基于监测机器鱼应用的海岸带发展研究

段元晖 夏添恺 刘歧峰 集美大学

1.绪论

1.1 研究背景

海岸带在地球生态系统中扮演者重要的角色，似母亲般包容却富有生机，大气、海洋、大陆以及岛屿等在这个界域内作用活跃。除河流流域外，人类的活动往往集中于海岸带。据有关调查研究显示，中华人民共和国的大陆海岸线长度约为18400千米，而岛屿岸线长度约为14247千米，海岸线总的长度超过了32600千米，南北跨度大。海岸线漫长、海岸带占地比例大随附着的是丰富的资源。诚然，中国是一个海洋大国，海岸带是中国发展的重要战略基地。这里有密集的人口，众多发达的城市分布于此，这里也集中分布了我国最好的渔场，又是海上交通的主要通道，对外交流与国际贸易的口岸。除此之外，海岸带包括能源资源、矿产资源、生物资源、滨海旅游资源等。海岸带经济在中国经济总量中占有十分重要的地位，全国40%的人口和60%的国民生产总产值(GDP)集中在这一地区。

而正因为它复杂度高、利用率大等的属性，它也面临着自然和人为的双重挑战。由上文所说，海岸带是陆地和大洋之间的过渡地带，受陆地、海洋和大气的影响，它的环境和生态系统对于大范围各种自然过程变化所引起的波动和人类活动的影响十分敏感，如陆海污染，生态系统平衡十分脆弱，对其造成的影响往往是广泛而深远的。

当前海岸带水质巡检对海岸带开发、管理、保护等意义重大，若通过调查船或人工采样工具现场采样再送去实验室监测分析或者水质监测站自动监测，这样传统的水质监测方式，耗时长、投入大、工作量大、整合对比数据量大，无法实现大范围全水域的多点全天候水质监测。而自动监测浮标固定实时监测，无法快速的更换监测水域，要想实现对大面积的水域监测只能通过增加布设浮标数量来解决，但这会大大增加投资。为了对海岸带水质进行更好的监测与获得数据进行海岸带生态环境变化与生物多样性研究，更快更准确地制定海岸带水质保护的对策，监测机器鱼有良好的应用前景。

由于海岸带对人类生存和发展意义重大，结合当今海岸带开发、管理、保护等的现状，通过监测机器鱼的研发与应用，拓展新思路、创新应用技术，协助海岸带管理和污染治理、环境或水质监测与采样、海洋生物多样性、数据整理与存储、科普服务、为小型船舶拓展新功能，以期海岸带经济、生态可持续发展。

1.2 国内外海岸带保护现状

以2021年3月青岛胶州湾海星泛滥事件为例，海星泛滥的原因主要有：一、海岸带、海洋生态环境变化。海域水质的营养盐、pH值、水温等各种水文因子的变化为海星的生长繁殖提供了适宜的天然条件。海星繁殖力强但卵成活率低，但海星在海洋生态系统发生微小变化使海星幼体成活率提高，若此时几乎没有它们的天敌的情况下将极容易大量增加。海星从深海移动至浅海，致使海星在贝类养殖区迅速蔓延、暴发。二是海星摄食习性。海星食物主要为双壳贝类、海胆、牡蛎和海葵等。胶州湾为牡蛎、蛤仔等贝类养殖区域，海星食物充足。三是海星天敌生物数量的减少。近海以海星卵及幼虫为食的鱼类受气候等因素影响数量锐减，为海星生物量的增长提供了可能。海岸带作为重要的渔业发展的自然资源，随着沿海城市经济发展，人为活动带来一定程度的海域污染再加上水产养殖加重水体富营养化，造成海洋生态系统平衡被打破，新的海洋生态环境，对捕食海星卵及幼虫的天敌生长不利。

海洋生态系统可划分为海岸带生态系统（潮上带、潮间带、潮下带）、岛屿生态系统、浅海生态系统、外海和大洋生态系统和极地海洋生态系统。目前，国际上对海洋生态系统的保护已经覆盖了全部类型，并建立了大洋和极地生物多样性及其生物资源保护区和国际公约。作为主权国家，我国海洋生态保护修复的重点是围绕海岸带、海岛两类生态系统而展开。近年，我国正在加快推进“智慧海洋工程”建设，以应对我国海岸带区域逐渐出现水质污染、富营养化、缺氧、酸化、生物入侵、物种消失和渔业资源衰退等；赤潮、绿潮、台风、风暴潮、溢油和危化品污染等各类灾害和突发性环境事故频发等的生态环境问题。投入研发先进的海岸带智能监测设备和技术，以期在环境监测、防灾减灾、优化养殖、应急处理等方面发挥重要的实际作用。

1.3 本文研究内容

针对我国海岸带环境问题，重点利用监测机器鱼的水质实时监测、立体断面监测、全范围全天候监测，灵活下达监测、探查、采样任务,环境监察部门、海洋渔业局等部门通过水质监测探明污染源，各因素的占比，就海岸带水质监测和治理保护提出对策，本文并简要对海岸带可持续发展提出意见和建议。

2.监测机器鱼系统总体设计

2.1 系统功能需求

监测机器鱼需要能够与受陆岸操作系统指挥操控，设定工作水深范围、运行速度、巡查范围，搭载BDS导航系统，自动传回卫星定位遇险报警（自动避险），向上位机操作台实时传回pH传感器、水温传感器、ORP (氧还原电位)传感器、DNH氨氮传感器、电导率传感器、浊度（NTU）传感器、TOC传感器、水中油传感器、UV法COD水质传感器的用于水质评估的数据。

可以完成海岸带水质监测数据（针对海岸带水质污染情况、废水排放、养殖区水质交换、水体富营养化、气候或地质因素造成的海水异常等）的实时监测和数据传递，实时反馈水文变化，可以根据操作台指令完成单次水样、土质、水生物采集，摄像头可根据需要记录视频数据。自动避障（大范围鱼类、杂乱的水草），配备大容量电池、软性太阳能发电电源系统，工作时间长，能耗小，当机器鱼浮于水面充电时监测海水水面漂浮物质、悬浮物质。可在水下时刻保持自身姿态稳定。可通过调节胸鳍前端角度实现在水中上浮、下潜、辅助水平运动等功能。噪音小。用于环境监测或研究的传统的水下航行器或机器人的推进装置一般采用螺旋桨,这种推进方式往往噪声能耗大、效率较低、环境扰动大、易伤害到水下生物，在水草茂密的水域，螺旋桨极易被缠住而无法工作。相比于螺旋桨推进器,自然鱼类在运动过程中机动性高、效率高、噪声低、隐蔽性好且环境扰动小监测机器鱼利用仿生学原理，采用流线型设计，驱动方式为两关节尾鳍摇摆驱动。在设定范围内巡查，可定点原位取样。

2.2 机器鱼各部件组成

机器鱼外部构造如图1所示。

核心部件：依据中华人民共和国海水水质标准(GB3097-1997)，选定参数，通过机器鱼腹下传感器，完成对水体PH 值、总磷、溶氧、电导率、浊度、叶绿素、UV-COD、氨氮（NH3-N）等参数的收集，并转化成相应数据，也可以根据特定任务需求对传感系统选定部分启动。

（1）超声波传感器、红外线避障传感器、碰撞传感器用于机器鱼避碰。

图1 机器鱼外部构造图

（2）PH传感器常用来检测水系流域中氢离子的浓度。

（3）ORP（氧还原电位）传感器:主要用于海水中污染物氧化还原反应，测定电子活性测定污染物含量。

（4）DNH氨氮传感器：通过钾离子传感器作为矫正、pH电极作为参比电极。

（5）电导率传感器检测水中所有离子浓度之和，作为判断水体富营养化的程度的依据。

（6）浊度（NTU）传感器是通过测量透过水的光量程度来测量水中的固体悬浮物，以此来显示水体受污染的情况。

（7）叶绿素传感器：叶绿素a广泛分布于藻类、植物中，传感器通过测定水中叶绿素a的含量分析水中藻类、植物分布量。

（8）TOC传感器：测定水中碳含量表示水体中有机物质总量，用于污染分析的指标。

（9）水中油传感器：测定水中石油含量。

（10）UV法COD水质传感器：测定水中的还原性无机物（亚铁盐、硫化物等）和有机污染。

（11）压力传感器：测定当前机器鱼所在位置水的压力测定当前水深。

（12）软性太阳能板：两片纵向位于机器鱼首尾纵中剖面，充电时机器鱼浮于水面，太阳能板向上展开。

（13）蓄电池、BDS定位仪、数据采集传输控制单元、双舵机系统（尾鳍、胸鳍）、下位机系统、尾部驱动电机等。

3.由水质监测助力海岸带可持续发展

由操作台设定监测机器鱼的初始值，工作区域（水平范围及深度）定点监测的点位，摄像头是否在巡查监测过程中启动。操作台可根据天气信息、机器鱼电量可让其在完成一次充电周期前浮到水面进行充电，并可给予机器鱼定点取样、定点监测数据更新、立体断面监测等指令，操作台可以通过岸边的信号转换设备大大延长与机器鱼通讯的有效距离，并可以将数据传回环境保护部门，监测机器鱼需定期检查并在持续恶劣天气时取回。

通过监测机器鱼传回的数据，在线监测系统评价有效性的标准应该是：显示器可以实时调取各项指标的数值，图表横轴分别以天、月、季、年为时间度量单位，经过短时间的数据采集，监测机器鱼巡查范围内的水质信息就可通过操作台发送到环境分析中心的服务器中，该图表将做到信息公开。通过观察比对数据或当系统发出异常警报，环境监管部门或海洋与渔业局等部门可以立刻采取相应的措施，取样具体分析并有相关部分采取措施，避免恶化或造成更大的损失。由多个监测机器鱼构建大范围的监测网络，系统通过算法对收集到的监测数据进行数值模拟，快速确定目标区域的污染状况和发展趋势。若长时间的异常将逐级上报。

海岸带对人类生存发展至关重要，要及时采取有效的保护措施，对海岸带资源做到集约节约利用并保持海岸线的自然形态、长度和邻近海域底质类型的稳定。

海岸带水质监测只是对其保护的一小步，实现海岸带可持续发展还要从以下几个方面做到统筹规划：海域和陆域；渔业、农业、城建、旅游业和工业；污染物排放、沙滩使用、土地利用、湿地、船舶；国土资源、环境保护、住房和城乡建设（规划）、交通运输、林业、水利、海事部门；海岸带环境、海水上溯、土壤盐渍化及海洋灾害监测预报等。还需要从涉及到各部门监察、管理、治理职能的协调与配合。

由于该监测机器鱼传感器监测的部分水质指标等级较高，用于低风险水域会增大成本投入，建议与浮标观测系统协调配合，物尽其用。