劉 思俞國燕

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江524088）

水產養(yǎng)殖工程

工廠化養(yǎng)殖自動投餌系統研究進展

劉 思，俞國燕

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江524088）

工廠化養(yǎng)殖是當前集約化水產養(yǎng)殖主要的生產模式，可以實現精準投餌的自動投餌系統不僅能降低餌料浪費和勞動強度，還能減少環(huán)境污染，是集約化工廠化水產養(yǎng)殖模式最重要的配套裝備之一。本文介紹了自動投餌系統的結構組成，從上料輸送系統和下料拋撒系統兩個方面分析了自動投餌系統的研究現狀，重點闡述了氣力遠程輸送與軌道式行走輸送這兩類應用最多的集中式自動投餌系統的特點、存在的問題及解決方法。研究認為這一集水質監(jiān)測、自動投餌裝置和投喂決策系統于一體的閉環(huán)遠程管理控制系統符合未來的發(fā)展趨勢。

工廠化養(yǎng)殖；自動投餌系統；氣力輸送；軌道式輸送

發(fā)展精細化與集約化養(yǎng)殖，促進工廠化養(yǎng)殖逐漸成為我國水產養(yǎng)殖的重要生產方式之一，并被認為是解決養(yǎng)殖業(yè)與環(huán)境和諧問題的出路之一［1－3］。由于飼料成本與勞動力成本是工廠化水產養(yǎng)殖的主要成本，其中飼料成本占養(yǎng)殖總成本的70%～90%［4］。挪威、加拿大、美國等水產養(yǎng)殖強國研發(fā)推廣了系列化自動投餌系統，有效提高了投飼精度和飼料利用率，降低了勞動強度和餌料浪費，從而降低養(yǎng)殖成本及殘餌對養(yǎng)殖水體的污染，推動了工廠化養(yǎng)殖的快速發(fā)展［4］。國內自動投餌裝置研發(fā)起步較晚，人工投喂和簡易的投餌機普遍應用，無法滿足高密度工廠化水產養(yǎng)殖的快速發(fā)展需求。本文綜述了國內外主要工廠化養(yǎng)殖配套自動投餌系統的研究進展，對其存在問題和發(fā)展趨勢進行了探討，以期為系列化、智能化的工廠化養(yǎng)殖自動投餌系統研發(fā)提供參考。

1 自動投餌系統結構

與早期固定在養(yǎng)殖池池壁上的簡易投餌機相比，現代自動投餌系統已經不再是只根據設定好的程序機械地取代人工拋灑餌料動作［5］，而是以提供機械化、精準化和智能化需求為核心任務，運用機械電子混合、單片機、PLC等控制模式，并結合觸摸屏、物聯網、自動控制技術和聲學監(jiān)測、機器視覺等方法，形成全自動智能投餌系統［6－13］。系統在結構上主要由自動上料輸送系統、下料拋撒系統和集中控制系統3部分組成（圖1）。

圖1 自動投餌系統結構原理圖Fig.1 Structure schematic of automatic feeding system

自動上料輸送系統通過不同的上料輸送方式將餌料輸送到不同距離的養(yǎng)殖水面；下料拋撒系統控制下料時間、下料量和拋撒角度；集中控制系統是整個投餌設備的核心，控制前兩個系統的正常運行，實現整個投餌系統的大面積定點、定時、定量的精準投喂。

2 研究現狀

2.1 上料系統輸送形式

2.1.1 氣力輸送

氣力輸送是目前國內外大型中央投餌系統普遍采用的一種輸送方式，主要采用低壓壓送式。國內已研制了輸送距離最大達600 m、拋投距離不小于7 m、投餌量達1 050 kg／h的投餌系統［14］；國外如挪威AKVA公司研制的CCS系列自動投餌系統，其輸送管道直徑32～110 mm，輸送距離300～1 400 m，最大投餌量11 520 kg／h［15］。在結構上，系統通過分配器（圖2）實現連接不同投放位置的輸送管道之間的切換。根據控制指令，分配器滑動頭360°旋轉到指定出料口位置，風機產生的空氣流將飼料輸送到管道末端拋料口，并通過拋散機構將飼料均勻拋撒到養(yǎng)殖水面［16－19］。這種輸送方式已在深水網箱養(yǎng)殖、工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖和標準化池塘養(yǎng)殖生產中被廣泛應用。

圖2 分配器Fig.2 Distributor

基于分配器轉換的氣力管道輸送只能實現順序投餌，養(yǎng)殖點投餌時間會受到一定的約束。為此，孫廣明等［20］在每個養(yǎng)殖點單獨配置小型投餌機，將氣力輸送和終端投餌單獨控制，飼料在氣力推動下由管道經分料閥輸送到終端投餌機，接著按設定的要求向池塘拋撒，實現多點同時投餌，減少投餌周期。

2.1.2 軌道式輸送

軌道式輸送是在室內養(yǎng)殖池上方架設行走軌道，投餌裝置沿著空間軌道行走，并可編程控制設置多個投放點，投餌機行走到指定位置即停止，對位于軌道下方的目標養(yǎng)殖池進行餌料投喂。軌道式輸送主要應用在魚、蝦、蟹等水產品的室內養(yǎng)殖自動投喂［21－25］。芬蘭Arvo－Tec公司研制的軌道式機器人運行速度達18 m／min，可投喂240個養(yǎng)殖池，運行距離達 450m，日投喂量高于2 000 kg［26］。

行走系統是軌道式輸送系統的核心部分，主要由軌道、行走滑車和定位裝置組成。因在強度上有較大優(yōu)勢，工字鋼是目前應用最多的軌道型式。行走滑車一般由電機、齒輪減速傳動裝置和小車輪組成，負責將投餌機輸送到指定投喂點。其輸送原理是：控制系統啟動行走系統開始移動，識別到安裝于投餌位置的定位傳感器發(fā)出的信號就停止運動，投餌機同步開啟下料口進行投喂，投喂完畢后下料口關閉，重新啟動行走系統移動至下個投飼點［27－28］。常用的定位裝置有光電感應器、超聲波感應器、射頻識別技術和限位開關等，其定位精度小于50 mm［4］。

對于遠距離、大面積的飼料輸送，一般將上料輸送系統的上料與輸送裝置分開設計，餌料不足時，控制系統發(fā)指令開啟上料機給儲料倉自動上料。皮帶輸送機、斗式提升機、鏈式輸送機、螺旋輸送機、氣力輸送機等都可作為自動上料裝置。其中，螺旋輸送和氣力輸送是水產養(yǎng)殖上料系統中應用最多的兩種上料方式：螺旋輸送是利用螺旋在固定料槽里推移物料，具有密封性好、成本低、結構簡單的優(yōu)點，但磨損大，適用無粘性的干粉和小顆粒物料、粘性且易纏繞物料［26，29－30］；氣力輸送是利用氣流能量輸送物料，具有輸送量大、結構簡單的優(yōu)點，但易堵料，適用于粉粒狀、纖維狀和顆粒狀物料［30－32］。

2.2 自動下料拋撒系統

自動下料拋撒系統主要由料倉、下料裝置和驅動裝置3部分組成，當要求實現養(yǎng)殖池水面均勻投料時，則還需要在下料末端設計單獨的拋散裝置。下料裝置常用的下料方式有電磁鐵下拉式、振動式、皮帶輸送式、抽屜定量式、轉盤定量式和螺旋輸送式（表1）。自動下料系統的下料時間、間隔與下料量均可控，以滿足現代水產養(yǎng)殖精確投餌需求。例如，國內已研制出微型定量、全自動絞籠強制排料、無傳動振動式等精確投喂裝置，適應料斗意外進水、精確定量小水體、篩選下料量等狀況，實現餌料不堵不卡，自動下料［33－35］。

表1 不同下料方式的結構組成及優(yōu)缺點Tab.1 Structure compositions of different baiting ways and their advantages and disadvantages

對于下料未端的拋散裝置，最為常見的是自由下落式、風力輸送式和機械離心拋撒式3種，其各自特點見表2。離心拋撒式因結構簡單且可實現360°旋轉無死角投喂而應用廣泛，但機械離心式拋撒均勻性普遍較差，有明顯偏向一邊的現象。

表2 不同拋撒方式的特點Tab.2 Characteristics of different dripping ways

3 存在問題

3.1 氣力輸送

氣力輸送系統中的分配器有待優(yōu)化。分配器輸出管道的管徑、形狀、材料、氣流速度以及布置形式均是影響氣力輸送裝置設計優(yōu)劣的因素。已設計出的分配器傾向于滑管式基本原理，采用上、下半圓式支管布置方式，分別設計不同的S形彎管。但基于葉片切換式、閥芯轉動式原理設計的分配器較少，且閥芯轉動式原理和構造較滑管式更簡單［32，39］。為此，可以考慮在基于葉片切換式或閥芯轉動式原理基礎上，設計出不同性能的分配器，并對已有的滑管式分配器做進一步的改進。

3.2 軌道輸送

行走裝置的定位精度、智能化程度不高。軌道雖經打磨處理，但拼接處的縫隙較大，會干擾傳感器位置判斷而延遲信號傳遞；行走系統大都采用直流電機驅動，無法實現自鎖剎車；小車車輪亦會因軌道制造、安裝誤差出現懸空、打滑等問題，同時跑道形軌道轉彎處輪子易出現“卡死”現象，從而影響投餌定位精度；設計的無線電纜系統沒有電源電量顯示和反饋模塊，系統會因電量不足而停止運行，無法返回到原點；系統集成自動上料裝備研究尚少［4，27，31］。以上問題均影響軌道輸送智能化程度。為此，可借鑒機械制造生產過程中的同類裝置，如：增加導向輪機構來解決轉彎處行走小車易“卡死”的情況，設計自動伸縮裝置解決車輪懸空、打滑問題，增加自動補料裝置和電源顯示模塊實現無人全自動化管理。

3.3 控制系統

控制系統的集成化、智能化程度還需要進一步提高。目前，能夠同時集成水質監(jiān)測、生長模型、自動投餌和魚類攝食行為反饋于一體的閉環(huán)遠程智能控制系統在水產養(yǎng)殖應用中尚不多見，國內對養(yǎng)殖魚群的生長模型研究也剛剛起步［7，10］。為此，建議對大量不同養(yǎng)殖品種的生長規(guī)律進行分析總結，并不斷修正養(yǎng)殖過程中魚群的生長模型，建立并完善不同品種的生長模型庫，為建立適用性更強的自動控制管理系統奠定基礎。

4 展望

隨著計算機、物聯網、通訊和自動化技術的發(fā)展，軌道式、氣力式輸送或其它新型投餌系統在大面積的室內外工廠化養(yǎng)殖中的應用將越來越多，并成為必須。近年來，集物聯網與通訊技術、養(yǎng)殖環(huán)境與對象的實時在線監(jiān)測、自動投餌裝置和投喂管理決策支持系統的閉環(huán)遠程智能控制系統在水產養(yǎng)殖中應用越來越多，該系統能夠量化進食魚群參數、合理利用魚群進食規(guī)律、確定最佳投餌關鍵時間，從而提高投餌效率，避免投餌過量或不足［40］?？紤]到投資成本高是目前制約自動投餌系統等工廠化養(yǎng)殖配套裝備推廣應用的主要原因，建議硬件裝置部分的設計按模塊化、系列化、標準化方向發(fā)展，以適應不同地區(qū)、不同布局及不同養(yǎng)殖對象的要求，并快速構建。 □

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Progress of research on automatic feeding system in factory aquaculture

LIU Si，YU Guoyan
（College of Mechanical and Power Engineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

Factory aquaculture is the main production model for intensive aquaculture nowadays，and with its precise feeding performance，the automatic feeding system is one of the most important supporting equipment in intensive factory aquaculture，which can not only reduce feed waste and labor intensity，but also relieve environment pollution.This paper introduces the structure of automatic feeding system，analyzes the present research situation of the automatic feeding system from the aspects of loading transporting system and blanking dripping system elaborates the characteristics，problems and countermeasures of two kinds of mostly adopted centralization automatic system，i.e.pneumatic remote transmission and rail transmission systems.Through the study，it is believed that the closed－loop remote management and control system that integrates water quality monitoring，automatic feeding device and feeding decision system lines with the future development trend.

factory aquaculture；automatic feeding system；pneumatic transmission；rail transmission

S969.31＋1

A

1007－9580（2017）02－001－05

10.3969／j.issn.1007?9580.2017.02.001

2017－01－02

廣東省與湛江市科技攻關項目（2014A020208118、2016A02018）；廣東省研究生教育創(chuàng)新計劃項目（2014JGXM－MS25，2016QTLXXM＿52）；廣東海洋大學創(chuàng)新強校工程項目（Q14209）

劉思（1992—），女，碩士研究生，研究方向：設施漁業(yè)與數字化設計。E－mail：928525838＠qq.com

俞國燕（1970—），女，教授，研究方向：智能設計與制造、現代漁業(yè)裝備等。E－mail：yuguoyan0218＠163.com