面向深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 楠，任 翀，王田野，曾軍財(cái)

（1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

0 引言

海洋漁業(yè)正從傳統(tǒng)的海洋捕撈向深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖方向發(fā)展[1]。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）2020年統(tǒng)計(jì)，全球捕撈產(chǎn)量自21世紀(jì)以來(lái)基本穩(wěn)定，而水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量逐年攀升，預(yù)計(jì)在2030年前后將超過(guò)捕撈產(chǎn)量[2]。隨著近海自然漁業(yè)資源的減少和環(huán)境保護(hù)壓力的增加，未來(lái)水產(chǎn)品增量將更加依賴深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。我國(guó)《全國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出全面提升遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源開發(fā)能力，推動(dòng)建設(shè)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)帶，大力發(fā)展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，促進(jìn)海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變漁業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式。

發(fā)展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖需要先進(jìn)的養(yǎng)殖裝備作為支撐。基于養(yǎng)殖網(wǎng)箱實(shí)施自動(dòng)化、智能化養(yǎng)殖，是提升養(yǎng)殖規(guī)模和效益、降低人員工作強(qiáng)度和養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)的重要手段。對(duì)養(yǎng)殖海域環(huán)境實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是養(yǎng)殖自動(dòng)化、智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。面向深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖需求，基于高精度溫鹽深測(cè)量?jī)x、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)處理與集成等關(guān)鍵技術(shù)，研制與深遠(yuǎn)海大型智能化養(yǎng)殖網(wǎng)箱配套的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?yàn)樯钸h(yuǎn)海養(yǎng)殖提供技術(shù)與裝備支撐，推動(dòng)海洋漁業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，深水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱等高端漁業(yè)裝備蓬勃發(fā)展，代表性產(chǎn)品包括世界首座深海半潛式智能網(wǎng)箱“Ocean Farm 1”（圖1[4]）、目前容量最大的網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)養(yǎng)殖工船“HAVFARM 1”（圖2[5]）等。目前，深水網(wǎng)箱核心技術(shù)被挪威、日本、加拿大、俄羅斯等國(guó)所壟斷。我國(guó)網(wǎng)箱養(yǎng)殖已有一定規(guī)模，但主要分布在內(nèi)灣和近海，養(yǎng)殖密度高，水體質(zhì)量差[6]。我國(guó)深水網(wǎng)箱等養(yǎng)殖裝備起步較晚，核心裝備主要依靠進(jìn)口，本土化配套能力不足，限制了我國(guó)養(yǎng)殖裝備的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[7-9]。

圖1 挪威“Ocean Farm 1”深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱Fig. 1 Norwegian Ocean Farm 1 deep-sea aquaculture cage

圖2 “HAVFARM 1”深海養(yǎng)殖工船F(xiàn)ig. 2 HAVFARM 1 deep-sea mariculture vessel

在網(wǎng)箱養(yǎng)殖監(jiān)控技術(shù)方面，主要是結(jié)合傳感器和有線/無(wú)線通信技術(shù)獲取海洋環(huán)境、生物狀態(tài)、養(yǎng)殖設(shè)施的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。這些方案普遍采用2級(jí)模型：養(yǎng)殖點(diǎn)和監(jiān)控中心。由養(yǎng)殖點(diǎn)的傳感器采集數(shù)據(jù)，再用有線或無(wú)線的方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。例如，海南陵水“5G+海洋牧場(chǎng)” 采用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集成網(wǎng)箱海洋環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)深海網(wǎng)箱水質(zhì)水文環(huán)境及內(nèi)部狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)（圖3[10]）。

圖3 海南“5G+海洋牧場(chǎng)”海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig. 3 Hainan 5G+Ocean Farm marine environmental monitoring system

2 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱數(shù)字化管理和集約化養(yǎng)殖需求，基于高精度溫鹽深測(cè)量?jī)x、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)處理與集成等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了與深遠(yuǎn)海大型智能化養(yǎng)殖網(wǎng)箱配套的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度、鹽度、溶解氧等海洋環(huán)境要素的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1 系統(tǒng)組成

對(duì)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(shè)計(jì)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(yīng)考慮將案件移送到另一成員國(guó)對(duì)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(huì)對(duì)兒童的狀況產(chǎn)生不利影響②Case C 428/15，27 October 2016，para.62-65.。

CTD是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)具有決定性影響。CTD由溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、壓力傳感器、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路、綜合控制系統(tǒng)、耐壓艙等組成。測(cè)量時(shí)，由傳感器感應(yīng)海水的溫度、電導(dǎo)率及壓力要素，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將物理量變成電信號(hào)輸出，由綜合控制系統(tǒng)接收并通過(guò)通信接口傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。高精度CTD研制的核心工作是溫度、壓力和電導(dǎo)率3種傳感器的研制，重點(diǎn)為電導(dǎo)率傳感器研制。

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、數(shù)傳子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)等組成（圖4）。軟件主要是上位機(jī)軟件。

圖4 系統(tǒng)組成Fig. 4 System composition

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括搭載的各式傳感器、配套的電平轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換元器件等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，負(fù)責(zé)采集海洋環(huán)境參數(shù)?？刂谱酉到y(tǒng)包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主控Soc與其配套的控制程序，根據(jù)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(jiān)測(cè)各部件運(yùn)行狀態(tài)，將操作結(jié)果與運(yùn)行信息反饋至監(jiān)控中心。數(shù)傳子系統(tǒng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)至中控系統(tǒng)，轉(zhuǎn)發(fā)控制指令至各傳感器。能源子系統(tǒng)負(fù)責(zé)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)供電，采用備用電池設(shè)計(jì)，在主電源切斷的情況下可臨時(shí)供電，保證系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。上位機(jī)軟件是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與集中控制系統(tǒng)及控制人員的接口，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)處理與集成。

2.2 監(jiān)測(cè)規(guī)劃

今年以來(lái)，在收藏市場(chǎng)眾多郵品中，《改革開放四十周年》郵票珍藏冊(cè)脫穎而出，如《鄧小平同志誕生一百周年》紀(jì)念郵票、《中國(guó)共產(chǎn)黨十一屆三中全會(huì)二十周年》紀(jì)念郵票、《改革開放三十周年》紀(jì)念郵票、《改革開放四十周年》紀(jì)念郵票。其中，《改革開放三十周年》紀(jì)念郵票是“改革開放”系列題材的首枚郵票，作為十年一發(fā)的主題系列郵票，這枚郵票的龍頭效應(yīng)也已凸顯。小型張四方連整版票珍貴版式價(jià)值走高?！陡母镩_放四十周年》郵票珍藏冊(cè)收錄的郵票版式包含：四方連、小型張、整版票。以上三個(gè)版式，均是郵市價(jià)格持續(xù)保值、走高的郵票版式，更在集郵圈備受歡迎。

企業(yè)以電子信息為媒介，對(duì)財(cái)物監(jiān)控采用了新的管理模式，使得企業(yè)成本大大降低。同時(shí)，非結(jié)構(gòu)化處理的模式利于企業(yè)將數(shù)據(jù)直接傳送到財(cái)務(wù)信息系統(tǒng)中心進(jìn)行勘測(cè)，促進(jìn)了財(cái)務(wù)管理的集中化。高級(jí)管理人員由此掌握了財(cái)務(wù)的控制權(quán)力，根據(jù)市場(chǎng)變動(dòng)，及時(shí)做出調(diào)整。

那羅寨礦原煤質(zhì)量見表1。考慮到礦井原煤質(zhì)量及生產(chǎn)成本，依據(jù)洗選加工效益最大化原則，該礦原煤按動(dòng)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(fā)熱量物料直接作為動(dòng)力煤產(chǎn)品銷售，篩上高灰低發(fā)熱量物料進(jìn)入重介質(zhì)分選系統(tǒng)。在原煤篩分破碎樓新增一套分級(jí)系統(tǒng)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，保證了礦井劣質(zhì)原煤生產(chǎn)，同時(shí)又降低了洗選加工成本。

以圖5所示網(wǎng)箱（直徑110 m，工作吃水40 m）為例，在網(wǎng)箱的中央及外圍立柱的不同深度設(shè)置若干個(gè)水下監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)表、中、底層水體覆蓋。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均配備溫度、電導(dǎo)率、溶解氧和壓力等通用傳感器。在中央立柱設(shè)置海流傳感器。在網(wǎng)箱平臺(tái)設(shè)置水上監(jiān)測(cè)點(diǎn)，配備姿態(tài)、氣象等傳感器。此外，可根據(jù)養(yǎng)殖產(chǎn)品種類的不同選配其他傳感器（表1）。

圖5 養(yǎng)殖網(wǎng)箱示意圖Fig. 5 Diagram of aquaculture cage

表1 監(jiān)測(cè)規(guī)劃Table 1 Monitoring planning

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 高精度溫鹽深測(cè)量?jī)x（CTD）

有些應(yīng)該保持有限速度。比如說(shuō)抓改革、謀發(fā)展，確實(shí)是慢不得也急不得，既要防止錯(cuò)過(guò)改革發(fā)展的最佳機(jī)遇，又要防止因舉措失當(dāng)、發(fā)展失衡造成不必要的損失，力爭(zhēng)做到蹄疾步穩(wěn)。再如，中國(guó)高鐵的“落地”，從“和諧號(hào)”到“復(fù)興號(hào)”，從時(shí)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(duì)規(guī)律的尊重，也有對(duì)發(fā)展的負(fù)責(zé)，更有對(duì)生命的敬畏?！?/p>

研制的七電極電導(dǎo)率傳感器具有較高的測(cè)量精度，其電導(dǎo)池實(shí)現(xiàn)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(dǎo)流空間大，響應(yīng)時(shí)間快。七電極電導(dǎo)率傳感器的電導(dǎo)池兩端有2個(gè)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(jié)構(gòu)形式，具有快速響應(yīng)、耐高壓等特點(diǎn)。此外，還研制了硅壓阻型壓力傳感器（圖6）。

圖6 電導(dǎo)率、溫度、壓力傳感器Fig. 6 CTD sensors

完成CTD樣機(jī)加工及相關(guān)調(diào)試后，為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，利用CTD校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室開展了傳感器校準(zhǔn)（圖 8）。通過(guò)試驗(yàn)方法建立了傳感器輸入輸出關(guān)系，進(jìn)而獲得校準(zhǔn)系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。

圖7 測(cè)量電路Fig. 7 Measurement circuit

針對(duì)網(wǎng)箱監(jiān)測(cè)點(diǎn)多套CTD同時(shí)工作的應(yīng)用場(chǎng)景，在測(cè)量電路（圖7）設(shè)計(jì)方面采用了低功耗及抗干擾設(shè)計(jì)。通過(guò)選用低功率器件，降低功耗及溫度。通過(guò)降低單片機(jī)的晶振頻率，減小來(lái)自電源的噪聲，在盡量靠近 A/D轉(zhuǎn)換器處接地以及屏蔽振蕩器區(qū)域，來(lái)增強(qiáng)抗干擾能力。

圖8 傳感器校準(zhǔn)Fig. 8 Sensor calibration

3.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

由于深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖水域遠(yuǎn)離海岸，需采用有線/無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)箱數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至岸站。綜合考慮成本、功耗及通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，采用網(wǎng)箱有線組網(wǎng)、網(wǎng)箱與岸站間無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方案。網(wǎng)箱監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器通過(guò)串口服務(wù)器、網(wǎng)線等連接至以太網(wǎng)交換機(jī)，組成局域網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)箱與岸站間架設(shè)一對(duì)無(wú)線網(wǎng)橋，上位裝置以及無(wú)線網(wǎng)橋也連接至千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱與岸站監(jiān)控中心的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線網(wǎng)橋采用 airFiber?X AF-2X，具有高達(dá)17.1 Mbps/MHz的頻譜效率，發(fā)射距離超過(guò)200 km，吞吐量大于500 Mbps，可以設(shè)置不同的上行與下行任務(wù)周期來(lái)滿足非對(duì)稱流量需求。如圖9。

圖9 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig. 9 Diagram of data transmission network

4 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至岸站，通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)處理與集成。上位機(jī)軟件的主要功能為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，將采集的數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息進(jìn)行圖形化集成顯示，便于中控系統(tǒng)控制以及人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)提供下位機(jī)控制接口，將上位機(jī)控制指令實(shí)時(shí)傳輸給數(shù)采子系統(tǒng)。軟件具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸出及傳感器控制等功能。軟件可采集溫度、電導(dǎo)率/鹽度、壓力/深度、溶解氧、流速、流向及姿態(tài)等參數(shù)以及工作狀態(tài)信息，采集頻次可調(diào)；采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)；以文字、實(shí)時(shí)曲線等方式顯示；以UDP報(bào)文形式輸出至中控系統(tǒng)；可控制傳感器開關(guān)及觀測(cè)頻次。

軟件開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio。數(shù)據(jù)接入部分使用C#/Golang/Rust編寫，從串口接收解析消息幀，發(fā)送操作指令，采用第三方WebSocket庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)方面，由于需承載的數(shù)據(jù)量較小，選擇應(yīng)用廣泛的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite和MariaDB。系統(tǒng)需要管理主要資源是設(shè)備和數(shù)據(jù)信息，因此數(shù)據(jù)表分為2類，分別存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)據(jù)信息。每一類數(shù)據(jù)表均有1張總表，保存所有設(shè)備的基本信息和所有消息的基本信息，作為指向詳細(xì)信息的索引。對(duì)于每一種設(shè)備/消息，均有一張?jiān)O(shè)備/消息表存儲(chǔ)所有該類設(shè)備/消息特定的信息。應(yīng)用服務(wù)器連接數(shù)據(jù)接入單元，同數(shù)據(jù)庫(kù)通信，對(duì)外提供 RESTful API。瀏覽器即可作為客戶端，簡(jiǎn)化額外軟件要求。使用WebSocket + Json交換數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)顯示傳感器數(shù)據(jù)，使用Echarts 3和Measurement Studio可視化歷史數(shù)據(jù)。觀測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，除使用客戶端查看歷史曲線外，還可以使用通用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件（DBeaver、Navicat等）管理數(shù)據(jù)，也可導(dǎo)出為通用格式（.xls、.csv、.txt等）進(jìn)行后續(xù)處理。

5 水池功能驗(yàn)證試驗(yàn)

開展了海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（包括CTD及上位機(jī)軟件）的水池功能驗(yàn)證試驗(yàn)（圖 10），對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)裙δ苓M(jìn)行了初步驗(yàn)證。通過(guò)與美國(guó)海鳥SBE–37 CTD的水池比測(cè)，系統(tǒng)工作狀況正常，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正確、穩(wěn)定、可靠。

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

6 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了溫度、鹽度、溶解氧等海洋環(huán)境要素的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但在長(zhǎng)期工作可靠性等方面仍有待檢驗(yàn)，在監(jiān)測(cè)要素及數(shù)據(jù)處理應(yīng)用方面仍有待拓展。下一步，計(jì)劃研發(fā)集成化學(xué)、生物等多要素傳感器，開展監(jiān)測(cè)設(shè)備海上長(zhǎng)期應(yīng)用試驗(yàn)，開發(fā)水質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)警等數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品，滿足數(shù)字化管理和集約化養(yǎng)殖需求，提升海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)及漁業(yè)養(yǎng)殖裝備國(guó)產(chǎn)化水平，助力“藍(lán)色糧倉(cāng)”建設(shè)。