渔业现代化

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    封闭式养殖工船研发历程回顾
    刘晃1, 3，徐皓1, 3，庄志猛2,3
    2022, 49(5): 1. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.001
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    封闭式养殖工船是具有自主航行功能的海上封闭式养殖系统，也是一种综合的海上渔业生产平台，其生产功能以深远海封闭式“船载舱养”为主体，兼具水产品初加工与储运功能。文章回顾了大型封闭式养殖工船研发经历的孕育构想、积极探索和创新研发三个阶段，总结了研发过程中采取的以工业化理念构建现代水产养殖新模式、注重现代装备技术与水产养殖技术的深度融合、加强相关研究成果的专利战略布局等经验做法。中国大型封闭式养殖工船经历了30多年的探索研发，终于从梦想变成为现实，其具有封闭式养殖，环境可控，是高质量绿色养殖方式；游弋式养殖，可充分利用自然条件，是高效的生产模式；大型化发展，发挥规模经济效益，构建综合生产平台等技术特点。未来，围绕养殖工船将形成渔业航母船队，搭建深远海养殖全流程、全周期、全链条的养殖体系，实现海水养殖走向深蓝。
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    中国深远海养殖装备发展探议及思考
    鲍旭腾，谌志新，崔铭超，黄温赟
    2022, 49(5): 8. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.002
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    深远海养殖是拓展水产养殖发展新空间、减轻近海生态环境压力的重要途径，对实现水产养殖提质增效、实现渔业现代化、保障世界食物安全和水产养殖业可持续发展具有重要意义，而深远海养殖装备与技术是支撑和实现深远海养殖发展壮大的关键。文章简要介绍了国内外大型桁架式养殖网箱和深远海养殖工船的研究应用现状，指出中国深远海养殖与国外渔业发达国家相比在机械装备自动化、智能化方面仍有较大差距。主要探讨了大型桁架式养殖网箱和深远海养殖工船当前面临的主要问题和未来的研究发展方向，并对未来深远海养殖的发展做了相应的探议及思考，特别是对深远海养殖装备的发展定位、功能拓展、科技支撑等进行了探索和建议。本研究以期为中国深远海养殖装备与技术研发及未来海洋建设提供参考。
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    基于热流固耦合模型的养殖工船养殖舱温度场数值模拟#br#
    翟绪辉，程晖， 刘长东， 黄六一
    2022, 49(5): 15. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.003
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    养殖工船养殖舱水温的适宜性对保障养殖品种的生长和存活十分重要。通过抽取冷水团冷水，利用养殖工船进行鲑鳟鱼养殖的过程中，为科学布设温度传感器位置，合理监测养殖水体温度，本研究构建养殖工船养殖水舱三维瞬态热流固耦合模型，开展不同冷水进水流速和保温层厚度下养殖舱水温数值模拟研究。研究结果表明：保温层厚度对养殖舱中水温空间分布并未有显著性影响，稳定状态时的平均水温与保温层厚度无关，但是较厚的保温层可以减慢来自水舱外部的热量传入，有利于减缓养殖水舱水温升高，比较30 cm和40 cm保温层，养殖水体水温变化无显著差异，故30 cm硬质聚氨酯材料具有较好的保温效果。4 m/s、5 m/s 和6 m/s 3种不同进水流速主要影响养殖水舱的水温降低速度，对温度的空间分布并没有显著性影响。研究表明，温度传感器布设于养殖舱中心垂直剖面、远离排水口、靠近水面的位置，可较好监测养殖水体水温。
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    养殖工船养舱流场数值仿真与特性分析
    王银涛1，李志松1,2，郭晓宇1,2,3，崔铭超3
    2022, 49(5): 24. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.004
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    深远海养殖工船游弋式养殖是现代海洋渔业发展的一个重要的方向，数值模拟可为其养舱流场的适渔性评估提供依据。本研究基于OpenFOAM开源软件进行二次开发，建立了考虑进出水循环系统的数值养舱。用控制变量法分析旋涡流场特性与循环流量、进水口角度间的关系，采用统计学方法分析速度的概率分布规律。结果显示：实船出现的漩涡现象在数值模拟中得到再现；相同流量情况下，产生漩涡流场的整体速度相较于非漩涡流场有着较大的提升；漩涡流场的整体流速会随着循环流量和进水口角度偏离中心程度的增大而增大。研究表明:进水口的推流作用是漩涡流场形成的重要因素；在速度方面，漩涡流场拥有更好的适渔性，可以通过调整进水口流量和角度来调整养舱内漩涡强度以及流场流速。
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    基于FLOW-3D的船载舱养流场特性分析
    秦 康1,2，崔铭超2,3，刘 晃2,3，张成林2,3，吉泽坤1,2
    2022, 49(5): 35. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.005
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    以船载舱养为核心的工船养殖为在深远海开展海水鱼养殖提供了一条新的途径。为研究进水射流对养殖工船鱼舱流场的影响并评估横摇运动下进水射流对鱼舱流场的调节能力，采用FLOW-3D软件，对3000吨级养殖工船鱼舱流场特性进行数值模拟研究，分析总进水流量、进水口数目和横摇角度幅值对鱼舱流速大小和流动均匀性的影响。结果显示，随着总进水流量从110 m³/h增加到215 m³/h，鱼舱流速大幅增加，而流动均匀性的变化并不显著；随着进水口数目从4个增加到16个，鱼舱流速大幅降低，流动均匀性显著增加。对于锚泊状态下的工船，其横摇运动的周期变化范围较小，多在5.3～6.4 s间；随着横摇角度从0°增加到2°，鱼舱最大流速从0.385 m/s增加到0.413 m/s，流场变化较小，而当横摇角度从0°增加到5°，鱼舱最大流速从0.385 m/s增加到0.507 m/s，流场变化较大。研究表明，对于工船鱼舱，当进水口数目一定时，鱼舱最大流速与总进水流量呈线性正相关；故对于4个进水口的鱼舱，当总进水流量小于184 m³/h时，鱼舱流速始终小于0.5 m/s，是适合1龄以上大黄鱼（体长大于27 cm）养殖的。当因增加总进水流量而导致舱内流速大于鱼类适养流速上限时，可以通过增加进水口数目来降低鱼舱流速，同时增加水体流动的均匀性。对于锚泊状态下的工船，当横摇角度幅值小于2°时，横摇运动对鱼舱流场的影响较小，此时可以通过改变总进水流量和进水口数目来调节鱼舱流场；当横摇角度幅值大于2°时，横摇运动对鱼舱流场的影响较大，尤其当横摇角度幅值达到5°后，此时进水射流对鱼舱流场的调节作用有限。
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    养殖工船电力推进调距桨动力系统策略
    黎建勋1，2，董晓妮1，2，崔铭超1，2，杨栋轩3
    2022, 49(5): 45. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.006
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    为解决深远海养殖工船电力推进系统复杂，存在谐波干扰，设备空间占用多，系统成本高等问题，结合动力系统适渔性需求，采用了一种变频软起动的电力推进调距桨动力系统设计方法。经过比较该系统配置方案，研究该系统起动和运行过程中推进电机和螺旋桨的特性曲线，对比分析调距桨动力系统的造价和性能。结果显示：该电力推进调距桨动力系统可以简化动力系统配电网络，降低了配电装置成本，提高了系统冗余度，减少了电网谐波。研究表明：该方案具有经济性、可行性、可靠性、适渔性。
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    深远海养殖工船投饲系统设计
    王志勇1,2, 邹海生1，张耀明1, 徐志强1
    2022, 49(5): 54. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.007
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    针对深远海养殖大型化、规模化发展需求，以大型养殖工船为依托平台，基于气力输送原理和自动化控制技术设计了远程自动投饲系统。该投饲系统由上料装置、饲料输送和分配装置、撒料装置以及自动控制装置等组成。系统设计输送管道直径80 mm，最大输送距离为85 m，系统以触摸屏为人机操作界面，以PLC为控制核心，根据投喂不同需求即时调节饲料投放速率和距离。海上试验结果显示，该投饲系统能有效完成工船养殖模式的投喂需求，投饲作业效率为0~40 kg/min,  投饲距离为6~9 m。本研究为深远海养殖工船投饲系统研制提供了技术参考。
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    10万吨级养殖工船投饲控制系统设计
    董晓妮，王志勇，徐志强，汤涛林
    2022, 49(5): 54. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.008
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    针对10万吨级深远海养殖工船多养殖舱集约化、自动化控制需求，设计了一套可远程集中控制、定量、定速作业并进行故障诊断的自动投饲系统。采用下料机转速开环控制结合饲料容重的方法来计算投饲重量，减少船舶横摇纵倾对称重传感器测量精度的影响；采用管路压力PID控制方法降低气力输送在不同管路长度对出口饲料速度和破碎率的影响。经工程试验验证，投饲误差小于为2.5%，平均破碎率为0.49%。远程自动化控制及故障诊断可大幅提高工作效率，是一套可推广应用于大型移动式工船舱养模式的干式颗粒饲料投饲系统。
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    深远海养殖自动投饲系统仿真分析与试验验证
    黄建伟1,2，骆意1,2，魏树辉1,2，陈铭治3，朱端祥1，刘亮清1,2
    2022, 49(5): 68. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.009
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    为解决深远海养殖颗粒饲料长距离管道输送易产生的管道堵塞、饲料破碎问题，对研制的自动投饲系统进行验证。基于计算流体力学和离散单元法耦合方法（CFD-DEM），开展饲料运动状态、料气混合比、管路压降、管路堵塞与饲料碰撞情况分析，结合试验验证以考核仿真精度。结果表明，颗粒饲料进入管道后受气流拖拽力作用将被加速，颗粒饲料全局平均速度为8.5 m/s。下料口、弯管等处料气混合比高，压力损失大，饲料与饲料、管壁之间碰撞频繁，易导致饲料破碎、管路堵塞。经试验验证，流体仿真精度可达94.4%，可用于指导系统设计。自动投饲系统饲料破碎率0.40%，计量误差小于1.3%，吨料能耗3.11~6.40 kW·h，具有输料能耗低、不易堵塞、饲料破碎率低、计量精准的优点，适用于深远海养殖的应用场景。
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    基于晃荡载荷的养鱼水舱操作平台结构强度分析
    王靖1,2，王侨3，张怡1,2，崔铭超1,2
    2022, 49(5): 76. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.010
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    为抵抗养鱼水舱内水体晃荡等载荷，需要设计舱内操作平台使其达到使用要求和规范衡准。根据船型参数和舱型确定作用在该平台上的水体晃荡载荷，然后采用直接计算方法，建立包括该平台结构的舱段有限元模型，对舱段加载局部载荷和总体载荷，校核该平台在局部载荷和总体载荷联合作用下的强度并对其进行分析。结果显示：该平台的设计满足规范衡准要求，该平台结构属于结构分类的其他项，衡准为195N/mm2，经过计算分析，操作平台结构最大应力为124 N/mm2。研究表明，晃荡载荷对该平台强度影响最大，该操作平台晃荡载荷计算和强度分析方法为后续船设计提供参考。
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    养殖工船大黄鱼冰浆保鲜方法研究
    姜旭阳1，姚琳琳2，赵晓霞1，张璐3
    2022, 49(5): 81. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.011
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    为满足养殖工船鱼产品贮藏保鲜的需要，本研究采用冰浆、超细冰晶和碎冰保鲜三种形式保存大黄鱼，通过感官品质、微生物和化学指标的变化确定适宜的保鲜方法。结果显示：前12 d内冰浆组与冰晶组相比，感官品质、大肠菌群、菌落总数、酸价、TVB-N和K值均无显著差异（P > 0.05）且鱼体新鲜度良好；13 d和14 d冰晶组各指标显著优于冰浆组（P < 0.05）；碎冰组新鲜度在试验开始后快速下降，仅在6 ~ 8 d内可维持较为新鲜的水平。综合分析发现试验条件下碎冰的保鲜效果仅能维持约8 d，超细冰晶的保鲜效果较冰浆可延长2 ~ 3 d，货架期可延长至14 d以上。研究表明，使用冰浆中所含的超细冰晶进行保鲜可作为养殖工船大黄鱼冰鲜出货的新方案。
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    工船养殖集中控制系统研发与应用
    黄温赟1,2，于得水3，董晓妮1，姜勇4，王鹏昌4，郭海涛5
    2022, 49(5): 89. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.012
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    随着海洋工程装备与养殖技术的不断融合，养殖工船已成为中国现阶段深远海重要的养殖平台之一。为了实现对深远海养殖工业化生产的过程管控，满足实时监测和自动控制；针对工船的特点及养殖需求，基于深远海养殖基本流程，通过分析养殖集控系统功能，构建信息层、管理层、控制层和设备层的四层网络构架，配备冗余服务器和控制器等硬件设施，针对性地开发自动阀控、溶氧自动调节和海水泵故障自动处理等控制逻辑，编写上位机界面，研发了一套工船集中控制系统，实现了对养殖参数的监测和集中显示、水体交换和溶氧的自动控制以及生产管理等功能，并经过了实船验证，极大地减轻了人员作业负荷，减少人为出错概率，保障了养殖生产的正常开展。
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    船型桁架结构网箱系泊方式优选及影响参数分析
    张 松1,2，庞国良2,3，黄小华2,3，吴元紧1，陈欣铤2，陈昌平1
    2022, 49(5): 97. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.013
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    深远海网箱在外海作业会受到极端恶劣海况的影响，稳定有效的系泊系统对保证网箱良好的耐波特性、保障养殖效益意义重大。本研究针对一种单点系泊船型桁架结构网箱建立其水动力分析模型，通过开展相关数值计算并与物理试验结果进行对比验证该模型的准确性；在此基础上，通过分析多组波浪条件下网箱动态响应、锚链系泊张力和最小卧链长度开展了“一”字型系泊和“Y”字型系泊两种系泊方案的对比优选，在确定系泊方案后，从锚链长度和配重重量两个方面开展系泊参数分析研究。结果显示：“Y”字型系泊效果要优于“一”字型系泊；不同锚链长度及配重重量对网箱平台运动响应影响较小，但锚链长度的延长和配重重量的增加可以有效降低系泊张力峰值和延长卧链长度。本研究可为桁架结构网箱系泊分析及优化设计提供计算依据。
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    重力式海洋养殖网箱系统受力分布及变形研究
    曹宇, 王宁, 叶谦, 单华锋, 张安
    2022, 49(5): 106. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.014
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    以重力式海洋养殖网箱系统为研究对象，基于海洋工作环境，借助网衣网目群化等方法建立浮式养殖平台-网箱水动力仿真模型，应用质量集中法及Morison方程研究了网箱系统联合浮式养殖平台运动响应的受力分布及变形。对比试验数据验证了计算方法的可行性。结果显示：在浪流作用下浮式养殖平台与网箱间的系泊缆受力呈现大幅波动；网衣受力最大区域出现在靠近系泊缆部位，且受力最大区域垂直方向网绳张力最大值是相邻水平网绳张力的4.8倍；网衣变形主要受浪流影响较大且往复变化，工作海况下最小网衣体积剩余率为80.1%；随着海况等级升高，系泊缆张力增大且网衣体积剩余率减小，在6级海况下最小网衣剩余体积率为60.5%。本研究结果可为重力式海洋养殖网箱系统的应用提供技术支持。
    关键词：海洋养殖网箱；网衣网目群化；受力分布；浪流作用；体积剩余率


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    基于多孔介质模型的养殖装备网衣水动力特性研究
    陈诚1,2，宋炜1,2，谢正丽3, 王磊2，刘永利2
    2022, 49(5): 115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.015
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    受近海养殖空间限制及环境污染问题的影响，近年来，海上养殖业逐渐向深远海发展。然而，深远海的气候更为恶劣复杂，为保障养殖装备的结构安全，需对其进行水动力特性研究。以养殖装备的网衣作为研究对象，使用多孔介质理论对网衣结构进行建模，采用开源CFD软件OpenFOAM进行数值模拟研究，探究了网衣与规则波和聚焦波的相互作用。结果表明，在规则波输入下，随着密实度和特征速度的增大，网衣阻力逐渐增加，随着特征长度的增加，网后波浪的透射系数逐渐增加；在聚焦波输入下，波浪的频域分布没有显著变化，随着网目尺寸的增大，网衣阻力逐渐增加。最后，综合数值计算的结果，将雷诺数和KC数作为输出参数，建立了极端波浪下多孔介质网衣阻力的预报模型。
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    一种基于激光矩阵的水下网衣巡检机器人定位方法
    秦浩，杨仁友，杨靓
    2022, 49(5): 127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-9580.2022.05.016
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    针对海上随波运动养殖网箱网衣巡检机器人导航定位难题，利用激光传感器在水下近距离测距的高精度、低干扰优势组成激光矩阵，提出一种基于激光矩阵的水下网衣巡检机器人定位方法。基于网箱物理模型，通过建立网箱编码先验地图，并在gazebo仿真环境下模拟水下网衣巡检机器人作业情况，激光测距信息中计算出机器人对网衣的相对航行距离和偏航角，且0.4 m距离处计算平均误差3.72%，0.08 m距离处计算平均误差8.15%，0.14 rad偏转计算平均误差19.18%，在8×6的网衣格栅定位中误差为0个网目，说明本方法满足巡检机器人在非惯性系下养殖网箱内的定位要求。研究表明，本方法为进一步研究水下巡检机器人在深海养殖网箱内定位问题提供参考。