渔业船联网应用场景及需求分析研究

李国栋，陈　军，汤涛林，谌志新，许明昌，陈继华

(农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

中国提出并正在实施海洋强国和21世纪海上丝绸之路建设，大力发展海洋经济。海洋渔业是经略海洋、发展海洋经济的重要组成部分。智能海洋渔业是开发海洋，实现智慧海洋体系，保障蓝色生物资源安全，实施海洋强国战略的重要抓手。世界各国对海洋权益的争夺，很多情况下表现为对渔场、捕鱼权的争夺。截至2016年，中国有海洋渔业机动渔船26.34万艘，其中有2 571艘远洋渔船，18多万艘近海机动捕捞渔船[1-2]。若能结合利用现代信息技术，在全海域布局海洋信息安全网，构建智能海洋渔业系统，为渔业生产、管理和科研服务，还可以实现国门信息预警，形成三维一体的探测系统，提升海洋渔业资源管控能力，促进海洋渔业走向极地、走向深海。

1　渔业船联网定义及特点

随着信息技术的发展和移动终端的普及，信息时代由户户相连的“互联网时代”跨越到物物相连的“物联网时代”。近年来，物联网受到学术界和工业界的极大关注，成为新兴研究热点领域。物联网的研究已经覆盖到市政、交通、物流运输、医疗、教育、工农业生产等诸多领域[3- 5]。物联网在水面船舶领域的重要分支即为船联网(Internet of Vessels，IoV)。船联网按船舶的用途又可以分为海运船联网、河运船联网、军用船联网、工程船联网和渔业船联网等[6- 12]。目前，国内外对于前4种船联网的研究和应用报告较多，对其需求的分析、系统架构的设计、网络的实现和应用均有所开展，但针对渔业船舶的船联网研究几乎是空白。

渔业船联网(Fishery Internet of Vessels ，FIoV)是以海洋渔业船舶为网络基本节点，以船舶、船载仪器和设备、航道、陆岸设施、浮标、潜标、海洋生物等为信息源，通过船载数据处理和交换设备进行信息处理、预处理、应用和交换，综合利用海上无线通信、卫星通信、沿海无线宽带通信、船舶自组网和水声通信等技术实现船—岸、船—船和船—仪等信息的交换，在岸基数据中心实现节点各类动、静态信息的汇聚、提取、监管与应用，使其具有导航、通信、助渔、渔政管理和信息服务等功能的网络系统。

渔业船舶因其特有的广布性、灵活性、群众性和低敏感性，相比其他民用和军用船舶联网，渔业船联网可为渔业船舶航行和作业提供更加智能化的保障，在获取海洋信息、发展海洋经济、维护海洋权益方面具有不可替代的优势。

2　渔业船联网应用场景

渔业船联网是一个依托于海洋渔业的全新系统性工程，其在系统构建之初就应充分考虑渔业相关领域的应用，同时也需要考虑满足海洋相关科研领域的应用。随着相关技术的发展，特别是

以物联网为代表的信息化和智能化技术的发展，也会影响和推动渔业船联网不断演进和完善，促进船联网在新领域的应用，因此，渔业船联网对未来应用场景的考虑需要有一定的前瞻性。通过多方调研和分析，渔业船联网未来主要的应用场景包括：辅助渔业生产、渔业多媒体、渔业监管、海洋科研等，如图1所示。

图1　渔业船联网应用场景

2.1　辅助渔业生产

渔业船联网建设和运行最基本作用应当是立足于“服务渔业，服务渔民”。信息化和智能化是现代海洋渔业发展的重要方向，渔业船联网技术是信息化、智能化在现代渔业中实施的主要手段，可以为高效和安全渔业生产活动提供保障。

2.1.1渔船自动驾驶

自动驾驶轮船技术研究在中国及欧、美国家得到了大量的资金投入，并取得了极大的进展，但中国渔船的自动化水平相对比较落后[13]，目前正面临逐级改造的迫切需求。自动驾驶技术在渔船的普及上，面临着渔船大小规格多样化、航行轨迹不规律等诸多制约因素[14-15]。渔业船联网的实施，可以在航行条件监测、渔船操作监视、决策支持、船舶及其周围环境和其他安全方面的监测上为渔船进行自动驾驶与管理提供技术保障，促进自动驾驶技术在渔业船舶上应用能尽早实现。

2.1.2自动化捕捞

中国中、小型近海机动渔船捕捞作业的自动化水平相对低下[16-17]，大型的声呐探测设备或者自动化捕捞仪器由于成本高，无法在中、小型渔船得到普及，即便在自动化程度较高的大型远洋渔船上，人力成本也在逐年上升[18]。因此，无论是远洋还是近海捕捞，实施自动化捕捞是渔船升级换代的必经之路[19]。

渔船上的作业装备主要包括助渔仪器和捕捞设备。助渔仪器中的鱼探仪、网位仪、通导设备等如果能通过船联网实现互联互通，进而接入互联网，实现对渔场信息和鱼群洄游信息的共享。捕捞设备通过船联网实现设备的智能控制和无人操作，最终通过船联网的联通促使实现单船或多船助渔仪器和捕捞设备能够自动协同工作，实现渔业自动化捕捞和联合作业，那么将会大幅度提高生产效率，促进海洋渔业的精准捕捞和高效捕捞。

2.1.3应急救助

渔业安全生产作业和运行是关系到渔民的生命财产安全和渔业经济健康发展的大事。海上渔船生产作业和运行的安全威胁主要来自自然灾害、船舶间的碰撞、船舶自身事故和火灾等因素[20-21]。海上渔业生产时空跨度大、个体分散、通信不畅是事故多发的重要因素，也给后续救助工作的开展带来较大困难[22]。渔业船联网可以发挥其在无缝实时通信、全方位的船舶状态监控等方面的能力，为了防范海上渔船碰撞事件，实时掌握海上渔业船舶动态运行信息，科学防台避灾，减少渔民伤亡和财产损失，提高渔船突发事件的应急处置能力及船只互助救援等方面发挥不可估量的作用。

2.1.4远程故障诊断

海洋渔业生产作业环境的复杂性和恶劣性决定了其具有较高风险，因此对于生产相关数据的跟踪极为重要，尤其是渔船的船舶运行和生产作业数据，包括船舶推进系统、电力系统、安全系统等关系到船舶安全的数据[23-24]。渔业船联网的构建，实现了渔船和渔业节点的信息互通与共享，并由此衍生出庞大的渔业船舶运行和生产相关大数据池，大数据池可以及时分析并预测潜在的不稳定和危险信号，并准确而及时地实施远程诊断和追踪，保证渔船运行和生产作业的安全。

2.2　 渔业多媒体

依托无线移动通信技术发展起来的陆上多媒体应用正在进行着日新月异的变革，而由于海洋环境的复杂多变，海洋通信的发展明显滞后于陆地通信，海洋渔业通信情况相较于其他的海洋相关行业更加薄弱，导致渔业多媒体应用发展明显滞后[22,25]。另一方面，渔业从业人员众多，渔业生产作业环境相对隔绝，更需要渔业多媒体满足广大渔民通信、娱乐需要，及渔业电子商务模式发展的需要。

2.2.1渔民通信

渔业船舶在海上作业周期往往有数月，在茫茫大海，长时间高体力劳作之余，渔民渴望与家人进行沟通，了解外部信息。与外界通信的不畅，易导致内心的焦虑，甚至出现心理障碍和疾病。船联网提供低成本的语音通信和数据通信，支持电话、文字聊天、网页浏览，甚至是视频传输的功能，可以满足广大渔民海上作业期间精神生活的需要。

2.2.2渔业电子商务模式

在电子商务带动商品产销革命性变革的大环境下，水产品以及相关服务正在转战线上营销领域[26-27]。由于水产品本身的特殊性，商品信息的发布始终存在一定的滞后，这就为水产品的销售带来非预期的隐患。如何构建新型的渔业产品销售模式，需要进行买卖双方的商品交易匹配度及其计算方法研究，构建水产品交易匹配模型以最大化双方的加权匹配度等工作[28]。渔业船联网的构建，实现水产品信息的采集与发布零延迟，通过水产品大数据分析，能够极大提高买卖双方匹配度，提高生产销售的时效性，为渔业产品在线销售提供条件，实现海洋优质蛋白捕获即销售的目标。

2.3　渔业监管

多年以来，渔业科研与管理投入严重滞后于渔业活动的快速发展，渔业资源衰退、生态环境恶化已经使得中国专属经济区的食物供给和生态服务功能大大降低[29-31]，而生态认知能力的不足和渔业监管手段的落后则严重制约了专属经济区的生态修复和双边渔业管理的主动性[32-33]。可以发挥渔业船联网对信息获取的实时性和精准性特点，为渔业监管有效落实和巩固提供可靠的技术手段。

2.3.1作业区域监管

针对非法捕捞，传统的渔船作业区域监管很难落实，不仅作业区域合法性难以评估，执法区域本身也难以区分。渔业跨界和越界捕捞现象时有发生，特别是涉及到敏感水域，造成了一定的国际影响[34-37]。

通过计算机技术与网络技术有机融合的渔业船联网解决方案，可以实现对作业渔船的精准定位与跟踪、实时信息(船位、报警、短信等)的采集、处理、存储、分析、展示、传输及交换，从而为渔业管理部门实施全面的、自动化的监管提供有力保障。

2.3.2作业方式监管

渔业监管部门虽然制定了详尽的渔具准用目录[38]，明确了渔具最小网目尺寸，以及渔船携带渔具的数量、长度和灯光强度等标准，引导渔民使用资源节约型、环境友好型的作业方式，但依然无法杜绝违规作业渔具对幼鱼和珍稀濒危水生野生动物造成危害和影响，原因还是缺少对渔船作业方式实时监管的有效手段[39- 40]。

通过船联网将渔船的空网拖拽作业数据、网目实时图像数据，以及渔获物实时图像与称重数据传送至渔业船联网数据中心进行大数据对比分析和图像识别后，即可快速判断渔船作业方式是否违法，并及时实施监管应对措施。

2.3.3作业时间监管

中国实施的伏季休渔制度对恢复海洋生态功能、保证海洋资源可持续发展、提高渔获物产量等均起到决定性作用[41-42]，但“偷捕”现象屡有发生，降低了休渔效果。船联网监管端的设备监控节点可以在休渔季节对船载动力设备、导航设备以及捕捞设备进行远程监测，甚至实施有选择性的远程强制控制，从而让渔船不再出现“休渔季不休息”的违法乱纪行为。

2.4　海洋科研

海洋科研包括地质、海洋地球物理、海洋化学、海洋生物、海洋物理、海洋水声等多个学科，海洋科考船能承担海底地形和地貌、重力和磁力、地质和构造、综合海洋环境、海洋工程以及深海技术装备等方面的调查和试验工作[43-46]。但由于科考船总体数量无法和中国分布在世界各大洋的渔船数量相比，采集数据与分析结论多为一定区域性的局部认知与推论。可以在大范围分布的渔船作业之余,充分发挥中国的渔船数量优势与地理分布优势,充分挖掘渔船的潜在信息感知能力，为中国海洋科学研究提供更多的海洋基本环境要素数据。因此，渔业船联网可以在众多海洋科考领域发挥作用，这里仅举例水文研究、海洋气象研究和海洋生物资源研究等三个学科分析其船联网相结合的可行性。

2.4.1水文研究

对海洋的各层级温度、盐度以及区域深度等水文数据进行有效采集，可以认识水环境演变中各种复杂的物理、化学、生物等过程的客观变化规律[43-44]。这些基本的数据采集任务，渔船可以在作业过程中利用自身配置的传感器设备进行不间断的采集与存储，并在合适的网络条件下将数据传输至船联网大数据中心实施科研共享。较之科考船，这些基本的数据来源更广、分布更均匀、持续时间也更长，未来对海洋水文研究的贡献不可小觑。

2.4.2海洋气象研究

地球表面的绝大部分为海洋所覆盖，而海洋环境又具有和陆地迥然不同的物理、化学性质，这就决定了海洋气象学研究的重要地位，其与捕捞业、盐业、海水养殖业、航运、海洋资源勘探、国防建设以及其他各种海上作业有着密切的关系[47]。据统计，20世纪70年代以来，每天可以从世界各大洋获得9 000多组的实时天气报告，但这种观测在时间上是不连续的，在空间上是分布不均匀的，因此采集参数的时间连续性和空间分布均匀程度对气象研究起着至关重要的作用，而基于渔业船联网的大量传感器节点可以有效解决上述问题，将海洋气象研究所需数据及时汇总至大数据中心，为海洋气象研究提供必要的基础数据。

2.4.3海洋资源研究

地球上80%多的生物资源都在海洋里，海洋中的生物种类多、数量大，有69纲，20多万种[48-49]。在不破坏水资源的条件下，每年海洋中最多可以提供30亿t的水产品[49]。目前，人们利用海洋资源还比较局限和盲目，大量捕捞使海洋食物链发生变化，从而会使海洋生态关系发生变化。海洋生态的一些缓慢性变化能否及时地得到感知，需要大量的生态与资源数据进行跟踪对比，仅仅靠离散的、局部的海洋水域环境跟踪调查是无法准确还原真实的海洋生物链变化情况的[50]。渔业生产作业的主要目的是为了获取海洋生物资源，渔业船舶分布广、作业时间长，因此渔业生产作业过程中所获取的信息对于海洋生物资源的研究具有重要的意义。可以利用渔业船联网完成上述信息的采集、传输和处理过程，实现渔业相关信息服务于海洋资源研究的目的。

3　渔业船联网需求分析

上述涉及到的渔业船联网未来的各种应用场景对船联网系统构建提出了多样的需求，主要集中在以渔船为中心的信息采集类型的需求，船—岸、船—船、船—仪等不同通信能力的需求，船载数据中心和岸基数据中心存储和处理能力的需求，及对系统信息安全的需求等几个主要方面，具体详见表1，这些需求是开展船联网关键技术研究和系统设计的依据。

表1　 渔业船联网应用场景需求分析

综上，根据对渔业船联网未来应用场景和各场景对信息采集、传输、存储和处理能力的需求分析，可以总结渔业船联网系统架构设计中需要满足以下几点需求。

(1)低成本通信的需求

通信的成本包括通信设备的费用、通信资费、通信设备运行和维护费用等。目前中国渔业还是薄弱行业，广大渔民还属于收入较低的人群，对通信成本的高低较为敏感。传统卫星通信设备昂贵、资费偏高，限制了卫星通信在渔业中的应用，即便有部分船舶安装卫星通信设备，也会限制船上人员的使用时长和频次。渔业船联网只有发挥其在渔业领域的作用，起到服务于渔业、服务于渔民的功能，才会被纳入渔业生产作业环节中，才会被渔民所接受和使用，渔业船联网其他的领域应用也才可能结合渔业应用实施。从渔民的角度来说，低成本通信是渔业船联网在渔业辅助生产、渔业多媒体等渔业自身应用能够开展的最迫切需求。

(2)稳定、可靠的无缝实时通信覆盖的需求

渔业船联网中应急救助、远程故障诊断以及渔政监管等应用场景，对稳定、可靠的实时通信提出极大的需求，也对全球海域无缝的通信覆盖有一定的需求。同时渔民语音通信应用场景对通信的时延提出了要求。稳定、可靠的无缝通信覆盖的需求满足是渔业船联网能够应用到远洋渔船的前提条件。

(3)近岸和船—船宽带通信的需求

通过对渔业船联网场景分析可见实时通信的需求多为数据量小，要求稳定可靠传输的场景。如海洋科研相关的应用需要采集较多种类的信息，如图像、视频、声学等信息数据量大，通过卫星传输，或是窄带通信传输不现实，也没有必要，会给单一通信系统带来极大的容量压力，甚至导致系统传输堵塞和崩溃。渔业船舶作业考虑到船上物资的补给和船舶的维护，会周期性回港，可以利用渔业作业的这一特性，发挥近岸或港内陆基无线宽带通信的作用，完成对大数据量信息的回传。

同时，在自动驾驶或联合作业的应用场景，船与船之间需要低时延宽带通信的支持。渔业船舶海上呈现离岸由近到远的密度递减的离散分布形态，也可以通过船与船之间的多跳通信完成与陆基宽带系统的连接，实现陆基宽带更大的海面覆盖。因此，海上船—船之间的宽带自组网系统成为渔业船联网建设的一个重要需求。

(4)多元异构化渔业相关信息采集的需求

渔业船联网应用场景呈现多样化，这势必需要对渔业相关信息有全面的获取，包括：水质、水文、气象、生物、渔船生产信息(船位、气象、渔具、渔获物、物资、人员以及重要设备运行参数等)、渔船进出港动态信息、渔业渔政管理信息等，这些信息存在较大的差异性，呈现异构化特点。多元异构化的渔业相关信息感知是渔业船联网进行多样化应用的基础。

(5)大数据处理的需求

渔业船联网感知信息和中间处理的数据规模庞大，数据级从250B增长到260B。数据包括大量的文本、图像、视频、音频等非结构化数据。渔业船舶设备的运行状态、渔政监管信息、应急减灾信息等问题要求快速地对数据进行处理。渔业船联网所产生数据的这些特性决定了采用常规数据处理方式无法完成多样化应用的需求，必须进行基于大数据的数据处理、存储、管理、分析，为后续多样化的应用提供支撑。

4　渔业船联网未来发展过程

渔业船联网各种应用场景由于技术实现难度和需求迫切程度的不同，导致实现的时间也不相同，尤其是有些应用场景需要多种技术进行融合实现，如宽带卫星技术、无线5G技术、大数据处理技术等，有些技术目前还不够完善和成熟，船联网需要结合这些技术的发展过程逐步实现，如图2所示，其未来的发展必然呈现一个阶段性的过程。

图2　预期各应用场景实现时间和需求程度

5　结论

渔业船联网作为一个具有一定探索性的新兴概念，是智慧海洋、智能渔业的重要实现方式，在辅助渔业生产、渔业多媒体、渔业监管、海洋科研等场景应用会给相关行业带来创新性的技术提升和巨大的益处。同时，这些多样化的应用场景对整个系统信息采集和处理、通信、数据存储和处理、信息安全等关键技术提出了不同的需求。通过分析，明确了船联网各种场景未来应用的可行性，进而分析了满足不同场景应用在系统设计上的需求，为下一步展开船联网关键技术研究和系统方案设计打下基础。

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