大水面生態漁業養殖物聯網技術創新方案

賀春玉 王圓圓

大水面是指我國內陸水域中的江河、湖泊、水庫、河道、低洼塌陷地等，不包括人工開挖的池塘和建造的養殖槽等。在全國500萬hm2可養殖水體中，大水面約占80%。但養殖產量占比很小，不足20%。

大水面的傳統養殖，主要靠天，靠經驗，天然的大好資有效利用率不高，有些甚至還造成了一定程度的面源污染源。

究其原因，主要在于：其一，養殖成本高。包括人工、飼料、管理等。其二，養殖設施陳舊，養殖方式落后，導致養殖產量低，成活率和起捕率低。其三，養殖技術落后，大多數養殖均采取的是傳統的人放天養的粗放式養殖和管理技術，養殖周期長、疫病難以控制等，造成養殖產量和質量不穩定，養殖效益低。其四，環保意識不強，養殖尾水排放不達標等，對環境造成不良影響。

針對大水面傳統養殖現狀，國家相關部委出臺了一系列政策。2019年9月，大水面生態漁業現場推進會在浙江省召開。會議強調，要充分保障大水面漁業發展空間，對于近幾年在環境保護督查中超出法律法規要求被迫退出的大水面漁業，要在科學論證的基礎上，重新恢復生產，積極推進大水面生態漁業發展。

新時期發展大水面生態漁業具有重要意義，要準確把握推進大水面生態漁業發展的總體要求，堅持綠色發展、合理利用，堅持因地制宜、分類施策，堅持科技引領、創新驅動，堅持質量興漁、三產融合。走出一條水域生態保護和漁業生產相協調的高質量綠色發展道路。為此，在多年研發傳感設備、養殖設備、自動化控制、物聯網軟件以及大數據分析平臺的基礎上，提出大水面生態漁業養殖物聯網技術創新方案，以期促進我國大水面漁業養殖方式的轉變，促進產業轉型升級、促進漁民增收。

1方案設計

1.1設計原則

采用先進的工業技術和物聯網理念，讓先進要素、技術創新相互滲透、緊密交融。構建大水面生態漁業的生產體系、經營體系和服務體系。實現漁業養殖、加工、休閑旅游、文化創意、科普教育、電商平臺等產業深度融合。

1.2設計結構

整個水域設計為：養殖板塊、種植板塊、加工板塊、垂釣板塊、休閑旅游板塊、科普教育板塊、品牌體驗板塊、電商平臺板塊。如圖1所示。

1.3設計內容

1.3.1養殖板塊采用浮動式工程化循環水模式進行養殖。該養殖模式由硬件設施和軟件系統組成。硬件設施包括：槽體、推水增氧設備、底增氧曝氣設備、集排污設備、水質監測設備、投飼設備。軟件系統包括：自動化控制系統。養殖水槽面積占水域的比例在2%～5%。水槽兩端有攔魚網和防撞網，魚放在水槽內集中“圈養”。在水槽上安裝推水增氧設備、底部增氧曝氣設備、水質監測設備、集污設備。確保水槽內的水體富含溶氧，并產生一定的流速，讓“ 死水 ”變成“ 活水 ”。利用工業技術手段，采用先進的養殖設備和新型的養殖模式，實現全智能自動化控制的人工養殖方式，從而達到養殖方式由傳統模式向現代化轉變的目的。如圖2所示。

1.3.1.1槽體

槽體長24 m，寬5 m，深2.2 m。采用熱鍍鋅框架，環保玻璃鋼面板，防浪涌結構。槽體分三段設計，前段為設備區，安裝推水增氧設備。中段為養殖區，安裝底部曝氣設備和水質監測設備。后段為集污區，安裝半封閉的底部漏斗型的集污設備。如圖3、圖4所示。

1.3.1.2推水增氧設備

流動的水體環境能夠帶來大量魚類生長所需的溶解氧，增進魚的游動，從而大大提高魚肉品質。本系統通過氣提方式實現槽體推水功能，增加了水的流動性，把靜水變成局部流動的活水，促進了魚的生長，同時，將養魚槽內的殘餌、糞便及其他懸浮物推送到槽體末端的集污區里。

采用雙段漩渦風機，通過主管道，經由手動調節閥、分支管道將高壓氣流輸送至納米曝氣格柵，氣流在水體中迅速上升并在導流板的作用下形成水平推力，使槽體內的靜水向槽體尾部線性流動。

每槽采用2.2 kW雙段漩渦風機（最大氣量260 m3/h）。配套納米曝氣格柵、玻璃鋼導流板及其組件。能夠確保水流流速不低于3 cm/s。

每臺風機的控制模式分為本地控制、上位機遠程控制、PLC站自動控制三種模式，且優先級：本地控制>上位機遠程控制>PLC站自動控制。如圖5所示。

1.3.1.3集排污設備

能夠將魚槽內的殘餌糞便有效收集并排放到塘外指定區域，降低了水質污染，實現了凈化水的循環利用。

采用頂部虹吸法。每槽尾部設計排污V型槽，配一臺2.2 kW自吸泵。

每臺泵的控制模式分為本地控制、上位機遠程控制、PLC站自動控制三種模式，且優先級：本地控制>上位機遠程控制>PLC站自動控制。如圖6所示。

1.3.1.4水質監測設備

采用在線熒光法的原裝進口產品，測量范圍（溫度）：? 0～50 ℃;測量精度（溫度） ： ±0.2 ℃;存儲溫度 ：-20～70 ℃ ;響應時間（溶解氧） ： T90<40 s。無需校準、無漂移，精確、穩定，有效壽命長。如圖7所示。

1.3.1.5投飼設備

主要包括風機、料倉、配料盤、噴料嘴、管路、控制柜等。

能夠與總控制系統或者其它系統實現無縫對接。

具有本地操作、上位機遠程控制、PLC自動控制三種控制模式。

可靈活設置投喂選料、投喂量、投喂時間、投喂時差、投喂距離、投喂次數、投喂槽位、投喂倉位等參數。

可實時采集系統工況，如風機失壓、過壓，下料異常等數據。

如圖8所示。

1.3.1.6自動化控制系統

自動化控制系統通過采用先進的檢測儀表、電氣控制設備和控制器，并匯集控制技術、信息技術、網絡通訊技術、計算機技術等，通過采集現場檢測儀表、電氣設備等的參數，加以預警和控制，從而達到提高養殖企業的自動化操作水平，構建集遠程控制、生產管理于一體的平臺。

采用分布式子站以及工業以太網等先進的網絡通訊技術，實時動態顯示現場設備狀態及檢測分析儀表的的參數，并對設備遠程下達各種指令。

在控制柜上設置觸摸屏，觸摸屏實現簡單數據檢測和遠程控制的作用，平時既可以在遠程計算機上進行數據的讀取和控制，也可以在觸摸屏上進行數據的讀取和設備的控制。

主控CPU單元采用德國西門子公司系列產品，PLC主站與各控制子站采用分布式工業以太網總線通訊，上位機與PLC過程控制層之間采用以太網方式通信，控制室對現場數據進行顯示和過程控制。

功能1：能夠實現風機、投飼機、吸污泵、傳感器、發電機等設備的全自動關聯動作，具有冗余備份和報警機制。

功能2：當水質傳感器監測數值低于下限，系統會自動報警，同時開啟備用或者底增氧風機，進行曝氣提升。

功能3：當投飼結束，系統會在設定時間自動開啟吸污泵。

功能4：當設備運行出現故障，系統會自動報警，同時開啟備用設備。

功能5：當現場發生停電斷電，系統會自動切換到發電機組進行供電。

功能……………。

如圖9所示。

圖9自動化控制

1.3.1.7養殖模式優勢

養殖槽體可升降，不受水位、風浪影響。可移動，方便調整養殖區域。可復制，便于調整養殖品種和養殖量。

養殖槽體壽命長。正常使用，可以運行10年以上。

養殖產量高，單槽120 m2的水面，養殖產量可達2萬kg以上。

養殖成本低。智能控制系統可實現精準投喂，可實現自動放苗、投喂、捕魚等。可實現一人管多槽，甚至可以無人現場值守。飼料利用率大幅提高，養殖管理成本和人工成本顯著降低。

捕魚方便快捷。起捕率可以實現100%。

養殖過程可以實現抗生素零用藥，不僅避免了污染，還提升了魚肉品質。

集污效果顯著。采用大功率自吸泵和半封閉的底部漏斗結構，殘飼和糞便的收集、抽取，快速徹底。集污率在45%以上。減少氮、磷、COD排放65%以上。

1.3.2種植板塊

選取水域的合理位置，搭建水面浮臺和半潛浮臺，配套環境采集設備。

水面浮臺種植水生植物，水草類如菖蒲、水葫蘆、魚腥草、夏枯草、水龍、薄荷、虎杖等。蔬菜類如空心菜、水芹菜、茭白等。鮮花類如荷花、美人蕉等。

半潛浮臺種植沉水植物，如苦草、伊樂藻、輪葉黑藻、菹草等。

環境監測設備包括風力、光照，空氣的溫度、濕度，水體溶解氧、pH、溫度、濁度等，確保水生植物適宜的生長環境。

種植板塊的主要功能：

凈化水質。水生植物發達的根系有較好的絮凝作用，能夠有效提高有機質的沉降率，具有很好的除P、除N作用。

美化環境。綠葉紅花，為旅游觀光提供了天然的素材。

綠色食材。養殖與種植形成了 “魚菜共生模式”。可提供綠色有機蔬菜。

如圖10所示。

1.3.3加工板塊

建造加工中心，搭建產品質量追溯系統。加工的產品包括：活魚保鮮加工、魚肉肉丸、肉柳加工。魚排、魚干加工。綠色蔬菜保鮮加工、蔬菜凍干加工等。

產品質量追溯系統能夠把原材料信息、產品加工信息、成品物流信息和銷售信息等，精準錄入，以二維碼的方式進行掃描展示。

1.3.4垂釣板塊建設岸基垂釣設施和深水浮動垂釣設施，配套茶歇、遮陽傘等。釣獲的魚，可折價帶走，可折價回購，也可以在現場有償提供的廚房及廚具，進行家庭烹調。多種消費模式并存。

1.3.5休閑旅游板塊建設岸基觀光通道和水面浮動觀光走廊，如圖11所示。配套環境監測設備和水肥供給系統。岸基觀光通道配套種植紫藤、凌霄花、石楠、紅楓、苦楝樹等綠色植物和獼猴桃、樹莓等經濟作物。水面浮動觀光走廊配套綠蘿、荷花、美人蕉等。通道和走廊都互聯互通，可以到各個板塊進行現場體驗、觀摩。步步皆有景、遠近高低景不同。天天花不斷，季季花不同。能夠為企業帶來可觀的經濟效益。

1.3.6科普教育板塊采用室內、室外相結合，搭建網絡視頻系統。以科普講座、影效、培訓、示范、咨詢、參觀、服務、實物展覽、標本展覽等方式，普及種植、養殖、種源、產品加工、疫情防范、污染防治、信息智能等科學知識。

網絡視頻系統可同步傳輸各大板塊的相關視頻進行交互、共享，增大科普教育效果。

1.3.7品牌體驗板塊對生產、銷售、服務進行標準化設計，融入企業自身的品牌和文化元素。做好交流、環境、網絡和人員的安排，搭建體驗場景。讓客戶的訴求在體驗的過程中得到完美的詮釋。

1.3.8電商平臺制定合理標準，做好產品分類。如鮮活配送、生鮮配送、冷凍配送等。策劃周到的服務與體驗。如現場體驗、視頻直播體驗、線上互動體驗等。以網站平臺為載體，嫁接相應的資源。利用互聯網的易用性、廣域性和互通性，實現快速可靠的網絡化產品和服務交易。既能為客戶提供直購綠色環保產品的專業平臺，實現開心消費，又能拓寬產品銷路，增大產品銷量，實現企業形象和品牌價值的提升。

1.3.9物聯網物聯網采用云主機為服務平臺，借助4G/5G等網絡，通過DTU/PLC，進行現場數據的采集，如圖12所示。例如養殖板塊的設備運行數據、水質數據（溶解氧、pH、溫度、氨氮等）、苗種數據、飼料數據、產銷量數據、病害數據等。例如種植板塊的空氣溫濕度數據、光照數據、土壤溫濕度數據、苗木數據等。例如加工板塊的原材料數據、半成品數據、成品數據，庫存數據、銷售數據等。

系統對采集的數據進行匯總、存儲、分析，形成綜合信息動態數據庫。不僅能為生產管理提供查詢、統計、報表等功能，也能為支撐大水面生態漁業綠色可持續發展，為大水面漁業資源與生態環境保護提供科學數據。

2結論

大水面生態漁業物聯網解決方案，采用了工業自動化技術和工業設施設備。工程化循環養殖模式，在一定程度上解決了傳統水產養殖中存在的產量、成本、品質、環保等客觀問題，推動了現代漁業的創新與發展。

按照生態設計，栽培的水生作物等植物，能夠將處理后的養殖 “肥水”，作為營養液吸收。經過植物“脫肥”后的“瘦水”又流回，為水體微生物提供營養，最終達到了種、養結合的循環生態農業。

對養殖、種植所得初級產品，進行深加工，提高了產品附加值。

以養殖現場、種植場景、加工過程、產品展示等為內容，開發生態休閑、旅游觀光、文化傳承、科普教育、電商平臺等功能。實現了產業鏈的延伸，價值鏈的提升。

采用的物聯網技術，實現了種養、加工、銷售、服務等數據的有效共享和應用。實現一二三產的深度融合。

（收稿日期：2020-01-16）