基于海上養(yǎng)殖設(shè)施的目標與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

張振杰 石敏 徐超 王雅芬

關(guān)鍵詞：海上養(yǎng)殖設(shè)施；海上目標；海洋環(huán)境；監(jiān)測系統(tǒng)

1 引言

隨著人類海上活動越來越頻繁，海洋探索越來越深入，海上目標與海洋環(huán)境監(jiān)測也愈發(fā)重要。海上目標監(jiān)測可以為偵察預警、智能識別等提供海量實測數(shù)據(jù)，可用于海上救援、海上執(zhí)法、海上維權(quán)、目標精確打擊等軍民領(lǐng)域；實時和長期的海洋環(huán)境監(jiān)測對海洋權(quán)益維護、海洋防災減災和海洋生態(tài)環(huán)境保護[1]等領(lǐng)域具有重要的意義。

由于海洋環(huán)境復雜、海域范圍大，構(gòu)建專用的目標與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成本高、難度大。隨著海上養(yǎng)殖范圍從近海到遠海，養(yǎng)殖設(shè)施更加自動化、智能化，裝備了越來越多的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備?；诤Ｉ橡B(yǎng)殖設(shè)施現(xiàn)有的傳感器，加裝部分專用測量設(shè)備，可以實現(xiàn)對所在海域的目標和環(huán)境監(jiān)測，從而降低了監(jiān)測系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于海上養(yǎng)殖設(shè)施的目標與環(huán)境特性監(jiān)測系統(tǒng)依托海上養(yǎng)殖設(shè)施，基于平臺現(xiàn)有、適應性改造和加裝的多類型傳感器，集成數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等技術(shù)成果，利用數(shù)據(jù)挖掘、多源數(shù)據(jù)融合和深度學習等智能化算法，實現(xiàn)對養(yǎng)殖設(shè)施所在海域的重點目標和海洋環(huán)境的數(shù)據(jù)監(jiān)測。系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示，主要包括感知采集層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應用層和支撐保障體系。

2.1 感知采集層

感知采集層基于海上養(yǎng)殖設(shè)施已有、適應性改造和加裝的多類型傳感器，對設(shè)施所在海域進行目標感知、目標和環(huán)境數(shù)據(jù)采集。

1） 海上養(yǎng)殖設(shè)施

海上養(yǎng)殖設(shè)施包括：海上大型漁業(yè)養(yǎng)殖工船，以“國信1號”養(yǎng)殖工船為代表；深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱[2]，以深藍系列養(yǎng)殖網(wǎng)箱為典型代表；淺海海洋牧場[3]，以山東省海洋牧場為典型代表。

（1） 海上大型漁業(yè)養(yǎng)殖工船

“國信1號”養(yǎng)殖工船載重量約10萬噸，是基于深遠海工業(yè)化、規(guī)模化養(yǎng)殖的漁業(yè)生產(chǎn)平臺，以大型養(yǎng)殖工船為信息系統(tǒng)搭載載體，可實現(xiàn)大型漁業(yè)養(yǎng)殖平臺、海洋國防監(jiān)測平臺、海洋科研平臺等多功能融合和統(tǒng)籌發(fā)展。海上大型漁業(yè)養(yǎng)殖工船自帶導航雷達、AIS、攝像頭、海洋環(huán)境監(jiān)測等傳感器，根據(jù)任務(wù)需求可加裝紅外熱像儀、電磁測量設(shè)備等用于目標監(jiān)測。可進一步搭載無人飛行器、無人潛航器等智能化裝備[4]，對于水面、水下可疑目標，前出偵查，持續(xù)跟蹤。

（2） 深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱

“深藍1號”養(yǎng)殖網(wǎng)箱是世界最大的全潛式智能網(wǎng)箱，如圖3和圖4所示，網(wǎng)箱整體周長180米，高65米，座底時海面以上部分高約13米，浮起時海面以上部分高約35米。網(wǎng)箱配套有養(yǎng)殖工船1艘，如圖5所示，通常停泊在距網(wǎng)箱約1海里處。網(wǎng)箱配載有導航雷達、AIS、光電攝像頭、溫濕傳感器、風向風速測量設(shè)備、大氣壓力傳感器等目標和環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，以及衛(wèi)星終端等通信傳輸設(shè)備。養(yǎng)殖工船配載有導航雷達、AIS、漁用聲納和衛(wèi)星終端等設(shè)備。上述各傳感器數(shù)據(jù)可接入綜合信息終端進行集成，通過衛(wèi)星終端傳輸至數(shù)據(jù)中心進行處理和存儲。根據(jù)任務(wù)需求可加裝紅外熱像儀、電磁測量設(shè)備等用于目標特性監(jiān)測。

（3） 海洋牧場

海洋牧場是指在一定海域內(nèi)，采用規(guī)?；瘽O業(yè)設(shè)施和系統(tǒng)化管理體制，利用自然的海洋生態(tài)環(huán)境，對海洋資源進行有計劃和有目的的海上放養(yǎng)。目前，海洋牧場在遼寧、山東、浙江、廣東等沿海省份已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模化產(chǎn)出，在我國近海海岸沿線有較廣范圍分布。

海洋牧場基于平臺多種類型傳感器，采用智能管理控制、信息獲取、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)，構(gòu)建智能化綜合海洋信息監(jiān)測與智能管控系統(tǒng)。利用無人船在海洋牧場指定區(qū)域定期巡航，通過攜帶的水質(zhì)監(jiān)測儀、攝像頭、側(cè)掃聲納等傳感器實現(xiàn)水位，溫度，鹽度，葉綠素，溶解氧、水下局部視頻、漁業(yè)資源，牧場礁體等要素的實時、原位、在線、持續(xù)觀測，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進行處理和存儲。依托海洋牧場，可實現(xiàn)對我國近海海域重點目標和海洋環(huán)境的監(jiān)測。

2） 海上目標和環(huán)境監(jiān)測傳感器

海上目標監(jiān)測是利用聲納、可見光攝像頭、紅外熱像儀、電磁測量設(shè)備等對海上重點目標進行預警、跟蹤監(jiān)視，并進行聲學、光學和電磁等物理特性的數(shù)據(jù)采集。海洋環(huán)境特性監(jiān)測是利用溫深鹽儀、海流計、浮標等多種傳感器獲取風場、浪場、流場、溫度、鹽度、深度、海底底質(zhì)、海底地形地貌、密度、腐蝕度和海面大氣水氣等地理、氣象、水文、光、電、聲、磁、壓力物理場環(huán)境數(shù)據(jù)。部分傳感器如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層需要對不同監(jiān)測平臺、不同傳感器的不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，存儲原始數(shù)據(jù)和分析整理形成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品；數(shù)據(jù)層還應具備支撐系統(tǒng)運行與管理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。由于海洋監(jiān)測具有持續(xù)時間長、范圍大、監(jiān)測參數(shù)多等特性，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)應具有良好的可擴展性，能夠以較少的更改適應監(jiān)測系統(tǒng)需求的變化，能夠向服務(wù)層和應用層提供快速查詢響應、數(shù)據(jù)導入導出等服務(wù)[5]。

2.3 服務(wù)層

服務(wù)層主要包括數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和共享服務(wù)系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)實現(xiàn)對感知數(shù)據(jù)、行業(yè)數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)的接入獲取、質(zhì)量控制、標準化、分類存儲；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)的分析，包括目標識別、目標特性分析、海洋環(huán)境構(gòu)建等處理；共享服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果的交換共享。

2.4 應用層

應用層利用數(shù)據(jù)挖掘、深度學習等算法對數(shù)據(jù)進行分析與處理，實現(xiàn)目標識別、目標特性建模、海洋環(huán)境建模等技術(shù)，以支持偵察預警、海上維權(quán)、海洋預報、防災減災、環(huán)境保護等領(lǐng)域的各種應用。

2.5 通信傳輸

通信傳輸包括岸基信息傳輸、海上信息傳輸和信息交換網(wǎng)絡(luò)三部分，傳輸?shù)男畔êＱ蟓h(huán)境信息、目標監(jiān)測數(shù)據(jù)等。通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示，在近海域，海洋監(jiān)測信息可以通過岸基通信手段直接回傳至數(shù)據(jù)處理中心；在遠海域，綜合利用空中平臺、北斗衛(wèi)星[6]、天通等通信手段，將海洋監(jiān)測信息向數(shù)據(jù)處理中心回傳。

養(yǎng)殖設(shè)施可接入短波、超短波、有線、WIFI、LTE等，作為信息中繼平臺，接收周邊漁船數(shù)據(jù)信息，并通過衛(wèi)星系統(tǒng)，將信息傳回岸基數(shù)據(jù)中心。

2.6 支撐保障體系

1） 制定服務(wù)標準

制定綜合信息服務(wù)體系標準規(guī)范，通過選用、修訂、制定適應于信息采集、處理、傳輸和安全保密相關(guān)的標準，為實現(xiàn)海上目標與環(huán)境常態(tài)化監(jiān)測提供基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范。

2） 形成運營保障機制

運營服務(wù)體系主要實現(xiàn)海洋基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)及信息服務(wù)平臺的運營保障和工程保障。運營保障主要通過對系統(tǒng)管控技術(shù)、運行與服務(wù)管理流程和運維團隊資源之間的有機整合，為網(wǎng)絡(luò)的正常運行和持續(xù)服務(wù)提供有力保障。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于多源數(shù)據(jù)的目標識別跟蹤

由于海上平臺硬件設(shè)備性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力限制，不可能對所有目標進行特性數(shù)據(jù)采集和存儲，因此需要通過數(shù)據(jù)處理，選擇重點關(guān)注目標和可疑目標進行跟蹤監(jiān)測，并記錄存儲特性數(shù)據(jù)。

以水面目標識別跟蹤過程為例，如圖7所示，首先通過導航雷達和AIS數(shù)據(jù)融合，快速篩選出關(guān)注目標；然后對關(guān)注目標的導航雷達、AIS、可見光、紅外以等多源數(shù)據(jù)進行融合處理；利用人工智能、異常行為分析[7]等對關(guān)注目標的多源融合數(shù)據(jù)進行識別、跟蹤，篩選出重點目標和可疑目標；將重點目標和可疑目標信息反饋給測量設(shè)備，對目標進行跟蹤測量，記錄存儲目標特性數(shù)據(jù)。

3.2 基于邊緣計算技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

目標特性測量設(shè)備和海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器持續(xù)不斷地產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸和中心化的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)難以滿足海量數(shù)據(jù)的實時傳輸和計算需求。邊緣計算是在網(wǎng)絡(luò)邊緣的數(shù)據(jù)產(chǎn)生側(cè)對數(shù)據(jù)進行處理和分析，及時響應邊緣側(cè)發(fā)起的請求，減少網(wǎng)絡(luò)時延，提高系統(tǒng)執(zhí)行效率和性能[8]。

基于邊緣計算技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)可分為測量終端層、邊緣層和服務(wù)層。測量終端層是目標特性測量設(shè)備和海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器，產(chǎn)生數(shù)據(jù)；邊緣層靠近測量終端，完成服務(wù)層的下行數(shù)據(jù)和測量終端的上行數(shù)據(jù)的處理，也可對養(yǎng)殖設(shè)施平臺周邊用戶的服務(wù)請求進行處理；服務(wù)層完成對上傳數(shù)據(jù)的綜合處理，儲存原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，也可向邊緣層下發(fā)指令，完成指定任務(wù)。

4 結(jié)束語

依托遠洋漁業(yè)養(yǎng)殖工船、深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱以及淺海海洋牧場等設(shè)施，利用平臺現(xiàn)有和加改裝傳感器，可實現(xiàn)對平臺所在海域進行海洋環(huán)境監(jiān)測、目標信息采集、可疑目標核查和重點目標監(jiān)視。本文對基于海上養(yǎng)殖設(shè)施的目標與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)實現(xiàn)和關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，下一步將就系統(tǒng)布設(shè)作為研究重點。