深遠海漁業養殖運行模式優化設計方法研究

嚴俊王宏聶雪軍沈瑞何威

(1.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江)，廣東 湛江 524005；2.湖北海洋工程裝備研究院有限公司,湖北 武漢 430206)

1 研究背景

人類從事水產養殖已歷經數千年，中國有據可考的水產養殖歷史可追溯至公元前1200多年，距今3000多年歷史，在人類漫長的水產養殖生產過程中，人們不斷開拓和總結養殖經驗技術，形成一個個可以學習、推廣復制的養殖模式，為實現高效地養殖生產起到了巨大作用。然而目前人類大部分的養殖經驗都是基于陸地和近海養殖的，隨著陸地和近海資源逐漸飽和，漁業養殖如何走向深遠海成為行業發展探討的熱點問題，本文旨在構建一種適用于深遠海區域的新型漁業養殖生產模式和方法。

目前，關于在離岸距離多遠、海水深度多深區域開展養殖屬于深遠海養殖還沒有公認的定義。聯合國糧食及農業組織(FAO)將離岸養殖(Offshore Aquaculture)推薦定義為設置于暴露在風浪作用的開放海域，有設施設備保障，有補給船舶支持的海上養殖生產系統。養殖水域為水深25～100m、距陸上基地碼頭25nmile以上，適合開展魚類網箱和貝類筏式養殖[1]。本文所指的深遠海漁業養殖特指在上述的離岸養殖海域，以海水魚類為養殖對象，以大型桁架式鋼制養殖平臺為核心養殖裝備，具有惡劣海況下(一般為17級臺風)的自生存能力，在各類養殖服務、支持、保障設施體系的支持下，按照一定技術和經濟性規則開展的離岸漁業養殖生產方式。

深遠海漁業養殖運行模式設計的核心任務是解決養殖設施體系構建的技術經濟性問題，具體任務包括深遠海漁業養殖的功能需求定義、養殖平臺設施配置、養殖運營方案設計、設施技術方案設計、經濟性論證、設計方案選優等環節。本文將介紹深遠海漁業養殖運行模式設計的一般方法。

2 現有海水養殖方式介紹

據《2019中國漁業統計年鑒》統計[2]，我國主要的海水養殖方式有池塘養殖、普通網箱養殖、深水抗風浪網箱養殖、筏式養殖、吊籠養殖、底播養殖、工廠化養殖等7種養殖方式，7種方式養殖總產量約占全部海水養殖產量的80%，其中，海水魚類養殖主要采用池塘、普通網箱、深水抗風浪網箱、工廠化養殖等4種養殖方式。這些養殖方式的養殖區域環境特點各有不同，構造的運行模式也各具特點，分析現有海水養殖方式的運行模式對深遠海漁業養殖運行模式的設計具有一定的參考意義。

3 深遠海漁業養殖運行模式優化設計流程

在充分分析現有海水養殖方式運行模式的基礎上，本文將借鑒船舶與海洋工程的設計方法，把握深遠海漁業養殖綠色化、智能化、集約化、規模化、柔性化等新特征，遵循以技術經濟性為導向的優化設計理念，提出深遠海漁業養殖運行模式方案優化設計的一般流程。

表1 主要海水魚類養殖運行模式對比

3.1 設計輸入調研

調研與工程實施有關的業主要求、政策規劃、工程環境、技術工藝、成本效益性參數等各項輸入條件。

3.2 功能需求定義

根據調研的設計輸入條件，通過工程需求的技術分析，提出養殖體系的核心功能需求，定義各項功能的作用。

3.3 平臺設施定義

通過對功能特征的分析，提出實現功能所依托的各區域的平臺設施，定義區域平臺設施表。

3.4 平臺功能分配

通過工程可行性分析，將所有功能分配到各平臺設施上，列出平臺-功能分配表。

3.5 運營方案設計

根據各平臺功能分配方案，將各平臺按照運營要求系統的聯系起來，形成養殖設施體系的運營方案，列出主要技術參數配置需求。

3.6 技術方案設計

根據平臺功能、技術參數配置，遵循平臺設計的基本原理，進行總體技術方案初步設計，列出各平臺主要的技術經濟性參數。

3.7 經濟性評價

根據技術方案主要技術經濟性參數，設定評價目標，建立運行模式方案的經濟性評價函數模型，計算經濟性評價指標并給出評價結論。

3.8 設計方案選優

調整設計方案變量，獲得新的設計方案集，對方案集進行技術經濟性評價，選用適當方法對方案進行排序，得到最優方案。

4 深遠海漁業養殖運行模式優化設計內容

4.1 設計輸入調研

對運行模式優化設計構成影響的因素眾多，為盡可能設計出更加符合目標要求的方案，設計前應充分收集掌握與工程實施相關的業主要求、政策規劃、工程環境、技術工藝、成本效益性參數等設計輸入數據。但是，在實際工程中往往未全面了解以上信息時，便已啟動運行模式的設計工作，本文建議對于重要數據可參考相關案例進行假定處理，對于一般性數據則可進行忽略處理，待項目進行到一定深度后再視情況補充調整。

表2 設計輸入信息表

續表 設計輸入信息表

4.2 功能需求定義

養殖設施具體需要配置哪些功能應根據具體工程項目需要調研情況進行規定,一個完整的養殖設施體系的主要功能環節至少包括創建合適的養殖生態環境、供應養殖魚種、投喂飼料、日常管理維護、收獲成魚等主要功能環節，圍繞功能環節的實現必需要進行功能的分解，根據設計深度的需要進行分解到不同的功能層次，以下分解得到一、二級功能需求，并對功能進行定義。

4.3 平臺設施定義

養殖功能的實現需要依托必要的平臺類設施。設計輸入的條件不同，規劃平臺設施不盡不同。根據平臺設施的動、靜特點及所在區域的特點，養殖平臺設施可定義為陸上保障基地、深遠海養殖網箱、養殖工作船舶、養殖保障平臺等4項平臺設施，本文分別對各平臺進行基本功能的定義。

表4 平臺設施定義表

4.4 平臺功能分配

將上述分解得到的養殖功能布置到各平臺設施上，各項功能按照一定運行邏輯關聯起來就得到一種運營模式的功能分配方案。顯然，從眾多排列組合中逐個篩選可行運營模式是無意義也是不現實的，因此，本文通過平臺功能最大化布置的可行性分析增加設計約束條件，減少可行方案數量。

表5平臺功能最大化分配方案表

分別按不同平臺功能分配的最大化原則，分析不同區域可能的最大化功能配置，從而排除不具備可行性的區域功能配置方式，其它所有布置方案以功能最大化的布置方案為基本的約束條件，定義同一功能可以布置在多個不同區域的重復數為該項功能布置設計的自由度。經過區域功能最大化分配分析，總結得出各區域功能最大化分配矩陣。通過增加該約束條件，可將顯著降低分配方案可行域的數量級。

在經過最大化布置約束后，得到的方案集僅具備工程上理論可行性，為了進一步縮小方案可行域，還需要總結功能平臺分配原則及設計經驗，結合設計輸入條件進一步減小功能布置的不確定性。

需要指出的是，同一個功能可能需要多個區域協同完成，以上功能區域的分配是指該項功能的主體設施所在的區域。如，漁網清洗功能分配在養殖工作船上的含義是指將主要的洗網機械安裝在船上；飼料投喂功能分配在深遠海養殖網箱的含義是指將主要飼料播撒機械安裝在網箱上，這些功能在作業時仍有可能與其它設施連接或產生聯系。

4.5 運營方案設計

制定項目生產計劃，將平臺設施各項功能按照系統運行的要求有機關聯起來，賦予養殖作業的業務流程要求，消除功能之間的冗余與沖突，開展總體方案及各平臺運營方案設計。以某平臺功能分配方案為例，說明裝備體系運營方案設計主要內容。

4.6 技術方案設計

依據各平臺主要運營參數要求開展平臺設施的技術方案設計。該階段需要確定主要建設的軟硬件內容，開展總體布置設計，編制簡要技術規格說明，確定與平臺造價、運營費用等經濟性密切相關的技術參數。根據技術方案進行造價及平臺運營費用估算，通過經濟性論證后再開展深化設計。

表7 技術方案參數表

4.7 技術經濟性評價

一般養殖運行模式可以從經濟效益、社會效益、生態效益等多個角度進行評價。在社會、生態效益方面，深遠海養殖在產業鏈牽引、職業安全健康、海洋環境保護、綠色水產養殖等方面都有著十分明顯的優勢，該方面的論證無須贅述；但在經濟效益方面，深遠海養殖裝備動則數億元的投資，經濟效益的可行性無疑是項目成敗的關鍵因素。運行模式設計方案的技術經濟性評價是方案優化設計所遵循的首要依據。方案技術經濟性評價步驟如下。

4.7.1 建立經濟性評價指標體系

一般可分為價值性評價指標、效率性評價指標和時間性評價指標等3類指標，評價時可選擇單個指標評價，也可選擇多個目標評價，如果進行方案經濟效果多目標評價時，應盡量同時選用這3類指標[6]。

4.7.2 設定經濟性評價目標

根據項目投資主體要求，結合社會及本行業投資收益水平，設定經濟性評價目標。

4.7.3 建立經濟性評價指標函數模型

按照一般的財務制度要求，根據項目運行模式方案的特點，設定模型常量參數，建立評價指標與方案設計參數的函數關系，模型盡可能細致和準確。

4.7.4 計算結果，給出評價結論

將設計方案經濟性參數帶入函數模型，計算得到該方案的經濟性評價指標結果，根據設定的評價目標給出評價結論。

4.8 設計方案選優

如果給出的設計方案無法滿足評價目標要求，或者條件允許需要尋找經濟性更優的方案，可進一步調整設計方案，不斷進行經濟性計算，直到獲得經濟性滿意的方案，該過程就是設計方案的選優過程。設計方案選優步驟如下。

4.8.1 規定關鍵控制變量

選取設計方案中對投資總額、經營成本、銷售收入等影響顯著的設計參數作為規定的關鍵控制變量，控制變量相互獨立，覆蓋每一個設計階段，是每一個階段對經濟性起主導作用的設計變量，一組變量對應一個該組變量所確定的理論最優方案。

4.8.2 列出備選設計方案

通過調整關鍵控制變量，重新進行設計便可以獲得新的設計方案。理論上，如果依次調整所有的關鍵控制變量，可以獲得控制變量對應的全部設計方案集，但這樣無疑工作量巨大。實際工作中，初步設計中可按設計流程順序選定控制變量，以快速獲得大致合適的設計方案；對初步設計方案進行優化時，可按設計流程逆序調整控制變量以快速獲得收斂的優化設計方案。

4.8.3 計算經濟性評價指標

分別計算各備選設計方案經濟性評價指標。

4.8.4 進行設計方案排序選優

對于單目標評價可根據計算結果直接排序；對于多目標評價應對評價指標值進行無因次化處理，確定各項評價指標權重，選用適當方法對多個方案的評價進行排序。

5 結論與建議

5.1 結論

本文提出以技術經濟性為導向的深遠海漁業養殖運行模式的優化設計方法，提取出運行模式設計過程中需要重點關注的流程和設計內容，明確了各環節設計協作分工和接口，解決了養殖設施體系設計協調困難的問題。設計管理人員便于抓住關鍵環節的過程控制，提高了運行模式的設計效率與質量，可以快速有效地指導不同項目運行模式定制化設計，為深遠海漁業養殖運行模式的精益設計提供了保障。

5.2 建議

根據設計項目的不同特點和設計階段，功能的定義方法與詳細程度存在較大差別，在初步設計時功能定義可以寬泛一些，在深化設計階段則應定義的更具體一些。

對于集群式深水養殖網箱、大型多功能深海養殖網箱、船型類養殖平臺、全潛式養殖平臺等不同類型的養殖裝備，運用本文給出的基本方法，可形成各類養殖裝備設施體系具體的運行模式設計方法。

在運行模式的優化設計的實踐過程中，通過不斷積累設計經驗，找到影響經濟性評價指標的核心要素，總結各環節的基本設計原則，可以幫助設計者減少試錯成本，不斷加快設計優化的過程。

深遠海養殖運行模式優化設計屬于多層級路徑優化的問題，未來可以嘗試利用人工智能機器學習技術進行路徑決策，幫助設計者快速獲得最優設計方案。