中國智能水產養殖發展現狀與對策研究

鞏沐歌，孟菲良，黃一心，周海燕

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海，200092)

改革開放以來，中國水產養殖業迅速發展，2017年水產養殖總產量5 267.6萬t，與2010年相比，增長超過37.6%[1]，已成為發展最快的農業產業之一。然而，水產養殖業在快速發展的同時，也面臨資源日益短缺、環境生態壓力加大、食品安全事件頻發等諸多挑戰以及社會經濟發展的新需求，因此發展智能水產養殖，促進水產養殖業“轉方式調結構”勢在必行。

智能水產養殖是把現代智能技術應用到水產養殖的全過程，即利用互聯網(移動)、物聯網、人工智能、大數據、云計算等信息技術與水產養殖有關裝備相互集成，構建高效養殖裝備與養殖過程管理系統，從而實現水產養殖“高效、優質、生態、健康、安全”的綠色可持續化戰略目標。智能水產養殖是對傳統水產養殖方式的升級改造。

1 發展智能水產養殖的重要意義

1.1 發展智能水產養殖是保障中國糧食安全的需要

糧食問題始終是中國社會經濟發展中的首要問題。智能水產養殖是漁業現代化的重要體現，能將目前落后低效的傳統生產方式轉變為先進高效的大規模生產方式，大幅度提高勞動生產率和漁業生產力水平，生產更多的優質水產品。一方面彌補未來將面臨的2 000萬t水產品消費需求缺口，減少對糧食的消耗，緩解糧食生產壓力[2]；另一方面可以增加動物蛋白來源，改善食物結構，提高人民健康素質。因此，發展智能水產養殖可以為中國糧食安全提供有力保障。

1.2 發展智能水產養殖是漁業可持續發展的迫切要求

目前，中國的池塘養殖仍存在沿用粗放式經營的傳統方式，養殖過程中不合理投喂和用藥，極大地惡化了水質環境，影響水產品質量，加劇水產病害的發生，使得養殖風險增大。同時，中國勞動力資源短缺、人力成本不斷攀升等問題也制約著漁業可持續發展。《全國漁業發展第十三個五年規劃(2016—2020年)》強調“十三五”漁業發展要牢固樹立創新、協調、綠色、開放、共享發展理念，以提質增效、減量增收、綠色發展、富裕漁民為目標，堅持生態優先、創新驅動、“走出去”戰略、以人為本、依法治漁，大力推進漁業供給側結構性改革，加快轉變漁業發展方式，加快實現漁業現代化。這對中國水產養殖業的智能化提出了緊迫的要求。轉變發展方式是水產養殖持續發展的必由之路。物聯網等技術在水產養殖業中的應用，實現養殖水質的精準監控與調控，實現飼料和藥品的精準投喂，有效改善水體環境，減少污水排放，提高生產效率，降低人力成本，規范生產管理，促進中國漁業經濟可持續發展。

1.3 發展智能水產養殖是實施海洋強國戰略的基本保障

目前，中國漁業發展處于轉型升級的階段。近海養殖面臨生產方式粗放、水域環境惡化、水土資源緊缺等突出問題，因此，以提質增效、減量增收為目標，大力發展深藍漁業、挺進“深遠海”成為必然選擇。通過拓展深藍海空間，提供品種豐富、質量優良的水產品，滿足人民日益增長的美好生活需要，也是黨的十九大提出的目標與要求。深藍漁業是在遠離大陸的深遠海水域，依托養殖工船或大型浮式養殖平臺等核心裝備，并配套深海網箱設施、捕撈漁船、物流補給船和陸基保障設施所構成的“養殖、捕撈、加工”相結合、“海洋、島嶼、陸地”相連接的全產業鏈漁業生產新模式。深遠海養殖是在遠離大陸的地方進行養殖，環境條件復雜，各種生產保障困難，因此依靠傳統的養殖方式是不現實的，因此迫切需要有智能化的養殖裝備和技術為深海養殖的實施提供有力的保障。

1.4 發展智能水產養殖是融入“一帶一路”倡議“走出去”的重要推手

近年來，國家提出了“一帶一路”倡議，得到國際社會高度關注和響應。“一帶一路”沿線65個國家的人口是中國總人口的2倍。據了解，海上絲綢之路沿線國家大多為熱帶國家，且多為不發達國家。這些國家的漁業是其國民經濟的重要支柱，自然漁業資源豐富，捕撈產量較大，但養殖技術水平總體落后，產業發展滯后，捕撈產量大于養殖產量。大力發展水產養殖，可以降低對自然資源的依賴度，且水產養殖業具有投資低、產出高和效益高等優勢，是解決糧食安全、緩解貧困、提供營養和增加收入的重要產業[3]。因此，水產養殖合作需求大，為智能水產養殖對外合作帶來了難得的發展機遇。這既能有效地提升相關國家養殖業的水平，又增強了中國在其他國家的影響力，從而實現了互利共贏的良好局面。

2 中國智能水產養殖發展現狀

2.1 產業發展狀況

2.1.1 生產領域

在水產養殖生產領域主要是利用傳感器，基于物聯網技術實現養殖水體實時監控，飼料、漁藥自動精準投喂，水產病害監測預警。2010年，江蘇宜興建立了江蘇省首個物聯網水產養殖基地[4]。2014年廣東開發了“健坤智慧水產養殖系統”，并在廣東韶關力冉國家級工廠化養殖示范基地得到應用。2015年江西省建成首個智慧漁業示范基地，該套智慧漁業系統集成了養殖信息管理、水質在線監測、自動控制、視頻顯示及多平臺終端控制等諸多功能[5]。2015年江蘇省啟動研發基于物聯網和生物處理零排放的智能化水產養殖系統。2013—2015年，江蘇開發的物聯網水產養殖平臺在北京、天津、河北、遼寧、上海等20個省、市、自治區推廣應用。

2.1.2 經營領域

在水產養殖經營領域主要是運用電子商務平臺實現水產品銷售、水產養殖投入品的購買等。蘇州公司開發的可追溯水產品電商平臺，養殖戶可以在平臺上實現苗種、飼料和魚藥的團購。江蘇省在蘇寧易購超市頻道“中華特色館”內設置“江蘇優質水產品”頁面，江蘇各地特色水產品都可在蘇寧易購上銷售[6]。多家電商公司也涉足水產領域，還涌現出一批專注于水產品的精分型網站，以及一些由地方政府扶持，當地企業運營的地域性水產網站等。

2.1.3 管理領域

在水產養殖管理領域主要由政府主導開發，運用先進的信息化技術采集各項信息，并進行數據分析，為行政管理決策提供基礎支撐。2009年，全國養殖漁情信息采集系統建立，基本實現了中國水產養殖主產區的信息采集全覆蓋。該系統已在全國16個漁業主產省(區)建立信息采集定點縣200個，采集點747個，各類采集終端6 000多個，形成了近1 300人的采集分析隊伍，能對76個養殖品種、9種養殖模式進行全年的信息動態采集[7]。2016年全國水產養殖動植物病情測報信息系統正式啟用，該系統運用數據庫技術、地理信息系統技術和網絡技術，構建了一套包括數據采集、存儲、管理、應用及信息匯總分析的應用系統，依靠原有5級測報工作體系，由測報點完成基礎測報信息的上報工作，國家、省、市和縣4級測報機構對轄區內測報點的原始信息進行自動匯總、圖表分析，實現條件查詢功能，自動生成當月病害測報表[8]。“水域灘涂養殖登記發證系統”主要用于水域灘涂養殖發證登記工作，截至2014年底，全國共計發證14.9萬本，確權面積456萬hm2，占總養殖面積的55%[9]。

2.1.4 服務領域

在水產養殖服務領域主要是利用互聯網技術實現技術培訓以及保險與金融服務，將養殖保障內容延伸到養殖活動的上下游。“漁水云”水產養殖服務(管理)平臺作為專業性的水產養殖服務平臺，通過下設的“遠程會診平臺、質量監管平臺、漁技服務平臺、科技入戶平臺、養殖微求助平臺、水產電商平臺”6個分平臺間的數據共享、信息交互，為漁業主管部門、養殖企業(戶)、專家團隊、水產品(漁需)經紀人及水產養殖產業鏈所有參與者提供最專業、精準、及時、貼心的“互聯網+”養殖綜合信息服務[10]。2016年 “農信漁聯1.0上線，該系統使用互聯網+思維和新商業模式聯接現代水產高端苗種、飼料、微生態動保、設備設施、養殖技術和生產模式、綜合服務、信息和金融，結合線上線下優勢資本資源和資訊，打造互聯網+漁業一站式綜合價值服務平臺[11]。江蘇省創建的河蟹交易平臺“蟹庫網”，其推出的河蟹銀行服務可協助養殖單位解決資金貸款問題[12]。

2.2 科技發展狀況

2.2.1 信息獲取

水產養殖信息獲取是指通過傳感器網絡技術、機器視覺技術和遙感技術獲取水產養殖環境、水生動物行為特征以及區域水環境變化、水產養殖面積等信息。在獲取水產養殖環境信息方面，利用傳感器網絡技術實現多種水質參數信息的遠程采集、存儲與管理和遠程控制[13-15]；在獲取水生動物行為特征參數方面，利用機器視覺、圖像識別技術分析魚群、點帶石斑魚、鯧鰺等行為特征，實現了智能化水產養殖[16-18]；在水生動物辨識方面，開展魚苗、蟹苗、小球藻自動計數系統研究[19-21]；在獲取水產養殖面積方面，利用遙感技術進行分類提取水產養殖面積信息[22-25]。

2.2.2 信息處理

信息處理涵蓋了養殖過程的各個方面，包括水質監控、病害診斷、投喂決策和質量追溯等方面。在水質監控與模型方面，朱成云等[26]提出混沌變異的分布估計(CMEDA)算法優化最小二乘支持向量機模型(LSSVR)，提高了溶氧預測精度；徐龍琴等[27-28]提出工廠化育苗水溫組合預測模型構建了工廠化養殖pH非線性組合預測模型和南美白對蝦工廠化育苗水溫組合預測模型，為養殖管理提供了技術支持。在病害診斷方面，甄愛軍等[29]開發了實現水產病害圖譜管理系統，為提高養殖人員對病害的認識水平，快速采取應對措施提供支撐；閻笑彤等[30]設計了水產養殖病害診斷專家系統，可以對病害癥狀進行快速診斷；溫繼文等[31]構建了魚病遠程監測預警與診斷系統；劉雙印等[32]研制對蝦疾病遠程智能診斷系統，具有咨詢、病害診斷與防治等功能；張啟宇等[33]研究了海參防治診斷專家系統，提出了病害信息推薦、診斷模型。在飼料投喂決策方面，孫國祥等[34-35]研究建立了大西洋鮭、大菱鲆投喂生長模型，為養殖管理提供了新的方法；胡利永等[36]利用機器視覺技術提出了新的投飼量計算模型；羅偉等[37]建立草魚投喂管理、生長、飼料需求模型，為草魚精準投喂管理提供一定的理論基礎；安繼芳等[38]研制出淡水養魚飼喂專家系統，促進了飼料的合理利用；徐麗英等[39]構建了飼料配方和投喂決策模型，開發的投喂決策系統，提高了養殖場管理水平。在質量追溯技術方面，彭賓[40]建立了工廠化水產養殖質量全程監控與可追溯體系，李源等[41]提出了基于NFC標簽可追溯質量管理系統；陸軍等[42]設計出可追溯二維碼標簽，建立了中華絨螯蟹可追溯系統；楊信廷等[43]建立了基于流程編碼的水產養殖產品質量追溯系統；叢斯琳等[44]開發了基于Petri網的水產品追溯信息模型，實現了溯源功能。

2.2.3 智能化裝備

中國水產養殖智能化裝備主要集中在增氧控制、飼料投飼裝備以及水下機器人等方面。在智能增氧裝備方面，盛平等[45]研制的基于實時水質參數的智能養殖裝備，是智能增氧、投飼一體機，具有實時水質參數查詢、遠程增氧、遠程投飼、遠程智能控制等功能；沈楠楠等[46]開發的基于水產物聯服務平臺的智能增氧控制系統，通過監測養殖水體中溶氧等參數，自動控制增氧機運行；楊世鳳等[47]設計了以太陽能為主要動力來源的水產養殖智能增氧系統；高鳳強等[48]研究并設計的基于GSM通信網絡的增氧機監控系統，通過手機終端實現對增氧機運行狀態的實時監測和控制。在智能投飼裝備方面，第一套具有自主知識產權的深水網箱養殖遠程多路自動投飼系統研制成功[49]；景新等[50]設計了新型的室內工廠化、池塘、深水網箱養殖自動投飼系統，定時和投喂更加準確，提高了飼料的利用率；王勇平等[51]等采用機器視覺的方法設計了智能投飼系統，通過分析魚群攝食信息，實現了精準有效投喂；黃嘉榮等[52]研制了智能喂蝦機，實現了精準投喂的效果；許仕杰等[53]研制了移動投飼裝置，實現水產養殖的自動化。水下機器人方面尚處起步階段，黎柱坤等[54]研發的用于水產養殖的水下機器人，可以實現水中穩態控制、多種水質參數的實時測量和水下實時拍攝。

3 中國智能水產養殖發展趨勢

3.1 智能水產養殖產業發展趨勢

3.1.1 水產養殖生產向規模化、集約化、智能化、生態化發展

十八大以來，黨中央國務院提出了一系列水環境保護和生態文明建設的政策措施，國家漁業部門也進一步明確了漁業以養為主的發展方針。在政府和市場的雙重驅動下，生態優先和供給側結構調整促使水產養殖模式發生重大變化，這些變化已在保護水環境健康，保證生態可持續發展和生態文明建設中起了重要作用。由于生物技術、微生物技術、自動化技術、計算機技術、納米技術、信息技術等前沿高新技術成果在水產養殖領域的應用，自動化程度大大提高，生產效率不斷提高。水產養殖模式已從傳統養殖模式向工程化、智能化的養殖模式轉變，如工廠化循環水養殖、漁光一體化、陸基推水集裝箱養殖、深水抗風浪網箱養殖等[55]。因此，未來水產養殖模式變革的主要發展方向是規模化、集約化、智能化、生態化。

3.1.2 水產養殖經營向集約化、專業化、組織化、社會化發展

黨的十八大報告提出“構建集約化、專業化、組織化、社會化相結合的新型農業經營體系”的戰略構想。目前，中國水產養殖大多以個體分散生產經營為主，且隨著農村青壯年勞動力大量進城,勞動力老弱化、水產養殖兼業化問題日益明顯。隨著智能水產養殖產業的發展，以及經濟全球化的深入發展，水產養殖經營將必然走向新型漁業經營體系。新型漁業經營體系是集約化、專業化、組織化和社會化四個方面有機結合的產物。智能水產養殖為新型漁業經營體系的發展提供了技術支撐。物聯網水產養殖實現了水產養殖集約、高產、高效；水產可追溯系統實現了“生產有記錄、流向能追蹤、信息能查詢、責任能追究”的質量安全的可追溯性，為水產品品牌質量提供了保障；互聯網營銷模式與民俗文化相結合的新型經營發展道路，實現了水產品營銷的時尚化和品味化。因此，未來水產養殖的經營模式發展方向是集約化、專業化、組織化、社會化。

3.1.3 水產養殖管理服務向大數據云平臺方向發展

2015年國務院印發的《促進大數據發展行動綱要》提出：要運用大數據推動經濟發展、完善社會治理、提升政府服務和監管能力。隨著傳感器、互聯網、云計算等技術在水產養殖領域的應用,水產養殖領域產生了大量的數據,將這些數據收集、清洗、整合、挖掘變成有價值的信息，可以為政府大數據管理、科學化監管提供基礎。水產養殖大數據平臺是面向水產養殖全產業鏈開展決策與服務的軟件工具，在水產養殖生產、經營、管理、服務等各個環節，為經營主體提供生產決策、經營服務，為政府部門提供決策支持和行業服務[56]。2018年基于大數據、物聯網、云計算技術打造的水產養殖大數據防災減損系統應用項目在成都成功落地，成為國內首個部署在云端的“大數據+物聯網”水產養殖防災減損系統。因此，未來水產養殖管理服務向大數據云平臺方向發展。

3.2 智能水產養殖科技發展趨勢

3.2.1 信息獲取手段多樣化，精度和質量不斷提高

Phillip[57]研究指出，目前的水產養殖監控系統正朝著傳感器、發射機、通信多路復用器、驅動器或輸出設備、計算機硬件、計算機控制軟件組成的智能化水質監控系統的方向發展。例如，基于無線傳感器網絡的全天候多方位的智能水產養殖水質監控系統[58]，基于Wi-SUN無線電傳感器網絡養殖水質數據收集系統[59]。隨著這些應用技術地不斷發展以及在水產養殖領域應用中不斷成熟，水產養殖水質信息獲取的精度和質量將不斷提高。隨著光學、聲學等感知技術的發展，針對水產養殖對象外形特征、體表顏色、行為過程的測量更加準確。如挪威OptoScale公司采用立體攝像機和激光束準確測量魚的生長情況[60]，Pinkiewicz等[61]利用視覺技術估算魚類優速和方向。同時，3S技術在水產養殖環境、管理領域中得到廣泛應用，提升了水產養殖環境信息獲取的準確性。

3.2.2 信息處理智能化、模型化，養殖管理更加科學

水產養殖是一個涉及多變的物理世界和人類社會的復雜系統,養殖對象特殊、環境復雜、影響因素眾多,傳統的信息處理無法滿足水產養殖智能化發展需求，人工智能、數據挖掘算法模型在水產養殖領域的深層次運用，能夠有效解決水產養殖環境復雜多變、影響因子較多的問題，真正實現水產養殖管理科學性。國外很多機構針對養殖品種開展系統的養殖環境和生長機制的研究，根據養殖環境和個體生長，建立了投喂策略模型,并形成一個全面的模型化研究體系。例如，Ingrid等[62]建立了歐洲鱸魚日增重模型；Tómas等[63]建立了在不同溫度下大菱鲆生長速率和飼料轉化率的數學模型。因此，水產養殖將由傳統的生產方式向精準化水產養殖系統發展，信息處理由僅憑人的經驗向依靠模型控制轉變。

3.2.3 養殖裝備更加智能化、精細化、自動化

在水產養殖領域智能化裝備不斷出現，實現了水產養殖的智能化、精細化、自動化，助推水產行業轉型升級。例如，內置特定養殖品種知識數據的智能控制系統結合新型傳感器可實時連續接收8項參數[64]，使得魚類養殖更加精準高效。應用紅外線技術精確監測網箱中魚的生長狀況和飼料轉化效率Biomass Daily系統[65]，提高了飼料利用率，并優化魚類養殖。各種各樣的水產養殖機器人更加智能化，也正在逐漸改變傳統的水產養殖業。例如，專門用于追蹤水產養殖環境中pH水平的機器魚[66]，快速監測水下結構設施和養殖魚類的狀況的水下無人機和遙控潛水器(ROVs)[67]，可將生病的和健康的魚分開的iFarm設備[68]，使用激光消滅海虱保護鮭魚的機器魚[69]，能夠根據養殖魚類生長所需的合適飼料量進行投飼的自動投飼機器人[70]等。這些新裝備不僅改善了魚類福利，飼養過程更加節能，而且使水產養殖更加精細化。

4 發展建議

4.1 加強頂層設計，推進智能養殖的基礎建設

信息化是智能化的基礎，因此開展漁業信息化標準頂層設計，梳理漁業信息化標準需求，建立漁業信息化體系標準，及時制定智能養殖急需的基礎性關鍵性標準，指導智能養殖的發展；開展數據共享平臺的頂層設計，構建智能養殖數據中心，鼓勵相關企業參與數據提供，建立健全數據交換共享機制，開展數據分析挖掘，實現將數據轉化為知識，為養殖業提供服務；加強與電信等相關企業合作，充分利用無線傳感網絡等現代技術，使網絡信息覆蓋到每一個養殖場。

4.2 加強科技研究，促進智能技術水平的提升

要加強投資、鼓勵智能養殖科技研發，進一步研究多參數傳感器等信息收集關鍵技術，提升信息收集的準確度，進一步開展3S技術應用研究，實現多區域養殖狀況的實時了解；開展聲、光等技術在信息獲取技術上的應用研究，通過數據分析，實現對環境和養殖水生物行為的數字化表達；要針對主養品種智能養殖需要，構建包括養殖生境與生長、生長與投飼、氨氮排放、病害與防治等在內的各類模型，集成養殖智能專家系統。

4.3 加強裝備示范，引領智能養殖成果的應用

設立專項資金，推進解決養殖全過程機械化、自動化瓶頸問題的研究，并在此基礎上結合互聯網、移動通信、人工智能等信息技術，推進各類智能裝備的出現，重點要研究各類智能化環境控制和飼料投喂設備，建立養殖數據自動采集、處理預警系統，為實現精準養殖打下基礎。要建立各種模式的智能養殖示范基地，通過基地宣傳和展示先進智能化設備的運行效果，引領整個行業生產效率的提高，促進養殖業轉方式調結構的實現。

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