基于高通量衛(wèi)星的深遠海網(wǎng)箱智能化養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)

文｜王程 張露 金東東 張曉

1.山東航天電子技術研究所 2.中國衛(wèi)通集團股份有限公司

一、前言

中國是海洋大國，海洋漁業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和海洋經(jīng)濟的重要組成部分，也是中國糧食安全保障的重要組成部分。我國自20 世紀末一直是世界第一的漁業(yè)生產(chǎn)國和水產(chǎn)品貿(mào)易國，但同時，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)存在著現(xiàn)代化、智能化水平不高，勞動強度大、養(yǎng)殖效率低、污染環(huán)境等一系列問題。傳統(tǒng)近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖由于網(wǎng)箱數(shù)量日趨龐大和高度密集的網(wǎng)箱排放，使得近海海域長期處于嚴重超負荷狀態(tài)，再加上城市的發(fā)展、工業(yè)的開發(fā)，沿海生態(tài)環(huán)境已遭到嚴重破壞。深遠海養(yǎng)殖是現(xiàn)代化海洋漁業(yè)發(fā)展新模式，相對近海養(yǎng)殖方式，深遠海養(yǎng)殖可以有效擴展養(yǎng)殖海域，降低海水養(yǎng)殖密度，緩解海洋環(huán)保壓力，是未來海洋牧場發(fā)展的主要方向。

近年來，我國海工裝備制造水平得到快速發(fā)展，尤其是大容量、抗風浪深遠海網(wǎng)箱系統(tǒng)已在多地應用。深遠海網(wǎng)箱體積龐大、離岸較遠，網(wǎng)箱自身一般配備了自動投餌、網(wǎng)衣清洗、發(fā)電儲電等自動化設備，海洋漁業(yè)監(jiān)管部門以及漁業(yè)生產(chǎn)管理者需要對人員作業(yè)情況、海洋資源環(huán)境以及養(yǎng)殖生物狀態(tài)等信息開展遠程實時監(jiān)控，養(yǎng)殖生產(chǎn)過程也需要實現(xiàn)智能化管理。但目前深海養(yǎng)殖面臨的信息傳輸問題仍然突出，智能化水平不高，亟需借助先進的傳感器、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術手段，打造現(xiàn)代化智慧漁業(yè)系統(tǒng)，通過高通量衛(wèi)星通信技術，助推現(xiàn)代化海洋牧場走向深遠海。

二、深遠海養(yǎng)殖現(xiàn)狀及需求

深遠海海洋牧場類型一般為大型深水網(wǎng)箱設備，養(yǎng)殖經(jīng)濟價值較高的魚種，如三文魚、金槍魚、花鱸等。深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱體積大、結(jié)構(gòu)牢固、搭載能力強、能源供給充足，網(wǎng)箱一般配置吊機、自動投餌機、收魚機等設備，具備開展智能化養(yǎng)殖的條件。

雖然網(wǎng)箱硬件設施上存在諸多優(yōu)點，但深遠海網(wǎng)箱同樣存在監(jiān)管困難、水下信息獲取難、離岸信息傳輸難等問題。

1）深遠海網(wǎng)箱養(yǎng)殖生物數(shù)量大，水下環(huán)境復雜，僅僅對水溫、水深、水質(zhì)等生態(tài)環(huán)境信息進行監(jiān)測遠遠不夠，還需要獲得魚群的生物量、活動狀態(tài)、投喂量、網(wǎng)衣的健康狀態(tài)等信息。

2）深遠海網(wǎng)箱一般離岸幾十到上百千米，常規(guī)的4G/5G、微波信號難以覆蓋，信息傳輸非常困難。部分網(wǎng)箱配置了衛(wèi)星通信設備，僅用于養(yǎng)殖人員日常交流、緊急救援使用。

3）信息傳輸?shù)桨痘院?，如何能夠信息自動提取，利用提取到的信息實現(xiàn)魚群智能投喂、魚群異常信息監(jiān)測，減少人工干預，是網(wǎng)箱智能化養(yǎng)殖的主要發(fā)展方向。

當前，常規(guī)海洋監(jiān)測手段包括多環(huán)境因子浮標監(jiān)測系統(tǒng)、海底有纜的視頻監(jiān)測系統(tǒng)等。利用浮標監(jiān)測，主要是獲取水面的各項環(huán)境參數(shù)因子，且僅能完成海洋牧場環(huán)境定點的參數(shù)監(jiān)測，無法獲取水下視頻、水下魚群生物信息。海底有纜觀測系統(tǒng)可以集成錄像機、水聽器等各種觀測儀器，實現(xiàn)水下視頻在線觀測，但仍然需要岸端有復雜的系統(tǒng)和設備與之對接，成本太高，同時海底電纜、光纜還要面對“腐蝕、生物附著、穩(wěn)定性”以及鋪設價格高等共性問題，推廣與應用具有很大的局限性，并不適合于深遠海大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖監(jiān)測。

在傳感器方面，網(wǎng)箱養(yǎng)殖監(jiān)測需要在密閉空間范圍獲取魚群生物信息、活動分布信息，依靠一般的水下攝像機、水質(zhì)儀等無法獲得，需要水下專用的聲光傳感器。在信息傳輸方面，國內(nèi)科研用海洋浮標信息有通過國外窄帶通信衛(wèi)星傳輸，但信息安全性難以保證；海洋牧場水下視頻觀測信息傳輸也試點通過無線通信方式，但依舊受制于信號覆蓋的影響，無法滿足深遠海需求。

三、深遠海網(wǎng)箱智能化養(yǎng)殖監(jiān)測技術

1.衛(wèi)星寬帶通信技術

衛(wèi)星通信是目前海上最有效、可靠、便捷的通信手段。Ka 高通量衛(wèi)星通信所具有的容量大、速率高、終端小、機動性強等特性非常適合高清音視頻傳輸、遠端信息采集數(shù)據(jù)回傳、互聯(lián)網(wǎng)接入等業(yè)務，適用于深遠海大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖的監(jiān)測信息傳輸。

高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)可提供遠洋船舶和海上平臺與岸基管理中心之間的雙向通信，可隨時隨地傳輸全高清實時視頻等信號，也可隨時接入互聯(lián)網(wǎng)服務，具備對海洋各類活動全面監(jiān)管、實時預警、應急處置等能力。高通量衛(wèi)星信息轉(zhuǎn)發(fā)時延、單個終端傳輸帶寬完全可以滿足深遠海海洋牧場養(yǎng)殖監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸時效性、多路視頻傳感器并發(fā)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

海洋牧場養(yǎng)殖監(jiān)測通信鏈路系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)架構(gòu)包括海洋牧場前端綜合業(yè)務信息子系統(tǒng)、Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡及后端數(shù)據(jù)處理中心三部分。

圖1 海洋牧場監(jiān)測衛(wèi)星通信鏈路

（1）前端綜合業(yè)務信息子系統(tǒng)

海洋牧場端綜合業(yè)務信息子系統(tǒng)主要包含各類視頻傳感器、水質(zhì)環(huán)境傳感器、服務器等設備，服務器將各類傳感器信息打包、壓縮處理后，通過有線的方式傳輸至船載動中通中的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，進而接入Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡。Ka 高通量衛(wèi)星終端同時還可支持利用網(wǎng)線與監(jiān)測傳感器直連，若有需求，也可支持與WiFi/AP/基站等無線延伸覆蓋設備結(jié)合使用。

（2）Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡

Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡包括Ka 衛(wèi)星船載動中通終端、Ka 高通量衛(wèi)星、信關站以及北京寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡運營中心。

Ka 衛(wèi)星船載動中通終端：用于提供Ka 高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡接入點，跟蹤方式采用高精度的捷聯(lián)慣導技術加信標相結(jié)合的方式，并內(nèi)嵌GPS 模塊，能夠保證深水網(wǎng)箱在移動過程中天線始終精確對準衛(wèi)星，確保收發(fā)信號的穩(wěn)定性。

Ka 高通量衛(wèi)星：此處指中星16 號衛(wèi)星，該衛(wèi)星是我國首顆Ka 頻段高通量衛(wèi)星，定點于東經(jīng)110.5°靜止軌道，衛(wèi)星通信總?cè)萘考s為20Gbit/s，最高可提供下行150Mbit/s、上行12Mbit/s 傳輸速率，總體覆蓋我國除西北、東北以外的大部分陸地和近海約300km 海域，其在海上能夠完全覆蓋渤海、黃海，部分覆蓋東海、南海，基本可以滿足我國深遠海海洋牧場海域拓展需求。

信關站：信關站屬于高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡地面設備，包括天線射頻、基帶、路由等分系統(tǒng)，完成饋電鏈路信號收發(fā)、基帶處理和運營中心的數(shù)據(jù)交換。

寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡運營中心：運營中心是地面系統(tǒng)管理、控制、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡交換的核心，具有業(yè)務運營支撐功能、網(wǎng)絡管理功能、數(shù)據(jù)中心功能、與地面Internet 網(wǎng)絡互聯(lián)互通的交換路由功能。海洋牧場岸基數(shù)據(jù)處理中心通過互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞€與寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡運營中心進行數(shù)據(jù)交互。

（3）后端數(shù)據(jù)處理中心

通過寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡運營中心互聯(lián)網(wǎng)及專用網(wǎng)絡出口，后端數(shù)據(jù)處理中心接收海洋牧場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)處理、分析、利用，完成整個監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳以及數(shù)據(jù)交互等任務。

2.新一代信息技術

除了衛(wèi)星寬帶通信技術方面以外，深遠海網(wǎng)箱養(yǎng)殖還需要引入智慧漁業(yè)養(yǎng)殖模式，利用專用的聲光傳感器，實現(xiàn)養(yǎng)殖魚群生物信息、水質(zhì)環(huán)境信息等的實時監(jiān)測，實現(xiàn)設施漁業(yè)“可視、可測、可控、可預警”，將傳統(tǒng)漁業(yè)養(yǎng)殖與新一代信息技術相融合。

深遠海網(wǎng)箱智能化養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)由多傳感器、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理終端組成（圖2）。系統(tǒng)可以提供魚群的尺寸、密度、速度統(tǒng)計，以監(jiān)控魚群的活動狀態(tài)、投餌情況、網(wǎng)箱網(wǎng)衣的破損和附著狀態(tài)等，并實時顯示環(huán)境及水質(zhì)傳感器測量的水質(zhì)參數(shù)（PH 值、水溫、溶解氧等），生物參數(shù)（葉綠素、藻類蛋白等），營養(yǎng)鹽參數(shù)（氨氮含量等）。

圖2 深遠海網(wǎng)箱智能養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)網(wǎng)箱體積大小的不同，傳感器一般可以選用水下激光雷達、成像聲吶、水質(zhì)與環(huán)境傳感器、水下攝像頭等傳感器。網(wǎng)箱傳輸?shù)男畔⑼ㄟ^視頻和數(shù)據(jù)壓縮技術，帶寬一般可控制在6 ～8M。所有傳感器信息通過衛(wèi)星通信鏈路傳輸?shù)桨痘鶖?shù)據(jù)處理中心，通過大數(shù)據(jù)和人工智能分析，全面掌握魚群生長動態(tài)信息，實現(xiàn)智能投餌決策、異常信息自動報警。最終，結(jié)合先進的傳感器技術、衛(wèi)星寬帶通信技術、信息處理技術，實現(xiàn)深海養(yǎng)殖管理信息化、決策智能化。

（1）成像聲吶測量魚群密度

成像聲吶是利用聲學發(fā)射獨立波束、依靠回波對目標進行探測的多波束系統(tǒng)。通過水下二維聲吶成像處理、測算、聲吶設備的參數(shù)信息，得到聲吶測量水體體積內(nèi)的魚群數(shù)量、魚群密度。根據(jù)測量時間分布函數(shù)、魚群分布習性對魚群密度進行修正后，得到的魚群平均密度，進而得到整個網(wǎng)箱的魚群數(shù)量。

（2）水下激光雷達測量魚的體長、游速

水下激光雷達采用距離選通三維激光成像技術，有效提高水下的探測與識別距離，為水下光學攝像機的3 ～5 倍。山東航天電子技術研究所研制的水下激光成像雷達選用532nm 脈沖激光器作為光源，經(jīng)過實際海況驗證、產(chǎn)品的技術迭代，配合人工智能算法可對魚體長度、游速進行測量。

（3）水下視頻攝像頭監(jiān)控魚的活動狀態(tài)

水下視頻攝像頭雖探測距離有限，但其高清、真彩的特點可實時監(jiān)控魚的活動狀態(tài)，根據(jù)圖像信息，采用人工智能算法可對魚群進行智能識別和分類，用于魚群多樣性監(jiān)測。

（4）水質(zhì)及環(huán)境傳感器監(jiān)視環(huán)境參數(shù)

水質(zhì)及環(huán)境傳感器包括溫度、鹽度、流速剖面?zhèn)鞲衅?、PH 值傳感器、溶解氧傳感器、葉綠素傳感器等。

（5）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

水質(zhì)及環(huán)境傳感器采用485 總線傳輸?shù)骄W(wǎng)箱端服務器，成像聲吶、激光雷達、水下攝像頭等視頻信號通過LAN 口接入網(wǎng)箱端服務器，所有傳感器的數(shù)據(jù)通過打包壓縮處理后，通過船載Ka 衛(wèi)星通信終端上傳到高通量衛(wèi)星（圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)圖

岸基數(shù)據(jù)處理中心通過互聯(lián)網(wǎng)（或?qū)＞€）接收由高通量衛(wèi)星運行中心發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收服務器接收到打包數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)解包、數(shù)據(jù)解析及分析統(tǒng)計算法將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)服務器，應用服務器作為數(shù)據(jù)處理終端，負責從數(shù)據(jù)服務器讀取數(shù)據(jù)并進行可視化處理，最后客戶計算機通過瀏覽器訪問所有的視頻數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)，同時支持手機終端訪問數(shù)據(jù)。

（6）養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)顯控界面

應用服務器端接收多路視頻（激光視頻、聲吶視頻、攝像頭視頻）數(shù)據(jù)，進行解碼并實時視頻顯示；接收水質(zhì)及環(huán)境傳感器參數(shù)，實時顯示溫度、深度、鹽度、溶解氧、葉綠素、PH 值等環(huán)境參數(shù)；對不同視頻進行日志存儲，支持調(diào)取回放；對環(huán)境參數(shù)進行日志存儲；通過集成傳感器數(shù)據(jù)融合分析算法，分析魚群的密度統(tǒng)計、魚群的體長統(tǒng)計、魚群的數(shù)量統(tǒng)計；監(jiān)控終端可以調(diào)用以上文件，顯示統(tǒng)計結(jié)果，并結(jié)合水質(zhì)參數(shù)，提供預警信息和喂養(yǎng)指導（圖4）。

圖4 水下智能養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面

四、結(jié)束語

山東航天電子技術研究所與中國衛(wèi)通合作在2020 ～2021 年已為我國首座全潛式深海網(wǎng)箱“深藍一號”、國內(nèi)首座深遠海智能化座底式網(wǎng)箱“長鯨一號”以及“耕海一號”現(xiàn)代化海洋牧場綜合體等深遠海網(wǎng)箱提供了高通量衛(wèi)星通信服務，開展網(wǎng)箱監(jiān)測視頻回傳以及互聯(lián)網(wǎng)接入。近期我國沿海各省市陸續(xù)出臺了智慧海洋產(chǎn)業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃，提出要推進現(xiàn)代化海洋牧場建設，推動海洋漁業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。海洋牧場建設進入快速發(fā)展階段，海洋牧場建設已從近岸淺海向深遠海加快推進。隨著我國空間基礎設施不斷完善，尤其是以高通量衛(wèi)星為代表的寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)海洋覆蓋區(qū)域持續(xù)拓展，通信容量和服務能力大幅提升，深遠?，F(xiàn)代化海洋牧場智能化養(yǎng)殖監(jiān)測必將依托高性能衛(wèi)星通信作保障，將養(yǎng)殖技術、裝備技術和信息技術有機組合，實現(xiàn)海產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)自動化、管理信息化、決策智能化，實現(xiàn)傳統(tǒng)漁業(yè)與智能科技深度融合。