李 楠，任 翀，王田野，曾軍財

（1. 中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237）

0 引言

海洋漁業(yè)正從傳統(tǒng)的海洋捕撈向深遠海養(yǎng)殖方向發(fā)展[1]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）2020年統(tǒng)計，全球捕撈產(chǎn)量自21世紀以來基本穩(wěn)定，而水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量逐年攀升，預計在2030年前后將超過捕撈產(chǎn)量[2]。隨著近海自然漁業(yè)資源的減少和環(huán)境保護壓力的增加，未來水產(chǎn)品增量將更加依賴深遠海養(yǎng)殖來實現(xiàn)[3]。我國《全國海洋經(jīng)濟發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出全面提升遠洋漁業(yè)資源開發(fā)能力，推動建設深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)帶，大力發(fā)展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，促進海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)調(diào)整結構、轉變漁業(yè)經(jīng)濟增長方式。

發(fā)展深遠海養(yǎng)殖需要先進的養(yǎng)殖裝備作為支撐?；陴B(yǎng)殖網(wǎng)箱實施自動化、智能化養(yǎng)殖，是提升養(yǎng)殖規(guī)模和效益、降低人員工作強度和養(yǎng)殖風險的重要手段。對養(yǎng)殖海域環(huán)境實施遠程實時監(jiān)測是養(yǎng)殖自動化、智能化的關鍵環(huán)節(jié)。面向深遠海網(wǎng)箱養(yǎng)殖需求，基于高精度溫鹽深測量儀、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、監(jiān)測信息實時處理與集成等關鍵技術，研制與深遠海大型智能化養(yǎng)殖網(wǎng)箱配套的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠為深遠海養(yǎng)殖提供技術與裝備支撐，推動海洋漁業(yè)及相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀

自20世紀60年代以來，深水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，深遠海養(yǎng)殖網(wǎng)箱等高端漁業(yè)裝備蓬勃發(fā)展，代表性產(chǎn)品包括世界首座深海半潛式智能網(wǎng)箱“Ocean Farm 1”（圖1[4]）、目前容量最大的網(wǎng)箱結構養(yǎng)殖工船“HAVFARM 1”（圖2[5]）等。目前，深水網(wǎng)箱核心技術被挪威、日本、加拿大、俄羅斯等國所壟斷。我國網(wǎng)箱養(yǎng)殖已有一定規(guī)模，但主要分布在內(nèi)灣和近海，養(yǎng)殖密度高，水體質量差[6]。我國深水網(wǎng)箱等養(yǎng)殖裝備起步較晚，核心裝備主要依靠進口，本土化配套能力不足，限制了我國養(yǎng)殖裝備的長遠發(fā)展[7-9]。

圖1 挪威“Ocean Farm 1”深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱Fig. 1 Norwegian Ocean Farm 1 deep-sea aquaculture cage

圖2 “HAVFARM 1”深海養(yǎng)殖工船F(xiàn)ig. 2 HAVFARM 1 deep-sea mariculture vessel

在網(wǎng)箱養(yǎng)殖監(jiān)控技術方面，主要是結合傳感器和有線/無線通信技術獲取海洋環(huán)境、生物狀態(tài)、養(yǎng)殖設施的相關信息，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。這些方案普遍采用2級模型：養(yǎng)殖點和監(jiān)控中心。由養(yǎng)殖點的傳感器采集數(shù)據(jù)，再用有線或無線的方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。例如，海南陵水“5G+海洋牧場” 采用5G網(wǎng)絡技術，集成網(wǎng)箱海洋環(huán)境實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，對深海網(wǎng)箱水質水文環(huán)境及內(nèi)部狀況進行實時在線監(jiān)測（圖3[10]）。

圖3 海南“5G+海洋牧場”海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 3 Hainan 5G+Ocean Farm marine environmental monitoring system

2 海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案設計

針對深遠海網(wǎng)箱數(shù)字化管理和集約化養(yǎng)殖需求，基于高精度溫鹽深測量儀、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、監(jiān)測信息實時處理與集成等關鍵技術，設計了與深遠海大型智能化養(yǎng)殖網(wǎng)箱配套的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度、鹽度、溶解氧等海洋環(huán)境要素的遠程實時監(jiān)測。

2.1 系統(tǒng)組成

對此，歐洲法院在Child and Family Agency案中指出，《布魯塞爾條例Ⅱa》第15條不方便法院條款的設計是基于兒童利益最大化，移送案件也是基于兒童的最大利益。因此，原審法院不應考慮將案件移送到另一成員國對所涉兒童之外其他人遷徙自由的影響，除非這些因素可能會對兒童的狀況產(chǎn)生不利影響②Case C 428/15，27 October 2016，para.62-65.。

CTD是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的核心設備，其性能對監(jiān)測系統(tǒng)的技術指標具有決定性影響。CTD由溫度傳感器、電導率傳感器、壓力傳感器、測量轉換電路、綜合控制系統(tǒng)、耐壓艙等組成。測量時，由傳感器感應海水的溫度、電導率及壓力要素，通過轉換電路將物理量變成電信號輸出，由綜合控制系統(tǒng)接收并通過通信接口傳輸測量數(shù)據(jù)。高精度CTD研制的核心工作是溫度、壓力和電導率3種傳感器的研制，重點為電導率傳感器研制。

海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、數(shù)傳子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)等組成（圖4）。軟件主要是上位機軟件。

圖4 系統(tǒng)組成Fig. 4 System composition

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括搭載的各式傳感器、配套的電平轉換、A/D轉換元器件等數(shù)據(jù)采集設備，負責采集海洋環(huán)境參數(shù)。控制子系統(tǒng)包括監(jiān)測點的主控Soc與其配套的控制程序，根據(jù)控制指令控制各傳感器的采樣頻率、采樣周期、采樣模式等，監(jiān)測各部件運行狀態(tài)，將操作結果與運行信息反饋至監(jiān)控中心。數(shù)傳子系統(tǒng)負責轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)至中控系統(tǒng)，轉發(fā)控制指令至各傳感器。能源子系統(tǒng)負責為監(jiān)測點供電，采用備用電池設計，在主電源切斷的情況下可臨時供電，保證系統(tǒng)不間斷運行。上位機軟件是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)與集中控制系統(tǒng)及控制人員的接口，主要負責監(jiān)測信息實時處理與集成。

2.2 監(jiān)測規(guī)劃

今年以來，在收藏市場眾多郵品中，《改革開放四十周年》郵票珍藏冊脫穎而出，如《鄧小平同志誕生一百周年》紀念郵票、《中國共產(chǎn)黨十一屆三中全會二十周年》紀念郵票、《改革開放三十周年》紀念郵票、《改革開放四十周年》紀念郵票。其中，《改革開放三十周年》紀念郵票是“改革開放”系列題材的首枚郵票，作為十年一發(fā)的主題系列郵票，這枚郵票的龍頭效應也已凸顯。小型張四方連整版票珍貴版式價值走高?！陡母镩_放四十周年》郵票珍藏冊收錄的郵票版式包含：四方連、小型張、整版票。以上三個版式，均是郵市價格持續(xù)保值、走高的郵票版式，更在集郵圈備受歡迎。

企業(yè)以電子信息為媒介，對財物監(jiān)控采用了新的管理模式，使得企業(yè)成本大大降低。同時，非結構化處理的模式利于企業(yè)將數(shù)據(jù)直接傳送到財務信息系統(tǒng)中心進行勘測，促進了財務管理的集中化。高級管理人員由此掌握了財務的控制權力，根據(jù)市場變動，及時做出調(diào)整。

那羅寨礦原煤質量見表1?？紤]到礦井原煤質量及生產(chǎn)成本，依據(jù)洗選加工效益最大化原則，該礦原煤按動力煤洗選加工更合適。選煤廠確定采用篩分工藝，將篩下低灰高發(fā)熱量物料直接作為動力煤產(chǎn)品銷售，篩上高灰低發(fā)熱量物料進入重介質分選系統(tǒng)。在原煤篩分破碎樓新增一套分級系統(tǒng)。生產(chǎn)實踐證明，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，保證了礦井劣質原煤生產(chǎn)，同時又降低了洗選加工成本。

以圖5所示網(wǎng)箱（直徑110 m，工作吃水40 m）為例，在網(wǎng)箱的中央及外圍立柱的不同深度設置若干個水下監(jiān)測點，實現(xiàn)表、中、底層水體覆蓋。每個監(jiān)測點均配備溫度、電導率、溶解氧和壓力等通用傳感器。在中央立柱設置海流傳感器。在網(wǎng)箱平臺設置水上監(jiān)測點，配備姿態(tài)、氣象等傳感器。此外，可根據(jù)養(yǎng)殖產(chǎn)品種類的不同選配其他傳感器（表1）。

圖5 養(yǎng)殖網(wǎng)箱示意圖Fig. 5 Diagram of aquaculture cage

表1 監(jiān)測規(guī)劃Table 1 Monitoring planning

3 硬件設計

3.1 高精度溫鹽深測量儀（CTD）

有些應該保持有限速度。比如說抓改革、謀發(fā)展，確實是慢不得也急不得，既要防止錯過改革發(fā)展的最佳機遇，又要防止因舉措失當、發(fā)展失衡造成不必要的損失，力爭做到蹄疾步穩(wěn)。再如，中國高鐵的“落地”，從“和諧號”到“復興號”，從時速300到350公里，其速度僅為“高速飛行列車”論證速度的8.75%。這里邊既有對規(guī)律的尊重，也有對發(fā)展的負責，更有對生命的敬畏?！?/p>

研制的七電極電導率傳感器具有較高的測量精度，其電導池實現(xiàn)了電流電極和電壓電極的分離，可顯著減少電極極化阻抗，導流空間大，響應時間快。七電極電導率傳感器的電導池兩端有2個接地電極，可有效屏蔽外部干擾。研制的溫度傳感器采用新型微結構形式，具有快速響應、耐高壓等特點。此外，還研制了硅壓阻型壓力傳感器（圖6）。

圖6 電導率、溫度、壓力傳感器Fig. 6 CTD sensors

完成CTD樣機加工及相關調(diào)試后，為保證測量準確性，利用CTD校準實驗室開展了傳感器校準（圖 8）。通過試驗方法建立了傳感器輸入輸出關系，進而獲得校準系數(shù)等相關參數(shù)。

圖7 測量電路Fig. 7 Measurement circuit

針對網(wǎng)箱監(jiān)測點多套CTD同時工作的應用場景，在測量電路（圖7）設計方面采用了低功耗及抗干擾設計。通過選用低功率器件，降低功耗及溫度。通過降低單片機的晶振頻率，減小來自電源的噪聲，在盡量靠近 A/D轉換器處接地以及屏蔽振蕩器區(qū)域，來增強抗干擾能力。

圖8 傳感器校準Fig. 8 Sensor calibration

3.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡

由于深遠海養(yǎng)殖水域遠離海岸，需采用有線/無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡將網(wǎng)箱數(shù)據(jù)實時傳輸至岸站。綜合考慮成本、功耗及通信技術發(fā)展趨勢，采用網(wǎng)箱有線組網(wǎng)、網(wǎng)箱與岸站間無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方案。網(wǎng)箱監(jiān)測點的傳感器通過串口服務器、網(wǎng)線等連接至以太網(wǎng)交換機，組成局域網(wǎng)絡。網(wǎng)箱與岸站間架設一對無線網(wǎng)橋，上位裝置以及無線網(wǎng)橋也連接至千兆以太網(wǎng)交換機，實現(xiàn)網(wǎng)箱與岸站監(jiān)控中心的無線數(shù)據(jù)傳輸。無線網(wǎng)橋采用 airFiber?X AF-2X，具有高達17.1 Mbps/MHz的頻譜效率，發(fā)射距離超過200 km，吞吐量大于500 Mbps，可以設置不同的上行與下行任務周期來滿足非對稱流量需求。如圖9。

圖9 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡示意圖Fig. 9 Diagram of data transmission network

4 軟件設計

監(jiān)測點將數(shù)據(jù)傳輸至岸站，通過上位機軟件實現(xiàn)監(jiān)測信息的實時處理與集成。上位機軟件的主要功能為實現(xiàn)人機交互，將采集的數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息進行圖形化集成顯示，便于中控系統(tǒng)控制以及人員實時監(jiān)測，同時提供下位機控制接口，將上位機控制指令實時傳輸給數(shù)采子系統(tǒng)。軟件具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸出及傳感器控制等功能。軟件可采集溫度、電導率/鹽度、壓力/深度、溶解氧、流速、流向及姿態(tài)等參數(shù)以及工作狀態(tài)信息，采集頻次可調(diào)；采集數(shù)據(jù)存儲于本地數(shù)據(jù)庫；以文字、實時曲線等方式顯示；以UDP報文形式輸出至中控系統(tǒng)；可控制傳感器開關及觀測頻次。

軟件開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio。數(shù)據(jù)接入部分使用C#/Golang/Rust編寫，從串口接收解析消息幀，發(fā)送操作指令，采用第三方WebSocket庫。數(shù)據(jù)庫方面，由于需承載的數(shù)據(jù)量較小，選擇應用廣泛的關系型數(shù)據(jù)庫SQLite和MariaDB。系統(tǒng)需要管理主要資源是設備和數(shù)據(jù)信息，因此數(shù)據(jù)表分為2類，分別存儲設備和數(shù)據(jù)信息。每一類數(shù)據(jù)表均有1張總表，保存所有設備的基本信息和所有消息的基本信息，作為指向詳細信息的索引。對于每一種設備/消息，均有一張設備/消息表存儲所有該類設備/消息特定的信息。應用服務器連接數(shù)據(jù)接入單元，同數(shù)據(jù)庫通信，對外提供 RESTful API。瀏覽器即可作為客戶端，簡化額外軟件要求。使用WebSocket + Json交換數(shù)據(jù)。實時顯示傳感器數(shù)據(jù)，使用Echarts 3和Measurement Studio可視化歷史數(shù)據(jù)。觀測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，除使用客戶端查看歷史曲線外，還可以使用通用數(shù)據(jù)庫管理軟件（DBeaver、Navicat等）管理數(shù)據(jù)，也可導出為通用格式（.xls、.csv、.txt等）進行后續(xù)處理。

5 水池功能驗證試驗

開展了海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（包括CTD及上位機軟件）的水池功能驗證試驗（圖 10），對監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)裙δ苓M行了初步驗證。通過與美國海鳥SBE–37 CTD的水池比測，系統(tǒng)工作狀況正常，監(jiān)測數(shù)據(jù)正確、穩(wěn)定、可靠。

圖10 水池功能驗證試驗Fig. 10 Function verification test in laboratory water tank

6 結束語

系統(tǒng)初步實現(xiàn)了溫度、鹽度、溶解氧等海洋環(huán)境要素的遠程實時監(jiān)測，但在長期工作可靠性等方面仍有待檢驗，在監(jiān)測要素及數(shù)據(jù)處理應用方面仍有待拓展。下一步，計劃研發(fā)集成化學、生物等多要素傳感器，開展監(jiān)測設備海上長期應用試驗，開發(fā)水質預測預警等數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品，滿足數(shù)字化管理和集約化養(yǎng)殖需求，提升海洋環(huán)境監(jiān)測及漁業(yè)養(yǎng)殖裝備國產(chǎn)化水平，助力“藍色糧倉”建設。