端：主要硬件形式是傳感器。傳感器是智慧漁業傳感系統中最基礎的組成部分，其能夠將漁業養殖場景中的聲學、光學、磁學、電學等物理信號轉化為可傳輸和計算機處理的模擬或者數字信號；

（2）數據采集子系統：在智慧漁業傳感系統中承擔信號放大轉換處理、數據存儲等功能。如標準水聽器通常配置有放大器和采集卡，高性能的水下攝像機通常配置有視頻采集模塊和存儲單元；

（3）處理分析子系統：是傳感系統的中樞組成部分，包含載體硬件平臺、數學理論模型及算法軟件，借助計算機工具對信號感知端和數據采集子系統采集到的信號數據進行科學運算分析；

（4）嵌入式控制子系統：在傳感系統中發揮著集成與控制作用。部署在漁業養殖平臺傳感器和數據采集部件之間上下行承接、不同設備間組網協同，均由嵌入式控制子系統統一集成管理、協作指令控制；

（5）物聯網：在智慧漁業傳感系統中發揮互聯互通關鍵作用。物聯網通過互聯網達成智慧漁業傳感系統數據要素的傳輸，完成數據要素的發送、接收、轉換及儲存等，實現不同設備間的通信和互操作。

1.3 智慧漁業傳感系統架構

根據空間分布分類不同，智慧漁業傳感系統架構主要包括三部分：傳感器終端、采集箱和控制機柜。傳感器終端是根據功能部署在養殖平臺相應位置的各類傳感器，主要包括水質類傳感器、環境類傳感器、海洋光學設備、水下聲學設備、養殖平臺狀態類傳感器、養殖平臺安全類傳感器以及網絡通信類設備。采集箱主要是實現近程集中供電和匯集通信鏈路功能，布設有熔斷保護器、電源供應器和繼電控制器等電氣設備以及串口服務器、工業交換機等網絡通訊設備。控制機柜主要是實現集中顯示控制、平臺本地服務器等功能，布設有不間斷電源、工控機、顯示屏、工業交換機和硬盤錄像機等顯控設備。

2 智慧漁業傳感系統編碼規范

在智慧漁業傳感系統作業周期內，設備和物料的選型、安裝、及運維不同作業過程中，如何保證一致性與高效性；圖紙和文檔的設計、歸類、作業指導、作業總結等不同過程中，如何保證條理性和科學性，凸顯智慧漁業傳感系統編碼規范的必要性。本文結合船舶領域SFI（SkipstekniskForskningsinstitutt）[4-5]編碼技術和工程領域BIM（Building Information" Modeling）[6]信息模型，圍繞設備、線纜、結構件、圖紙、文件及過程等六種類型進行編碼規范研究。編碼內容由大寫英文字母、阿拉伯數字以及橫杠組成，并生成二維碼。

2.1 設備編碼規范

針對智慧漁業傳感系統傳感器設備、通信設備、控制設備等不同類型設備所從屬的一級系統、二級系統、布設區域、結構邏輯等關系進行編碼管理。設備編碼包括屬地碼、區位碼和設備屬性碼三部分；屬地碼主要是廣域的地理區域信息。區位碼主要是局域的方位信息；設備屬性碼是設備固有的信息。智慧漁業傳感系統設備編碼規范如圖1所示。

根據圖1說明設備編碼方法。A為大寫英文字母，N為阿拉伯數字，X為大寫英文字母或阿拉伯數字，該位不存在默認為0。國家代號，參照I S O3166-1：2006，省級和市縣代號為前兩個拼音首字母大寫，海域代號為國家發布《我國部分海域海島標準名稱》前兩個拼音首字母大寫。養殖平臺分類為重力式網箱（GC）， 桁架式網箱（TC）等。網箱序號根據下水先后順序編號。區域和位置代號，養殖倉水下（U）、養殖倉水面（S）、水上艙室（C）、甲板（P）、過道（W）、圓周（R）、壓載水艙（B）、飼料艙（F）、中心立柱（S）、橫撐（H）、豎撐（V）、斜撐（T）、機柜（E）、轉接箱（N）等。設備型號碼為設備英文名稱前兩個單詞首字母大寫；設備序號為該類型設備的序號；設備標識為固定字母D。設備唯一流水號為整個智慧漁業傳感系統的所有設備排序，為設備的唯一身份證明號碼；權屬代碼為設備擁有權單位代碼。

2.2 線纜編碼規范

針對智慧漁業系統供電線纜、電源線纜等不同類型線纜所從屬的系統、敷設區域、結構邏輯等關系進行編碼管理。線纜主要附屬在設備上，通常會從源設備連接到端設備，因此線纜編碼由源端設備為主導。智慧漁業系統線纜編碼規范如圖2所示。

根據圖2說明線纜編碼方法。A為大寫英文字母；N為阿拉伯數字。源設備號為供電/信號發出端的設備唯一流水號；若供電和信號同在一根線纜上，以供電為準。端設備號為供電/信號接受端的設備唯一流水號，若供電和信號同在一根線纜上，以供電為準。線纜類型：供電線纜類型碼為P，信號線纜類型碼為S，供電信號一體線纜類型碼為M，光纖線纜類型碼為F等；線纜序號為同一類型線纜的排序；線芯數量為線纜線芯的根數；線纜電制為供電電壓情況，如交流380 V為A380、交流240 V為A240、直流24 V為D024、直流12 V為D012、直流5 V為D005、沒有電壓負載默認為0000。線纜長度為米單位的四舍五入整數長度數值，以固定字母M。

2.3 結構件編碼規范

針對智慧漁業傳感系統供支撐結構件、連接結構件、其他結構件等不同類型結構件所從屬的系統、和結構邏輯等關系進行編碼管理。結構件主要附屬在被安裝設備上，因此結構件編碼由附屬設備為主導。智慧漁業系統結構件編碼規范如圖3所示。

根據圖3說明結構件編碼方法。A為大寫英文字母；N為阿拉伯數字。設備流水號為結構件所附屬被安裝設備的唯一流水號。結構件材質是指結構件的材料屬性代碼，分為鈦合金（TA）、不銹鋼（SS）、鋁合金（AA）、鋅合金（ZA）、亞克力（PM）、塑料（PL）、橡膠（RU）、石英玻璃（QG）等。抗風暴等級是指結構件的設計抵抗熱帶風暴/臺風等級，系數由1至17。結構件類型是指結構件安裝形式，分為固定安裝式（F）、便攜手持式（P）、可拆卸移動式（D）等。結構件序號是指同一個設備的結構件群組的排序。

2.4 圖紙編碼規范

針對智慧漁業傳感系統涉及圖紙在工程周期內歸檔、版本管理等需求，進行編碼規范如圖4所示。

根據圖4說明圖紙編碼方法。A為大寫英文字母；N為阿拉伯數字。設計單位代號是圖紙設計單位所對應的代號，一般選取英文名稱的三個核心單詞首字母大寫，若沒有英文名稱則選擇三個核心詞拼音首字母大寫。工程代號為設計單位根據在工程立項之初，設置的工程代號。圖紙類型為技術文檔的技術屬性代號，包含系統圖（S）、硬件架構圖（H）、通信拓撲圖（N）、布置圖（F）、電氣圖（E）、線纜鏈路圖（L）、結構件圖（S）等。圖紙序號為整個工程的圖紙唯一流水號。

2.5 文件編碼規范

針對智慧漁業傳感系統涉及技術文件在工程周期內歸檔、版本管理等需求，進行編碼規范如圖5所示。

根據圖5說明文件編碼方法。A為大寫英文字母；N為阿拉伯數字。設計單位代號是圖紙設計單位所對應的代號，一般選取英文名稱的三個核心單詞首字母大寫，若沒有英文名稱則選擇三個核心詞拼音首字母大寫。工程代號為設計單位根據在工程立項之初，設置的工程代號。文件類型為文件的技術屬性代號，總體設計報告（TD）、系統說明報告（SD）、部署說明報告（DI）、設備選型清單文件（ES）、負荷計算表文件（LC）、電氣鏈路說明報告（EL）、通信鏈路說明報告（CL）、系統試驗大綱（TP）、設備安裝作業指導書（EI）、線纜敷設作業指導書（WL）、設備校準文件（EC）、系統調試報告（SC）、用戶操作手冊（UM）、工程維保手冊（EM）、總結報告（SR）等。文件序號為整個工程的文件唯一流水號。

2.6 過程編碼規范

智慧漁業傳感系統設備會處于不同過程狀態，如入庫、布設、損壞、返修等。為便于管理設備過程，進行編碼規范如圖6所示。

根據圖6說明文件編碼方法。A為大寫英文字母；N為阿拉伯數字。設備流水號為結構件所附屬被安裝設備的唯一流水號。過程代碼為設備所處過程狀態代碼，包含入庫（S）、布設（L）、故障（F）、返修（R）等。起始時間是指設備所處過程狀態的開始時間，格式為年（公元紀年后兩位）月（兩位數）日（兩位數）。過程周期是指設備從該狀態距離下一個過程的時間周期，如入庫的庫存周期、布設的校準周期、故障的維修周期、返修的寄回周期，時間標識為年（Y）、月（M）、周（W）、日（D），時間周期用兩位數表示。

3 結語

圍繞海洋牧場智慧漁業體系化建設需求，本文從傳感系統功能、組成及架構等深入分析了海洋牧場智慧漁業傳感系統，為建設智慧漁業傳感器硬件生態、軟件生態及其統一標準提供前期基礎。同時圍繞設備、線纜、結構件、圖紙、文件及過程等六種類型進行編碼規范研究。通過統一的編碼方法和系統，協調與統一智慧漁業傳感系統方案設計方、養殖平臺制造方、設備生產方、系統集成方等不同工程角色的工作解耦，并提高智慧漁業傳感系統工作效率與質量。海洋牧場智慧漁業傳感系統及其編碼規范研究，可為實現大規模深遠海漁業養殖裝備產業和養殖產業的可持續發展奠定基礎，并推動形成集約化、規模化和智能化的現代海洋牧場技術鏈和產業鏈。

作者簡介

李俞鋒，碩士，助理研究員，研究方向為海洋光學與水下傳感。

楊仁友，通信作者，博士，正高級工程師，研究方向為智慧漁業與水下機器人。

（責任編輯：張佩玉）