養殖工船綜合智能管控系統設計研究

張呈龍，姜 勇，陳亞杰，馬相鵬

應用研究

養殖工船綜合智能管控系統設計研究

張呈龍1，姜 勇1，陳亞杰1，馬相鵬2

(1. 中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108；2. 武漢理工大學船海與能源動力工程學院，武漢 430063）

為提高養殖工船養殖作業順序的合理性和效率，以及實現魚類及工船安全保護的目的，對養殖工船綜合智能管控系統進行設計研究，建立統一基礎數據庫和高精度三維GIS模型，打通經營管理層和底層生產數據，實現對接目標，提供智能化分析，輔助生產決策，以構建良好的養殖生態環境，提高養殖設備的智能管控匹配度以及養殖工船全局管理的智能化程度。

養殖工船 智能管控系統 硬件 軟件

0 引言

近年來，隨著深遠海養殖的不斷發展，對養殖平臺綜合管控系統的可靠性、智能化程度的要求越來越高，信息技術應用于養殖平臺全方位立體化監控變得非常重要[1, 2]。在此背景下以提高養殖平臺的智能化程度，降低養殖平臺的管理難度為目標的養殖平臺綜合智能管控系統研究已在全球范圍內開展。養殖平臺按照特點分為固定式大型養殖平臺和游弋式大型養殖工船[3]。挪威AKVA集團作為全球領先的水產設備生產商，該集團在網箱監控系統中將軟硬件設備進行了有效的集成，系統可對養殖環境和魚群進行監測，實現了計劃、財務、生長曲線、成本核算控制，還通過互聯網將多個養殖網箱進行連接，具有較高的智能化程度。

胡昱等人提出了一種遠程開放式海水網箱養殖環境監測系統，可以監測水溫、鹽度、溶解氧和流速等參數。該系統實現了外海網箱養殖環境的精確監控。同時也解決了現場布線和效率低下的問題[4]。上海韜鳴船舶技術有限公司研制的智能深海養殖網箱監控系統可以實現監測網箱、海水、氣象等功能，系統監測流量、液位等參數，控制充排水設備自動實現網箱的平衡和升降速度，還可以遠程控制投食系統、網箱清洗系統。該系統是基于網頁的系統，實現了跨平臺監測和控制。國內的其他廠商利用 ZigBee與GPRS相結合的組網方式實現近海網箱管理。將養殖環境內的各個監測點水質數據實時的采集、傳輸至養殖工作平臺主機顯示，為養殖人員或研究人員提供了準確的海水溫度、PH、溶解氧等數據，但是國內的廠商并沒有實現養殖平臺綜合智能化管控的功能。

針對現有養殖工船綜合管理智能化程度較低的不足，設計一款養殖工船綜合智能管控系統，確保系統高度智能化，并且具有較長的生命周期，既能滿足當前的需求，又能適應未來的發展。養殖工船綜合管控系統是集安全、生產和設備管理等多業務的綜合管控平臺，系統基于養殖生產要素，對養殖投飼、養殖任務、魚群健康、飼料庫存等信息進行展示和管理，通過該綜合管控系統可實現養殖工船智能化管理，提高養殖生產效率及風險防范能力[5]。

1 系統架構

本文綜合考慮養殖工船智能管控系統的適用性、先進性、成熟性以及設備的選型優化，從可靠性、可維護性和經濟性出發，開展養殖工船綜合智能管控系統的研發工作。所設計的系統自上而下分為5層，系統架構如圖1所示。

1）用戶層，主要實現人機交互和數據可視化功能。

圖1 綜合智能管控系統架構

2）管理層，主要實現各類業務模式下的管理功能，通過工業以太網將設備進行連接，設有操作站、服務器等，發布決策指令和生產計劃、監測設備狀態和故障報警，并將生產數據進行存儲分析。

3）智能控制及數據服務層，主要通過控制模型實現智能化生產，進行數據的存儲、轉換、通訊協議的交互。

4）設備層，主要由現場傳感器、閥門、執行器和電機水泵組成，完成系統的執行和狀態反饋。

5）外部現場層，主要負責設備的執行。

2 系統功能

2.1 養殖工船智慧全局管理功能

基于工船綜合集成管理系統，實現對養殖安全相關信息，養殖魚類相關信息，設備狀態相關信息以及輔助決策相關信息四個方面的信息展示和管理。

養殖安全相關方面：實現對人員信息顯示，船舶姿態安全監測，人員巡檢打卡監控，人員定位信息顯示功能。

養殖魚種及環境相關方面：實現對水下監控視頻實時顯示，水質水文信息的實時顯示，魚群生物量體征及健康信息顯示功能。

養殖設備狀態相關方面：實現對供氧設備、投飼系統、魚苗入艙設備、成魚起捕設備、液測閥控系統、燈光控制系統、加工冷藏系統等狀態、報警及故障顯示等功能。

輔助決策信息方面：實現對養殖事件的處理流程展示功能，包括溶解氧不足處理流程、水量水體異常處理流程、攝食狀態不佳處理流程、氨氮檢測值偏高處理流程、魚病防治處理流程、養殖池定期自動清洗處理流程等。

2.2 養殖生產管理功能

基于養殖生產要素，對養殖投飼、養殖任務、魚群健康、飼料庫存等信息進行管理，通過該生產管理功能，滿足養殖人員日常生產管理的要求，實現從魚苗計量投放開始，覆蓋日常投喂、檢測、記錄分析等直至起捕出魚、加工銷售的完整養殖周期的管理。形成完整的數據記錄，為回歸性分析和預測性分析提供數據支撐。具有日常生產管理（對養殖品種、養殖批次、投入、損失、投喂、現存尾數與末次打樣數據估算等生產數據進行管理）、檢驗檢測管理（寄生蟲、病害快速檢測記錄、藥殘快速檢測記錄、水質快速檢測記錄）、庫存管理（對餌料及其它耗品進出庫、使用信息管理）、任務管理、生產成本管理、報表分析、生長曲線分析等功能。

2.3 養殖流程精細化管控及輔助決策功能

基于養殖流程智能控制需求，實現多系統設備協同作業，如水質調控、養殖增氧、應急增氧、自動投飼、成魚起捕、死魚回收、艙底污物收集、養殖光照控制等。實現柔性化生產，滿足不同魚種在不同環境下的定制化養殖需求，實現智能投飼、水質調控等各環節子系統的有效精細管控。

3 系統硬件組成

參照養殖工船的實際艙室布置情況，該綜合智能管控系統的組成設備主要包括：智慧全局管控工作站，養殖生產管理站，養殖集控站，信號采集箱，中央控制柜，模擬仿真站，服務器柜，交換機和各類系統附件。

1）智慧全局管控工作站，通過配置的大屏顯示終端，用于實時顯示三維GIS圖像，運行集安全、生產、設備管理和視頻等多業務的綜合管控平臺軟件，進行數據融合和展示。實現對人員信息、生產信息、設備信息、安全信息、水質信息、水文氣象信息、船舶姿態信息、輔助決策、視頻監控、魚群信息重構以及魚類個體生物特征顯示等功能。

2）養殖生產管理站，運行養殖生產管理軟件，主要對養殖投飼、養殖任務、魚群健康、飼料庫存等信息進行管理，在整個養殖周期內，形成完整的數據記錄，具有日常生產管理、投飼計劃管理、檢驗管理、庫存管理、生產成本管理、報表分析、魚類生長曲線分析等功能。

3）養殖集控站，主要運行養殖集控管理操作軟件，主要通過各子系統的MIMIC圖的分頁分級分類顯示，以及數據打印、生產指示及操作、控制指令下發、參數數據顯示及聲光報警、設置修改傳感信號預警值、系統網絡通信狀態診斷、水質信息顯示以及實現養殖模式執行、閥控操作等功能。

4）信號采集箱，通過物理接口或者通信接口對其他的養殖子系統、水質監測等設備的數據進行采集，信息流解碼與交互，將數據通過控制總線傳輸到集中控制器中，并向系統或設備下達控制指令，有I/O信號輸入輸出、總線通訊等模式。

5）交換機，作為養殖自動化系統的上層管理網絡匯聚交換節點，連接工作站、操作站、監視站、集中控制器、服務器、管理站，交換機通過VLAN 設置劃分，避免工業數據及視頻數據的相互影響。工業交換機作為下層控制網絡匯聚交換節點，連接集中控制器、采集箱內通信模塊、部分其它養殖系統的以太網設備。

4 系統軟件組成

養殖工船綜合智能管控系統主要包括三套軟件：三維GIS智慧全局管控軟件、養殖生產管理軟件和養殖集控操作軟件。軟件基于Windows系統進行開發，可以存儲、顯示、輸出系統內的所有信息，以及查看各個接入系統的實時視頻、歷史圖像、報警信息等。

4.1 三維GIS智慧全局管控軟件

本軟件主要用于養殖監控室對養殖系統及船體進行整體管控，或通過船岸通訊系統，將數據實時展示在岸基管理端，便于管理人員實時查看船上養殖情況或船體情況。軟件基于建立的統一基礎數據庫和高精度三維GIS模型，進行數據融合和展示。基于養殖工船綜合集成管理系統架構，實現閥控、養殖集控、加工冷藏等系統的協同運行，實時展示水文氣象、氣象環境、人員信息以及生產相關信息。軟件界面的整體示意圖如圖2所示。

圖2 養殖綜合智能管控平臺界面

4.2 養殖生產管理軟件

圖3 養殖生產管理軟件界面

該軟件主要用于生產管理人員對整個養殖生產信息的監控管理。通過該軟件平臺，實現對養殖魚種信息、投飼指令下發、庫存管理以及數據記錄分析等功能，讓管理人員通過該平臺軟件對養殖生產管理的物料信息、魚種信息等進行統一查看。軟件界面整體示意圖如圖3所示。

4.3 養殖集控操作軟件

該軟件主要用于在養殖過程中對養殖相關生產設備的狀態查看，養殖過程操作等功能。含上位人機交互軟件及下位PLC控制程序軟件。通過創建各養殖相關子系統MIMIC圖形，實現對各子系統數據進行可視化監視分析以及控制功能。可實現水質調控、養殖艙增氧/應急增氧控制、自動投飼遙控、成魚起捕、死魚回收、艙底污物收集遙控、養殖光照遙控等功能。還可監測水文氣象環境、魚類攝食狀態、水量水體異常、溶氧不足、氨氮檢測值偏高、魚病防治等異常狀況建立應對方案，為養殖人員提供參考[6]。

5 結束語

該系統的部分功能已在實船上進行了應用，并且達到預期的綜合智能管控目的，但是尚有一部分功能仍在研究過程中，后續系統的全部功能將會陸續應用在新建造的養殖工船上。養殖工船生產作業過程中，綜合智能管控系統作為重要的管控手段[7]，可實現養殖工船的安全高效運營。智能管控系統彌補了傳統管控手段的不足，使得養殖工船在現代化安全管理和生產運營管理方面能夠達到較高的安全要求和管理要求，先進的養殖工船綜合智能管控系統可以在很大程度上提高養殖工船的經濟效益，以及解決養殖工船的智能化管理問題，使養殖工船在智能管控過程中能夠根據管控的要求和現場的具體情況做好管控工作，發揮出綜合智能管控系統的優勢，并且還能為未來建造的養殖工船的智能化、數字化管理奠定良好的基礎[8]。

[1] 胡昱, 郭根喜, 黃小華, 等. 基于PLC的深水網箱自動投餌系統[J]. 南方水產科學. 2011, 7(04): 61-68.

[2] 郭根喜，陶啟友，黃小華，等. 深水網箱養殖裝備技術前沿進展[J]. 中國農業科技導報. 2011, 13(05): 44-49.

[3] 劉敏. 大型養殖工船運營實踐與展望[J]. 船舶工程. 2021, 43(04): 18-23.

[4] Hu Y, Huang X, Tao Q, et al. Design of a deep water cage culture environment monitoring system based on ZigBee[C]. IEEE, 2016.

[5] 胡昱, 郭根喜, 黃小華, 等. 基于3G+VSaaS技術的深水網箱養殖遠程視頻監控系統[J]. 南方水產科學. 2013, 9(02): 63-69.

[6] Hu Z, Li R, Xia X, et al. A method overview in smart aquaculture[J]. Environmental monitoring and assessment. 2020, 192(8): 493.

[7] 逯智豐. 發電廠作業現場智能管控系統分析[J]. 中國設備工程. 2021(11): 29-30.

[8] Wei Y, Wei Q, An D. Intelligent monitoring and control technologies of open sea cage culture: A review[J]. Computers and electronics in agriculture. 2020, 169: 105-119.

Design and research on integrated intelligent control system of feeding work ship

Zhang Chenglong1, Jiang Yong1, Chen Yajie1, Ma Xiangpeng2

(1. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108, China； 2. School of Naval Architecture, Ocean and Energy Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

U664.14

A

1003-4862（2023）02-0001-04

2022-07-14

張呈龍（1986-），男，高級工程師，研究方向：船舶機艙自動化、船岸一體化、智能船舶、故障診斷等。E-mail：zhangchenglong@csic711.com

陳亞杰（1972-），女，研究員。研究方向：智能船舶研發。E-mail：305702443@qq.com