海洋生物生态引导系统
——基于海洋动物行为学的白海豚引导案例
2015-11-17胡润宇刘心铭邹玉莹戴榕泓
王 剑 胡润宇 刘心铭 邹玉莹 戴榕泓
海洋生物生态引导系统
——基于海洋动物行为学的白海豚引导案例
王 剑 胡润宇 刘心铭 邹玉莹 戴榕泓
海洋生态引导系统通过模拟水域生物发出的声波去引导有益水生生物进入安全水域（如：鲸类、海狮因迷航而搁浅、白海豚因迷航死于高速轮船撞击），驱赶有害生物进入人类活动水域（如：鲨鱼、虎鲸进入休闲沙滩海域），降低水域生物受人类活动的干扰，保护海域生物，从而实现海洋生态平衡和保护。该系统以对声波定位、交流为主的白海豚研究为突破口，研究白海豚交流声波“语言”及白海豚天敌虎鲸的声波，利用海洋生物学、仿生学、声学等学科，通过研发出由超声波接收器、超声波发声器、基于美国仪器公司开发的NI数据采集卡的声音处理器、LabVIEW软件处理系统组成的一套基于物联网的海洋生态引导系统。
选题背景
由于人类活动对海洋的干扰，海洋生态环境受到了一定程度的破坏。主要有以下几点，其中高速轮船造成海洋动物死伤占18％到20％，见图1。
图1 损害海洋生物的因素
利用超声波避障和捕食的动物特别容易受到人类活动的影响，包括白海豚、鲸类、鲨鱼等。其中白海豚和鲸类会被来往船只的螺旋桨击中或因信号干扰而搁浅，鲨鱼会误入人类的活动范围并袭击人类。
（一）白海豚
中华白海豚（Sousa Chinesis Dsbeck） 是中国海洋鲸豚中唯一的国家一级保护动物，1988年被列入《中华人民共和国重点保护野生动物名录》，同时也被列入濒危野生动物国际贸易公约，禁止一切相关的贸易活动。
目前世界白海豚分布如图2、图3所示。
图2 全球白海豚分布
图3 中国白海豚分布
由于白海豚的繁殖率、生存率低及人类活动干扰，白海豚的数量极少并呈下降趋势。以香港为例，海豚保护协会会长洪家耀说：“在过去数年我们见证了海豚数量的急剧下降—2003年有158只，到2012年只有61只。”见图4。
（二）鲸类
鲸鱼是国家二级保护动物。然而，在过去100多年中，商业捕鲸几乎造成鲸的灭绝，1920年时世界上还有25万头蓝鲸和60万头长须鲸，2006年时只剩当时的4％和8％，见图5。
除了商业捕杀带来的危害，鲸鱼搁浅也是导致鲸鱼死亡的重要原因。人们自古以来便发现鲸鱼“集体自杀”见图6。
图4 香港海豚数量变化
图5 鲸鱼数量变化
图6 历史鲸鱼死亡事件
（三）鲨鱼
全世界每年约有100起鲨鱼攻击人类事件发生。约25％是致命的，多死于出血和休克，见图7。
图7 鲨鱼攻击人类致命率
因为白海豚对超声波最为敏感，而且在广东有中华白海豚保护区，我们选择以白海豚为案例作为研究。
海洋生态引导概念构想
通过模拟水域生物发出的声波，海洋生态引导系统可以引导有益水生生物进入安全水域（如：鲸类、海狮因迷航而搁浅、白海豚因迷航死于高速轮船撞击），驱赶有害生物进入人类活动水域（如：鲨鱼、虎鲸进入休闲沙滩海域）。
图8 海洋生态引导系统（途中圆点表示）可部署于海岸沿线以防止白海豚、鲸鱼等出现搁浅现象
图9 珠江口中华白海豚自然保护区的具体保护方案（带有探测系统的浮标）将布置于河口两岸以及狭小区域，而驱赶系统主要分布在淇澳岛和内伶仃岸边，对于离岸过近、又危险的白海豚进行引导
（一）应用与部署
海洋生态引导系统可部署于海岸沿线，对防止白海豚、鲸类等生物的搁浅现象有一定作用。同时，该技术也可被应用于游客密集的海滩，防止具有攻击性的海洋生物如鲨鱼等闯入引发人员伤亡。对于洋面较为开阔的区域，这一系统则可被应用于驱赶误入渔场或网箱养殖区域的白海豚，通过在养殖区域四周以及作业渔船上部署该系统，防止渔船误伤白海豚。
图10 单作业系统之间可以通过标准无线电信号、GSM网络、有线网络互相通信、形成覆盖面极广的物联网
（二）物联网系统
当部署在海岸沿线以及船只上的系统通过物联网形成分布式网络后，由系统采集的各种信息都能被汇总到分布式网络的云端数据库上，因此可以提高该套系统的全局可控性，稳定性和易操作性。控制人员可以通过如手机等的各类联网设备，随时随地对系统进行管理，接收系统相关信息，大大减少了管理系统所需的人力资源和管理人员的工作复杂度，起到以点成线，以点成面的大局化效果，真正意义上实现系统的自动，智能和高效。
（三）与GIS系统的交叉应用
GIS（地理信息系统）汇总了全国各地的相关地理信息和实时气象信息以及基本水文信息，通过与GIS系统的交叠，海洋生物生态引导系统可以在很大程度上适应每一套系统所部署地区的具体地理环境，并实施规避自然灾害和其他风险。同时，作为对GIS系统的补充与延伸，系统可基于自身携带的水文检测设备实时监测当地的水文状况，并将其发送给GIS系统的数据库，达到两者相辅相成的目的。
（四）以白海豚为例的应用效果示意图
图11
图12 海洋生态引导系统的效果模拟：系统能在收到白海豚发出的超声波之后发射相应的声波对其进行引导
海洋生态引导系统结构及运用
该系统以对声波定位、交流为主的白海豚研究为突破口，研究白海豚交流声波“语言”及白海豚天敌虎鲸的声波，利用海洋生物学、仿生学、声学等学科，通过研发出由超声波接收器、超声波发声器、基于美国仪器公司开发的NI数据采集卡的声音处理器、LabVIEW软件处理系统组成的一套基于物联网的海洋生态引导系统。
图13 单作业系统结构示意图
图14 操作软件界面：显示所测海洋生物的经纬度及种类、海水温度、接收的波形及FFT信号
图15 距离测算，水中音速计算部分C语言代码实现
图16 动态功率调整部分C语言代码实现
（一）单作业系统
单作业系统包括超声波接收器、超声波发声器、基于NI数据采集卡的声音处理器、LabVIEW软件处理系统，主要实现探测信息、显示当前状态、输出驱赶信息等功能。采集声波并确定经纬度后，电机驱动器控制步进电机转动相应的角度，并同时发射声波。软件界面能显示所测海洋生物的经纬度、海水温度、接发的声波类型及其FFT信号。
（二）操作软件界面图
（三）计算代码
以白海豚为例研究具有导向性的海洋生态系统
海洋中会发声的动物有无脊椎动物、软体动物、鱼类和哺乳动物等。有些哺乳动物，例如大部分齿鲸类，都具有回声定位的功能，起着通讯的作用。由于白海豚为国家一级保护动物，濒临灭绝，该项目以白海豚为例，研究具有发生功能及回声定位系统的导向型海洋生态系统。
（一）白海豚的定位系统
中华白海豚位于头部两侧的眼睛较小、视力较差，其辨别物体的位置和方向主要靠回声定位系统。海豚头上的额隆，起着声透镜的作用，把接收的声波变成狭窄的声束，海豚根据水中物体对自己叫声的反射声，判断物体的方位和距离。
与白海豚相似，鲸鱼、鲨鱼等海洋生物也有类似的超声波定位系统，因此可以通过发射超声波进行信号传递相应的信息：如驱逐对生态系统有危害的物种、避免海豚等生物搁浅、指引海洋生物趋向食物水质等适宜的海洋环境。
（二）在保护区监测的白海豚数据
图17 白海豚头部结构纵向切面图A—气孔；B—鼻通道；C—前庭囊；D—前颌骨囊；E—鼻栓区；F—额隆；G—鼻孔骨；H—喉；I—舌；J—上腭；K—下颚
图18 白海豚基本结构示意图
图19 白海豚基本结构示意图
海洋生态引导系统的应用前景
由于系统的原理是通过超声波向具有这一听力范围的生物发送其天敌信号，因此该系统在稍作改良后，即可对鲸类、大部分海豚种群以及较为罕见的海狮等动物适用。如此一来，系统在单纯防止白海豚遭受误伤的同时，也可以有效应对鲸类、海狮搁浅、迷航等的状况，应用广度大幅提升。
如果能将系统做跨平台拓展，将其水文、天气模块进行功能上的加强，并与当地航运系统、渔业系统的调度平台链接，提供实时的气象水文信息，并基于人工智能进行相应分析，将数据转化为直观的、适于用户查看的数据形式，并通过系统自身具有一定算力的中央处理系统进行分布式联网，动态监测如我国整个东南沿海的水文、气象、大型鲸类、海豚的活动状况，无疑会大有裨益，使系统在功能上更为多元，更为精简和高效。
王 剑 胡润宇 刘心铭 邹玉莹 戴榕泓
广东实验中学
10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.006
