一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法与流程

本发明涉及极地渔业、船舶能耗和碳足迹评估以及捕捞路径优化策略等综合应用，特别是涉及一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法。

背景技术：

1、在全球“双碳”战略推进与极地生态保护需求升级的背景下，极地远洋渔船碳排放评估与降碳路径成为亟待解决的重要目标。磷虾作为地球上尚未得到充分开发利用的珍贵渔业资源，堪称一座蕴藏着优质动物蛋白的蓝色食物宝库和极地海洋生态系统碳封存生物库。有研究表明，磷虾种群每年通过粪便颗粒封存的碳达2000万吨。同时，磷虾渔业捕捞活动每年产生的二氧化碳排放量约18~20万吨，是南极海域重要的碳排放源之一。但考虑到磷虾渔业年产量高达45~62万吨，其单位磷虾产量的二氧化碳排放量很低，相比牛、羊饲养以及对虾养殖来说，每吨产量产生的二氧化碳排放量分别低90%和60%以上，属于典型的低碳渔业。然而，由于不同磷虾船的捕捞天数、船舶吨位数和油耗情况、捕捞产量等均存在较大差异，且每年的磷虾资源受各种因素影响，整个磷虾渔业的捕捞情况和碳排放量每年均有变化。如何估算整个磷虾船队的碳排放量尚无文献报道过；如何去构建一套智能捕捞路径和降碳策略，对于实现低碳目标的磷虾渔业和绿色生态转型具有较高的现实和生态意义。因此，有必要尽快推进磷虾渔业碳排放量核算理论模型，并提出具体的降碳可行性路径方法和优化策略。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，解决现有技术无法核算整个磷虾船队碳排放、缺少降碳捕捞策略的问题，一方面实现磷虾渔业整体碳排放评估与时空分布解析，另一方面借助强化学习智能规划捕捞路径，在保障捕捞产量前提下降低燃油消耗与碳排放，支撑磷虾渔业绿色低碳转型。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，具体包括如下步骤：

4、（1）首先收集和整理南极磷虾渔业所有渔船的船名、总吨位、主机功率和渔船船位以及年产量数据，同时从南极海洋生物资源养护委员会ccamlr网站下载各个渔区和各个捕捞方的捕捞年产量，建立一套磷虾捕捞船渔业生产情况数据库；

5、（2）以中国磷虾捕捞船为案例进行不同吨位船的日油耗量测算模型，同时考虑磷虾加工产品差异导致的日油耗量差异，拟合不同船舶类型、不同船舶状态和日油耗量的经验算法；

6、（3）结合日或年捕捞量以及磷虾产品情况计算各个磷虾船进一步计算每年整个磷虾船队的油耗量变化情况和差异，优化经验算法模型；同时结合各个船舶状态时长来核算各个船舶的日油耗量和日二氧化碳排放量；

7、（4）绘制各个渔季磷虾渔业二氧化碳排放量的月变化和不同亚区间二氧化碳排放量的空间变化特征图，实现整个磷虾渔场区域的碳排放量总体分布的可视化专题图；

8、（5）基于深度q网络（deep q network, dqn），采用基于深度学习的渔场预报模型结果结合当前环境状态实时强化学习来决策最优路径，实现智能化规划捕捞路线。

9、作为优选实施例，所述步骤（1）中的南极磷虾渔业所有渔船的船名、总吨位、主机功率和渔船船位以及年产量数据，通过各种资料、文献、ccamlr网站下载和豆包ai等渠道获取；所述船位数据来自自动识别系统（automatic identification system, ais）等定位数据，船位分辨率5~10分钟1个船位点。

10、作为优选实施例，所述步骤（2）中的中国磷虾船船舶参数覆盖了世界上所有磷虾船队的船舶类型，可通过或进行国外船舶航行状态时的日油耗量（yi）的类比拟合估算（图2），所述估算公式为：

11、，

12、世界上每年磷虾捕捞船数为8~13艘，磷虾船总吨位范围为2455~16000吨。

13、作为优选实施例，所述步骤（3）中的不同磷虾船的日捕捞量不同，捕捞量越高对应的油耗也较高，按经验算法为磷虾日产量每增加100吨则日油耗量约增加2.2~2.6吨。

14、作为优选实施例，所述步骤（3）中在同等产量下，以冻虾为加工产品的磷虾船日加工油耗量较以磷虾粉产品的约低5~15吨，在综合考虑磷虾船不同吨位、不同捕捞量和不同加工方式等情况下，某船的日油耗量，其中，a为2.2~2.6中任一常数。

15、优选优选实施例，所述步骤（4）中的磷虾船日二氧化碳总排放量计算公式为3.1605，采用arcgis10.0绘图软件可绘制出整个磷虾渔业的二氧化碳月总排放量和空间排放量图。

16、作为优选实施例，所述步骤（5）中的自定义深度q网络算法的状态（s，海洋环境数据特征如海温、盐度、洋流）、动作（a，渔场位置集合，经度和纬度）和奖励函数（，以捕捞量和预测精度为核心），设计多目标奖励r（s,a），其公式为：

17、，

18、式中，λ1和λ2为系数，rcatch为单位状态下渔获量（吨），rpred为预测和真实值的误差范围。

19、作为优选实施例，所述步骤（5）中通过与适宜海洋环境特征场、规避海冰密集度和sst高值区、渔捞电子日志数据的交互来学习最优策略形成多目标奖励r（s,a）值。

20、作为优选实施例，所述步骤（5）中通过不断地与背景环境交互，深度q网络通过优化r（s,a）值来最大化累积奖励实现智能规划捕捞路径，从而降低盲目探测渔场路程，节约燃油量，达到降低碳排放量的目标。

21、作为优选实施例，所述步骤（5）中以高产量与预测精度，时间和空间两个维度，为核心的多目标奖励函数，融合实时海况信息（极端水温和海冰等）、渔场动态迁移规律及船舶能耗特征（基于航行距离、功率和捕捞时长的方法计算碳排放量），建立深度q网络函数再次优选渔场位置至1~2个，构建低碳捕捞路径规划策略，达到降碳目标。

22、有益效果：本发明一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，填补了磷虾渔业整体碳排放量估算方法和碳足迹以及降碳路径研究的行业空白，和现有技术相比，具有以下的优点和积极效果。本发明可分析南极磷虾渔业碳排放量的分布差异以及变化趋势，同时提出了基于捕捞路径智能规划策略的降碳目标和途径，有利于深刻了解磷虾渔业碳足迹特征及潜在的降碳方法。

1.一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，所述步骤（1）中的南极磷虾渔业所有渔船的船名、总吨位、主机功率和渔船船位以及年产量数据，通过各种资料、文献、ccamlr网站下载和豆包ai等渠道获取；所述船位数据来自自动识别系统（automatic identification system, ais）等定位数据，船位分辨率5~10分钟1个船位点。

3.根据权利要求1所述的一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，所述步骤（2）中的中国磷虾船船舶参数覆盖了世界上所有磷虾船队的船舶类型，可通过或进行国外船舶航行状态时的日油耗量（yi）的类比拟合估算（图2），所述估算公式为：

4.根据权利要求1所述的一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，所述步骤（3）中的不同磷虾船的日捕捞量不同，捕捞量越高对应的油耗也较高，按经验算法为磷虾日产量每增加100吨则日油耗量约增加2.2~2.6吨。

5.根据权利要求1所述的一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，所述步骤（3）中在同等产量下，以冻虾为加工产品的磷虾船日加工油耗量较以磷虾粉产品的约低5~15吨，在综合考虑磷虾船不同吨位、不同捕捞量和不同加工方式等情况下，某船的日油耗量，其中，a为2.2~2.6中任一常数。

6.根据权利要求1所述的一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，所述步骤（4）中的磷虾船日二氧化碳总排放量计算公式为3.1605，采用arcgis10.0绘图软件可绘制出整个磷虾渔业的二氧化碳月总排放量和空间排放量图。

7.根据权利要求1所述的一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，所述步骤（5）中以自定义深度q网络算法的状态、动作和奖励函数设计多目标奖励r（s,a），

8.根据权利要求1所述的一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，所述步骤（5）中通过与适宜海洋环境特征场、规避海冰密集度和sst高值区、渔捞电子日志数据的交互来学习最优策略形成多目标奖励r（s,a）值。

9.根据权利要求1所述的一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，所述步骤（5）中通过不断地与背景环境交互，深度q网络通过优化r（s,a）值来最大化累积奖励实现智能规划捕捞路径，从而降低盲目探测渔场路程，节约燃油量，达到降低碳排放量的目标。

10.根据权利要求1所述的一种基于降碳目标的磷虾渔业碳评估与捕捞策略优化方法，其特征在于，所述步骤（5）中以高产量与预测精度，时间和空间两个维度，为核心的多目标奖励函数，融合实时海况信息、渔场动态迁移规律及船舶能耗特征，包括基于航行距离、功率和捕捞时长的方法计算碳排放量，建立深度q网络函数再次优选渔场位置至1~2个，构建低碳捕捞路径规划策略，达到降碳目标。