团体标准《南极磷虾桁杆拖网智能控制接口及编码规范》编制说明

团体标准《南极磷虾桁杆拖网智能控制接口及编码规

范》编制说明

一、工作简况

（一）任务来源

南极磷虾(Euphausiasuperba)资源丰富，约在6.5-10.0亿吨间，被誉为“人

类未来的动物蛋白库”。其年捕获量可达1亿吨，是海洋渔业资源的重要组成部

分，富含矿物质、蛋白质以及多种不饱和脂肪酸等营养成分，酶类、甲壳素和虾

青素等活性物质，对人体有着良好的保健功能与极高的营养价值，因此南极磷虾

被视为重要的战略资源和最具开发潜力的海洋生物资源之一，开发潜力巨大，已

成为全球渔业大国渔业资源博弈的焦点。

南极磷虾采用桁杆拖网方式作业捕捞，通过调整曳纲长度可以调节网口作业

深度，近年来普遍采用连续泵吸的渔获收取方式。在采取连续泵吸的方式后，由

于有泵吸机械和泵吸管道、动力管道的存在，使得曳纲长度的调整出现了难度，

因而导致网具的作业深度调整不便，影响了捕捞产量。为解决这个问题，提出了

动力桁杆的技术，该技术通过在桁杆上安装角度可调的升降板，在网具作业时获

取一定的向上或向下的力，从而在不改变曳纲长度的情况下改变网口的作业深度。

为达到按需求改变网口作业深度的目的，需要将设定的作业深度和升降板角

度发送到桁杆端的执行机构，并且执行机构也需要定时将网口目前所在深度和升

降板的角度信息发送到船载计算机，以便精确控制桁杆运动状态。

由于南极海洋生物资源养护委员会（CommissionfortheConservationof

AntarcticMarineLivingResources，CCAMLR）规定捕捞船和网具之间不能通

过电缆连接，同时由于网具处于水面之下，也不能通过无线电波的方式进行信息

传输，因此信息只能通过水声通讯方式进行传输。由于水声通讯信息传输速度慢，

如采用现有的数据传输标准，由于数据结构比较复杂，数据冗余量大，传输指令

长度增大，将导致通讯时间过长，影响对桁杆的控制精度，使网口深度控制精度

降低。

本文件基于国家重点研发计划“大洋低营养级生物连续捕捞与船载加工智

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能化装备研发”（2019YFD0901501）项目支持，通过前期文献查阅，设计了数据

编码方式，制定了桁杆拖网智能控制接口及编码规范规程，可为后续桁杆拖网的

控制数据传输提供标准和依据，是推进桁杆拖网智能控制的通用性的重要依据和

基础。

（二）协作单位

本文件由中国水产科学研究院东海海水产研究所、上海开创远洋渔业有限公

司、江苏深蓝远洋渔业有限公司，常熟卓拓机电有限公司协作共同完成。

（三）主要工作过程

中国水产科学研究院东海水产研究所以国家重点研发计划“大洋低营养级

生物连续捕捞与船载加工智能化装备研发”（2019YFD0901501）研究建立基础，

组织4家科研院所、生产企业等专业队伍，具备制定、修订和审查相关标准的专

业技术人员，从事本标准起草工作。起草小组收集相关国家标准和行业标准等，

系统分析了水下数据传输、桁杆拖网控制参数、控制系统时序等特征参数，调研

了目前水声通讯现状，分析影响控制桁杆精度的主要因素，通过模拟和现场试验

获取了实测数据信息。

（四）标准主要起草单位及任务分工

中国水产科学研究院东海海水产研究所、上海开创远洋渔业有限公司、江苏

深蓝远洋渔业有限公司，常熟卓拓机电有限公司。标准起草人为：戴阳，王鲁民，

张胜茂，王永进，王书献，姚宇青，杨胜龙，张衡，韦波，伦基铭，杨昱皞，陈

帅。标准起草小组人员具体分工见表1。

表1本标准主要起草人及任务分工

姓名所在单位承担的工作

中国水产科学研究院东海水制定标准研究方案，收集资料、企业调

戴阳

产研究所研、标准文本、编制说明起草

中国水产科学研究院东海水

王鲁民标准编写总体指导工作

产研究所

中国水产科学研究院东海水参加调研以及相关技术参数的验证工

张胜茂

产研究所作

中国水产科学研究院东海水

王永进参加相关技术参数的验证工作

产研究所

中国水产科学研究院东海水

王书献参加编码设计和参数验证工作

产研究所

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中国水产科学研究院东海水

姚宇青参加编码设计和资料整理和分析

产研究所

中国水产科学研究院东海水

杨胜龙编码参数验证和标准起草工作

产研究所

中国水产科学研究院东海水

张衡资料收集和标准起草工作

产研究所

中国水产科学研究院东海水

韦波收集资料、企业调研、标准起草工作

产研究所

伦基铭常熟卓拓机电有限公司收集资料、企业调研、标准起草工作

中国水产科学研究院东海水

杨昱皞实验验证和资料整理

产研究所

中国水产科学研究院东海水

陈帅收集资料和编码设计工作

产研究所

二、标准编制原则和标准主要内容

（一）本标准的编制原则

本标准为桁杆拖网智能控制接口及编码规范，基于产业需求与市场应用等角

度考虑，在编制过程中坚持通用性原则、科学性原则、实用性原则及兼容性原则，

以确定统一的数据接口标准，为以后设备的互联互通提供依据。

（二）标准主要内容

本文件主要包括通讯接口及数据编码两个部分，构建桁杆拖网对动力桁杆控

制部分的数据传输标准，充分考虑与通用标准以及与相关标准相协调，对主要技

术指标进行汇总、试验、验证和评价后形成本标准的送审稿。说明如下：

1、范围

本文件规定了对南极磷虾桁杆拖网进行智能控制所需传输数据接口的电气

规范和数据编码规范。

本文件适用于南极磷虾捕捞采用的动力桁杆拖网的智能控制信息传输，也可

用于其他渔业捕捞的动力桁杆拖网。

2、主要技术内容

2.1电气接口规范

①桁杆拖网控制通讯模块框架：包括船载端计算机、与船载端计算机相连接

的水声调制解调器、桁杆端控制器、与桁杆端控制器相连接的水声调制解调器四

个部分组成。

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②桁杆拖网控制供电电气参数定义：规定了对系统提供电力的供电电源接口

参数。

③通讯电气参数定义：规定了对计算机或控制器与水声调制解调器之间通讯

接口电气参数，应符合TIA/EIA-485-A标准。

④电气连接接头参数定义：规定了电气连接接头的电气要求和防水耐压要求。

2.2数据编码要求

①数据类型：规定了数据基本类型和系统包含的数据种类及其数据类型，数

据种类包括：数据头、校验值、深度、角度、距离、电压、状态标志位等。

②数据编码规范：数据的编码组织形式，数据总体上包括数据头，数据体和

数据校验值三个部分，数据头表示数据的类型，校验值为数据体的异或校验。

主要包括以下几种数据编码方式：

（1）下行桁杆控制指令：

名称数据类型数据长度示例说明

数据头unsignedshort8bit0x240x24标识为下

行数据

角度unsignedshort8bit0x0D设定角度

深度unsignedshort8bit0x20预设深度

校验unsignedshort8bit0x2D异或校验

（2）下行状态设置指令：

名称数据类型数据长度示例说明

数据头unsignedshort8bit0x240x24标识为下

行数据

标志字unsignedshort8bit0xFF0xFF表示为状

态设置指令

时间间隔unsignedshort8bit0x08桁杆端定时上传

的时间间隔

校验unsignedshort8bit0xF7异或校验

（3）下行距离查询指令：

名称数据类型数据长度示例说明

数据头unsignedshort8bit0x220x22标识为距

离查询

查询编码高位unsignedshort8bit0x01固定值0x01

查询编码低位unsignedshort8bit0x02固定值0x02

校验unsignedshort8bit0x03异或校验

（4）桁杆定时上传数据：

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名称数据类型数据长度示例说明

数据头unsignedshort8bit0x230x23标识为上

行数据

角度unsignedshort8bit0x0D当前角度

深度unsignedshort8bit0x20当前深度

桁杆机构状态unsignedshort8bit0xB1当前机构状态

校验unsignedshort8bit0x9C异或校验

（5）桁杆应答数据：

桁杆端接收到船载端的指令后，需要立即将该指令原样回发给船载端，以便

船载端确认发出的指令已被接收，并用应答数据检验指令在传输过程中是否产生

错误。

（6）应答距离数据：

名称数据类型数据长度示例说明

数据头unsignedshort8bit0x220x22标识为距

离查询

距离高字节unsignedshort8bit0x00实测值

距离低字节unsignedshort8bit0x65实测值

校验unsignedshort8bit0x65异或校验

三、主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果

（一）主要试验（或验证）的分析、综合报告

（1）课题组前期通过知网空间、中国知网、百链、百度学术、水科院图书

馆、Pubmed—NCBI、Webofscience、Sciencedirect等学术网站以及国际标

准化组织、国家标准、行业标准、团体标准的网站进行检索查询，完成了水声通

讯、桁杆拖网作业方式、拖网作业参数等信息的收集归纳，并通过与课题组内部

同事交流讨论。确定了桁杆拖网的主要技术参数及动力桁杆的控制方案，结合目

前水声调制解调器的技术现状及现有设备的基本技术指标，开展了对电气接口的

规范制定和信息传输编码方案的设计。

（2）课题组分别于2021年6月、8月和9月开展了三次数据传输模拟实验。

其中2021年6月的实验采用无线模块进行数据传输，主要验证了编码方案的可

行性和传输过程中的稳定性；2021年8月采用水声调制解调器作为数据通讯系

统，主要模拟编码水声通讯条件下的稳定性和通讯时序的验证；2021年9月通

过连接动力桁杆模型，对动力桁杆进行了控制和信息采集实验，并通过修改编码

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方案，提高了对角度的控制精度。以上实验均取得或在修订参数后取得了成功，

为标准草案的撰写提供支撑。

（二）技术经济论证及预期经济效益

1、技术经济论证

本标准在电气接口方面采用市场接受程度高的常规标准进行统一规范，既有

利于市场接收，又可以统一接口标准，有利于不同设备之间的互换。在数据编码

上，考虑了水声通讯低速率的特点，尽量简化编码，缩短编码长度，减少通讯耗

时，采用简单的异或校验，既有一定的防错能力，又很少增加计算负担，可以降

低对桁杆端计算能力的需求，简化设备投入。从技术上，研究单位和一般机电类

企业的均可实现，具有较低的技术门槛，能够吸引足够多的企业参与，有利益降

低经济成本。

2、预期经济效果

制定本标准是确保动力桁杆拖网的智能控制部分的通用性，避免企业重复投

入。可以发挥不同企业的技术优势，集中精力在自己擅长的领域进行开发，开发

后的产品通过本标准进行组合，即可实现对动力桁杆拖网的控制和数据采集。由

于可以调节网口作业深度，通过分析声呐数据可以获取磷虾最丰深度数值，根据

该数值可以优化设计桁杆运动路径，从而使拖网网口瞄准磷虾密度最大的深度开

展作业，将提高磷虾的捕捞产量。据模拟测算，目前的路径规划算法可以提高近

10%的捕捞产量，项目具有较好的预期经济效益。

四、采用国际标准和国外先进标准的程度，以及与国际、国外同类标准水平的

对比情况，或与测试的国外样品有关数据的对比情况。

水声通讯是海洋中无线信息传输的主要技术手段。由于水声通信信道存在带

宽窄、传播速度慢、频率选择性衰落、噪声大等缺点，如何针对水声信道的特点

采取高性能、可实现的通信算法是水声通信领域的关键问题。物理层主要是解决

利用信道进行点对点的可靠通讯问题，这部分由专业的人员实现，我们通过购买

商用水声调制解调器来完成。在协议层，主要是通过设计适合的数据编码规则和

通讯协议，实现数据的正确传输。由于水声通讯相对于无线电通讯具有速度低、

传输距离近、设备复杂昂贵等特点，一般用于由于条件限制不能使用无线通讯场

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景如海洋环境监测、水下航行器等方面。目前，用在渔业生产上的主要是拖网网

位仪，该仪器主要是将安装在拖网上传感器的数据传输到船上。这个系统不涉及

到实时控制，对数据的实时性和正确率要求都不是很高。南极磷虾桁杆拖网智能

控制系统需要通过信息在桁杆和拖船之间双向传输才能实现智能控制，因此对信

息传输的实时性和数据正确率要求都很高。为此，数据的编码需要短小精悍，减

少冗余，以提高实时性，还需要具有一定的校验能力，以免传输中的错误导致系

统误动作。同时还需要设计适当的数据交互格式，以提高通讯效率。从这个角度

上说，南极磷虾桁杆拖网智能控制系统的水声通讯部分的协议层比现在使用的网

位仪通讯协议更加复杂和先进。

目前，南极磷虾桁杆拖网采用的动力桁杆拖网技术为国家重点研发计划“大

洋低营养级生物连续捕捞与船载加工智能化装备研发”（2019YFD0901501）中首

次提出，《南极磷虾拖网变水层调节桁杆结构（PCT/CN2020/110201）》已通过

PCT国际检索，符合申请PCT的标准，说明在国际上，这种桁杆拖网网口的升降

调节方式是首创的，因此这种调节方式控制信息的编码方案也具有首创性，本文

件也为创新性的编码规范。目前国内和国际没有同类标准可以对比测试。

五、与有关的现行法律、法规和强制性标准的关系。

本标准符