第9章 海洋牧場

海洋牧場第9章9.1智慧海洋牧場9.2休閑漁業(yè) 9.1智慧海洋牧場9.1.1智慧海洋牧場的體系架構(gòu)建設(shè)智慧海洋牧場的關(guān)鍵是在傳統(tǒng)海洋牧場的基礎(chǔ)上，引入智能技術(shù)和裝備，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)漁業(yè)信息的采集、傳輸、處理和應(yīng)用，達到智能化生產(chǎn)管控的目的。智慧海洋牧場的總體構(gòu)成可分為四層，如圖所示。感知層通過部署傳感器和檢測設(shè)備收集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和牧場養(yǎng)殖數(shù)據(jù)。傳輸層負責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和通信，包括水上通信和水下通信。處理層接收來自感知層的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理和分析，提供決策支持。應(yīng)用層面向用戶，提供數(shù)據(jù)可視化、決策支持、智能管理、遠程控制等應(yīng)用。9.1智慧海洋牧場9.1.2智慧海洋牧場的信息傳輸1.水下通信技術(shù)水下通信介于水上物體與水下目標(biāo)（潛艇、無人潛航器、水下觀測系統(tǒng)等）或水下目標(biāo)與水下目標(biāo)之間，分為水下有線通信和水下無線通信。有線通信技術(shù)成熟但安裝和維護困難、成本高，適用于短距離通信。水下無線通信包括電磁波通信、聲波通信、光通信、磁感應(yīng)通信等，可滿足多樣化需求。水下無線通信技術(shù)使海洋牧場中的設(shè)備和系統(tǒng)互聯(lián)互通，實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制，提高養(yǎng)殖效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少對海洋環(huán)境的影響。9.1智慧海洋牧場（1）水下無線電磁波通信水下無線電磁波通信（UWRFC）以水為介質(zhì)，以不同頻率的電磁波為載體傳輸信息。水下存在導(dǎo)電離子，對無線電磁波有衰減作用，低頻無線電磁波在水下能傳播約6～8m，30～300Hz的超低頻電磁波的通信距離為一百多米，但由于電磁波波長越長，其通信所需的天線尺寸越大，小體積的水下節(jié)點無法滿足該要求，再加上海水運動也會致使電磁波能量消耗，因此無線電磁波不能廣泛適用于水下通信，只能實現(xiàn)短距離水下組網(wǎng)應(yīng)用。目前，甚低頻、超低頻和極低頻三個低頻波段較常用于水下無線通信。發(fā)展方向為提高發(fā)射天線輻射效率，增加發(fā)射天線的等效帶寬，提升輻射場強和傳輸速率；通過微弱信號檢測技術(shù)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)對噪聲干擾，并使用差錯控制編碼技術(shù)糾正傳輸誤差，同時采用高性能的編譯碼技術(shù)提升接收信號的可靠性。9.1智慧海洋牧場（2）水下無線聲波通信水下聲波通信（UWAC）利用聲波傳遞信息，將文字、圖像、語音等信息轉(zhuǎn)換為電信號，再轉(zhuǎn)換為聲信號進行傳輸。水聲通信可實現(xiàn)較長距離的信息傳輸，傳輸距離可達到數(shù)十公里，但速率遠低于電磁波通信，無法實現(xiàn)高速率、高容量的信息傳輸。水聲通信性能受水聲信道影響，需克服多徑效應(yīng)、環(huán)境噪聲、多普勒效應(yīng)等難題，同時降低對海洋生物的危害。水聲通信技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事偵察、水下監(jiān)控、水下生物研究等領(lǐng)域，市場規(guī)模逐漸增長。水聲通信正朝著網(wǎng)絡(luò)化階段發(fā)展，隨著技術(shù)研究的深入，通信能力、通信效率、拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性將不斷優(yōu)化，實現(xiàn)全方位、立體化的水下通信。圖9-2水聲通信系統(tǒng)的基本框架9.1智慧海洋牧場（3）水下無線激光通信水下無線激光通信（UWOC）通過藍綠激光傳遞信息。發(fā)射端將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，光信號在水下傳輸時受水環(huán)境影響會散射和吸收，接收端再將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。與電磁波和聲波相比，水下光通信速率高，方向性強，對發(fā)射功率要求低。但光波在水下易擴散、衰減，受水文環(huán)境影響，限制了信號傳遞的穩(wěn)定性和可靠性。圖9-3水下無線激光通信原理圖9.1智慧海洋牧場（4）水下無線磁感應(yīng)通信水下無線磁感應(yīng)通信技術(shù)（UWMIC）以磁場為載體傳遞信息，磁場信號穿透水下介質(zhì)能力強，通信受水下傳輸介質(zhì)變化影響小，傳輸時延低，信道狀態(tài)穩(wěn)定。水下無線通信技術(shù)是實現(xiàn)水下環(huán)境監(jiān)測、水產(chǎn)生物探查等應(yīng)用的關(guān)鍵，需提升傳輸速率、距離和帶寬以滿足海洋牧場發(fā)展需求。隨著技術(shù)成熟，水下通信設(shè)備數(shù)量將減少，成本降低，成為高性價比通信技術(shù)。9.1智慧海洋牧場9.1.3智慧海洋牧場的關(guān)鍵設(shè)備智慧海洋牧場涉及的智能設(shè)備眾多，按設(shè)備所處空間位置的不同，可以將這些智能設(shè)備大致分為水下設(shè)備、水上設(shè)備兩部分，每個部分都包含多種智能設(shè)備，設(shè)備間相互協(xié)調(diào)以確保海洋牧場運轉(zhuǎn)的高效性和可持續(xù)性。分類智能設(shè)備水下設(shè)備水下機器人、水下攝像頭、傳感器、智能漁具、水下無線網(wǎng)絡(luò)、水下數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、水下生物過濾器等水上設(shè)備水泵、氧氣機、飼料機、水處理設(shè)備、無人機、無人艇、衛(wèi)星設(shè)備、通信設(shè)備、信號塔、雷達站、數(shù)據(jù)中心、控制中心等9.1智慧海洋牧場1.水下機器人水下機器人集多種技術(shù)于一體，具有適應(yīng)水下環(huán)境的特性，在作業(yè)范圍、方式、適應(yīng)能力等方面有優(yōu)勢。一般由機械結(jié)構(gòu)、電子系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成。類型有自主式、遙控式和混合式。自主式可自主完成水下任務(wù)；遙控式需人干預(yù)；混合式結(jié)合兩者優(yōu)點。

圖9-4水下機器人9.1智慧海洋牧場1）水下機器人的工作原理水下機器人的工作原理主要是通過傳感器檢測周圍環(huán)境的物理量，然后通過控制器進行計算和處理，最終通過執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)機器人的運動和操作。其中的主要環(huán)節(jié)包括：（1）目標(biāo)識別目標(biāo)識別是水下機器人工作的前提，需要多方面技術(shù)支持，包括感知設(shè)備、圖像處理算法、運動路徑和控制策略等。水下機器人需配備高精度傳感器和成像設(shè)備獲取目標(biāo)信息，采用多種方式融合的監(jiān)測方法提供準(zhǔn)確全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；谒惴ㄌ幚頂?shù)據(jù)并提取特征進行目標(biāo)匹配、識別和分類。需考慮水下環(huán)境和目標(biāo)移動的影響，設(shè)計合適的運動路徑和控制策略，提高目標(biāo)識別的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。（2）路徑規(guī)劃和導(dǎo)航路徑規(guī)劃和導(dǎo)航是水下機器人精準(zhǔn)工作的關(guān)鍵。機器人使用聲納、攝像機、激光雷達等設(shè)備感知環(huán)境，基于數(shù)據(jù)處理和建圖獲取水下環(huán)境和自身狀態(tài)信息。采用多種路徑規(guī)劃算法計算最短或最優(yōu)路徑，得出路徑規(guī)劃結(jié)果。機器人按照規(guī)劃移動并開展作業(yè)，通過多種導(dǎo)航技術(shù)確定位置和朝向。在路徑規(guī)劃和移動中，機器人可能會遇到障礙物，靜態(tài)障礙物可有效避開，動態(tài)障礙物需通過環(huán)境感知建模和動態(tài)避障算法躲避。控制系統(tǒng)根據(jù)感知數(shù)據(jù)和任務(wù)要求實時調(diào)整機器人狀態(tài)和路徑規(guī)劃，確保準(zhǔn)確快速到達目標(biāo)位置。（3）作業(yè)控制作業(yè)控制是水下機器人自主工作的核心。機器人到達目標(biāo)地點后，根據(jù)任務(wù)和工作流程精準(zhǔn)開展工作并進行控制。通過感知設(shè)備和定位系統(tǒng)掃描和定位環(huán)境，明確目標(biāo)對象，調(diào)整位置和姿態(tài)；控制機械臂和其他設(shè)備開展工作，維持本體穩(wěn)定和平衡；應(yīng)用智能算法和控制系統(tǒng)提高作業(yè)精確度，避免碰撞和誤操作。利用機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)水下機器人，提高自主工作和控制能力。

9.1智慧海洋牧場2）水下機器人在海洋牧場中的應(yīng)用（1）水下環(huán)境監(jiān)測水下機器人搭載水質(zhì)傳感器，可實時監(jiān)測牧場水下環(huán)境，范圍廣、機動性強、數(shù)據(jù)可靠。搭載數(shù)據(jù)記錄和傳輸系統(tǒng)，存儲和傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，上傳至云端進行綜合評估。融合傳感器節(jié)點、無人機、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建完善的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。環(huán)境監(jiān)測是水下機器人海洋牧場應(yīng)用的研究熱點，產(chǎn)品種類豐富，但成本和性能難以兼顧，實際應(yīng)用不普遍。（2）水產(chǎn)生物辨識通過搭載高清攝像頭，水下機器人可以記錄水下場景中的各種狀況，如水產(chǎn)生物逃逸、死亡情況等；水下機器人運用視覺、激光、水聲等探測方式，結(jié)合信息處理、模式識別和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，提取水產(chǎn)生物種類、數(shù)量、大小、位置、密度、分布等特征，可為水產(chǎn)生物生長評估提供有價值的依據(jù)。（3）養(yǎng)殖污物清潔水下機器人可大范圍開展養(yǎng)殖污物清理和處理，如網(wǎng)箱清洗、清除池塘底部和網(wǎng)箱內(nèi)死魚、殘渣、雜草等，并通過內(nèi)置污物收集器收集處理，保持水體清潔，減少污染。清潔時需避免誤碰水產(chǎn)生物或損壞水中設(shè)施。水下機器人還可執(zhí)行設(shè)備巡檢、捕獲、撒藥等任務(wù)，與其他節(jié)點靈活組網(wǎng)，構(gòu)建一體化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測管理系統(tǒng)。應(yīng)用有利于提高養(yǎng)殖效率，改善環(huán)境，推動水產(chǎn)業(yè)機器換人。但存在穩(wěn)定性、控制精度、通信可靠性等問題，需加大研發(fā)創(chuàng)新。受養(yǎng)殖模式、成本等因素限制，應(yīng)用范圍有限，但隨技術(shù)發(fā)展有望發(fā)揮重要作用。

9.1智慧海洋牧場2.無人機無人機（UnmannedAerialVehicle，UAV）是一種裝備了推進系統(tǒng)、GPS/北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器、攝像頭、通信設(shè)備、控制系統(tǒng)以及其他一些組件的自動飛行設(shè)備。

9.1智慧海洋牧場（1）無人機無線傳感網(wǎng)絡(luò)無人機無線傳感網(wǎng)絡(luò)（UAV-WSN）由無人機和傳感器節(jié)點組成，無人機作為移動基站，將傳感器節(jié)點連接到更高級的網(wǎng)絡(luò)中。無人機收集來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)街付ɑ净蛟贫朔?wù)器。相比使用4G/5G傳輸傳感器數(shù)據(jù)，UAV-WSN不受基站、Wi-Fi等限制，更快地收集和傳輸數(shù)據(jù)，降低成本和提高效率。無人機可以在不同高度、角度和速度下飛行，收集不同類型數(shù)據(jù)，避免地面干擾，使整個系統(tǒng)更具靈活性。UAV-WSN可以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)中的單點故障。無人機不僅可以監(jiān)測溫度、濕度、光照等變量，還可以搭載相機和激光雷達等設(shè)備，獲取更多數(shù)據(jù)。UAV-WSN可以在環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察、救援等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但存在無人機的續(xù)航時間、航程、操控等局限，以及網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)隱私的問題。盡管存在挑戰(zhàn)，UAV-WSN的應(yīng)用領(lǐng)域仍然非常廣泛。圖9-6UAV-WSN示意圖9.1智慧海洋牧場（2）無人機在海洋牧場中的應(yīng)用無人機為海洋牧場生產(chǎn)管理提供新思路和手段。無人機作為移動基站傳輸傳感器數(shù)據(jù)，搭載各種傳感器和設(shè)備，實現(xiàn)全天候、全時段、高效率的海洋牧場監(jiān)測和管理。無人機平臺搭載遙感設(shè)備獲取高分辨率海洋地形、海面狀況信息，精細化分析環(huán)境，監(jiān)測變化趨勢；無人機搭載高清攝像機識別水產(chǎn)生物，評估養(yǎng)殖質(zhì)量；無人機拍攝圖像或視頻檢測海網(wǎng)、浮標(biāo)等設(shè)施，發(fā)現(xiàn)污染源、非法捕撈行為等，保護海洋生態(tài)環(huán)境。9.1智慧海洋牧場3.無人艇無人艇通過集成導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器和控制系統(tǒng)來實現(xiàn)自主導(dǎo)航和控制。無人艇目前廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查、海底探測、水下作業(yè)、水上巡邏等領(lǐng)域，可以執(zhí)行危險任務(wù)，降低人員風(fēng)險，也可以提高作業(yè)效率和減少成本，它將逐漸取代傳統(tǒng)的船只和潛艇，成為海洋領(lǐng)域的重要智能設(shè)備。使用無人艇進行海洋牧場生產(chǎn)管理，可以為養(yǎng)殖管理、環(huán)境保護和災(zāi)害防范等提供重要的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。9.2休閑漁業(yè)近年來，智慧海洋牧場的建設(shè)加快了產(chǎn)業(yè)融合進程，漁業(yè)和旅游業(yè)融合形成了一種漁業(yè)旅游形式——休閑漁業(yè)。目前已有許多地區(qū)建設(shè)了休閑觀光型海洋牧場，打造多樣化的休閑漁業(yè)發(fā)展模式，使之成為海洋牧場管理開發(fā)的一種新興產(chǎn)業(yè)。9.2休閑漁業(yè)9.2.1休閑漁業(yè)的國內(nèi)發(fā)展情況近年來，國內(nèi)休閑漁業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出良好態(tài)勢，但省際發(fā)展不平衡的問題突出，沿海和內(nèi)陸差距明顯。圖9-72012-2021年全國休閑漁業(yè)產(chǎn)值近年來，國內(nèi)休閑漁業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出良好態(tài)勢。圖9-7所示為2012年～2021年全國休閑漁業(yè)產(chǎn)值，根據(jù)休閑漁業(yè)監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年至今國內(nèi)休閑漁業(yè)產(chǎn)值及其占漁業(yè)經(jīng)濟總產(chǎn)值的比例總體上升。2020年受新冠肺炎疫情影響，休閑漁業(yè)產(chǎn)值有所下降。2021年，國內(nèi)休閑漁業(yè)呈現(xiàn)復(fù)蘇態(tài)勢，產(chǎn)值達805.40億元，同比增長3.18%。9.2休閑漁業(yè)從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，國內(nèi)休閑漁業(yè)分為旅游導(dǎo)向性休閑漁業(yè)、休閑垂釣及采集業(yè)、釣具釣餌觀賞魚漁藥及水族設(shè)備、觀賞魚產(chǎn)業(yè)和其他五種類型。其中，旅游導(dǎo)向型休閑漁業(yè)、休閑垂釣及采集業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，2021年產(chǎn)值分別為325.45億元、252.21億元，分別占休閑漁業(yè)產(chǎn)值的40.41%、31.31%；釣具釣餌觀賞魚漁藥及水族設(shè)備產(chǎn)值為128.83億元，占休閑漁業(yè)產(chǎn)值的16.00%；觀賞魚產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值為94.86億元，占休閑漁業(yè)產(chǎn)值的11.78%。2021年國內(nèi)休閑漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)占比如圖9-8所示。圖9-82021年國內(nèi)休閑漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)占比圖休閑漁業(yè)是漁業(yè)“五大產(chǎn)業(yè)”之一，能顯著增加水產(chǎn)品銷售、延長漁業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、帶動旅游消費、拉動人口就業(yè)、增加漁民收入，促進漁業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級。國家、部門和地方出臺了休閑漁業(yè)政策，國務(wù)院和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出發(fā)展休閑農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)，規(guī)范、支持休閑漁業(yè)發(fā)展。9.2休閑漁業(yè)9.2.2共享經(jīng)濟背景下的休閑漁業(yè)將休閑漁業(yè)與共享經(jīng)濟相結(jié)合，形成生產(chǎn)、銷售、旅游于一體的共享漁業(yè)發(fā)展模式，既能讓消費者更廣泛地參與漁業(yè)生產(chǎn)管理和休閑體驗，也能更加高效、開放、合理地配置資源，為漁業(yè)發(fā)展提供更多樣的市場平臺，產(chǎn)生新的漁業(yè)創(chuàng)收渠道。