基于模糊推理的智能投喂控制技术研究文献综述 - 图文

“基于模糊推理的智能投喂控制技术研究”

文献综述

1. 引言

我国是海洋大国，海洋自然条件优越，海域辽阔。随着我国深水网箱的快速发展，深水网箱养殖向—20 m以深水域拓展，单个网箱养殖水体也进一步扩大，但是缺少与深水网箱养殖相配套的自动投饵设备和技术。目前我国深水网箱养殖主要采用人工投饵，其具有劳动强度大、喂料不均匀、投饵量难控制、适应环境能力差等缺点。国内池塘养殖使用的一些小型的简易自动投饵机，完全不能适应深水网箱养殖高密度、大容量养殖的需要。基于我国海水养殖面临的产业发展难题以及我国正在兴起的深水网箱养殖及产业发展技术需求，深水网箱养殖作为一种高新技术对渔业现代化的发展具有重大的意义。

深水网箱智能投喂控制技术是为深水网箱规模化养殖构建的自动化控制系统，网箱智能投喂控制技术的开发和应用可以大大降低养殖工人的劳动强度，提高饲料的利用率，减少养殖过程的人为疏失，提高养殖管理水平和养殖效率，对于提高网箱养殖产量以及养殖由传统模式向现代化养殖模式迈进有重大的推进作用。

2.国外研究现状

挪威、丹麦、 美国、日本等许多国家，网箱养殖产业的自动化程度都很高，基本上已经脱离了靠人工喂养的原始养殖模式，自动化投饵系统的应用非常普遍，在饵料的生产、运输、储存以及最终投放等各个环节都能做到精确的数量控制。其中挪威的水产养殖行业起步很早而且发展很快，从 1986 年开始挪威就在鳕鱼幼鱼养殖上应用了音响集鱼系统和自动投饵系统。

深水网箱一般离海岸的距离比较远，所以深水网箱养殖一般建有海上工作平台，在这些养殖业发达的国家有的还配有工作船，投饲设备可以安装在海上工作平台上面或者工作船上。自动投饲机与网箱之间通过管道连接，饲料经过管道投

放到网箱内。国外的自动投饲控制系统的自动化程度很高，通过投饵机控制器和电脑之间的通信,在电脑上就可以实现远程操作。

芬兰的 Arvo-tec 公司开发设计了机器人投饵系统，这种系统专门为陆基养殖系统设计。这种机器人投饵系统精度很高，但是这种系统的缺点是投喂量不大。

AKVAGROUP 在水产养殖技术行业中有很强的技术优势，它有四种主打品牌：wavemaster、polarcirkel、 fishtalk 、akvasmart。其中 wavemaster 的主要产品有钢制网箱、养殖渔船、各种类型的渔网。Polarcirkel 的主要产品有塑料网箱、小船、船坞和码头、HDPE 管道系统。

加拿大得 Feeding Systems 公司所研制的自动投饵设备能够很好的应用于深水大型网箱养殖以及工厂化养殖。同时该公司还推出了适用于不同养殖对象的自动投饵控制软件，通过硬件设备和软件系统的良好配合极大地提高了投饲效率和饲料利用率。

日本的日东制网公司也生产了使用小料仓的自动投饲设备，他们采用的方法是在每个深水网箱上面悬挂小料仓，通过配套的计算机控制系统可以实现对多个小料仓的集成控制。

美国 ETI 公司也研发了很先进的自动投饵系统，他们很好的解决了投饲机在投放饲料的过程中对饲料的损伤这一问题，而且这套被称为 FEEDMASTER 的投饵系统饲料存储量大、系统工作可靠性和投饵精度都很高。

意大利的海水养殖业中浮式网箱的应用很普遍，所以意大利专门研发了适用于这种网箱的自动投饵设备。后来 Techno SEA 公司又研发出了沉式自动投饵机 Sub feeder，这种投饵机能够全天候投喂，而且能够保证在恶劣的海洋环境下正常工作。

图1 挪威AKVA集团深海网箱自动投饵系统

图2 挪威AKVA集团深海网箱养殖分析软件

3.国内研究现状

我国的水产养殖业在很多情况下还是使用小杂鱼作为养殖饲料，饲养模式也还是主要靠人力进行搬运和投喂这种比较原始的方法。虽然国内一些内陆水域养殖业也使用简单的机械设备进行投喂，但是这些机器不论是设计还是功能都很简单，根本无法应用于深水网箱养殖高密度大规模的养殖需求。

大连水产学院也对自动投饲设备进行过研究，研制出了机械式对虾投饵装置。

这套投饵设备由柴油机带动水泵，通过水泵产生高压水流，用水流冲刷的方式将储料设备中的饲料通过铺设的管路冲到目标水体中, 达到投饵的目的。但是该设备设计比较简单，没有实现自动控制。

此后水科院渔机所设计了采用气力输送原理的投饵系统。该设备采用的气力输送系统的投饲距离能够达到 50 m, 投饲能力能达到 500 kg/h。该设备具备了一定的自动化投饲能力。

中国海洋大学也研制了采用高压水流输送饵料的投饲设备，该设备能够应用于深水网箱等密度较高的养殖环境。这一设备比之前的同样采用水压输送方式的机械式对虾投饵装置更为先进，最高投饲速度能够达到 200 kg/h。

中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所与中国水产科学研究院南海水产研究所共同研发的深水网箱远程多路自动投饵系统，该系统已经完全赶上并超过了国外同类型的设备，而且拥有完整的知识产权。主要特点有：经济实用，设备造价比国外低一半以上，而且随着研究的进一步发展，设计以及加工工艺进一步改善，造价还能进一步降低；设备整体采用采用 316 型不锈钢，防腐性能很高；控制系统的控制和操作性能也比国外同类型的产品优越。该自动投饵系统在投饵输送距离为每小时 300m，投饵量为每小时 1200kg，系统风量为每分钟 5.56m3，系统风压为 49kpa。吨料能耗每吨每小时最大为 8.4kw(平均为 5.0w/t*h)，投饵过程中投饲机对饲料的损伤率极低（不到 1%）。

图3 我国首套深海网箱自动投饵系统

图4 远程多路自动投饵系统设备

4. 存在的问题

我国是水产养殖大国，养殖产量约占亚洲总产量的一半。从上世纪 80 年代开始，我国开始发展网箱养殖技术，良好的自然水域环境与高产的网箱养殖技术相结合，改变了传统的单纯捕捞作业模式，生产出优质的水产品，形成了高效的市场竞争力。但由于现代科学技术的落后，我国网箱养殖仍处在一个比较落后的生产模式，养殖现场只设置有养殖箱以及增氧设备，各种问题的检测和处理都要靠养殖人员到现场才能解决。网箱养殖存在的主要问题有四种：一是养殖网箱布局不合理；二是养殖对象疾病爆发无法及时察觉；三是网箱养殖对局部海域环境造成严重影响；四是投食、增氧不够及时。

4.1. 网箱布局不合理

由于近海岸以及内弯海域风浪较小、水流较慢，非常适合于网箱养殖，因此这些地点放置了大量的养殖网箱。但近海水域随着时间、季节的变化，其洋流、潮汐和海面高度都会发生一定的改变，使得养殖网箱的布局在一定时间内会显得

不合理。

4.2. 养殖对象疾病爆发无法及时察觉

受潮汐、台风、管理操作不当、海洋微生物附着在网箱等原因的影响，网箱养殖经常会爆发疾病或者鱼体擦伤等问题，由于现有网箱养殖还处在人工管理阶段，需要人员达到养殖现场之后才能了解养殖对象状态，有疾病爆发时，并不能及时察觉并寻找病因。

4.3. 网箱养殖对局部海域环境造成严重影响

网箱养殖过程中，未吃净的饵料以及养殖对象的排泄物会沉积在水底，随着时间的增加，这些物体的消化速度慢慢大于水体物质交换速度，这就使得局部水域某些物质含量答复增加，造成局部海域有机污染和水体富营养化。

4.4. 投食、增氧不够及时

由于目前的网箱养殖需要人员到现场进行投食、增氧作业，一旦遇到不适宜出海的天气，这些作业不得不被迫中断，这就会对养殖造成一定的负面影响。

5.研究方向和发展趋势

由深水网箱是实现现代海洋农业生产体系最重要的技术装备，是人类开发海洋利用海洋获取巨大经济效益和提供丰富安全食物来源的生产工具，深水网箱必将得到持续发展，为人类作出巨大贡献。我 国海域辽阔，海况复杂，区域性生物多样性明显，为人工养殖提供了丰富资源。我国在深入贯彻落实科学发展观，以加快转变渔业发展方式为主线，以加快推进现代渔业健康可持续发展为主攻方向的背景下，深水网箱养殖产业悄然进入了沿海省快车道，面向满足国家优质水产品战略需求和瞄准世界深海养殖科技前沿，以装备技术拓展渔业生产空间，提升产业技术水平; 以养殖技术拓展产业效益，提升养殖产品品质; 以数字化技术拓展养殖效率，提升养殖管理水平。只有养殖装备技术的突破及创新，才能协同

支撑和实现我国深水养殖产业的持续发展，赶上或超过海洋设施养殖国际先进水平。

根据我国现代海洋农业发展的战略方向和深水网箱养殖产业的发展趋势及技术需求，深水网箱前沿科技研究方向主要有如下几个方面:

5.1. 深水网箱数字化设计技术

通过构建符合我国养殖条件和特点的数字化设计技术平台，实现数字化设计与制造，为我国沿海海域海况多样性及养殖对象提供适合的安全的网箱系统。数字化技术的突破，是进入世界先进行列的重要标志，数字设计技术所形成的优势及优质价廉的网箱产品，是支撑我国深水网箱产业向外海拓展的“载体”和“助推器”，不仅影响着我国深水网箱产业化的进程，也将是迅速占领和引领正在兴起的庞大的深水网箱国际市场的重要手段。数字化设计技术的核心内容即是开发出深水网箱智能计算机辅助设计( intelligent CAD，ICAD) 技术，构建高仿真性设计系统平台，研制出数字化完全海洋工况深水网箱养殖系统装备，以提高网箱养殖的风险控制能力，保障网箱养殖效益。

5.2. 深水网箱养殖数字化控制技术

预计深水网箱“十二五”期间将在沿海省份得到快速发展，规模越来越大，离岸越来越远，传统的养殖及管理方式将无法适应规模化的养殖行为。建立以养殖品种为目标的基于养殖生产要素的数字控制技术与装备，提高养殖过程的可控性、准确性，大幅度提高规模化养殖的成本效益、经济效益是产业的生产核心。养殖数字化控制技术的突破，是传统生产方式向现代生产方式转变的关键，应围绕网箱养殖特定鱼类，重点研究深水网箱养殖数字化技术，构建养殖鱼类生长数字模型，开发深水网箱养殖IT 应用管理技术、数字化装备合成应用技术，为实现深水网箱精准智能化养殖管理提供解决方案。

5.3. 大型鱼类养殖技术装备开发

围绕外海深海养殖，大型洄游性鱼类深水网箱养殖是获取和提高海洋经济效

益的主要方向。外海、深海、大型鱼类三者都联系一起，对技术装备有全新的要求。突破大型装备的安全，研制出适合大型鱼类( 如金枪鱼) 养殖的大型深水网箱，突破和发展金枪鱼的苗种繁育和圈养技术，填补我国深海养殖金枪鱼技术与装备的空白，是促进我国设施养殖大国向养殖强国转变的重要标志。我国是世界水产养殖大国，海水养殖无论在面积还是产量上都位居世界前茅。但在现代养殖新技术的研究和开发上，我国缺少开创性的技术，缺乏打进国际市场的主导产品，迫切需要开发出大型鱼类养殖技术装备，争取早日进入大型鱼类养殖产业的行列中来。

5.4. 鱼类养殖过程生长节点调控技术研究

围绕社会需求，针对养殖品种的利益最大化，突破“一条鱼”设施养殖系统工程从规模化繁育、优育、圈养、病防等深水网箱鱼类生长节点调控技术，采用环境调节控制产卵时间，确定不同条件下鱼类最佳单位放养密度、放养时间、投喂节点和渔获节点等养殖控制节点关键参数，构建“一条鱼”经济利益与社会需求的产业平台，实现自由生产向合同生产方式转变，支撑设施鱼类养殖持续稳定发展。

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