淡水池塘明輪式驅(qū)動(dòng)船研究現(xiàn)狀綜述

高星星 廖 劍 王 銳 龐雄斌 盧澤民 舒虹杰 羅 欣 羅友誼

(武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北 武漢 430345)

1 我國(guó)淡水養(yǎng)殖主要面臨的問題

1.1 漁業(yè)從業(yè)者逐年減少

據(jù)2014-2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示(如圖1所示)[1]，我國(guó)漁業(yè)從業(yè)者數(shù)量逐年減少，遞減幅度呈逐漸增大趨勢(shì)。隨著老齡化的加劇，形式將更加堪憂，未來誰來從事漁業(yè)工作，誰來保障優(yōu)質(zhì)的水產(chǎn)品蛋白市場(chǎng)供應(yīng)，漁業(yè)從業(yè)者的減少問題急需解決。少量的人管理更多的養(yǎng)殖面積是當(dāng)前我們需要面對(duì)的問題。

圖1 近年來漁業(yè)從業(yè)者人數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2 漁業(yè)從業(yè)者收入亟待提升

我國(guó)2018年漁業(yè)從業(yè)者人均收入為19885元，而同年我國(guó)人均收入水平為28228元，漁業(yè)從業(yè)者人均收入不到全國(guó)人均收入的70%，差距較大。因此，提升漁業(yè)從業(yè)者收入水平也是當(dāng)前我們急需解決的問題。2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，漁民家庭收入90%以上來源于家庭經(jīng)營(yíng)性收入，而家庭經(jīng)營(yíng)支出中飼料及人工占有50%以上的比重[1]，研究顯示飼料成本(含人工投喂成本)在養(yǎng)殖成本中會(huì)占到45%～80%[2]，而在外部條件不變的情況下，降低雇工成本，節(jié)省飼料投入可明顯降低支出，而實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的機(jī)械化，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看起可以減少人工投入，且機(jī)械化精準(zhǔn)作業(yè)能節(jié)省飼料投入。

1.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖污染問題日趨嚴(yán)重

水產(chǎn)養(yǎng)殖一般密度較高，為獲得經(jīng)濟(jì)效益會(huì)大量投喂外源性飼料，粗放型的養(yǎng)殖模式下，餌料溶失水中較多，且隨意加大的投喂量餌料過剩在水中腐爛。根據(jù)研究表明，投放的餌料中約10%～20%直接進(jìn)入水體，被攝食的飼料中75%～80%的氨以糞便和代謝物形式排入水體，60%～5%的磷直接排入水體，目前人工粗放式的養(yǎng)殖方式，會(huì)直接導(dǎo)致水體的污染，因此我國(guó)氮磷污染現(xiàn)象嚴(yán)重[3-4]，同時(shí)養(yǎng)殖過程中的肥藥使用，也會(huì)引起一系列的其它污染問題[5]。例如水質(zhì)的污染必將導(dǎo)致水產(chǎn)品質(zhì)量問題，養(yǎng)殖水的排放將導(dǎo)致水域“水體-土壤-養(yǎng)殖生物-大氣”的連鎖污染[6]，形成惡性循環(huán)。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境問題也是當(dāng)前急需解決的問題。

2 淡水明輪船國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)近年來在明輪船上進(jìn)行較多的研究，最早應(yīng)用于水草收割，2006年李旭英，韓青松等，開發(fā)出的9GSCC-1.4H型沉水植物(水草)收割機(jī)船，該水草收割機(jī)即采用雙明輪驅(qū)動(dòng)，前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎均由明輪轉(zhuǎn)動(dòng)來完成，船體長(zhǎng)度達(dá)5m多，人工進(jìn)行操作，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化水草收割[7]。2008年張麗珍等人研究開發(fā)了一種SCSGJ-2.6型水草收割機(jī)，該水草收割機(jī)采用雙明輪驅(qū)動(dòng)船體，外形尺寸為2500mm×1500mm×1000mm，柴油機(jī)為動(dòng)力，兩側(cè)明輪分別通過離合器與動(dòng)力部分連接，通過離合器的連接來控制整機(jī)的前進(jìn)與轉(zhuǎn)彎，全程人工操作，通過試驗(yàn)在5m寬的河道內(nèi)，轉(zhuǎn)彎時(shí)間需要1.5min[8]。2014年河北農(nóng)業(yè)大學(xué)金金，王澤河等也設(shè)計(jì)了高桿水生植物收割船，船體采用雙明輪驅(qū)動(dòng)，船體的前進(jìn)與轉(zhuǎn)彎均由兩側(cè)的明輪來完成，人工操作作業(yè)[9]。

最近5年來，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的需求，應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的明輪船研究獲得了重視。2016年吳波、趙德安等人，為了解決河蟹養(yǎng)殖水草清理自動(dòng)化程度低的問題，滿足高效收割水草的需求，設(shè)計(jì)了一種雙明輪驅(qū)動(dòng)的河蟹養(yǎng)殖用水草清理作業(yè)船，該船具有手動(dòng)、遙控和自動(dòng)行駛3種控制方式[10]。2016年孫月平、趙德安等人，為解決河蟹養(yǎng)殖目前人工投喂行駛路徑隨機(jī)性強(qiáng)，準(zhǔn)確度和效率低下的問題，推進(jìn)河蟹產(chǎn)業(yè)精細(xì)化養(yǎng)殖，研究設(shè)計(jì)了池塘河蟹養(yǎng)殖船載自動(dòng)均勻投飼系統(tǒng)，系統(tǒng)由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)明輪給船體提供動(dòng)力，轉(zhuǎn)向和調(diào)頭是通過兩個(gè)明輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)(如圖2所示)[11-12]。

圖2 孫月平等設(shè)計(jì)的自動(dòng)投飼系統(tǒng)

2017年羅吉、趙德安等人進(jìn)行了多功能全自動(dòng)水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船控制系統(tǒng)研究(如圖3所示)，所設(shè)計(jì)的船體采用的也是兩側(cè)雙明輪驅(qū)動(dòng)，為了解決明輪船航向與航速耦合的問題，采用基于模糊 PID的航向/航速雙閉環(huán)控制算法，設(shè)計(jì)了航向模糊控制器，并對(duì)航向閉環(huán)和航速閉環(huán)的控制量進(jìn)行解耦[13]。

1-船體；2-圓盤割刀；3-割刀驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4-水草輸送轉(zhuǎn)軸；5-割深控制裝置；6-水草收集艙；7-水草推平裝置；8-手動(dòng)操作臺(tái)；9-明輪驅(qū)動(dòng)裝置；10-均勻投餌裝置圖3 江蘇大學(xué)羅吉等設(shè)計(jì)的水產(chǎn)多功能作業(yè)船

2019年管凱等人進(jìn)行了河蟹養(yǎng)殖無人作業(yè)船路徑跟蹤算法研究，船體為雙明輪船體。其指出傳統(tǒng)的河蟹養(yǎng)殖無人船，純路徑追蹤算法行駛路徑只包含直線作業(yè)與岸邊曲線轉(zhuǎn)彎作業(yè)，不能滿足作業(yè)船的自主循跡(自動(dòng)導(dǎo)航)需求。針對(duì)預(yù)先規(guī)劃的路徑，研究了改進(jìn)的純追蹤算法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[14]。2019年洪劍青等人，針對(duì)明輪船作業(yè)過程中風(fēng)、浪等引起的低頻擾動(dòng)，為了節(jié)約能源、降低由擾動(dòng)引起控制系統(tǒng)的主動(dòng)動(dòng)作頻次、延長(zhǎng)明輪船續(xù)航時(shí)間，實(shí)現(xiàn)明輪船的高精度導(dǎo)航控制，降低風(fēng)浪干擾的影響，提出基于卡爾曼濾波的離散滑模控制方式[15]。2019年上海海洋大學(xué)胡慶松等人研究了明輪驅(qū)動(dòng)蝦塘自主導(dǎo)航投餌船(如圖4所示)，并進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，該船有遙控與自主導(dǎo)航2種控制方式，雙明輪驅(qū)動(dòng)[16]。

1.船體2.板卡控制盒3.料倉4.螺旋輸送電機(jī)5.倉蓋6.鋰電池7.拋料盤8.下料板9.拋料電機(jī)10.螺旋輸送裝置11.明輪12.直流電機(jī)13.減速裝置14.防纏繞保護(hù)罩圖4 胡慶松等設(shè)計(jì)的明輪式蝦塘自主導(dǎo)航投餌船

2.2 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在循環(huán)水工程養(yǎng)殖、深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖等技術(shù)裝備發(fā)達(dá)[17-18]，池塘淡水養(yǎng)殖在國(guó)外不是主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式。國(guó)外在明輪驅(qū)動(dòng)船體上有相關(guān)成熟的設(shè)備，但主要應(yīng)用在水草清理上面，例如英國(guó)的Rolbe公司就開發(fā)出Gibeaux系列水草清理機(jī)。美國(guó)的Advanced cquatics公司所生產(chǎn)的H4、H7、H10等型號(hào)的水草清理機(jī)也被廣泛地使用[19]。美國(guó)Inland Lake Harvester 公司所生產(chǎn)的Mini型割草船由兩側(cè)可正反轉(zhuǎn)的明輪驅(qū)動(dòng)，實(shí)物如圖10所示水草清理船都是人工操縱。荷蘭Ihccokonijin機(jī)械廠和Heeder公司，英國(guó)Johnw Ilder公司，澳大利亞、日本和德國(guó)等國(guó)家也有相關(guān)類似的產(chǎn)品[20]。但是這些設(shè)備的耗費(fèi)功率比較大，吃水較深，只適合在大型水域中進(jìn)行水草收割作業(yè)。

圖10 美國(guó)Inland Lake Harvester公司所生產(chǎn)的水草清理作業(yè)船

3 結(jié)語

我國(guó)淡水池塘養(yǎng)殖面積在水產(chǎn)養(yǎng)殖中占重要地位，而淡水池塘養(yǎng)殖因池塘小、分散、集中化程度不高，養(yǎng)殖模式粗放落后，其產(chǎn)業(yè)升級(jí)需求迫切。如何解決漁業(yè)從業(yè)者少、漁業(yè)從業(yè)者收入低以及水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境污染問題是首要任務(wù)。開發(fā)相應(yīng)的機(jī)械作業(yè)裝備是一種有效的途徑，而大型的水產(chǎn)養(yǎng)殖裝備不適用于池塘養(yǎng)殖的模式，因此，針對(duì)淡水池塘養(yǎng)殖模式，開發(fā)相應(yīng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖裝備勢(shì)在必行。明輪船式水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備適宜于水草多、船速需求不高、吃水淺的池塘養(yǎng)殖模式。因此，將明輪船作為池塘養(yǎng)殖的驅(qū)動(dòng)載體，具有較大的推廣應(yīng)用前景。