“智慧”海洋网箱平台的开发设计与研究

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　　摘  要：目前我国网箱养殖总体技术水平较低，大量的海水网箱集中于近海港湾内，因此养殖密度高于海区的环境容量。网箱的高度密集，会引起含氧量较低等不利因素，引起鱼病的频发，导致养殖鱼种的品质下降。网箱内外水流不畅，也会给近海地区水域造成严重的威胁，如赤潮等。因此海水网箱养殖向远海、大型化方向发展是国内外海水网箱养殖的共同趋势。文章通过设计一种深海养殖的智能网箱，来解决目前渔业养殖存在的弊端。平台通过采用三浮体式平台与外围网箱的结合，在保证平台结构稳性的同时，平台的自动化控制与移动性相结合，增加了网箱内部液体的流动性。平台设立的绿色发电装置，为平台提供可靠的电力能源，从而建立起一系列海上资源循环利用的生态渔业养殖模式。
　　关键词：网箱养殖;远海;智能;三浮体式平台;循环利用
　　中图分类号：F326.4         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0034-03
　　Abstract： At present， the overall technical level of cage culture in China is low， and a large number of seawater cages are concentrated in offshore bays， so the culture density is higher than the environmental capacity of the sea area. The high density of cages will cause unfavorable factors such as low oxygen content， frequent occurrence of fish diseases， and the decline of the quality of farmed fish species. Poor water flow inside and outside the cage will also pose a serious threat to offshore waters， such as red tide. Therefore， the development of offshore and large-scale marine cage culture is the common trend of marine cage culture at home and abroad. In this paper， a kind of intelligent cage for deep-sea aquaculture is designed to solve the disadvantages of fishery culture at present. Through the combination of the three-floating platform and the peripheral cage， the platform not only ensures the structural stability of the platform， but also combines the automatic control and mobility of the platform， which increases the mobility of the liquid inside the cage. The green power generation device set up by the platform provides reliable electric energy for the platform， thus establishing a series of ecological fishery aquaculture models for the recycling of marine resources.
　　Keywords： cage culture; far sea; intelligence; three-floating platform; recycling
　　1 背景
　　面对人口增长、生态环境恶化和资源短缺的严峻挑战，人类不可避免地要向占地球表面71%的海洋索取资源、发展海洋经济。其中，作为海洋经济重要组成部分的海洋渔业为解决世界食品供应做出了重要贡献。然而，由于环境变化和捕捞过度等影响，世界范围内渔业资源的不足和衰退已成为全球性问题。因此，如何实现渔业的可持续发展成为摆在人们面前的重大命题。
　　文章将现有的海洋发电产业与大型海工装备海洋平台结合起来，在解决网箱日常用电需求的同时，也减少了能源运输造成的资金浪费。利用海洋平台在海上的稳性和可操作性，实现了海水网箱养殖在外海养殖的可行性。同时大型海洋平台装备的自动化控制，降低了海上人工成本的开支，保障人员自身安全，因此装备的建成将会带来巨大的经济效益。
　　2 模型设计
　　2.1 三浮体平台设计
　　平台的设计由可升降式塔架、三浮体式平台、工作舱室（变电设备舱、柴油动力舱、蓄电池舱、泵机舱、塔架舱、压载舱）组成。平台内部設置的多个舱室为平台的正常运转提供保障，共同构成整个设备控制的“核心大脑”。
　　文章根据三浮体式平台具有排水量小、水动力性能较好的特点，在浮体内部设有风机塔架升降舱室，从而给塔架提供足够的升降空间。伸缩式塔架通过平台的舱室控制，自动调控风机塔架的上下伸缩高度。通过合理的高度变化，进而改变风机迎风力矩。另外在海上遭遇恶劣天气时，三浮体各浮体上方设有固定风机叶片的自动式绳索系统，在风机停止转动、塔架下降到指定位置，进而将风机叶片固定，保障风机的安全与稳性。 　　2.2 上层建筑设计
　　平台上层主要有信号基站、各种电子设备和上层建筑。
　　基地平台上建有的信号基站，可将平台监测的信息传输给陆地，实现陆地对平台的远程操控，进而实现远海养殖无人化。
　　平台上层建筑采用多块太阳能板拼装在基地平台上，在天气晴朗的情况下能够快速地吸收太阳能并储存在平台的蓄电池内。太阳能板上设计的太阳光垂直感光系统，根据太阳位置的变化，寻找太阳光照最强的位置进行旋转，从而提高太阳能的利用率，为平台提供能源保障。
　　2.3 多功能水下网箱设计
　　平台网箱采用六边形上下两层式的围网结构设计，在水下安装多种水文传感器实时将网箱内的信息与基地平台进行交互。
　　水下网箱的环形结构通过与三浮体平台结构相连接，共同组成一个环状的立体空间。网箱采用的六边形蜂窝结构框架密合度高，所需材料最简，使用空间最大。平台采用这种结构形式也提高了网箱的防撞性能。此外在部分框架桁材的连接形式上，采用最简单的三角形结构，以此增强结构的强度和稳定性，提高平台的经济性能。
　　根据全球的鱼群分布信息，通过拖船将网箱运输到最佳的海域。在保证上层控制舱室调控网箱内部的同时，通过围网内部的多个传感器对水下环境进行实时监测和数据传输。平台舱室内的智能化控制系统，对网箱水温，水质，含氧量，气压，光照等条件做出分析，保证鱼群的正常生长。网箱内部安装智能灯光设备，则解决因部分平台遮挡等因素造成的鱼群光照不足的问题。智能灯光系统也可根据鱼群生长环境的不同，在特定的时间发出不同光源从而对鱼群水下环境进行模拟，提高鱼的产量与品质。
　　3 “智慧”网箱的体现
　　3.1 海洋环境的检测
　　水下可通过安装水温传感器、水质传感器、溶解氧测定仪、含盐量传感器等多种传感器实时检测网箱内的水文信息，对水生生物和水体质量进行监测，保证鱼群的生长环境。利用无线通讯技术，对平台进行气象监测，保障平台与有关部门的实时通讯。
　　3.2 网箱内部监测
　　利用高分辨率水下摄像仪器，类似人脸识别的分析系统检测渔业资源。网箱可通过使用水下机器人等智能设备，对网箱养殖提供水下视频资料，通过观测鱼群生长状况、网箱底部是否有死鱼来保持网箱内部的清洁。
　　3.3 动态监控信息处理
　　平台通过使用网络数据时代广泛采用的大数据搜集、分析技术，建立平台现代化的信息查询、分析机制，为平台提供数据支持。平台控制系统通过平台上层的智能化养殖控制系统，可将水下收集的数据实时传输给上层平台，通过平台的云数据处理系统，对网箱进行数字化管理和资料的收集。
　　3.4 开拓第三产业
　　智慧网箱的建立为海洋渔业的科学研究，尤其为海洋医学、海洋药学和浮游生物检测研究提供科研平台。智能深海网箱在保护海洋生态的同时，也增加渔民的经济收入，开拓第三产业，维护海洋产业健康发展。
　　3.5 环保经济
　　海洋网箱生产方式遵循自然法则，将水产品自然生长作为核心特色，构建立体化、多层营养级、综合性的生态系统，对解决本世纪以来的持续性资源短缺具有深刻的影响。
　　智能化网箱的建成，将推动渔业养殖从近海养殖向深海养殖转变，从网箱式养殖向大型装备式养殖转变，从传统人工式养殖向自动化智能化养殖转变，进而为我国深海养殖和渔业资源的利用提供巨大帮助，同时也为我国企业全面进入深海养殖这一新兴行业打造良好开端。
　　4 现有理论与技术
　　本平台在以往典型的平台基础上对平台结构设计加以改进，选取三浮体结构，增加平台的稳定性。平台的自给化功能使得平台在海域生存的能力得以提升，网箱带来的渔业资源提高了平台的经济价值。
　　以南海为例，平台发电能力在支持海洋平台的日常工作时且利用率高。另外根据网箱的日常用电需求，一般的太阳能电池板每平方米一天（8小时）能发大约0.8-1.2度电，考虑到平台太阳能可利用面积占总面积的50%，因此平台一天可產400√3*50%*1*8=1939kw/天的电能，加上平台选用的3台30kW风机，平台所产生的电能足以提供网箱的日常使用。
　　5 数据分析
　　海洋网箱采用围网式架构，将传统海洋平台与海洋网箱有机结合起来，以增加渔业资源为目的，追求经济效益。以图2、图3资源量反映了海洋网箱的建设效益。
　　从图2、图3便可以看出，海水养殖比海洋捕捞的可行性更广，产量更大，且可根据市场需要选择必要的鱼种。通过人工设施进行的海水养殖比通过过渡捕捞更具有经济价值。另外对资源实施科学管理，也会衍生出海洋医药等其他附加产业。
　　6 应用前景
　　目前我国大部分网箱都是大规模分布在沿海海域，随着社会经济的不断发展和人民生活水平的不断提高， 内河以及近海养殖的水产品已经无法完全满足人们对高品质水产的需求， 因此远海养殖必然成为当今世界海水养殖的趋势。在我国，海岸线总长度达3.4万公里，其中大陆海岸线1.8万公里，岛屿海岸线1.6万公里，丰富的海洋资源为大规模远海网箱建设提供基础。
　　“智慧网箱”虽是为海洋渔业养殖所打造的， 但其未来市场潜力巨大。目前全世界都进入人工智能时代，5G等高科技的加入必将会给目前海工装备市场的发展提供动力。另外在研发和建造“智慧网箱”的过程中， 我国的海洋工程设计院所必将会面临一系列重大的技术创新和挑战， 但是从另一方面，这将会给我国船舶与海洋工程行业提供新的发展方向，从而进一步提升我国的综合实力。
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