大水面生态渔业养殖物联网技术创新方案

    贺春玉 王圆圆

    

    

    

    大水面是指我国内陆水域中的江河、湖泊、水库、河道、低洼塌陷地等，不包括人工开挖的池塘和建造的养殖槽等。在全国500万hm2可养殖水体中，大水面约占80%。但养殖产量占比很小，不足20%。

    大水面的传统养殖，主要靠天，靠经验，天然的大好资有效利用率不高，有些甚至还造成了一定程度的面源污染源。

    究其原因，主要在于：其一，养殖成本高。包括人工、饲料、管理等。其二，养殖设施陈旧，养殖方式落后，导致养殖产量低，成活率和起捕率低。其三，养殖技术落后，大多数养殖均采取的是传统的人放天养的粗放式养殖和管理技术，养殖周期长、疫病难以控制等，造成养殖产量和质量不稳定，养殖效益低。其四，环保意识不强，养殖尾水排放不达标等，对环境造成不良影响。

    针对大水面传统养殖现状，国家相关部委出台了一系列政策。2019年9月，大水面生态渔业现场推进会在浙江省召开。会议强调，要充分保障大水面渔业发展空间，对于近几年在环境保护督查中超出法律法规要求被迫退出的大水面渔业，要在科学论证的基础上，重新恢复生产，积极推进大水面生态渔业发展。

    新时期发展大水面生态渔业具有重要意义，要准确把握推进大水面生态渔业发展的总体要求，坚持绿色发展、合理利用，坚持因地制宜、分类施策，坚持科技引领、创新驱动，坚持质量兴渔、三产融合。走出一条水域生态保护和渔业生产相协调的高质量绿色发展道路。为此，在多年研发传感设备、养殖设备、自动化控制、物联网软件以及大数据分析平台的基础上，提出大水面生态渔业养殖物联网技术创新方案，以期促进我国大水面渔业养殖方式的转变，促进产业转型升级、促进渔民增收。

    1方案设计

    1.1设计原则

    采用先进的工业技术和物联网理念，让先进要素、技术创新相互渗透、紧密交融。构建大水面生态渔业的生产体系、经营体系和服务体系。实现渔业养殖、加工、休閑旅游、文化创意、科普教育、电商平台等产业深度融合。

    1.2设计结构

    整个水域设计为：养殖板块、种植板块、加工板块、垂钓板块、休闲旅游板块、科普教育板块、品牌体验板块、电商平台板块。如图1所示。

    1.3设计内容

    1.3.1养殖板块采用浮动式工程化循环水模式进行养殖。该养殖模式由硬件设施和软件系统组成。硬件设施包括：槽体、推水增氧设备、底增氧曝气设备、集排污设备、水质监测设备、投饲设备。软件系统包括：自动化控制系统。养殖水槽面积占水域的比例在2%～5%。水槽两端有拦鱼网和防撞网，鱼放在水槽内集中“圈养”。在水槽上安装推水增氧设备、底部增氧曝气设备、水质监测设备、集污设备。确保水槽内的水体富含溶氧，并产生一定的流速，让“ 死水 ”变成“ 活水 ”。利用工业技术手段，采用先进的养殖设备和新型的养殖模式，实现全智能自动化控制的人工养殖方式，从而达到养殖方式由传统模式向现代化转变的目的。如图2所示。

    1.3.1.1槽体

    槽体长24 m，宽5 m，深2.2 m。采用热镀锌框架，环保玻璃钢面板，防浪涌结构。槽体分三段设计，前段为设备区，安装推水增氧设备。中段为养殖区，安装底部曝气设备和水质监测设备。后段为集污区，安装半封闭的底部漏斗型的集污设备。如图3、图4所示。

    1.3.1.2推水增氧设备

    流动的水体环境能够带来大量鱼类生长所需的溶解氧，增进鱼的游动，从而大大提高鱼肉品质。本系统通过气提方式实现槽体推水功能，增加了水的流动性，把静水变成局部流动的活水，促进了鱼的生长，同时，将养鱼槽内的残饵、粪便及其他悬浮物推送到槽体末端的集污区里。

    采用双段漩涡风机，通过主管道，经由手动调节阀、分支管道将高压气流输送至纳米曝气格栅，气流在水体中迅速上升并在导流板的作用下形成水平推力，使槽体内的静水向槽体尾部线性流动。

    每槽采用2.2 kW双段漩涡风机（最大气量260 m3/h）。配套纳米曝气格栅、玻璃钢导流板及其组件。能够确保水流流速不低于3 cm/s。

    每台风机的控制模式分为本地控制、上位机远程控制、PLC站自动控制三种模式，且优先级：本地控制>上位机远程控制>PLC站自动控制。如图5所示。

    1.3.1.3集排污设备

    能够将鱼槽内的残饵粪便有效收集并排放到塘外指定区域，降低了水质污染，实现了净化水的循环利用。

    采用顶部虹吸法。每槽尾部设计排污V型槽，配一台2.2 kW自吸泵。

    每台泵的控制模式分为本地控制、上位机远程控制、PLC站自动控制三种模式，且优先级：本地控制>上位机远程控制>PLC站自动控制。如图6所示。

    1.3.1.4水质监测设备

    采用在线荧光法的原装进口产品，测量范围（温度）：? 0～50 ℃;测量精度（温度） ： ±0.2 ℃;存储温度 ：-20～70 ℃ ;响应时间（溶解氧） ： T90<40 s。无需校准、无漂移，精确、稳定，有效寿命长。如图7所示。

    1.3.1.5投饲设备

    主要包括风机、料仓、配料盘、喷料嘴、管路、控制柜等。

    能够与总控制系统或者其它系统实现无缝对接。

    具有本地操作、上位机远程控制、PLC自动控制三种控制模式。

    可灵活设置投喂选料、投喂量、投喂时间、投喂时差、投喂距离、投喂次数、投喂槽位、投喂仓位等参数。

    可实时采集系统工况，如风机失压、过压，下料异常等数据。

    如图8所示。

    1.3.1.6自动化控制系统

    自动化控制系统通过采用先进的检测仪表、电气控制设备和控制器，并汇集控制技术、信息技术、网络通讯技术、计算机技术等，通过采集现场检测仪表、电气设备等的参数，加以预警和控制，从而达到提高养殖企业的自动化操作水平，构建集远程控制、生产管理于一体的平台。

    采用分布式子站以及工业以太网等先进的网络通讯技术，实时动态显示现场设备状态及检测分析仪表的的参数，并对设备远程下达各种指令。

    在控制柜上设置触摸屏，触摸屏实现简单数据检测和远程控制的作用，平时既可以在远程计算机上进行数据的读取和控制，也可以在触摸屏上进行数据的读取和设备的控制。

    主控CPU单元采用德国西门子公司系列产品，PLC主站与各控制子站采用分布式工业以太网总线通讯，上位机与PLC过程控制层之间采用以太网方式通信，控制室对现场数据进行显示和过程控制。

    功能1：能够实现风机、投饲机、吸污泵、传感器、发电机等设备的全自动关联动作，具有冗余备份和报警机制。

    功能2：当水质传感器监测数值低于下限，系统会自动报警，同时开启备用或者底增氧风机，进行曝气提升。

    功能3：当投饲结束，系统会在设定时间自动开启吸污泵。

    功能4：当设备运行出现故障，系统会自动报警，同时开启备用设备。

    功能5：当现场发生停电断电，系统会自动切换到发电机组进行供电。

    功能……………。

    如图9所示。

    图9自动化控制

    1.3.1.7养殖模式优势

    养殖槽体可升降，不受水位、风浪影响。可移动，方便调整养殖区域。可复制，便于调整养殖品种和养殖量。

    养殖槽体寿命长。正常使用，可以运行10年以上。

    养殖产量高，单槽120 m2的水面，养殖产量可达2万kg以上。

    养殖成本低。智能控制系统可实现精准投喂，可实现自动放苗、投喂、捕鱼等。可实现一人管多槽，甚至可以无人现场值守。饲料利用率大幅提高，养殖管理成本和人工成本显著降低。

    捕鱼方便快捷。起捕率可以实现100%。

    养殖过程可以实现抗生素零用药，不仅避免了污染，还提升了鱼肉品质。

    集污效果显著。采用大功率自吸泵和半封闭的底部漏斗结构，残饲和粪便的收集、抽取，快速彻底。集污率在45%以上。减少氮、磷、COD排放65%以上。

    1.3.2种植板块

    选取水域的合理位置，搭建水面浮台和半潜浮台，配套环境采集设备。

    水面浮台种植水生植物，水草类如菖蒲、水葫芦、鱼腥草、夏枯草、水龙、薄荷、虎杖等。蔬菜类如空心菜、水芹菜、茭白等。鲜花类如荷花、美人蕉等。

    半潜浮台种植沉水植物，如苦草、伊乐藻、轮叶黑藻、菹草等。

    环境监测设备包括风力、光照，空气的温度、湿度，水体溶解氧、pH、温度、浊度等，确保水生植物适宜的生长环境。

    种植板块的主要功能：

    净化水质。水生植物发达的根系有较好的絮凝作用，能够有效提高有机质的沉降率，具有很好的除P、除N作用。

    美化环境。绿叶红花，为旅游观光提供了天然的素材。

    绿色食材。养殖与种植形成了 “鱼菜共生模式”。可提供绿色有机蔬菜。

    如图10所示。

    1.3.3加工板块

    建造加工中心，搭建产品质量追溯系统。加工的产品包括：活鱼保鲜加工、鱼肉肉丸、肉柳加工。鱼排、鱼干加工。绿色蔬菜保鲜加工、蔬菜冻干加工等。

    产品质量追溯系统能够把原材料信息、产品加工信息、成品物流信息和销售信息等，精准录入，以二维码的方式进行扫描展示。

    1.3.4垂钓板块建设岸基垂钓设施和深水浮动垂钓设施，配套茶歇、遮阳伞等。钓获的鱼，可折价带走，可折价回购，也可以在现场有偿提供的厨房及厨具，进行家庭烹调。多种消费模式并存。

    1.3.5休闲旅游板块建设岸基观光通道和水面浮动观光走廊，如图11所示。配套环境监测设备和水肥供给系统。岸基观光通道配套种植紫藤、凌霄花、石楠、红枫、苦楝树等绿色植物和猕猴桃、树莓等经济作物。水面浮动观光走廊配套绿萝、荷花、美人蕉等。通道和走廊都互联互通，可以到各个板块进行现场体验、观摩。步步皆有景、远近高低景不同。天天花不断，季季花不同。能够为企业带来可观的经济效益。

    1.3.6科普教育板块采用室内、室外相结合，搭建网络视频系统。以科普讲座、影效、培训、示范、咨询、参观、服务、实物展览、标本展览等方式，普及种植、养殖、种源、产品加工、疫情防范、污染防治、信息智能等科学知识。

    网络视频系统可同步传输各大板块的相关视频进行交互、共享，增大科普教育效果。

    1.3.7品牌体验板块对生产、销售、服务进行标准化设计，融入企业自身的品牌和文化元素。做好交流、环境、网络和人员的安排，搭建体验场景。让客户的诉求在体验的过程中得到完美的诠释。

    1.3.8电商平台制定合理标准，做好产品分类。如鲜活配送、生鲜配送、冷冻配送等。策划周到的服务与体验。如现场体验、视频直播体验、线上互动体验等。以网站平台为载体，嫁接相应的资源。利用互联网的易用性、广域性和互通性，实现快速可靠的网络化产品和服务交易。既能为客户提供直购绿色环保产品的专业平台，实现开心消费，又能拓宽产品销路，增大产品销量，实现企业形象和品牌价值的提升。

    1.3.9物联网物联网采用云主机为服务平台，借助4G/5G等网络，通过DTU/PLC，进行现场数据的采集，如图12所示。例如养殖板块的设备运行数据、水质数据（溶解氧、pH、温度、氨氮等）、苗种数据、饲料数据、产销量数据、病害数据等。例如种植板块的空气温湿度数据、光照数据、土壤温湿度数据、苗木数据等。例如加工板块的原材料数据、半成品数据、成品数据，库存数据、销售数据等。

    系统对采集的数据进行汇总、存储、分析，形成综合信息动态数据库。不仅能为生产管理提供查询、统计、报表等功能，也能为支撑大水面生态渔业绿色可持续发展，为大水面渔业资源与生态环境保护提供科学数据。

    2结论

    大水面生态渔业物联网解决方案，采用了工业自动化技术和工业设施设备。工程化循环养殖模式，在一定程度上解决了传统水产养殖中存在的产量、成本、品质、环保等客观问题，推动了现代渔业的创新与发展。

    按照生态设计，栽培的水生作物等植物，能够将处理后的养殖 “肥水”，作为营养液吸收。经过植物“脱肥”后的“瘦水”又流回，为水体微生物提供营养，最终达到了种、养结合的循环生态农业。

    对养殖、种植所得初级产品，进行深加工，提高了产品附加值。

    以养殖现场、种植场景、加工过程、产品展示等为内容，开发生态休闲、旅游观光、文化传承、科普教育、電商平台等功能。实现了产业链的延伸，价值链的提升。

    采用的物联网技术，实现了种养、加工、销售、服务等数据的有效共享和应用。实现一二三产的深度融合。

    （收稿日期：2020-01-16）