王 劍 胡潤(rùn)宇 劉心銘 鄒玉瑩 戴榕泓

海洋生物生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)
——基于海洋動(dòng)物行為學(xué)的白海豚引導(dǎo)案例

王 劍 胡潤(rùn)宇 劉心銘 鄒玉瑩 戴榕泓

海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)模擬水域生物發(fā)出的聲波去引導(dǎo)有益水生生物進(jìn)入安全水域（如：鯨類、海獅因迷航而擱淺、白海豚因迷航死于高速輪船撞擊），驅(qū)趕有害生物進(jìn)入人類活動(dòng)水域（如：鯊魚、虎鯨進(jìn)入休閑沙灘海域），降低水域生物受人類活動(dòng)的干擾，保護(hù)海域生物，從而實(shí)現(xiàn)海洋生態(tài)平衡和保護(hù)。該系統(tǒng)以對(duì)聲波定位、交流為主的白海豚研究為突破口，研究白海豚交流聲波“語(yǔ)言”及白海豚天敵虎鯨的聲波，利用海洋生物學(xué)、仿生學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科，通過(guò)研發(fā)出由超聲波接收器、超聲波發(fā)聲器、基于美國(guó)儀器公司開(kāi)發(fā)的NI數(shù)據(jù)采集卡的聲音處理器、LabVIEW軟件處理系統(tǒng)組成的一套基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)。

選題背景

由于人類活動(dòng)對(duì)海洋的干擾，海洋生態(tài)環(huán)境受到了一定程度的破壞。主要有以下幾點(diǎn)，其中高速輪船造成海洋動(dòng)物死傷占18％到20％，見(jiàn)圖1。

圖1 損害海洋生物的因素

利用超聲波避障和捕食的動(dòng)物特別容易受到人類活動(dòng)的影響，包括白海豚、鯨類、鯊魚等。其中白海豚和鯨類會(huì)被來(lái)往船只的螺旋槳擊中或因信號(hào)干擾而擱淺，鯊魚會(huì)誤入人類的活動(dòng)范圍并襲擊人類。

（一）白海豚

中華白海豚（Sousa Chinesis Dsbeck） 是中國(guó)海洋鯨豚中唯一的國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物，1988年被列入《中華人民共和國(guó)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物名錄》，同時(shí)也被列入瀕危野生動(dòng)物國(guó)際貿(mào)易公約，禁止一切相關(guān)的貿(mào)易活動(dòng)。

目前世界白海豚分布如圖2、圖3所示。

圖2 全球白海豚分布

圖3 中國(guó)白海豚分布

由于白海豚的繁殖率、生存率低及人類活動(dòng)干擾，白海豚的數(shù)量極少并呈下降趨勢(shì)。以香港為例，海豚保護(hù)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)洪家耀說(shuō)：“在過(guò)去數(shù)年我們見(jiàn)證了海豚數(shù)量的急劇下降—2003年有158只，到2012年只有61只?！币?jiàn)圖4。

（二）鯨類

鯨魚是國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物。然而，在過(guò)去100多年中，商業(yè)捕鯨幾乎造成鯨的滅絕，1920年時(shí)世界上還有25萬(wàn)頭藍(lán)鯨和60萬(wàn)頭長(zhǎng)須鯨，2006年時(shí)只剩當(dāng)時(shí)的4％和8％，見(jiàn)圖5。

除了商業(yè)捕殺帶來(lái)的危害，鯨魚擱淺也是導(dǎo)致鯨魚死亡的重要原因。人們自古以來(lái)便發(fā)現(xiàn)鯨魚“集體自殺”見(jiàn)圖6。

圖4 香港海豚數(shù)量變化

圖5 鯨魚數(shù)量變化

圖6 歷史鯨魚死亡事件

（三）鯊魚

全世界每年約有100起鯊魚攻擊人類事件發(fā)生。約25％是致命的，多死于出血和休克，見(jiàn)圖7。

圖7 鯊魚攻擊人類致命率

因?yàn)榘缀ｋ鄬?duì)超聲波最為敏感，而且在廣東有中華白海豚保護(hù)區(qū)，我們選擇以白海豚為案例作為研究。

海洋生態(tài)引導(dǎo)概念構(gòu)想

通過(guò)模擬水域生物發(fā)出的聲波，海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)可以引導(dǎo)有益水生生物進(jìn)入安全水域（如：鯨類、海獅因迷航而擱淺、白海豚因迷航死于高速輪船撞擊），驅(qū)趕有害生物進(jìn)入人類活動(dòng)水域（如：鯊魚、虎鯨進(jìn)入休閑沙灘海域）。

圖8 海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)（途中圓點(diǎn)表示）可部署于海岸沿線以防止白海豚、鯨魚等出現(xiàn)擱淺現(xiàn)象

圖9 珠江口中華白海豚自然保護(hù)區(qū)的具體保護(hù)方案（帶有探測(cè)系統(tǒng)的浮標(biāo)）將布置于河口兩岸以及狹小區(qū)域，而驅(qū)趕系統(tǒng)主要分布在淇澳島和內(nèi)伶仃岸邊，對(duì)于離岸過(guò)近、又危險(xiǎn)的白海豚進(jìn)行引導(dǎo)

（一）應(yīng)用與部署

海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)可部署于海岸沿線，對(duì)防止白海豚、鯨類等生物的擱淺現(xiàn)象有一定作用。同時(shí)，該技術(shù)也可被應(yīng)用于游客密集的海灘，防止具有攻擊性的海洋生物如鯊魚等闖入引發(fā)人員傷亡。對(duì)于洋面較為開(kāi)闊的區(qū)域，這一系統(tǒng)則可被應(yīng)用于驅(qū)趕誤入漁場(chǎng)或網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域的白海豚，通過(guò)在養(yǎng)殖區(qū)域四周以及作業(yè)漁船上部署該系統(tǒng)，防止?jié)O船誤傷白海豚。

圖10 單作業(yè)系統(tǒng)之間可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電信號(hào)、GSM網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)互相通信、形成覆蓋面極廣的物聯(lián)網(wǎng)

（二）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

當(dāng)部署在海岸沿線以及船只上的系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)形成分布式網(wǎng)絡(luò)后，由系統(tǒng)采集的各種信息都能被匯總到分布式網(wǎng)絡(luò)的云端數(shù)據(jù)庫(kù)上，因此可以提高該套系統(tǒng)的全局可控性，穩(wěn)定性和易操作性?？刂迫藛T可以通過(guò)如手機(jī)等的各類聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，隨時(shí)隨地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，接收系統(tǒng)相關(guān)信息，大大減少了管理系統(tǒng)所需的人力資源和管理人員的工作復(fù)雜度，起到以點(diǎn)成線，以點(diǎn)成面的大局化效果，真正意義上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)，智能和高效。

（三）與GIS系統(tǒng)的交叉應(yīng)用

GIS（地理信息系統(tǒng)）匯總了全國(guó)各地的相關(guān)地理信息和實(shí)時(shí)氣象信息以及基本水文信息，通過(guò)與GIS系統(tǒng)的交疊，海洋生物生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)可以在很大程度上適應(yīng)每一套系統(tǒng)所部署地區(qū)的具體地理環(huán)境，并實(shí)施規(guī)避自然災(zāi)害和其他風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，作為對(duì)GIS系統(tǒng)的補(bǔ)充與延伸，系統(tǒng)可基于自身攜帶的水文檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)氐乃臓顩r，并將其發(fā)送給GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到兩者相輔相成的目的。

（四）以白海豚為例的應(yīng)用效果示意圖

圖11

圖12 海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)的效果模擬：系統(tǒng)能在收到白海豚發(fā)出的超聲波之后發(fā)射相應(yīng)的聲波對(duì)其進(jìn)行引導(dǎo)

海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)用

該系統(tǒng)以對(duì)聲波定位、交流為主的白海豚研究為突破口，研究白海豚交流聲波“語(yǔ)言”及白海豚天敵虎鯨的聲波，利用海洋生物學(xué)、仿生學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科，通過(guò)研發(fā)出由超聲波接收器、超聲波發(fā)聲器、基于美國(guó)儀器公司開(kāi)發(fā)的NI數(shù)據(jù)采集卡的聲音處理器、LabVIEW軟件處理系統(tǒng)組成的一套基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)。

圖13 單作業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 操作軟件界面：顯示所測(cè)海洋生物的經(jīng)緯度及種類、海水溫度、接收的波形及FFT信號(hào)

圖15 距離測(cè)算，水中音速計(jì)算部分C語(yǔ)言代碼實(shí)現(xiàn)

圖16 動(dòng)態(tài)功率調(diào)整部分C語(yǔ)言代碼實(shí)現(xiàn)

（一）單作業(yè)系統(tǒng)

單作業(yè)系統(tǒng)包括超聲波接收器、超聲波發(fā)聲器、基于NI數(shù)據(jù)采集卡的聲音處理器、LabVIEW軟件處理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)探測(cè)信息、顯示當(dāng)前狀態(tài)、輸出驅(qū)趕信息等功能。采集聲波并確定經(jīng)緯度后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，并同時(shí)發(fā)射聲波。軟件界面能顯示所測(cè)海洋生物的經(jīng)緯度、海水溫度、接發(fā)的聲波類型及其FFT信號(hào)。

（二）操作軟件界面圖

（三）計(jì)算代碼

以白海豚為例研究具有導(dǎo)向性的海洋生態(tài)系統(tǒng)

海洋中會(huì)發(fā)聲的動(dòng)物有無(wú)脊椎動(dòng)物、軟體動(dòng)物、魚類和哺乳動(dòng)物等。有些哺乳動(dòng)物，例如大部分齒鯨類，都具有回聲定位的功能，起著通訊的作用。由于白海豚為國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物，瀕臨滅絕，該項(xiàng)目以白海豚為例，研究具有發(fā)生功能及回聲定位系統(tǒng)的導(dǎo)向型海洋生態(tài)系統(tǒng)。

（一）白海豚的定位系統(tǒng)

中華白海豚位于頭部?jī)蓚?cè)的眼睛較小、視力較差，其辨別物體的位置和方向主要靠回聲定位系統(tǒng)。海豚頭上的額隆，起著聲透鏡的作用，把接收的聲波變成狹窄的聲束，海豚根據(jù)水中物體對(duì)自己叫聲的反射聲，判斷物體的方位和距離。

與白海豚相似，鯨魚、鯊魚等海洋生物也有類似的超聲波定位系統(tǒng)，因此可以通過(guò)發(fā)射超聲波進(jìn)行信號(hào)傳遞相應(yīng)的信息：如驅(qū)逐對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有危害的物種、避免海豚等生物擱淺、指引海洋生物趨向食物水質(zhì)等適宜的海洋環(huán)境。

（二）在保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)的白海豚數(shù)據(jù)

圖17 白海豚頭部結(jié)構(gòu)縱向切面圖A—?dú)饪?；B—鼻通道；C—前庭囊；D—前頜骨囊；E—鼻栓區(qū)；F—額隆；G—鼻孔骨；H—喉；I—舌；J—上腭；K—下顎

圖18 白海豚基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖19 白海豚基本結(jié)構(gòu)示意圖

海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用前景

由于系統(tǒng)的原理是通過(guò)超聲波向具有這一聽(tīng)力范圍的生物發(fā)送其天敵信號(hào)，因此該系統(tǒng)在稍作改良后，即可對(duì)鯨類、大部分海豚種群以及較為罕見(jiàn)的海獅等動(dòng)物適用。如此一來(lái)，系統(tǒng)在單純防止白海豚遭受誤傷的同時(shí)，也可以有效應(yīng)對(duì)鯨類、海獅擱淺、迷航等的狀況，應(yīng)用廣度大幅提升。

如果能將系統(tǒng)做跨平臺(tái)拓展，將其水文、天氣模塊進(jìn)行功能上的加強(qiáng)，并與當(dāng)?shù)睾竭\(yùn)系統(tǒng)、漁業(yè)系統(tǒng)的調(diào)度平臺(tái)鏈接，提供實(shí)時(shí)的氣象水文信息，并基于人工智能進(jìn)行相應(yīng)分析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的、適于用戶查看的數(shù)據(jù)形式，并通過(guò)系統(tǒng)自身具有一定算力的中央處理系統(tǒng)進(jìn)行分布式聯(lián)網(wǎng)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)如我國(guó)整個(gè)東南沿海的水文、氣象、大型鯨類、海豚的活動(dòng)狀況，無(wú)疑會(huì)大有裨益，使系統(tǒng)在功能上更為多元，更為精簡(jiǎn)和高效。

王 劍 胡潤(rùn)宇 劉心銘 鄒玉瑩 戴榕泓

廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.006