“智慧”海洋網箱平臺的開發設計與研究

孫剛 王亞飛 王鑫江 溫林翰 郁洪澳

摘? 要：目前我國網箱養殖總體技術水平較低，大量的海水網箱集中于近海港灣內，因此養殖密度高于海區的環境容量。網箱的高度密集，會引起含氧量較低等不利因素，引起魚病的頻發，導致養殖魚種的品質下降。網箱內外水流不暢，也會給近海地區水域造成嚴重的威脅，如赤潮等。因此海水網箱養殖向遠海、大型化方向發展是國內外海水網箱養殖的共同趨勢。文章通過設計一種深海養殖的智能網箱，來解決目前漁業養殖存在的弊端。平臺通過采用三浮體式平臺與外圍網箱的結合，在保證平臺結構穩性的同時，平臺的自動化控制與移動性相結合，增加了網箱內部液體的流動性。平臺設立的綠色發電裝置，為平臺提供可靠的電力能源，從而建立起一系列海上資源循環利用的生態漁業養殖模式。

關鍵詞：網箱養殖;遠海;智能;三浮體式平臺;循環利用

中圖分類號：F326.4? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0034-03

Abstract： At present， the overall technical level of cage culture in China is low， and a large number of seawater cages are concentrated in offshore bays， so the culture density is higher than the environmental capacity of the sea area. The high density of cages will cause unfavorable factors such as low oxygen content， frequent occurrence of fish diseases， and the decline of the quality of farmed fish species. Poor water flow inside and outside the cage will also pose a serious threat to offshore waters， such as red tide. Therefore， the development of offshore and large-scale marine cage culture is the common trend of marine cage culture at home and abroad. In this paper， a kind of intelligent cage for deep-sea aquaculture is designed to solve the disadvantages of fishery culture at present. Through the combination of the three-floating platform and the peripheral cage， the platform not only ensures the structural stability of the platform， but also combines the automatic control and mobility of the platform， which increases the mobility of the liquid inside the cage. The green power generation device set up by the platform provides reliable electric energy for the platform， thus establishing a series of ecological fishery aquaculture models for the recycling of marine resources.

Keywords： cage culture; far sea; intelligence; three-floating platform; recycling

1 背景

面對人口增長、生態環境惡化和資源短缺的嚴峻挑戰，人類不可避免地要向占地球表面71%的海洋索取資源、發展海洋經濟。其中，作為海洋經濟重要組成部分的海洋漁業為解決世界食品供應做出了重要貢獻。然而，由于環境變化和捕撈過度等影響，世界范圍內漁業資源的不足和衰退已成為全球性問題。因此，如何實現漁業的可持續發展成為擺在人們面前的重大命題。

文章將現有的海洋發電產業與大型海工裝備海洋平臺結合起來，在解決網箱日常用電需求的同時，也減少了能源運輸造成的資金浪費。利用海洋平臺在海上的穩性和可操作性，實現了海水網箱養殖在外海養殖的可行性。同時大型海洋平臺裝備的自動化控制，降低了海上人工成本的開支，保障人員自身安全，因此裝備的建成將會帶來巨大的經濟效益。

2 模型設計

2.1 三浮體平臺設計

平臺的設計由可升降式塔架、三浮體式平臺、工作艙室（變電設備艙、柴油動力艙、蓄電池艙、泵機艙、塔架艙、壓載艙）組成。平臺內部設置的多個艙室為平臺的正常運轉提供保障，共同構成整個設備控制的“核心大腦”。

文章根據三浮體式平臺具有排水量小、水動力性能較好的特點，在浮體內部設有風機塔架升降艙室，從而給塔架提供足夠的升降空間。伸縮式塔架通過平臺的艙室控制，自動調控風機塔架的上下伸縮高度。通過合理的高度變化，進而改變風機迎風力矩。另外在海上遭遇惡劣天氣時，三浮體各浮體上方設有固定風機葉片的自動式繩索系統，在風機停止轉動、塔架下降到指定位置，進而將風機葉片固定，保障風機的安全與穩性。

2.2 上層建筑設計

平臺上層主要有信號基站、各種電子設備和上層建筑。

基地平臺上建有的信號基站，可將平臺監測的信息傳輸給陸地，實現陸地對平臺的遠程操控，進而實現遠海養殖無人化。

平臺上層建筑采用多塊太陽能板拼裝在基地平臺上，在天氣晴朗的情況下能夠快速地吸收太陽能并儲存在平臺的蓄電池內。太陽能板上設計的太陽光垂直感光系統，根據太陽位置的變化，尋找太陽光照最強的位置進行旋轉，從而提高太陽能的利用率，為平臺提供能源保障。

2.3 多功能水下網箱設計

平臺網箱采用六邊形上下兩層式的圍網結構設計，在水下安裝多種水文傳感器實時將網箱內的信息與基地平臺進行交互。

水下網箱的環形結構通過與三浮體平臺結構相連接，共同組成一個環狀的立體空間。網箱采用的六邊形蜂窩結構框架密合度高，所需材料最簡，使用空間最大。平臺采用這種結構形式也提高了網箱的防撞性能。此外在部分框架桁材的連接形式上，采用最簡單的三角形結構，以此增強結構的強度和穩定性，提高平臺的經濟性能。

根據全球的魚群分布信息，通過拖船將網箱運輸到最佳的海域。在保證上層控制艙室調控網箱內部的同時，通過圍網內部的多個傳感器對水下環境進行實時監測和數據傳輸。平臺艙室內的智能化控制系統，對網箱水溫，水質，含氧量，氣壓，光照等條件做出分析，保證魚群的正常生長。網箱內部安裝智能燈光設備，則解決因部分平臺遮擋等因素造成的魚群光照不足的問題。智能燈光系統也可根據魚群生長環境的不同，在特定的時間發出不同光源從而對魚群水下環境進行模擬，提高魚的產量與品質。

3 “智慧”網箱的體現

3.1 海洋環境的檢測

水下可通過安裝水溫傳感器、水質傳感器、溶解氧測定儀、含鹽量傳感器等多種傳感器實時檢測網箱內的水文信息，對水生生物和水體質量進行監測，保證魚群的生長環境。利用無線通訊技術，對平臺進行氣象監測，保障平臺與有關部門的實時通訊。

3.2 網箱內部監測

利用高分辨率水下攝像儀器，類似人臉識別的分析系統檢測漁業資源。網箱可通過使用水下機器人等智能設備，對網箱養殖提供水下視頻資料，通過觀測魚群生長狀況、網箱底部是否有死魚來保持網箱內部的清潔。

3.3 動態監控信息處理

平臺通過使用網絡數據時代廣泛采用的大數據搜集、分析技術，建立平臺現代化的信息查詢、分析機制，為平臺提供數據支持。平臺控制系統通過平臺上層的智能化養殖控制系統，可將水下收集的數據實時傳輸給上層平臺，通過平臺的云數據處理系統，對網箱進行數字化管理和資料的收集。

3.4 開拓第三產業

智慧網箱的建立為海洋漁業的科學研究，尤其為海洋醫學、海洋藥學和浮游生物檢測研究提供科研平臺。智能深海網箱在保護海洋生態的同時，也增加漁民的經濟收入，開拓第三產業，維護海洋產業健康發展。

3.5 環保經濟

海洋網箱生產方式遵循自然法則，將水產品自然生長作為核心特色，構建立體化、多層營養級、綜合性的生態系統，對解決本世紀以來的持續性資源短缺具有深刻的影響。

智能化網箱的建成，將推動漁業養殖從近海養殖向深海養殖轉變，從網箱式養殖向大型裝備式養殖轉變，從傳統人工式養殖向自動化智能化養殖轉變，進而為我國深海養殖和漁業資源的利用提供巨大幫助，同時也為我國企業全面進入深海養殖這一新興行業打造良好開端。

4 現有理論與技術

本平臺在以往典型的平臺基礎上對平臺結構設計加以改進，選取三浮體結構，增加平臺的穩定性。平臺的自給化功能使得平臺在海域生存的能力得以提升，網箱帶來的漁業資源提高了平臺的經濟價值。

以南海為例，平臺發電能力在支持海洋平臺的日常工作時且利用率高。另外根據網箱的日常用電需求，一般的太陽能電池板每平方米一天（8小時）能發大約0.8-1.2度電，考慮到平臺太陽能可利用面積占總面積的50%，因此平臺一天可產400√3*50%*1*8=1939kw/天的電能，加上平臺選用的3臺30kW風機，平臺所產生的電能足以提供網箱的日常使用。

5 數據分析

海洋網箱采用圍網式架構，將傳統海洋平臺與海洋網箱有機結合起來，以增加漁業資源為目的，追求經濟效益。以圖2、圖3資源量反映了海洋網箱的建設效益。

從圖2、圖3便可以看出，海水養殖比海洋捕撈的可行性更廣，產量更大，且可根據市場需要選擇必要的魚種。通過人工設施進行的海水養殖比通過過渡捕撈更具有經濟價值。另外對資源實施科學管理，也會衍生出海洋醫藥等其他附加產業。

6 應用前景

目前我國大部分網箱都是大規模分布在沿海海域，隨著社會經濟的不斷發展和人民生活水平的不斷提高， 內河以及近海養殖的水產品已經無法完全滿足人們對高品質水產的需求， 因此遠海養殖必然成為當今世界海水養殖的趨勢。在我國，海岸線總長度達3.4萬公里，其中大陸海岸線1.8萬公里，島嶼海岸線1.6萬公里，豐富的海洋資源為大規模遠海網箱建設提供基礎。

“智慧網箱”雖是為海洋漁業養殖所打造的， 但其未來市場潛力巨大。目前全世界都進入人工智能時代，5G等高科技的加入必將會給目前海工裝備市場的發展提供動力。另外在研發和建造“智慧網箱”的過程中， 我國的海洋工程設計院所必將會面臨一系列重大的技術創新和挑戰， 但是從另一方面，這將會給我國船舶與海洋工程行業提供新的發展方向，從而進一步提升我國的綜合實力。

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