中國漁業裝備科技研究進展

黃一心,鮑旭騰,徐 皓

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,農業農村部漁業裝備與工程技術重點實驗室,上海 200092)

漁業裝備是實現現代化漁業的生產工具,主要是指漁業生產過程中,實現生產效率提高、生產安全保障、生產條件構建、漁業資源養護等目標所運用的專業化裝備[1]。一般可根據裝備的形式分為漁業機械、漁業儀器、漁業設施和漁船,也可按生產方式分為養殖裝備、捕撈裝備和加工裝備。

漁業裝備是中國漁業現代化發展的重要支撐。新中國成立70多年來,伴隨著中國漁業的快速發展,中國漁業裝備從無到有,得到了長足的發展。漁業裝備科技進步,在每一輪的漁業產業發展中,發揮了重要的推動作用。

“十三五”以來,圍繞著現代漁業高質量發展的要求,漁業裝備的科技創新取得了豐碩的成果,在關鍵核心技術研發與模式構建等領域,形成了一批具有自主知識產權的原創性技術,取得了很好的產業化應用與示范效應,有力地推進了現代漁業的機械化、工業化和智能化發展,養殖基礎設施水平得到了明顯提高,一大批漁船得到了更新和升級,深遠海大型智能化養殖裝備相繼出現,有力地促進了中國漁業的轉型升級,高質量發展[2]。

1 中國漁業裝備發展概況

1.1 發展沿革

近代以來,工業革命帶來技術發展,以使用蒸汽機為代表的機動漁船,極大地推動了捕撈漁業的發展。1905年中國第一次引進德國造蒸汽機拖網漁船“福海號”。1914年開始少量建造或改造機動漁船,至抗日戰爭前,全國已有近450艘機動漁船[3],但隨后遭受戰火破壞。1949年新中國成立時,整個漁業處于癱瘓狀態。1953年以后開始大規模地建造機動漁船,使捕撈漁業開始復蘇并發展。中國水產養殖的發展與食物保障供給有關,1959年國家提出了“養捕并舉”的指導思想,水產養殖得到了較快發展。1980年代以后確定了“以養為主”的方針,發展出了產業規模世界第一的池塘養殖、筏式養殖、網箱養殖、工廠化養殖等集約化養殖方式,以及以增氧機、投飼機、工廠化車間、養殖網箱為代表的設施裝備,直接推動了捕撈漁業向養殖漁業的轉變。

1.2 主要貢獻

新中國成立70多年來,在中國現代漁業的進程中,漁業裝備水平不斷提升,極大地提升了中國漁業生產的效率,有力地促進了中國漁業走上綠色、高產、優質、高效的可持續發展道路,推動著傳統漁業生產方式向工業化轉變。

(1)水產養殖裝備從無到有,實現了穩產高產,促成了中國“以養為主”的世界漁業大國地位

池塘養殖機械尤其是增氧機械多樣化發展,有效地提升了池塘生態系統的養殖容量與物質轉化能力,具有極高的土地產出率和飼料轉化效率,使中國以鯉科魚類為主的池塘養殖發展成水產養殖的主要生產方式,成為世界生產效率最高的動物飼養方式。其中,葉輪式增氧機可能是世界最早的增氧機械(1972),其特有的葉輪攪水方式,實現了高效的氣—液擴散界面、上下水層交換與水體擴散,兼具機械增氧和光合生態增氧功能,是池塘養殖走上集約化發展的基本保障;微孔曝氣機以更高的增氧效率實施機械增氧,對池塘底質環境改善尤為有利;涌浪機以更低的能量強化了上下水層交換與擴散,生態增氧效果更佳;投飼機實現了定時定量的自動投喂;水力挖塘機、清淤機解決了池塘構筑和維護問題;池塘濕地設施為養殖尾水的循環利用與達標排放提供了技術支持。這些技術的集成應用,整體提升了池塘養殖的生產效率和生態效應。

海上筏架和網箱養殖設施的安全性、操作性和標準化水平不斷提高,使近岸水域成為中國海水養殖的主要組成部分;重力式深水網箱在消化吸收國外技術的基礎上在網箱框架、網衣形式、錨泊方式以及作業裝備上實現了自主創新,對應中國特有的海況條件,具備更強的抗風浪能力,在較深的水域構建了海水魚養殖產業。工廠化循環水養殖裝備技術不斷成熟,形成了以南美白對蝦、海水魚等養殖品種為主的新型產業群。漁業裝備科技進步是中國水產養殖數十年持續增長,從解決人民吃魚難,到成為主要蛋白質食物供給,乃至世界漁業大國地位的重要保障。

(2)捕撈裝備自主創新,提升了作業效率,推進了中國捕撈漁業作業方式由傳統向現代轉變

鋼質機動漁輪、液壓起網機械、助漁導航儀器、織網機等裝備是中國捕撈漁船由傳統人工作業的機帆船,轉型為世界漁船規模最大的捕撈大國的重要標志,在中國20世紀60—80年代的食物供給中,發揮了主要的保障作用。鋼質漁船的研發,大大提高了捕撈漁業的作業效率和安全性,8154型雙拖網艉滑道冷凍漁輪(1980)是捕撈裝備集成創新的典型設計,成為中國近海及遠洋捕撈拖網漁船的代表性船型;8201型圍網漁輪(1975)作業裝備采用中高壓液壓驅動技術,兼具拖網功能,在東海中上層漁業資源開發中發揮重要作用,是中國燈光圍網作業的代表性船型。中高壓液壓起網機械(1975)實現了漁船用液壓元器件、操控系統以及作業裝備的自主創新,提高了作業效率和安全性,自主研發的懸掛式圍網起網設備,成為圍網作業的主力裝備;拖網作業裝備電液一體化控制技術服務于國家載人航天工程(2002),創制了返回艙高海況打撈設備。

助漁導航儀器成為捕撈漁民的“千里眼”“順風耳”,半導體探魚儀(1964)采用電子管發射、晶體管接受技術,是最早應用的聲學探魚設備,67-3型探魚儀成為當時中國捕撈漁船主用儀器;導航儀器從無線電測向儀(1959),到具有雙曲線時差定位功能、差距上千公里的羅蘭接收機(1967),再到利用GPS衛星定位的漁用導航儀(1996),滿足了中國漁船作業及海上航行的需要,保障了海上漁業生產。雙鉤型織網機的研制,改變了幾千年來手工織網的狀況,實現了對進口設備的替代,促成了網具編織產業,支持了漁業的規模化發展。

(3)水產品加工流通裝備自主研發,促進了漁業的提質增效,提升了水產品加工的綜合利用水平

水產加工裝備的研制,與每一輪漁業發展的需求有關,形成了自主的產品化技術,促進了魚糜、魚粉、褐藻酸等相關加工產業的形成。對應20世紀60—90年代的捕撈漁獲物綜合加工需求,小雜魚帶魚處理機械(1964)用于罐頭加工生產;冷凍魚糜加工機械的研制(1991),包括魚肉采取機、魚糜精濾機、螺桿脫水機等主要裝備,解決了低值捕撈漁獲物高值化加工技術;1980年代中期開展的濕法魚粉加工設備研制,包括蒸煮、脫水、烘干和濃縮等關鍵設備,形成了成套化裝備;片冰機(1978)、管冰機(1988)提高了漁獲物保鮮水平。對應中國海帶養殖產業的興起,褐藻膠造粒機、沸騰式烘干機、螺桿式脫水機的研發,替代了進口產品(1984)。對應淡水魚養殖保活運送的需要,活魚運輸車(1979)、活魚運輸船(1986)以及“南苗北運”運輸列車(1988)成為養殖水產品流通的重要支持。

2 “十三五”以來的主要創新性成果

2.1 水產養殖設施裝備

(1)池塘生態調控理論與技術體系全面構建,設施裝備技術創新推進了形成一批模式化技術

相關研究全面總結了生態學理論和生態工程學基本原理在養殖池塘生態系統中的運用成效,系統闡述了池塘養殖環境的基本理論、關鍵技術、設施裝備及其在養殖小區構建和養殖管理實踐中的應用成效[4-5]。

在基礎研究方面,開展了碳氮比對池塘水質的影響、水體營養富集條件下藍藻成因、池塘沉積物氨氧化細菌等重要微生物代謝機制研究,為提高池塘生態工程的調控效率提供了理論基礎[6-7]。在技術創新方面,創建了“養殖水質多因子關系模型”“水質與水色模型”“水質與氣象因子關系模型”,實現了池塘水質快速量化評判[8-9],準確率達80%,并以此發現了“氮淤積”現象及臨界性碳氮比參數。

在裝備創制方面,研發了太陽能底質改良機、移動式增氧機、模塊化復合濕地等新型設施裝備,取得了良好的應用效果[10-14]。在工程化模式構建方面,基于裝備技術集成,對主養魚類實施小水體分隔與集約化管控、構建水體內循環工程化設施成為池塘生態工程化發展新趨勢[15],跑道式養殖設施通過水動力學設計和系統優化,集污效果得以提升[16];集裝箱養殖與池塘生態凈化功能相結合,設置靈活,管控與集污更為方便;序批式池塘設施引入多批次投苗養殖方式,在不提高最大養殖密度的基礎上提升了池塘生產力[17];池塘圈養模式引入工廠化養殖設施裝備,保持了更高的管控度和集污效率[18];池塘多營養級工程化池塘養殖,依據生態位構建養殖對象與水生生物生存空間,最大效能地發揮物質與能量轉換效率,實現單池乃至整個養殖小區的多營養級產出與營養物質的全部利用[19-20]。

對應養殖尾水治理要求,池塘生態工程化構建及循環水技術發揮了重要的支撐,形成了以生態渠道、沉淀池、曝氣池和生物凈化池為組合的養殖尾水治理“德清樣板”[21],以及池塘尾水“三池兩壩”等治理模式[22]。池塘生態工程技術與養殖技術相融合,針對各主產區主要養殖品種特有的自然條件、發展要求和生產方式,構建了一批綠色高效養殖模式核心示范點,推進了池塘養殖小區的生態工程化和標準化建設。

(2)工廠化養殖環境管控向精準化發展,智能化裝備技術創新提升了養殖系統的工業化水平

相關研究更注重設施裝備系統與養殖對象生長特性的融合,持續提高系統管控的精準性,以達到高效、節能的效果。

在基礎研究方面,圍繞工廠化養殖水體關鍵影響因子與魚類生物學響應機制,開展了溫度、密度、氨氮、溶氧等要素對養殖對象(中華鱘)生長調控、免疫應答影響機制研究[23-24],構建了耐受性閾值與關鍵參數調控模型;探明了循環水養殖環境調控機制,明確了氨氮、溶氧、養殖密度等關鍵因子與魚類生長的關系,揭示了循環水養殖環境優化的調控原理 ;構建了基于物質平衡原理的碳、氮、磷收支模型,揭示了海水循環水養殖系統中重要營養元素的收支機制[25]。

在技術研發方面,基于水質參數、機器視覺、機器聲學以及綜合信息的智能投飼技術不斷深入[26-27],魚類攝食行為特征提取及分類算法等技術研發[28],提升了養殖系統投喂量智能決策的能力;魚類攝食耗氧率研究更具有針對性,為工廠化高密度養殖系統管控及溶氧精準調控提供技術方法[29];基于水動力學特性的魚池流場及結構優化技術研究,進一步提升了養殖對象生長與魚池集污效應[30-31]。在裝備創制方面,流化床生物濾器、電氧化膜生物反應器、魚池清刷機器人以及溶氧智能調控系統等新型裝備研發取得了積極的進展[32-35],將為工廠化養殖向智能化、無人化發展提供重要支持。

在系統集成方面,魚類工廠化循環水繁育設施裝備能針對魚卵特性,有效構建親魚交配和產卵、孵化環境,形成了全程的管控工藝與設施設備[36],集成苗種行為智能識別、個體計數等技術,構建苗種高密度培養與大規格苗種循環水高效培育模式;魚類工廠化循環水養殖工藝研究不斷完善,設施設備更為經濟、節能和全面配套,智能化管控技術不斷融入,海水魚類養殖單產達40 kg/m3[25];對蝦工廠化養殖以其可控、多茬、高效的優點成為發展熱點,通過高碳氮比和溶解氧控制的生物絮團養蝦技術成為換水型工廠化養殖的主要方式,集約化程度更高、更為穩定,具有節水減排特點的循環水養殖蝦工廠開始形成[37];基于營養物質平衡的原理,將循環水養殖系統與蔬菜設施大棚耦合而成的魚菜復合設施種養系統,實現了營養物質的全利用,正在迅速推廣[38-39]。

(3)深遠海養殖裝備正在向更深、更遠邁進,海上工業化養殖生產平臺初步成形

深遠海養殖裝備以重力式網箱、桁架式網箱及平臺和養殖工船為主要形式,重力式網箱以15 m以深水域為設置定位,形成了基本產業;桁架式網箱及平臺主要設置在20～30 m或更深水域,以浮式、半潛式、潛式、坐底式為主要形式,構建形式多樣,正在向大型化機械化發展;大型養殖工船的研發,創新了船載艙養系統性技術裝備,實現了產業化運營。

在基礎研究方面,數值模擬與水槽實驗是海上養殖設施水動力特性研究的主要方式,重力式網箱浮架結構失效及疲勞性研究,優化了針對局部崩塌現象的浮架載荷設計參數[40];三角形網箱單點/多點系泊方式與網箱水動力特性研究,表明多點系泊能在一定程度上降低浮架變形,但隨著波高和流速的增加,系泊力峰值更大,幅度增加[41];分析比較了半潛式網箱在不同波浪條件及吃水狀況下,最大錨繩張力、垂蕩及縱搖值[42];針對半潛式養殖平臺的傾斜、柔性網衣水動力響應、波頻敏感性等問題,以及內部水體的流速分布機理、養殖魚類耐流性等開展的系統性研究,構建了數值優化模型與適漁性評估模型,具有系統性價值[43];設施結構與養殖生物生長習性固流耦合的作用機制,使網箱結構計算設計模型更具使用性[44];養殖工船艙養水體流場特性以及在橫搖條件下的流場特性與適漁性分析,是艙養結構優化設計的理論基礎[45-47]。

在網箱設施裝備研發方面,高密度聚乙烯(HDPE)重力式網箱安全設計條件以及管材徑厚比、海域流速、錨繩長度與水深比、周長與系泊點數量比等關鍵參數趨于完善,投飼、網衣清洗、管理平臺等設施裝備形成配套,形成了整體的設計制造技術。桁架類網箱平臺研發成為熱點,“深藍1號”潛式網箱,養殖水體50 000 m3,采用多邊形柱體結構,配置水下投喂、魚鰾補氣、水下監控等裝備,設置在距岸230 km、水深55 m的黃海冷水團水域,設計產能1 500 t/年,用于鮭鱒魚養殖;“德海1號”半潛式網箱,養殖水體11 000 m3,以板架結構浮體與桁架結構網箱組合而成,單點錨泊,配置投飼機、起網機、洗網機和遠程監控等裝備,設置在距岸30～40 km、水深16 m的水域,設計產能200～300 t/年,用于卵形鯧鲹養殖;“澎湖號”半潛式網箱,養殖水體15 000 m3,采用桁架式結構,配置有投飼、監控等裝備,具有倉儲、居住和波浪能發電等功能,設置在距岸20 km、水深20 m的水域,用于與休閑垂釣相結合的養殖生產,設計產能400 t/年;“振漁1號”浮式網箱,養殖水體13 000 m3,采用桁架式浮體與可旋轉曬網結構,設置于距岸1 n mile、水深18 m的水域,設計產能120 t/年;“長鯨1號”是深水坐底式養殖大網箱,采用四邊形桁架鋼結構,設置在距岸30 n mile、水深30 m的水域,養殖水體6萬m3,設計產能1 000 t/年。

(4)灘涂與筏式養殖主要作業環節“機器替人”裝備研發取得創新性進展,養殖全程機械化效應正在形成

灘涂與筏式養殖機械化裝備研發的重點主要是:灘涂貝類播種與采收;海帶養殖的植苗、采收與晾曬;牡蠣延繩式養殖的采收與分級、清洗等。

在灘涂貝類養殖作業機械方面,以四角蛤蜊、毛蛤播苗機械化為研發目標,研制了基于仿真軟件優化設計的離心式播苗裝置,播苗效率達2 800 kg/h,破碎率<3%,分布變異系數為8.98%[48-49],可以有效解決人工播苗均勻度差、勞動強度高、落苗沖擊力大等問題;針對四角蛤蜊的灘涂貝類生態采捕裝備,以采捕、收集和翻耕一體化作業方式實現機械化作業,作業效率為660 m2/h,平均采捕量310 kg/h,破碎率<5%,貝泥分離率>95%,效率是人工采捕10倍以上,且漏采率和稚貝回灘率都優于人工作業[49]。

在海帶養殖作業機械方面,多工位海帶夾苗機主要由苗繩解旋裝置、旋轉擴繩裝置、氣動夾苗裝置等組成,30工位同步,夾苗量是人工夾苗的2.45倍,大幅提高了機械化、自動化程度[50];海帶采收機械化系統研究,創新“弓”字形苗繩延繩式養殖方式,設計了基于折臂吊作業的苗繩絞拉動力滑車系統、回轉伸縮齒爪捋切機械、滾筒導向轉運裝置等部件以及苗繩綆繩快速分離裝置,實現了液壓控制,研發了船舶平臺,實現了模塊化船載作業,單機作業效率是人工采收的6～7倍,輕簡化率提高30%[51-54];設計了海帶自然晾曬與熱泵烘干聯合干燥設施,主要由機械化立體晾曬大棚、熱泵干燥系統及其控制系統組成,構建了海帶的自動搬運以及以自然晾曬為主、熱泵烘干為輔的聯合作業模式,具有機械化作業、干燥過程可控、節能高效的特點,可以改變養殖海帶隨地晾曬、含泥沙雜質、勞動強度大的問題,提升了養殖海帶作為加工原料的質量[55-56]。

在牡蠣養殖作業機械方面,針對南方廣西海域養殖方式,設計了從陸上貝苗系掛、起吊轉運、海上投放、牡蠣起捕、歸攏處理等全程機械化系統,研究了鋼結構筏架、桁架式載具、雙滾筒收放系統以及專業化作業駁船,牡蠣串繩投放/采收量達2 000 根/h,替代人工,大大提高了生產效率[57-58];針對北方山東海域養殖方式,研究了升降式梗繩牽引、浮漂與苗繩分離、一體式導向旋切等關鍵技術,創制了牡蠣機械化采收設備,研制了采收、清洗作業一體的自航式采收平臺,節省人工90%,采收效率提高6～10倍,采收率提高到99%,顯著提高了牡蠣收獲效率[59]。

(5)水產養殖系統數字化水平有了整體性提高,智能化裝備技術取得創新性進展

基于水質關鍵因子實時監測、主要環節視頻監視以及重要設備自動控制的養殖環境監控系統,在池塘養殖、工廠化養殖等領域形成了系統性的建設方案,構建了系統預警、水質調控、投喂決策等智能化管控模型,實現了基于集控終端和手機平臺的養殖過程遠程控制系統以及數據庫建設,推進了一批數字化養殖園區的建設。

在養殖水質管理模型研發方面,基于主成分分析(principal component analysis,PCA)和長短時記憶神經網絡(long short-term memory,LSTM)的養殖池塘溶氧預測模型,具有更深層次的分析效應,模型評價指標平均絕對誤差、均方根誤差和平均絕對誤差分別為 0.274、0.089 和 0.147,均優于傳統的預測方法[60];基于物聯網的浮標水質監測系統與溶氧濃度預測模型,提出了改進遺傳算法 BP 神經網絡的溶氧濃度預測模型,與傳統遺傳算法 BP 神經網絡預測模型相比,平均誤差顯著下降[61];基于SSM(Spring+SpringMVC+MyBatis)框架的海水養殖環境監測與分析系統,針對養殖環境動態變化及可能造成的影響,增加了生產數據管理部分,以利于分析養殖環境指標與養殖生物生長之間的關系[62]。

在飼養行為感知方面,機器視覺技術在養殖水體透明度較高的環境下,運用于水產動物的表觀特征測量。循環水養殖系統殘飼識別,運用多函數向量機(SVM)算法和改進的決策樹算法,殘飼和糞便識別率分別達到99%和97%以上[63];基于改進主成分分析算法的識別方法,對室內環境的運動蝦苗進行自動識別,正確率達98%[64];基于全視域模型對魚類行為構建三維觀測定標系統,其均方誤差X、Y軸測量誤差在1 mm以內,Z軸在5 mm以內[65];利用自動編碼器逐幀分析視頻序列樣板,對大西洋鮭群體攝食行為進行分類分析,比單幀圖像的準確率顯著提高[66]。聲學探測技術在水體透明度不高或養殖水體較大的環境下有所運用,以被動聲學技術感知循環水養殖條件下大口黑鱸攝食活躍度,并利用光學攝像進行同步驗證,可以區分背景噪聲頻率,獲取與密度相關的攝食狀態聲信號特征的頻率范圍[67-68]。

在智能裝備研發方面,針對漁業應用場景與基本作業要求的智能化作業平臺設計,研發了漁用水下有纜機器人(ROV)平臺,嵌入了水下攝像與機械作業模塊,建立了多種機器人實體模型[69];基于AUV的海上網箱網衣檢測機器人,研發了框架式 AUV 系統參數設計,構建了螺旋式巡檢工作模式,優化了光學成像技術,耐流性能達到0.8 m/s[70];水下投飼機器人搭載定位器、傳感器、水質檢測裝置和飼料投放裝置,運用基于BP神經網絡的智能投喂模型實施定量投喂[71];進行了智能投飼船的設計,集投飼機構、路徑控制、投飼策略為一體,有效實現蝦蟹類養殖池塘的精準投喂[72-73]。

2.2 水產捕撈漁船與裝備

(1)捕撈機械電液一體化控制技術取得突破,遠洋捕撈裝備自主研發能力基本具備

捕撈裝備以多工況液壓控制技術為核心,大拉力絞車、自動泵吸系統為重點,自動化作業為目標,在遠洋捕撈拖網和圍網等主要作業方式上開展技術創新。

負載敏感控制技術在捕撈漁船作業裝備控制方面有創新性應用。該技術通過電子操縱系統的協同,精確地實現液壓系統的控制和需要的液壓動力,相對常規的液壓系統,具有更高的控制效率和功率損失,其在大功率、多回路捕撈裝備上的運用,顯著降低了裝機功率,提升了系統的待機效率。對遠洋圍網漁船10臺套作業裝備的協同控制,顯著降低起放網作業時間,減少作業人員,設備系統運行平穩、可靠[74];遠洋深水拖網絞車,對應200～2 000 m深水拖網作業要求,采用分列式滾筒、雙馬達串/并聯驅動與負載敏感控制技術,實現額定拉力與起網速度的恒張力控制[75]。

中大型拖網絞車波浪補償技術趨于成熟。根據作業海況波浪起伏狀況,研制了張力控制系統,通過調節絞車液壓馬達高壓口溢流壓力,構建了被動補償數學模型,實現網具曳綱張力的閉環控制,達到恒張力的控制效果,保障了作業漁具的穩定性;相關技術應用于載人航天飛船返回艙打撈系統,在六級海況下通過波浪補償實施姿態控制,通過船用吊機變幅油缸、蓄能器設計以及PID控制,以降低船舶橫搖的影響,實現有效打撈,具有響應速度快、運行穩定的特點[76-79]。

在拖網作業連續式泵系統研發方面,針對南極磷蝦連續式拖網作業吸蝦泵作業工況,開展了離心式吸蝦泵實體三維建模、流體數值模擬與參數優化研究,研制了試驗樣機,并構建了連續式捕撈泵吸系統試驗平臺,為后續的產品化設計奠定了研究基礎[80-81]。

在作業裝備產品化開發方面,大型金槍魚圍網捕撈、深水拖網捕撈、舷提網捕撈系統關鍵裝備技術系統配套技術趨于成熟,形成了成套化裝備,改變了完全依賴進口設備的局面。

(2)漁用儀器研發走上新征程,關鍵核心技術研發正在突破“卡脖子”瓶頸限制

長期處于停滯狀態的助漁儀器自主研發,以數字化為起點,智能化為目標,在魚類聲學探測和漁船數字終端技術創新方面取得新進展。

以運用相控陣技術對海洋生物進行遠距離、高分辨率探測的多波束聲學探測技術研發為重點,開展了漁用聲吶圓柱陣波束形成能力研究,分析波束幅度偏移、相位偏移及頻移對圓柱陣垂直和水平方向波束形成性能,建立波束成形算法,研發包含發射控制模塊、直接數字頻率合成寬帶波形生成模塊、時延波束形成模塊和調制模塊的現場可編程門陣列數字發射系統,構建聲吶作用距離預報模型,研制中國首臺數字多波束探魚儀原理樣機,完成海上測試,部分性能達到國際先進水平,有望突破漁用數字聲吶依賴國外進口的“卡脖子”技術[82-85]。

圍繞物聯網技術在捕撈漁船上的應用,開展了多源異構漁業信息采集技術創新,可實時獲取包括船位、氣象、漁具、漁獲物、物資、人員、重要設備運行參數等漁船生產信息,漁船進出港航行與漁政等管理信息,以及動態采集海洋水文、海象等海洋科學信息等,研發船載終端,實現多種傳感器集中接入以及系統數據的集中處理、傳輸等功能,完成海上性能測試,并構建了“船—船”“船—岸”“船—星”感知與數據傳輸技術體系[86-87]。

(3)遠洋漁船船型研發取得新進展,漁船節能減排技術進步顯著

捕撈漁船技術研發的重點在于遠洋漁船新船型、近海漁船船型標準化以及節能減排技術的研發與應用等方面。

在遠洋漁船船型研發方面,開展了320總噸雙甲板拖網漁船船型參數、線型、分艙布置以及捕撈系統、液壓系統等的優化研究,運用數值模擬與實船驗證相結合的方法,分析驗證了船體阻力特性,建立了標準化船型技術系統和設計原則,研發了導管槳設計、起放網控制、輪機系統優化、船—機—槳—網配置等關鍵技術,完成了船型設計,實現了標準化、批量化建造[88-89];南極磷蝦捕撈加工船的自主研發,開展了雙桁架系統設計,完成了船型與全船設計,即將投入運營[90-91]。

在玻璃鋼漁船研發方面,開展了大型玻璃鋼漁船建造技術研究,提出了模具建造形式、原材料選取、成型技術、混合式船體結構和復合夾層船體等技術要點,建立了玻璃鋼漁船圍壁結構的傳熱數學模型,對比了關鍵技術標準,研發了遠洋金槍魚延繩釣等玻璃鋼船型,實現了標準化建造[92-95]。

在漁船節能新技術研發方面,電力推進技術與LNG燃料動力技術應用于南海作業漁船新船型研發,電力推進金槍魚延繩釣船、電力推進圍網示范漁船、LNG拖網示范漁船集成了清潔能源、高效節能捕撈裝備和抗碰撞結構優化等技術,研發示范船型,并投入生產運行。

2.3 水產品加工裝備

(1)水產加工機械化裝備研發取得突破性進展,南極磷蝦船載加工裝備成為研發熱點

針對大宗淡水魚、對蝦等養殖水產品加工過程依賴手工操作的問題,開展了蝦類剝制與殼肉分離、魚類清洗與低損去鱗等預處理技術研究,研制自動清洗、去鱗、去雜、剝制、分級等關鍵裝備,突破了輥軸揉搓與擠壓組合對蝦柔性剝制、振動定向羅非魚去雜除內臟、基于自適應機械剝制參數調控和魚加工生產線數據實時管控等關鍵技術,研制了輥軸式蝦剝殼機、對輥式自動化對蝦分級機、魚類多段滾筒去鱗機、魚類剖切除臟機和鼓泡清洗機等關鍵裝備,構建對蝦剝制技術裝備和羅非魚加工成套裝備,進行了產業化示范[96]。

圍繞南極磷蝦船載加工自主研發,開展了磷蝦剝殼工藝方法及自動化加工裝備研究,研發滾筒式往復擠壓工藝、設備參數,研制多層式脫殼設備、構建設備及控制系統,在船舶橫搖工況下,保持95%以上的脫殼率,成為中國首艘新建磷蝦捕撈加工船“深藍號”上唯一的國產化專用設備[97];開展了南極磷蝦粉加工過程中的熱處理效應、梯度蒸煮及溫度精準控制技術等研究,研發了南極磷蝦梯度蒸煮裝備和蝦粉水分在線監測系統,進行了應用驗證[98]。

3 中國漁業發展趨勢與裝備科技需求

實施產業結構轉型,推動現代漁業高質量發展,落實水產品保障供給,是中國現代漁業建設的主要任務。中國漁業生產已達到相當的規模,水產品的生產已不僅僅是為了滿足人們日常生活的需要,消費升級引領水產品供給側改革。一方面,現代社會發展進程中,水產品的保障供給正在面臨越來越多樣的消費型價值需求,一是品質化要求更高,從“能吃到”轉變為“吃得好”;二是商品化要求更高,從“按時吃”轉變為“隨時吃”;三是便捷化要求更高,從“店里吃”轉變為“家里吃”。即在保障供給的同時,現代漁業正在由傳統農貿型產品向標準化商品轉型,以滿足消費者持續增長的品質要求、便捷感受和綠色化價值觀要求。另一方面,水產品的保障供給正在受到愈加緊迫的資源與環境的壓力,現有的生產空間受到越來越大的限制和壓縮。從設施裝備的視角看,現代漁業的發展趨勢主要表現為:

(1)養殖生產力水平亟待提高,需要發展更為高效的設施漁業,以穩定保障供給的基本盤

在養殖水域資源有限的條件下,需要通過設施化、工廠化方式和工程化手段,穩定養殖水質,延長養殖周期,提升集約化水平,提高單位水土資源生產力。其中,池塘養殖工程化將進一步向設施化發展,通過糞便等固形物的有效分離,提升養殖容量,不斷融入工廠化養殖管控要素,實現主養品種的標準化生產;養殖網箱殘飼糞便收集水平進一步提高,更具工廠化管控與減排功能的封閉型浮式養殖設施逐步成為內灣海域和湖泊水庫新型養殖方式,基于養殖環境承載力的水域生產力進一步提升,由此,中國魚類養殖產量得以穩步增長,水產品基本供給得以保障。

(2)養殖新空間亟待拓展,需要創新全產業鏈一體化新型養殖方式,逐步成為保障供給的新補充

遠離人類定居區域的深遠海水域和鹽堿水域是漁業新空間拓展的“藍色糧倉”和“白色地帶”,需要發展新型養殖生產方式,構建包括適養品種創制、養殖方式創新、物流加工構建和適居環境建設等在內的鏈式生產體系,實現經濟性發展。其中,深遠海養殖將與船舶海工技術深度融合,建立具有深遠海自持力的生產平臺,實現魚類養殖的規模化、工業化生產;鹽堿水養殖將進一步提升生態工程化與設施化、工廠化水平,發展魚蝦集約化養殖,通過養殖酸性營養物質與土壤堿性物質的中和反應,改善養殖區域鹽堿生態,構建養殖綠洲,由此,養殖新空間拓展的生產方式將逐步成為中國水產品保障供給的新型生產力。

(3)綠色發展的要求會更高,需要構建生態循環型生產方式,使漁業全面走上可持續發展的正軌

在生產方式轉變與產業結構調整中,漁業對生態環境的影響將從“負面”走向“正面”。水產養殖的漁農綜合功能進一步加強,養殖排放由作為“污染物”的治理向作為營養物的利用轉變,通過高效耦合的種養設施,可以實現養殖與種植的水肥一體化利用;通過功能復合的綜合種養,可以構建以養殖小區為單元的循環農業;通過區域性的功能規劃,可以建設以水系為主線的“先養后種”農業產區。此外,漁光互補、綠色低碳能源供應的研究和應用也將得到進一步發展。捕撈漁業將進一步遵循資源可持續利用的規律,實施有效管控的配額管理和定向選擇的精準捕撈,捕撈對象將從資源日漸衰竭的可食性魚類,向非直接食用的大宗海洋生物轉變,如磷蝦、燈籠魚等蛋白質資源轉變,在可持續利用的前提下,為養殖業提供持續的蛋白質資源。

(4)裝備現代化成為重要需求,需要發展機械化、智能化生產技術,成為漁業“由大到強”的重要標志

對應漁業高效生產的發展要求,人力成本的增加、勞動力資源的短缺和從業人員的專業素養等已經成為產業發展的主要障礙,降低漁業生產成本、不斷提高裝備可靠性是漁業裝備獲得長足發展的重要條件。裝備現代化是現代漁業的重要支撐,主要表現在以“機器換人”機械化和以“電腦替人腦”的智能化。主要漁業生產方式的全程機械化是產業現代化的基本要求,包括主要水產養殖方式的起捕采收、捕撈漁船的漁獲物整理、水產加工的原料預處理等大量依靠人工生產的環節,亟待發展工效更高的機械化裝備。現代漁業信息化建設正在從生產系統的數字化走向智能化,以改變依賴生產者經驗的傳統生產方式。漁業生產的機械化、智能化發展將促進現代漁業的做大做強。

(5)社會現代要素加速融入,現代漁業正在進入“工業化漁業”和“特色漁業”同步發展的新時期

中國社會的工業化進程對漁業發展的反哺與推動作用愈見顯著并呈多樣化態勢,工業科技、金融資本、現代商貿等正在給轉型中的漁業帶來變革性的技術、投資與銷售方式,現代漁業正在進入工業化時代。大規模的標準化生產方式將成為漁業生產的主體,擔負水產品保障供給的重任,小規模的特色漁業將更好地服務于農民增收和農村建設。其發展態勢主要表現為:一是充分發揮區域性資源稟賦的“主糧”化、規模化生產方式,包括形成聚焦于主要養殖品種的長江中下游與珠三角地區池塘工程化魚類養殖、沿海池塘設施化對蝦養殖、北方淺海灘涂機械化貝類養殖和南方沿海離岸化網箱養殖等養殖生產主產區,以組織化、規模化、工廠化和標準化發展,實現主要水產品種的保障供給;二是農民合作經營的小規模生產方式,發展綠色生態的家庭農場或小型養殖場,成為優質特色水產品供應的主體和新農村建設的要素;三是由大型商貿平臺拉動的工業化養殖方式,發展大型陸基養殖工廠和海上養殖工船,打造品質穩定、無季節差持續供應和餐食方便的水產商品,滿足新型消費需求。