蝦夷扇貝苗計數裝置的設計與應用

李明智， 張俊新， 趙學偉， 侯景元， 崔凱歌， 石旭東， 陳 浩， 張雨薇

(1 大連海洋大學航海與船舶工程學院，遼寧 大連 116023；2獐子島集團股份有限公司，遼寧 大連 116001)

隨著扇貝底播增養殖模式的迅猛發展[1]，為確保底播貝苗的存活率，養殖企業對底播海域的養殖容量更加關注[2-5]，對單位海區的底播量提出了更高要求，而底播前貝苗的計數與統計是實現精準底播的重要前提。因此，研發高效合理的貝苗計數與統計裝置對支撐扇貝產業的可持續發展具有重要意義。目前，養殖企業為了更加準確地掌握底播貝苗量，對底播前貝苗量進行抽標、計數與統計，然而貝苗計數與統計仍以人工計數為主，且往往在港口或海上進行作業。由于人工作業時間長，貝苗受到干露的影響，干露對其存活率產生較大影響[6-8]。計數準確高效、性能穩定可靠的貝苗計數裝置已成為科研院所與養殖企業研發的重點。

目前，國內外研究重點集中在計算機視覺技術的開發。如楊曉光[9]設計了貝苗精選分級系統，但該設備對環境要求較高，不適用于高強度海上貝苗統計作業；馬先英等[10]設計了自動分級與計數系統，通過海參在傳送帶上投影面積大小實現等級分選與計數，但該系統處理效率較低，不適用于海上貝苗統計作業；郭常有等[11]將圖像處理技術用于扇貝自動分類，能夠有效地完成扇貝的定位和尺寸識別，但同樣存在處理效率低的問題，實際應用受限。文獻[12]研發的牡蠣幼體計數裝置，通過記錄流體中牡蠣幼體在探測器上產生的陰影來進行計數與統計。李明智等[13]研發的扇貝苗分級計數裝置，可實現高效分級與計數，計數誤差約為4.5%。本文針對文獻[13]的扇貝苗分級計數裝置中計數與統計裝置進行升級改造，其目的是進一步提高計數準確率和計數裝置的自動化水平。

1 貝苗計數系統整體設計

貝苗計數系統由處理平臺、傳送排隊裝置、計數裝置和系統控制模塊4部分組成(圖1)。其中，處理平臺包括貝苗存放平臺和除雜平臺，均采用聚氯乙烯(PVC)材質的孔板(孔徑分別為5 mm和10 mm，45°錯排)，實現貝苗計數前的存放與雜質(雜貝、碎貝殼等)去除，消除雜質對計數與統計準確性的影響。傳送排隊裝置主要由同步齒輪傳送帶、OPG 61K200RGN-CF 型交流電機(配有OPG6GN10K 型齒輪減速器)和波浪式貝苗排隊擋板等組成，可實現貝苗在傳送過程中的自動排隊。計數裝置采用DQL32-2.5光幕計數傳感器，信號輸出方式為RS485，光軸間距2.5 mm，可有效檢測尺寸為25～45 mm的貝苗，同時避開尺寸小于2.5 mm雜質對計數的干擾。系統控制模塊包括光幕計數傳感器輸出485信號的接收和處理，數據采集顯示及打印等。系統具體控制流程如圖2所示。

圖1 蝦夷扇貝苗計數裝置樣機

圖2 程序流程圖

貝苗計數裝置的工作流程如圖3所示。計數與統計時將貝苗倒在處理平臺上，雜質和海水可通過平臺上排雜口和除水海綿進行處理，之后由可調節進料口(70 mm×30 mm)落入傳送帶上，傳送過程依靠波浪式排隊擋板組對貝苗進行排隊，使貝苗逐個落入計數傳感器，并通過系統控制模塊實現貝苗的計數、統計與數據打印。

2 關鍵部件與控制系統設計

2.1 傳送排隊裝置

貝苗計數與統計的關鍵在于保證貝苗逐一進入計數傳感器，其關鍵是實現貝苗差速傳送和消除堆疊現象(由于海水具有一定黏度，且貝苗較小，極易發生粘黏)[13]。因此，排隊擋板的布置角度和結構形式成為貝苗差速運動和防止堆疊的關鍵。圖4為貝苗在傳送帶上的運動形式，上擋板與傳送方向夾角為θ1，下擋板與傳送方向夾角為θ2。

2.1.1 貝苗在傳送帶上的運動分析

貝苗經過過渡滑板1時，受傳送帶上的摩擦力F分力Nd1的作用，處于滑動狀態，可表示為：

Nd1=F×sinθ1

(1)

式中：Nd1—貝苗經過過渡滑板1后沿傳送路徑所受的滑動力，N；F—貝苗在傳送帶上受到的傳送力，N。

同理，貝苗經過過渡滑板2時，貝苗滑動狀態可表示為：

Nd2=F×cosθ2

(2)

式中：Nd2—貝苗經過過渡滑板2后沿傳送路徑所受的滑動力，N。

貝苗經過波浪擋板1時，貝苗在波浪擋板阻力作用下產生轉動效果，同時削弱Nd1的滑動力，因此，該過程處于降速轉動狀態，可表示為：

N1=Nd1-Nb1

(3)

M1=Nb1×h

(4)

式中：Nb1—貝苗經過波浪擋板1時所受的阻力，N；N1—貝苗經過波浪擋板1時的滑動力，N；h—貝苗經過波浪擋板時所受阻力與滑動力間的垂直距離，mm；M1—貝苗經過波浪擋板時所受阻力與滑動力共同形成的扭矩，N·mm。

同理，貝苗經過波浪擋板2時，貝苗轉動狀態可表示為：

N2=Nd2-Nb2

(5)

M2=Nb2×h

(6)

式中：Nb2—貝苗經過波浪擋板2時所受的阻力，N；N2—貝苗經過波浪擋板2時的滑動力，N；M2—貝苗經過波浪擋板時所受阻力與滑動力共同形成的扭矩，N·mm。

圖3 計數裝置工作流程圖

圖4 蝦夷扇貝苗在傳送帶上的運動分析

貝苗經過過渡滑板3、波浪擋板3時，和過渡滑板1、波浪擋板1的運動狀態一致。貝苗經過傳送波浪擋板組后，進入即排隊出口區域，此時貝苗受到傳送帶摩擦力F的直接作用。由此可得出，在排隊擋板的布置角度適合時，貝苗在經過排隊擋板時處于降速和旋轉狀態，離開擋板后處于加速狀態，不僅實現了差速運動，而且實現了貝苗的旋轉運動。因此，過渡滑板和波浪擋板的組合結構形式能夠實現貝苗的差速傳輸與排隊。

2.1.2 排隊擋板的布置角度對排隊效果的影響分析

在不考慮排隊擋板本身的降速與轉動效果時，僅考慮排隊擋板的布置角度對排隊效果的影響。排隊擋板的布置角度對貝苗運動狀態的影響見表1。為了實現將相鄰貝苗的距離拉開，并逐一進入計數器，達到貝苗計數的目的，選取方案B。

表1 排隊擋板的布置角度對蝦夷扇貝苗運動狀態的影響

2.2 系統控制模塊設計

貝苗計數控制系統的主控制模塊選用低功耗、高性能的CMOS8位微控制器STC89C52作為核心，其理論工作溫度范圍為-40 ℃～85 ℃(工業級)，完全滿足秋冬季的貝苗計數與統計需求，其作為主控模塊不僅能夠實現精準計錄貝苗個數、顯示與打印功能，也能滿足低成本、低功耗的要求。圖5為系統整體電路設計圖。系統工作原理為：系統信號來自于貝苗分選排隊后掉落出口處固定的光幕傳感器，當貝苗檢測通道時，傳感器對外輸出的485信號發生變化，經中斷處理系統處理后，計數器進行統計并送入內存單元存儲，產生相應的計數信號，最后單片機通過軟件編譯將處理后的數據進行實時顯示。當計數工作完成后，即可打印出貝苗數量、收苗時間等信息的數據小票，同時數據清零。

圖5 系統的整體電路設計圖

3 材料與方法

為了論證貝苗計數裝置的準確性與可靠性，在大連市旅順董坨子港進行了生產性對比試驗。試驗材料：3 cm及以上蝦夷扇貝苗，試驗用貝苗具體數量與實際抽標量一致，貝苗計數裝置1臺。試驗方法：試驗分兩個階段進行，一是確定計數裝置最佳結構參數，二是完成海上生產性對比試驗，論證裝置的準確性和可行性。

第1階段：通過對裝置工作原理分析得出，影響裝置計數準確性的參數為貝苗單位時間投入量、排隊擋板位置關系和傳送帶速度。根據進料口的可調尺寸(70 mm×30 mm)，確定單位時間投貝量的范圍為140～160個/min；根據貝苗在傳送帶上的運動分析(圖4)，確定排隊擋板的位置關系為θ1>θ2；根據電機功率，確定傳送速度范圍為0.4 ～ 0.6 m/s。取3 cm及以上貝苗200個，根據計數裝置的最佳參數范圍，建立3因素3水平的正交實驗[14](表2)。

表2 計數正交實驗的因素及水平

第2階段：利用本計數裝置以及人工方式抽標貝苗進行計數與統計，然后對試驗結果進行對比分析。試驗周期為3 d(2017 年11 月14 日至16日)，共完成15組對比試驗，每組對比試驗重復3 次。為了提高效率，人工計數與統計由4人完成。機械計數與統計是對人工統計的貝苗進行再統計，只需1人完成。操作完畢后確定計數裝置的準確率、作業效率。計數準確率η1、作業效率η2計算公式分別為：

η1=(1-|Q1-Q2|/Q1)×100%

(7)

η2=Q1/(t·Q3)×100%

(8)

式中：η1—計數準確率，%；η2—作業效率，%；Q1—人工計數與統計貝苗數量，個；Q2—機械計數與統計貝苗數量，個；t—計數與統計時間，min；Q3—作業人數，人。

4 結果與分析

4.1 最佳結構參數組合確定

表2可知，建立3因素3水平，分別可選用L9(33)[15]的正交表。采用SPSS20軟件對正交實驗進行極差分析，結果見表3。

從表3 的數據可得出，極差最大的是因素B，之后分別為C、A。因素B對計數準確率的影響最大，取第3水平最好，因素C、A分別取第2、1 水平最好。因此，該試驗的最優方案為A1B3C2，即計數與統計單位時間投入量為140個/min，排隊擋板位置關系為θ1=45°、θ2=30°，傳動轉速為0.5 m/min。各因素對貝苗計數準確性的影響依次為排隊擋板位置關系>傳送帶電機轉速>計數投入量。

表3 計數正交實驗L9(33)結果

注：k1、k2、k3為各因素在相應水平下的平均分選純度；R為各因素的極差

4.2 驗證試驗

為驗證最佳工藝參數組合的合理性，對計數裝置最佳工藝參數組合A1B3C2作3 次驗證性試驗，結果是3次試驗的計數準確率分別為99.5%、99.5%和100%，平均值為99.67%。計數準確率均高于目前已使用的計數裝置工藝參數組合的最高準確率，說明正交試驗選出的工藝參數合理。

4.3 生產性對比試驗

生產性對比試驗的計數、統計準確率和作業效率結果如表4所示。由表4可知，通過15組生產性對比試驗，機械計數的平均準確率為99.6%，誤差率低于0.5%，且統計結果無顯著性差異(P>0.05)。由此說明，貝苗計數裝置具有較高的準確性和穩定性。楊雨辰等[16]研究表明影響生物統計準確性的關鍵是測量物位置重疊、首尾相連；楊勤成[17]通過控制輸送機的振動頻率調節貝類間的間距，實現了貝類傳輸過程排列整齊，依次輸出，但過度的振動會對貝苗產生不利影響[18-21]；趙慶龍等[22]針對對蝦的體型特征及對蝦在不同姿態時重心位置的變化，設計了對蝦定向排序裝置，有效解決了對蝦去頭、開背等機械自動化剝殼作業難的問題。本研究結合扇貝苗外殼的形狀特征，設計波浪排隊擋板機構，實現了貝苗的差速與旋轉運動，有效解決了貝苗的位置重疊、首尾相連的難題，其計數誤差率較文獻[13](計數誤差率約為4.5%)大幅降低，且由于波浪排隊擋板機構采用聚氯乙烯(PVC)材質，實現了無損傷排隊傳輸。

表4 人工與機械計數生產性試驗效果對比

由表4還可知，采用機械計數的平均作業效率為2.49 kg/(人·min)，約為人工計數作業效率的1.73倍，效率較高，且能夠降低作業人數與勞動強度。貝類離水后能維持生命活動的時間稱為干露時間[23]。扇貝的存活率隨干露時間的增加而降低[24]。因此，采用貝苗計數裝置進行統計還可有效減少貝苗的干露時間，有利于提高底播貝苗的存活率。

5 結論

設計了一種基于STC89C52單片機，并結合光幕計數傳感器的貝苗計數裝置，能夠實現貝苗的自動排隊、數據計數采集、顯示及打印等功能。通過對計數裝置工藝參數的優化與論證，得出計數貝苗單位時間投入量140個/min，排隊擋板位置關系θ1=45°、θ2=30°，傳動轉速0.5 m/min為最佳；各因素對貝苗計數準確性的影響依次為排隊擋板位置關系>傳送帶電機轉速>計數投入量。試驗結果表明，機械計數的平均準確率為99.6%，誤差率低于0.5%，且15組統計結果無顯著性差異(P>0.05)；同時，機械計數的平均作業效率為2.49 kg/(人·min)，約為人工計數與統計作業效率的1.73倍。由此證明貝苗計數裝置具有較高的準確性、穩定性和高效型，具有推廣應用價值。

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