远洋渔船电子监控技术应用研究进展及展望

孙永文，张胜茂，蒋科技，樊 伟，隋江华，朱文斌

（1.大连海洋大学航海与船舶工程学院，辽宁大连 116023；2.中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部东海渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090；3.浙江省海洋渔业资源可持续利用技术研究重点实验室，浙江省海洋水产研究所，浙江舟山 316021）

远洋渔业资源的合理开发，可保障优质蛋白持续供给，改善渔业产业结构，提高产业国际竞争力，维持渔业可持续捕捞，因此对远洋渔业资源实施监管具有重大意义［1-2］。从1990年至2018年，全球捕捞渔业总产量相对稳定，海洋捕捞渔业产量占比达87.5%，其中远洋渔业产量逐年增加［3-4］。随着内陆和近海渔业资源的匮乏，现今远洋渔业资源正在被全世界迅速开发，为了防止远洋渔业资源被开发过度，对其有效监管和制定监管标准迫在眉睫。自1982年以来，《联合国海洋法公约》等相关公约要求所有成员国履行海洋资源养护和管理义务［5-7］，为了监控处于可持续水平鱼类种群的合理捕捞和不可持续水平鱼类种群的有效保护，很多国家已经采用了无人机或者巡逻船、渔船船舶监视系统（VMS）、自采样、观察员等方法监管远洋渔船［2］。这些方法对监管远洋渔业资源的开发起到了积极作用，但因不能准确审计鱼种数据或人工审计费时等原因而尚未实现有效监管［8-9］。随着卫星遥感、摄像机、互联网等技术的进步，电子监控（electronic monitoring，EM）获取的数据和观察员相差无几［2，10］。如今EM已经应用到许多国家的远洋渔船，用于获取目标渔获物的数据和监控被误捕的珍稀海洋生物的放生过程。

EM的应用最开始是为了监控不列颠哥伦比亚省捕蟹陷阱的数量，以控制渔获量并防止渔具被盗［1］。2002年，随着对海洋资源的监管，阿拉斯加延绳钓渔业对EM进行测试，以记录鲽形目（Pleuronectiformes）鱼类渔业的捕捞努力量和渔获情况，并测试渔船的捕捞行为是否符合相关渔业法规［2］。2003年，为了监测刺网和拖网以及海洋哺乳动物和海鸟的相互作用，新西兰启动一项EM计划［1］。欧盟EM试验始于2008年，一些欧盟成员国采取激励措施来减少渔船丢弃的远东宽突鳕（Eleginusgracilis）数量，并资助EM试验来验证渔船的捕捞量［11-12］。自2012年以来，EM已在大西洋和印度洋的热带金枪鱼（Thunnus）渔业中进行了测试［10，13］。同时，为了提高EM在渔船的抽样覆盖率，在西太平洋、南太平洋和中太平洋的捕捞试验中也加入了EM［1，14-15］。从2015年到2016年，法国热带金枪鱼围网渔船通过对比EM与观察员收集的非目标渔获物和抛弃物数据，测试了EM的效率［16］。2018年，西班牙两个金枪鱼围网协会开始对捕鱼活动实行100%EM覆盖［1］。同年，中国在热带太平洋西部进行EM试验，对EM与观察员收集的21组同一航行期间的监控数据进行对比，结果表明，EM可用于增强观察者计划［17］。中国在中部和西太平洋一些金枪鱼延绳钓渔船配备了EM系统，该系统具有记录渔船活动和监测冷链数据等功能［18］。在视频影像智能分析方面，已经可以使用神经网络技术提取文本信息判断渔船的状态［19］。近几年，由于EM在远洋渔船的广泛应用，不同类型渔具的EM标准也在加快制定和不断完善。2017年，大西洋金枪鱼资源保护委员会（ICCAT）采用了EM系统的围网最低标准［20］。2020年5月，国际海产品可持续发展基金会（ISSF）和印度洋金枪鱼委员会（IOTC）等编写了一份关于EM安装、收集、分析和存储数据的最低标准的论文。

本文通过综述EM在远洋渔船的应用，着重分析了国内外远洋渔船的EM基本组成和运用EM监管各种目标的具体方法，简述了EM在3种常见渔具的应用情况和目前可应用于远洋渔船的EM产品具备的功能，分析现阶段EM的优缺点，并在此基础上，对未来EM研究方向提出建议，以期为EM在远洋渔船的应用和进一步研究提供参考。

1 远洋渔船EM方法

1.1 EM系统组成

EM系统通常由各种传感器、摄像头、GPS接收器和计算机硬件组成（图1），主要记录捕捞作业及渔船实时位置等信息。目前各类传感器中液压传感器、旋转编码器在EM系统应用较多，高清数码摄像机也已在远洋渔船中应用［1-2］。监控主机将视频、渔船经纬度、时间等信息整合、管理，视频信息防篡改技术也逐渐应用到EM中［21］。随着存储密度及存储容量的增加，硬盘可以存储更多内容。渔船在海上作业时，利用定位等技术获取渔船相关数据，比如航速、船位等信息，信息通过海事卫星等通讯方式传回。当渔船靠港时，可以通过网络通讯（4G，WIFI）传输视频数据，还可以拆卸硬盘带回渔业企业或渔业监管部门。

图1 EM系统结构示意图及获取的数据Fig.1 Schematic diagram of electronic monitoring system structure and acquired data

1.2 不同目标渔获的EM方法

目前各国EM应用于船端的方法基本类似，即使用摄像机获取完整有效的捕捞作业视频［22］，运用滚筒上的旋转编码器获取滚筒圈数，进而估算出网长度，最终汇总到计算机监控主机进行初步处理，实现集中管理、本地存储功能。远程终端可以通过海事卫星确定渔船位置和航速等辅助性信息，数据传输目前主要通过硬盘实现［23-25］。处理获取的视频数据，目前可以运用计算机深度学习［26-28］、图像识别［29-30］、网格测量等技术识别目标渔获物，并测量目标渔获物的长度，再结合海事卫星传回的数据，确定渔获物出现的具体位置，为后期有针对性地智能监控该种渔获物提供数据。

如表1所示，针对高经济价值渔获物应用不同的EM方法开展试验，获取的试验数据一是可以验证EM方法的可靠性，二是可为研讨和制定EM应用标准作依据，对远洋渔业的可持续性发展具有重要意义。从1980年到2018年，有鳍鱼类约占海洋捕捞总量的85%，其中占比较大的鱼类有秘鲁鳀（Engraulisringens）、阿拉斯加狭鳕（Gaduschalcogrammus）、大 西 洋 鲱（Clupea harengus）、蓝鳕（Micromesistiuspoutassou）、欧洲沙丁鱼（Sardinapilchardus）、日 本 鲭（Scomber japonicus）、黄鳍金枪鱼（T.albacores）等，累计占比约30%，其中，鳕鱼类、金枪鱼类等在近几年渔获量统计中创新高［3］。监管上述捕捞产量高的鱼种可快速规范捕捞产业［31］。近十年来，澳大利亚有6个EM项目，以金枪鱼、比目鱼等为主要目标；美国有5个EM项目，对蓝鳍金枪鱼（T.thynnus）、鲽形目和大马哈鱼（Oncorhynchusketa）等多种鱼类的捕捞进行监测［1］。中国对金枪鱼的捕捞监测也应用了EM。

表1 各种监测目标的电子监控项目试验［1］及方法Tab.1 Experiments［1］and methods of electronic monitoring items for various monitoring targets

2 EM系统的技术发展现状

随着越来越多的国家开展EM项目试验，结果表明，EM可替代一部分观察员来记录渔船数据且效果良好［17，32-33］，使得EM在渔业监控领域的地位逐渐稳固。许多应用于渔业的EM技术正在蓬勃发展，可为不同类型远洋渔船提供适合的EM系统。根据表2可了解目前不同公司的EM系统具备的功能。其中Archipelago生产的EM系统适用于小型近海渔船、大型远洋船，目前已经装备了600多艘渔船；Saltwater研发的EM系统几乎适用于所有渔船；Anchor Labs、Satlink适用于商业船；Digital Observer Services专门用于金枪鱼围网渔船。EM系统均具备GPS接收、硬盘驱动器传输数据、高清摄像头拍摄等基本功能，且各公司的技术人员可根据渔船类型提供合理的安装方案。

表2 各公司的电子监控系统具备的功能Tab.2 Functions of the electronic monitoring system of each company

3 3种捕捞渔具的EM应用进展

远洋渔船捕捞成本高，航次时间较长，为了一次性获得较高的渔获量，往往选择捕捞产量高、捕捞效率高的渔具，如延绳钓、围网、拖网等。在装备了上述3种渔具的渔船中，金枪鱼围网渔船、超低温延绳钓渔船和大型拖网加工渔船等在远洋捕捞中使用较普遍。由于这3种渔具的捕捞特点，容易出现过度捕捞，破坏海洋生态，许多国家已在这类渔具的远洋渔船上安装了EM。

3.1 延绳钓

延绳钓渔具主要由干绳、支绳、浮球、浮绳、钓钩等组成，即在延伸的干绳上垂挂若干根带钩的支绳，使用钓钩捕鱼。其中金枪鱼延绳钓在延绳钓渔具中应用较成熟，分布面最广，数量和产量很高，本文以金枪鱼延绳钓为例介绍EM在延绳钓的应用。金枪鱼延绳钓捕捞属于一钩一鱼，EM可以清晰记录渔获物的数量和尺寸［34］。该渔具因其捕捞方式独特且对海洋生态友好，EM应用到这种捕捞类型的项目试验效果较好。2015年，大西洋金枪鱼延绳钓高度洄游物种（HMS）渔业中，有112艘延绳钓渔船安装了EM，用于监测蓝鳍金枪鱼（T.thynnus）的捕捞［1］；2015年，中国太平洋金枪鱼渔业安装EM的渔船有33艘［1］；截至2018年安装EM的斐济延绳钓渔船有50艘［1］。

3.2 围网

围网是主要由网片、纲索、浮球等构成呈长带形或有网囊的网渔具。采用围捕或者结合围张、围拖等方式，迫使鱼群集中在网囊，从而实现捕捞。2012年，国际海鲜可持续发展基金会（ISSF）就开始对热带金枪鱼围网渔业公海EM系统进行了评估和测试。试验结果表明，EM技术在金枪鱼围网渔业监测方面具有较大潜力［35］。2017年，印度洋金枪鱼委员会（IOTC）开始采用围网最低EM标准，但由于围网渔获种类较多、捕捞强度大、捕捞量多，当时的EM系统难以实现有效监测，为解决该问题，各种针对不同渔获物的EM系统被提出，EM技术得到快速发展［36-37］。2018年，印度洋、大西洋区域开展的ANABAC OPAGAC热带金枪鱼围网项目中有49艘围网渔船安装EM，同年在西班牙20艘金枪鱼围网渔船和供应船上安装了电子眼（electronic eye，EE）系统［1］。

3.3 拖网

拖网主要由拖曳缆绳、采样铁框架和网篮等组成，使用渔船拖曳囊袋形网具捕捞目标鱼群。拖网渔具的捕捞效率较高，捕捞强度大［38-39］，但其中底拖网捕捞会严重破坏海床，对海洋生态平衡造成破坏，所以对拖网的监控很有必要［40-42］。早在2006年，不列颠哥伦比亚省鳕鱼渔业35艘拖网渔船就开展了EM试验［1］；从2008年到2016年，丹麦开展了EM试验，监控36艘拖网渔船的渔获物情况［1］；2018年，美国西海岸底层鱼类拖网EM项目（包括针对鳕鱼的EM项目）有36艘拖网渔船安装EM用于监测目标渔获物［1］。

4 EM优缺点

EM能在远洋渔船上试验并迅速投入使用，得益于它稳固的优势（表3）。EM在有温差、噪声、风雨等恶劣海洋环境下仍能正常工作，但是观察员则无法在这种环境下长时间工作。而且EM只需要远洋渔船提供很小的空间位置用于安装固定［43］，观察员则需要基本的生活空间，但在每艘远洋渔船上设置一间观察员专用房间是不现实的。与观察员相比，EM也有一些劣势（表3）：如检查误捕的哺乳动物死亡原因，观察员可以在船上解剖并记录，而EM无法实现这种功能；EM无法收集一些特殊类型的数据，如：鱼类化石等［2］；另外，摄像头外部经常会沾上水滴，需要定期清理，否则会影响拍摄质量；硬盘容易出现折损，会导致数据丢失。

针对EM存在的这些问题，目前已经给出其中一部分解决办法（表3）。EM和观察员结合使用可准确获取特殊类型数据，但成本较高。可以将摄像头的清洁等基本维护技能加入到远洋渔船船员培训，则船员可在远洋渔船作业期间保证EM正常收集数据。采用高防护等级的硬盘，可提高硬盘防破损能力。

表3 电子监控的优势与劣势以及解决劣势的方法Tab.3 Advantages and disadvantages of electronic monitoring and methods to solve the disadvantages

5 小结与展望

综上所述，EM技术在远洋渔船的应用越来越广泛，应用标准逐渐规范。EM不仅可以在恶劣环境下替代观察员的工作，解决了观察员在远洋渔船覆盖率低的问题，且在无形中对违法捕捞行为构成一种约束。此外，EM记录的数据具有追溯性，可对历史数据反复审计核验。目前基于EM视频数据利用深度学习的方法可预先实现自动识别特定渔获物，从而获取远洋渔船捕捞数据记录。但是，目前对EM技术的研究还不够深入，仍然存在许多亟待解决的问题。首先，专业EM数据分析产品更多是针对目标渔获物，但其对渔获品种并不能达到自动识别，特别是相似渔获物识别难度较高；其次，在渔船靠港后第一时间使用无线将硬盘数据传输到有关部门，比起观察员或硬盘传输数据更方便迅速，但远洋渔船航行时间长、数据传输不及时的问题仍未解决；最后，近几年，许多区域性最低EM标准被应用，但并没有一个包含不同地区、不同渔具的最低EM标准被所有国际渔业组织认可，许多草案和区域性EM标准仍需要更多试验数据作为支撑以不断验证和完善［45-50］。因此，在EM技术未来的研究中，应该从以下几点出发：

1）开发具有机器视觉的摄像头或分析软件，使其具备可自动识别渔获物并计数的能力，且遇到受保护渔获物上船时特别标记此段拍摄并及时发出警告；

2）提升卫星传递信息的技术。目前中国北斗系统已具备传输短报文信息的能力，随着卫星传递信息技术的不断改进，未来可按照设定的时间间隔不断地将EM实时记录的捕捞数据通过卫星进行传输，进而实现实时监控。

3）制定EM应用的国际标准。通过获取各地区、各类渔获物的EM试验数据，分析试验数据，共同研讨出一份适合不同吨位、不同渔具、不同渔获物的EM国际标准。

4）制定相关法律以约束违法行为，防止偷捕者为了偷捕而故意影响EM获取数据。

虽然EM在远洋渔船中的研究和应用存在诸多困难，但其仍受到很多国家和国际渔业组织的认可。随着更多的国家、国际渔业组织和科研人员共同努力突破EM技术的瓶颈，EM也必将得到更广泛的应用。