鞏沐歌,黃一心,鮑旭騰,高 超

(中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海 200092)

中國海洋捕撈的歷史可追溯到夏朝,至今已有4 000多年的歷史。新中國成立后,特別是改革開放以來,隨著漁業(yè)科技的進步,中國捕撈業(yè)迅速發(fā)展,生產力得到極大的提升。1985年中國第一支遠洋漁業(yè)船隊走出國門,拉開了遠洋作業(yè)的序幕,使海洋捕撈走向遠洋,走向全球,也使中國成為世界第一捕魚大國,其中,捕撈裝備發(fā)揮了極其重要的作用。隨著國家海洋強國戰(zhàn)略的不斷實施,對捕撈裝備研發(fā)愈加重視,捕撈裝備科技將在現(xiàn)代捕撈漁業(yè)建設中發(fā)揮著更大的支撐作用。

1 中國海洋捕撈裝備科技發(fā)展狀況

捕撈裝備一般可分為捕撈機械、捕撈漁船、助漁儀器、漁具以及輔助設備。近十年來,在國家重點研發(fā)計劃“藍色糧倉科技創(chuàng)新”重點專項、國家科技支撐計劃項目、公益性行業(yè)(農業(yè))專項等的支持下,中國捕撈裝備的研制在各個方面都取得了不小的成績。

1.1 捕撈機械

中國捕撈機械自主研發(fā)起始于20世紀50年代,研發(fā)了中高壓液壓圍網起網機等一系列有巨大影響的裝備,有力地促進了中國海洋捕撈的發(fā)展。近年來,在各級政府和主管部門的支持下,捕撈機械開展了多方面的研究和應用。

開展基礎研究,助推捕撈效率開發(fā)南極磷蝦拖網曳綱張力平衡的自動化控制模塊,實現(xiàn)拖網網形變形量減少10%的目標。建立數學模型和仿真分析,研究了鋼絲繩張緊力、蓄能器壓強的變化規(guī)律[1];設計并試驗了變頻調速系統(tǒng)控制方案,絞機在額定電壓下實現(xiàn)恒轉矩輸出,能夠快速響應負載變化,自動化程度高[2];通過流體動力學分析方法,研究并開發(fā)了螺旋輸送式蝦水分離器,對其分離效率和輸送速度等參數進行了設計計算和流體分析[3]。

結合作業(yè)方式,研發(fā)多種機械針對捕撈作業(yè)強度大、效率低等問題,結合作業(yè)方式,研制出一批捕撈裝備,極大地提高了海洋捕撈的生產效率,實現(xiàn)了高效、節(jié)能和降低漁民勞動強度的目標。研制成功大型金槍魚圍網捕撈成套裝備,包括動力滑車、三滾筒絞車、浮球牽引機等在內的幾十套設備,結束了該裝備依賴進口的局面,突破了制約中國大洋性金槍魚圍網產業(yè)的發(fā)展瓶頸。研制了深水拖網絞車和舷側起網成套裝備,突破了多設備協(xié)調控制技術及舷側起網多節(jié)滾筒級聯(lián)技術,完全實現(xiàn)國產化,其中拖網絞車可以滿足500～1 000 m水深惡劣海況條件拖網作業(yè)條件。研制完成了運用于新型歐式圍網漁船捕撈設備,包括雙滾筒液壓絞綱機、三滾筒液壓起網機、回轉變幅式理網機、動力系統(tǒng)設備、魚水分離器等高效捕撈裝備。開展了連續(xù)捕撈系統(tǒng)核心裝備潛水式吸蝦泵原理研究與結構設計。研制了新型吸魚泵、五輪起網機、純機械結構起網機安全防護裝置、圍網理網機等一系列捕撈及輔助裝置。

加強應用融合,拓寬應用領域

開展了高海況打撈關鍵技術及相關打撈設備系統(tǒng)升級研究,形成了面向空間站工程飛船返回艙高海況打撈回收關鍵技術,創(chuàng)制了基于主被動復合波浪補償控制技術的新型高海況打撈設備系統(tǒng),圓滿完成執(zhí)行了“神舟號”飛船上升段海上應急救援保障任務。開展了大型養(yǎng)殖網箱平臺捕撈設備研究,研發(fā)無損泵吸起捕裝置,魚類無需經過運動機械結構便被抽吸上來,確保魚體無損傷;吸魚過程可調,操作彈性大;可吸魚的種類及規(guī)格不受限制[4]。

1.2 捕撈漁船

20世紀初,中國近代著名實業(yè)家張謇購置了第一艘機動拖網漁船“福海號”進行海洋捕撈,拉開了中國現(xiàn)代捕撈業(yè)的序幕。1949年后,中國自行設計的“8154型”艉滑道拖網漁船,使中國漁業(yè)向現(xiàn)代化邁出重要一步。隨著漁船數量的迅速發(fā)展,中國逐漸成為世界第一漁船大國。經漁業(yè)數據統(tǒng)計,超過70%的機動漁船是捕撈作業(yè)漁船,但是中國海洋捕撈漁船總體上仍處于數量多、能耗高、技術水平低下的局面。近年來,捕撈漁船重點在玻璃鋼漁船、新型推進系統(tǒng)、船型優(yōu)化和廢能綜合利用等方面的積極開展研究。

開展輕質材料基礎研究,推動新型材料運用

積極開展了玻璃鋼等輕質漁船的研究工作,對5.5 m高密度聚乙烯(HDPE)敞開艇結構強度的可靠性進行了分析研究[5];開展了玻璃鋼漁船帽型骨材的結構優(yōu)化研究設計[6];對大型遠洋玻璃鋼漁船的建造技術從模具的建造形式等多方面進行了研究[7];研究了玻璃鋼強度性能定義的設計流程使玻璃鋼漁船獲得最大的減重效果。

開展新型推進系統(tǒng)研究,推動清潔能源利用

3)提出了抗超高速“軟硬結合、分層配置”的遮彈防護結構，實現(xiàn)了成坑能量耗散與地沖擊衰減，為防護設計和加固改造提供了可靠手段。

電力推進技術和LNG(液化天然氣)技術越來越得到重視,設計建造了中國第一艘電力推進漁船,36.5 m電力推進拖網漁船,提出了基于北斗衛(wèi)星通信的金槍魚釣船油電混合動力系統(tǒng)[8];開展了對漁船進行油氣混合雙動力發(fā)動機改裝研究[9];開展了柴油機雙燃料漁船改造試驗[10];設計了一種將有源濾波與無源濾波相結合的混合型濾波器,應用于船舶電力推進系統(tǒng)[11]。

以船型優(yōu)化為研究內容,推動節(jié)能船型推廣

建立多元非線性回歸方程,可對有效拖力和網板匹配進行估算,為技術經濟論證提供參考[12]。運用船型優(yōu)化綜合方法,開發(fā)了320總噸遠洋雙甲板拖網漁船,示范應用節(jié)能20%以上,捕撈效率提高了20%,實現(xiàn)增產增收[13]。相關研究顯示,雙速比推進方式可以有效地提高動力系統(tǒng)的可靠性和經濟性[14]。設計了一款軟件系統(tǒng)優(yōu)化漁船結構設計流程,得出延繩釣漁船使用的撞角型球鼻艏具有較好的減阻效果[15]。

開展多種新型漁船建設,推動過洋漁業(yè)發(fā)展

研發(fā)了多種新型拖網、圍網等漁船,研發(fā)的長度為13 m的聚乙烯標準化漁船順利成型,標志中國聚乙烯滾塑船艇制造水平達到國際領先[16]。隆興801和隆興802大洋性玻璃鋼超低溫金槍魚延繩釣船,是中國內地首次研發(fā)、設計、建造的總尺度最大、設備配備最先進的公約船[17]?；贏FE變頻+永磁雙電樞電機驅動技術的船舶電力推進系統(tǒng)的60 m燈光圍網漁船和49.5 m金槍魚延繩釣漁船成功試航[18]。LNG動力示范拖網漁船“粵汕城漁16118”和電力推進新能源漁船“粵汕城漁16117”成功試航,填補中國鋼質海洋捕撈漁船在新能源動力系統(tǒng)在應用中的空白[19]。專業(yè)南極磷蝦捕撈加工船“深藍”號,是國內最大最先進的遠洋漁業(yè)捕撈加工一體船,標志著中國在現(xiàn)代化漁業(yè)船舶裝備領域取得重大突破。

開展廢能綜合利用研究,提高能源利用效果

中國已在漁船設計、制造和使用方面開始考慮節(jié)能降耗的問題,設計了鼓泡蒸發(fā)式海水淡化裝置,利用漁船發(fā)動機排出的高溫尾氣通過換熱管間接為海水淡化提供主要熱源,有效地節(jié)約了能源[20];設計了實用型漁船氨水吸收式制冷系統(tǒng),將主機廢氣部分熱源回收制冷給魚艙漁獲物保鮮,經過實船運行驗證,制冷效果顯著[21];設計了LNG動力漁船流化冰制取系統(tǒng),推動了能量的梯級利用[22]。

1.3 助漁儀器

中國從20世紀50年代開始生產電子管式探魚儀,1968年,探魚深度50 m的探魚儀研制成功并投入使用,徹底改變了中國漁民只憑經驗捕魚的落后狀況。隨后探魚深度逐漸加深,1980年研制的雙頻率探魚儀,探魚深度達到200 m,測深可達到500 m,成為20世紀80年代以來中國主要的助漁儀器。近年來,隨著物聯(lián)網的興起,船聯(lián)網成了一個研究熱點。助漁儀器重點在高性能、高精度探魚儀和船聯(lián)網上積極開展研究。

近年來,中國在高性能、高精度探魚儀上積極開展研究,設計具有數據采集時間記錄功能的圍網網具沉降儀[23]。提出了新的可調幅正弦波設計方法,使魚探儀發(fā)射波形成的水下噪聲干擾較小[24];設計了燈載視頻系統(tǒng)[25]。開展了FFS25P數字多波束探魚儀關鍵技術研究,完成了國內第一臺全數字360°多波束探魚儀設備研制,設備提供128個通道聲學信號處理能力,對0 dB目標的探測距離可以達到2 600 m,部分指標達到國際先進水平[26]。針對海上漁船與放流在海面的浮標遠距離通訊傳輸時存在信息易丟失、通信費用高以及數據顯示終端不夠友好等諸多問題,使用哈夫曼編碼壓縮方法,利用衛(wèi)星信號收發(fā)服務器提供中轉,通信數據流量最高壓縮比達到0.58,平均節(jié)省通信成本40%[27]。

開展船聯(lián)網的構建研究,推動智能捕撈發(fā)展

漁業(yè)船聯(lián)網在中國剛剛起步,目前開展了基于智能漁船的漁業(yè)和轉發(fā)等關鍵技術,完成了船載數據處理與交換設備、海洋智能數據采集浮標和漁業(yè)專用頻段船載數字電臺的研制工作,實現(xiàn)在漁船運行過程中進行系統(tǒng)化的感知、分析、推理、決策與控制。開展了基于北斗船位數據的漁船航次分析,為地方管理部門漁業(yè)管理提供依據[28]。研究了數據接收與控制終端軟件,漁船獲取海洋浮標數據,方便漁船尋找[29]。

1.4 漁具及輔助設備

四千多年前,中國就出現(xiàn)了釣具和網具。隨著技術的發(fā)展,漁網使用的材料經歷從棉麻等天然材料向聚乙烯、尼龍、滌綸等合成纖維材料轉變的過程。由于聚乙烯的性能優(yōu)異和價格低廉,因此被廣泛應用。20世紀60年代,中國開始研制織網機,80年代突破了連續(xù)運轉穩(wěn)定性的技術關鍵,實現(xiàn)了國產織網機替代進口產品,推動了整個網具產業(yè)的發(fā)展。近年來,漁具及輔助設備重點在材料性能、網板結構以及網具性能等方面積極開展研究。

開展基礎研究,增強漁具綜合性能

合成纖維是漁具的基本組成要素,因此,纖維性能對漁具的強度、壽命和成本均有重大影響。對多種規(guī)格的迪尼瑪纖維釣線的斷裂強度及耐磨特性進行對比研究,得出相關性能的數據,為魷魚釣主線和子線的選擇提出了建議[30]。開展材料改性研究,改性后的HDPE與原來相比,其斷裂強度、屈服強度和斷裂伸長率分別提高了37.2%、5.1%和27.0%[31]。開發(fā)了漁用中高分子量聚乙烯繩索、中高分子量聚乙烯/聚丙烯/乙丙橡膠網線、聚烯烴耐磨節(jié)能網片,與傳統(tǒng)漁用材料相比,3種新材料消耗分別降低35.3%、22.9%、30%,且產品的拉伸力學性能、耐磨性、耐老化性等綜合性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)產品。網片是網具的主要構件,它的性能關系到捕撈生產的效能,開展編結網片水動力試驗研究,表明高分子編結網片的阻力系數與網目系數、網線粗度和雷諾數有關[32]。通過合理地調整網板的形式與參數,可以提高拖網作業(yè)效率。開展風洞試驗,對雙開縫曲面網板進行研究表明:具有凸梯形導流板的升力較大,阻力較小,具有扇形導流板網板穩(wěn)性較高[33]。開展了總長度、網身長度、網口周長、浮沉子綱等主要結構參數對大網目拖網網具性能影響研究[34]。

研制網具裝置,助推遠洋捕撈產業(yè)

隨著中國海洋漁業(yè)裝備水平和捕撈能力的顯著提升,遠洋捕撈已成為中國捕撈業(yè)的主要趨勢。研制了多個南極磷蝦拖網,推動了中國南極磷蝦網具的國產化進程,其中六片式結構單船有翼單囊拖網,作業(yè)拖速2.5～3.0 kn時,網具平均能耗系數為0.81,實現(xiàn)了網具與網板中裝備國產化[35];300型四片式結構的南極磷蝦拖網,直徑6 mm雙線結節(jié)強力達到5 836 N[36];對金槍魚網具進行了改進,研發(fā)了生態(tài)高效金槍魚漁具、魷魚燈光罩網、生態(tài)型大網目拖網、變水層拖網、圍網等一系列網具,增加了產量,降低了能耗。自主設計研發(fā)的過洋性漁業(yè)拖網裝置,在拖速3.0 kn,曳綱長度150 m時,水平擴張裝置升力達44.798 kN,阻力為7.665 kN,升阻比達到5.8,各項性能均優(yōu)于相似面積的進口空心網板[37]。

優(yōu)化輔助設備,推動作業(yè)過程節(jié)能

集魚燈是一種基于魚類趨光性特點研制的捕撈輔助設備,具有誘魚和集魚的功能,不少學者對此開展了研究,對光誘漁船集魚燈水中照度及配置進行研究,提出了優(yōu)化配置[38]。設計的遙控調光LED集魚燈能完成單組128級、三組組合調光功能,能夠實現(xiàn)智能集魚捕撈作業(yè)[39]。

2 存在的問題

2.1 捕撈機械研究技術相對滯后,自動化、信息化水平低

目前,中國海洋捕撈主要采用的是群眾性漁船作業(yè)方式。大中型拖網和圍網漁船配備了比較完善的中高壓傳動捕撈機械,中小型漁船捕撈機械仍然采用傳統(tǒng)機械傳動或簡單的液壓傳動方式,裝備傳動效率低、安全性差、自動化與專業(yè)化水平偏低。捕撈甲板設備操作仍然以手動機側操作為主,沒有采用集控方式,系統(tǒng)設備作業(yè)協(xié)調性無法得到有效保障。雖然捕撈裝備技術經過數十年的發(fā)展,構建了以捕撈機械液壓加載、漁具拖弋水槽為核心的試驗系統(tǒng)。但與國外相比,中國捕撈裝備的技術研發(fā)還處于跟蹤研制階段,自主創(chuàng)新與研發(fā)能力亟待提升,專業(yè)化、信息化水平很低,耗能大、效率低,尤其是在大洋性漁船的裝備方面,如南極磷蝦連續(xù)捕撈吸蝦泵[40]、大型拖網起網設備、變水層拖網曳綱張力平衡系統(tǒng)、選擇性捕撈漁具等水平明顯落后國際先進的研發(fā)水平,生產效率低,競爭力不強,產業(yè)發(fā)展受到限制。在魷魚釣作業(yè)方面,還以人工手釣為主,漁船用工成本占總成本的比例從10年前的30%驟增到目前的65%[41]。

2.2 捕撈漁船研發(fā)技術有待加強,自主設計能力有待提升

近年來,中國漁業(yè)船舶的研究水平取得了長足的發(fā)展,在近海標準漁船船型和大洋性捕撈漁船研發(fā)方面取得了明顯的進展,為漁船裝備的現(xiàn)代化發(fā)揮了重要的支撐作用。在基礎研究方面,中國對基本船型的研究積累非常薄弱,絕大部分新造漁船的船型設計,來自對同類漁船的參照和經驗積累,僅僅對主要作業(yè)船型的阻力、穩(wěn)性、快速性開展了分析研究,然而船型參數優(yōu)化、系列化等研究開展不多,與發(fā)達國家相比存在較大差距。在技術研發(fā)方面,節(jié)能新技術的應用有待加強。中國漁業(yè)船舶設計對新技術的應用不多,主要沿用船舶工業(yè)的成熟技術,如船型計算與設計軟件、球鼻艏、導管槳等。中國在先進技術如電力推進、LNG燃料動力、玻璃鋼漁船研發(fā)和建造、全船自動控制等方面的研發(fā)方面創(chuàng)新不多,進展滯緩,存在較大的差距。當前中國FRP(纖維增強聚合物,俗稱玻璃鋼)漁船在船型結構、成型工藝、原材料使用上與國外并無二致,且都在合理范圍,然而船長40～60 m的玻璃鋼遠洋漁船標準、規(guī)范等仍屬空白領域,有待進一步探索及提升。在遠洋漁船的研制方面,中國在大型和超大型專業(yè)化漁船方面差距明顯,如南極磷蝦捕撈加工船、大型拖網加工船領域,還不具有全面的自主設計能力。

2.3 助漁儀器基礎研究薄弱,關鍵核心技術有待突破

國內助漁儀器關鍵技術雖取得了一定進展,但與國外先進技術還存在較大差距,中國自主研發(fā)的助漁儀器在精度、穩(wěn)定性、使用壽命等仍存在較大差距。由于受到技術發(fā)展水平,特別是一些關鍵技術發(fā)展水平的制約,中國的探魚聲吶技術水平在魚群數量統(tǒng)計和魚體大小估計,并對魚群高分辨成像方面與世界先進水平存在較大差距。中國漁船上配置簡單,設備間的接口缺乏統(tǒng)一性,也缺乏綜合性的通導設備。雖然,中國也能運用網位儀對網具進行觀察,但自動控制比較差。一些漁船往往利用歷史經驗,借助表層水溫器和魚探儀尋找和跟蹤中心漁場,定位盲目性過大,準確率較低。因此,漁船助漁導航設備如探魚儀和網位儀等信息化設備主要依賴進口。此外,中國在極地生物資源的遙感探測也處于起步階段。

2.4 漁具設備性能有待提高,缺乏綜合性設備

與世界先進研究水平相比,中國在漁具的基礎研究方面比較薄弱,未提出自己的漁具模型試驗準則,對于原有試驗準則的校正以及理論更新研究等也沒有開展。在漁具的材料研制上也比較薄弱,普遍使用聚乙烯材料的網片、網線等,其強度不到國外的一半,同時也缺乏對網具材料的適配性的研究。雖然近些年中國漁具漁法取得了進步,中小型漁具國產化程度較高,專業(yè)化的漁具也已出現(xiàn),但是大型的拖網等仍需要從國外進口。一些釣具也僅僅生產釣鉤,缺乏對核心技術的掌握[42]。網板的型式結構較為簡單,性能也有待于改進提高,與國外先進水平差距很大。國內遠洋魷釣上還在大量使用金屬鹵化物集魚燈誘魚,集魚效果有待進一步提高。

3 中國海洋捕撈裝備科技發(fā)展建議

3.1 以資源友好型為研發(fā)重點,推進捕撈機械向高效型、友好型發(fā)展

建立資源友好型捕撈機械,為海洋漁業(yè)資源開發(fā)與綜合利用提供技術支撐;進一步完善液壓捕撈控制系統(tǒng),突破基于電液集成和起網系統(tǒng)的關鍵技術,開展新型的電力捕撈系統(tǒng)研究,開展拖網自動捕撈技術以及磷蝦連續(xù)吸捕技術的研究和裝備開發(fā);突破漁具負載敏感控制網形優(yōu)化技術,開展裝備與漁具漁法高效協(xié)同控制技術研究,研制選擇性捕撈、高效精準作業(yè)智能裝備;開展遠洋大型魷釣、金槍魚圍網、舷提網捕撈裝備的自動化研究,優(yōu)化控制模式,提升捕撈效率;助推藍色糧倉建設,開展深遠海漁業(yè)關鍵技術和裝備研究,培育和壯大海洋產業(yè)發(fā)展新動能。

3.2 以結構優(yōu)化為研發(fā)重點,推進捕撈漁船向綠色、專業(yè)化發(fā)展

強化漁船應用基礎研究,利用數字化模擬平臺開展船型優(yōu)化設計和精細化分析,完善并構建新型漁船設計計算軟件,實現(xiàn)漁船設計建造數字化;開展輕質材料運用研究,大力推進近海漁船玻璃鋼化,注重廢舊玻璃鋼漁船的綠色降解;研發(fā)電力、天然氣等清潔能源使用技術,推動漁船的綠色發(fā)展;開展?jié)O船主機余熱制冷保鮮等集成應用研究,推動能量多級有效利用;重點研發(fā)以南極磷蝦捕撈加工船以及抗風浪專業(yè)魷魚釣船為代表的大洋性、極地作業(yè)的大型捕撈加工船。

3.3 以互聯(lián)互通為研發(fā)重點,推進助漁儀器向智能、高精度發(fā)展

研發(fā)突破遠距離、高分辨率、低噪聲、高精度探測關鍵技術,融入深度學習算法,對魚類目標的識別和統(tǒng)計進行智能化評估及其精準探測,實現(xiàn)深遠海漁業(yè)資源的精準化探測和智能化跟蹤評估。開展船聯(lián)網技術研究與工程建設,研究數據采集、傳輸、處理的關鍵技術和裝備,完善船聯(lián)網數據、接口標準,提升船聯(lián)網安全水平,建立數據應用平臺;開展智能漁業(yè)生產關鍵技術攻關,推動智能船舶、智能機艙、智能捕撈的實現(xiàn)。

3.4 以生態(tài)作業(yè)為研發(fā)重點,推進漁具設備向環(huán)保、節(jié)能化發(fā)展

開展高強度、功能性和可降解性材料的研究應用,為新型環(huán)保網具打下基礎。結合作業(yè)要求,設計優(yōu)化高效低耗環(huán)保的新型網板,提高作業(yè)效率。開展魚類行為研究,加強專業(yè)性、生態(tài)型、高選擇性的漁獲性能良好的捕撈漁具和裝置的研制。加強控制研究,實現(xiàn)網具結構的自動調整,以匹配捕撈的智能化。開展大功率LED集魚燈和特殊頻率集魚燈的研制,提高誘集魷魚等聚光性捕撈魚類的捕撈范圍和穩(wěn)定性。