王 劍 胡潤宇 劉心銘 鄒玉瑩 戴榕泓

海洋生物生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)
——基于海洋動物行為學(xué)的白海豚引導(dǎo)案例

王 劍 胡潤宇 劉心銘 鄒玉瑩 戴榕泓

海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)通過模擬水域生物發(fā)出的聲波去引導(dǎo)有益水生生物進入安全水域（如：鯨類、海獅因迷航而擱淺、白海豚因迷航死于高速輪船撞擊），驅(qū)趕有害生物進入人類活動水域（如：鯊魚、虎鯨進入休閑沙灘海域），降低水域生物受人類活動的干擾，保護海域生物，從而實現(xiàn)海洋生態(tài)平衡和保護。該系統(tǒng)以對聲波定位、交流為主的白海豚研究為突破口，研究白海豚交流聲波“語言”及白海豚天敵虎鯨的聲波，利用海洋生物學(xué)、仿生學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科，通過研發(fā)出由超聲波接收器、超聲波發(fā)聲器、基于美國儀器公司開發(fā)的NI數(shù)據(jù)采集卡的聲音處理器、LabVIEW軟件處理系統(tǒng)組成的一套基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)。

選題背景

由于人類活動對海洋的干擾，海洋生態(tài)環(huán)境受到了一定程度的破壞。主要有以下幾點，其中高速輪船造成海洋動物死傷占18％到20％，見圖1。

圖1 損害海洋生物的因素

利用超聲波避障和捕食的動物特別容易受到人類活動的影響，包括白海豚、鯨類、鯊魚等。其中白海豚和鯨類會被來往船只的螺旋槳擊中或因信號干擾而擱淺，鯊魚會誤入人類的活動范圍并襲擊人類。

（一）白海豚

中華白海豚（Sousa Chinesis Dsbeck） 是中國海洋鯨豚中唯一的國家一級保護動物，1988年被列入《中華人民共和國重點保護野生動物名錄》，同時也被列入瀕危野生動物國際貿(mào)易公約，禁止一切相關(guān)的貿(mào)易活動。

目前世界白海豚分布如圖2、圖3所示。

圖2 全球白海豚分布

圖3 中國白海豚分布

由于白海豚的繁殖率、生存率低及人類活動干擾，白海豚的數(shù)量極少并呈下降趨勢。以香港為例，海豚保護協(xié)會會長洪家耀說：“在過去數(shù)年我們見證了海豚數(shù)量的急劇下降—2003年有158只，到2012年只有61只。”見圖4。

（二）鯨類

鯨魚是國家二級保護動物。然而，在過去100多年中，商業(yè)捕鯨幾乎造成鯨的滅絕，1920年時世界上還有25萬頭藍鯨和60萬頭長須鯨，2006年時只剩當(dāng)時的4％和8％，見圖5。

除了商業(yè)捕殺帶來的危害，鯨魚擱淺也是導(dǎo)致鯨魚死亡的重要原因。人們自古以來便發(fā)現(xiàn)鯨魚“集體自殺”見圖6。

圖4 香港海豚數(shù)量變化

圖5 鯨魚數(shù)量變化

圖6 歷史鯨魚死亡事件

（三）鯊魚

全世界每年約有100起鯊魚攻擊人類事件發(fā)生。約25％是致命的，多死于出血和休克，見圖7。

圖7 鯊魚攻擊人類致命率

因為白海豚對超聲波最為敏感，而且在廣東有中華白海豚保護區(qū)，我們選擇以白海豚為案例作為研究。

海洋生態(tài)引導(dǎo)概念構(gòu)想

通過模擬水域生物發(fā)出的聲波，海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)可以引導(dǎo)有益水生生物進入安全水域（如：鯨類、海獅因迷航而擱淺、白海豚因迷航死于高速輪船撞擊），驅(qū)趕有害生物進入人類活動水域（如：鯊魚、虎鯨進入休閑沙灘海域）。

圖8 海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)（途中圓點表示）可部署于海岸沿線以防止白海豚、鯨魚等出現(xiàn)擱淺現(xiàn)象

圖9 珠江口中華白海豚自然保護區(qū)的具體保護方案（帶有探測系統(tǒng)的浮標）將布置于河口兩岸以及狹小區(qū)域，而驅(qū)趕系統(tǒng)主要分布在淇澳島和內(nèi)伶仃岸邊，對于離岸過近、又危險的白海豚進行引導(dǎo)

（一）應(yīng)用與部署

海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)可部署于海岸沿線，對防止白海豚、鯨類等生物的擱淺現(xiàn)象有一定作用。同時，該技術(shù)也可被應(yīng)用于游客密集的海灘，防止具有攻擊性的海洋生物如鯊魚等闖入引發(fā)人員傷亡。對于洋面較為開闊的區(qū)域，這一系統(tǒng)則可被應(yīng)用于驅(qū)趕誤入漁場或網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域的白海豚，通過在養(yǎng)殖區(qū)域四周以及作業(yè)漁船上部署該系統(tǒng)，防止?jié)O船誤傷白海豚。

圖10 單作業(yè)系統(tǒng)之間可以通過標準無線電信號、GSM網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)互相通信、形成覆蓋面極廣的物聯(lián)網(wǎng)

（二）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

當(dāng)部署在海岸沿線以及船只上的系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)形成分布式網(wǎng)絡(luò)后，由系統(tǒng)采集的各種信息都能被匯總到分布式網(wǎng)絡(luò)的云端數(shù)據(jù)庫上，因此可以提高該套系統(tǒng)的全局可控性，穩(wěn)定性和易操作性?？刂迫藛T可以通過如手機等的各類聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，隨時隨地對系統(tǒng)進行管理，接收系統(tǒng)相關(guān)信息，大大減少了管理系統(tǒng)所需的人力資源和管理人員的工作復(fù)雜度，起到以點成線，以點成面的大局化效果，真正意義上實現(xiàn)系統(tǒng)的自動，智能和高效。

（三）與GIS系統(tǒng)的交叉應(yīng)用

GIS（地理信息系統(tǒng)）匯總了全國各地的相關(guān)地理信息和實時氣象信息以及基本水文信息，通過與GIS系統(tǒng)的交疊，海洋生物生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)可以在很大程度上適應(yīng)每一套系統(tǒng)所部署地區(qū)的具體地理環(huán)境，并實施規(guī)避自然災(zāi)害和其他風(fēng)險。同時，作為對GIS系統(tǒng)的補充與延伸，系統(tǒng)可基于自身攜帶的水文檢測設(shè)備實時監(jiān)測當(dāng)?shù)氐乃臓顩r，并將其發(fā)送給GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，達到兩者相輔相成的目的。

（四）以白海豚為例的應(yīng)用效果示意圖

圖11

圖12 海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)的效果模擬：系統(tǒng)能在收到白海豚發(fā)出的超聲波之后發(fā)射相應(yīng)的聲波對其進行引導(dǎo)

海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運用

該系統(tǒng)以對聲波定位、交流為主的白海豚研究為突破口，研究白海豚交流聲波“語言”及白海豚天敵虎鯨的聲波，利用海洋生物學(xué)、仿生學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科，通過研發(fā)出由超聲波接收器、超聲波發(fā)聲器、基于美國儀器公司開發(fā)的NI數(shù)據(jù)采集卡的聲音處理器、LabVIEW軟件處理系統(tǒng)組成的一套基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)。

圖13 單作業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 操作軟件界面：顯示所測海洋生物的經(jīng)緯度及種類、海水溫度、接收的波形及FFT信號

圖15 距離測算，水中音速計算部分C語言代碼實現(xiàn)

圖16 動態(tài)功率調(diào)整部分C語言代碼實現(xiàn)

（一）單作業(yè)系統(tǒng)

單作業(yè)系統(tǒng)包括超聲波接收器、超聲波發(fā)聲器、基于NI數(shù)據(jù)采集卡的聲音處理器、LabVIEW軟件處理系統(tǒng)，主要實現(xiàn)探測信息、顯示當(dāng)前狀態(tài)、輸出驅(qū)趕信息等功能。采集聲波并確定經(jīng)緯度后，電機驅(qū)動器控制步進電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，并同時發(fā)射聲波。軟件界面能顯示所測海洋生物的經(jīng)緯度、海水溫度、接發(fā)的聲波類型及其FFT信號。

（二）操作軟件界面圖

（三）計算代碼

以白海豚為例研究具有導(dǎo)向性的海洋生態(tài)系統(tǒng)

海洋中會發(fā)聲的動物有無脊椎動物、軟體動物、魚類和哺乳動物等。有些哺乳動物，例如大部分齒鯨類，都具有回聲定位的功能，起著通訊的作用。由于白海豚為國家一級保護動物，瀕臨滅絕，該項目以白海豚為例，研究具有發(fā)生功能及回聲定位系統(tǒng)的導(dǎo)向型海洋生態(tài)系統(tǒng)。

（一）白海豚的定位系統(tǒng)

中華白海豚位于頭部兩側(cè)的眼睛較小、視力較差，其辨別物體的位置和方向主要靠回聲定位系統(tǒng)。海豚頭上的額隆，起著聲透鏡的作用，把接收的聲波變成狹窄的聲束，海豚根據(jù)水中物體對自己叫聲的反射聲，判斷物體的方位和距離。

與白海豚相似，鯨魚、鯊魚等海洋生物也有類似的超聲波定位系統(tǒng)，因此可以通過發(fā)射超聲波進行信號傳遞相應(yīng)的信息：如驅(qū)逐對生態(tài)系統(tǒng)有危害的物種、避免海豚等生物擱淺、指引海洋生物趨向食物水質(zhì)等適宜的海洋環(huán)境。

（二）在保護區(qū)監(jiān)測的白海豚數(shù)據(jù)

圖17 白海豚頭部結(jié)構(gòu)縱向切面圖A—氣孔；B—鼻通道；C—前庭囊；D—前頜骨囊；E—鼻栓區(qū)；F—額??；G—鼻孔骨；H—喉；I—舌；J—上腭；K—下顎

圖18 白海豚基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖19 白海豚基本結(jié)構(gòu)示意圖

海洋生態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用前景

由于系統(tǒng)的原理是通過超聲波向具有這一聽力范圍的生物發(fā)送其天敵信號，因此該系統(tǒng)在稍作改良后，即可對鯨類、大部分海豚種群以及較為罕見的海獅等動物適用。如此一來，系統(tǒng)在單純防止白海豚遭受誤傷的同時，也可以有效應(yīng)對鯨類、海獅擱淺、迷航等的狀況，應(yīng)用廣度大幅提升。

如果能將系統(tǒng)做跨平臺拓展，將其水文、天氣模塊進行功能上的加強，并與當(dāng)?shù)睾竭\系統(tǒng)、漁業(yè)系統(tǒng)的調(diào)度平臺鏈接，提供實時的氣象水文信息，并基于人工智能進行相應(yīng)分析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的、適于用戶查看的數(shù)據(jù)形式，并通過系統(tǒng)自身具有一定算力的中央處理系統(tǒng)進行分布式聯(lián)網(wǎng)，動態(tài)監(jiān)測如我國整個東南沿海的水文、氣象、大型鯨類、海豚的活動狀況，無疑會大有裨益，使系統(tǒng)在功能上更為多元，更為精簡和高效。

王 劍 胡潤宇 劉心銘 鄒玉瑩 戴榕泓

廣東實驗中學(xué)

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.006