“智慧”海洋網(wǎng)箱平臺(tái)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與研究

孫剛 王亞飛 王鑫江 溫林翰 郁洪澳

摘? 要：目前我國(guó)網(wǎng)箱養(yǎng)殖總體技術(shù)水平較低，大量的海水網(wǎng)箱集中于近海港灣內(nèi)，因此養(yǎng)殖密度高于海區(qū)的環(huán)境容量。網(wǎng)箱的高度密集，會(huì)引起含氧量較低等不利因素，引起魚(yú)病的頻發(fā)，導(dǎo)致養(yǎng)殖魚(yú)種的品質(zhì)下降。網(wǎng)箱內(nèi)外水流不暢，也會(huì)給近海地區(qū)水域造成嚴(yán)重的威脅，如赤潮等。因此海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖向遠(yuǎn)海、大型化方向發(fā)展是國(guó)內(nèi)外海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的共同趨勢(shì)。文章通過(guò)設(shè)計(jì)一種深海養(yǎng)殖的智能網(wǎng)箱，來(lái)解決目前漁業(yè)養(yǎng)殖存在的弊端。平臺(tái)通過(guò)采用三浮體式平臺(tái)與外圍網(wǎng)箱的結(jié)合，在保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)性的同時(shí)，平臺(tái)的自動(dòng)化控制與移動(dòng)性相結(jié)合，增加了網(wǎng)箱內(nèi)部液體的流動(dòng)性。平臺(tái)設(shè)立的綠色發(fā)電裝置，為平臺(tái)提供可靠的電力能源，從而建立起一系列海上資源循環(huán)利用的生態(tài)漁業(yè)養(yǎng)殖模式。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)箱養(yǎng)殖;遠(yuǎn)海;智能;三浮體式平臺(tái);循環(huán)利用

中圖分類號(hào)：F326.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）09-0034-03

Abstract： At present， the overall technical level of cage culture in China is low， and a large number of seawater cages are concentrated in offshore bays， so the culture density is higher than the environmental capacity of the sea area. The high density of cages will cause unfavorable factors such as low oxygen content， frequent occurrence of fish diseases， and the decline of the quality of farmed fish species. Poor water flow inside and outside the cage will also pose a serious threat to offshore waters， such as red tide. Therefore， the development of offshore and large-scale marine cage culture is the common trend of marine cage culture at home and abroad. In this paper， a kind of intelligent cage for deep-sea aquaculture is designed to solve the disadvantages of fishery culture at present. Through the combination of the three-floating platform and the peripheral cage， the platform not only ensures the structural stability of the platform， but also combines the automatic control and mobility of the platform， which increases the mobility of the liquid inside the cage. The green power generation device set up by the platform provides reliable electric energy for the platform， thus establishing a series of ecological fishery aquaculture models for the recycling of marine resources.

Keywords： cage culture; far sea; intelligence; three-floating platform; recycling

1 背景

面對(duì)人口增長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境惡化和資源短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，人類不可避免地要向占地球表面71%的海洋索取資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)。其中，作為海洋經(jīng)濟(jì)重要組成部分的海洋漁業(yè)為解決世界食品供應(yīng)做出了重要貢獻(xiàn)。然而，由于環(huán)境變化和捕撈過(guò)度等影響，世界范圍內(nèi)漁業(yè)資源的不足和衰退已成為全球性問(wèn)題。因此，如何實(shí)現(xiàn)漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展成為擺在人們面前的重大命題。

文章將現(xiàn)有的海洋發(fā)電產(chǎn)業(yè)與大型海工裝備海洋平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，在解決網(wǎng)箱日常用電需求的同時(shí)，也減少了能源運(yùn)輸造成的資金浪費(fèi)。利用海洋平臺(tái)在海上的穩(wěn)性和可操作性，實(shí)現(xiàn)了海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖在外海養(yǎng)殖的可行性。同時(shí)大型海洋平臺(tái)裝備的自動(dòng)化控制，降低了海上人工成本的開(kāi)支，保障人員自身安全，因此裝備的建成將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 三浮體平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)的設(shè)計(jì)由可升降式塔架、三浮體式平臺(tái)、工作艙室（變電設(shè)備艙、柴油動(dòng)力艙、蓄電池艙、泵機(jī)艙、塔架艙、壓載艙）組成。平臺(tái)內(nèi)部設(shè)置的多個(gè)艙室為平臺(tái)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供保障，共同構(gòu)成整個(gè)設(shè)備控制的“核心大腦”。

文章根據(jù)三浮體式平臺(tái)具有排水量小、水動(dòng)力性能較好的特點(diǎn)，在浮體內(nèi)部設(shè)有風(fēng)機(jī)塔架升降艙室，從而給塔架提供足夠的升降空間。伸縮式塔架通過(guò)平臺(tái)的艙室控制，自動(dòng)調(diào)控風(fēng)機(jī)塔架的上下伸縮高度。通過(guò)合理的高度變化，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)迎風(fēng)力矩。另外在海上遭遇惡劣天氣時(shí)，三浮體各浮體上方設(shè)有固定風(fēng)機(jī)葉片的自動(dòng)式繩索系統(tǒng)，在風(fēng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)、塔架下降到指定位置，進(jìn)而將風(fēng)機(jī)葉片固定，保障風(fēng)機(jī)的安全與穩(wěn)性。

2.2 上層建筑設(shè)計(jì)

平臺(tái)上層主要有信號(hào)基站、各種電子設(shè)備和上層建筑。

基地平臺(tái)上建有的信號(hào)基站，可將平臺(tái)監(jiān)測(cè)的信息傳輸給陸地，實(shí)現(xiàn)陸地對(duì)平臺(tái)的遠(yuǎn)程操控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海養(yǎng)殖無(wú)人化。

平臺(tái)上層建筑采用多塊太陽(yáng)能板拼裝在基地平臺(tái)上，在天氣晴朗的情況下能夠快速地吸收太陽(yáng)能并儲(chǔ)存在平臺(tái)的蓄電池內(nèi)。太陽(yáng)能板上設(shè)計(jì)的太陽(yáng)光垂直感光系統(tǒng)，根據(jù)太陽(yáng)位置的變化，尋找太陽(yáng)光照最強(qiáng)的位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而提高太陽(yáng)能的利用率，為平臺(tái)提供能源保障。

2.3 多功能水下網(wǎng)箱設(shè)計(jì)

平臺(tái)網(wǎng)箱采用六邊形上下兩層式的圍網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在水下安裝多種水文傳感器實(shí)時(shí)將網(wǎng)箱內(nèi)的信息與基地平臺(tái)進(jìn)行交互。

水下網(wǎng)箱的環(huán)形結(jié)構(gòu)通過(guò)與三浮體平臺(tái)結(jié)構(gòu)相連接，共同組成一個(gè)環(huán)狀的立體空間。網(wǎng)箱采用的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)框架密合度高，所需材料最簡(jiǎn)，使用空間最大。平臺(tái)采用這種結(jié)構(gòu)形式也提高了網(wǎng)箱的防撞性能。此外在部分框架桁材的連接形式上，采用最簡(jiǎn)單的三角形結(jié)構(gòu)，以此增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，提高平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性能。

根據(jù)全球的魚(yú)群分布信息，通過(guò)拖船將網(wǎng)箱運(yùn)輸?shù)阶罴训暮Ｓ颉Ｔ诒ＷC上層控制艙室調(diào)控網(wǎng)箱內(nèi)部的同時(shí)，通過(guò)圍網(wǎng)內(nèi)部的多個(gè)傳感器對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。平臺(tái)艙室內(nèi)的智能化控制系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)箱水溫，水質(zhì)，含氧量，氣壓，光照等條件做出分析，保證魚(yú)群的正常生長(zhǎng)。網(wǎng)箱內(nèi)部安裝智能燈光設(shè)備，則解決因部分平臺(tái)遮擋等因素造成的魚(yú)群光照不足的問(wèn)題。智能燈光系統(tǒng)也可根據(jù)魚(yú)群生長(zhǎng)環(huán)境的不同，在特定的時(shí)間發(fā)出不同光源從而對(duì)魚(yú)群水下環(huán)境進(jìn)行模擬，提高魚(yú)的產(chǎn)量與品質(zhì)。

3 “智慧”網(wǎng)箱的體現(xiàn)

3.1 海洋環(huán)境的檢測(cè)

水下可通過(guò)安裝水溫傳感器、水質(zhì)傳感器、溶解氧測(cè)定儀、含鹽量傳感器等多種傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)網(wǎng)箱內(nèi)的水文信息，對(duì)水生生物和水體質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證魚(yú)群的生長(zhǎng)環(huán)境。利用無(wú)線通訊技術(shù)，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè)，保障平臺(tái)與有關(guān)部門(mén)的實(shí)時(shí)通訊。

3.2 網(wǎng)箱內(nèi)部監(jiān)測(cè)

利用高分辨率水下攝像儀器，類似人臉識(shí)別的分析系統(tǒng)檢測(cè)漁業(yè)資源。網(wǎng)箱可通過(guò)使用水下機(jī)器人等智能設(shè)備，對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖提供水下視頻資料，通過(guò)觀測(cè)魚(yú)群生長(zhǎng)狀況、網(wǎng)箱底部是否有死魚(yú)來(lái)保持網(wǎng)箱內(nèi)部的清潔。

3.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)控信息處理

平臺(tái)通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)代廣泛采用的大數(shù)據(jù)搜集、分析技術(shù)，建立平臺(tái)現(xiàn)代化的信息查詢、分析機(jī)制，為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支持。平臺(tái)控制系統(tǒng)通過(guò)平臺(tái)上層的智能化養(yǎng)殖控制系統(tǒng)，可將水下收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給上層平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)的云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)箱進(jìn)行數(shù)字化管理和資料的收集。

3.4 開(kāi)拓第三產(chǎn)業(yè)

智慧網(wǎng)箱的建立為海洋漁業(yè)的科學(xué)研究，尤其為海洋醫(yī)學(xué)、海洋藥學(xué)和浮游生物檢測(cè)研究提供科研平臺(tái)。智能深海網(wǎng)箱在保護(hù)海洋生態(tài)的同時(shí)，也增加漁民的經(jīng)濟(jì)收入，開(kāi)拓第三產(chǎn)業(yè)，維護(hù)海洋產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

3.5 環(huán)保經(jīng)濟(jì)

海洋網(wǎng)箱生產(chǎn)方式遵循自然法則，將水產(chǎn)品自然生長(zhǎng)作為核心特色，構(gòu)建立體化、多層營(yíng)養(yǎng)級(jí)、綜合性的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)解決本世紀(jì)以來(lái)的持續(xù)性資源短缺具有深刻的影響。

智能化網(wǎng)箱的建成，將推動(dòng)漁業(yè)養(yǎng)殖從近海養(yǎng)殖向深海養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變，從網(wǎng)箱式養(yǎng)殖向大型裝備式養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)人工式養(yǎng)殖向自動(dòng)化智能化養(yǎng)殖轉(zhuǎn)變，進(jìn)而為我國(guó)深海養(yǎng)殖和漁業(yè)資源的利用提供巨大幫助，同時(shí)也為我國(guó)企業(yè)全面進(jìn)入深海養(yǎng)殖這一新興行業(yè)打造良好開(kāi)端。

4 現(xiàn)有理論與技術(shù)

本平臺(tái)在以往典型的平臺(tái)基礎(chǔ)上對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以改進(jìn)，選取三浮體結(jié)構(gòu)，增加平臺(tái)的穩(wěn)定性。平臺(tái)的自給化功能使得平臺(tái)在海域生存的能力得以提升，網(wǎng)箱帶來(lái)的漁業(yè)資源提高了平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

以南海為例，平臺(tái)發(fā)電能力在支持海洋平臺(tái)的日常工作時(shí)且利用率高。另外根據(jù)網(wǎng)箱的日常用電需求，一般的太陽(yáng)能電池板每平方米一天（8小時(shí)）能發(fā)大約0.8-1.2度電，考慮到平臺(tái)太陽(yáng)能可利用面積占總面積的50%，因此平臺(tái)一天可產(chǎn)400√3*50%*1*8=1939kw/天的電能，加上平臺(tái)選用的3臺(tái)30kW風(fēng)機(jī)，平臺(tái)所產(chǎn)生的電能足以提供網(wǎng)箱的日常使用。

5 數(shù)據(jù)分析

海洋網(wǎng)箱采用圍網(wǎng)式架構(gòu)，將傳統(tǒng)海洋平臺(tái)與海洋網(wǎng)箱有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以增加漁業(yè)資源為目的，追求經(jīng)濟(jì)效益。以圖2、圖3資源量反映了海洋網(wǎng)箱的建設(shè)效益。

從圖2、圖3便可以看出，海水養(yǎng)殖比海洋捕撈的可行性更廣，產(chǎn)量更大，且可根據(jù)市場(chǎng)需要選擇必要的魚(yú)種。通過(guò)人工設(shè)施進(jìn)行的海水養(yǎng)殖比通過(guò)過(guò)渡捕撈更具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外對(duì)資源實(shí)施科學(xué)管理，也會(huì)衍生出海洋醫(yī)藥等其他附加產(chǎn)業(yè)。

6 應(yīng)用前景

目前我國(guó)大部分網(wǎng)箱都是大規(guī)模分布在沿海海域，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高， 內(nèi)河以及近海養(yǎng)殖的水產(chǎn)品已經(jīng)無(wú)法完全滿足人們對(duì)高品質(zhì)水產(chǎn)的需求， 因此遠(yuǎn)海養(yǎng)殖必然成為當(dāng)今世界海水養(yǎng)殖的趨勢(shì)。在我國(guó)，海岸線總長(zhǎng)度達(dá)3.4萬(wàn)公里，其中大陸海岸線1.8萬(wàn)公里，島嶼海岸線1.6萬(wàn)公里，豐富的海洋資源為大規(guī)模遠(yuǎn)海網(wǎng)箱建設(shè)提供基礎(chǔ)。

“智慧網(wǎng)箱”雖是為海洋漁業(yè)養(yǎng)殖所打造的， 但其未來(lái)市場(chǎng)潛力巨大。目前全世界都進(jìn)入人工智能時(shí)代，5G等高科技的加入必將會(huì)給目前海工裝備市場(chǎng)的發(fā)展提供動(dòng)力。另外在研發(fā)和建造“智慧網(wǎng)箱”的過(guò)程中， 我國(guó)的海洋工程設(shè)計(jì)院所必將會(huì)面臨一系列重大的技術(shù)創(chuàng)新和挑戰(zhàn)， 但是從另一方面，這將會(huì)給我國(guó)船舶與海洋工程行業(yè)提供新的發(fā)展方向，從而進(jìn)一步提升我國(guó)的綜合實(shí)力。

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