基于高通量卫星的深远海网箱智能化养殖监测系统

文｜王程 张露 金东东 张晓

1.山东航天电子技术研究所 2.中国卫通集团股份有限公司

一、前言

中国是海洋大国，海洋渔业是现代农业和海洋经济的重要组成部分，也是中国粮食安全保障的重要组成部分。我国自20 世纪末一直是世界第一的渔业生产国和水产品贸易国，但同时，我国水产养殖业存在着现代化、智能化水平不高，劳动强度大、养殖效率低、污染环境等一系列问题。传统近海网箱养殖由于网箱数量日趋庞大和高度密集的网箱排放，使得近海海域长期处于严重超负荷状态，再加上城市的发展、工业的开发，沿海生态环境已遭到严重破坏。深远海养殖是现代化海洋渔业发展新模式，相对近海养殖方式，深远海养殖可以有效扩展养殖海域，降低海水养殖密度，缓解海洋环保压力，是未来海洋牧场发展的主要方向。

近年来，我国海工装备制造水平得到快速发展，尤其是大容量、抗风浪深远海网箱系统已在多地应用。深远海网箱体积庞大、离岸较远，网箱自身一般配备了自动投饵、网衣清洗、发电储电等自动化设备，海洋渔业监管部门以及渔业生产管理者需要对人员作业情况、海洋资源环境以及养殖生物状态等信息开展远程实时监控，养殖生产过程也需要实现智能化管理。但目前深海养殖面临的信息传输问题仍然突出，智能化水平不高，亟需借助先进的传感器、人工智能、大数据等新一代信息技术手段，打造现代化智慧渔业系统，通过高通量卫星通信技术，助推现代化海洋牧场走向深远海。

二、深远海养殖现状及需求

深远海海洋牧场类型一般为大型深水网箱设备，养殖经济价值较高的鱼种，如三文鱼、金枪鱼、花鲈等。深远海养殖网箱体积大、结构牢固、搭载能力强、能源供给充足，网箱一般配置吊机、自动投饵机、收鱼机等设备，具备开展智能化养殖的条件。

虽然网箱硬件设施上存在诸多优点，但深远海网箱同样存在监管困难、水下信息获取难、离岸信息传输难等问题。

1）深远海网箱养殖生物数量大，水下环境复杂，仅仅对水温、水深、水质等生态环境信息进行监测远远不够，还需要获得鱼群的生物量、活动状态、投喂量、网衣的健康状态等信息。

2）深远海网箱一般离岸几十到上百千米，常规的4G/5G、微波信号难以覆盖，信息传输非常困难。部分网箱配置了卫星通信设备，仅用于养殖人员日常交流、紧急救援使用。

3）信息传输到岸基以后，如何能够信息自动提取，利用提取到的信息实现鱼群智能投喂、鱼群异常信息监测，减少人工干预，是网箱智能化养殖的主要发展方向。

当前，常规海洋监测手段包括多环境因子浮标监测系统、海底有缆的视频监测系统等。利用浮标监测，主要是获取水面的各项环境参数因子，且仅能完成海洋牧场环境定点的参数监测，无法获取水下视频、水下鱼群生物信息。海底有缆观测系统可以集成录像机、水听器等各种观测仪器，实现水下视频在线观测，但仍然需要岸端有复杂的系统和设备与之对接，成本太高，同时海底电缆、光缆还要面对“腐蚀、生物附着、稳定性”以及铺设价格高等共性问题，推广与应用具有很大的局限性，并不适合于深远海大型网箱养殖监测。

在传感器方面，网箱养殖监测需要在密闭空间范围获取鱼群生物信息、活动分布信息，依靠一般的水下摄像机、水质仪等无法获得，需要水下专用的声光传感器。在信息传输方面，国内科研用海洋浮标信息有通过国外窄带通信卫星传输，但信息安全性难以保证；海洋牧场水下视频观测信息传输也试点通过无线通信方式，但依旧受制于信号覆盖的影响，无法满足深远海需求。

三、深远海网箱智能化养殖监测技术

1.卫星宽带通信技术

卫星通信是目前海上最有效、可靠、便捷的通信手段。Ka 高通量卫星通信所具有的容量大、速率高、终端小、机动性强等特性非常适合高清音视频传输、远端信息采集数据回传、互联网接入等业务，适用于深远海大型网箱养殖的监测信息传输。

高通量卫星通信系统可提供远洋船舶和海上平台与岸基管理中心之间的双向通信，可随时随地传输全高清实时视频等信号，也可随时接入互联网服务，具备对海洋各类活动全面监管、实时预警、应急处置等能力。高通量卫星信息转发时延、单个终端传输带宽完全可以满足深远海海洋牧场养殖监测数据传输时效性、多路视频传感器并发传输的需求。

海洋牧场养殖监测通信链路系统架构如图1 所示，该系统架构包括海洋牧场前端综合业务信息子系统、Ka 高通量卫星网络及后端数据处理中心三部分。

图1 海洋牧场监测卫星通信链路

（1）前端综合业务信息子系统

海洋牧场端综合业务信息子系统主要包含各类视频传感器、水质环境传感器、服务器等设备，服务器将各类传感器信息打包、压缩处理后，通过有线的方式传输至船载动中通中的卫星调制解调器，进而接入Ka 高通量卫星网络。Ka 高通量卫星终端同时还可支持利用网线与监测传感器直连，若有需求，也可支持与WiFi/AP/基站等无线延伸覆盖设备结合使用。

（2）Ka 高通量卫星网络

Ka 高通量卫星网络包括Ka 卫星船载动中通终端、Ka 高通量卫星、信关站以及北京宽带卫星网络运营中心。

Ka 卫星船载动中通终端：用于提供Ka 高通量卫星网络接入点，跟踪方式采用高精度的捷联惯导技术加信标相结合的方式，并内嵌GPS 模块，能够保证深水网箱在移动过程中天线始终精确对准卫星，确保收发信号的稳定性。

Ka 高通量卫星：此处指中星16 号卫星，该卫星是我国首颗Ka 频段高通量卫星，定点于东经110.5°静止轨道，卫星通信总容量约为20Gbit/s，最高可提供下行150Mbit/s、上行12Mbit/s 传输速率，总体覆盖我国除西北、东北以外的大部分陆地和近海约300km 海域，其在海上能够完全覆盖渤海、黄海，部分覆盖东海、南海，基本可以满足我国深远海海洋牧场海域拓展需求。

信关站：信关站属于高通量卫星网络地面设备，包括天线射频、基带、路由等分系统，完成馈电链路信号收发、基带处理和运营中心的数据交换。

宽带卫星网络运营中心：运营中心是地面系统管理、控制、卫星数据处理、网络交换的核心，具有业务运营支撑功能、网络管理功能、数据中心功能、与地面Internet 网络互联互通的交换路由功能。海洋牧场岸基数据处理中心通过互联网或专线与宽带卫星网络运营中心进行数据交互。

（3）后端数据处理中心

通过宽带卫星网络运营中心互联网及专用网络出口，后端数据处理中心接收海洋牧场的监测数据，经处理、分析、利用，完成整个监测数据回传以及数据交互等任务。

2.新一代信息技术

除了卫星宽带通信技术方面以外，深远海网箱养殖还需要引入智慧渔业养殖模式，利用专用的声光传感器，实现养殖鱼群生物信息、水质环境信息等的实时监测，实现设施渔业“可视、可测、可控、可预警”，将传统渔业养殖与新一代信息技术相融合。

深远海网箱智能化养殖监测系统由多传感器、卫星通信系统、数据处理终端组成（图2）。系统可以提供鱼群的尺寸、密度、速度统计，以监控鱼群的活动状态、投饵情况、网箱网衣的破损和附着状态等，并实时显示环境及水质传感器测量的水质参数（PH 值、水温、溶解氧等），生物参数（叶绿素、藻类蛋白等），营养盐参数（氨氮含量等）。

图2 深远海网箱智能养殖监测系统

根据网箱体积大小的不同，传感器一般可以选用水下激光雷达、成像声呐、水质与环境传感器、水下摄像头等传感器。网箱传输的信息通过视频和数据压缩技术，带宽一般可控制在6 ～8M。所有传感器信息通过卫星通信链路传输到岸基数据处理中心，通过大数据和人工智能分析，全面掌握鱼群生长动态信息，实现智能投饵决策、异常信息自动报警。最终，结合先进的传感器技术、卫星宽带通信技术、信息处理技术，实现深海养殖管理信息化、决策智能化。

（1）成像声呐测量鱼群密度

成像声呐是利用声学发射独立波束、依靠回波对目标进行探测的多波束系统。通过水下二维声呐成像处理、测算、声呐设备的参数信息，得到声呐测量水体体积内的鱼群数量、鱼群密度。根据测量时间分布函数、鱼群分布习性对鱼群密度进行修正后，得到的鱼群平均密度，进而得到整个网箱的鱼群数量。

（2）水下激光雷达测量鱼的体长、游速

水下激光雷达采用距离选通三维激光成像技术，有效提高水下的探测与识别距离，为水下光学摄像机的3 ～5 倍。山东航天电子技术研究所研制的水下激光成像雷达选用532nm 脉冲激光器作为光源，经过实际海况验证、产品的技术迭代，配合人工智能算法可对鱼体长度、游速进行测量。

（3）水下视频摄像头监控鱼的活动状态

水下视频摄像头虽探测距离有限，但其高清、真彩的特点可实时监控鱼的活动状态，根据图像信息，采用人工智能算法可对鱼群进行智能识别和分类，用于鱼群多样性监测。

（4）水质及环境传感器监视环境参数

水质及环境传感器包括温度、盐度、流速剖面传感器、PH 值传感器、溶解氧传感器、叶绿素传感器等。

（5）数据处理系统

水质及环境传感器采用485 总线传输到网箱端服务器，成像声呐、激光雷达、水下摄像头等视频信号通过LAN 口接入网箱端服务器，所有传感器的数据通过打包压缩处理后，通过船载Ka 卫星通信终端上传到高通量卫星（图3）。

图3 数据处理及传输系统图

岸基数据处理中心通过互联网（或专线）接收由高通量卫星运行中心发送的数据。数据接收服务器接收到打包数据，通过数据解包、数据解析及分析统计算法将数据写入数据服务器，应用服务器作为数据处理终端，负责从数据服务器读取数据并进行可视化处理，最后客户计算机通过浏览器访问所有的视频数据和遥测数据，同时支持手机终端访问数据。

（6）养殖监控系统显控界面

应用服务器端接收多路视频（激光视频、声呐视频、摄像头视频）数据，进行解码并实时视频显示；接收水质及环境传感器参数，实时显示温度、深度、盐度、溶解氧、叶绿素、PH 值等环境参数；对不同视频进行日志存储，支持调取回放；对环境参数进行日志存储；通过集成传感器数据融合分析算法，分析鱼群的密度统计、鱼群的体长统计、鱼群的数量统计；监控终端可以调用以上文件，显示统计结果，并结合水质参数，提供预警信息和喂养指导（图4）。

图4 水下智能养殖监测系统显示界面

四、结束语

山东航天电子技术研究所与中国卫通合作在2020 ～2021 年已为我国首座全潜式深海网箱“深蓝一号”、国内首座深远海智能化座底式网箱“长鲸一号”以及“耕海一号”现代化海洋牧场综合体等深远海网箱提供了高通量卫星通信服务，开展网箱监测视频回传以及互联网接入。近期我国沿海各省市陆续出台了智慧海洋产业“十四五”发展规划，提出要推进现代化海洋牧场建设，推动海洋渔业高质量发展。海洋牧场建设进入快速发展阶段，海洋牧场建设已从近岸浅海向深远海加快推进。随着我国空间基础设施不断完善，尤其是以高通量卫星为代表的宽带通信卫星系统海洋覆盖区域持续拓展，通信容量和服务能力大幅提升，深远海现代化海洋牧场智能化养殖监测必将依托高性能卫星通信作保障，将养殖技术、装备技术和信息技术有机组合，实现海产养殖生产自动化、管理信息化、决策智能化，实现传统渔业与智能科技深度融合。