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解析海洋牧场自动监测系统现状

2020-04-21 410 上传者：管理员

摘要：海洋牧场通过对天然的海洋生态环境的利用，有目的、有计划性的对渔业等海洋资源进行海上养殖，从而达到可持续的现代生态渔业发展和海洋生态修复的目的。在海洋牧场中监测技术是海洋牧场建设的核心部分。文章通过对海洋牧场长时在线监测技术的现状的了解，海洋牧场多环境因子长时监测、海洋牧场水下生物视频监测技术进行了探索和讨论，使用浮标的原位长时自动监测技术与无人船动态监测相结合的方式实现对海洋牧场点、面的长时实时监测。

关键词：
在线监测
无人船
浮标平台
海洋牧场
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海洋牧场是指在一个特定的海域里，为了有计划地培育和管理渔业资源而设置的人工渔场，其较好地实现了渔业工程技术与生态渔业的结合，实现了经济、生态、资源可持续发展的理念[1]。海洋牧场环境监测以及水下养殖生物实时监测是海洋牧场建设的重要方向之一[2]。伴随人口数量的增加和陆地资源的不断减少，以及工业时代到来和科技的不断发展，人类在资源开采上存在过度开采、肆意破坏等行为，原本保持平衡的海洋生态系统被打破了。为满足人们不断增长的各种需求，人们对于海洋生物资源的开发、利用也越来越强烈，过度的捕捞、资源衰竭等问题不断突出，再加上养殖业本身的污染以及沿海城市的发展、工业的开发等，使沿海生态环境受到了非常严重的破坏，有的大型海藻、鱼类、贝壳类经济生物资源严重匮乏，甚至有的鱼类资源已接近灭绝。北方海域的部分大型藻场出现了退化现象，南方海域的珊瑚礁系统也被明显破坏。尤其是这些年海渔业资源的不断减少，使海洋资源可再生利用成为了国家重视的问题之一。所以在这样的背景下，海洋牧场的建设也开始不断发展。目前海洋牧场长时在线监测系统主要包括两种形式：基于浮标的多环境因子自动监测系统；基于海底有缆的在线监测系统。利用浮标进行监测，主要是获取水面的各项环境参数因子，无法完成水下视频、水下环境参数获取，且仅能完成牧场环境一个点的参数获取。基于海底有缆的在线监测系统，目前主要分为高压电缆与光缆两种，都需要岸端有复杂的系统和设备与之对接，成本太高，且监测仅局限于海底参数与海底视频，推广与应用具有很大的局限性。为了保护海洋生态环境、海洋渔业资源，实现可持续发展，满足人们对于各种优质海产品的需求，海洋牧场由此开展。针对海洋牧场多因子、多点的监测需求，海洋牧场自动监测系统，应该集传感器技术、新型材料、海洋信息技术、多种远程通信技术于一体，可实现按需定点多路视频采集，水下按需定点多环境因子、海洋剖面多环境因子等自动监测，并最好可完成牧场鱼群种类识别与数量统计。针对海洋牧场需求与现有技术的优缺点，本文提出了基于浮标改进的原点监测系统与利用无人船动态监测相结合的方案。

1、基于浮标改进的原点监测系统

对海洋生态开展跟踪监测、分析，完善海域使用以及环评中的监测工作是不可缺少的。因为人类对大海认知非常有限，当前海洋生态仍处在初级开发阶段中，对海洋区域的科学、合理使用，以及海洋生态因子对于其影响的研究仍存在一定问题，无法准确预测有关因子对于海洋环境影响程度、范围，所以需要通过对各因子进行跟踪、监测，获得实际环境影响的资源。基于浮标改进的原点监测系统完成海洋牧场中海水温度、盐度、流速剖面、pH值、溶解氧等环境要素和生物的运动状态及生活习性的水下、水上观测系统，开发全时海洋牧场数据监控系统，完成数据的云平台存储和岸基大数据展示，进而实现对海洋牧场生态环境的长期连续实时监控，如图1所示。

图1 海洋牧场浮标自动监测系统示意

（1）浮标本体。采用现成的3米直径或者5米直径浮标，但需要对部分设备进行改进，浮标锚泊系统需要与光缆线进行结合，光缆线能够连接到水下人工鱼礁上，进行固系，并需留足够长度，防止风浪对线缆造成破坏。

（2）水质参数探测。：包括含有温度、盐度、流速剖面、pH值、溶解氧等环境要素传感器，并连接处理器，采用485或者并行串口总线实现数据的采集，处理器将数据采集并打包形成新帧。

（3）水下云台视频图像采集装置。含有水下摄像机与水下云台，可实时完成对摄像头的180°旋转。水下云台固定在人工鱼礁上，水下摄像机用于监测人工鱼礁附近的生物信息。

（4）数据处理系统。单浮标数据系统一方面用于水质环境参数实时监测，另一套用于水下生物实时监测，以实现水质参数实时获取和水下影像观测，获取更加完整的海洋环境和水下生物信息。水下传输：多路传感参数信息传输采用485总线或平行串口方式传输到处理器，处理器进行数据处理后，对其数据通过网口传输；水下视频传输采用视频压缩技术，经过DSP处理后，通过网口传输；两路网口连接光纤收发信机，完成从网口到光口的转换，并完成水下信号传输。水上传输：通过光纤收发信机连接水下传输数据，并增加水上信号处理部分，对多路传感参数信息（包括GPS与AIS信息），采用数传模块或者移动通信网（GPRS/3G/4G）等方式进行传输。对两路视频信号进行视频压缩后采用无线网桥或者4G网络方式进行传输。

（5）接收与显示。利用无线传输端对应的方式接收，在接收基础上，进行数据的存储与显示，平台完成海洋牧场环境因子、视频实时监测；海洋牧场各数据存储与数据积累管理；牧场鱼群种类分类筛选与数量统计；并利用Web方式完成数据图显示信息的服务器发布，用户可依据瘦客户端如手机、电脑、Pad等完成数据的实时获取。

2、基于无人船的动态监测系统

目前海洋牧场动态监测主要由人工方式进行，人工搭载船只，携带水下ROV（遥控无人潜水器），ROV搭载视频摄像头，并可搭载环境参数传感器，采用人工遥控方式完成水下牧场生态与生物习性监测。本文主要利用子母船结构实现无人母船控制ROV，ROV平台搭建成像系统与环境参数传感器，完成海洋环境水质成分，水下环境，藻类浓度，鱼群多样性等监测。基于无人船的动态监测系统其结构组成包括：地面站控制系统、无人母船系统、ROV系统。如图2所示，无人船系统处于海上/湖泊，ROV随无人船出海，无人船具备在海上定点位置，完成ROV的释放回收、运动控制、各类参数获取与水下视频传输，地面站系统可实时监控无人船、ROV控制参数、传感参数等，并可在地面站对无人母船、ROV进行控制（无人船与ROV设计牵扯较多，在本文中不做描述）。

图2 无人船及ROV平台结构组成

3、海洋牧场监测提升方法

（1）加强防备方针的拟定、落实，有效制约海洋环境的退化，争取更多的资金支持，加快渔港的建设和渔港配套设备的建设。进一步优化海洋牧草环境监测指标，加快监测的频率以及对牧场环境的评估，对海洋牧场生物多样性做好调查、评估，合理建设牧场。

（2）加大引入先进技术，加中水产养殖技术培训，实现精细养殖、立体化养殖，让海洋牧场可以发挥最大的潜力。

（3）加强调查研究，借鉴国内、国外先进管理经验，构建科学的海洋牧场管理体系，实现科学化管理。根据有关最新制度，结合实际，加强立法调查，完善海洋牧场有关制度。

4、结论

目前国内海洋牧场建设已有一定规模，但因为只处在起步的阶段，存在着规模小，基础薄弱、未形成完整科学养殖体系等各种问题。虽然国内有学者对此开展了专项研究，但由于时间问题未获得更多的数据支持，大型理论体系无法得以建设，对于海洋牧场科学化分布、饲养等带来了较大问题。但海洋牧场的自动监测以及分析系统，可对海洋牧场内海洋的环境进行动态监测，实现各海洋牧场的信息共享，通过数据分析得到海洋鱼类养殖的最好环境，实现海洋生物的可持续、可再生的利用。在本研究中，以基于浮标改进的原点监测系统为主，利用与无人船动态监测辅助相结合的方案，可以依据海洋牧场需求，完成海洋牧场多点视觉、多环境因子参数获取，鱼群种类分类筛别与数量统计，实现信息发布等功能，完成现代海洋牧场自动监测系统。但在实现过程中，浮标系统需要完成水下信号获取，为防止风浪较大，扯断光缆信号，牧场区域风浪不可过大；另由于定点浮标系统需要多路视频信号采集、压缩与传输，整个系统用电量较大，仅靠浮标本体太阳能充电、供电，电量不足，在使用过程中，需定期人为进行蓄电池更换与充电，或者可采用视频监测平时中断，在需要的时候开启这种方式来达到省电的目的。

参考文献：

[1]田涛,陈勇,陈辰,等.獐子岛海洋牧场海域人工鱼礁区投礁前的生态环境调查与评估[J].大连海洋大学学报,2014,29(1):75-81.

[2]邢旭峰,王刚,李明智,等.海洋牧场环境信息综合监测系统的设计与实现[J].大连海洋大学学报,2017,32(1):105-110.

谢鑫刚,徐元哲,吴路光,等.海洋牧场自动监测系统研究[J].现代信息科技,2020,4(1):102-103,106.

基金项目:海南省重点研发项目(ZDYF2017014);三亚市院地科技合作项目(2019YD12);海南热带海洋学院校青年基金重点项目(RHDQN2018(17)).