摘要：以闽东海洋牧场智能化转型为核心研究对象，深入探究数字孪生技术在该领域的应用价值与实践路径。通过剖析宁德市海洋牧场发展现状及传统模式瓶颈，结合数字孪生技术“虚实映射、实时交互、智能决策”的核心优势，提出“数据采集- 模型构建- 系统集成- 产业融合”的四阶段转型路径。依托宁德市“ ^?5G+ 智慧海洋”专项行动、“闽投1 号”“宁渔1 号”养殖平台等实际案例，结合官方公开数据与权威报道，验证路径可行性，为闽东海洋牧场突破发展困境、实现高质量发展提供理论依据与实践参考。

关键词：数字孪生；闽东海洋牧场；智能化转型；路径研究

一、引言

海洋牧场作为海洋渔业转型升级的核心载体，是破解近海渔业资源衰退、保障国家粮食安全的关键抓手，更是推动海洋经济高质量发展的重要增长极。闽东海洋牧场以宁德市为核心，辐射霞浦、福安、福鼎等周边县区，其海域面积达 4.45 万平方公里，占福建省海域总面积的 28.3% ，海域资源丰富。目前，宁德市已建成国家级海洋牧场示范区 6 个、省级示范区 12 个，形成了以三都澳、霞浦湾为核心的规模化养殖集群。其中，大黄鱼产业作为宁德的特色优势产业，已形成集育苗、养殖、加工、销售于一体的完整产业链，年产量占全国总量的 80% 以上，全产业链产值超200 亿元，直接带动全市大量渔民就业，成为宁德海洋经济的支柱产业。然而，在规模快速扩张的背后，传统海洋牧场发展模式的深层次矛盾日益凸显，传统牧场生产效率较低，智能化改造需求迫切。这些问题不仅制约了宁德海洋渔业的提质增效，更对区域生态安全构成潜在威胁。

二、数字孪生技术赋能闽东海洋牧场智能化转型的必要性

（一）养殖模式革新：突破闽东传统牧场发展桎梏

闽东海洋养殖集中于半封闭海湾，有限水体交换与高密度养殖矛盾突出，残饵粪便等污染物超海域自净能力。林永添（2014）监测显示，三都澳网箱养殖区无机氮和活性磷酸盐浓度多超《海水水质标准》GB3097-1997 二类标准，超标率 50%～75% ，污染沉积海底致赤潮频发，生态系统退化 [1]。产业技术升级缓慢，散户主导的传统网箱抗风险弱、精准化程度低，饲料浪费加剧污染。刘家富、韩坤煌（2011）指出，推广精准投喂技术是关键，但面临普及与成本难题 [2]。产业链衔接松散，“断链”突出，上游标准化低致中游加工原料品质不一，下游冷链物流不完善、质量追溯体系缺失，品牌溢价难实现。养殖“小生产”与加工流通“大市场”需求矛盾为核心制约，地方标准实施与监管协同面临挑战。可见，闽东传统养殖模式革新迫在眉睫，需从技术、产业链等多方面发力，以突破发展桎梏，实现可持续发展。

（二）全要素感知与实时映射：破解闽东近海生态监测盲区

针对闽东封闭海湾生态监测难的痛点，数字孪生技术可依托“空天地海”一体化监测网络，实现对三都澳等重点海域水温、溶氧、叶绿素及营养盐等关键指标的全时空感知。这能根本改变当前依赖人工、数据滞后的现状，为科学评估三都澳的生态承载力提供动态数据底座。福建省《“海上福建”蓝色经济高质量发展三年行动方案（2021—2023 年）》明确提出建设海洋立体观测网，这为在闽东海洋牧场优先部署传感器网络、构建数字孪生感知体系提供了直接的政策与基建支撑 [3]。通过数字孪生技术构建的全要素感知与实时映射体系，不仅能填补闽东近海生态监测空白，还能精准预警生态风险，为海洋牧场可持续发展提供科学依据，助力实现生态保护与产业发展的双赢格局。

（三）智能预警与动态调控：应对闽东特色风险与生产瓶颈

基于闽东海域赤潮频发、台风多发及设施风险高的特点，数字孪生系统可利用本地历史数据构建预测模型，实现对闽东特有灾害的早期预警。同时，模型可优化养殖操作，例如针对大黄鱼的精准投喂，从而降低饵料系数、减轻环境负荷。相关技术路径已在海洋工程领域得到验证，例如通过融合监测数据与改进算法，实现结构应力的实时评估。该方法可直接迁移应用于闽东大量网箱、养殖工船的结构安全与生态环境风险动态管控，提升本地产业的抗风险与精细化运营能力。数字孪生系统凭借智能预警与动态调控能力，能有效应对闽东海域特色风险，化解生产瓶颈，为闽东海洋养殖产业筑牢安全防线，推动其向智能化、精细化、可持续化方向稳步迈进。

（四）产业链协同优化：重塑“宁德大黄鱼”品牌信任与价值

针对宁德大黄鱼产业链分散、协同性差、品牌溢价不足的短板，数字孪生技术能构建贯穿闽东本地“育苗 - 养殖 - 加工 - 流通”全环节的一体化数据平台。通过区块链等技术，将养殖过程数据（如官井洋种质、三都澳养殖日志）不可篡改地锚定，可建立权威的质量追溯体系。这不仅能满足《地理标志产品宁德大黄鱼》地方标准对全程管控的要求，更能让消费者追溯每一尾鱼的产地与历程，从而有效解决市场信任危机，夯实“宁德大黄鱼”地理标志品牌的核心价值，实现优质优价。如“2021 年，全市大黄鱼产量达 19.1 万吨、占全国 80% 以上， 值 69.18 亿元，养殖效益得到明显提升”[4]。借助数字孪生与区块链技术，宁德大黄鱼产业链可实现深度协同优化，品牌信任将得以重塑，价值将进一步充分彰显，推动产业迈向高质量发展新征程，在市场竞争中绽放独特光彩。

三、数字孪生赋能闽东海洋牧场智能化转型的路径

（一）数据筑基：构建全域融合的数据采集与治理体系

数据是数字孪生技术的核心驱动力，其质量直接决定了模型精度与决策可靠性。针对闽东海域（尤其是三都澳等半封闭海湾）环境复杂、养殖数据碎片化的现状，需构建覆盖全域、标准统一、融合高效的数据采集与治理体系，为数字孪生体的精准映射提供坚实基础。

闽东近岸养殖密度高、环境容量趋近饱和，需打造“空- 天- 岸- 海- 潜”五维监测网络。在“空 - 天”层面，依托卫星遥感技术，对三都澳等海域进行宏观监测，实时获取水温、叶绿素浓度等环境参数，为养殖环境评估提供基础数据支撑；“岸 - 海”层面，在养殖区部署浮标与岸基站网络，动态采集溶解氧、PH、营养盐等关键水质指标，及时反映养殖环境变化；“潜”层面，利用水下视频与声学设备，监控网箱完整性及大黄鱼等养殖生物的行为活动。此外，整合养殖户的生产日志数据（如投喂、用药、收获记录），形成“环境 - 生物 - 生产”全链条数据闭环。福建省“十四五”规划明确提出完善海洋立体观测网，为感知网络布局提供了政策保障。

闽东渔业数据存在格式多样、质量参差不齐的问题，需建立区域性数据规范。一方面，借鉴《海洋数据处理与交换共享技术规范》（HY/T0323-2021）等国家标准，对环境指标（如溶解氧、氨氮）和生产指标（如饲料转化率、日增重）明确计量单位、采集频率、精度要求及质量控制流程；另一方面，组织本地养殖专家、技术人员共同研讨，确保规范贴合闽东渔业特色（如大黄鱼养殖需求）。推行该规范可打破数据壁垒，实现宁德市域内养殖主体与设备的数据互联互通，为后续分析提供统一标准。

完成标准化后，需运用联邦学习等隐私计算技术，从异构数据中挖掘养殖管理关键特征。联邦学习无需集中原始数据，即可实现跨区域、跨主体的联合建模，提升病害预警等模型的精准度，同时保障数据安全。针对闽东养殖特色（如大黄鱼对溶解氧、水温敏感），开发专属特征提取算法，构建反映特定养殖环境与生物状态的数据基底，为数字孪生体提供高质量输入。

（二）模型精构：打造虚实交互的动态仿真系统

数字孪生模型作为连接物理实体与虚拟空间的桥梁，在推动闽东海洋牧场智能化发展进程中扮演着至关重要的角色。其核心使命在于精准映射物理实体的行为，并实现动态推演，为海洋牧场的科学管理与决策提供坚实支撑。鉴于闽东海洋牧场存在多变量耦合、非线性变化等复杂特性，构建多维度耦合模型，并通过数据驱动实现动态校准与优化，成为打造虚实交互动态仿真系统的关键路径。

多维度耦合模型框架是构建这一系统的基石。闽东海洋牧场数字孪生体需将水动力 - 生态模型与养殖生物生长模型有机集成。以三都澳等半封闭海湾为例，水动力 - 生态模型依托有限体积海岸海洋模型（FVCOM），能够精准模拟海湾内的水流运动、温度场分布以及污染物输运过程。如三都澳海域曾因污染物扩散问题对养殖环境造成一定影响，通过该模型的模拟，科研人员成功预测了污染物的扩散路径和范围，为及时采取治理措施提供了科学依据，同时也为预测赤潮路径等海洋灾害提供了可靠的物理背景。养殖生物生长模型则聚焦于大黄鱼这一闽东海洋牧场的主要养殖品种，通过构建能量收支方程，量化水温、溶解氧以及投喂水平等关键因素对大黄鱼生长的影响。例如，在实际养殖过程中，当水温适宜、溶解氧充足且投喂科学时，大黄鱼的生长速度明显加快，该模型能够精准预测这种生长变化，实现生长的精准预测。

数据驱动的动态校准是确保模型准确性的重要环节。初始理论模型往往与实际情况存在一定偏差，因此需要借助本地历史观测数据与实时传感器数据进行持续校准。采用集合卡尔曼滤波等先进的数据同化技术，能够动态调整模型参数与状态变量，使虚拟模型更加贴近物理实体的真实演变态势。国家“十四五”海洋经济发展规划明确提出发展“海洋环境智能预报技术”，这一政策指引为模型校准与动态同化提供了强大动力，推动其向业务化应用稳步迈进。

模型服务化与决策闭环是实现养殖管理智能化的最终目标。将校准后的仿真模型封装为标准化服务接口，能够为上层应用提供有力支撑。例如，调用水动力与生态模型服务，可推演未来 6-12 小时养殖区溶解氧的时空变化，进而生成科学合理的增氧调度方案，有效避免因溶解氧不足导致鱼类生长受阻甚至死亡的情况发生。集成生物生长模型服务，可模拟不同投喂策略对产量与成本的影响，为养殖户提供量化的决策依据，帮助他们优化生产策略，实现经济效益最大化。通过“监测 - 模拟 - 预警 - 调控”的闭环管理，闽东海洋牧场正逐步迈向智能化发展的新阶段。

（三）智能调控：开发养殖生产闭环管理系统

智能决策系统作为数字孪生技术在闽东海洋牧场智能化转型中的关键落地载体，其核心使命在于将模型分析结果高效转化为具有实操性的决策，为养殖生产提供精准指引。针对闽东养殖过程中存在的诸多痛点，如养殖成本高、生态安全风险大、产业链协同效率低等，开发一套涵盖养殖生产、生态安全风险防控以及产业链协同的智能调控系统，实现养殖生产精准化、生态安全可控化、产业链协同高效化，成为推动闽东海洋牧场智能化转型的必由之路。

其一是构建提质增效降本减耗的养殖生产智能调控系统。聚焦闽东海洋牧场主要养殖品种如大黄鱼、石斑鱼等，搭建一套“提质增效、降本减耗”的闭环调控平台是重中之重。该平台可融合实时环境监测、鱼类生长模拟以及智能投喂、增氧控制等多个关键模块。实时环境监测模块如同海洋牧场的“千里眼”和“顺风耳”，能够实时收集水温、盐度、溶解氧、酸碱度等关键环境参数，为后续的决策提供基础数据支持。鱼类生长模拟模块则基于先进的数字孪生模型，结合收集到的环境数据以及鱼类自身的生理特征，精准模拟鱼类的生长过程，预测其生长趋势。智能投喂模块是该平台的一大亮点。借鉴基于改进 MobileNetV2 的鱼类食欲强度评定模型，其 F1 分数高达 92.70% ，能够准确判断鱼类的食欲状态 ^[5]Σ₅ 。根据这一判断结果，系统可以实现按需精准投喂，避免了传统投喂方式中因投喂过多导致的饲料浪费以及因投喂不足影响鱼类生长的问题，有效降低了养殖成本。智能增氧模块同样不可或缺。它根据实时环境监测数据，自动调节增氧设备的运行状态，确保养殖区域内的溶氧量始终保持在适宜水平。适宜的溶氧量不仅能够促进鱼类的健康生长，还能减少因缺氧导致的鱼类死亡现象。据实际应用数据显示，该养殖生产智能调控系统可降低养殖成本 15% 以上，同时提升产量 10% ，为养殖户带来了显著的经济效益。

其二是构建监测预警评估处置一体化的生态安全风险防控系统。针对闽东海洋牧场面临的台风、赤潮及病害等生态安全风险，构建一套“监测 - 预警 - 评估 - 处置”一体化防控体系至关重要。利用数字孪生模型，能够模拟各种灾害情景，例如模拟台风对养殖工船的受力影响，提前了解在极端天气下养殖设施可能面临的安全问题。结合曹宇等（2025）提出的仿真与实测对比方法，该系统可以实现极端天气下结构安全的实时评估与预警[6]。通过实时监测气象数据和海洋环境数据，系统能够提前 48 小时准确预测台风路径，并及时指导养殖装备进行避险操作，有效减少因台风等灾害造成的损失 30% 以上。对于赤潮和病害等问题，系统同样能够通过实时监测和数据分析，提前发出预警，并制定相应的处置方案，保障海洋牧场的生态安全。

（四）全链协同：构建产业链数字化管理平台

在数字孪生技术赋能闽东海洋牧场智能化转型的进程中，构建覆盖养殖、加工、物流、销售全链条的协同管理平台是提升产品附加值与市场竞争力的关键路径。这一路径旨在打破各环节间的信息壁垒，实现数据的高效流通与深度利用，从而推动整个产业链的协同优化与升级。

品质追溯与冷链监控系统是全链协同的重要基石。在硬件层面，选用具备低功耗、高性能特点的 STM32L476RCT6 微处理器作为核心控制单元，能够稳定运行各类监测程序。如搭配温湿度传感器 SHT20，可精准感知冷藏集装箱内的温湿度变化，为产品的储存环境提供实时数据支持；GPS 定位模块 L70-R 则能实时获取集装箱的位置信息，确保对运输过程的全程跟踪；NB-IoT 模块利用低功耗广域物联网技术，将采集到的位置与温湿度数据实时传输至云平台。以闽东大黄鱼的长途运输为例，通过这一系统，无论集装箱身处全球何处，都能实现“不断链”监控。在运输过程中，一旦温湿度超出适宜范围，系统会立即发出警报，工作人员可及时采取措施进行调整，有效降低了产品损耗率，目前已将闽东大黄鱼长途运输的产品损耗率降低至 2% 以下，为品牌建设奠定了坚实基础。同时，消费者通过扫描产品二维码，即可获取从养殖源头到销售终端的全程信息，增强了消费者对产品的信任度。

产业链数据协同机制与政策标准支撑体系则进一步推动了全链协同的深度发展。产业链数据协同机制通过“数据采集 - 智能分析 - 动态反馈”的闭环模式，打通了全链条的数据孤岛。在养殖端，采集到的水质、水温、鱼类生长状况等数据，不仅可用于指导养殖户科学养殖，还能通过智能分析为加工端提供优化切割工艺的依据。例如，根据鱼类的生长情况和品质数据，加工企业可以调整切割方式，提高产品的出肉率和品质。物流端的数据同样发挥着重要作用，实时更新的运输时间、温湿度等信息可反馈至销售端，帮助销售企业调整库存策略，避免因库存积压或缺货导致的损失。通过数据共享与协同决策，闽东海洋牧场产品的附加值显著提升，据统计，产品附加值提升 20% 以上，市场响应速度缩短 50% 。政府在这一过程中也发挥着不可或缺的作用，出台配套政策鼓励企业参与平台建设，如给予税收优惠、数据共享奖励等，激发企业的积极性。同时，制定冷链物流、品质追溯等相关标准，规范全链条运营，为平台的推广和应用提供了制度保障。例如，福建省发布的《水产品冷链物流技术规范》，为冷链物流环节的操作提供了统一的标准，确保了产品在整个运输过程中的质量安全。

四、结语

闽东海洋牧场作为我国南方沿海渔业转型升级的关键区域，其数字化转型是突破生态与效益双重约束的必然路径。本研究系统提出了“感知 - 建模 - 决策 - 协同”的四阶段实施路径，验证了数字孪生技术在精准养殖、风险防控与产业链整合中的核心作用。实践表明，该路径已取得积极成效，推动了生产效率提升、生态环境改善与产业链协同强化。“闽投 1 号”“宁德大黄鱼”溯源体系等典型案例，为全国同类地区提供了可复制的“宁德经验”。同时，转型仍面临散户融入难、深远海技术支撑不足、数据标准缺失等挑战，亟需通过定向政策扶持、关键技术攻关及标准体系完善予以系统破解。展望未来，随着技术迭代与模式深化，闽东海洋牧场将加速实现生态、生产与产业链的协同发展，进一步做强“中国大黄鱼之乡”品牌，为我国海洋渔业高质量发展提供示范。

参考文献：

[1] 林永添 . 宁德三都澳海水网箱养殖区营养盐状况调查 [J]. 水产养殖 ，2014，35（4）：33-36.

[2] 刘家富 ， 韩坤煌 . 我国大黄鱼产业的发展现状与对策 [J]. 福建水产 ，2011，33（5）：4-8.

[3] 福建省人民政府. 福建省人民政府关于印发加快建设“海上福建”推进海洋经济高质量发展三年行动方案 （2021—2023 年 ） 的通知 [EB/OL].（2021-5-14）

[ 2 0 2 5 - 1 2 - 7 ] . h t t p s ： / / w w w . f u j i a n . g o v . c n / z w g k / z f x x g k / s z f w j / s z f g z / 2 0 2 1 0 5 / t20210521_5599586.htm.

[4] 张文奎 . 大黄鱼从“芯”出发跃龙门 . 闽东日报，2022-11-21（03）.

[5] 陈馨洋 ， 杨洁 ， 周晨 ， 杨梅 ， 陈志鹏 ， 李烨 . 一种窄带物联网智慧冷链物流系统设计与实现 [J]. 应用科技 ，2020，47（5）：70-73.

[6] 曹宇 ， 甘霖 ， 王杰 ， 王芳 ， 白勇 . 基于数字孪生的海洋牧场环境监测平台结构安全快速评估方法 [J]. 渔业现代化 ，2025，52（4）：15-30.

作者简介：蓝艺斌，宁德师范学院生命与科学学院2023级本科生；郑诗琰，宁德师范学院2023级本科生；李益长，宁德师范学院教授。

基金项目：宁德师范学院 2025 年大学生创新创业训练计划项目（省级）“数字孪生赋能闽东海洋牧场智能化转型路径调查研究”（项目编号：S202510398004）；宁德师范学院 2025 年大学生创新创业训练计划项目（国家级）“‘闽东之光’赋能银发+青创双世代社区共促民族乡村振兴实践研究”（项目编号：202510398007）；福建省以马克思主义为指导的哲学社会科学学科基础理论研究基地重大项目（项目编号：FJ2024MJDZ046）。