张翔宇，陈金路等：我国现代化海洋牧场智能运维的发展现状与建议 - 声学多普勒流速仪国产品牌

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作者简介

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张翔宇，清华大学深圳国际研究生院，硕士研究生，研究方向为海洋工程装备

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陈金路，郑向远，张晟，清华大学深圳国际研究生院

摘要

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文章将介绍现代化海洋牧场及其智能运维的概念，结合实例说明海洋牧场智能运维的装备和技术现状以及发展中存在的问题，并在最后提出推动海洋牧场智能运维进一步发展的建议：落实政策倾斜，建立基础设施；扩大产业规模，促进资源共享；发展交叉学科，重视自主研发；优化渔业结构，实现精细运维。

文献来源

张翔宇，陈金路，郑向远，张晟.我国现代化海洋牧场智能运维的发展现状与建议[J].海洋开发与管理，2023，40(7)：40-47 ( L! g2 n+ P' V. Z* r- q

0 引言

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中国不仅是全世界海产品年产量第一大国，也是唯一养殖产量超过捕捞产量的主要渔业国，可见海洋渔业尤其是海产养殖对我国粮食安全与营养战略保障的重要性。而随着技术的进步和人民生活需求的提升，“海洋牧场”这一新型的渔业模式迅速走进人们的视野、为各国政府所重视并提倡。我国的传统海洋牧场建设起始于1979年的广西北部湾海域，但早期的海洋牧场局限于通过简单投放人工鱼礁、增殖放流来增加渔获量、满足经济效益，忽视了生态效益和社会效益。随着渔业资源衰退问题的日渐凸显、社会对生态环境保护的空前重视，现代化海洋牧场的概念应运而生。现代化海洋牧场是集渔业资源养护、海洋生态环境优化和产业融合发展为一体的可持续海洋渔业生产方式，能够有效解决海产资源开发过度、近海环境污染严重等现实问题。随着国内约178个海洋牧场示范区的火热建设，到2025年我国海洋牧场涉及海域面积将突破2500km2。多参数监测系统、智能投喂设备等智能化的运营及维护系统则是保障这些现代化海洋牧场高效工作、合理运行、科学养殖的关键手段。

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1 海洋牧场智能运维简介

1.1 定义

1.1.1 海洋牧场

海洋牧场是通过人工鱼礁、增殖放流等多种措施，改善海洋生态环境，促进渔业资源的繁育和养护，建设或恢复海洋生物的繁殖、生长、觅食和庇护栖息地的一种基于海洋生态系统原理、可持续发展的渔业模式。通俗地说，是将在陆地上养殖牛羊的传统牧场转移到海洋里，科学地、有计划地养殖鱼、虾、贝等生物，主要分为增殖型、养护型、休闲型、种质保护型、综合型5类。

在实际操作中，人们首先需要根据养殖物种、地理条件、生态环境、经济效益等要素综合规划布局、选定海域；其次，通过布置人工鱼礁、种植藻类、改造滩涂等手段，充分利用并修复、改善已有的自然海洋环境；再将经过人工驯化或中间育成的生物种苗放流入海，增加种群数量、优化水域渔业资源群落结构；最后，借助补充投喂、行为驯化、环境监测等方式科学养殖种苗，并适当采捕。既获取了高质高量的海产资源，也保护和改善了海域生态环境。

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现代化海洋牧场(图1和图2)则是在原有传统海洋牧场的基础上，更加强调现代科学技术和现代管理理论与方法，尽可能地使用机器替代人工以实现智能运营与维护，引入物联网、传感、云计算等新技术，在运行中实现高度智能化、数字化、网络化和可视化，从而建成具有更高生产效率、环境亲和度和抗风险能力的新型海洋牧场。

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图1 山东荣成桑沟湾养殖场

图2 土耳其伊兹密尔金枪鱼养殖场

1.1.2 海洋牧场的智能运维

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智能运维这一概念出自信息技术领域，指基于已有的运维数据(日志、监控信息、应用信息等)，通过机器学习的方式来进一步解决自动化运维无法解决的问题。在工程领域则一般表示利用先进的检测监测、云计算、物联网、大数据、人工智能等技术手段，推动运维模式智能化升级，提高工程设备日常运营维护、故障诊断的能力。

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在海洋牧场中，智能运维指运用现代信息技术(物联网、大数据、通信、图像识别、感测等)，借助先进工程装备(智能投喂装置、实时观测网、深远海养殖工船等)，实现对海洋牧场全方位、全过程、全覆盖的数据采集、观测监测(水质监控、碳汇监测等)，提高日常运营能力、故障解决能力。

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1.2 分类

海洋牧场的智能运维系统可以按功能分为以下4个模块。

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1.2.1 数据采集

数据采集的目的是监测，也是工程项目智能运维的基本功能，但海洋牧场的数据采集对象除了工程设备，更重要的是牧场环境和养殖对象。对于工程设备，运维系统主要是对设备的工作状态、健康情况和日常运营所必需的能源、饲料等消耗品的储量进行数据采集；对于牧场环境，运维系统主要是对海水中温度、溶氧度、叶绿素、浊度、流速、pH等水质参数进行采集，甚至还需要监测敌害生物的种群发展情况；对于养殖对象，运维系统则需要对其生活习性、生长情况、行为特征、环境适应情况等进行采集监测。

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1.2.2 数据传输

数据传输类似于一个网络，将所采集的数据通过四通八达的网络进行传输、交互、汇总，便于下一步将数据处理。智能运维系统需要将单个海洋牧场各个类别的数据整合到一起，并保证传输过程中的实时性和可靠性；同时也需要将各个海洋牧场的数据进行收集，联通不同海域海洋牧场的水质、生物信息，打破地域限制，方便对比差异和总结经验。

1.2.3 数据处理

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数据处理是海洋牧场智能运维的关键与核心。该模块首先接收各方不断传来的数据并将其储存，再通过内部的各子系统，借助大数据挖掘技术对不同类型的数据进行处理、计算、分析、凝练，实现信息反馈、智能决策，并将有价值的数据存储至云数据库。

1.2.4 智能行为

智能行为是海洋牧场智能运维的最后一步，即做出智能化、无人化的行为。该行为决策由智能运维系统在处理数据后判断并下达，通过自动化设备执行，往往是为了让海洋牧场能够在无人参与的情况下更好地运作，例如科学投喂、适时发出预警、高效捕捞成鱼、及时清洁网衣等。

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2 海洋牧场智能运维的发展现状

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2.1 关键设备及技术

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2.1.1 多参数监测系统

多参数监测系统(图3)通常由观测子系统、通信系统和能源系统3部分组成。其中，观测子系统的主体是分布在水下及海气界面的各类观测设备(高清摄像机、水质仪、声学多普勒水流剖面仪等)。通信系统分为两种，一种是通过水面浮标信号节点，将监测数据传输至岸边基站；另一种是借用海底电缆，与陆地控制中心实现数据的实时共享。能源系统通常是将太阳能电池板搭配锂电池组布置在水面浮标上或直接铺设海底电力电缆，为监测系统提供电力。

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图3 监测系统

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目前多参数监测系统已在国内绝大部分中大规模的海洋牧场应用，海底电缆观测站已在山东省广泛实现。除上述基本的静态监测系统外，部分海洋牧场也在使用无人机、无人巡逻艇、水下机器人等动态监测设备。Chen等提出以微机电系统(MEMS)技术为基础，研制出低成本小型悬浮监测器，呈条链状、间隔悬挂于浮标下方，部署组成“蜂群”式三维全方位监测系统。刘一隆开发出能够主动调节浮力进行升降运动的水面浮标，并搭载北斗卫星SN2P100MK型通信终端模块，实现浮标小型化、低功耗、高性能的设计目标。图4展示了各类观测设备性能(实时性、移动性)及成本的比较。

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图4 各类观测设备性能及成本的比较

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多参数监测系统的技术难题有：水声波、电磁波的传播易受复杂海况影响或衰减，观测设备难以在复杂的海洋环境下实现长期连续在线监测，需要频繁维护或更替;图像监测、识别与分析技术不够先进，难以实时全程跟踪养殖对象的行为特征、饥饱状态、成长情况，无法为牧场运营及生物特性研究提供全面的数据支撑；成本高，高端传感器基本依赖进口，大多数小规模、单体海洋牧场只能对水温、氧饱和度等基本的水质参数进行监测，难以实现全方位监测。

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2.1.2 智能预警系统

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根据所监测到的气象数据、水质数据、成像数据，基于渔业养殖机理和机器学习相结合的方法建立预警系统。预警模型需要通过线下大量事故数据训练，不断优化适应性、提升事故预警准确度，实现对牧场零部件亚健康状态、水域生态环境改变、养殖对象亚健康状态的预警，避免养殖灾害发生。

我国预警系统发展较为滞后，大多数海洋牧场信息化低下，并且个体养殖户一般也不会操作过于复杂的系统。张广平等、Hu等也在积极研发各类用于预报预警的手机程序，搭建直观的实时监测平台，为养殖户提供便捷实用的预警服务。

预警系统的难点在于：监测系统不够健全完善，难以提供全面实时的监测数据，严重制约了预警预报系统的发展；监测数据综合分析难度大，而精确的预警预报需要将各类别数据进行整合并多维度综合分析，以便清晰得知海洋牧场的整体情况；信号传输带宽有限，传输及处理速度低，预警不够及时。

2.1.3 智能投喂装备

智能投喂分为集中式和分布式。集中式智能投喂是指使用养殖工船(无人巡航船和普通人工驾驶工船)投饲，功率大、效率高但投喂成本也高，仅适用于大规模集群式海洋牧场；分布式智能投喂是指在单个或相邻的数个牧场上安装固定式自动投喂机，成本较低。

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目前欧美等工业现代化程度较高的国家，海洋牧场往往规模较大，适合采用集中式智能投喂；而国内大型养殖户较少，多数牧场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远高于人工，按估测，传统渔业养殖每人最多可照看1.33hm2塘的投喂，而采用智能投喂系统后，每人可照看6.67hm2塘以上，非常适用于中小养殖户，解放了养殖人的传统劳作方式。

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智能投喂设备的关键技术有：防腐密封技术，自动投喂机位于海面上方，环境潮湿，常被波浪拍打，导致装备易锈蚀且饲料易受潮变质；科学投喂技术，根据养殖对象的行为特征、生长阶段，实现精准投喂。

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2.1.4 无人巡航设备

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无人巡航设备包括无人艇、无人机、水下机器人(图5)，泛指海洋牧场中无人驾驶的巡航设备。无人巡航设备具有动态补充监测、智能投喂、水上巡逻、数据回传、防止偷捕等多种作用，应用价值大，尤其是水下机器人的使用能够避免潜水员作业的繁杂及危险。

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图5 水下机器人在跟踪监测鱼群

目前国内海洋牧场使用较多的是无人艇，无人机及水下机器人因为成本和技术问题应用很少。

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无人巡航设备的研发难点有：①图像识别与处理技术，由于海况复杂、水体浑浊、光线较暗、传输路径有限等问题，最终获得的图像会有严重退化，且视频信息量庞大，如何利用算法对图像解混重构、融合增强、提取特征、得出关键信息至关重要；②设备结构强度，即使海洋牧场一般离岸较近，也会有恶劣海况发生，无人巡航设备需要在安全性与经济性之间做出合理平衡；③低功耗无人装备，供电问题是遥控无人潜水器(ROV)、无缆水下机器人(AUV)等实现普遍应用的巨大阻碍。

2.2 先进示范工程

2.2.1 “深蓝1号”养殖网箱

“深蓝1号”养殖网箱(图6)是中国首座自主研制的大型深远海全潜式钢结构养殖网箱，投产后在距青岛120 n mile的黄海养殖冷水鱼，打破了我国三文鱼依赖进口的局面。在设计建造及运营过程中，该网箱先后攻克了网箱沉浮控制、鲨鱼防护、鱼群监控等关键技术。渔场采用“1个中央综合管理平台+多个分布式网箱”的集群式养殖模式，便于集中布置运维系统，节省运维成本，推动了海洋牧场的进一步规模化、信息化。

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图6 “深蓝1号”养殖网箱

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2.2.2 “国信1号”养殖工船

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“国信1号”养殖工船(图7)是世界首艘10万吨级智慧渔业大型养殖工船，船长249.9 m，含15个养殖舱，养殖水体近9万m3，被誉为“移动的海洋牧场”。全船共有2108个子观测点对养殖舱内的水、氧、光、饲、鱼进行实时监测与集中控制，并与岸边基站实时传输数据。船舶吨位大且有自航式移动和锚泊固定两种模式，可以根据养殖对象的生长特性、海域水温等环境因素、自然灾害情况灵活转场，降低养殖损失、缩短养殖周期。

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图7 “国信1号”养殖工船

2.2.3 “耕海1号”综合平台

“耕海1号”综合平台(图8)是全国首座综合性的智能化大型现代生态海洋牧场综合体平台，由3个圆形网箱组合而成，不同网箱可以分别养殖不同鱼类，总养殖水体3万m3。平台上设有多功能厅、直升机停机坪等装置，可以实现休闲观光、科普教育、海洋监测等功能。平台为实现智能运维，配有无人巡航船、水下机器人、实时监测系统、自动投喂装置、防碰撞系统等齐全的现代化设备，将物联网、人工智能、大数据等技术充分融入海洋牧场的建设中。其中智能投喂设备为避免不同网箱饲料混杂，在每个网箱周边均间隔120°布置有3个投料口，每次投喂时根据所监测到的海流方向及速度，从海水来流方向的投料口投喂，使得饲料顺流而下时在该网箱内停留充分时间以被鱼群食用。

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图8 “耕海1号”综合平台

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3 发展建议

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3.1 落实政策倾斜，建立基础设施

我国海洋牧场仍处于“野蛮生长”阶段，大部分养殖户选择建设传统海洋牧场以谋取短期利益。但考虑到现代化海洋牧场的先进性和其对自然环境的修复作用，政府应在政策层面对现代化海洋牧场的建设及运营有所倾斜。例如，开通现代化海洋牧场项目的绿色审批渠道，简化海域申请流程，节约申请所需时间；对现代化海洋牧场减免一定的税费和海域使用金，减少现代化海洋牧场的前期投入成本，鼓励引导海洋牧场的现代化转型。同时，政府也需实时跟踪牧场的选址与布局，提供更具有全局观的建议，加强对其的配套管理。

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海洋牧场实现智能运维的前提是配备相关的基础设施，而中小型养殖户难以承担基础设施的建设费用。针对此问题，政府应该统筹建设海底观测网系统、饲料投喂船等公用基础设施，服务于民、降低养殖户建设智能运维系统的成本。尤其是发展大功率能源转换技术、长程输电技术，推动建成标准化长生命周期海底大型观测网络，不仅能为海洋牧场的智能运维提供基础，也对国防安全、环境保护大有裨益。目前我国已在东海、南海等海域启动小型海底观测网的建设，但距离美国、日本等海洋强国的国家级全覆盖海底观测网仍有不小差距。

3.2 扩大产业规模，促进资源共享

我国国家级海洋牧场示范区的智能运维水平普遍较高，与此形成鲜明对比的是个体养殖户建设的传统海洋牧场，体量小、投入低，全凭人工开展运维，智能化程度极低。对此政府在统筹规划牧场建设时，需学习美国的农业产业化发展经验，鼓励建设大型海洋牧场，实现海洋牧场的机械化、自动化、信息化运营，使得智能运维系统成本在海洋牧场建设总成本中的占比降低。

同时引导中小养殖企业签署合作协议，在共用同片海域的基础上共享智能运维设备，而非恶性竞争、争夺海洋资源。例如，共建共用海底观测设备、岸边基站、无人巡逻船等，从而扩大单个智能运维系统的覆盖面，降低单个企业在智能运维中的投入成本，互利共赢。或推动成立渔业合作社、联合渔民散户，由企业指导合作社建设海洋牧场、装备智能化运维系统并收购成鱼，实现资源整合、改造传统牧场。

3.3 发展交叉学科，重视自主研发

海洋牧场不仅是投资密集型产业，更是技术密集型产业，扎实的理论基础和先进的技术装备是海洋牧场智能运维的发展根本。海洋牧场智能运维涉及的学科领域广泛，包括生物学、物联网、云计算、气象水文、海洋物理等。在此情况下，想要获得全面的监测数据并综合分析、智能决策，就务必要搭建学科合作平台，邀请各学科科研工作者密切交流、深入合作，打破学科界限。

目前我国海洋牧场的智能运维系统并不能做到完全国产化，尤其是海洋观测设备较为落后，需要从德国等地进口，导致设备需要重新调参后才能适用于我国海域，并且维护不够方便、成本也高。所以必须尽快做到独立掌握核心技术，根据我国水文特点研发海洋监测设备，使其能够在复杂的海洋环境下长期稳定运行，推动智能运维系统全面国产化，不再受制于人。

3.4 优化渔业结构，实现精细运维

为提高经济效益、打造市场品牌、优化产业结构，海洋牧场应着重发展海珍品养殖、水产品深加工、稀有鱼种培育等产业。例如，“深蓝1号”养殖网箱使得国内大规模养殖三文鱼成为现实，一举打破了我国三文鱼依赖进口的局面；山东烟台立足长远发展，推动产学研合作，已注册多个海珍品商标，成功打造地域品牌；挪威三文鱼出口额占该国水产品出口总额的66%，广东湛江、广西北海大力发展深水网箱养殖金鲳鱼，经济效益显著。

在给定的海域养殖单一鱼类，在一定程度上有利于海洋牧场的智能运维。海洋牧场需针对养殖对象的生活习性、工作海域的海况特征开展精细化运维，精准控制饲料投喂量、及时自动清理网箱附着物、开展精细化预报预测，推进信息化建设，实现数字化养殖，甚至搭建数字孪生平台，使得牧场状态直观可视化。在将来，精细运维还将致力于以养殖个体为对象，根据个体的成长状况制定不同的养殖方案，做到精细养殖、精细管理，为养殖对象提供“私人管家”式服务。

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