水產(chǎn)養(yǎng)殖智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用

鄧玉平，饒勇，劉超，文華，黃俊霖，吳宗文

(四川漁光物聯(lián)技術(shù)有限公司，四川 成都 610041)

水產(chǎn)養(yǎng)殖為社會(huì)提供了豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)來(lái)源，同時(shí)對(duì)改善農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、提高農(nóng)民收入起到了積極作用。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí)，也給環(huán)境帶來(lái)了一定的影響。飼料投喂是水產(chǎn)養(yǎng)殖中最大的成本之一，也是勞動(dòng)量最大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的投飼方式需要人工進(jìn)行操作，根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)粗略控制投飼量。這種方式自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)量大，由于設(shè)備缺乏準(zhǔn)確的計(jì)量功能，無(wú)法精準(zhǔn)控制投飼量，導(dǎo)致飼料浪費(fèi)。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大和集約化程度的提高，傳統(tǒng)的依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的投飼方式難以滿足精準(zhǔn)高效養(yǎng)殖需要，必須采用自動(dòng)化裝備、智能化控制技術(shù)和信息化管理系統(tǒng)提高技術(shù)水平。智能投喂是基于各類傳感器獲取環(huán)境和魚(yú)群的信息、結(jié)合相關(guān)算法模型進(jìn)行決策投喂的方式，是實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖最佳投喂效率的重要手段之一。

一、材料和方法

1.智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的構(gòu)造及原理

智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)由投飼設(shè)備(料倉(cāng)、供料機(jī)構(gòu)、投料機(jī)構(gòu)等)、控制柜、投飼管理軟件等部分組成。通過(guò)運(yùn)料車上的輸送設(shè)備將散裝料直接裝入料倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)飼料出廠、運(yùn)輸、裝料和投料全程機(jī)械化作業(yè)(圖1)。投飼機(jī)采用稱重模板實(shí)時(shí)計(jì)量料倉(cāng)內(nèi)的飼料重量，結(jié)合可編程邏輯控制器程序進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備投飼量精準(zhǔn)控制和全自動(dòng)運(yùn)行(圖2)。控制系統(tǒng)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與投飼管理軟件對(duì)接，實(shí)現(xiàn)投飼遠(yuǎn)程管控與集成管理。

圖1 運(yùn)料車及投飼裝備

圖2 投喂控制柜

國(guó)家漁業(yè)機(jī)械儀器質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)投飼設(shè)備進(jìn)行了檢測(cè)(編號(hào)2021SW033)，主要檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2.飼養(yǎng)試驗(yàn)

智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)在安徽省馬鞍山市和縣善厚鎮(zhèn)漁光一體基地進(jìn)行。養(yǎng)殖池塘為漁光一體池塘，池塘面積在100畝左右，光伏區(qū)占整個(gè)養(yǎng)殖池塘面積的70%，光伏區(qū)水深為0.6～0.8米，非光伏區(qū)養(yǎng)殖水深1.2～1.5米。鑒于漁光一體池塘的水體較淺，池塘采用低密度養(yǎng)殖。池塘主要養(yǎng)殖草魚(yú)，搭配花鰱、白鰱等調(diào)水魚(yú)。草魚(yú)于2020年4月3日放養(yǎng)，放養(yǎng)平均規(guī)格為6.2克/尾。

為驗(yàn)證智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的應(yīng)用效果，項(xiàng)目組選擇6口池塘進(jìn)行草魚(yú)養(yǎng)殖，傳統(tǒng)投喂組采用人工投喂草魚(yú)浮性料，智能精準(zhǔn)投飼組采用智能精準(zhǔn)投飼設(shè)備投喂浮性料。每組設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

二、結(jié)果與分析

1.養(yǎng)殖結(jié)果

當(dāng)年10月下旬至11月中旬對(duì)草魚(yú)進(jìn)行清塘售賣，售賣平均規(guī)格在1 500克/尾以上(表2)。從養(yǎng)殖效果來(lái)看，智能精準(zhǔn)投飼組的特定生長(zhǎng)率(SGR)顯著高于傳統(tǒng)投飼組的特定生長(zhǎng)率，高出9.69%，平均縮短養(yǎng)殖天數(shù)22天，讓草魚(yú)能提早上市；智能精準(zhǔn)投飼組的飼料系數(shù)顯著低于傳統(tǒng)投飼組的飼料系數(shù)，降低13.67%。以特定生長(zhǎng)率和飼料系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，智能精準(zhǔn)投飼組的養(yǎng)殖效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)投飼組。

表2 傳統(tǒng)投飼組與智能精準(zhǔn)投飼組養(yǎng)殖效果對(duì)比

智能精準(zhǔn)投飼優(yōu)于傳統(tǒng)投飼，一方面可能因?yàn)橹悄芡讹曉O(shè)備拋撒節(jié)奏與養(yǎng)殖對(duì)象的攝食節(jié)奏吻合。智能精準(zhǔn)投飼設(shè)備對(duì)單餐次的投喂過(guò)程進(jìn)行分解，滿足魚(yú)群聚集、搶食、逐漸分散的過(guò)程，提高攝食效率。根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖中的投喂經(jīng)驗(yàn)，將投喂過(guò)程分為多個(gè)階段：初步階段，主要是吸引魚(yú)群進(jìn)行聚集；高速投喂階段，魚(yú)群開(kāi)始搶食，高速投喂?jié)M足攝食要求；結(jié)束階段，部分魚(yú)群已基本攝食完成，降低投喂速率，以滿足整個(gè)魚(yú)群的投喂量。在控制投喂的過(guò)程中，風(fēng)送系統(tǒng)采用間隔下料、持續(xù)鼓風(fēng)風(fēng)送的方式進(jìn)行。通過(guò)調(diào)整單次下料的持續(xù)時(shí)間，兩次下料的間隔時(shí)間來(lái)調(diào)整投喂速率。避免了飼料在水中長(zhǎng)時(shí)間浸泡，減少了飼料營(yíng)養(yǎng)的流失，從而降低了飼料系數(shù)、提高了生長(zhǎng)速度。另一方面，可能因?yàn)橹悄芫珳?zhǔn)投飼系統(tǒng)的拋撒范圍更大、投喂更均勻，保證飼料在攝食區(qū)水面均勻分布，力求個(gè)體都有充分?jǐn)z食的機(jī)會(huì)，避免群體聚集搶食消耗體能及造成飼料沉底浪費(fèi)。

2.養(yǎng)殖效益

水產(chǎn)養(yǎng)殖智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)主要通過(guò)以下幾個(gè)方面提高養(yǎng)殖效益。

(1)大幅降低勞動(dòng)力成本。使用智能精準(zhǔn)投飼裝備前，800畝的養(yǎng)殖基地按照每100畝配備1個(gè)養(yǎng)殖工人，需要8個(gè)養(yǎng)殖工人，人工成本為48萬(wàn)元；應(yīng)用智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)后，配備養(yǎng)殖人員2個(gè)及設(shè)備管理人員1個(gè)(10萬(wàn)元/年)，年人工成本為22萬(wàn)元，節(jié)約勞動(dòng)力費(fèi)用26萬(wàn)元，勞動(dòng)力成本降低54%。

(2)減少飼料包裝成本。智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)采用散裝料車進(jìn)行加料，不需要進(jìn)行飼料包裝，每噸飼料的包裝費(fèi)按照80元計(jì)算，則節(jié)約包裝費(fèi)用2.64萬(wàn)元。

(3)提高草魚(yú)的生長(zhǎng)速度及飼料系數(shù)。從應(yīng)用案例中可知，應(yīng)用智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)能縮短養(yǎng)殖天數(shù)20天左右。以2019年的養(yǎng)殖行情來(lái)看，提前20天出魚(yú)，售價(jià)可提高0.4元/千克，養(yǎng)殖基地共計(jì)199 722千克，可提高7.99萬(wàn)元的直接養(yǎng)殖收益。飼料系數(shù)降低13.6%，草魚(yú)飼料按照4 800元/噸計(jì)算，同樣生產(chǎn)174噸草魚(yú)，飼料成本可降低19.2萬(wàn)元。

綜上，通過(guò)節(jié)約勞動(dòng)力、包裝成本、降低飼料系數(shù)等方面，每年可提高經(jīng)濟(jì)收入55.83萬(wàn)元。每套智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)需要投入經(jīng)費(fèi)10萬(wàn)元，投入6套，基地共需投入60萬(wàn)元，按折舊5年計(jì)算，則每年費(fèi)用為12萬(wàn)元；自動(dòng)上料車每年費(fèi)用按照2萬(wàn)元計(jì)算，則每年投入14萬(wàn)元。通過(guò)計(jì)算可知，使用智能精準(zhǔn)投飼設(shè)備，該基地效益每年可增加41.83萬(wàn)元。

三、討論

池塘養(yǎng)殖過(guò)程中需要人工搬運(yùn)飼料，勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工成本高。現(xiàn)有投飼設(shè)備缺少稱量和自動(dòng)控制功能，存在投飼量控制不精準(zhǔn)、自動(dòng)化程度低、難以集成管控等問(wèn)題。本文基于自動(dòng)計(jì)量投飼控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，以草魚(yú)為研究對(duì)象，結(jié)合草魚(yú)的攝食節(jié)奏進(jìn)行分階段投飼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)投喂量的精準(zhǔn)控制。

自動(dòng)計(jì)量投飼控制技術(shù)是將大容量的料倉(cāng)作為飼料的倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)構(gòu)，并在料倉(cāng)的下方平臺(tái)上安裝3只稱重傳感器，對(duì)每次投喂飼料的重量和剩余飼料進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。投飼設(shè)備通過(guò)內(nèi)部控制裝置或遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)定投飼時(shí)間、投飼重量、投飼速度等參數(shù)并自動(dòng)進(jìn)行投飼作業(yè)，每天可設(shè)置多次投飼作業(yè)任務(wù)，解決了投飼量只能通過(guò)投喂時(shí)間進(jìn)行估算的粗略投喂問(wèn)題。

判斷、分析魚(yú)的攝食行為是進(jìn)行智能投飼的前提。本文利用草魚(yú)的攝食特點(diǎn)——“兩頭慢、中間快”，在控制投喂的過(guò)程中采用間隔下料、持續(xù)鼓風(fēng)風(fēng)送的方式調(diào)整投喂過(guò)程中的投飼速度。基于魚(yú)攝食行為的智能投飼技術(shù)包括基于機(jī)器視覺(jué)魚(yú)攝食反饋以及利用聲學(xué)、水質(zhì)參數(shù)變化的智能投飼技術(shù)。這些技術(shù)還在研發(fā)階段，真正用于實(shí)際生產(chǎn)的較少。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)，具備設(shè)備控制、信息采集、信息管理的投飼管理軟件，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)、小程序等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)投喂設(shè)備的啟停控制、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息、魚(yú)信息、設(shè)備信息等的采集；實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境信息、投喂信息的統(tǒng)計(jì)、分析、查詢等信息管理功能。解決了“人必須在現(xiàn)場(chǎng)”的問(wèn)題，提升投喂管理工作效率。

四、應(yīng)用范圍及展望

水產(chǎn)養(yǎng)殖智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飼料儲(chǔ)存、精準(zhǔn)稱量、遠(yuǎn)距離輸送、遠(yuǎn)程智能控制等功能，適用于規(guī)模化高密度精養(yǎng)池塘養(yǎng)殖、設(shè)施化高密度養(yǎng)殖以及海域、水庫(kù)、湖泊等的圍網(wǎng)或網(wǎng)箱養(yǎng)殖，尤其適合魚(yú)的養(yǎng)殖。

水產(chǎn)養(yǎng)殖面臨勞動(dòng)力匱乏和高成本且勞動(dòng)力老齡化突出等問(wèn)題，水產(chǎn)養(yǎng)殖智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)可以大幅減少飼料投喂環(huán)節(jié)的勞動(dòng)力需求，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，避免養(yǎng)殖工人在惡劣的天氣環(huán)境下的投飼工作。智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)能使用散裝料進(jìn)行養(yǎng)殖，可以節(jié)約包裝材料的費(fèi)用，同時(shí)也避免了包裝材料對(duì)環(huán)境的污染。另外，智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的飼料拋撒面積更廣，更均勻，投喂量更符合魚(yú)的攝食需求，可以提高飼料利用率，增加養(yǎng)殖效益。所以，水產(chǎn)養(yǎng)殖智能精準(zhǔn)投飼系統(tǒng)的推廣應(yīng)用是水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化、設(shè)施化、智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)。