随着海洋生物资源日益衰退、海洋经济亟待转型升级以及消费者对高质量动物蛋白需求日益增长,以统筹海洋产业升级与维护海洋生态平衡为目标的海洋牧场建设应运而生。国家领导人指示:我们要关心海洋、认识海洋、经略海洋。早在2017年,“中央一号文件”就开始聚焦海洋牧场建设,明确要求“发展现代化海洋牧场”,“加强海洋牧场科技研发”。

图1海洋牧场

　　何为海洋牧场

　　海洋牧场是指在一定海域内,基于海洋生态学、信息学、工程学等原理,利用互联网、物联网、人工智能、现代工程等技术,将人工放流的经济海洋生物聚集在自然的海洋生态环境中,像在陆地放牧牛羊一样,对鱼、虾、贝、藻等海洋资源进行有计划和有目的的海上放养,为实现生态修复与生物资源增殖而建设的人工渔场。

　　广阔的市场需求

　　随着经济的快速发展,中国居民的消费趋势已从最初的满足温饱向营养、健康消费转变,对绿色优质水产品的需求不断增加,消费水平日益提高。以城镇居民为例,从1981年到2021年,人均水产品消费量从7.26kg增长到14.20kg,随着全国人口持续增长,需求量将进一步增加。海洋牧场可以对养殖生物实现规模化、生态化、智能化管理,在增加产量的同时,有效提高产品质量,既满足了国民对水产品“量”的需求,又有助于满足“质”的需求。

图2 市场需求

　　农业农村部渔业渔政局资环处处长郭睿指出:目前我国已建成海洋牧场233个,投放鱼礁超过6094万空立方,专家评估生态效益超过600亿元。随着“一带多区”(近海和黄渤海区、东海区、南海区)海洋牧场的建设,计划到2025年,在全国创建178个国家级海洋牧场示范区;到2035年,基本实现海洋渔业现代化。

　　统计数据表明:2019年,中国海洋牧场行业营收同比增长率约为18.49%。从近几年的走势来看,行业的增速保持在15%以上,行业增长较快,有较强的发展能力。

　　海洋牧场的痛点问题

　　海洋资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化等问题严重制约着海洋牧场的发展。中央政治局常委汪洋到山东莱州视察海洋牧场时提出了四个振聋发聩的问题:我国海域还能不能发展水产养殖?能养多少?在哪里养?怎么养?

　　紧迫的现实需求要求我国的科技工作者突破制约海洋经济发展和海洋生态保护的科技瓶颈,提升海洋牧场装备信息化、智能化和国产化的程度,通过建设海洋智能生态牧场,打造环境和生态和谐的海洋农业新业态,让人民群众吃上绿色、安全、放心、高品质的海产品,享受到碧海蓝天、洁净沙滩。

　　为了实现美好的愿景,我们亟需在技术和设备上解决两个痛点问题:

图3市场痛点

　　(1)鱼群的行为控制。现阶段的海洋牧场主要采用人工方法实现简单的鱼类食性驯化,这种方式需要持久性的人力投入,而且自动化程度不高、效果差强人意。只有攻克鱼群行为的驯化与控制技术,才能在育苗、养鱼、捕获等过程降低养殖成本,增加经济效益。

　　(2)我国在海洋装备研制方面的短板明显,尤其是高端装备依赖国外进口,受制于人。海洋牧场建设要想真正实现自动化、机械化、智能化,必须走独立自主道路,提升国产化设备的核心竞争力。

　　破局之道

　　为了解决市场痛点,“海洋牧羊犬”仿生机器鱼王应运而生,除了真假难辨的仿生外形,它还拥有一个重要的仿生智能技术:广域开放式环境下的鱼群行为控制技术。鱼群行为控制技术是指仿生机器鱼,基于真实鱼类的生物学习性和生物行为特征,在鱼群充当“鱼王”角色,对鱼群进行驯化、诱集、拦截、驱赶等,以控制鱼群的资源密度与空间分布,实现鱼类种群的可持续性发展。

　　近年来,通过观察和研究,人们已经发现鱼群内存在自组织性,而且这一特性符合Boid群集模型的描述。而且,鱼群中存在“头鱼效应”,即鱼群可受一至多个“头鱼”领导,朝指定方向游动或形成特定队形。此外,包括“领导-跟随”控制、“软控制”等在内的研究也表明了人工控制领导者对集群施加领导和干预的可行性。

　　仿生机器鱼王是利用海洋生物群集运动现象的自组织机制以及个体行为与群体动态的关系,预测、干预甚至控制海洋生物的群集运动,综合机电、材料、流体力学、控制、能源、生物、通讯等学科研制的一类智能仿生机器人。它不仅可以实现鱼群行为的驯化,也可以作为一个海洋监测平台,实现对鱼情、气象、海洋环境等信息的实时监测,是一只称职尽责的“海洋牧羊犬”。

　　应用场景

　　作为一种高效智能的渔业生产装备,“海洋牧羊犬”仿生鱼王因其独有的生物驱动与鱼群控制技术,为海洋牧场的商业开发赋予了更广袤的空间。传统的粗放式捕捞养殖将让位于高质量发展,过去的“海上狩猎”将变成“耕海牧渔”。

　　仿生鱼王的核心竞争力是独特的鱼群行为控制技术,其不仅可用于海洋牧场建设,大大减少增殖放流鱼苗的流失,有利于鱼类的行为控制、管理和回捕,也适用于中、大型湖泊和水库的鱼类养殖,具有广泛的应用范围和良好的应用前景。不仅如此,仿生鱼王也可以作为休闲渔业的配套设施,尤其是养殖垂钓型的休闲渔业,可在小范围内聚集大量目标鱼种,增加钓客的垂钓兴致,极大地丰富休闲渔业的经营项目,提高休闲渔业的经济和社会效益。

图4应用场景

　　应用场景包括但不局限于:

　　场景1:仿生头鱼通过生物驱动技术诱集野生鱼群进入海洋牧场,实现野生和养殖种群间的杂交育种,以获得抗病能力强、成活率高、养殖产量高、遗传稳定的改良品种。

　　场景2:收获季节,鱼群在鱼王的带领下游到捕捞区域,带领鱼群“自投罗网”,实现高效可持续捕鱼。

　　场景3:休闲观光随着休闲渔业的兴起而出现,是海洋牧场管理开发的一项新兴产业。控制大厅中360度环绕的液晶屏幕上,海洋牧场里成群的鱼儿在仿生鱼王的“放牧”下做观赏性表演。

　　场景4:若干仿生鱼王以分布式的物联网方式进行组网监测,通过携带监测海洋浮游生物、叶绿素a等海洋生化要素的新型传感器,实时监测海洋生态环境以及养殖水体、鱼饵总量、鱼总量等养殖参数,实现低成本、大面积、高空间密度的海洋监测与生产力评估手段。

　　后记

　　在当前海洋经济产业转型升级的背景下,“海洋牧羊犬”仿生鱼王是修复海洋资源、改善海洋生态环境、实现海洋经济产业升级的一把金钥匙。在“海洋牧羊犬”的带领下,鱼群组织有序地徜徉在蔚蓝大海,唱响人与自然和谐共处的“海上田园牧歌”。

　　(作者:航天三院水下装备总体部刘洲阳)