海洋牧场智慧渔业传感系统及其编码规范研究

关键词：传感系统，编码规范，智慧渔业，海洋牧场

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.03.021

0 引言

在水产养殖监测传感系统构建方面，国外主要结合声学、光学、水下摄像和无线通信等技术获取生物状态、养殖设施的相关数据，以实现对其监测。西方发达国家在水产养殖领域己经彻底摆脱了传统的人工监测，将智能化设备和技术运用到监测中。挪威AKVA集团[1]开发的养殖管理系统可以将鱼类运动、摄食等信息汇集到中央控制中心，由计算机处理后对养殖环境进行特定编程，制定最优解决方案。在国内，也发展了相应的服务于水产养殖的监测系统，如中国农业大学研究团队[2]提出的水产养殖全过程联物网监管系统可实现养殖过程监控，使得水产品在标准化的养殖环境下生长，提高水产品的质量。结合国内外研究现状可以看出，现有的水产养殖监测系统主要针对水质中关键参数的监测或针对其中一类技术开展研究，监测内容相对较为单一，尚未形成系统化研究。

当前智慧渔业传感系统的研究案例基本是针对具体应用开展系统设计和系统搭建调试等，但关于智慧渔业传感系统标准的研究较少被报道。目前关于海上养殖平台设施装备的规范文件主要是中国船级社发布的《海上渔业养殖设施检验指南（2019）》[3]，尚无直接关于智慧渔业传感系统编码规范的相关标准。本文立足于体系层面开展智慧渔业传感系统功能、系统组成及系统架构等标准研究，并立足于体系层面开展智慧渔业传感系统物资管理、文档管理以及过程管理的编码规范研究。通过智慧渔业传感系统标准与编码规范研究，推动现代海洋牧场集约化、规模化和智能化的高质量发展。

1 智慧渔业传感系统

1.1 智慧渔业传感系统功能

智慧渔业传感系统是指应用在渔业养殖场景中，通过声、光、磁、电等传输介质感知场景中的物理、化学及生物参量，并将其转化为可识别模拟或数字信号的技术系统。智慧渔业传感系统聚焦养殖水质与海域环境、养殖对象状态、养殖装备状态及养殖安全等四类目标参量的感知。智慧渔业传感系统可以感知渔业养殖场景中的温度、盐度、照度、浊度、声音、酸碱度等各种信号，并将相关信号转化为计算机或处理器等可以处理的模拟或数字信号。

从工程应用角度，智慧渔业传感系统具有以下功能：

（1）渔业养殖场景中，感知养殖环境、养殖对象和养殖装备等不同目标的各类参量信号；

（2）根据参量信号的属性选择适应性手段进行采集，以成为传感系统的初始输入数据；

（3）借助计算机等科学运算工具进行处理和分析，以得到有科学、工程意义的结果；

（4）智慧渔业传感系统各个子系统之间需要上下行承接、同个子系统不同设备间需要组网协同；

（5）智慧渔业传感系统的信号数据实现从渔业养殖场景中被采集到科学运算，整个过程需要完整的网络链路承担数据传输的通信和互操作任务。

1.2 智慧渔业传感系统组成

根据空间部署维度，智慧渔业传感系统由以下子系统组成：

（1）水面监测子系统包括水质监测、水文监测、气象参数监测等；

（2）水下监测子系统包括环境立体监测、水下摄像视频监测、鱼类识别、鱼群追踪监测等；

（3）水底监测子系统包括近红外分析、温度监测、盐度监测、溶解氧监测、pH值监测、浑浊度监测、海水流速监测、生物量估算等；

（4）水下巡检子系统包括水下目标追踪、水下巡检扫描、水下作业等；

（5）结构监测子系统包括环境立体监测、养殖平台结构安全监测、养殖平台异常状态监测、入侵探测等。

根据系统逻辑，智慧渔业传感系统由以下子系统组成：

（1）信号感知端：主要硬件形式是传感器。传感器是智慧渔业传感系统中最基础的组成部分，其能够将渔业养殖场景中的声学、光学、磁学、电学等物理信号转化为可传输和计算机处理的模拟或者数字信号；

（2）数据采集子系统：在智慧渔业传感系统中承担信号放大转换处理、数据存储等功能。如标准水听器通常配置有放大器和采集卡，高性能的水下摄像机通常配置有视频采集模块和存储单元；

（3）处理分析子系统：是传感系统的中枢组成部分，包含载体硬件平台、数学理论模型及算法软件，借助计算机工具对信号感知端和数据采集子系统采集到的信号数据进行科学运算分析；

（4）嵌入式控制子系统：在传感系统中发挥着集成与控制作用。部署在渔业养殖平台传感器和数据采集部件之间上下行承接、不同设备间组网协同，均由嵌入式控制子系统统一集成管理、协作指令控制；

（5）物联网：在智慧渔业传感系统中发挥互联互通关键作用。物联网通过互联网达成智慧渔业传感系统数据要素的传输，完成数据要素的发送、接收、转换及储存等，实现不同设备间的通信和互操作。

1.3 智慧渔业传感系统架构

根据空间分布分类不同，智慧渔业传感系统架构主要包括三部分：传感器终端、采集箱和控制机柜。传感器终端是根据功能部署在养殖平台相应位置的各类传感器，主要包括水质类传感器、环境类传感器、海洋光学设备、水下声学设备、养殖平台状态类传感器、养殖平台安全类传感器以及网络通信类设备。采集箱主要是实现近程集中供电和汇集通信链路功能，布设有熔断保护器、电源供应器和继电控制器等电气设备以及串口服务器、工业交换机等网络通讯设备。控制机柜主要是实现集中显示控制、平台本地服务器等功能，布设有不间断电源、工控机、显示屏、工业交换机和硬盘录像机等显控设备。

2 智慧渔业传感系统编码规范

在智慧渔业传感系统作业周期内，设备和物料的选型、安装、及运维不同作业过程中，如何保证一致性与高效性；图纸和文档的设计、归类、作业指导、作业总结等不同过程中，如何保证条理性和科学性，凸显智慧渔业传感系统编码规范的必要性。本文结合船舶领域SFI（SkipstekniskForskningsinstitutt）[4-5]编码技术和工程领域BIM（Building Information" Modeling）[6]信息模型，围绕设备、线缆、结构件、图纸、文件及过程等六种类型进行编码规范研究。编码内容由大写英文字母、阿拉伯数字以及横杠组成，并生成二维码。

2.1 设备编码规范

针对智慧渔业传感系统传感器设备、通信设备、控制设备等不同类型设备所从属的一级系统、二级系统、布设区域、结构逻辑等关系进行编码管理。设备编码包括属地码、区位码和设备属性码三部分；属地码主要是广域的地理区域信息。区位码主要是局域的方位信息；设备属性码是设备固有的信息。智慧渔业传感系统设备编码规范如图1所示。

根据图1说明设备编码方法。A为大写英文字母，N为阿拉伯数字，X为大写英文字母或阿拉伯数字，该位不存在默认为0。国家代号，参照I S O3166-1：2006，省级和市县代号为前两个拼音首字母大写，海域代号为国家发布《我国部分海域海岛标准名称》前两个拼音首字母大写。养殖平台分类为重力式网箱（GC）， 桁架式网箱（TC）等。网箱序号根据下水先后顺序编号。区域和位置代号，养殖仓水下（U）、养殖仓水面（S）、水上舱室（C）、甲板（P）、过道（W）、圆周（R）、压载水舱（B）、饲料舱（F）、中心立柱（S）、横撑（H）、竖撑（V）、斜撑（T）、机柜（E）、转接箱（N）等。设备型号码为设备英文名称前两个单词首字母大写；设备序号为该类型设备的序号；设备标识为固定字母D。设备唯一流水号为整个智慧渔业传感系统的所有设备排序，为设备的唯一身份证明号码；权属代码为设备拥有权单位代码。

2.2 线缆编码规范

针对智慧渔业系统供电线缆、电源线缆等不同类型线缆所从属的系统、敷设区域、结构逻辑等关系进行编码管理。线缆主要附属在设备上，通常会从源设备连接到端设备，因此线缆编码由源端设备为主导。智慧渔业系统线缆编码规范如图2所示。

根据图2说明线缆编码方法。A为大写英文字母；N为阿拉伯数字。源设备号为供电/信号发出端的设备唯一流水号；若供电和信号同在一根线缆上，以供电为准。端设备号为供电/信号接受端的设备唯一流水号，若供电和信号同在一根线缆上，以供电为准。线缆类型：供电线缆类型码为P，信号线缆类型码为S，供电信号一体线缆类型码为M，光纤线缆类型码为F等；线缆序号为同一类型线缆的排序；线芯数量为线缆线芯的根数；线缆电制为供电电压情况，如交流380 V为A380、交流240 V为A240、直流24 V为D024、直流12 V为D012、直流5 V为D005、没有电压负载默认为0000。线缆长度为米单位的四舍五入整数长度数值，以固定字母M。

2.3 结构件编码规范

针对智慧渔业传感系统供支撑结构件、连接结构件、其他结构件等不同类型结构件所从属的系统、和结构逻辑等关系进行编码管理。结构件主要附属在被安装设备上，因此结构件编码由附属设备为主导。智慧渔业系统结构件编码规范如图3所示。

根据图3说明结构件编码方法。A为大写英文字母；N为阿拉伯数字。设备流水号为结构件所附属被安装设备的唯一流水号。结构件材质是指结构件的材料属性代码，分为钛合金（TA）、不锈钢（SS）、铝合金（AA）、锌合金（ZA）、亚克力（PM）、塑料（PL）、橡胶（RU）、石英玻璃（QG）等。抗风暴等级是指结构件的设计抵抗热带风暴/台风等级，系数由1至17。结构件类型是指结构件安装形式，分为固定安装式（F）、便携手持式（P）、可拆卸移动式（D）等。结构件序号是指同一个设备的结构件群组的排序。

2.4 图纸编码规范

针对智慧渔业传感系统涉及图纸在工程周期内归档、版本管理等需求，进行编码规范如图4所示。

根据图4说明图纸编码方法。A为大写英文字母；N为阿拉伯数字。设计单位代号是图纸设计单位所对应的代号，一般选取英文名称的三个核心单词首字母大写，若没有英文名称则选择三个核心词拼音首字母大写。工程代号为设计单位根据在工程立项之初，设置的工程代号。图纸类型为技术文档的技术属性代号，包含系统图（S）、硬件架构图（H）、通信拓扑图（N）、布置图（F）、电气图（E）、线缆链路图（L）、结构件图（S）等。图纸序号为整个工程的图纸唯一流水号。

2.5 文件编码规范

针对智慧渔业传感系统涉及技术文件在工程周期内归档、版本管理等需求，进行编码规范如图5所示。

根据图5说明文件编码方法。A为大写英文字母；N为阿拉伯数字。设计单位代号是图纸设计单位所对应的代号，一般选取英文名称的三个核心单词首字母大写，若没有英文名称则选择三个核心词拼音首字母大写。工程代号为设计单位根据在工程立项之初，设置的工程代号。文件类型为文件的技术属性代号，总体设计报告（TD）、系统说明报告（SD）、部署说明报告（DI）、设备选型清单文件（ES）、负荷计算表文件（LC）、电气链路说明报告（EL）、通信链路说明报告（CL）、系统试验大纲（TP）、设备安装作业指导书（EI）、线缆敷设作业指导书（WL）、设备校准文件（EC）、系统调试报告（SC）、用户操作手册（UM）、工程维保手册（EM）、总结报告（SR）等。文件序号为整个工程的文件唯一流水号。

2.6 过程编码规范

智慧渔业传感系统设备会处于不同过程状态，如入库、布设、损坏、返修等。为便于管理设备过程，进行编码规范如图6所示。

根据图6说明文件编码方法。A为大写英文字母；N为阿拉伯数字。设备流水号为结构件所附属被安装设备的唯一流水号。过程代码为设备所处过程状态代码，包含入库（S）、布设（L）、故障（F）、返修（R）等。起始时间是指设备所处过程状态的开始时间，格式为年（公元纪年后两位）月（两位数）日（两位数）。过程周期是指设备从该状态距离下一个过程的时间周期，如入库的库存周期、布设的校准周期、故障的维修周期、返修的寄回周期，时间标识为年（Y）、月（M）、周（W）、日（D），时间周期用两位数表示。

3 结语

围绕海洋牧场智慧渔业体系化建设需求，本文从传感系统功能、组成及架构等深入分析了海洋牧场智慧渔业传感系统，为建设智慧渔业传感器硬件生态、软件生态及其统一标准提供前期基础。同时围绕设备、线缆、结构件、图纸、文件及过程等六种类型进行编码规范研究。通过统一的编码方法和系统，协调与统一智慧渔业传感系统方案设计方、养殖平台制造方、设备生产方、系统集成方等不同工程角色的工作解耦，并提高智慧渔业传感系统工作效率与质量。海洋牧场智慧渔业传感系统及其编码规范研究，可为实现大规模深远海渔业养殖装备产业和养殖产业的可持续发展奠定基础，并推动形成集约化、规模化和智能化的现代海洋牧场技术链和产业链。

作者简介

李俞锋，硕士，助理研究员，研究方向为海洋光学与水下传感。

杨仁友，通信作者，博士，正高级工程师，研究方向为智慧渔业与水下机器人。

（责任编辑：张佩玉）