渔业现代化

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    虾塘差速无人投饲船巡边算法设计与仿真分析
    胡庆松1,2,陈研霖1,陈普坤1,陈雷雷1,2,匡兴红1,2
    2021, 48(4): 1.
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    为提升虾塘巡边投饵作业的效率和可靠性，以差速无人投饲船为研究对象，提出了基于变积分PID姿态控制和边距区间搜索控制动态切换的控制算法。算法在建立差速无人投饲船运动模型和姿态反馈模型的基础上，追踪无人船巡边过程的距离信息和角度信息以保持投饲船巡边的正确姿态。同时，考虑无人船控制的非线性特征，设计了边距区间搜索控制算法，使船体快速的收敛到PID调整范围内，降低了算法的复杂性。通过Matlab仿真分析不同参数和边界下算法的有效性，验证了算法在0~3 m/s的巡边速度下，最大巡边误差可控制在0.3 m，最大角度跟踪误差可控制在9°。研究表明，提出的巡边算法满足虾塘投饲装备巡边指标要求，具有较好的实用价值。
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    虾塘投饲船载自适应速度投饲系统设计与实现
    叶杰民1,2，张丽珍1,2，吴迪1,2，刘单寒1,2，鲁兴益1,2，王萍1,2
    2021, 48(4): 9.
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    为了让投饲船能根据实时船速自动调整投饲速率，从而把虾饲料比较均匀地抛洒至沿着虾塘四周的“食道”上，研制了一种根据虾塘四周“食道”而设计的实时船速自动调节投料量的投饲系统。该系统采用超带宽 (UWB)定位系统来定位船体的位置，由单片机解算出投饲船的实时行驶速度，根据船速、虾塘 “食道”周长和总投饲量计算出投饲船的实时投饲速率。投饲控制系统根据计算出的实时投饲速率控制投饲机构中的舵机转角，舵机的转角与投饲机构投料口的开度一一对应，从而实现均匀投饲。在个人电脑（PC）端上位机上输入投饲船初始参数，同时显示投饲船船速和投饲机构开度大小。船速获取精度试验和投饲机构投料口开度试验显示：投饲机构投料口能在1 s内打开到与船速相对应的开度，实现投饲速率的实时调整；在船速0.5 ~2 m/s的工作情况下，该投饲系统投饲速率误差在2.5%以内，能够实现饲料在虾塘“食道”上的均匀投放，有较好的实用价值。
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    多营养级池塘养殖系统设计与试验
    车轩1，田昌凤1，张俊2，朱林1，刘兴国1，周寅1，陈晓龙1
    2021, 48(4): 17.
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    为有效解决水产养殖环境污染、提高水产品品质，本研究构建了一套1.33hm2的多营养级池塘养殖中试试验系统，主要包括草鱼养殖区、河蟹养殖区、螺蛳鲢鳙养殖区和水处理设施等，养殖的草鱼、河蟹作为饲料营养的Ⅰ级利用层级，投放的螺蛳、鲢鳙作为Ⅱ级利用层级，种植的沉水植物作为Ⅲ级利用层级，按时打捞水草、螺蛳作为草鱼、河蟹的生物饵料，从而提高饲料营养物质向鱼蟹等主养对象的转化比例。利用计算流体动力学（CFD）软件建立了试验系统水循环过程的1:1比例计算模型，研究了全域水循环过程和单个草鱼养殖池的流动特性，并开展了水质调控试验，在试验系统内设14个采样点，对一个养殖周期的水质参数进行监测。结果显示：草鱼养殖池池壁附近的速度大于轴心区域部分的水体流速，有利于颗粒废物的沉淀，及时集排污；系统开启运行300 s后，水体在整个系统中的流态趋于稳定，营养素在系统各个池塘中的分布基本均匀，保证物质能量的高效循环；系统对养殖水体氮、磷的去除效果显著，养殖全程的总氮质量浓度低于5 mg/L，总磷质量浓度低于1 mg/L，符合淡水养殖排放水标准，但对化学需氧量（COD）的控制效果不显著，应进一步改进系统结构，加强系统对有机污染物的处理能力。本研究为多营养级分隔池塘养殖系统的设计提供了参数参考。
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    一种集成自动投饵与排污的鱼类养殖系统
    栗鹏辉1,2，危起伟1，2，杜浩2，沈丽2，罗江2
    2021, 48(4): 25.
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    为提高鱼类养殖中投饲和排污的定时、定量精度及节水效果，降低劳动强度，采用新型PLC、螺旋杆送料机构、减速电机、撒料盘、液位传感器、造流器、电动阀、自动双通道排污装置等，参考人工养殖流程设计与开发出一套集成自动投饵与排污的鱼类养殖系统，该系统容积1.57 m⊃3;，适宜养殖密度23 kg/m⊃3;以下。对系统进行了设备性能测试及鱼类养殖试验，结果显示：该系统可自动进行喂食前水流调控及自动投饲后的自动排污步骤，其中投饲机部分投饲能力0.3 kg/min，投饲量误差在±0.5 g以内，且撒料均匀度高，使用该系统养殖的2018年长江鲟子三代较传统流水养殖的鱼体平均增重提高了35.56%，饵料系数降低了26.28%，养殖初末体质量变异系数下降了31.46%；运行过程无需人工参与，集排污效果与大换水排污无明显差异，且节水90%。测试中系统运行稳定。
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    集中连片池塘的尾水处理系统中氮磷的时空变化规律
    徐嘉波，刘永士，施永海，袁新程，王建军，刘建忠
    2021, 48(4): 35.
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    为探明集中连片池塘排放尾水中氮磷经尾水处理系统各净化功能区的削减状况，分析尾水处理系统氮磷的削减机制，比较论证养殖尾水在各净化功能区的季节、月份变化规律，建立了1个具有养殖尾水处理系统的集中连片池塘养殖小区中，对总氮（TN）和总磷（TP）在养殖试验周期内开展持续的时空监测。结果显示：生态沟渠和湿地+净化池塘组合构成的养殖尾水处理系统，6~10月间，对养殖尾水TN显著削减43.02%，TP显著削减30.39%。养殖小区排放水TN（1.318±0.408 mg/L）、TP（0.325±0.160 mg/L ）符合SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》一级排放标准。夏秋季与沿程交互作用对TN有显著影响（P<0.05），夏秋季与沿程对TP不存在交互效应，夏秋季对TP的主效应差异不显著（P>0.05）。研究表明：湿地+净化池塘组合对TN的净化效果优于生态沟渠，生态沟渠是TP的主要净化功能单元，养殖尾水处理系统秋季对TN的削减优于夏季。
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    带有溶氧预测的水产养殖监测平台的研究
    翁正1,2，陈明1,2，池涛1,2，刘亚蕊1,2
    2021, 48(4): 43.
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    针对传统水产水质监测系统不能提前预警和通信延迟高的问题，提出一种带有溶氧预测的低延迟无线传感水质监测平台。本研究搭建了4个水质监测节点，通过LoRa模块与汇聚模块进行通信，实现了水质数据的实时监测。应用边缘计算的策略，将云服务器的计算和系统控制任务卸载到上位机来降低系统延迟。上位机更新本地和云服务器的数据，同时基于小波变换和长短期记忆网络（WT-LSTM）模型实现溶氧预测功能。结果显示，与其他预测模型相比，WT-LSTM模型效果更好；pH、温度、溶氧、电导率和氨氮监测数据的相对误差，分别小于1.4%、0.7%、0.2%、12%、5%；基于评测系数分析，溶氧1 h的预测结果比较准确，可作为溶氧预警的参考。本平台可以在低成本，低延迟的情况下，实现水质数据的实时监控，并完成1 h内溶氧的预测，使得系统对增氧机的控制更加合理化、智能化。
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    基于ResNet50和迁移学习的红鳍东方鲀病鱼检测方法
    张方言，赵梦，周弈志，胥婧雯，李海清，程思奇，吴俊峰，于红
    2021, 48(4): 51.
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    针对红鳍东方鲀病鱼样本数量少、检测准确率不高等问题，提出一种基于ResNet50和迁移学习的红鳍东方鲀病鱼检测方法。首先用ResNet50在ImageNet数据集上进行模型预训练；然后基于预训练结果构建了红鳍东方鲀病鱼检测ResNet50网络，将经过预训练的、包含16个残差块的模型权重迁移到构建的ResNet50网络中进行模型权重初始化以降低训练成本；为进一步提高检测的准确性，在构建的ResNet50网络模型的最后一个卷积层后面加入反卷积层以学习目标中的细节信息；最后，用红鳍东方鲀健康鱼和病鱼图像构建了数据集，并采用翻转、旋转、随机裁剪、色度变化和添加噪声等方法进行了数据增广，以增加数据样本的多样性，进而提高检测方法的鲁棒性。在所构建的数据集上进行了试验，试验结果表明，基于ResNet50和迁移学习的红鳍东方鲀病鱼检测方法准确率可以达到99%，与ResNet18、ResNet34、ResNet101和ResNet152不同深度的残差网络相比，分别约提升了10.7%、6.6%、6.2%和5.6%，在与不加入反卷积的ResNet50残差网络相比，约提升0.4%的精度。研究表明，采用基于ResNet50和迁移学习的方法，有效地解决了红鳍东方鲀病鱼样本少和准确率不高的问题，为红鳍东方鲀病鱼检测提供了新方法。
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    养殖工船排水管路内颗粒流动特性研究
    高瑞1，2，黄文超1，2，张彬1，2
    2021, 48(4): 61.
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    鱼类的排泄及残饲等颗粒物易在管路中沉积造成堵塞，从而影响养殖水舱内水体清洁，并对鱼类产生不利影响。基于拉格朗日两相流数值模拟技术对排水管路内颗粒物流动特性进行仿真，通过矿浆泵管路提升试验结果标定了合适的湍流模型及计算方案，并据此开展分析研究。重点分析了颗粒物在不同粒径、不同进水流速、不同管径下的流动特性。结果显示：针对排水管路内的颗粒物流动问题，SST k-ω湍流模型具有较高的准确性；颗粒大小对流动影响非常明显，当颗粒足够小时，流体湍动、曳引、萨夫曼力等影响占据主导作用，而当颗粒达到一定大小后，重力则成为主要影响因素；就沉积情况而言，颗粒粒径影响最大，管路进口流速次之，管径的影响最小。
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    渔船主机功率在线监测研究
    王永鼎1,2，陈晨超1
    2021, 48(4): 70.
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    针对中国渔船目前存在的“大机小标”现象以及缺少相应监测手段的情况，对渔船主机功率在线监测系统进行研究。采用磁电式转速传感器与应变式扭矩传感器对渔船主机的转速与扭矩进行测量，通过无线遥测系统传输采集信号，并使用计算机进行处理得到功率值，实现对渔船主机功率的在线监测、记录和回放。选择潍柴WP10C287-21型柴油机按照推进特性进行试验，将测量值与标定值进行对比。结果显示，在监测对象WP10C287-21型柴油机标定功率范围内，监测系统的功率测量误差率均在1%以内，可以较为精确地实现对渔船主机功率的在线监测。本研究为相关单位收集渔船主机功率信息，管理渔船捕捞作业，优化船-机-桨匹配提供参考。
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    渔船主机余热驱动的氨水吸收式制冷装置制冷循环分析
    黄文超，赵新颖，黄温赟
    2021, 48(4): 77.
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    为解决中国机动渔船普遍存在的燃料利用率低和渔获物保鲜能力不足问题，研究了一种通过回收渔船尾气中的余热来驱动制冷循环的氨水吸收式制冷装置。基于Aspen Plus软件建立了制冷循环模型，并分别对目标制冷量为15 kW、20 kW和25 kW的三个制冷循环过程进行了仿真计算。研究表明，在目标制冷量为20 kW和25 kW时，当制冷工质流量增至某一范围内时，尾气所能提供的热量无法使制冷工质析出足量的纯氨以满足制冷要求，发生器热负荷出现平直段，此时制冷系数曲线处于“低洼”阶段，对于整个制冷系统，其经济性、热效率均处于不利阶段，在实际运行中应当予以回避。在目标制冷量为15 kW和20 kW的两个循环中，制冷系数和实际制冷量在尾气流量较大时出现陡增趋势，不利于系统的可靠性和经济性，在实际运行中应进行适当控制。
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    基于ANSYS Workbench力学仿真的金枪鱼延绳钓钓钩深度
    宋利明1,2，周旺1
    2021, 48(4): 85.
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    钓钩深度对金枪鱼延绳钓渔获性能有重要影响，本研究基于田内准则对延绳钓渔具进行缩小，采用ANSYS Workbench 19.2数值仿真软件对金枪鱼延绳钓进行双向流固耦合仿真，并选取2016年波利尼西亚群岛附近海域（4°S~15°S，140°W~160°W）金枪鱼延绳钓作业实测的6个作业站点42枚钓钩深度数据与ANSYS Workbench数值仿真结果进行对比，应用SPSS t-检验分析实测钓钩深度与数值仿真深度的差异性。结果表明：延绳钓最深钓钩仿真深度为280~310 m，钓钩深度与海流速度呈负相关。海流速度较小时（X=-0.11~0.05 m/s； Y=-0.05~0.03 m/s； Z=0.03~0.11 m/s），钓钩仿真深度较深，最深钓钩深度为310 m；海流速度较大时（X=0.28~0.75 m/s；Y=-0.10~0.52 m/s； Z=0.04~0.13 m/s），钓钩仿真深度较浅，最深钓钩深度为280 m。数值仿真钓钩深度与实测钓钩深度无显著性差异（P=0.241＞0.05）且各个站点钓钩仿真深度与实测深度均无显著性差异（P1=0.790，P2=0.337，P3=0.476，P4=0.369，P5=0.175，P6=0.136）。研究表明，基于田内准则对延绳钓渔具进行缩小，采用ANSYS Workbench力学仿真软件可用于延绳钓钓钩深度研究。
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    厚壳贻贝定向装置设计与试验
    倪洋，李振华，罗尔霖，宋祖超
    2021, 48(4): 95.
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    为解决厚壳贻贝前处理阶段人工劳动强度大、定向技术落后的问题，设计了一种新型厚壳贻贝振动定向装置。首先采用三点测力法测量计算出厚壳贻贝的重心位置；结合振动理论对厚壳贻贝受力分析得出运动路线；然后使用Adams软件对其进行运动学仿真；最后利用控制变量法对定向装置的主要参数进行试验。结果显示：当厚壳贻贝的初始姿态为头部朝下，腹部朝右，振动电机频率为28.6 Hz，振动台面倾角为14 °时，此种组合状态下的头尾定向成功率为90%，头尾定向平均所耗时间为25 s。研究表明，该装置能够有效与其他厚壳贻贝自动加工设备相衔接，提高自动化程度，降低加工人员配置，同时可为其他贝类的定向试验分析提供参考。
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    钙离子添加量对未漂洗海鲈鱼肉糜凝胶特性的影响
    暴伊芮1,2，吴燕燕2，赵前程1，王悦齐2
    2021, 48(4): 106.
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    为探明钙离子（Ca2+）能否提高未漂洗海鲈鱼肉糜的凝胶品质，为海鲈鱼糜生产提供新方法。以海鲈鱼为原料，比较氯化钙（CaCl2）不同添加量（0.01～0.08 M）对采肉后未经漂洗工序直接制成海鲈鱼肉糜的凝胶强度、质构特性（TPA）、持水力、白度、微观结构等的影响，并与传统方法制备的海鲈鱼糜进行比较。结果表明Ca2+对未漂洗的海鲈鱼肉糜品质有显著影响（P < 0.05）；CaCl2的添加可显著提高未漂洗海鲈鱼肉糜凝胶强度、TPA、持水力和白度，使鱼肉糜组织结构紧密均匀；当CaCl2添加量在0.02 M时，未漂洗的海鲈鱼肉糜的凝胶特性（凝胶强度7 364.21 g·mm、持水力88.93%、硬度421.8g、弹性10.03 mm、胶着性229.5 g、咀嚼性22.21 mJ、白度86.72 ）与传统鱼糜品质相近，其效果最好；而当CaCl2添加量达到0.08 M时，Ca2+与鱼肉蛋白过度交联，形成钙桥结构，造成凝胶强度和硬度增加、弹性下降。研究表明，适量添加Ca2+可使海鲈鱼肉糜不需经过漂洗工序而达到传统漂洗生产鱼糜的品质，这为开发营养流失少、节水、节能的海鲈鱼肉糜加工提供理论和技术支撑。