海洋技术▏水下机器人与智能化海洋牧场建设

近年来，我国以海水养殖为重点的海洋渔业迅猛发展，掀起了海藻、海洋虾类、海洋贝类、海洋鱼类、海珍品养殖的五次产业浪潮，自上世纪90年代以来水产养殖总产量一直稳居世界首位。但随着海洋捕捞技术的进步和强度的增加，已出现“中国近海无鱼可打”的尴尬，中国近海渔业已深陷困境。另一方面，由于局部水域环境恶化、产品品质下滑、养殖病害严重等因素的影响，传统网箱养殖、滩涂网围养殖等模式的海水养殖业严重地制约着养殖业的可持续发展。面对人们对健康的更加关注，我国的海洋水产养殖业面临新一轮的产业升级，海洋牧场就是在这样的情况下应运而生。

早在上世纪60年代我国海洋学家曾呈奎就提出了海洋牧场的概念，在1978年中国水产学会恢复大会上他又着重强调了海洋农牧化的理念。海洋农牧化包括“农业化”和“牧业化”两个方面，“农业化”即“耕海”，“牧业化”则是把人培养的幼苗培养到一定规格、具有一定的抵抗病害和逃避敌害能力的阶段，然后释放到自然海域让其自由地索饵、生长、发育，最后作为自然资源的一部分进行合理地捕捞。

图1   海底生物

我国的海洋牧业在文革后恢复并兴起，增殖放流、人工鱼礁等多种产业形态同步发展，早在上世纪80年代，大连市的獐子岛开始虾夷扇贝的育苗和底播，从90年代起，獐子岛海洋牧场开展工作营造海藻场，设置人工鱼礁、人工藻礁，具备了现代海洋牧业的雏形。当然，现代的海洋牧场不等同于增殖放流和人工鱼礁建设。目前的人工鱼礁基本上以石块礁、小型构件礁、废旧渔船为主，增殖放流大多一投了之，缺少生物控制技术和必要的监测与效果评价。而现代海洋牧场应该是基于海洋生态学原理和现代海洋工程技术，充分利用自然生产力，在特定海域科学培育和管理渔业资源而形成的人工渔场。

海洋牧场建设的关键技术包括：良种选育和苗种培育技术、种群重建技术、海藻场生境构建技术、牧场生物制御技术、增养殖设施与工程装备技术、精深加工与高值化技术等。就海洋牧场的管理来说，还应该包括牧场生态系统管理技术，以及对所处海域生态系统功能的保护与恢复。直至今日，人们对海洋牧场的认识还在不断深化和完善中，其中的自动化与信息化是未来发展的方向，所谓信息化必须结合3S技术、物联网和人工智能技术。

构建“人工智能＋物联网＋生态牧场”的智能化生产体系，实现牧场信息化管理，对海洋牧场的全方位监控是基础。那么，如何利用现代海洋工程技术，对鱼类的水下活动状态、自然生态的水下修复效果、人工鱼礁的抛设后评估和海洋牧场水质状况等情况进行监控，就是眼前海洋牧场必须解决的问题。就目前的现代海洋技术而言，采用水下机器人辅助进行水下监控就是解决方案之一。

随着人类海洋开发的步伐不断加快，在普通潜水及其他观测方法较难到达的区域，专为执行各种任务而生的水下机器人出现，将使海洋开发进入一个全新的时代，水下机器人作为人类探索海洋最重要的手段已经得到了空前的重视和发展。，又称无人遥控潜水器，是一种属于现代社会的观察工具，帮助我们认识海底的世界，是可以在极端恶劣的水中环境进行工作的智能设备。通常分有缆水下机器人（简称ROV)和自治水下机器人（简称AUV)两种，有缆水下机器人（ROV)根据运动方式不同又可分为拖曳式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。

有缆水下机器人（ROV）用于观测海洋牧场水下鱼类活动情况，不仅便于及时发现鱼类生长情况，预防鱼类因非正常情况下导致大面积感染疾病或死亡，而且可用于水质在线监测，为鱼类的栖息地加载环境预警系统，这对海洋牧场而言是十分必要的。目前，国内外开发的一些微型水下机器可用于海洋牧场观测，而青岛罗博飞海洋技术有限公司（以下简称罗博飞公司）开发了一款专门应用于水产养殖的基于物联网技术的多功能微型水下机器人，即LBF-150水下机器人（见图2）。

图2 罗博飞LBF-150水下机器人

罗博飞LBF-150水下机器人首次将物联网技术应用到微型水下机器人，拓展了水下机器人的工作范围和性能。罗博飞LBF-150水下机器人分感知层、传输层、大数据库、服务层；仅在感知层就可以感知温度、潮流、溶氧、饲料传感器（水中饲料余量）、摄像系统（鱼类行为），可以实时观察鱼类的生活情况，以及对残饵、死鱼的监测，并通过远程控制精准投饵机，实现精准投饵，节省饵料，旨在打造真正的健康养殖模式。

罗博飞LBF-150水下机器人的工作原理如下：由搭载在水下机器人的水下摄像机、在线水质监测等智能终端采集水质参数、视频等信息，并上传至陆地中控室服务器。陆地中控室服务器将收到的信息对外发送至用户手机、个人电脑等智能终端。用户通过终端观看水下视频，及水温、盐度、溶解氧等水质参数，根据养殖需要发送增氧、投饵等控制指令到陆地中控室，由中控室发送指令传给布置在养殖区的设备，实现远程智能控制。罗博飞LBF-150水下机器人支持手机下载的APP进行远程访问，可以对紧急情况作出研断与预警，为海洋牧场管理者提供决策参考。

图3 罗博飞远程监控中心

图4  罗博飞LBF-150水下机器人实时

拍摄养殖区域水下状况

人工鱼礁是为保护和改善海洋生态环境、增殖渔业资源而在海洋中设置的构筑物，是利用生物对水中物体的行为特性，将生物对象诱集到特定场所进行捕捞或保护的一种设施。一般认为，鱼礁会催生涌升流，将海底低温而营养丰富的海水带了上来，促进浮游生物的生长，为鱼类提供了大量饵料。鱼礁广大的表面会成为鱼卵的附着基和孵化器，缝隙和孔洞则是天然的庇护场。人工鱼礁建设是个系统工程，不仅礁体的设计和制造应该经过充分论证，而且对拟抛设区域应该有科学规划与论证，并对其位置进行承载力的调查。目前，有些单位没有遵循科学规律，盲目抛设，又缺少后评估措施，造成了海洋资源的极大浪费。对此，罗博飞公司在2013年5月应邀去三亚人工鱼礁建设基地用水下机器人高清镜头进行了水下拍摄，为人工鱼礁建设的后评估提供了科学依据。详见以下视频。

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以基于物联网技术的多功能微型水下机器人打造养殖管理系统，是养殖过程管理的专家，是实现软硬件智能一体化的管家，可以实现一体化的软件和硬件设备的有效集成，鱼类养殖控制与饲料系统及多环境参数的有机结合，形成强大的分析报告，减少人为的工作错误，将有效推动水产养殖方式由过去的“无序养殖”向“有序养殖”发展。同时饲料系统和所有环境传感器将被自动记录，可以做到养殖记录溯源。

罗博飞公司主要从事水下机器人、传感器、大数据技术的研发、应用及服务工作，服务领域包括海洋环境立体监测、水利水电核电安全管理、海洋牧场管理、深海网箱养殖、生态港口监测、水下考古、休闲娱乐等。公司创始人、总经理马秀芬荣获青岛市创新创业领军人才、青岛市十佳明星创客等称号，其主打产品物联网多功能微型水下机器人入选了山东省区域发展战略主题展馆。除了水下机器人外，其研制出的智能水质监测系统、智能网箱监测系统、工厂化养殖系统、底栖生物观测系统等4个智能服务系统，国产化率达到90%以上，该系列产品已经在大连獐子岛集团、大连益得水产、漫湾水电站、阳江核电站、国家深海基地等单位得到应用，并受到了用户的好评。

罗博飞公司地处青岛蓝色硅谷，依靠蓝色硅谷的人才集聚优势，吸引了国内外一批有识之士加盟。公司成立仅3年就成功研发出多款产品，填补了部分国内海洋智能装备的空白。他们研发的150米物联网多功能微型水下机器人，实现了水下机器人技术和物联网技术的融合创新，成为中国第一个进军核电和民用市场的水下机器人。

图5 青岛罗博飞产品交货培训情况

在现代科技手段里，机器人是集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与软件技术、控制理论、电动伺服随动技术、传感器技术、人工智能理论等科学技术为一体的综合技术，它的研究与开发标志着一个国家科学技术的发展水平。当前机器人的应用领域也逐渐从人工环境扩展到了水下和宇宙，随着人口数量的增长和科学技术水平的不断提高，人类已把海洋作为生存和发展的新领域，海洋的开发与利用已经成为决定一个国家兴衰的基本因素之一，从而使水下机器人具有更加广阔的应用前景。

当前，我国经济增长进入新常态，供给侧结构性改革要求海洋水产业向绿色低碳、安全优质的方向发展，海洋牧场建设就是发展方向之一。海洋与陆地作业不同，传统方式的人工作业效率低、劳保要求高，对底播的虾夷扇贝等海产品需要拖网捕捞，尽管进行了技术改进，也会对海洋环境造成不良影响。

引进智能化的海洋产业利用识别采捕产品、快速抓取，替代人工和拖网作业，国内已有科研机构进行了有益的尝试。水下可实现全天候、全区域、全水深的采捕，既提高效率，又避免职业病及对海洋环境的损害，是又一大突破。目前，该科研机构开发的产品已经可以模拟工作了，可以抓螃蟹、海参、扇贝，最终要代替人工实施采捕。

当前，我国掀起了新一轮海洋牧场建设的热潮，大众对绿色、安全、优质水产品的需求为海洋牧场发展提供了新的机遇。天津大神堂海域，河北山海关海域、祥云湾海域、新开口海域，辽宁丹东海域、盘山县海域、大连獐子岛海域、海洋岛海域，山东芙蓉岛西部海域、荣成北部海域、牟平北部海域、爱莲湾海域、青岛石雀滩海域、崂山湾海域，江苏海州湾海域，浙江中街山列岛海域、马鞍列岛海域、宁波渔山列岛海域，广东万山海域和龟龄岛东海域等被列为首批国家级海洋牧场示范区。

没有生物控制技术和必要的监测与效果评价是当前海洋牧场建设存在的主要问题之一，因此应该有必要引进现代科技手段，加强海洋牧场资源环境的实时在线监测和生态灾害的预警预报，将近海生态系统重建纳入工作重点，推动构建产学研结合的产业联盟，实现海洋牧场、休闲渔业、滨海旅游等多元融合发展。

近年来我们的水下机器人研发力度加大，各大专院校、科研院所及民营企业纷纷下海涉足这一市场领域。随着我国海洋强国战略的实施，及海洋牧场等海洋资源开发的深入，作为高端智能装备的水下机器人必将大有可为。

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