黃俊奇,宋紹京,曹建清,葉愛萍

(1.上海第二工業(yè)大學a.科研處;b.計算機與信息工程學院,上海201209; 2.蘇州市鳳暢生態(tài)家庭農(nóng)場,江蘇215111)

淺析工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

黃俊奇1a,宋紹京1b,曹建清1a,葉愛萍2

(1.上海第二工業(yè)大學a.科研處;b.計算機與信息工程學院,上海201209; 2.蘇州市鳳暢生態(tài)家庭農(nóng)場,江蘇215111)

近年來,隨著工業(yè)化理念的推廣和高密度智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖的需求,工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)已經(jīng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中得到了廣泛應(yīng)用。針對工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體布局特點、主要類型及其優(yōu)劣進行了概括和比較,并就系統(tǒng)所涉及的循環(huán)水處理技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、控制技術(shù)以及通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行了簡要的比較、分析和總結(jié),以期能夠為開發(fā)人員科學、合理地設(shè)計工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖;循環(huán)水處理;自動監(jiān)測與控制;通信技術(shù)

0 引言

近年來,隨著科學技術(shù)的不斷進步和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。要實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的高效率、低成本,離不開水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的不斷創(chuàng)新和深入研究。工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖是一種高技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式,其將工業(yè)化的理念運用到水產(chǎn)養(yǎng)殖中,使水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)環(huán)境易于控制,可以擺脫傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)受自然環(huán)境的影響,保證了水產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全[1-2]。當前,工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)比較發(fā)達的國家有北美的加拿大、美國,歐洲的法國、德國、丹麥、西班牙,亞洲的日本、以色列等。我國工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖起步晚,其總體發(fā)展水平與發(fā)達國家相比還有一定差距,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)大多仍處于粗放式低水平的個體化養(yǎng)殖,全循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖占比較低,這對我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展來說是極其不利的。而工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測、污物清理、投料、水質(zhì)調(diào)節(jié)等過程的自動化控制,并可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。系統(tǒng)因全自動運行,維護量少,可實現(xiàn)無人值守,大大降低了用戶的養(yǎng)殖人工成本,因此,工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖方式將成為促進我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康、穩(wěn)定、快速發(fā)展的一個重要舉措[3]。

1 工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)

與傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式相比,工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖具有節(jié)地、節(jié)水、全自動、高密度集約化和排放可控的特點,符合可持續(xù)發(fā)展的要求,是水產(chǎn)養(yǎng)殖向高端養(yǎng)殖方式轉(zhuǎn)變的必然趨勢。為了實現(xiàn)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖,首先需要建立標準化的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)和養(yǎng)殖模式,即苗種集中培育、成魚規(guī)?；B(yǎng)殖、環(huán)境監(jiān)測、飼料投喂、病害防疫、水產(chǎn)品溯源等各個養(yǎng)殖環(huán)節(jié)都需要有統(tǒng)一標準,從而確保整個養(yǎng)殖過程的可控性和系統(tǒng)的推廣使用;其次,工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖方式能夠控制污染排放,養(yǎng)殖系統(tǒng)中產(chǎn)生的廢水能夠集中處理并循環(huán)利用,且養(yǎng)殖污泥經(jīng)沉淀后需要作無害化處理,從而實現(xiàn)節(jié)約水資源和減少對自然水體環(huán)境污染的目的;再者,工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖是一種高密度、集約化的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式,為了保證水資源和土地資源能夠得到有效的利用,達到最佳的經(jīng)濟效益,工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖放棄傳統(tǒng)分散式的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式,集中建立起規(guī)模化、一體化的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),并構(gòu)建集信息交流于一體的物聯(lián)網(wǎng)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),且提供在線監(jiān)控和專家指導(dǎo)系統(tǒng)[4]。圖1所示為工業(yè)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)基本構(gòu)造示意圖。

圖1 工業(yè)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)基本構(gòu)造示意圖Fig.1 Basic structure schematic diagram of industrial recirculating aquaculture systems

1.1 系統(tǒng)總體布局特點

工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是一個集現(xiàn)代控制技術(shù)、信息技術(shù)、水處理技術(shù)和生物過濾技術(shù)為一體的高技術(shù)養(yǎng)殖方式,從圖1的工業(yè)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)基本構(gòu)造示意圖可以看出,其系統(tǒng)總體布局的特點可以歸結(jié)為:

(1)擁有一套能夠自動進行水循環(huán)及水處理的系統(tǒng),其主要目的是通過實現(xiàn)養(yǎng)殖用水的循環(huán)利用,達到節(jié)約用水的目的,同時,在養(yǎng)殖用水的循環(huán)過程中完成對養(yǎng)殖用水的水質(zhì)處理,使養(yǎng)殖用水符合養(yǎng)殖物種所需的要求。

(2)布局多個水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測點,其重要作用就是及時、準確地對水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中水體的溫度、溶解氧、pH值、氨氮等相關(guān)水質(zhì)參數(shù)進行監(jiān)測,并為遠程控制系統(tǒng)提供決策依據(jù),從而促使水體環(huán)境滿足高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖的要求;另外,魚類運動監(jiān)控系統(tǒng)可用于觀察魚類的運動狀態(tài),以確定是否有異常行為發(fā)生等。

(3)系統(tǒng)中的設(shè)備控制系統(tǒng)能夠根據(jù)水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測結(jié)果和遠程控制系統(tǒng)所下傳的指令控制執(zhí)行設(shè)備進行相關(guān)操作,包括水質(zhì)調(diào)節(jié)、投餌投喂、水處理過程的控制等。

(4)建立一套在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測點、現(xiàn)場控制端以及遠程控制端之間完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),實現(xiàn)監(jiān)測信號和控制信號的有效傳輸。

1.2 系統(tǒng)的工藝設(shè)計要求

工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的工藝設(shè)計不僅要遵循科學性、實用性、可行性以及經(jīng)濟性等原則,而且要滿足工業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體布局要求,同時還與水產(chǎn)養(yǎng)殖的品種、溫度、密度以及地理位置等密切相關(guān)[5-6],該系統(tǒng)的工藝設(shè)計要求可以歸結(jié)為:

(1)對于如何構(gòu)建高效、經(jīng)濟、實用的工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)水處理系統(tǒng),主要取決于系統(tǒng)水循環(huán)的利用效率以及不同養(yǎng)殖對象的生活習性對水質(zhì)的要求,即不同的魚類和養(yǎng)殖密度需要對應(yīng)不同的流速,例如,常規(guī)游泳性魚類的生活習性要求較高的水體流速和較寬的流速范圍,且能沿池逆流或順流游動,而對于伏底的比目魚類則要求較低的水體流速和較窄的流速范圍。因此,不同的水質(zhì)要求所對應(yīng)的養(yǎng)殖系統(tǒng)需要采用的水處理設(shè)備和方法不同,一般常用的關(guān)鍵水處理設(shè)備有供水設(shè)備(抽水泵)、管道系統(tǒng)、物理過濾器、生物過濾器、消毒設(shè)備,通過多個水泵控制養(yǎng)殖單元和水處理單元之間水的循環(huán)流動速度,另外,對于高密度、小水體的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),可以在整個系統(tǒng)水循環(huán)的基礎(chǔ)上在每個養(yǎng)殖箱內(nèi)增加內(nèi)循環(huán)水處理系統(tǒng),增加整個水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的循環(huán)水處理能力,從而保證一定的水溫和氧氣飽和度。

(2)在系統(tǒng)排污工藝的設(shè)計上,對于高密度的水產(chǎn)養(yǎng)殖光靠物理過濾、生物過濾等遠遠不能滿足清澈水體的要求,需要進行機械清除殘料。另外,為了降低系統(tǒng)水處理設(shè)備的負荷,可以設(shè)計系統(tǒng)的每一個養(yǎng)殖箱具備殘餌捕集器以及機械過濾器等自動排污功能,使養(yǎng)殖廢水一流出養(yǎng)殖箱,就可以將懸浮顆粒物通過沉淀、過濾等方式加以去除。

(3)規(guī)?；⒁惑w化的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)還需要構(gòu)建集信息交流于一體的物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)。因此,系統(tǒng)需要采用自動化監(jiān)控裝備來收集和分析有關(guān)養(yǎng)殖系統(tǒng)中水質(zhì)和環(huán)境的多參數(shù)實時數(shù)據(jù),并配備相應(yīng)的報警和應(yīng)急處理系統(tǒng),從而實現(xiàn)對水質(zhì)信息和環(huán)境參數(shù)進行有效的實時監(jiān)控。此外,需要獲取一些特殊的監(jiān)測信息(例如,獲取魚的進食、游速、游姿、體色等情況),還需要增加計算機圖像識別處理系統(tǒng)來實現(xiàn)對養(yǎng)殖對象的監(jiān)控。

可以看到對于不同的養(yǎng)殖對象和養(yǎng)殖規(guī)格,其系統(tǒng)的工藝設(shè)計要求不同,而且由于養(yǎng)殖對象種類繁多,使得各種養(yǎng)殖對象對水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)等要求都不同,分泌物、排泄物等代謝產(chǎn)物也不同,從而使得所設(shè)計的系統(tǒng)呈現(xiàn)出多樣化,因此,工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖需要針對特定的養(yǎng)殖對象在特定時期內(nèi)設(shè)計出具有專一性的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。

1.3 常見的系統(tǒng)類型及其優(yōu)劣

工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是系統(tǒng)的循環(huán)水處理能力,其目標是在滿足養(yǎng)殖對象正常水質(zhì)要求的基礎(chǔ)上,能夠減少系統(tǒng)的水交換量。因此,在對工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)類型的分析中,可以按照不同的水交換率對工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進行分類,可分為流水式水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)(每投喂1 kg飼料換水量大于50000 L)、半封閉式的循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)(每投喂1 kg飼料換水量介于1000～50000 L之間)以及全閉式的循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)(每投喂1 kg飼料換水量小于1000 L)[7]。車間式工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是一種典型的室內(nèi)半封閉式的循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),其養(yǎng)殖設(shè)施是一種可實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)條件全人工控制的工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖高級形式;另外,全閉式的循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境既不受外界水源和氣候制約,又不對外界環(huán)境產(chǎn)生危害的一種創(chuàng)新型水產(chǎn)養(yǎng)殖方式,是未來工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖方式的發(fā)展目標和轉(zhuǎn)變趨勢,其中,立體抽屜式循環(huán)水系統(tǒng)[8-9]和貨柜模組循環(huán)水系統(tǒng)[10]是兩類新型的全閉式的循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),其共同特征是所需要的養(yǎng)殖用水大大減少,不同之處是前者采用立體養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)以減少系統(tǒng)占地面積,而后者系統(tǒng)集成度高,且可方便拆裝和隨意移動。目前,國內(nèi)外已有的工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍的是車間式工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),此外,還有諸如立體抽屜式循環(huán)水系統(tǒng)、貨柜模組循環(huán)水系統(tǒng)等新型工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖方式也逐漸在水產(chǎn)養(yǎng)殖中得到推廣應(yīng)用。表1列出了工業(yè)化養(yǎng)殖系統(tǒng)的3種主要類型及其比較。

表1 工業(yè)化養(yǎng)殖系統(tǒng)3種主要類型的比較Tab.1 Comparison of three main types of industrialized aquaculture systems

從表1可以看出,3種主要類型的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)各有各的特點及優(yōu)劣勢,分別適用于在特定環(huán)境和條件下進行水產(chǎn)養(yǎng)殖,例如,車間式工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是一種分散式養(yǎng)殖工藝流程,每個水產(chǎn)養(yǎng)殖單元都獨立配備整套的水處理單元,具有較強的水處理能力,適合進行高密度、集約化的水產(chǎn)養(yǎng)殖;另外,立體抽屜式循環(huán)水系統(tǒng)是一種小水體、立體式、低能耗的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式,適用于鮑魚、海膽以及海參等底棲類的水產(chǎn)養(yǎng)殖;而貨柜模組循環(huán)水系統(tǒng)則是一種基于垂直農(nóng)場及模塊概念的新型水產(chǎn)養(yǎng)殖方式,可在不需要建造養(yǎng)殖場且養(yǎng)殖場可方便移動的條件下進行水產(chǎn)養(yǎng)殖。

2 工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括循環(huán)水處理技術(shù)及水質(zhì)的監(jiān)測、通信與控制技術(shù),涉及了自動循環(huán)水系統(tǒng)、水質(zhì)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、魚類運動監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)等。

2.1 循環(huán)水處理技術(shù)及工藝設(shè)計要求

循環(huán)水處理技術(shù)是利用物理特性或抽水泵實現(xiàn)養(yǎng)殖用水的循環(huán)利用,并在循環(huán)過程中完成對養(yǎng)殖用水的水質(zhì)處理。目前,主要的工業(yè)化循環(huán)水水處理工藝流程主要有2種,即集中式與分散式,集中式工藝流程為所有水產(chǎn)養(yǎng)殖單元的水體全部匯至總水管進入水處理單元進行集中水處理,不足是水體循環(huán)量大、水處理效率低、系統(tǒng)需以套為單元進行運行使用等;分散式工藝流程則為每個水產(chǎn)養(yǎng)殖單元都獨立配備整套的水處理單元,特點是可以快速高效地去除顆粒有機物,獨立性、靈活性強,不足是設(shè)備數(shù)量多、運行成本高、管路線路設(shè)置復(fù)雜、操作管理不便等。為了結(jié)合上述2種循環(huán)水水處理工藝流程的優(yōu)勢,可以采用整個系統(tǒng)的循環(huán)水處理以及內(nèi)循環(huán)方式進行循環(huán)水處理,工作流程如下:

(1)整個系統(tǒng)的循環(huán)水處理,主要是將所有水產(chǎn)養(yǎng)殖單元的水體全部匯至總水管進入水處理單元進行集中水處理,水處理包含了物理過濾、生物過濾、脫氣、殺菌以及增氧等[11-12]。

(2)內(nèi)循環(huán)水處理系統(tǒng),分布在各個水產(chǎn)養(yǎng)殖單元中,主要是在整個系統(tǒng)的循環(huán)水處理基礎(chǔ)上進行生物過濾、脫氣以及增氧等輔助水處理,不僅能夠有效地配合整個水循環(huán)系統(tǒng)進行快速排污,而且還可促進魚蝦等有逆水游泳習慣的水產(chǎn)動物快速生長等[13]。然而,與使用單一的集中水處理相比,內(nèi)循環(huán)水處理系統(tǒng)增加了系統(tǒng)水處理的運行成本。

在實現(xiàn)養(yǎng)殖用水的循環(huán)技術(shù)上,需要基于物質(zhì)平衡定律(如溶解氧、透明度、pH、溫度平衡等)[14],并根據(jù)不同養(yǎng)殖對象的生物學特點,通過恰當?shù)卣涎h(huán)水處理工藝及設(shè)備,采用水流支路、旁路、回路等方式降低系統(tǒng)循環(huán)水處理的負荷,實現(xiàn)養(yǎng)殖用水量平衡和水質(zhì)穩(wěn)定,從而構(gòu)建高效、經(jīng)濟、實用的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。現(xiàn)有比較普遍的手段是通過多個水泵控制養(yǎng)殖單元和水處理單元之間水的循環(huán)流動,其特點是運行穩(wěn)定,水流易于控制調(diào)節(jié),不足是使用多個水泵構(gòu)造成本較高,且在工作中需消耗大量的能量。另外,前述的立體抽屜式循環(huán)水系統(tǒng)采用一種將多個水產(chǎn)養(yǎng)殖單元自下而上進行層疊的方式,使得養(yǎng)殖用水能夠從最頂層流至最低層的水處理單元進行處理后,再統(tǒng)一利用水泵將水體返回至最頂層,可以大大降低能源消耗。此外,還有利用水本身的物理特性(水受壓力影響)來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的水循環(huán),通過利用養(yǎng)殖箱與過濾箱之間連通器內(nèi)液面相平的原理將水導(dǎo)流而把污物排出從養(yǎng)殖箱急速流向過濾箱,在作水質(zhì)處理后借助鼓風機使水體重返養(yǎng)殖箱,完成整個系統(tǒng)的水循環(huán)。

2.2 監(jiān)測技術(shù)及工藝設(shè)計要求

監(jiān)測技術(shù)涉及了水產(chǎn)養(yǎng)殖自動監(jiān)控系統(tǒng)中水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測,在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)諸因子中,需要經(jīng)常監(jiān)測的指標有:溶解氧、透明度、鹽度、溫度、pH值、氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、COD和硫化物等。其中,溶解氧、透明度、pH值、溫度是常用的幾個重要指標,需要在固定的周期內(nèi)完成自動監(jiān)測。參照浙江省DB33/T 711-2008循環(huán)水工廠化養(yǎng)魚技術(shù)規(guī)范,DO應(yīng)控制在8～10 mg/L,且不能低于6 mg/L,有效保持養(yǎng)殖魚類的快速生長,要求水體透度達到肉眼透明,pH值淡水應(yīng)介于6.5～8.5之間,海水介于7.0～8.5之間,溫度適宜[15]。目前,對水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的研究主要集中在以下3個方面:

(1)對于不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)以及養(yǎng)殖對象,如何確定最合適的水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測,并對各監(jiān)測參數(shù)的傳感器進行選型和設(shè)計。

(2)根據(jù)水體水質(zhì)指數(shù)的變化梯度和分布規(guī)律合理布局監(jiān)測點,通過利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建水質(zhì)信息三維立體圖,實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)信息和環(huán)境參數(shù)的快速、準確的獲取。

(3)采用計算機視覺圖像技術(shù)對水產(chǎn)養(yǎng)殖中的養(yǎng)殖對象行為進行實時監(jiān)測,通過所獲取的魚類生物量信息,建立針對如魚類等養(yǎng)殖對象異常行為的預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。

為了獲取準確的水質(zhì)和環(huán)境參數(shù),需要依賴高質(zhì)量的傳感器,而且針對不同的水產(chǎn)養(yǎng)殖生物使用的傳感器也可能不同,需要根據(jù)生物對水質(zhì)的要求進行選擇[16-17]。目前已有的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)難以滿足工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的需要,例如,便攜式儀表記錄數(shù)據(jù)較少、實時分析成本較高,國內(nèi)傳感器多為測量單一參數(shù)、監(jiān)測精度低,國外進口的監(jiān)測儀器成本較高。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了許多新型的水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測類傳感器,應(yīng)用比較普遍的主要有3大類,包括電化學傳感器、生物傳感器[18]和光纖傳感器[19],其中,電化學傳感器的技術(shù)比較成熟,常用于監(jiān)測溶解氧、總氮、BOD等,受溫度的影響較大。生物傳感器在水質(zhì)監(jiān)測中的主要應(yīng)用有BOD、細菌總數(shù)、硫化物、有機農(nóng)藥、酚和水體富氧的測定等,具有高靈敏度、操作簡便、可在線或現(xiàn)場檢測等優(yōu)點,但由于它在制備、穩(wěn)定性和使用壽命上存在一定的缺陷,因此在推廣使用上受到限制。光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫高壓、抗腐蝕等優(yōu)點,國內(nèi)外已研究出光纖PH傳感器[20]、光纖溶解氧傳感器等,由于此研究尚處于實驗室階段,距大量推廣應(yīng)用還有一定距離。

然而,隨著工業(yè)化水平的不斷提高,工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測需要實現(xiàn)對多種環(huán)境因素的了解以及各監(jiān)測參數(shù)之間的相互補償,顯然,功能單一的傳感器已經(jīng)不能滿足目前的需求。目前,國內(nèi)外許多科研機構(gòu)及企業(yè)已經(jīng)研制出各種體積小、操作方便、功能強大的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測分析儀和水質(zhì)檢測復(fù)合傳感器,傳感器正逐漸向小型化、智能化和集成化方向發(fā)展,在水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場的應(yīng)用中也越來越便捷。

2.3 控制技術(shù)及工藝設(shè)計要求

控制技術(shù)是水產(chǎn)養(yǎng)殖自動監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)場控制端能夠自動根據(jù)上位機的下發(fā)指令以及水質(zhì)和環(huán)境的監(jiān)測結(jié)果執(zhí)行相關(guān)控制策略,從而驅(qū)動水產(chǎn)養(yǎng)殖執(zhí)行設(shè)備的運行。例如,在水產(chǎn)養(yǎng)殖中對增氧機、水泵、加熱冷卻裝置、投餌機等實現(xiàn)智能化、精準控制[21],其控制內(nèi)容主要有以下幾個方面:

(1)水質(zhì)溶解氧控制。主要需要考慮魚類在病變?nèi)毖跗陂g以及因一些特殊天氣條件引起養(yǎng)殖池的溶解氧突然上下分布不均時能夠通過緊急增氧來減少魚類的缺氧死亡。目前比較常用的手段有采用模糊控制理論計算出所需要增氧量以及結(jié)合養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境的水質(zhì)和環(huán)境因子等多參數(shù)的影響因素來實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖溶解氧濃度的準確、高效預(yù)測[22]。

(2)透明度控制。一般在水產(chǎn)養(yǎng)殖中通過啟動不同數(shù)量的水泵來控制水循環(huán)的速度和次數(shù),從而使養(yǎng)殖水的透明度符合設(shè)計要求。

(3)水質(zhì)pH值的控制。主要是通過分析實時監(jiān)測數(shù)據(jù)是否偏離所設(shè)定的正常范圍,并自動執(zhí)行酸堿度平衡控制。

(4)養(yǎng)殖水的加熱控制。利用管道循環(huán)實現(xiàn)養(yǎng)殖水與加熱裝置進行充分熱交換,其能量主要來源于太陽能和電能。

水環(huán)境中的溶解氧是養(yǎng)殖生物生存的最重要的因子,溶解氧過低容易造成高死亡率,所以水質(zhì)溶解氧控制是工業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖控制技術(shù)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),而如何選擇最適合的增氧方式已成為工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)關(guān)注的焦點之一[23-25]。目前在增氧途徑上,比較常用的手段有機械增氧、液氧增氧、化學增氧(如過氧化物)等,其中機械增氧方法最快捷有效,有葉輪式[26]、水車式[27]、射流式[28]和曝氣式增氧機,葉輪式增氧機是機械增氧設(shè)備中增氧速度較快的一種,具有增氧、攪拌和曝氣等功能,其攪拌性能較強,能使下層水體的溶解氧快速增加,從而使水體上下層的溶解氧和水溫趨于一致,在應(yīng)急增氧方面效果比較好。水車式增氧機構(gòu)比較簡單,造價低,在淺水池塘中增氧效果好,其對鰻魚等喜好水流的魚類較為適合。射流式增氧機對于下層水體具有良好的增氧效果,能有效提高水深處的溶氧值,利用產(chǎn)生的水流攪拌水體,使上下水層進行交換,避免水體溶氧量分層分布,并且水體曝氣也可改善水質(zhì)。曝氣式增氧機主要應(yīng)用在污水好氧生物處理系統(tǒng),引起水體紊流小,產(chǎn)生的噪聲低,可用于凈化水質(zhì),不足之處是缺乏提水和攪拌能力,在應(yīng)急增氧能力方面較差。

2.4 通信技術(shù)及工藝設(shè)計要求

通信技術(shù)是實現(xiàn)水質(zhì)檢測模塊、現(xiàn)場控制端以及遠程控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信的一種重要技術(shù)手段,可對水產(chǎn)養(yǎng)殖中需要監(jiān)測區(qū)域廣的系統(tǒng)通過無線組網(wǎng)方式來克服監(jiān)測點布局過多且不易布線的不足[29]。水產(chǎn)養(yǎng)殖自動監(jiān)控系統(tǒng)中最常用的通信方式包括RS-485總線、CAN總線、ZigBee[30]、GPRS以及3G技術(shù),各種通信方式均有優(yōu)缺點,可以結(jié)合具體的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)、養(yǎng)殖環(huán)境特點及性價比等進行合理選擇[31-34],其各自特點以及適用的場合如表2所示。

從表2可以看出,水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中幾種常用的通信技術(shù)各有各的特點及優(yōu)劣勢,分別適用于在特定環(huán)境和條件下進行數(shù)據(jù)通信。在常見的工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中,RS-485和CAN總線技術(shù)是與現(xiàn)場控制端相連并實現(xiàn)監(jiān)控的一種常見方式,主要是現(xiàn)有的水質(zhì)檢測模塊和執(zhí)行設(shè)備均有配置上述總線接口,而且采用總線進行數(shù)據(jù)通信使得傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,但也存在諸如布線麻煩、維護量較大、成本高等缺點。因此,RS-485和CAN總線技術(shù)可以滿足小規(guī)模、具有較少采集或控制節(jié)點水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的通信要求。而對于大規(guī)模的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),可以采用ZigBee技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成星形、樹形和網(wǎng)狀等ZigBee網(wǎng)絡(luò),其最多可以支持64000個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,遠遠滿足大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的布建;另外,ZigBee技術(shù)可以通過路由器和節(jié)點間通信的接力方式,加大整個網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸距離;而且,ZigBee組網(wǎng)方式靈活,可通過節(jié)點設(shè)備的加入和退出使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)動態(tài)變化,因此,ZigBee技術(shù)可以滿足大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的通信要求。在實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸時,常用GPRS/3G無線網(wǎng)絡(luò),將水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng),從而根據(jù)網(wǎng)絡(luò)專家數(shù)據(jù)庫或在線專家指導(dǎo)意見進行水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的遠程監(jiān)控,實現(xiàn)智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖。

表2 水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中常用通信技術(shù)的比較Tab.2 Comparison of common communication technology in aquaculture system

3 總結(jié)和展望

通過上述對工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體布局特點、主要類型及其關(guān)鍵技術(shù)和工藝設(shè)計要求所進行的分析、總結(jié)可知,如何建立一套能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)高效、節(jié)地節(jié)水、環(huán)境友好、質(zhì)量安全、便于管理以及易于產(chǎn)業(yè)化的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),已經(jīng)成為目前工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展方向,而這需要不斷改進現(xiàn)有水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的不足,并引入工業(yè)化管理理念和控制技術(shù),因此,可以預(yù)期未來工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)將在以下2個技術(shù)領(lǐng)域進行重點研究和開發(fā)。

(1)系統(tǒng)構(gòu)建。在工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖之前,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了池塘養(yǎng)殖、網(wǎng)箱生產(chǎn)、車間流水工廠化、循環(huán)水工廠化,而工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖不僅能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)殖用水循環(huán)利用、養(yǎng)殖污水處理后集中排放等滿足人工生態(tài)養(yǎng)殖的基本要求,而且養(yǎng)殖過程高度可控、便于管理,體現(xiàn)了工業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖的現(xiàn)代化養(yǎng)殖模式。然而,從經(jīng)濟效益的角度考慮,目前工業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖還遠遠不能滿足全封閉、高密度、規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖,而且現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖希望水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)能夠占地空間小、便于移動拆裝,因此,未來工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)將更多地往立體式、小型化、高集成度等方向發(fā)展。例如,使水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)架構(gòu)更加整體性和可復(fù)制性,功能更加模塊化和標準化,從而便于開展規(guī)模化生產(chǎn)以及推廣應(yīng)用;構(gòu)建諸如立體抽屜式或貨柜模組等立體式多層循環(huán)水系統(tǒng),提升水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的高密度和高效益,減少用地成本。另外,未來工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)將具備幼苗培育和改良、水產(chǎn)品養(yǎng)殖、養(yǎng)殖產(chǎn)品物流配送等多功能、一體化的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式。

(2)系統(tǒng)智能化。智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)將工程技術(shù)、機械設(shè)備、監(jiān)控儀表、管理軟件和無線傳感等現(xiàn)代技術(shù)手段應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn),是高密度、規(guī)模化、高效益以及標準化水產(chǎn)養(yǎng)殖的基礎(chǔ),未來智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖不僅是對環(huán)境的監(jiān)測、感知以及對設(shè)備的智能控制,還需要結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),構(gòu)建集水質(zhì)監(jiān)測、設(shè)備管控、視頻監(jiān)控、養(yǎng)殖管理、專家指導(dǎo)、產(chǎn)品追溯、水產(chǎn)品物流跟蹤、信息交流于一體的物聯(lián)網(wǎng)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),從而實現(xiàn)操作管理的智能化、規(guī)范化和遠程在線監(jiān)控。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟以及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化進程的快速發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將在工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)目前已經(jīng)成為一個熱門的技術(shù)研究領(lǐng)域,相關(guān)技術(shù)正處于技術(shù)生命周期的黃金發(fā)展階段,而且,隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展,越來越多的工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖新技術(shù)將會出現(xiàn),并逐漸取代現(xiàn)有技術(shù),從而促使水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)能夠向健康、穩(wěn)定、快速的方向進行發(fā)展。

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中國工程院錢鋒院士來上海第二工業(yè)大學作專題報告

2016年9月30日,華東理工大學副校長、中國工程院院士錢鋒應(yīng)邀來到上海第二工業(yè)大學作了“‘互聯(lián)網(wǎng)+’時代原材料工業(yè)智能優(yōu)化制造”的專題報告。俞濤校長會見了錢鋒院士,徐玉芳副校長陪同會見。相關(guān)研究領(lǐng)域的教師代表聆聽了此次報告會。

錢鋒院士分析了我國原材料工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的國家重大需求,探討了以“智能制造+綠色制造→高端制造”為目標的智能優(yōu)化制造的愿景,即實現(xiàn)資金流、物質(zhì)流、能量流和信息流的“四流合一”,利用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的智慧決策和智能生產(chǎn)。報告深入剖析了當前工業(yè)企業(yè)經(jīng)營決策層面、生產(chǎn)運行層面、能效安環(huán)層面和信息集成層面存在的主要問題,為重塑原材料工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈、價值鏈,實現(xiàn)智能化、綠色化、高端化生產(chǎn),圍繞基于“先進制造+互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代服務(wù)”的生產(chǎn)、管理和營銷模式的變革凝練了相關(guān)科學問題。整個報告內(nèi)容豐富且極具前瞻性,反響熱烈。

Analysis of the Industrialized Aquaculture System and Its Key Technologies

HUANG Junqi1a,SONG Shaojing1b,CAO Jianqing1a,YE Aiping2
(1a.Research Administration Office;1b.School of Computer and Information Engineering,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China;2.Suzhou Feng Chang Ecological Family Farm,Jiangsu 215111, P.R.China)

Recently,following the promotion of the industrialization and requirement of the high-density intelligent aquaculture,the technology of the industrialized aquaculture has been put into practice in the process of the aquaculture.The global distribution characteristics,main category and the advantages/disadvantages has been investigated and summarized in the survey and the crucial technologies such as water-cycling processing,monitoring,control and communication are also analyzed.All the works accomplished are devoted to provide a reference for the developers to design the industrialized aquaculture system properly and reasonably.

industrial aquaculture;circulating water treatment;automatic detection and control;communication technology

S969.38

A

1001-4543(2016)04-0330-08

2016-04-13

曹建清(1964–),男,浙江海寧人,研究員,博士,主要研究方向為電子與通信技術(shù)。電子郵箱jqcao@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學校重點學科建設(shè)項目(No.XXKZD1605)資助