基于ＬａｂＶＩＥＷ的工廠化養殖

摘要：以封閉式循環水養殖為代表的工廠化水產養殖是世界水產養殖的發展方向，工廠化養殖具有節地、節水、養殖周期短、產量高、易于管理、不受季節變化的限制、效益高等優點，符合我國人多地少、水資源短缺的基本國情。介紹了工業化養殖系統中涉及的裝備技術，包括去除固體廢棄物和水溶性有害物質、殺菌消毒、增氧、調溫、水質測控。介紹了水質在線監測系統的組成，指出了該技術應用于養殖業的重大意義，同時提供了在線監測的指標對象，以及分析的方法和儀器。采用LabVIEW開發了一套水質在線監測系統，具有人機界面友好，數據采集、存儲、信號處理及分析功能強大的優點。

關鍵詞：工廠化養殖；水質；在線監測；虛擬儀器

中圖分類號：S232.3；S959；S951.2 文獻標識碼：B 文章編號：0439-8114(2008)05-0594-04

Industrial Aquaculture Based on Virtual Instrument Platform

WU Zi-yue，ZHAO Ting-ting

(College of Engineering Scienced and Technology，Shanghai Fisheres University，Shanghai 200090，China)

Abstract：The facilities of industrial aquaculture are described (including eliminating solid waste and liquefiable poison materials，sterilization and disinfection，enhancing oxygen，adjusting temperature，monitoring water quality). The water quality automatic detecting system has been presented，the technique applied for the aquaculture is of great significance，including the targets，which need automatically detecting，analytic methods and equipments as well.With using of LabVIEW，a water quality on-line detecting system has been established. It has a friendly human-computer interface，and excellent function of data acquiring，saving and signal processing，analyzing as well.

Key words：industrial aquaculture；water quality；on-line detecting；virtual instrument

工廠化養殖是一種現代化水產養殖方式，其依托一定的養殖工程和水處理設施與設備，按工藝過程的連續性和流水作業性的原則，在生產中運用機械、電氣、化學、生物及自動化等現代化措施，對水質、水溫、水流、溶氧、光照及飼料等各方面實行全人工控制，為養殖生物提供適宜生長的環境條件，實現高產、高效養殖的目的。歐美發達國家不斷引進了世界前沿高新技術成果，工業化養殖自動化程度很高，單產達200～500 kg·rn-3，養殖用水循環利用率高達90%以上，基本上達到了無廢生產及“零”排放標準，在規模上向著大型，超大型集約化的企業集團模式發展，這要歸功于水質在線監測技術在養殖生產中的成功運用。相比較下，我國的工廠化養殖業起步較晚，水產養殖設備簡陋、系統不完善、開放式流水是其基本特征，而且漁業水質監測系統近年才起步，主要應用于工廠化養殖車間和池塘養魚的水質檢測，多采用的是不可長期連續使用的非在線型水質測試儀表，采用這種儀表即使24 h不間斷測試水質參數，還會因為人為等因素造成誤差，所以目前我國總體還處于初級的粗養階段[1]。

1 工廠化養殖中的主要裝備設施

1)養殖池。養殖池均為室內水泥池，多為切角方形或長方形，若為長方形，長寬比例小于3∶2；面積400～500 m²，池深1.2～1.5 m；多為水泥底和沙土底，池底為淺鍋形，中央設排水口。

2)進排水系統。如水源為河水、地下水或海水，都必須在蓄水池中經過鹽度調節以及消毒、凈化后使用。排水為中央排水系統，目前多數工廠化養殖場未設廢水處理池，直接將所排污水排出，因此造成較為嚴重的環境污染和病害傳播。

3)去除水體有害物質以及殺菌消毒。工業化養魚的密度高，固體廢棄物是污染養殖水體的主要來源，循環系統中首先需要及時清除有害物質，以便減輕后道工藝環節負荷和防止堵塞，減少其分解對氧氣的消耗[2]。大部分顆粒直徑在0.02～1 mm之間，密度小于1.1 g·cm-3，有機物含量占80%左右。采用固體顆粒和懸浮溶質二步法可以較為有效地清除，相應的裝置是篩濾和泡沫分離。

對于水溶性的有害物質，如氨態氮(NH3-)的毒性很高，它能通過鰓和皮膚很快進入魚的血液，抑制魚類生長加速死亡；亞硝酸鹽氮(NO₂-)可使魚失去攜氧功能，爆發黃血??；硝酸鹽氮(NO₃-)一般被認為毒性很小，但是近來研究表明高濃度的NO₃-會使魚體色澤變差，肉質下降[3]?？刹捎蒙锬ぜ夹g的裝備主要有浸沒式生物過濾罐、滴流濾槽、水凈化機和植物凈化裝置等。為避免化學藥物投放所產生的副作用，工業化養魚中的殺細菌消毒較多采用物理法處理。采用的設備是臭氧發生器和紫外線殺菌器。

4)增氧系統。工業化養殖系統中，魚池、泡沫分離、生物過濾均需要大量氧氣(每天噸魚約耗氧7.57 kg左右)。暫養階段放苗時，幼體長為0.6～1 cm，多采用充氣增氧，散氣石密度為每立方米1個。養成階段，幼體長約2.5～3 cm，多采用水車式增氧機進行增氧，一般666.7 m²設置0.75kW的水車式增氧機1～2臺。另外羅茨風機和旋渦式充氣機也應用較多，三葉式羅茨風機有較好的平穩性和低噪音效果，葉輪式增氧機由于增氧效率強、結構簡單、使用方便，在水質調節池和養魚工廠的二級池中有較好的用途。

為提高氧氣的利用率，使水體溶氧達到飽和與超飽和，可采用高效氣水混合裝置，其采用射流、螺旋、網孔擴散等氣水混合技術，并串聯內磁水器，通過羅侖磁力作用，使水氣分子變小更易混合，同時具有殺菌、防腐作用，工況條件為水流速度大于1.5 m·s-1，磁場密度大于4 000 Gs。該裝置也可用于臭氧的氣水混合。

5)供熱系統。一般配備蒸汽鍋爐做為熱源，并通過鋪設在池中的不銹鋼管進行熱交換來調控水溫，除此之外裝備中還有采用組合式熱泵冷熱水機組。有條件的地區利用地熱或工廠余熱進行水溫調控。

6)供電系統。為了防止電力不足或突然斷電的情況發生，應該配備應急發電機組，確保供水、增氧、調溫、照明等生產和日常正常供電。

7)水質測控。工業化養魚系統整體功能的發揮和效果體現有賴于水質的監測和調控，通常配備水質監測儀器及試劑對水體的溫度、鹽度、酸堿度、溶氧量、氨氮、硫化氮等理化指標進行檢測，同時配置生物顯微鏡等對水體中的藻類、原生動物等生物指標進行觀察分析[4]。但受技術力量限制，目前絕大多數養殖場尚未對細菌、病毒等病源進行日常檢測、監控。

2 水質在線監測系統的組成和方法

工廠化養殖是當今最為先進的養殖方式，然而工廠化養殖也是高技術、高投入、高風險的產業，需要科學的分析論證，管理和維護，才能降低風險，創造高效。由于水質環境對養殖業的重要性，人們迫切需要水質自動在線監測手段，以減少失誤及投資風險[5]。

2.1 水質在線監測系統一般由水樣采集單元、監測儀器單元和數據控制及處理單元組成

1)水樣采集單元：通常由抽水泵、閥門組及其控制電路、進水及出水管道組成。負責對所監測的水樣進行采集，送入監測單元或保存；

2)監測儀器單元：由溶解氧、pH、溫度等在線分析儀器組成(可根據所測水質的具體要求，增加其他參數如濁度、COD、氨氮等)。此單元負責測試水樣的各種參數，由于監測儀器所輸出的信號為電流信號，所以要經過變送器變換為標準電流信號(4～20mA)或電壓信號(±5V)，再經過模數轉換即A/D轉換，將模擬量轉換為數字量送往數據處理單元；

3)數據處理及控制單元：包括計算機、打印機、232接口、系統專用軟件等。該單元的功能是控制整個系統的正常、有序運行，進行系統原始參數的設定和更改。對現場執行采樣、水樣監測、執行設備運行及數據傳輸、顯示、存儲、打印等。

2.2 水產養殖的監測目標

魚類對其生存水體有一定的要求，如果水質適合魚類的生理需求，魚類便能很好地生存和生長，養殖的經濟效益也高；反之，則會影響到魚類的生存和生長發育，甚至導致巨大的經濟損失和環境污染。影響養殖水體質量的主要因素有：一般指標如溫度、pH、電導率、溶解氧、濁度等；綜合指標如BOD、COD、亞硝酸、氨氮等。

3 系統軟件部分

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標代替文本創建應用程序的圖形化編程語言，是一種業界領先的工業標準圖形化編程工具，廣泛應用于仿真、數據采集、儀器控制、測量分析和數據顯示等嵌入式應用系統開發。它是專門為工程師和科學家而設計的直觀圖形化編程語言，利用NI的虛擬技術，可以讓以往復雜的數據采集工作變得異常簡單。具體有以下幾方面優勢：①提供了豐富的圖形控件和圖形化編程方法，系統開發效率高；②采用了數據流模型，它實現了自動的多線程，從而能充分利用處理器尤其是多處理器的處理能力；③能輕松實現與其他編程語言混合編程；④LabVIEW提供了大量的驅動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件連接；⑤LabVIEW擁有強大的數據分析和信號處理功能；⑥NI同時提供了豐富的附加模塊，讓LabVIEW的使用領域大大拓寬，例如實時模塊、機器視覺模塊與觸摸屏模塊等。同時還提供了一個良好的人機交互界面，所見即所得。

根據工廠化養殖所監測的主要目標參數，和LabVIEW強大的數據采集、存儲、顯示、信號處理和傳輸、系統開發周期短等方面優勢[6]，基于LabVIEW的開發平臺，創建開發了以下水質在線監測系統，在本系統設計中綜合應用了低通濾波、相干函數分析、傅立葉變化等信號處理手段，使得測量的結果得到提高，測量信號得到及時有效的分析便于進一步的控制，同時開發的系統還具有良好的人機交互界面、形象直觀的控制界面、數據存儲、系統警報及顯示、界面清屏的功能，使得開發的該套系統簡便實用，大方親切。

3.1 系統啟動界面和主控制面板

基于LabVIEW開發的程序面板具有良好的人機互動的風格，使用簡單。如下圖1所示：

3.2 溫度監測主界面

該界面主要由外部接口程序、溫度警報、溫度信號采集原始波形圖、低通濾波器、采樣頻率等程序組成。該監測主界面的外部接口可以由用戶自行選擇，溫度警報的下限、采樣頻率、濾波的截止頻率和階數也可以隨時修改，同時顯示監測數據的個數，以及數據的存儲功能。具有很強的通用性和實際使用性。

在信號傳輸過程中，由于外界的干擾，經常會混入高音頻噪音。因此在測量信號時希望把這些來自外部的高頻信號去掉，通常的做法是采用低通濾波器將高頻噪音濾掉，信號處理的根本目的是提高信噪比，從而增強了測試系統的性能。LabVIEW中提供了數字濾波器設計模塊，通過數字濾波器可以極大地衰減干擾噪聲或進行頻譜分析。數字濾波與模擬濾波相比具有如下優點：①數字濾波不需要硬件設備，只需要軟件編寫一個濾波程序，尤其適用于對高頻和低頻進行濾波，不存在阻抗匹配問題，從而極大地降低了成本且適用；②穩定性高，可預測；③不會因為溫度等外界條件產生誤差，更不需要精密組件；④便于根據不同傳感器的輸出特點及環境狀況改變濾波參數，選擇不同的濾波方法。

如圖2所示，基于LabVIEW開發的溫度監測主界面中，信號源由一個經過處理的隨機信號(波動于10～25℃之間)與一個Uniform White Noise信號的高頻部分迭加而成，與實際情況比較相符。把截止頻率設為30，即可以濾掉頻率大于30分貝的噪音。從圖2中可以看出，濾波后的信號基本上還原了所設定的溫度信號。

3.3 數據分析界面

測試數據分析是測試工程學的核心部分，現代測試工程要求將這些數據與測試的目的以某種方式聯系起來，利用科學的分析方法從測試數據中得到更深層次的信息，以便為最終做出正確可信的判斷提供數據依據。在該系統采用的是相干函數分析。

相干是指信號之間的線性關系，又稱時延域分析，是提取信號在不同時刻相互依賴關系中周期成分的常用手段。相干函數定義為：

一個線性系統，其輸出完全由輸入信號引起，所以其相干函數為1，如果一個系統的輸入和輸出信號完全不相干，Sxy(jω)=0，其相干函數也為0。然而在大多數情況下，測試體統的輸入和輸出信號之間的相干函數介于0和1之間，出現這種情況有3種可能：①系統不是理想的線性系統；②系統輸入端有噪音的干擾混入；③系統輸出端有噪音的干擾混入。

從圖3中的相干函數曲線可以看出，被測試的系統是一個30Hz的低通系統，在30Hz時其相干函數不接近1，由于信號源由一個經過處理的隨機信號(波動于5～15℃之間)與一個高頻信號迭加而成，所以信號的輸入和輸出沒有良好的線性關系，另外從圖板中的互譜幅值及相位譜、頻率響應函數幅頻特性及相頻特性、單位沖擊響應的求取結果也可以看出上述關系，符合實際情況。

3.4 用戶警報記錄界面

基于LabVIEW開發的用戶溫度報警記錄，該版面的功能不僅記錄報警數，還對報警發生的時間和溫度值進行記錄，在發生警報的時候警報燈會閃爍以提醒用戶。同時用戶隨時可以設置警報的下限數值，在任何時候清除報警歷史記錄，使用起來非常方便明了。

4 工廠化養殖發展

工廠化養殖是未來水產養殖業發展的主要方向，符合我國人多耕地少、水資源緊缺的基本國情。但工廠化養殖的投資大，對生產技術及管理的要求高，投資風險較高，因此針對目前這種迫切的需要，基于LabVIEW的強大功能所開發的這套系統軟件，具有良好的使用價值和使用意義。除了不斷引進新技術、新設備之外，還應該做好以下工作：①要加強對項目的可行性分析，各地應根據當地具體條件和自然優勢，做好產品市場分析、生產成本及效益分析和經營風險分析，防止盲目發展[7]；②加強新品種引進與研發；③加強專用飼料和病害防治技術研究，提高養殖產品品質，生產安全、健康的水產品，提高國際市場競爭力；④加強收獲與銷售管理，工廠化養殖應較好地把握生產與市場的關系；⑤加強工廠化養殖理論和技術支撐體系的研究，目前我國對工廠化養殖的理論研究剛剛起步，還沒有建立起相關的理論和技術體系，需要廣泛吸收其他行業科研人員參與理論與生產實踐研究，發揮多學科優勢，集中有關化學、環境、餌料、育種、防病、養殖、建筑、機電、管理等學科的研究人員，實行聯合攻關，推動學科和生產的快速發展[8]。

參考文獻：

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[8] 花兆泰.淺談工廠化水產養殖中水處理設備的應用[J].漁業現代化，2003(3)：23-24.

(責任編輯 郭偉偉)

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