張翔宇 陳金路 鄭向遠 張晟

摘要：文章將介紹現(xiàn)代化海洋牧場及其智能運維的概念，結合實例說明海洋牧場智能運維的裝備和技術現(xiàn)狀以及發(fā)展中存在的問題，并在最后提出推動海洋牧場智能運維進一步發(fā)展的建議：落實政策傾斜，建立基礎設施;擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，促進資源共享;發(fā)展交叉學科，重視自主研發(fā);優(yōu)化漁業(yè)結構，實現(xiàn)精細運維。

關鍵詞：海洋牧場;智能運維;運維系統(tǒng)

中圖分類號：S953.2;P74 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）07-0040-08

0 引言

中國不僅是全世界海產(chǎn)品年產(chǎn)量第一大國，也是唯一養(yǎng)殖產(chǎn)量超過捕撈產(chǎn)量的主要漁業(yè)國[1]，可見海洋漁業(yè)尤其是海產(chǎn)養(yǎng)殖對我國糧食安全與營養(yǎng)戰(zhàn)略保障的重要性。而隨著技術的進步和人民生活需求的提升，“海洋牧場”這一新型的漁業(yè)模式迅速走進人們的視野、為各國政府所重視并提倡。我國的傳統(tǒng)海洋牧場建設起始于1979年的廣西北部灣海域，但早期的海洋牧場局限于通過簡單投放人工魚礁、增殖放流來增加漁獲量、滿足經(jīng)濟效益， 忽視了生態(tài)效益和社會效益。隨著漁業(yè)資源衰退問題的日漸凸顯、社會對生態(tài)環(huán)境保護的空前重視，現(xiàn)代化海洋牧場的概念應運而生?，F(xiàn)代化海洋牧場是集漁業(yè)資源養(yǎng)護、海洋生態(tài)環(huán)境優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展為一體的可持續(xù)海洋漁業(yè)生產(chǎn)方式[2]，能夠有效解決海產(chǎn)資源開發(fā)過度、近海環(huán)境污染嚴重等現(xiàn)實問題。隨著國內約178個海洋牧場示范區(qū)的火熱建設，到2025年我國海洋牧場涉及海域面積將突破2500km2。多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)、智能投喂設備等智能化的運營及維護系統(tǒng)則是保障這些現(xiàn)代化海洋牧場高效工作、合理運行、科學養(yǎng)殖的關鍵手段。

1 海洋牧場智能運維簡介

1.1 定義

1.1.1 海洋牧場

海洋牧場[3]是通過人工魚礁、增殖放流等多種措施，改善海洋生態(tài)環(huán)境，促進漁業(yè)資源的繁育和養(yǎng)護，建設或恢復海洋生物的繁殖、生長、覓食和庇護棲息地的一種基于海洋生態(tài)系統(tǒng)原理、可持續(xù)發(fā)展的漁業(yè)模式。通俗地說，是將在陸地上養(yǎng)殖牛羊的傳統(tǒng)牧場轉移到海洋里，科學地、有計劃地養(yǎng)殖魚、蝦、貝等生物，主要分為增殖型、養(yǎng)護型、休閑型、種質保護型、綜合型5類[4]。

在實際操作中，人們首先需要根據(jù)養(yǎng)殖物種、地理條件、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟效益等要素綜合規(guī)劃布局、選定海域;其次，通過布置人工魚礁、種植藻類、改造灘涂等手段，充分利用并修復、改善已有的自然海洋環(huán)境;再將經(jīng)過人工馴化或中間育成的生物種苗放流入海，增加種群數(shù)量、優(yōu)化水域漁業(yè)資源群落結構;最后，借助補充投喂、行為馴化、環(huán)境監(jiān)測等方式科學養(yǎng)殖種苗，并適當采捕[5]。既獲取了高質高量的海產(chǎn)資源，也保護和改善了海域生態(tài)環(huán)境。

現(xiàn)代化海洋牧場（圖1和圖2[6-7]）則是在原有傳統(tǒng)海洋牧場的基礎上[8]，更加強調現(xiàn)代科學技術和現(xiàn)代管理理論與方法，盡可能地使用機器替代人工以實現(xiàn)智能運營與維護，引入物聯(lián)網(wǎng)、傳感、云計算等新技術，在運行中實現(xiàn)高度智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化和可視化，從而建成具有更高生產(chǎn)效率、環(huán)境親和度和抗風險能力的新型海洋牧場[9]。

1.1.2 海洋牧場的智能運維

智能運維這一概念出自信息技術領域[10]，指基于已有的運維數(shù)據(jù)（日志、監(jiān)控信息、應用信息等），通過機器學習的方式來進一步解決自動化運維無法解決的問題。在工程領域則一般表示利用先進的檢測監(jiān)測、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術手段，推動運維模式智能化升級，提高工程設備日常運營維護、故障診斷的能力[11]。

在海洋牧場中，智能運維指運用現(xiàn)代信息技術（物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、通信、圖像識別、感測等），借助先進工程裝備（智能投喂裝置、實時觀測網(wǎng)、深遠海養(yǎng)殖工船等），實現(xiàn)對海洋牧場全方位、全過程、全覆蓋的數(shù)據(jù)采集、觀測監(jiān)測（水質監(jiān)控、碳匯監(jiān)測等），提高日常運營能力、故障解決能力。

1.2 分類

海洋牧場的智能運維系統(tǒng)可以按功能分為以下4個模塊。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的目的是監(jiān)測，也是工程項目智能運維的基本功能，但海洋牧場的數(shù)據(jù)采集對象除了工程設備，更重要的是牧場環(huán)境和養(yǎng)殖對象。對于工程設備，運維系統(tǒng)主要是對設備的工作狀態(tài)、健康情況和日常運營所必需的能源、飼料等消耗品的儲量進行數(shù)據(jù)采集;對于牧場環(huán)境，運維系統(tǒng)主要是對海水中溫度、溶氧度、葉綠素、濁度、流速、pH 等水質參數(shù)[12]進行采集，甚至還需要監(jiān)測敵害生物的種群發(fā)展情況;對于養(yǎng)殖對象，運維系統(tǒng)則需要對其生活習性、生長情況、行為特征、環(huán)境適應情況等進行采集監(jiān)測。

1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸類似于一個網(wǎng)絡，將所采集的數(shù)據(jù)通過四通八達的網(wǎng)絡進行傳輸、交互、匯總，便于下一步將數(shù)據(jù)處理[13]。智能運維系統(tǒng)需要將單個海洋牧場各個類別的數(shù)據(jù)整合到一起，并保證傳輸過程中的實時性和可靠性;同時也需要將各個海洋牧場的數(shù)據(jù)進行收集，聯(lián)通不同海域海洋牧場的水質、生物信息，打破地域限制，方便對比差異和總結經(jīng)驗。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是海洋牧場智能運維的關鍵與核心。該模塊首先接收各方不斷傳來的數(shù)據(jù)并將其儲存，再通過內部的各子系統(tǒng)，借助大數(shù)據(jù)挖掘技術對不同類型的數(shù)據(jù)進行處理、計算、分析、凝練，實現(xiàn)信息反饋、智能決策，并將有價值的數(shù)據(jù)存儲至云數(shù)據(jù)庫。

1.2.4 智能行為

智能行為是海洋牧場智能運維的最后一步，即做出智能化、無人化的行為。該行為決策由智能運維系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)后判斷并下達，通過自動化設備執(zhí)行，往往是為了讓海洋牧場能夠在無人參與的情況下更好地運作，例如科學投喂、適時發(fā)出預警、高效捕撈成魚、及時清潔網(wǎng)衣等。

2 海洋牧場智能運維的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 關鍵設備及技術

2.1.1 多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)（圖3）通常由觀測子系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和能源系統(tǒng)3部分組成。其中，觀測子系統(tǒng)的主體是分布在水下及海氣界面的各類觀測設備（高清攝像機、水質儀、聲學多普勒水流剖面儀等）。通信系統(tǒng)分為兩種，一種是通過水面浮標信號節(jié)點，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至岸邊基站;另一種是借用海底電纜，與陸地控制中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時共享。能源系統(tǒng)通常是將太陽能電池板搭配鋰電池組布置在水面浮標上或直接鋪設海底電力電纜，為監(jiān)測系統(tǒng)提供電力。

目前多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)已在國內絕大部分中大規(guī)模的海洋牧場應用，海底電纜觀測站已在山東省廣泛實現(xiàn)[14]。除上述基本的靜態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)外，部分海洋牧場也在使用無人機、無人巡邏艇、水下機器人等動態(tài)監(jiān)測設備[15]。Chen等[16]提出以微機電系統(tǒng)（MEMS）技術為基礎，研制出低成本小型懸浮監(jiān)測器，呈條鏈狀、間隔懸掛于浮標下方，部署組成“蜂群”式三維全方位監(jiān)測系統(tǒng)。劉一隆[17]開發(fā)出能夠主動調節(jié)浮力進行升降運動的水面浮標，并搭載北斗衛(wèi)星SN2P100MK 型通信終端模塊，實現(xiàn)浮標小型化、低功耗、高性能的設計目標。圖4展示了各類觀測設備性能（實時性、移動性）及成本的比較。

多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的技術難題有：水聲波、電磁波的傳播易受復雜海況影響或衰減，觀測設備難以在復雜的海洋環(huán)境下實現(xiàn)長期連續(xù)在線監(jiān)測，需要頻繁維護或更替[18];圖像監(jiān)測、識別與分析技術不夠先進[19]，難以實時全程跟蹤養(yǎng)殖對象的行為特征、饑飽狀態(tài)、成長情況，無法為牧場運營及生物特性研究提供全面的數(shù)據(jù)支撐;成本高，高端傳感器基本依賴進口，大多數(shù)小規(guī)模、單體海洋牧場只能對水溫、氧飽和度等基本的水質參數(shù)進行監(jiān)測，難以實現(xiàn)全方位監(jiān)測。

2.1.2 智能預警系統(tǒng)

根據(jù)所監(jiān)測到的氣象數(shù)據(jù)、水質數(shù)據(jù)、成像數(shù)據(jù)，基于漁業(yè)養(yǎng)殖機理和機器學習相結合的方法建立預警系統(tǒng)。預警模型需要通過線下大量事故數(shù)據(jù)訓練，不斷優(yōu)化適應性、提升事故預警準確度[20]，實現(xiàn)對牧場零部件亞健康狀態(tài)、水域生態(tài)環(huán)境改變、養(yǎng)殖對象亞健康狀態(tài)的預警，避免養(yǎng)殖災害發(fā)生。

我國預警系統(tǒng)發(fā)展較為滯后，大多數(shù)海洋牧場信息化低下，并且個體養(yǎng)殖戶一般也不會操作過于復雜的系統(tǒng)。張廣平等[21]、Hu等[22]也在積極研發(fā)各類用于預報預警的手機程序，搭建直觀的實時監(jiān)測平臺，為養(yǎng)殖戶提供便捷實用的預警服務。

預警系統(tǒng)的難點在于：監(jiān)測系統(tǒng)不夠健全完善，難以提供全面實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，嚴重制約了預警預報系統(tǒng)的發(fā)展;監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析難度大，而精確的預警預報需要將各類別數(shù)據(jù)進行整合并多維度綜合分析，以便清晰得知海洋牧場的整體情況;信號傳輸帶寬有限，傳輸及處理速度低，預警不夠及時。

2.1.3 智能投喂裝備

智能投喂分為集中式和分布式。集中式智能投喂是指使用養(yǎng)殖工船（無人巡航船和普通人工駕駛工船）投飼，功率大、效率高但投喂成本也高，僅適用于大規(guī)模集群式海洋牧場;分布式智能投喂是指在單個或相鄰的數(shù)個牧場上安裝固定式自動投喂機，成本較低[23]。

目前歐美等工業(yè)現(xiàn)代化程度較高的國家，海洋牧場往往規(guī)模較大，適合采用集中式智能投喂;而國內大型養(yǎng)殖戶較少，多數(shù)牧場使用的是分布式智能投喂。但分布式智能投喂的工作效率也是遠高于人工，按估測，傳統(tǒng)漁業(yè)養(yǎng)殖每人最多可照看1.33hm2塘的投喂，而采用智能投喂系統(tǒng)后，每人可照看6.67hm2塘以上，非常適用于中小養(yǎng)殖戶，解放了養(yǎng)殖人的傳統(tǒng)勞作方式。

智能投喂設備的關鍵技術有：防腐密封技術，自動投喂機位于海面上方，環(huán)境潮濕，常被波浪拍打，導致裝備易銹蝕且飼料易受潮變質;科學投喂技術，根據(jù)養(yǎng)殖對象的行為特征、生長階段，實現(xiàn)精準投喂。

2.1.4 無人巡航設備

無人巡航設備包括無人艇、無人機、水下機器人（圖5）[24]，泛指海洋牧場中無人駕駛的巡航設備。無人巡航設備具有動態(tài)補充監(jiān)測、智能投喂、水上巡邏、數(shù)據(jù)回傳、防止偷捕等多種作用[25]，應用價值大，尤其是水下機器人的使用能夠避免潛水員作業(yè)的繁雜及危險[26]。

目前國內海洋牧場使用較多的是無人艇，無人機及水下機器人因為成本和技術問題應用很少。無人巡航設備的研發(fā)難點有：①圖像識別與處理技術[27]，由于海況復雜、水體渾濁、光線較暗、傳輸路徑有限等問題，最終獲得的圖像會有嚴重退化，且視頻信息量龐大，如何利用算法對圖像解混重構、融合增強、提取特征、得出關鍵信息至關重要[28];②設備結構強度，即使海洋牧場一般離岸較近，也會有惡劣海況發(fā)生，無人巡航設備需要在安全性與經(jīng)濟性之間做出合理平衡;③低功耗無人裝備，供電問題是遙控無人潛水器（ROV）、無纜水下機器人（AUV）等實現(xiàn)普遍應用的巨大阻礙。

2.2 先進示范工程

2.2.1 “深藍1號”養(yǎng)殖網(wǎng)箱

“深藍1號”養(yǎng)殖網(wǎng)箱（圖6）是中國首座自主研制的大型深遠海全潛式鋼結構養(yǎng)殖網(wǎng)箱，投產(chǎn)后在距青島120nmile的黃海養(yǎng)殖冷水魚，打破了我國三文魚依賴進口的局面。在設計建造及運營過程中，該網(wǎng)箱先后攻克了網(wǎng)箱沉浮控制、鯊魚防護、魚群監(jiān)控等關鍵技術。漁場采用“1個中央綜合管理平臺+多個分布式網(wǎng)箱”的集群式養(yǎng)殖模式，便于集中布置運維系統(tǒng)，節(jié)省運維成本，推動了海洋牧場的進一步規(guī)模化、信息化。

2.2.2 “國信1號”養(yǎng)殖工船

“國信1號”養(yǎng)殖工船（圖7）是世界首艘10萬噸級智慧漁業(yè)大型養(yǎng)殖工船，船長249.9m，含15個養(yǎng)殖艙，養(yǎng)殖水體近9萬m3，被譽為“移動的海洋牧場”。全船共有2108個子觀測點對養(yǎng)殖艙內的水、氧、光、飼、魚進行實時監(jiān)測與集中控制，并與岸邊基站實時傳輸數(shù)據(jù)。船舶噸位大且有自航式移動和錨泊固定兩種模式，可以根據(jù)養(yǎng)殖對象的生長特性、海域水溫等環(huán)境因素、自然災害情況靈活轉場，降低養(yǎng)殖損失、縮短養(yǎng)殖周期。

2.2.3 “耕海1號”綜合平臺

“耕海1號”綜合平臺（圖8）是全國首座綜合性的智能化大型現(xiàn)代生態(tài)海洋牧場綜合體平臺，由3個圓形網(wǎng)箱組合而成，不同網(wǎng)箱可以分別養(yǎng)殖不同魚類，總養(yǎng)殖水體3萬m3。平臺上設有多功能廳、直升機停機坪等裝置，可以實現(xiàn)休閑觀光、科普教育、海洋監(jiān)測等功能。平臺為實現(xiàn)智能運維，配有無人巡航船、水下機器人、實時監(jiān)測系統(tǒng)、自動投喂裝置、防碰撞系統(tǒng)等齊全的現(xiàn)代化設備，將物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術充分融入海洋牧場的建設中。其中智能投喂設備為避免不同網(wǎng)箱飼料混雜，在每個網(wǎng)箱周邊均間隔120°布置有3個投料口，每次投喂時根據(jù)所監(jiān)測到的海流方向及速度，從海水來流方向的投料口投喂，使得飼料順流而下時在該網(wǎng)箱內停留充分時間以被魚群食用。

3 發(fā)展建議

3.1 落實政策傾斜，建立基礎設施

我國海洋牧場仍處于“野蠻生長”階段，大部分養(yǎng)殖戶選擇建設傳統(tǒng)海洋牧場以謀取短期利益。但考慮到現(xiàn)代化海洋牧場的先進性和其對自然環(huán)境的修復作用，政府應在政策層面對現(xiàn)代化海洋牧場的建設及運營有所傾斜[32]。例如，開通現(xiàn)代化海洋牧場項目的綠色審批渠道，簡化海域申請流程，節(jié)約申請所需時間;對現(xiàn)代化海洋牧場減免一定的稅費和海域使用金，減少現(xiàn)代化海洋牧場的前期投入成本[33]，鼓勵引導海洋牧場的現(xiàn)代化轉型。同時，政府也需實時跟蹤牧場的選址與布局，提供更具有全局觀的建議，加強對其的配套管理。

海洋牧場實現(xiàn)智能運維的前提是配備相關的基礎設施，而中小型養(yǎng)殖戶難以承擔基礎設施的建設費用。針對此問題，政府應該統(tǒng)籌建設海底觀測網(wǎng)系統(tǒng)、飼料投喂船等公用基礎設施，服務于民、降低養(yǎng)殖戶建設智能運維系統(tǒng)的成本。尤其是發(fā)展大功率能源轉換技術、長程輸電技術，推動建成標準化長生命周期海底大型觀測網(wǎng)絡，不僅能為海洋牧場的智能運維提供基礎，也對國防安全、環(huán)境保護大有裨益。目前我國已在東海、南海等海域啟動小型海底觀測網(wǎng)的建設[34]，但距離美國、日本等海洋強國的國家級全覆蓋海底觀測網(wǎng)仍有不小差距。

3.2 擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，促進資源共享

我國國家級海洋牧場示范區(qū)的智能運維水平普遍較高，與此形成鮮明對比的是個體養(yǎng)殖戶建設的傳統(tǒng)海洋牧場，體量小、投入低，全憑人工開展運維，智能化程度極低。對此政府在統(tǒng)籌規(guī)劃牧場建設時，需學習美國的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展經(jīng)驗，鼓勵建設大型海洋牧場，實現(xiàn)海洋牧場的機械化、自動化、信息化運營，使得智能運維系統(tǒng)成本在海洋牧場建設總成本中的占比降低。

同時引導中小養(yǎng)殖企業(yè)簽署合作協(xié)議，在共用同片海域的基礎上共享智能運維設備，而非惡性競爭、爭奪海洋資源。例如，共建共用海底觀測設備、岸邊基站、無人巡邏船等，從而擴大單個智能運維系統(tǒng)的覆蓋面，降低單個企業(yè)在智能運維中的投入成本，互利共贏?；蛲苿映闪O業(yè)合作社、聯(lián)合漁民散戶，由企業(yè)指導合作社建設海洋牧場、裝備智能化運維系統(tǒng)并收購成魚[35]，實現(xiàn)資源整合、改造傳統(tǒng)牧場。

3.3 發(fā)展交叉學科，重視自主研發(fā)

海洋牧場不僅是投資密集型產(chǎn)業(yè)，更是技術密集型產(chǎn)業(yè)，扎實的理論基礎和先進的技術裝備是海洋牧場智能運維的發(fā)展根本。海洋牧場智能運維涉及的學科領域廣泛，包括生物學、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、氣象水文、海洋物理等。在此情況下，想要獲得全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)并綜合分析、智能決策，就務必要搭建學科合作平臺，邀請各學科科研工作者密切交流、深入合作，打破學科界限。

目前我國海洋牧場的智能運維系統(tǒng)并不能做到完全國產(chǎn)化，尤其是海洋觀測設備較為落后[36-37]，需要從德國等地進口，導致設備需要重新調參后才能適用于我國海域，并且維護不夠方便、成本也高。所以必須盡快做到獨立掌握核心技術，根據(jù)我國水文特點研發(fā)海洋監(jiān)測設備，使其能夠在復雜的海洋環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，推動智能運維系統(tǒng)全面國產(chǎn)化，不再受制于人。

3.4 優(yōu)化漁業(yè)結構，實現(xiàn)精細運維

為提高經(jīng)濟效益、打造市場品牌、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，海洋牧場應著重發(fā)展海珍品養(yǎng)殖、水產(chǎn)品深加工、稀有魚種培育等產(chǎn)業(yè)。例如，“深藍1號”養(yǎng)殖網(wǎng)箱使得國內大規(guī)模養(yǎng)殖三文魚成為現(xiàn)實，一舉打破了我國三文魚依賴進口的局面;山東煙臺立足長遠發(fā)展，推動產(chǎn)學研合作，已注冊多個海珍品商標，成功打造地域品牌;挪威三文魚出口額占該國水產(chǎn)品出口總額的66%，廣東湛江、廣西北海大力發(fā)展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖金鯧魚，經(jīng)濟效益顯著。

在給定的海域養(yǎng)殖單一魚類，在一定程度上有利于海洋牧場的智能運維。海洋牧場需針對養(yǎng)殖對象的生活習性、工作海域的海況特征開展精細化運維，精準控制飼料投喂量、及時自動清理網(wǎng)箱附著物、開展精細化預報預測，推進信息化建設，實現(xiàn)數(shù)字化養(yǎng)殖，甚至搭建數(shù)字孿生平臺，使得牧場狀態(tài)直觀可視化。在將來，精細運維還將致力于以養(yǎng)殖個體為對象，根據(jù)個體的成長狀況制定不同的養(yǎng)殖方案，做到精細養(yǎng)殖、精細管理，為養(yǎng)殖對象提供“私人管家”式服務。

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