基于空化射流的深水網箱清洗機器人設計應用*

劉思源，黃林琪，范桂兵，朱庭琨，陳伯豪，俞國燕

(廣東海洋大學，廣東 湛江 524088)

0 引 言

在海水養殖中，有很多不同的養殖方式，其中網箱養殖是一種重要的養殖方式，包括近海網箱和深水網箱養殖，海下的環境相對于陸地的環境而言，更加復雜，因此在未來，無論是普通的近海網箱養殖還是近年來不斷發展的深水網箱養殖都需要往智能化、自動化、環保節能高效等方向發展，而智能化、自動化的發展往往依靠養殖生產模式和配套設施，因此在我國網箱養殖產業的發展與現代化的海洋設施養殖生產模式的發展緊密相關[1]。而且，在網箱養殖的過程中，網箱上的網衣常常會因為海洋中的浮游動植物的附著滋長而影響網箱內外的水體交換，更嚴重的是長時間的附著會損壞網箱網衣，需要進行網衣更換作業，增加網箱養殖的成本[2]，因此對于網箱養殖而言，網箱網衣的清洗工作的重要性不言而喻。

目前，國內的網箱清洗設備還是比較少，關鍵的清洗技術大多類似，且較為薄弱，智能化自動化程度不高，傳統的清洗技術以人工清洗為主，大多需要人工進行操作，工人作業量較大，勞動力成本較高，清洗網衣效果較差，清洗工作效率不高，因此對于上述痛點，網箱清洗技術和方案的研究刻不容緩。

筆者根據網箱網衣清洗的特點，提出基于空化射流的深水網箱清洗機器人的設計方案，通過對現有的網箱清洗機器人方案綜合分析對比其優缺點，得出基于空化射流的深水網箱清洗機器人的設計方案能夠達到有效清洗網箱網衣的效果，解決清洗效率較低，自動化水平不高，清洗效果差等問題，以此能夠更好的提高我國海洋網箱養殖產業自動化智能化水平。

1 網箱網衣清洗特點

網衣是網箱養殖中不可缺少的部分，也是網箱清洗的主要清洗對象，網衣的規模巨大，大小不一，特別是深水網箱，長達幾十周長的網衣比比皆是，而且網衣主要使用場所為海下，所以清洗難度大，且清洗效果要求高。以下是前往廣東省湛江市東海島調研活動中所拍攝到的照片。

由圖1可知，網衣上有較多的孔洞，且網衣規模尺寸巨大，極易使得海水中的浮游動植物，如藻類貝類等附著性較強的生物附著會對網箱內養殖魚類的生長活動產生影響，因此對網衣的清洗作業需要定時進行，并達到一定清洗效果，這要求清洗方式和清洗設備需要具有極高的清洗能力。所以，在網衣的自動化智能化、以及高效清洗的實現上，清洗方式和清洗設備的選擇在清洗網箱網衣的過程中顯得十分重要。

圖1 網衣上的附著物

目前，對于網箱清洗，可普遍分為物理、化學和生物等三類防污法[3]，具體主要有九種方法：人工、生物、機械、藥物、物理等五種清洗方式以及陽光暴曬、沉箱法、定期換網法以及上提下沉法[4]。其中人工清洗和陽光暴曬這兩種方法都較為原始，而且所需的工人量較多，工人作業量大，勞動力成本高。當前國內主流是使用高壓水槍，將網衣拖上岸人工刷子清洗, 國內市場上還尚未大規模地與水下機器人相結合使用[5]。但是，隨著網箱養殖產業不斷向著智能化、自動化、環保節能高效方向發展，機器清洗逐漸代替人工清洗，越來越多的網箱養殖戶開始利用機器對網箱網衣進行清洗，與人工清洗下相比，機器清洗的特點是清洗高效，操作方便、安全、省力，可以保證較高的清洗效果的同時也能保證工作效率。

2 基于空化射流的深水網箱清洗機器人設計

根據網箱養殖的特點以及對網箱網衣清洗中現階段存在的問題綜合分析后，提出基于空化射流的深水網箱清洗機器人設計方案?；诳栈淞鞯纳钏W箱清洗機器人利用與高壓射流不同的空化射流來進行網衣清洗作業，主要的設計依據來自于對空化射流這一新技術的應用以及實際網箱網衣清洗的需要，設計的清洗機器人具有一定的創造性和創新性。

基于空化射流的深水網箱清洗機器人主要由三大系統組成：驅動系統(見圖2)、控制系統(見圖3)和清洗系統(見圖4)。驅動系統適應性強，能夠適應多種規格網箱網衣，提供爬行動力；控制系統調整性能好，搭載了攝像頭，并通過四周螺旋槳動力調節機器的方向，使清洗效果更加全面；清洗系統由上位機高壓水泵和下位機清洗盤組成，采用空化射流技術，通過高壓水流使歧管高速旋轉，噴出水流達到清洗效果。

圖2 驅動系統 圖3 控制系統

圖4 清洗系統 圖5 基于空化射流的深水網 箱清洗機器人實體圖

基于三大系統，該設備有三大主要功能水下網衣清洗功能、水體環境檢測功能、實時視頻監測功能。通過三大功能，用戶只需通過遙控手柄即可對基于空化射流的深水網箱清洗機器人進行實時控制，通過顯示屏，即可簡潔明了地掌握網箱內部各種情況，能夠檢查網箱網衣的破損情況，也能夠觀測網衣上附著物的程度，進而判斷是否需要對該網衣進行清洗，用戶無需進行換網、曬干等繁雜步驟后方可進行網衣清洗，可以定時進行清理，預防附著物過多導致的水中含氧量降低，降低養殖風險。

該設備基本上擺脫了人工下水操作，利用上位機和下位機，只需要通過遙控手柄即可對網衣清洗機器人的運動進行控制，同時采用履帶輪，履帶總成中采用質量小、振動輕、耐腐蝕性強以及適合水下作業的膠齒驅動式橡膠履帶[6]。為操作方便，網衣清洗機器人采集的數據經過配套軟件處理后能由顯示屏顯示，同時對采集的數據進行分析與處理，通過顯示屏顯示擬合的圖像和養殖日記供用戶參考，對種植過程實施精細化管理，以提升管理水平，節約管理成本。

通過與人工對比分析可以得出，該設備在進行網箱網衣水下作業時，比起人工潛水作業，機器下水安全性更高，且利用空化射流技術，具有創新性和高效性，利用多路高壓水槍高速旋轉所產生的大量氣泡破裂的能量來清洗網衣上的附著物，能夠實現更為充分有效的網衣清洗，與同類型作業級ROV水下機器人相比，該設備工作效率更高，且更具多樣化功能，且能滿足大部分養殖戶對成本等個性化要求。圖5所示為基于空化射流的深水網箱清洗機器人的實體圖。

3 清洗機器的備選方案介紹

結合上述網箱網衣的特點及其現場工況，并參考國內外同行清洗設備，介紹分析兩種備選方案，分別是渦旋水流式網箱清洗設備、歧管式高壓射流水下洗網機。下面將分別介紹備選方案的可行性及其特點。

3.1 渦旋水流式網箱清洗設備

渦旋水流式網箱清洗設備使用了汽油機作為原動力，主要以水泵和轉動圓盤為兩個部分組成，通過水泵將汽油的化學能與水流的機械能轉化,以此來達到提供能量的目的，而水流的機械能轉化為圓盤的轉動動能是利用轉動圓盤通過水流對圓盤的反作用力實現的，實現機械能與轉動動能的互換，最終帶動毛刷的運動，通過毛刷充分接觸摩擦網箱網衣，達到機器清洗網衣的目的，同時在深海網箱養殖產業中，因深海網箱離岸較遠，產生無法為機器提供動力的問題，而通過該設備的設計，利用汽油機則能夠有效的解決此問題，提高了工作效率[7]。

由圖6可知，通過對該網箱清洗設備的綜合研究分析可知：該設備設計合理，結構緊湊，能夠有效的解決動力問題，優點顯而易見；但是由于使用該設備必須需要人工進行配合，需要操作人員攜帶設備潛入水下進行清洗工作，對勞動力的要求較高，人工勞動密度較高，智能化程度較低，同時其消耗的能耗大，使用汽油機作為動力，對環境污染大，且海水的侵蝕極易損壞該清洗設備內部的軸承，維修成本較高，故缺點也同樣明顯。

圖6 渦旋水流式網箱清洗設備簡圖

3.2 歧管式高壓射流水下洗網機

歧管式高壓射流水下洗網機雖然結構比較簡單，但是其具有靈活性強，安全性好等優點。

隨著網箱養殖產業發展不斷朝著環保高效節能轉變，網箱網衣清洗設備也在不斷朝著水動力和太陽能電力驅動等環保節能方向發展，因此以利用水動力來解決岸電供應困難的痛點問題的歧管式高壓射流水下洗網機，也順應了網箱養殖產業的發展趨勢。由名字可知，該設備主要是利用導流式的歧管以旋轉的方式進行網衣的清洗，其工作原理主要是利用前擋板，旋轉式的高壓水流通過多個噴嘴噴射出，將清洗設備能夠清洗的網衣面積擴大，同時利用后蓋的通孔將螺旋槳上的葉片進行旋轉操作，在這其中所產生的水流推力基本消除，使得清洗設備能夠在清洗作業的過程中與網衣一直緊貼，降低操作員的勞動強度，提高了對網衣上的附著物的清洗效果，增強安全性。

歧管等一系列新技術的引入使得歧管式高壓射流水下洗網機能夠在一定程度上克服高壓倉式洗網機水頭損失大的缺點[8]，提高了清洗效率，同時，該設備的維修成本為同行業其他設備相比較低，但是其缺點同樣明顯，還是未能擺脫需要人工操作的問題，勞動力依賴程度高，自動化水平較低。

4 應用效果對比

通過對上述 3 種方案的介紹及其綜合性能的分析，最終甄選出基于空化射流的深水網箱清洗機器人設計方案，具體優缺點對比見表1所列。

表1 網衣清洗設備的三種方案比較

由表1可知，基于空化射流的深水網箱清洗機器人設計方案與其他兩套方案相比，雖然維修成本相對較高，但是考慮到網箱養殖與普通的漁場不同，特別是深水網箱養殖，作為高投入高收入高風險的行業，資金投入規模較大，且隨著勞動力越來越緊缺，人工成本也在不斷的上漲，從長遠來看，購置網箱清洗機器人的成本比起人工成本隨著時間的推移會不斷的減少，時間越長，人工成本越高，而網箱清洗機器人的成本越低，且機器人能夠滿足養殖過程中的多種作業需求。

5 結 語

通過對網箱網衣清洗中3種設備方案的討論與分析得出最適合網箱網衣清洗的基于空化射流的深水網箱清洗機器人設計方案。該方案清洗網箱網衣效果好，工作效率高，自動化水平高，并且節能環保，安全穩定性高，達到了設計預期，且通過實際應用表明，該方案大大降低了網箱清洗作業對人工的需求，不斷提高了產業自動化水平，達到預期設計方案的要求。