漁業船聯網應用場景及需求分析研究

李國棟，陳　軍，湯濤林，諶志新，許明昌，陳繼華

(農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092)

中國提出并正在實施海洋強國和21世紀海上絲綢之路建設，大力發展海洋經濟。海洋漁業是經略海洋、發展海洋經濟的重要組成部分。智能海洋漁業是開發海洋，實現智慧海洋體系，保障藍色生物資源安全，實施海洋強國戰略的重要抓手。世界各國對海洋權益的爭奪，很多情況下表現為對漁場、捕魚權的爭奪。截至2016年，中國有海洋漁業機動漁船26.34萬艘，其中有2 571艘遠洋漁船，18多萬艘近海機動捕撈漁船[1-2]。若能結合利用現代信息技術，在全海域布局海洋信息安全網，構建智能海洋漁業系統，為漁業生產、管理和科研服務，還可以實現國門信息預警，形成三維一體的探測系統，提升海洋漁業資源管控能力，促進海洋漁業走向極地、走向深海。

1　漁業船聯網定義及特點

隨著信息技術的發展和移動終端的普及，信息時代由戶戶相連的“互聯網時代”跨越到物物相連的“物聯網時代”。近年來，物聯網受到學術界和工業界的極大關注，成為新興研究熱點領域。物聯網的研究已經覆蓋到市政、交通、物流運輸、醫療、教育、工農業生產等諸多領域[3- 5]。物聯網在水面船舶領域的重要分支即為船聯網(Internet of Vessels，IoV)。船聯網按船舶的用途又可以分為海運船聯網、河運船聯網、軍用船聯網、工程船聯網和漁業船聯網等[6- 12]。目前，國內外對于前4種船聯網的研究和應用報告較多，對其需求的分析、系統架構的設計、網絡的實現和應用均有所開展，但針對漁業船舶的船聯網研究幾乎是空白。

漁業船聯網(Fishery Internet of Vessels ，FIoV)是以海洋漁業船舶為網絡基本節點，以船舶、船載儀器和設備、航道、陸岸設施、浮標、潛標、海洋生物等為信息源，通過船載數據處理和交換設備進行信息處理、預處理、應用和交換，綜合利用海上無線通信、衛星通信、沿海無線寬帶通信、船舶自組網和水聲通信等技術實現船—岸、船—船和船—儀等信息的交換，在岸基數據中心實現節點各類動、靜態信息的匯聚、提取、監管與應用，使其具有導航、通信、助漁、漁政管理和信息服務等功能的網絡系統。

漁業船舶因其特有的廣布性、靈活性、群眾性和低敏感性，相比其他民用和軍用船舶聯網，漁業船聯網可為漁業船舶航行和作業提供更加智能化的保障，在獲取海洋信息、發展海洋經濟、維護海洋權益方面具有不可替代的優勢。

2　漁業船聯網應用場景

漁業船聯網是一個依托于海洋漁業的全新系統性工程，其在系統構建之初就應充分考慮漁業相關領域的應用，同時也需要考慮滿足海洋相關科研領域的應用。隨著相關技術的發展，特別是

以物聯網為代表的信息化和智能化技術的發展，也會影響和推動漁業船聯網不斷演進和完善，促進船聯網在新領域的應用，因此，漁業船聯網對未來應用場景的考慮需要有一定的前瞻性。通過多方調研和分析，漁業船聯網未來主要的應用場景包括：輔助漁業生產、漁業多媒體、漁業監管、海洋科研等，如圖1所示。

圖1　漁業船聯網應用場景

2.1　輔助漁業生產

漁業船聯網建設和運行最基本作用應當是立足于“服務漁業，服務漁民”。信息化和智能化是現代海洋漁業發展的重要方向，漁業船聯網技術是信息化、智能化在現代漁業中實施的主要手段，可以為高效和安全漁業生產活動提供保障。

2.1.1漁船自動駕駛

自動駕駛輪船技術研究在中國及歐、美國家得到了大量的資金投入，并取得了極大的進展，但中國漁船的自動化水平相對比較落后[13]，目前正面臨逐級改造的迫切需求。自動駕駛技術在漁船的普及上，面臨著漁船大小規格多樣化、航行軌跡不規律等諸多制約因素[14-15]。漁業船聯網的實施，可以在航行條件監測、漁船操作監視、決策支持、船舶及其周圍環境和其他安全方面的監測上為漁船進行自動駕駛與管理提供技術保障，促進自動駕駛技術在漁業船舶上應用能盡早實現。

2.1.2自動化捕撈

中國中、小型近海機動漁船捕撈作業的自動化水平相對低下[16-17]，大型的聲吶探測設備或者自動化捕撈儀器由于成本高，無法在中、小型漁船得到普及，即便在自動化程度較高的大型遠洋漁船上，人力成本也在逐年上升[18]。因此，無論是遠洋還是近海捕撈，實施自動化捕撈是漁船升級換代的必經之路[19]。

漁船上的作業裝備主要包括助漁儀器和捕撈設備。助漁儀器中的魚探儀、網位儀、通導設備等如果能通過船聯網實現互聯互通，進而接入互聯網，實現對漁場信息和魚群洄游信息的共享。捕撈設備通過船聯網實現設備的智能控制和無人操作，最終通過船聯網的聯通促使實現單船或多船助漁儀器和捕撈設備能夠自動協同工作，實現漁業自動化捕撈和聯合作業，那么將會大幅度提高生產效率，促進海洋漁業的精準捕撈和高效捕撈。

2.1.3應急救助

漁業安全生產作業和運行是關系到漁民的生命財產安全和漁業經濟健康發展的大事。海上漁船生產作業和運行的安全威脅主要來自自然災害、船舶間的碰撞、船舶自身事故和火災等因素[20-21]。海上漁業生產時空跨度大、個體分散、通信不暢是事故多發的重要因素，也給后續救助工作的開展帶來較大困難[22]。漁業船聯網可以發揮其在無縫實時通信、全方位的船舶狀態監控等方面的能力，為了防范海上漁船碰撞事件，實時掌握海上漁業船舶動態運行信息，科學防臺避災，減少漁民傷亡和財產損失，提高漁船突發事件的應急處置能力及船只互助救援等方面發揮不可估量的作用。

2.1.4遠程故障診斷

海洋漁業生產作業環境的復雜性和惡劣性決定了其具有較高風險，因此對于生產相關數據的跟蹤極為重要，尤其是漁船的船舶運行和生產作業數據，包括船舶推進系統、電力系統、安全系統等關系到船舶安全的數據[23-24]。漁業船聯網的構建，實現了漁船和漁業節點的信息互通與共享，并由此衍生出龐大的漁業船舶運行和生產相關大數據池，大數據池可以及時分析并預測潛在的不穩定和危險信號，并準確而及時地實施遠程診斷和追蹤，保證漁船運行和生產作業的安全。

2.2　 漁業多媒體

依托無線移動通信技術發展起來的陸上多媒體應用正在進行著日新月異的變革，而由于海洋環境的復雜多變，海洋通信的發展明顯滯后于陸地通信，海洋漁業通信情況相較于其他的海洋相關行業更加薄弱，導致漁業多媒體應用發展明顯滯后[22,25]。另一方面，漁業從業人員眾多，漁業生產作業環境相對隔絕，更需要漁業多媒體滿足廣大漁民通信、娛樂需要，及漁業電子商務模式發展的需要。

2.2.1漁民通信

漁業船舶在海上作業周期往往有數月，在茫茫大海，長時間高體力勞作之余，漁民渴望與家人進行溝通，了解外部信息。與外界通信的不暢，易導致內心的焦慮，甚至出現心理障礙和疾病。船聯網提供低成本的語音通信和數據通信，支持電話、文字聊天、網頁瀏覽，甚至是視頻傳輸的功能，可以滿足廣大漁民海上作業期間精神生活的需要。

2.2.2漁業電子商務模式

在電子商務帶動商品產銷革命性變革的大環境下，水產品以及相關服務正在轉戰線上營銷領域[26-27]。由于水產品本身的特殊性，商品信息的發布始終存在一定的滯后，這就為水產品的銷售帶來非預期的隱患。如何構建新型的漁業產品銷售模式，需要進行買賣雙方的商品交易匹配度及其計算方法研究，構建水產品交易匹配模型以最大化雙方的加權匹配度等工作[28]。漁業船聯網的構建，實現水產品信息的采集與發布零延遲，通過水產品大數據分析，能夠極大提高買賣雙方匹配度，提高生產銷售的時效性，為漁業產品在線銷售提供條件，實現海洋優質蛋白捕獲即銷售的目標。

2.3　漁業監管

多年以來，漁業科研與管理投入嚴重滯后于漁業活動的快速發展，漁業資源衰退、生態環境惡化已經使得中國專屬經濟區的食物供給和生態服務功能大大降低[29-31]，而生態認知能力的不足和漁業監管手段的落后則嚴重制約了專屬經濟區的生態修復和雙邊漁業管理的主動性[32-33]。可以發揮漁業船聯網對信息獲取的實時性和精準性特點，為漁業監管有效落實和鞏固提供可靠的技術手段。

2.3.1作業區域監管

針對非法捕撈，傳統的漁船作業區域監管很難落實，不僅作業區域合法性難以評估，執法區域本身也難以區分。漁業跨界和越界捕撈現象時有發生，特別是涉及到敏感水域，造成了一定的國際影響[34-37]。

通過計算機技術與網絡技術有機融合的漁業船聯網解決方案，可以實現對作業漁船的精準定位與跟蹤、實時信息(船位、報警、短信等)的采集、處理、存儲、分析、展示、傳輸及交換，從而為漁業管理部門實施全面的、自動化的監管提供有力保障。

2.3.2作業方式監管

漁業監管部門雖然制定了詳盡的漁具準用目錄[38]，明確了漁具最小網目尺寸，以及漁船攜帶漁具的數量、長度和燈光強度等標準，引導漁民使用資源節約型、環境友好型的作業方式，但依然無法杜絕違規作業漁具對幼魚和珍稀瀕危水生野生動物造成危害和影響，原因還是缺少對漁船作業方式實時監管的有效手段[39- 40]。

通過船聯網將漁船的空網拖拽作業數據、網目實時圖像數據，以及漁獲物實時圖像與稱重數據傳送至漁業船聯網數據中心進行大數據對比分析和圖像識別后，即可快速判斷漁船作業方式是否違法，并及時實施監管應對措施。

2.3.3作業時間監管

中國實施的伏季休漁制度對恢復海洋生態功能、保證海洋資源可持續發展、提高漁獲物產量等均起到決定性作用[41-42]，但“偷捕”現象屢有發生，降低了休漁效果。船聯網監管端的設備監控節點可以在休漁季節對船載動力設備、導航設備以及捕撈設備進行遠程監測，甚至實施有選擇性的遠程強制控制，從而讓漁船不再出現“休漁季不休息”的違法亂紀行為。

2.4　海洋科研

海洋科研包括地質、海洋地球物理、海洋化學、海洋生物、海洋物理、海洋水聲等多個學科，海洋科考船能承擔海底地形和地貌、重力和磁力、地質和構造、綜合海洋環境、海洋工程以及深海技術裝備等方面的調查和試驗工作[43-46]。但由于科考船總體數量無法和中國分布在世界各大洋的漁船數量相比，采集數據與分析結論多為一定區域性的局部認知與推論。可以在大范圍分布的漁船作業之余,充分發揮中國的漁船數量優勢與地理分布優勢,充分挖掘漁船的潛在信息感知能力，為中國海洋科學研究提供更多的海洋基本環境要素數據。因此，漁業船聯網可以在眾多海洋科考領域發揮作用，這里僅舉例水文研究、海洋氣象研究和海洋生物資源研究等三個學科分析其船聯網相結合的可行性。

2.4.1水文研究

對海洋的各層級溫度、鹽度以及區域深度等水文數據進行有效采集，可以認識水環境演變中各種復雜的物理、化學、生物等過程的客觀變化規律[43-44]。這些基本的數據采集任務，漁船可以在作業過程中利用自身配置的傳感器設備進行不間斷的采集與存儲，并在合適的網絡條件下將數據傳輸至船聯網大數據中心實施科研共享。較之科考船，這些基本的數據來源更廣、分布更均勻、持續時間也更長，未來對海洋水文研究的貢獻不可小覷。

2.4.2海洋氣象研究

地球表面的絕大部分為海洋所覆蓋，而海洋環境又具有和陸地迥然不同的物理、化學性質，這就決定了海洋氣象學研究的重要地位，其與捕撈業、鹽業、海水養殖業、航運、海洋資源勘探、國防建設以及其他各種海上作業有著密切的關系[47]。據統計，20世紀70年代以來，每天可以從世界各大洋獲得9 000多組的實時天氣報告，但這種觀測在時間上是不連續的，在空間上是分布不均勻的，因此采集參數的時間連續性和空間分布均勻程度對氣象研究起著至關重要的作用，而基于漁業船聯網的大量傳感器節點可以有效解決上述問題，將海洋氣象研究所需數據及時匯總至大數據中心，為海洋氣象研究提供必要的基礎數據。

2.4.3海洋資源研究

地球上80%多的生物資源都在海洋里，海洋中的生物種類多、數量大，有69綱，20多萬種[48-49]。在不破壞水資源的條件下，每年海洋中最多可以提供30億t的水產品[49]。目前，人們利用海洋資源還比較局限和盲目，大量捕撈使海洋食物鏈發生變化，從而會使海洋生態關系發生變化。海洋生態的一些緩慢性變化能否及時地得到感知，需要大量的生態與資源數據進行跟蹤對比，僅僅靠離散的、局部的海洋水域環境跟蹤調查是無法準確還原真實的海洋生物鏈變化情況的[50]。漁業生產作業的主要目的是為了獲取海洋生物資源，漁業船舶分布廣、作業時間長，因此漁業生產作業過程中所獲取的信息對于海洋生物資源的研究具有重要的意義。可以利用漁業船聯網完成上述信息的采集、傳輸和處理過程，實現漁業相關信息服務于海洋資源研究的目的。

3　漁業船聯網需求分析

上述涉及到的漁業船聯網未來的各種應用場景對船聯網系統構建提出了多樣的需求，主要集中在以漁船為中心的信息采集類型的需求，船—岸、船—船、船—儀等不同通信能力的需求，船載數據中心和岸基數據中心存儲和處理能力的需求，及對系統信息安全的需求等幾個主要方面，具體詳見表1，這些需求是開展船聯網關鍵技術研究和系統設計的依據。

表1　 漁業船聯網應用場景需求分析

綜上，根據對漁業船聯網未來應用場景和各場景對信息采集、傳輸、存儲和處理能力的需求分析，可以總結漁業船聯網系統架構設計中需要滿足以下幾點需求。

(1)低成本通信的需求

通信的成本包括通信設備的費用、通信資費、通信設備運行和維護費用等。目前中國漁業還是薄弱行業，廣大漁民還屬于收入較低的人群，對通信成本的高低較為敏感。傳統衛星通信設備昂貴、資費偏高，限制了衛星通信在漁業中的應用，即便有部分船舶安裝衛星通信設備，也會限制船上人員的使用時長和頻次。漁業船聯網只有發揮其在漁業領域的作用，起到服務于漁業、服務于漁民的功能，才會被納入漁業生產作業環節中，才會被漁民所接受和使用，漁業船聯網其他的領域應用也才可能結合漁業應用實施。從漁民的角度來說，低成本通信是漁業船聯網在漁業輔助生產、漁業多媒體等漁業自身應用能夠開展的最迫切需求。

(2)穩定、可靠的無縫實時通信覆蓋的需求

漁業船聯網中應急救助、遠程故障診斷以及漁政監管等應用場景，對穩定、可靠的實時通信提出極大的需求，也對全球海域無縫的通信覆蓋有一定的需求。同時漁民語音通信應用場景對通信的時延提出了要求。穩定、可靠的無縫通信覆蓋的需求滿足是漁業船聯網能夠應用到遠洋漁船的前提條件。

(3)近岸和船—船寬帶通信的需求

通過對漁業船聯網場景分析可見實時通信的需求多為數據量小，要求穩定可靠傳輸的場景。如海洋科研相關的應用需要采集較多種類的信息，如圖像、視頻、聲學等信息數據量大，通過衛星傳輸，或是窄帶通信傳輸不現實，也沒有必要，會給單一通信系統帶來極大的容量壓力，甚至導致系統傳輸堵塞和崩潰。漁業船舶作業考慮到船上物資的補給和船舶的維護，會周期性回港，可以利用漁業作業的這一特性，發揮近岸或港內陸基無線寬帶通信的作用，完成對大數據量信息的回傳。

同時，在自動駕駛或聯合作業的應用場景，船與船之間需要低時延寬帶通信的支持。漁業船舶海上呈現離岸由近到遠的密度遞減的離散分布形態，也可以通過船與船之間的多跳通信完成與陸基寬帶系統的連接，實現陸基寬帶更大的海面覆蓋。因此，海上船—船之間的寬帶自組網系統成為漁業船聯網建設的一個重要需求。

(4)多元異構化漁業相關信息采集的需求

漁業船聯網應用場景呈現多樣化，這勢必需要對漁業相關信息有全面的獲取，包括：水質、水文、氣象、生物、漁船生產信息(船位、氣象、漁具、漁獲物、物資、人員以及重要設備運行參數等)、漁船進出港動態信息、漁業漁政管理信息等，這些信息存在較大的差異性，呈現異構化特點。多元異構化的漁業相關信息感知是漁業船聯網進行多樣化應用的基礎。

(5)大數據處理的需求

漁業船聯網感知信息和中間處理的數據規模龐大，數據級從250B增長到260B。數據包括大量的文本、圖像、視頻、音頻等非結構化數據。漁業船舶設備的運行狀態、漁政監管信息、應急減災信息等問題要求快速地對數據進行處理。漁業船聯網所產生數據的這些特性決定了采用常規數據處理方式無法完成多樣化應用的需求，必須進行基于大數據的數據處理、存儲、管理、分析，為后續多樣化的應用提供支撐。

4　漁業船聯網未來發展過程

漁業船聯網各種應用場景由于技術實現難度和需求迫切程度的不同，導致實現的時間也不相同，尤其是有些應用場景需要多種技術進行融合實現，如寬帶衛星技術、無線5G技術、大數據處理技術等，有些技術目前還不夠完善和成熟，船聯網需要結合這些技術的發展過程逐步實現，如圖2所示，其未來的發展必然呈現一個階段性的過程。

圖2　預期各應用場景實現時間和需求程度

5　結論

漁業船聯網作為一個具有一定探索性的新興概念，是智慧海洋、智能漁業的重要實現方式，在輔助漁業生產、漁業多媒體、漁業監管、海洋科研等場景應用會給相關行業帶來創新性的技術提升和巨大的益處。同時，這些多樣化的應用場景對整個系統信息采集和處理、通信、數據存儲和處理、信息安全等關鍵技術提出了不同的需求。通過分析，明確了船聯網各種場景未來應用的可行性，進而分析了滿足不同場景應用在系統設計上的需求，為下一步展開船聯網關鍵技術研究和系統方案設計打下基礎。

□