遠(yuǎn)洋漁船電子監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)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(xué)航海與船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116023；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200090；3.浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江舟山 316021）

遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源的合理開發(fā)，可保障優(yōu)質(zhì)蛋白持續(xù)供給，改善漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)業(yè)國際競爭力，維持漁業(yè)可持續(xù)捕撈，因此對(duì)遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源實(shí)施監(jiān)管具有重大意義［1-2］。從1990年至2018年，全球捕撈漁業(yè)總產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定，海洋捕撈漁業(yè)產(chǎn)量占比達(dá)87.5%，其中遠(yuǎn)洋漁業(yè)產(chǎn)量逐年增加［3-4］。隨著內(nèi)陸和近海漁業(yè)資源的匱乏，現(xiàn)今遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源正在被全世界迅速開發(fā)，為了防止遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源被開發(fā)過度，對(duì)其有效監(jiān)管和制定監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。自1982年以來，《聯(lián)合國海洋法公約》等相關(guān)公約要求所有成員國履行海洋資源養(yǎng)護(hù)和管理義務(wù)［5-7］，為了監(jiān)控處于可持續(xù)水平魚類種群的合理捕撈和不可持續(xù)水平魚類種群的有效保護(hù)，很多國家已經(jīng)采用了無人機(jī)或者巡邏船、漁船船舶監(jiān)視系統(tǒng)（VMS）、自采樣、觀察員等方法監(jiān)管遠(yuǎn)洋漁船［2］。這些方法對(duì)監(jiān)管遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源的開發(fā)起到了積極作用，但因不能準(zhǔn)確審計(jì)魚種數(shù)據(jù)或人工審計(jì)費(fèi)時(shí)等原因而尚未實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)管［8-9］。隨著衛(wèi)星遙感、攝像機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)步，電子監(jiān)控（electronic monitoring，EM）獲取的數(shù)據(jù)和觀察員相差無幾［2，10］。如今EM已經(jīng)應(yīng)用到許多國家的遠(yuǎn)洋漁船，用于獲取目標(biāo)漁獲物的數(shù)據(jù)和監(jiān)控被誤捕的珍稀海洋生物的放生過程。

EM的應(yīng)用最開始是為了監(jiān)控不列顛哥倫比亞省捕蟹陷阱的數(shù)量，以控制漁獲量并防止?jié)O具被盜［1］。2002年，隨著對(duì)海洋資源的監(jiān)管，阿拉斯加延繩釣漁業(yè)對(duì)EM進(jìn)行測試，以記錄鰈形目（Pleuronectiformes）魚類漁業(yè)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(guān)漁業(yè)法規(guī)［2］。2003年，為了監(jiān)測刺網(wǎng)和拖網(wǎng)以及海洋哺乳動(dòng)物和海鳥的相互作用，新西蘭啟動(dòng)一項(xiàng)EM計(jì)劃［1］。歐盟EM試驗(yàn)始于2008年，一些歐盟成員國采取激勵(lì)措施來減少漁船丟棄的遠(yuǎn)東寬突鱈（Eleginusgracilis）數(shù)量，并資助EM試驗(yàn)來驗(yàn)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(yè)中進(jìn)行了測試［10，13］。同時(shí)，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(yàn)中也加入了EM［1，14-15］。從2015年到2016年，法國熱帶金槍魚圍網(wǎng)漁船通過對(duì)比EM與觀察員收集的非目標(biāo)漁獲物和拋棄物數(shù)據(jù)，測試了EM的效率［16］。2018年，西班牙兩個(gè)金槍魚圍網(wǎng)協(xié)會(huì)開始對(duì)捕魚活動(dòng)實(shí)行100%EM覆蓋［1］。同年，中國在熱帶太平洋西部進(jìn)行EM試驗(yàn)，對(duì)EM與觀察員收集的21組同一航行期間的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，EM可用于增強(qiáng)觀察者計(jì)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(tǒng)，該系統(tǒng)具有記錄漁船活動(dòng)和監(jiān)測冷鏈數(shù)據(jù)等功能［18］。在視頻影像智能分析方面，已經(jīng)可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提取文本信息判斷漁船的狀態(tài)［19］。近幾年，由于EM在遠(yuǎn)洋漁船的廣泛應(yīng)用，不同類型漁具的EM標(biāo)準(zhǔn)也在加快制定和不斷完善。2017年，大西洋金槍魚資源保護(hù)委員會(huì)（ICCAT）采用了EM系統(tǒng)的圍網(wǎng)最低標(biāo)準(zhǔn)［20］。2020年5月，國際海產(chǎn)品可持續(xù)發(fā)展基金會(huì)（ISSF）和印度洋金槍魚委員會(huì)（IOTC）等編寫了一份關(guān)于EM安裝、收集、分析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最低標(biāo)準(zhǔn)的論文。

本文通過綜述EM在遠(yuǎn)洋漁船的應(yīng)用，著重分析了國內(nèi)外遠(yuǎn)洋漁船的EM基本組成和運(yùn)用EM監(jiān)管各種目標(biāo)的具體方法，簡述了EM在3種常見漁具的應(yīng)用情況和目前可應(yīng)用于遠(yuǎn)洋漁船的EM產(chǎn)品具備的功能，分析現(xiàn)階段EM的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來EM研究方向提出建議，以期為EM在遠(yuǎn)洋漁船的應(yīng)用和進(jìn)一步研究提供參考。

1 遠(yuǎn)洋漁船EM方法

1.1 EM系統(tǒng)組成

EM系統(tǒng)通常由各種傳感器、攝像頭、GPS接收器和計(jì)算機(jī)硬件組成（圖1），主要記錄捕撈作業(yè)及漁船實(shí)時(shí)位置等信息。目前各類傳感器中液壓傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器在EM系統(tǒng)應(yīng)用較多，高清數(shù)碼攝像機(jī)也已在遠(yuǎn)洋漁船中應(yīng)用［1-2］。監(jiān)控主機(jī)將視頻、漁船經(jīng)緯度、時(shí)間等信息整合、管理，視頻信息防篡改技術(shù)也逐漸應(yīng)用到EM中［21］。隨著存儲(chǔ)密度及存儲(chǔ)容量的增加，硬盤可以存儲(chǔ)更多內(nèi)容。漁船在海上作業(yè)時(shí)，利用定位等技術(shù)獲取漁船相關(guān)數(shù)據(jù)，比如航速、船位等信息，信息通過海事衛(wèi)星等通訊方式傳回。當(dāng)漁船靠港時(shí)，可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊（4G，WIFI）傳輸視頻數(shù)據(jù)，還可以拆卸硬盤帶回漁業(yè)企業(yè)或漁業(yè)監(jiān)管部門。

圖1 EM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及獲取的數(shù)據(jù)Fig.1 Schematic diagram of electronic monitoring system structure and acquired data

1.2 不同目標(biāo)漁獲的EM方法

目前各國EM應(yīng)用于船端的方法基本類似，即使用攝像機(jī)獲取完整有效的捕撈作業(yè)視頻［22］，運(yùn)用滾筒上的旋轉(zhuǎn)編碼器獲取滾筒圈數(shù)，進(jìn)而估算出網(wǎng)長度，最終匯總到計(jì)算機(jī)監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行初步處理，實(shí)現(xiàn)集中管理、本地存儲(chǔ)功能。遠(yuǎn)程終端可以通過海事衛(wèi)星確定漁船位置和航速等輔助性信息，數(shù)據(jù)傳輸目前主要通過硬盤實(shí)現(xiàn)［23-25］。處理獲取的視頻數(shù)據(jù)，目前可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)［26-28］、圖像識(shí)別［29-30］、網(wǎng)格測量等技術(shù)識(shí)別目標(biāo)漁獲物，并測量目標(biāo)漁獲物的長度，再結(jié)合海事衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)，確定漁獲物出現(xiàn)的具體位置，為后期有針對(duì)性地智能監(jiān)控該種漁獲物提供數(shù)據(jù)。

如表1所示，針對(duì)高經(jīng)濟(jì)價(jià)值漁獲物應(yīng)用不同的EM方法開展試驗(yàn)，獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一是可以驗(yàn)證EM方法的可靠性，二是可為研討和制定EM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)作依據(jù)，對(duì)遠(yuǎn)洋漁業(yè)的可持續(xù)性發(fā)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(lán)鱈（Micromesistiuspoutassou）、歐洲沙丁魚（Sardinapilchardus）、日 本 鯖（Scomber japonicus）、黃鰭金槍魚（T.albacores）等，累計(jì)占比約30%，其中，鱈魚類、金槍魚類等在近幾年漁獲量統(tǒng)計(jì)中創(chuàng)新高［3］。監(jiān)管上述捕撈產(chǎn)量高的魚種可快速規(guī)范捕撈產(chǎn)業(yè)［31］。近十年來，澳大利亞有6個(gè)EM項(xiàng)目，以金槍魚、比目魚等為主要目標(biāo)；美國有5個(gè)EM項(xiàng)目，對(duì)藍(lán)鰭金槍魚（T.thynnus）、鰈形目和大馬哈魚（Oncorhynchusketa）等多種魚類的捕撈進(jìn)行監(jiān)測［1］。中國對(duì)金槍魚的捕撈監(jiān)測也應(yīng)用了EM。

表1 各種監(jiān)測目標(biāo)的電子監(jiān)控項(xiàng)目試驗(yàn)［1］及方法Tab.1 Experiments［1］and methods of electronic monitoring items for various monitoring targets

2 EM系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著越來越多的國家開展EM項(xiàng)目試驗(yàn)，結(jié)果表明，EM可替代一部分觀察員來記錄漁船數(shù)據(jù)且效果良好［17，32-33］，使得EM在漁業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域的地位逐漸穩(wěn)固。許多應(yīng)用于漁業(yè)的EM技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，可為不同類型遠(yuǎn)洋漁船提供適合的EM系統(tǒng)。根據(jù)表2可了解目前不同公司的EM系統(tǒng)具備的功能。其中Archipelago生產(chǎn)的EM系統(tǒng)適用于小型近海漁船、大型遠(yuǎn)洋船，目前已經(jīng)裝備了600多艘漁船；Saltwater研發(fā)的EM系統(tǒng)幾乎適用于所有漁船；Anchor Labs、Satlink適用于商業(yè)船；Digital Observer Services專門用于金槍魚圍網(wǎng)漁船。EM系統(tǒng)均具備GPS接收、硬盤驅(qū)動(dòng)器傳輸數(shù)據(jù)、高清攝像頭拍攝等基本功能，且各公司的技術(shù)人員可根據(jù)漁船類型提供合理的安裝方案。

表2 各公司的電子監(jiān)控系統(tǒng)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(yīng)用進(jìn)展

遠(yuǎn)洋漁船捕撈成本高，航次時(shí)間較長，為了一次性獲得較高的漁獲量，往往選擇捕撈產(chǎn)量高、捕撈效率高的漁具，如延繩釣、圍網(wǎng)、拖網(wǎng)等。在裝備了上述3種漁具的漁船中，金槍魚圍網(wǎng)漁船、超低溫延繩釣漁船和大型拖網(wǎng)加工漁船等在遠(yuǎn)洋捕撈中使用較普遍。由于這3種漁具的捕撈特點(diǎn)，容易出現(xiàn)過度捕撈，破壞海洋生態(tài)，許多國家已在這類漁具的遠(yuǎn)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(yīng)用較成熟，分布面最廣，數(shù)量和產(chǎn)量很高，本文以金槍魚延繩釣為例介紹EM在延繩釣的應(yīng)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(shù)量和尺寸［34］。該漁具因其捕撈方式獨(dú)特且對(duì)海洋生態(tài)友好，EM應(yīng)用到這種捕撈類型的項(xiàng)目試驗(yàn)效果較好。2015年，大西洋金槍魚延繩釣高度洄游物種（HMS）漁業(yè)中，有112艘延繩釣漁船安裝了EM，用于監(jiān)測藍(lán)鰭金槍魚（T.thynnus）的捕撈［1］；2015年，中國太平洋金槍魚漁業(yè)安裝EM的漁船有33艘［1］；截至2018年安裝EM的斐濟(jì)延繩釣漁船有50艘［1］。

3.2 圍網(wǎng)

圍網(wǎng)是主要由網(wǎng)片、綱索、浮球等構(gòu)成呈長帶形或有網(wǎng)囊的網(wǎng)漁具。采用圍捕或者結(jié)合圍張、圍拖等方式，迫使魚群集中在網(wǎng)囊，從而實(shí)現(xiàn)捕撈。2012年，國際海鮮可持續(xù)發(fā)展基金會(huì)（ISSF）就開始對(duì)熱帶金槍魚圍網(wǎng)漁業(yè)公海EM系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估和測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，EM技術(shù)在金槍魚圍網(wǎng)漁業(yè)監(jiān)測方面具有較大潛力［35］。2017年，印度洋金槍魚委員會(huì)（IOTC）開始采用圍網(wǎng)最低EM標(biāo)準(zhǔn)，但由于圍網(wǎng)漁獲種類較多、捕撈強(qiáng)度大、捕撈量多，當(dāng)時(shí)的EM系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測，為解決該問題，各種針對(duì)不同漁獲物的EM系統(tǒng)被提出，EM技術(shù)得到快速發(fā)展［36-37］。2018年，印度洋、大西洋區(qū)域開展的ANABAC OPAGAC熱帶金槍魚圍網(wǎng)項(xiàng)目中有49艘圍網(wǎng)漁船安裝EM，同年在西班牙20艘金槍魚圍網(wǎng)漁船和供應(yīng)船上安裝了電子眼（electronic eye，EE）系統(tǒng)［1］。

3.3 拖網(wǎng)

拖網(wǎng)主要由拖曳纜繩、采樣鐵框架和網(wǎng)籃等組成，使用漁船拖曳囊袋形網(wǎng)具捕撈目標(biāo)魚群。拖網(wǎng)漁具的捕撈效率較高，捕撈強(qiáng)度大［38-39］，但其中底拖網(wǎng)捕撈會(huì)嚴(yán)重破壞海床，對(duì)海洋生態(tài)平衡造成破壞，所以對(duì)拖網(wǎng)的監(jiān)控很有必要［40-42］。早在2006年，不列顛哥倫比亞省鱈魚漁業(yè)35艘拖網(wǎng)漁船就開展了EM試驗(yàn)［1］；從2008年到2016年，丹麥開展了EM試驗(yàn)，監(jiān)控36艘拖網(wǎng)漁船的漁獲物情況［1］；2018年，美國西海岸底層魚類拖網(wǎng)EM項(xiàng)目（包括針對(duì)鱈魚的EM項(xiàng)目）有36艘拖網(wǎng)漁船安裝EM用于監(jiān)測目標(biāo)漁獲物［1］。

4 EM優(yōu)缺點(diǎn)

EM能在遠(yuǎn)洋漁船上試驗(yàn)并迅速投入使用，得益于它穩(wěn)固的優(yōu)勢（表3）。EM在有溫差、噪聲、風(fēng)雨等惡劣海洋環(huán)境下仍能正常工作，但是觀察員則無法在這種環(huán)境下長時(shí)間工作。而且EM只需要遠(yuǎn)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(yuǎn)洋漁船上設(shè)置一間觀察員專用房間是不現(xiàn)實(shí)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(dòng)物死亡原因，觀察員可以在船上解剖并記錄，而EM無法實(shí)現(xiàn)這種功能；EM無法收集一些特殊類型的數(shù)據(jù)，如：魚類化石等［2］；另外，攝像頭外部經(jīng)常會(huì)沾上水滴，需要定期清理，否則會(huì)影響拍攝質(zhì)量；硬盤容易出現(xiàn)折損，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

針對(duì)EM存在的這些問題，目前已經(jīng)給出其中一部分解決辦法（表3）。EM和觀察員結(jié)合使用可準(zhǔn)確獲取特殊類型數(shù)據(jù)，但成本較高?？梢詫z像頭的清潔等基本維護(hù)技能加入到遠(yuǎn)洋漁船船員培訓(xùn)，則船員可在遠(yuǎn)洋漁船作業(yè)期間保證EM正常收集數(shù)據(jù)。采用高防護(hù)等級(jí)的硬盤，可提高硬盤防破損能力。

表3 電子監(jiān)控的優(yōu)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(jié)與展望

綜上所述，EM技術(shù)在遠(yuǎn)洋漁船的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)逐漸規(guī)范。EM不僅可以在惡劣環(huán)境下替代觀察員的工作，解決了觀察員在遠(yuǎn)洋漁船覆蓋率低的問題，且在無形中對(duì)違法捕撈行為構(gòu)成一種約束。此外，EM記錄的數(shù)據(jù)具有追溯性，可對(duì)歷史數(shù)據(jù)反復(fù)審計(jì)核驗(yàn)。目前基于EM視頻數(shù)據(jù)利用深度學(xué)習(xí)的方法可預(yù)先實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別特定漁獲物，從而獲取遠(yuǎn)洋漁船捕撈數(shù)據(jù)記錄。但是，目前對(duì)EM技術(shù)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(yè)EM數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品更多是針對(duì)目標(biāo)漁獲物，但其對(duì)漁獲品種并不能達(dá)到自動(dòng)識(shí)別，特別是相似漁獲物識(shí)別難度較高；其次，在漁船靠港后第一時(shí)間使用無線將硬盤數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嘘P(guān)部門，比起觀察員或硬盤傳輸數(shù)據(jù)更方便迅速，但遠(yuǎn)洋漁船航行時(shí)間長、數(shù)據(jù)傳輸不及時(shí)的問題仍未解決；最后，近幾年，許多區(qū)域性最低EM標(biāo)準(zhǔn)被應(yīng)用，但并沒有一個(gè)包含不同地區(qū)、不同漁具的最低EM標(biāo)準(zhǔn)被所有國際漁業(yè)組織認(rèn)可，許多草案和區(qū)域性EM標(biāo)準(zhǔn)仍需要更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐以不斷驗(yàn)證和完善［45-50］。因此，在EM技術(shù)未來的研究中，應(yīng)該從以下幾點(diǎn)出發(fā)：

1）開發(fā)具有機(jī)器視覺的攝像頭或分析軟件，使其具備可自動(dòng)識(shí)別漁獲物并計(jì)數(shù)的能力，且遇到受保護(hù)漁獲物上船時(shí)特別標(biāo)記此段拍攝并及時(shí)發(fā)出警告；

2）提升衛(wèi)星傳遞信息的技術(shù)。目前中國北斗系統(tǒng)已具備傳輸短報(bào)文信息的能力，隨著衛(wèi)星傳遞信息技術(shù)的不斷改進(jìn)，未來可按照設(shè)定的時(shí)間間隔不斷地將EM實(shí)時(shí)記錄的捕撈數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星進(jìn)行傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3）制定EM應(yīng)用的國際標(biāo)準(zhǔn)。通過獲取各地區(qū)、各類漁獲物的EM試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(biāo)準(zhǔn)。

4）制定相關(guān)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(shù)據(jù)。

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