黃俊奇,宋紹京,曹建清,葉愛(ài)萍

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)a.科研處;b.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,上海201209; 2.蘇州市鳳暢生態(tài)家庭農(nóng)場(chǎng),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(ài)萍2

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

近年來(lái),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(duì)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體布局特點(diǎn)、主要類型及其優(yōu)劣進(jìn)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(cè)技術(shù)、控制技術(shù)以及通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的比較、分析和總結(jié),以期能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)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(dòng)監(jiān)測(cè)與控制;通信技術(shù)

0 引言

近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的高效率、低成本,離不開(kāi)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(yùn)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(dāng)前,工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家有北美的加拿大、美國(guó),歐洲的法國(guó)、德國(guó)、丹麥、西班牙,亞洲的日本、以色列等。我國(guó)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(dá)國(guó)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(gè)體化養(yǎng)殖,全循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖占比較低,這對(duì)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)是極其不利的。而工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)、污物清理、投料、水質(zhì)調(diào)節(jié)等過(guò)程的自動(dòng)化控制,并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)因全自動(dòng)運(yùn)行,維護(hù)量少,可實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jìn)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康、穩(wěn)定、快速發(fā)展的一個(gè)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(dòng)、高密度集約化和排放可控的特點(diǎn),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(shì)。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖,首先需要建立標(biāo)準(zhǔn)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(yú)規(guī)?；B(yǎng)殖、環(huán)境監(jiān)測(cè)、飼料投喂、病害防疫、水產(chǎn)品溯源等各個(gè)養(yǎng)殖環(huán)節(jié)都需要有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),從而確保整個(gè)養(yǎng)殖過(guò)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(wú)害化處理,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約水資源和減少對(duì)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(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)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)?；?、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(diǎn)

工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是一個(gè)集現(xiàn)代控制技術(shù)、信息技術(shù)、水處理技術(shù)和生物過(guò)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(diǎn)可以歸結(jié)為:

(1)擁有一套能夠自動(dòng)進(jìn)行水循環(huán)及水處理的系統(tǒng),其主要目的是通過(guò)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖用水的循環(huán)利用,達(dá)到節(jié)約用水的目的,同時(shí),在養(yǎng)殖用水的循環(huán)過(guò)程中完成對(duì)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(gè)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其重要作用就是及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè),并為遠(yuǎn)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(yú)類運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可用于觀察魚(yú)類的運(yùn)動(dòng)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(cè)結(jié)果和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)所下傳的指令控制執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作,包括水質(zhì)調(diào)節(jié)、投餌投喂、水處理過(guò)程的控制等。

(4)建立一套在水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)控制端以及遠(yuǎn)程控制端之間完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的有效傳輸。

1.2 系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)要求

工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)不僅要遵循科學(xué)性、實(shí)用性、可行性以及經(jīng)濟(jì)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(shí)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(jì)要求可以歸結(jié)為:

(1)對(duì)于如何構(gòu)建高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)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(duì)象的生活習(xí)性對(duì)水質(zhì)的要求,即不同的魚(yú)類和養(yǎng)殖密度需要對(duì)應(yīng)不同的流速,例如,常規(guī)游泳性魚(yú)類的生活習(xí)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(dòng),而對(duì)于伏底的比目魚(yú)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(duì)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(guò)濾器、生物過(guò)濾器、消毒設(shè)備,通過(guò)多個(gè)水泵控制養(yǎng)殖單元和水處理單元之間水的循環(huán)流動(dòng)速度,另外,對(duì)于高密度、小水體的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng),可以在整個(gè)系統(tǒng)水循環(huán)的基礎(chǔ)上在每個(gè)養(yǎng)殖箱內(nèi)增加內(nèi)循環(huán)水處理系統(tǒng),增加整個(gè)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(jì)上,對(duì)于高密度的水產(chǎn)養(yǎng)殖光靠物理過(guò)濾、生物過(guò)濾等遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足清澈水體的要求,需要進(jìn)行機(jī)械清除殘料。另外,為了降低系統(tǒng)水處理設(shè)備的負(fù)荷,可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)的每一個(gè)養(yǎng)殖箱具備殘餌捕集器以及機(jī)械過(guò)濾器等自動(dòng)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(guò)沉淀、過(guò)濾等方式加以去除。

(3)規(guī)?；?、一體化的水產(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(dòng)化監(jiān)控裝備來(lái)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并配備相應(yīng)的報(bào)警和應(yīng)急處理系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)信息和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外,需要獲取一些特殊的監(jiān)測(cè)信息(例如,獲取魚(yú)的進(jìn)食、游速、游姿、體色等情況),還需要增加計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的監(jiān)控。

可以看到對(duì)于不同的養(yǎng)殖對(duì)象和養(yǎng)殖規(guī)格,其系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)要求不同,而且由于養(yǎng)殖對(duì)象種類繁多,使得各種養(yǎng)殖對(duì)象對(duì)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(jì)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(duì)特定的養(yǎng)殖對(duì)象在特定時(shí)期內(nèi)設(shè)計(jì)出具有專一性的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)。

1.3 常見(jiàn)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(biāo)是在滿足養(yǎng)殖對(duì)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(duì)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(duì)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(jí)形式;另外,全閉式的循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境既不受外界水源和氣候制約,又不對(duì)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(lái)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖方式的發(fā)展目標(biāo)和轉(zhuǎn)變趨勢(shì),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(dòng)。目前,國(guó)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(diǎn)及優(yōu)劣勢(shì),分別適用于在特定環(huán)境和條件下進(jìn)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(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖單元都獨(dú)立配備整套的水處理單元,具有較強(qiáng)的水處理能力,適合進(jìn)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(yú)、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(chǎng)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(chǎng)且養(yǎng)殖場(chǎng)可方便移動(dòng)的條件下進(jìn)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(cè)、通信與控制技術(shù),涉及了自動(dòng)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(yú)類運(yùn)動(dòng)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(jì)要求

循環(huán)水處理技術(shù)是利用物理特性或抽水泵實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖用水的循環(huán)利用,并在循環(huán)過(guò)程中完成對(duì)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(jìn)入水處理單元進(jìn)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(jìn)行運(yùn)行使用等;分散式工藝流程則為每個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖單元都獨(dú)立配備整套的水處理單元,特點(diǎn)是可以快速高效地去除顆粒有機(jī)物,獨(dú)立性、靈活性強(qiáng),不足是設(shè)備數(shù)量多、運(yùn)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(shì),可以采用整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)水處理以及內(nèi)循環(huán)方式進(jìn)行循環(huán)水處理,工作流程如下:

(1)整個(gè)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(jìn)入水處理單元進(jìn)行集中水處理,水處理包含了物理過(guò)濾、生物過(guò)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(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖單元中,主要是在整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)水處理基礎(chǔ)上進(jìn)行生物過(guò)濾、脫氣以及增氧等輔助水處理,不僅能夠有效地配合整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行快速排污,而且還可促進(jìn)魚(yú)蝦等有逆水游泳習(xí)慣的水產(chǎn)動(dòng)物快速生長(zhǎng)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(yùn)行成本。

在實(shí)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(duì)象的生物學(xué)特點(diǎn),通過(guò)恰當(dāng)?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(fù)荷,實(shí)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(jì)、實(shí)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(guò)多個(gè)水泵控制養(yǎng)殖單元和水處理單元之間水的循環(huán)流動(dòng),其特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定,水流易于控制調(diào)節(jié),不足是使用多個(gè)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(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖單元自下而上進(jìn)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(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的水循環(huán),通過(guò)利用養(yǎng)殖箱與過(guò)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(guò)濾箱,在作水質(zhì)處理后借助鼓風(fēng)機(jī)使水體重返養(yǎng)殖箱,完成整個(gè)系統(tǒng)的水循環(huán)。

2.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)及工藝設(shè)計(jì)要求

監(jiān)測(cè)技術(shù)涉及了水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中水質(zhì)和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè),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(cè)的指標(biāo)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(gè)重要指標(biāo),需要在固定的周期內(nèi)完成自動(dòng)監(jiān)測(cè)。參照浙江省DB33/T 711-2008循環(huán)水工廠化養(yǎng)魚(yú)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(yú)類的快速生長(zhǎng),要求水體透度達(dá)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(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究主要集中在以下3個(gè)方面:

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

(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(cè)點(diǎn),通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建水質(zhì)信息三維立體圖,實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)信息和環(huán)境參數(shù)的快速、準(zhǔn)確的獲取。

(3)采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像技術(shù)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖中的養(yǎng)殖對(duì)象行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過(guò)所獲取的魚(yú)類生物量信息,建立針對(duì)如魚(yú)類等養(yǎng)殖對(duì)象異常行為的預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

為了獲取準(zhǔn)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(duì)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(duì)水質(zhì)的要求進(jìn)行選擇[16-17]。目前已有的監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)分析成本較高,國(guó)內(nèi)傳感器多為測(cè)量單一參數(shù)、監(jiān)測(cè)精度低,國(guó)外進(jìn)口的監(jiān)測(cè)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(cè)類傳感器,應(yīng)用比較普遍的主要有3大類,包括電化學(xué)傳感器、生物傳感器[18]和光纖傳感器[19],其中,電化學(xué)傳感器的技術(shù)比較成熟,常用于監(jiān)測(cè)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(cè)中的主要應(yīng)用有BOD、細(xì)菌總數(shù)、硫化物、有機(jī)農(nóng)藥、酚和水體富氧的測(cè)定等,具有高靈敏度、操作簡(jiǎn)便、可在線或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),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(diǎn),國(guó)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(shí)驗(yàn)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(cè)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)多種環(huán)境因素的了解以及各監(jiān)測(cè)參數(shù)之間的相互補(bǔ)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(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)已經(jīng)研制出各種體積小、操作方便、功能強(qiáng)大的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析儀和水質(zhì)檢測(cè)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(chǎng)的應(yīng)用中也越來(lái)越便捷。

2.3 控制技術(shù)及工藝設(shè)計(jì)要求

控制技術(shù)是水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)控制端能夠自動(dòng)根據(jù)上位機(jī)的下發(fā)指令以及水質(zhì)和環(huán)境的監(jiān)測(cè)結(jié)果執(zhí)行相關(guān)控制策略,從而驅(qū)動(dòng)水產(chǎn)養(yǎng)殖執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行。例如,在水產(chǎn)養(yǎng)殖中對(duì)增氧機(jī)、水泵、加熱冷卻裝置、投餌機(jī)等實(shí)現(xiàn)智能化、精準(zhǔn)控制[21],其控制內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面:

(1)水質(zhì)溶解氧控制。主要需要考慮魚(yú)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(shí)能夠通過(guò)緊急增氧來(lái)減少魚(yú)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(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖溶解氧濃度的準(zhǔn)確、高效預(yù)測(cè)[22]。

(2)透明度控制。一般在水產(chǎn)養(yǎng)殖中通過(guò)啟動(dòng)不同數(shù)量的水泵來(lái)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(jì)要求。

(3)水質(zhì)pH值的控制。主要是通過(guò)分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否偏離所設(shè)定的正常范圍,并自動(dòng)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(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水與加熱裝置進(jìn)行充分熱交換,其能量主要來(lái)源于太陽(yáng)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(guò)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(diǎn)之一[23-25]。目前在增氧途徑上,比較常用的手段有機(jī)械增氧、液氧增氧、化學(xué)增氧(如過(guò)氧化物)等,其中機(jī)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(jī),葉輪式增氧機(jī)是機(jī)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(qiáng),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(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,造價(jià)低,在淺水池塘中增氧效果好,其對(duì)鰻魚(yú)等喜好水流的魚(yú)類較為適合。射流式增氧機(jī)對(duì)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(jìn)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(jī)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(jì)要求

通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水質(zhì)檢測(cè)模塊、現(xiàn)場(chǎng)控制端以及遠(yuǎn)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(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖中需要監(jiān)測(cè)區(qū)域廣的系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)方式來(lái)克服監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局過(guò)多且不易布線的不足[29]。水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)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(diǎn),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(diǎn)及性價(jià)比等進(jìn)行合理選擇[31-34],其各自特點(diǎn)以及適用的場(chǎng)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(diǎn)及優(yōu)劣勢(shì),分別適用于在特定環(huán)境和條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在常見(jiàn)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(chǎng)控制端相連并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的一種常見(jiàn)方式,主要是現(xiàn)有的水質(zhì)檢測(cè)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(jìn)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(hù)量較大、成本高等缺點(diǎn)。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(diǎn)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的通信要求。而對(duì)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(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀等ZigBee網(wǎng)絡(luò),其最多可以支持64000個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)路由器和節(jié)點(diǎn)間通信的接力方式,加大整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸距離;而且,ZigBee組網(wǎng)方式靈活,可通過(guò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的加入和退出使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸時(shí),常用GPRS/3G無(wú)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(kù)或在線專家指導(dǎo)意見(jiàn)進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控,實(shí)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(guò)上述對(duì)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體布局特點(diǎn)、主要類型及其關(guān)鍵技術(shù)和工藝設(shè)計(jì)要求所進(jìn)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(jìn)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(lái)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)將在以下2個(gè)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)研究和開(kāi)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(guò)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(jì)效益的角度考慮,目前工業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足全封閉、高密度、規(guī)模化水產(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(dòng)拆裝,因此,未來(lái)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(biāo)準(zhǔn)化,從而便于開(kāi)展規(guī)?；a(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(lái)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(jī)械設(shè)備、監(jiān)控儀表、管理軟件和無(wú)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)?；?、高效益以及標(biāo)準(zhǔn)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的基礎(chǔ),未來(lái)智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖不僅是對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、感知以及對(duì)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(cè)、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(shí)現(xiàn)操作管理的智能化、規(guī)范化和遠(yuǎn)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(jìn)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(gè)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(lái)越多的工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖新技術(shù)將會(huì)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(jìn)行發(fā)展。

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中國(guó)工程院錢鋒院士來(lái)上海第二工業(yè)大學(xué)作專題報(bào)告

2016年9月30日,華東理工大學(xué)副校長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士錢鋒應(yīng)邀來(lái)到上海第二工業(yè)大學(xué)作了“‘互聯(lián)網(wǎng)+’時(shí)代原材料工業(yè)智能優(yōu)化制造”的專題報(bào)告。俞濤校長(zhǎng)會(huì)見(jiàn)了錢鋒院士,徐玉芳副校長(zhǎng)陪同會(huì)見(jiàn)。相關(guān)研究領(lǐng)域的教師代表聆聽(tīng)了此次報(bào)告會(huì)。

錢鋒院士分析了我國(guó)原材料工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的國(guó)家重大需求,探討了以“智能制造+綠色制造→高端制造”為目標(biāo)的智能優(yōu)化制造的愿景,即實(shí)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(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的智慧決策和智能生產(chǎn)。報(bào)告深入剖析了當(dāng)前工業(yè)企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策層面、生產(chǎn)運(yùn)行層面、能效安環(huán)層面和信息集成層面存在的主要問(wèn)題,為重塑原材料工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈、價(jià)值鏈,實(shí)現(xiàn)智能化、綠色化、高端化生產(chǎn),圍繞基于“先進(jìn)制造+互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代服務(wù)”的生產(chǎn)、管理和營(yíng)銷模式的變革凝練了相關(guān)科學(xué)問(wèn)題。整個(gè)報(bào)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?yàn)殡娮优c通信技術(shù)。電子郵箱jqcao@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(No.XXKZD1605)資助