劉思源，黃林琪，范桂兵，朱庭琨，陳伯豪，俞國(guó)燕

(廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江 524088)

0 引 言

在海水養(yǎng)殖中，有很多不同的養(yǎng)殖方式，其中網(wǎng)箱養(yǎng)殖是一種重要的養(yǎng)殖方式，包括近海網(wǎng)箱和深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，海下的環(huán)境相對(duì)于陸地的環(huán)境而言，更加復(fù)雜，因此在未來(lái)，無(wú)論是普通的近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖還是近年來(lái)不斷發(fā)展的深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖都需要往智能化、自動(dòng)化、環(huán)保節(jié)能高效等方向發(fā)展，而智能化、自動(dòng)化的發(fā)展往往依靠養(yǎng)殖生產(chǎn)模式和配套設(shè)施，因此在我國(guó)網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)代化的海洋設(shè)施養(yǎng)殖生產(chǎn)模式的發(fā)展緊密相關(guān)[1]。而且，在網(wǎng)箱養(yǎng)殖的過(guò)程中，網(wǎng)箱上的網(wǎng)衣常常會(huì)因?yàn)楹Ｑ笾械母∮蝿?dòng)植物的附著滋長(zhǎng)而影響網(wǎng)箱內(nèi)外的水體交換，更嚴(yán)重的是長(zhǎng)時(shí)間的附著會(huì)損壞網(wǎng)箱網(wǎng)衣，需要進(jìn)行網(wǎng)衣更換作業(yè)，增加網(wǎng)箱養(yǎng)殖的成本[2]，因此對(duì)于網(wǎng)箱養(yǎng)殖而言，網(wǎng)箱網(wǎng)衣的清洗工作的重要性不言而喻。

目前，國(guó)內(nèi)的網(wǎng)箱清洗設(shè)備還是比較少，關(guān)鍵的清洗技術(shù)大多類似，且較為薄弱，智能化自動(dòng)化程度不高，傳統(tǒng)的清洗技術(shù)以人工清洗為主，大多需要人工進(jìn)行操作，工人作業(yè)量較大，勞動(dòng)力成本較高，清洗網(wǎng)衣效果較差，清洗工作效率不高，因此對(duì)于上述痛點(diǎn)，網(wǎng)箱清洗技術(shù)和方案的研究刻不容緩。

筆者根據(jù)網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗的特點(diǎn)，提出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)箱清洗機(jī)器人方案綜合分析對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，得出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到有效清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣的效果，解決清洗效率較低，自動(dòng)化水平不高，清洗效果差等問(wèn)題，以此能夠更好的提高我國(guó)海洋網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化智能化水平。

1 網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗特點(diǎn)

網(wǎng)衣是網(wǎng)箱養(yǎng)殖中不可缺少的部分，也是網(wǎng)箱清洗的主要清洗對(duì)象，網(wǎng)衣的規(guī)模巨大，大小不一，特別是深水網(wǎng)箱，長(zhǎng)達(dá)幾十周長(zhǎng)的網(wǎng)衣比比皆是，而且網(wǎng)衣主要使用場(chǎng)所為海下，所以清洗難度大，且清洗效果要求高。以下是前往廣東省湛江市東海島調(diào)研活動(dòng)中所拍攝到的照片。

由圖1可知，網(wǎng)衣上有較多的孔洞，且網(wǎng)衣規(guī)模尺寸巨大，極易使得海水中的浮游動(dòng)植物，如藻類貝類等附著性較強(qiáng)的生物附著會(huì)對(duì)網(wǎng)箱內(nèi)養(yǎng)殖魚類的生長(zhǎng)活動(dòng)產(chǎn)生影響，因此對(duì)網(wǎng)衣的清洗作業(yè)需要定時(shí)進(jìn)行，并達(dá)到一定清洗效果，這要求清洗方式和清洗設(shè)備需要具有極高的清洗能力。所以，在網(wǎng)衣的自動(dòng)化智能化、以及高效清洗的實(shí)現(xiàn)上，清洗方式和清洗設(shè)備的選擇在清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣的過(guò)程中顯得十分重要。

圖1 網(wǎng)衣上的附著物

目前，對(duì)于網(wǎng)箱清洗，可普遍分為物理、化學(xué)和生物等三類防污法[3]，具體主要有九種方法：人工、生物、機(jī)械、藥物、物理等五種清洗方式以及陽(yáng)光暴曬、沉箱法、定期換網(wǎng)法以及上提下沉法[4]。其中人工清洗和陽(yáng)光暴曬這兩種方法都較為原始，而且所需的工人量較多，工人作業(yè)量大，勞動(dòng)力成本高。當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流是使用高壓水槍，將網(wǎng)衣拖上岸人工刷子清洗, 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還尚未大規(guī)模地與水下機(jī)器人相結(jié)合使用[5]。但是，隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)不斷向著智能化、自動(dòng)化、環(huán)保節(jié)能高效方向發(fā)展，機(jī)器清洗逐漸代替人工清洗，越來(lái)越多的網(wǎng)箱養(yǎng)殖戶開(kāi)始利用機(jī)器對(duì)網(wǎng)箱網(wǎng)衣進(jìn)行清洗，與人工清洗下相比，機(jī)器清洗的特點(diǎn)是清洗高效，操作方便、安全、省力，可以保證較高的清洗效果的同時(shí)也能保證工作效率。

2 基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的特點(diǎn)以及對(duì)網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗中現(xiàn)階段存在的問(wèn)題綜合分析后，提出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)方案?；诳栈淞鞯纳钏W(wǎng)箱清洗機(jī)器人利用與高壓射流不同的空化射流來(lái)進(jìn)行網(wǎng)衣清洗作業(yè)，主要的設(shè)計(jì)依據(jù)來(lái)自于對(duì)空化射流這一新技術(shù)的應(yīng)用以及實(shí)際網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗的需要，設(shè)計(jì)的清洗機(jī)器人具有一定的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性。

基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人主要由三大系統(tǒng)組成：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)、控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)和清洗系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，能夠適應(yīng)多種規(guī)格網(wǎng)箱網(wǎng)衣，提供爬行動(dòng)力；控制系統(tǒng)調(diào)整性能好，搭載了攝像頭，并通過(guò)四周螺旋槳?jiǎng)恿φ{(diào)節(jié)機(jī)器的方向，使清洗效果更加全面；清洗系統(tǒng)由上位機(jī)高壓水泵和下位機(jī)清洗盤組成，采用空化射流技術(shù)，通過(guò)高壓水流使歧管高速旋轉(zhuǎn)，噴出水流達(dá)到清洗效果。

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖3 控制系統(tǒng)

圖4 清洗系統(tǒng) 圖5 基于空化射流的深水網(wǎng) 箱清洗機(jī)器人實(shí)體圖

基于三大系統(tǒng)，該設(shè)備有三大主要功能水下網(wǎng)衣清洗功能、水體環(huán)境檢測(cè)功能、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)功能。通過(guò)三大功能，用戶只需通過(guò)遙控手柄即可對(duì)基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過(guò)顯示屏，即可簡(jiǎn)潔明了地掌握網(wǎng)箱內(nèi)部各種情況，能夠檢查網(wǎng)箱網(wǎng)衣的破損情況，也能夠觀測(cè)網(wǎng)衣上附著物的程度，進(jìn)而判斷是否需要對(duì)該網(wǎng)衣進(jìn)行清洗，用戶無(wú)需進(jìn)行換網(wǎng)、曬干等繁雜步驟后方可進(jìn)行網(wǎng)衣清洗，可以定時(shí)進(jìn)行清理，預(yù)防附著物過(guò)多導(dǎo)致的水中含氧量降低，降低養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)。

該設(shè)備基本上擺脫了人工下水操作，利用上位機(jī)和下位機(jī)，只需要通過(guò)遙控手柄即可對(duì)網(wǎng)衣清洗機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)采用履帶輪，履帶總成中采用質(zhì)量小、振動(dòng)輕、耐腐蝕性強(qiáng)以及適合水下作業(yè)的膠齒驅(qū)動(dòng)式橡膠履帶[6]。為操作方便，網(wǎng)衣清洗機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)配套軟件處理后能由顯示屏顯示，同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，通過(guò)顯示屏顯示擬合的圖像和養(yǎng)殖日記供用戶參考，對(duì)種植過(guò)程實(shí)施精細(xì)化管理，以提升管理水平，節(jié)約管理成本。

通過(guò)與人工對(duì)比分析可以得出，該設(shè)備在進(jìn)行網(wǎng)箱網(wǎng)衣水下作業(yè)時(shí)，比起人工潛水作業(yè)，機(jī)器下水安全性更高，且利用空化射流技術(shù)，具有創(chuàng)新性和高效性，利用多路高壓水槍高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的大量氣泡破裂的能量來(lái)清洗網(wǎng)衣上的附著物，能夠?qū)崿F(xiàn)更為充分有效的網(wǎng)衣清洗，與同類型作業(yè)級(jí)ROV水下機(jī)器人相比，該設(shè)備工作效率更高，且更具多樣化功能，且能滿足大部分養(yǎng)殖戶對(duì)成本等個(gè)性化要求。圖5所示為基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人的實(shí)體圖。

3 清洗機(jī)器的備選方案介紹

結(jié)合上述網(wǎng)箱網(wǎng)衣的特點(diǎn)及其現(xiàn)場(chǎng)工況，并參考國(guó)內(nèi)外同行清洗設(shè)備，介紹分析兩種備選方案，分別是渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備、歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機(jī)。下面將分別介紹備選方案的可行性及其特點(diǎn)。

3.1 渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備

渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備使用了汽油機(jī)作為原動(dòng)力，主要以水泵和轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤為兩個(gè)部分組成，通過(guò)水泵將汽油的化學(xué)能與水流的機(jī)械能轉(zhuǎn)化,以此來(lái)達(dá)到提供能量的目的，而水流的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能是利用轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤通過(guò)水流對(duì)圓盤的反作用力實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的互換，最終帶動(dòng)毛刷的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)毛刷充分接觸摩擦網(wǎng)箱網(wǎng)衣，達(dá)到機(jī)器清洗網(wǎng)衣的目的，同時(shí)在深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中，因深海網(wǎng)箱離岸較遠(yuǎn)，產(chǎn)生無(wú)法為機(jī)器提供動(dòng)力的問(wèn)題，而通過(guò)該設(shè)備的設(shè)計(jì)，利用汽油機(jī)則能夠有效的解決此問(wèn)題，提高了工作效率[7]。

由圖6可知，通過(guò)對(duì)該網(wǎng)箱清洗設(shè)備的綜合研究分析可知：該設(shè)備設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠有效的解決動(dòng)力問(wèn)題，優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)；但是由于使用該設(shè)備必須需要人工進(jìn)行配合，需要操作人員攜帶設(shè)備潛入水下進(jìn)行清洗工作，對(duì)勞動(dòng)力的要求較高，人工勞動(dòng)密度較高，智能化程度較低，同時(shí)其消耗的能耗大，使用汽油機(jī)作為動(dòng)力，對(duì)環(huán)境污染大，且海水的侵蝕極易損壞該清洗設(shè)備內(nèi)部的軸承，維修成本較高，故缺點(diǎn)也同樣明顯。

圖6 渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備簡(jiǎn)圖

3.2 歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機(jī)

歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機(jī)雖然結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是其具有靈活性強(qiáng)，安全性好等優(yōu)點(diǎn)。

隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷朝著環(huán)保高效節(jié)能轉(zhuǎn)變，網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗設(shè)備也在不斷朝著水動(dòng)力和太陽(yáng)能電力驅(qū)動(dòng)等環(huán)保節(jié)能方向發(fā)展，因此以利用水動(dòng)力來(lái)解決岸電供應(yīng)困難的痛點(diǎn)問(wèn)題的歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機(jī)，也順應(yīng)了網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。由名字可知，該設(shè)備主要是利用導(dǎo)流式的歧管以旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行網(wǎng)衣的清洗，其工作原理主要是利用前擋板，旋轉(zhuǎn)式的高壓水流通過(guò)多個(gè)噴嘴噴射出，將清洗設(shè)備能夠清洗的網(wǎng)衣面積擴(kuò)大，同時(shí)利用后蓋的通孔將螺旋槳上的葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，在這其中所產(chǎn)生的水流推力基本消除，使得清洗設(shè)備能夠在清洗作業(yè)的過(guò)程中與網(wǎng)衣一直緊貼，降低操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了對(duì)網(wǎng)衣上的附著物的清洗效果，增強(qiáng)安全性。

歧管等一系列新技術(shù)的引入使得歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機(jī)能夠在一定程度上克服高壓倉(cāng)式洗網(wǎng)機(jī)水頭損失大的缺點(diǎn)[8]，提高了清洗效率，同時(shí)，該設(shè)備的維修成本為同行業(yè)其他設(shè)備相比較低，但是其缺點(diǎn)同樣明顯，還是未能擺脫需要人工操作的問(wèn)題，勞動(dòng)力依賴程度高，自動(dòng)化水平較低。

4 應(yīng)用效果對(duì)比

通過(guò)對(duì)上述 3 種方案的介紹及其綜合性能的分析，最終甄選出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，具體優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1所列。

表1 網(wǎng)衣清洗設(shè)備的三種方案比較

由表1可知，基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)方案與其他兩套方案相比，雖然維修成本相對(duì)較高，但是考慮到網(wǎng)箱養(yǎng)殖與普通的漁場(chǎng)不同，特別是深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖，作為高投入高收入高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)，資金投入規(guī)模較大，且隨著勞動(dòng)力越來(lái)越緊缺，人工成本也在不斷的上漲，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，購(gòu)置網(wǎng)箱清洗機(jī)器人的成本比起人工成本隨著時(shí)間的推移會(huì)不斷的減少，時(shí)間越長(zhǎng)，人工成本越高，而網(wǎng)箱清洗機(jī)器人的成本越低，且機(jī)器人能夠滿足養(yǎng)殖過(guò)程中的多種作業(yè)需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗中3種設(shè)備方案的討論與分析得出最適合網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗的基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。該方案清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣效果好，工作效率高，自動(dòng)化水平高，并且節(jié)能環(huán)保，安全穩(wěn)定性高，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，且通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，該方案大大降低了網(wǎng)箱清洗作業(yè)對(duì)人工的需求，不斷提高了產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化水平，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)方案的要求。