2024

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漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化

YUYE XIANDAIHUA

第 51 卷 第 6 期

(本卷終)

2024 年 12 月

中國(guó)科技核心期刊

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水產(chǎn)養(yǎng)殖工程

養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與清潔能力分析 ………………………………………………… 郭宇,劉璧鉞,方波,施海濤,孟繁濤 ( 1 )

Design and cleaning capacity analysis of the cleaning system for aquaculture chamber on farming vessel

…………………………………………………………………………………… GUO Yu,LIU Biyue,FANG Bo,SHI Haitao,MENG Fantao ( 1 )

草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn) …………………………………………………… 洪揚(yáng),朱燁,楊猛,江濤,吳凡,戴璐,張智豪 (10)

Design and experiment of continuous automatic injection device for grass carp vaccine

……………………………………………………… HONG Yang, ZHU Ye, YANG Meng, JIANG Tao, WU Fan, DAI Lu, ZHANG Zhihao (10)

聚乙烯網(wǎng)衣破損因素下的水動(dòng)力特性與流場(chǎng)模擬 ……………………………………………………… 唐元龍,謝迎春,袁昊訓(xùn),李相坤 (20)

Hydrodynamic characteristics and flow field simulation study under the damage factors of polyethylene netting

………………………………………………………………………………… TANG Yuanlong, XIE Yingchun, YUAN Haoxun, LI Xiangkun (20)

不同 LED 光譜和輻照度耦合對(duì)刺參行為與生理指標(biāo)的影響 …………… 張小龍,趙欣宇,蔡皓瑋,張志博,孫研,王天悅,張怡寧,馬賀 (31)

The impact of different LED spectra and irradiance coupling on the behavior and physiological indicators of Apostichopus japonicus

……………………… ZHANG Xiaolong, ZHAO Xinyu, CAI Haowei, ZHANG Zhibo, SUN Yan ,WANG Tianyue, ZHANG Yining, MA He (31)

一種升降清洗式水質(zhì)傳感器管控裝置研制及應(yīng)用 ………………………………………………………………… 李旭,江興龍,陳慶祥 (40)

Development and application of a lifting and cleaning type water quality sensor control device

……………………………………………………………………………………………………… LI Xu, JIANG Xinglong,CHEN Qingxiang (40)

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集吊艙減搖裝置動(dòng)力學(xué)分析與試驗(yàn) ………………………… 李文松,李明智,王生海,王剛,王璽華,萬(wàn)殿鵬 (49)

Dynamic analysis and experiment of anti-rolling device for data acquisition pod of marine environment monitoring platform

……………………………………………………… LI Wensong,LI Mingzhi, WANG Shenghai, WANG Gang,WANG Xihua,WAN Dianpeng (49)

羅非魚(yú)養(yǎng)殖尾水污染物沉降特征研究 …………………………………………… 程果鋒,郭澤裕,王婕,劉士坤,陳哲,程翔宇,劉興國(guó) (61)

Discharge pattern and sedimentation characteristics of tilapia aquaculture wastewater

……………………………………… CHENG Guofeng, GUO Zeyu, WANG Jie, LIU Shikun, CHEN Zhe, CHENG Xiangyu, LIU Xingguo (61)

漁業(yè)信息化

一種基于視覺(jué)的魚(yú)苗體長(zhǎng)快速非接觸測(cè)量方法 ………………………………………………………… 馬志艷,吳佳俊,周明剛,張淑霞 (69)

A vision-based method for rapid non-contact measurement of fish length

…………………………………………………………………………………… MA Zhiyan,WU Jiajun ,ZHOU Minggang ,ZHANG Shuxia (69)

基于 Segformer 與特征融合的水下養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)圖像分割方法 ……………………………………………………… 蘇碧儀,梅海彬,袁紅春 (80)

Image segmentation method for underwater aquaculture fish based on segformer and feature fusion

……………………………………………………………………………………………………… SU Biyi, MEI Haibin, YUAN Hongchun (80)

基于改進(jìn) YOLOv8 的輕量級(jí)魚(yú)類(lèi)檢測(cè)方法……………………………………… 王鑫怡,劉旭騰,鄭紀(jì)業(yè),董貫倉(cāng),于兆慧,張霞,王興家 (91)

Lightweight fish detection method based on improved YOLOv8

………………………………………… WANG Xinyi,LIU Xuteng,ZHENG Jiye,DONG Guancang,YU Zhaohui,ZHANG Xia,WANG Xingjia (91)

基于 SE-ResNet18 模型的三疣梭子蟹性別分類(lèi)方法 …………………………………………………… 王日成,鄭雄勝,高玉鳳,黃文偉 (100)

Research on sex classification method of Portunus trituberculatus based on SE-ResNet18 model

………………………………………………………………………… WANG Richeng, ZHENG Xiongsheng, GAO Yufeng, HUANG Wenwei (100)

基于多尺度殘差連接的水下圖像自適應(yīng)增強(qiáng) …………………………………………………………………………… 謝小文,袁紅春 (115)

An adaptive enhancement method for underwater images based on multi-scale residual connection

……………………………………………………………………………………………………………… XIE Xiaowen, YUAN Hongchun (115)

水產(chǎn)品加工

基于瞬時(shí)熱處理的蝦夷扇貝精準(zhǔn)開(kāi)殼方法及品質(zhì)分析 ……………………………………………… 倪 錦,談佳玉,張軍文,沈 建 (125)

Accurate shucking method and quality analysis of scallop(Patinopecten yessoensis) based on instantaneous heat treatment

……………………………………………………………………………………………… NI Jin,TAN Jiayu,ZHANG Junwen,SHEN Jian (125)

《漁業(yè)現(xiàn)代化》2024 年第 51 卷總目次 ………………………………………………………………………………………………………… (Ⅰ)

第 51 卷第 6 期 漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 001 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

郭宇,劉璧鉞,方波,等. 養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與清潔能力分析[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化,2024,51(6):1-9.

收稿日期:2024-06-30

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(12402208)

作者簡(jiǎn)介:郭宇(1993—),男,碩士,工程師,研究方向:船舶舾裝工程與錨泊定位系統(tǒng)。 E-mail:maric-guoyu@ foxmail. com

養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與清潔能力分析

郭宇1

,劉璧鉞1

,方波2

,施海濤1

,孟繁濤1

(1 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011;

2 上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306)

摘要:為解決養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙壁固體廢料附著堆積、人工清潔效率低、不能及時(shí)清理等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種適用

于養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙的清潔系統(tǒng)。 該清潔系統(tǒng)結(jié)合養(yǎng)殖艙的養(yǎng)殖特點(diǎn),設(shè)計(jì)有清潔裝置、繞行裝置、傳動(dòng)裝置

以及排污裝置。 通過(guò)仿真試驗(yàn)分析,得到系統(tǒng)合適的運(yùn)行速度以及清潔裝置不同工況下的清潔效率。 結(jié)果

顯示,系統(tǒng)的運(yùn)行速度應(yīng)該控制在 0. 5 m/ s 以?xún)?nèi),運(yùn)行速度越慢,系統(tǒng)的清潔效率越高,提高毛刷的轉(zhuǎn)速能夠

有效提高清潔效率。 毛刷在單位路徑下的工作圈數(shù)與清潔效率正相關(guān),當(dāng)運(yùn)行速度為 0. 2 m/ s、轉(zhuǎn)速為 190

r/ min 時(shí),清潔效果比較理想。 清污刮板為 30°時(shí),可有效清除殘留附著物。 研究表明,該清潔系統(tǒng)可解決養(yǎng)

殖艙在養(yǎng)殖過(guò)程中的清潔問(wèn)題,且結(jié)構(gòu)緊湊有效,具有較高的工作效率和性?xún)r(jià)比,有較好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞:養(yǎng)殖艙;清潔裝置;清潔效率;流場(chǎng)仿真;光滑粒子流;養(yǎng)殖工船

中圖分類(lèi)號(hào):U664. 4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1007-9580(2024)06-0001-009

養(yǎng)殖工船作為先進(jìn)的可移動(dòng)養(yǎng)殖平臺(tái),有效

解決了中國(guó)漁業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)問(wèn)題,拓展了中國(guó)水

產(chǎn)養(yǎng)殖空間,提升中國(guó)深遠(yuǎn)海漁業(yè)資源利用能力,

是推動(dòng)漁業(yè)“提質(zhì)增效”生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變的重要途

徑之一[1-3]

。 養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙是魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖工作最

直接的承載空間,魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)所需的飼料、產(chǎn)生的排

泄物以及海水中的微生物會(huì)不斷附著在養(yǎng)殖艙內(nèi)

壁,需要對(duì)養(yǎng)殖艙內(nèi)壁進(jìn)行定期清潔,避免魚(yú)類(lèi)的

生長(zhǎng)環(huán)境受到影響[4-6]

。

傳統(tǒng)的船體表面清潔方式主要采用水上作業(yè)

或水下半自動(dòng)化作業(yè)裝備,大多采用鋼刷或高壓水

噴射裝置清洗,主要是清洗表面鐵銹及微生物附

著,且清洗設(shè)備成本高[7-10]

,無(wú)法應(yīng)用到養(yǎng)殖艙壁

的清潔中。 目前市場(chǎng)上成熟的養(yǎng)殖艙清潔產(chǎn)品較

少,大部分水下清潔產(chǎn)品的服務(wù)對(duì)象都是管道與船

體表面[11-14]

。 王云杰等[15]設(shè)計(jì)了一種面向養(yǎng)殖工

船養(yǎng)殖艙壁清洗水下機(jī)器人,并提出了一種基于模

型預(yù)測(cè)控制的路徑跟蹤策略,該方法能夠獲得良好

的控制效果。 林禮群等[16]設(shè)計(jì)了一種大型養(yǎng)殖工

船養(yǎng)殖艙壁清潔機(jī)器人,通過(guò)設(shè)計(jì)磁性吸附輪減少

了水流對(duì)機(jī)器人的影響,并基于機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)

殖艙壁的有效清潔。 此外,在陸基循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

中,黃達(dá)[17]設(shè)計(jì)了一種水下魚(yú)池清刷機(jī)器人,采用

開(kāi)放式框架和盤(pán)形清潔刷的方式,通過(guò)水動(dòng)力試驗(yàn)

分析得到了機(jī)器人最佳工作方案。 胡勇兵等[18]設(shè)

計(jì)了基于機(jī)器人操作系統(tǒng)和傳感器的機(jī)器人建圖

定位系統(tǒng),應(yīng)用在養(yǎng)殖魚(yú)池中,提高了魚(yú)池清潔機(jī)

器人的定位能力。 目前研究的清潔機(jī)器人具備良

好的定位與控制能力,但缺乏長(zhǎng)期作業(yè)的能力,且

結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作穩(wěn)定性有待提升。

本研究設(shè)計(jì)了一種可以安裝在養(yǎng)殖艙內(nèi)的清

潔系統(tǒng),通過(guò)仿真試驗(yàn),比較清潔裝置在不同工作

條件下的清潔效率,選取一種最佳的工作方案,為

此類(lèi)清潔系統(tǒng)的優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 1 技術(shù)要求

每艘養(yǎng)殖工船配置 12 個(gè)養(yǎng)殖艙,整體布局如

圖 1 所示。 每個(gè)養(yǎng)殖艙長(zhǎng) 17 m、寬 18 m、深 19 m,

養(yǎng)殖艙內(nèi)壁所需要清潔的面積約為 1 330 m

2

,養(yǎng)殖

水體為海水,內(nèi)壁主要附著物為飼料和養(yǎng)殖對(duì)象排

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

泄物,以及少量藻類(lèi)等海生物,拐角處可能會(huì)產(chǎn)生

較多的固體物堆積[21-22]

。 清潔系統(tǒng)應(yīng)有一定的工

作效率,減少長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)魚(yú)群生活習(xí)性的影

響[20]

。 要求工作噪聲較小,避免對(duì)養(yǎng)殖魚(yú)群的生長(zhǎng)

產(chǎn)生影響[19]

。 清潔系統(tǒng)要適合安裝在養(yǎng)殖艙內(nèi)壁

上,能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)殖艙內(nèi)壁附著物的清潔以及排污。



圖 1 養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙布置圖

Fig. 1 Layout diagram of aquaculture chambers on a

farming vessel

1. 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清潔系統(tǒng)由清潔裝置、繞行裝置、傳動(dòng)裝置

以及排污裝置組成。 清潔裝置分為側(cè)壁清潔裝

置和底部清潔裝置,由調(diào)節(jié)彈簧、清污刮板[23]

、

承重輪和毛刷[24]組成。 繞行裝置由繞行軌道和

齒條組成。 傳動(dòng)裝置由變速箱、電機(jī)、錐齒輪、

齒輪、鏈條、限位輪、第一傳動(dòng)軸和第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸

組成,清潔裝置安裝在第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。 排污裝

置[25]由吸污口、排水軟管和水泵組成。 整體結(jié)

構(gòu)如圖 2 所示。





 





 

















圖 2 清潔系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 2 Overall structure diagram of the cleaning system

1. 3 工作原理與技術(shù)特點(diǎn)

當(dāng)電機(jī)開(kāi)啟,系統(tǒng)開(kāi)始工作,電機(jī)帶動(dòng)第二轉(zhuǎn)

動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸和毛刷上安裝有齒輪,通過(guò)

鏈條鏈接使毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)。 變速箱通過(guò)錐齒輪帶動(dòng)第

一轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸上在齒條位置處固定

安裝有與齒條相嚙合的齒輪,通過(guò)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶

動(dòng)清潔裝置沿著繞行軌道工作。 清潔裝置向毛刷

的方向工作,清污刮板將殘留的附著物清除。 調(diào)

節(jié)彈簧在清潔刮板前進(jìn)的過(guò)程中起到一定保護(hù)作

用,防止堅(jiān)硬異物的損傷。 吸污口將毛刷和清污

刮板清理下的附著物吸走,通過(guò)吸污口和排水軟

管排走。 為保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 3

條繞行軌道,每段清潔裝置下裝有承重輪,承重輪

在繞行軌道上運(yùn)動(dòng),每段轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝有限位輪,

使清潔裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)更加流暢。 系統(tǒng)的運(yùn)行速度、

清污刮板的角度和毛刷的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)節(jié)變速

箱來(lái)控制。

養(yǎng)殖艙底部的清潔裝置上安裝有滾輪,通過(guò)

側(cè)壁清潔裝置的移動(dòng),帶動(dòng)裝置繞著養(yǎng)殖艙排污

口轉(zhuǎn)動(dòng)。 第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸末端的錐齒輪可驅(qū)動(dòng)底部毛

刷的自轉(zhuǎn)。

由于繞行裝置安裝在養(yǎng)殖艙壁上,繞行軌道

附近會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)法鏟除的附著物,于是在繞行

軌道內(nèi)設(shè)計(jì)有三面清潔毛刷,清潔毛刷通過(guò)彈簧

安裝在承重輪固定板上,固定板兩側(cè)安裝有導(dǎo)向

桿,彈簧在清潔裝置經(jīng)過(guò)拐角處時(shí)提供一定的保

2

第 6 期 郭宇等:養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與清潔能力分析

護(hù)作用,清理下來(lái)的附著物通過(guò)軌道上的孔被吸

污口吸收,如圖 3 所示。

圖 3 軌道清潔裝置示意圖

Fig. 3 Diagram of the rail cleaning device

2 吸污能力仿真分析

2. 1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,清潔裝置清理下來(lái)的附著

物由吸污口吸收排出,吸污口的吸收范圍影響著裝

置的運(yùn)行速度,當(dāng)裝置達(dá)到一個(gè)合適的運(yùn)行速度

時(shí),吸污口才能將清理下來(lái)的附著物全部吸走。 同

樣,裝置的運(yùn)行速度對(duì)清潔效率也會(huì)產(chǎn)生一定影

響。 清潔裝置的吸污口設(shè)計(jì)寬度為 50 mm,模型

如圖 4 所示。

采用雷諾平均 Navier-Stokes 計(jì)算流體動(dòng)力

學(xué)方法對(duì)吸污口的吸污能力開(kāi)展仿真試驗(yàn),得到

吸污口對(duì)附近流域產(chǎn)生的影響[26]

,根據(jù)影響范圍

設(shè)計(jì)清潔裝置的運(yùn)行速度。



圖 4 吸污口模型圖

Fig. 4 Model diagram of the suction port

2. 2 仿真模型

2. 2. 1 控制方程

流體動(dòng)力學(xué)控制方程是描述流體運(yùn)動(dòng)的基本

方程之一,是一組包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定

律和能量守恒定律構(gòu)成的微分方程組。 連續(xù)性方

程(又稱(chēng)質(zhì)量守恒方程)描述了流動(dòng)過(guò)程中流體

質(zhì)量守恒的性質(zhì)[27]

。

?ρ

?t

+

?

?xj

(ρuj) = 0 (1)

式中:ρ 是密度,kg / m

3

;t 是時(shí)間,s;u 是速度矢量,

m / s。 此式是瞬態(tài)三維可壓流體的質(zhì)量守恒方

程。 若流體不可壓縮,式(1)可寫(xiě)為:

?u

?x

+

?v

?y

+

?w

?z

= 0 (2)

動(dòng)量守恒方程描述了不可壓縮流體中的速度

場(chǎng)如何隨時(shí)間和空間變化。

?ui

?t

+

?

?xj

uiuj

( ) = f

i

-

1

ρ

?p

?xi

+

?

2

ui

?xj?xi

(3)

能量守恒方程(熱傳導(dǎo)方程) 可以用來(lái)更詳

細(xì)地描述溫度分布在各個(gè)空間方向上的變化。

ρC

?T

?t

( ) + (k T) = Q (4)

式中:T 是溫度,K;C 是比熱容,J/ (kg·K) ;k 是

熱傳導(dǎo)率的熱傳導(dǎo)張量,W/ (m·K),用于描述溫

度在不同方向上的傳導(dǎo)性能;Q 是熱源項(xiàng),表示在

流體內(nèi)部產(chǎn)生或吸收的熱量,W。 本研究中溫度

取大黃魚(yú)適宜生長(zhǎng)溫度,為 20 ℃ 。

2. 2. 2 湍流模型

在工程應(yīng)用中,湍流模型通常采用時(shí)均值方

法,通過(guò)平均湍流場(chǎng)的物理量,如速度、壓力和溫

度,來(lái)獲得宏觀平均行為。 本研究所采用的湍流

模型為 Reynolds(雷諾)時(shí)均方程方法[28]

。

?ρ

?t

+

?

?xi

(ρui) = 0 (5)

?

?t

(ρui) +

?(ρuiuj)

?xj

= -

?p

?xi

+

?

?xj

μ

?ui

?xj

- ρu

′

iu

′

j

( )

é

?

ê

ê

ù

?

ú

ú

+ Si (6)

式中:脈動(dòng)值乘積項(xiàng)- ρu

′

iu

′

j

( ) 稱(chēng)作雷諾應(yīng)力,Pa。

2. 2. 3 有限元模型

為驗(yàn)證排污裝置對(duì)污物的捕捉能力,設(shè)定合

理的排水速度,采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)

50×2 000 mm 開(kāi)口的吸污口周?chē)鲌?chǎng)分布進(jìn)行了

研究。 最大網(wǎng)格尺寸為 50 mm,最小網(wǎng)格尺寸為

2. 5 mm,網(wǎng)格數(shù)量 260 萬(wàn)個(gè)。 邊界層數(shù)量 5 層,

增長(zhǎng)率為 1. 2,有限元模型如圖 5 所示。

3

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

圖 5 吸污口有限元模型

Fig. 5 Finite element model of the suction port

2. 3 仿真結(jié)果

如圖 6 所示,圖 6 a 是吸污口外部流線圖,圖

6 b 是吸污口橫截面流速分布圖。 在額定水泵功

率下,直角吸污管內(nèi)流速達(dá)到了 4. 95 m / s,吸污

口內(nèi)部流速在 1. 3 m / s 左右,吸污口附近流速為

0. 20~0. 50 m / s。 即在清潔裝置工作時(shí),運(yùn)行速

度小于 0. 5 m / s 時(shí),吸污口可將清理下來(lái)的附著

物有效吸收。

0.075 0.225

0 0.150 0.300 (m)

0.150 0.450

0 0.300 0.600 (m)

圖 6 吸污效果仿真

Fig. 6 Simulation of suction effect

3 清潔能力仿真分析

3. 1 毛刷清潔能力仿真

3. 1. 1 數(shù)學(xué)模型

采用光滑粒子流模型( SPH)。 SPH 流體的

質(zhì)量守恒由連續(xù)性方程給出[29-30]

:

dρ

dt

+ ρ ·v = 0 (7)

式中:ρ 是流體粒子的密度,kg / m

3

;v 是連續(xù)速度,

m/ s。

動(dòng)量的變化率由作用于連續(xù)體的體力來(lái)平

衡。 SPH 的動(dòng)量守恒定律如下:

ρ

dv

dt

= - (pI) + T + f

b (8)

式中:p 是壓力,Pa ;I 是單位矩陣,T 是黏性應(yīng)力

張量,Pa;f

b 是體積力的合力,N。

在本研究中,SPH 模型的狀態(tài)方程為:

ρ = ρ0 (9)

式中:ρ0 為恒定密度,kg / m

3

。

3. 1. 2 仿真模型

使用商業(yè)軟件 STAR-CCM+2021. 3 模擬毛刷的

清潔工作,將模型簡(jiǎn)化為附著物、艙壁與毛刷的組

合。 附著物使用光滑粒子流模型[31-32]

,忽略養(yǎng)殖艙

內(nèi)壁上堅(jiān)硬附著物的影響,設(shè)計(jì)厚度為 20 mm,模型

尺寸為 2 m×1 m。 仿真模型如圖 7 所示。



圖 7 毛刷仿真模型

Fig. 7 Brush simulation model

3. 1. 3 仿真結(jié)果

根據(jù)吸污口仿真結(jié)果,設(shè)置毛刷的前行速度

為 0. 2 m / s,研究轉(zhuǎn)速對(duì)毛刷清潔效率的影響[33]

,

設(shè)置轉(zhuǎn)速為 90、110、130、150、170、190 r/ min。 如

圖 8 和圖 9 所示,當(dāng)轉(zhuǎn)速為 90 r/ min 時(shí),毛刷的清

潔效率最低為 74. 86%,當(dāng)毛刷轉(zhuǎn)速為 190 r/ min

時(shí),清潔效率最高為 82. 12%,對(duì)比其他轉(zhuǎn)速,效

率有顯著的提升,轉(zhuǎn)速在 110~ 170 r/ min 區(qū)間內(nèi),

4

第 6 期 郭宇等:養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與清潔能力分析

清潔效率隨轉(zhuǎn)速的提升并不明顯。 初步認(rèn)為,毛

刷轉(zhuǎn)速為 190 r/ min 為理想的工況。























     



 SNJO



 







圖 8 不同轉(zhuǎn)速下清潔效率柱狀圖

Fig. 8 Bar chart of removal efficiency at different

rotational speeds

B

 SNJO

C

 SNJO

D

 SNJO

圖 9 部分仿真效果圖

Fig. 9 Partial simulation visualization

根據(jù)毛刷轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果,選取清潔效率一般

的毛刷轉(zhuǎn)速,研究清潔裝置運(yùn)行速度對(duì)毛刷清潔

效率的影響。 設(shè)置毛刷的轉(zhuǎn)速為 130 r/ min,根據(jù)

吸污口仿真結(jié)果,設(shè)置前進(jìn)速度為 0. 1、0. 2、0. 3、

0. 4 和 0. 5 m / s。 如圖 10 和圖 11 所示,當(dāng)運(yùn)行速

度為 0. 5 m / s 時(shí),清潔效率最低為 64. 25%,當(dāng)運(yùn)

行速度為 0. 1 m / s 時(shí),清潔效率為 86. 59%,對(duì)比

其他運(yùn)行速度,效率提升顯著。 初步認(rèn)為,運(yùn)行速

度為 0. 1 m / s 是理想工況。





















  



    



 NT

圖 10 不同運(yùn)行速度下清潔效率柱狀圖

Fig. 10 Bar chart of removal efficiency at

differentoperating speeds

B

 NT

C

 NT

D

 NT

圖 11 部分仿真效果圖

Fig. 11 Partial simulation visualization

5

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

3. 2 清污刮板清潔能力仿真

3. 2. 1 仿真模型

由仿真結(jié)果可知,毛刷并不能對(duì)養(yǎng)殖艙達(dá)到

完全清理,清潔裝置設(shè)計(jì)有清污刮板清除殘留的

附著物。 為最大限度地保證刮板的正常工作以及

討論刮板的工作效率,對(duì)刮板進(jìn)行單獨(dú)的仿真

分析。

采用顯示動(dòng)力學(xué)研究方法,選取毛刷清潔效

率較好的一組工作條件,運(yùn)行速度為 0. 2 m / s,殘

留附著物的最大厚度約為 3 mm,材料選擇為聚氨

酯膠粘劑[34]來(lái)模仿附著物,刮板材料為結(jié)構(gòu)鋼,

材料參數(shù)如表 1 所示。 給刮板一個(gè)垂直向下的力

30 N 模仿調(diào)節(jié)彈簧的力,刮板在前進(jìn)過(guò)程中能在

附著物反力的作用下在垂直方向上自由移動(dòng),達(dá)

到保護(hù)清污刮板的效果。 清污刮板的安裝角度為

15° ~45°,分析刮板在 15°、30°和 45°下的清潔效

率。 仿真采用 ls-dyna 軟件對(duì)刮板進(jìn)行分析,網(wǎng)

格大小為 1 mm。 模型如圖 12 所示。

表 1 材料參數(shù)

Tab. 1 Material parameters

材料 密度/ (kg / m

3

) 楊氏模量/ mPa 泊松比

聚氨酯膠粘劑 1 200 0. 8 0. 4

結(jié)構(gòu)鋼 7 850 2. 06×10

5

0. 3

圖 12 刮板仿真有限元模型

Fig. 12 Finite element model of the scraper simulation

3. 2. 2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

由于清污刮板的清潔效率仿真采用有限元模

擬,模型的網(wǎng)格大小可能會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響,

因此需要對(duì)網(wǎng)格的劃分進(jìn)行討論,設(shè)置 3 種網(wǎng)格

尺寸,分別為 0. 5、1. 0 和 1. 5 mm,即附著物厚度

分別為 6 個(gè)、3 個(gè)和 2 個(gè)網(wǎng)格。 由圖 13 可知,3 種

尺寸的有限元模型的仿真結(jié)果相近,清潔效率均為

50%左右。 由此可知,本研究所采用的 1 mm 的網(wǎng)

格尺寸可以在計(jì)算精度和效率上取得良好的平衡。

3. 2. 3 仿真結(jié)果

如圖 14 所示,附著物厚度為 3 個(gè)網(wǎng)格,當(dāng)刮

板角度為 60°時(shí),清污效果較差,約為 50%;當(dāng)刮

板的角度為 15°和 30°時(shí),清潔效果較好,可以將

艙壁上附著物鏟除,刮板角度為 30°時(shí),清除效率

約為 100%,能夠達(dá)到理想的清除效果,選取清污

刮板安裝角度為 30°。

(a) 0.5 mm (b) 1 mm (c) 1.5 mm







圖 13 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

Fig. 13 Grid independence verification

(a) 15° (b) 30° (c) 60°

  

圖 14 刮板清污效果圖

Fig. 14 Scraper cleaning effect visualization

6

第 6 期 郭宇等:養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與清潔能力分析

4 結(jié)果與分析

從仿真結(jié)果可以看出,清潔效率和運(yùn)行速度

與毛刷轉(zhuǎn)速存在一定線性關(guān)系。 在指定的模型尺

寸下,毛刷的工作時(shí)間越長(zhǎng),清潔效率越高,即在

單位路徑下,毛刷所轉(zhuǎn)的圈數(shù)越多, 清潔效率

越高。

由圖 15 可知,毛刷的清潔效率隨著單位路徑

下工作圈數(shù)的增加而提高。 當(dāng)工作圈數(shù)為 43. 33

r/ m 時(shí),清潔效率最高,工作圈數(shù)為 8. 67 r/ m 時(shí),

效率最低,工作圈數(shù)提高為 10. 83 r/ m 時(shí),清潔效

率存在顯著提升,之后隨著工作圈數(shù)的增加,清潔

效率緩慢提升,當(dāng)工作圈數(shù)達(dá)到 31. 67 r/ m 時(shí),清

潔效率又出現(xiàn)較明顯的提升。 可以得出:在清潔

系統(tǒng)工作時(shí),可以根據(jù)實(shí)際的工作需要,滿(mǎn)足功耗

要求和設(shè)備安全使用的情況下,選擇合適的運(yùn)行

速度與轉(zhuǎn)速進(jìn)行組合,以達(dá)到最理想的清潔效果,

毛刷單位路徑理想工作圈數(shù)為 32~40 r/ m。





















        





 SN

圖 15 單位路徑工作圈數(shù)與清潔效率的關(guān)系

Fig. 15 Relationship between the number of work cycles

per unit path and the removal rate

仿真表明,在設(shè)備進(jìn)行清潔工作時(shí),可以通過(guò)

調(diào)節(jié)毛刷的轉(zhuǎn)速和設(shè)備運(yùn)行速度來(lái)提高清潔效

率。 黃達(dá)等[6] 設(shè)計(jì)的水下魚(yú)池清刷機(jī)器人也需

要調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)速度與刷盤(pán)的轉(zhuǎn)速來(lái)提高機(jī)器人的清

潔效率,本設(shè)備只需要調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速便可改變

毛刷的轉(zhuǎn)速和設(shè)備驅(qū)動(dòng)速度。 在胡勇兵等[24] 和

蘇陽(yáng)等[29]相關(guān)試驗(yàn)中都顯示了刷盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)清潔

效率的影響,但是刷盤(pán)并不能對(duì)養(yǎng)殖艙完全清潔,

因此本設(shè)計(jì)安裝清污刮板,在仿真試驗(yàn)中顯示,當(dāng)

刮板安裝角度為 30°時(shí),可對(duì)毛刷清潔過(guò)后的殘

留物有效清除。

養(yǎng)殖工船在海洋中進(jìn)行作業(yè),養(yǎng)殖艙處于動(dòng)

態(tài)環(huán)境中,林禮群等[16]設(shè)計(jì)的養(yǎng)殖艙壁清潔機(jī)器

人通過(guò)磁力吸附與機(jī)器視覺(jué)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在養(yǎng)殖艙

內(nèi)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),但是機(jī)器人在復(fù)雜的海洋環(huán)境中

長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性還有待商討,同時(shí)機(jī)器人的維

護(hù)成本較高。 該清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可直接

安裝在養(yǎng)殖艙壁內(nèi),且集成度較高,有多條軌道,

大大提高了設(shè)備在海洋環(huán)境中工作的穩(wěn)定性。 同

樣,王云杰等[15] 和黃達(dá)[17] 通過(guò)建立描述水下機(jī)

器人運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系,基于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)機(jī)

器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行定位,加強(qiáng)了對(duì)清潔機(jī)器人

的控制,但跟蹤的最大偏移量仍接近 2 m,不能保

證清潔效率。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙清潔系統(tǒng),由清

潔裝置、繞行裝置、傳動(dòng)裝置以及排污裝置組成,

能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖艙的清潔及排污。 通過(guò)仿真試驗(yàn)

論證,得出清潔裝置的運(yùn)行速度應(yīng)控制在 0. 5 m /

s 之內(nèi),排污裝置可有效將清理下的附著物排出。

當(dāng)運(yùn)行速度為 0. 1 m / s 時(shí),毛刷清潔效率最高,當(dāng)

毛刷的轉(zhuǎn)速越高時(shí),清潔效率越高。 研究表明,毛

刷的清潔效率與其在單位路徑下的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)正相

關(guān),當(dāng)工作圈數(shù)為 43. 33 r/ m,即轉(zhuǎn)速為 190 r/ min

時(shí),清潔效率達(dá)到 82. 12%。 當(dāng)清污刮板為 30°

時(shí),可將殘留附著物有效地清除。 在實(shí)際工作時(shí),

結(jié)合毛刷和刮板的合適工況,能夠?qū)崿F(xiàn)理想的清

除效果,滿(mǎn)足技術(shù)需求。 □

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8

第 6 期 郭宇等:養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖艙清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與清潔能力分析

Design and cleaning capacity analysis of the cleaning system for

aquaculture chamber on farming vessel

GUO Yu

1

,LIU Biyue

1

,FANG Bo

2

,SHI Haitao

1

,MENG Fantao

1

(1 Department of Marine Engineering, Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China;

2 College of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract:To address the issues of solid waste accumulation on the walls of aquaculture chambers in farming

vessel, low efficiency of manual cleaning, and the inability to clean in a timely manner, a cleaning system

suitable for the aquaculture chambers of farming vessel was designed. Considering the specific characteristics

of aquaculture in farming vessel, this cleaning system includes a cleaning device, a bypass device, a

transmission device, and a sewage discharge system. Through simulation experiments, system?s optimal

operating speed and device?s cleaning efficiency under different working conditions were determined. The

results indicate that the system's operating speed should be kept below 0. 5 m / s, and the slower the speed, the

higher the cleaning efficiency. Increasing the rotational speed of the brush can significantly enhance cleaning

efficiency. It was also found that the number of working cycles of the brush per unit path is positively

correlated with cleaning efficiency. The cleaning effect is ideal when the operating speed is 0. 2 m / s and the

brush speed is 190 r/ min. A 30° angle for the cleaning scraper effectively removes residual attachments. The

study shows that this cleaning system can resolve the cleaning issues during the aquaculture process, with a

compact and efficient structure, high work efficiency, and cost-effectiveness, making it valuable for broader

application.

Key words:aquaculture tanks; cleaning device; cleaning efficiency; flow field simulation; smoothed particle

hydrodynamics; farming vessel

9

第 51 卷第 6 期 漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 002 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

洪揚(yáng),朱燁,楊猛,等. 草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化,2024,51(6):10-19.

收稿日期:2024-07-29

基金項(xiàng)目:中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(2023TD86);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資

金(CARS-45)

作者簡(jiǎn)介:洪揚(yáng)(1991—),男,碩士,助理研究員,研究方向:漁業(yè)設(shè)施與裝備。 E-mail:hongyang@ fmiri. ac. cn

通信作者:江濤(1969—),男,研究員,研究方向:漁業(yè)裝備與工程。 E-mail:jiangtao@ fmiri. ac. cn

草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

洪 揚(yáng)1

,朱 燁1

,楊 猛1

,江 濤1

,吳 凡1

,戴 璐1

,張智豪2

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海,200092;

2 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海,201306)

摘要:草魚(yú)疫苗注射主要依靠人工注射,具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、注射效率低、注射位置非標(biāo)準(zhǔn)化和注射精準(zhǔn)度差等

缺點(diǎn),嚴(yán)重制約水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展。 根據(jù)草魚(yú)疫苗注射特點(diǎn),制定了疫苗自動(dòng)注射作業(yè)策略,通過(guò)開(kāi)展魚(yú)苗姿

態(tài)自動(dòng)識(shí)別與快速調(diào)整、注射工位自動(dòng)分配、魚(yú)體輸送與撥桿 LS-DYNA 動(dòng)力學(xué)仿真分析、魚(yú)體柔性固定與

快速注射等技術(shù)研究,研制了疫苗自動(dòng)注射樣機(jī),以 100 ~ 120 mm 長(zhǎng)的草魚(yú)魚(yú)苗為自動(dòng)注射對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)。

結(jié)果顯示:草魚(yú)疫苗自動(dòng)注射裝置產(chǎn)量約為 900 尾/ h,試驗(yàn)魚(yú)苗注射疫苗后 3 周內(nèi)的存活率達(dá)到 98. 3%,存

活率較人工疫苗注射提高 4 個(gè)百分點(diǎn)。 該裝置實(shí)現(xiàn)了草魚(yú)幼苗的高效連續(xù)注射,提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖裝備自動(dòng)

化水平,對(duì)紡錘形魚(yú)幼苗的連續(xù)注射均具有參考意義,具有較高應(yīng)用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞:自動(dòng)注射;草魚(yú)疫苗;疫苗注射;養(yǎng)殖機(jī)械

中圖分類(lèi)號(hào):S943 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1007-9580(2024)06-0010-010

中國(guó)是水產(chǎn)品養(yǎng)殖大國(guó),2022 年全國(guó)淡水魚(yú)

養(yǎng)殖產(chǎn)量 2 710. 48 萬(wàn) t,其中草魚(yú) 590. 48 萬(wàn) t,占

淡水魚(yú)養(yǎng)殖產(chǎn)量的 21. 79%,居四大家魚(yú)之首[1]

。

草魚(yú)養(yǎng)殖朝著高密度、集約化、大規(guī)模方向發(fā)展,

養(yǎng)殖過(guò)程中易感染各種疾病,如病毒性出血病、腸

炎病等(其發(fā)病死亡率高達(dá) 90%),影響?zhàn)B殖效益

和產(chǎn)品質(zhì)量[2-4]

。

漁用疫苗能有效抵御病害,減少抗生素的使

用。 現(xiàn)有的漁用疫苗接種方式有口服式、浸泡式

和注射式 3 種[5]

,口服疫苗由于免疫保護(hù)率偏低,

成本較高,占據(jù)的比例很小,主要的商品化漁用疫

苗產(chǎn)品中僅有傳染性胰臟壞死病毒亞單位疫苗和

傳染性三文魚(yú)貧血病毒亞單位疫苗通過(guò)口服進(jìn)行

接種[6-9]

,浸泡法主要通過(guò)魚(yú)的皮膚、鰓、側(cè)線等

吸收疫苗,該法操作簡(jiǎn)便,多用于較小的魚(yú)類(lèi)免

疫,但用量較大,效果不穩(wěn)定,且容易造成水體污

染[10-11]

。 注射法主要通過(guò)胸腔、腹腔、肌肉注射

疫苗。 該法用量小、利用率高、免疫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),

存活率可達(dá) 95%以上,效果較好[12-15]

。

目前,疫苗接種主要依靠人工注射,多用于個(gè)

體較大、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的魚(yú)類(lèi)[16-17]

,具有勞動(dòng)強(qiáng)

度大、注射效率低、注射位置非標(biāo)準(zhǔn)化和注射精準(zhǔn)

度差等缺點(diǎn),嚴(yán)重制約中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展。 近

年來(lái),得益于漁用疫苗的發(fā)展[18-19]

,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展

了一系列漁用疫苗注射裝置的研發(fā),挪威 Masko

公司推出全自動(dòng)疫苗機(jī)[20]

,僅由 1 名操作員操

作,每小時(shí)可以接種 10 000~ 40 000 條幼魚(yú),該設(shè)

備主要針對(duì)三文魚(yú),具有較高的自動(dòng)化程度,但設(shè)

備成本較高,結(jié)構(gòu)流程復(fù)雜,難以在國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖企業(yè)

中推廣使用。 韓國(guó)研制了基于機(jī)器視覺(jué)的比目魚(yú)

疫苗注射機(jī)[21]

,注射效率達(dá) 2 000 條/ h。 湯俊良

等[22]專(zhuān)利裝置的原理是魚(yú)苗經(jīng)由設(shè)有凹槽的傳

輸裝置到達(dá)注射機(jī)構(gòu)所在位置后,由多套激光傳

感器測(cè)定魚(yú)苗到傳感器的距離,確定魚(yú)體的最高

部位后,調(diào)節(jié)注射裝置到疫苗注射位置進(jìn)行注射。

景艷俠等[23]專(zhuān)利顯示,魚(yú)苗由人工送入進(jìn)魚(yú)口,

確保魚(yú)體到達(dá)指定位置后,夾持裝置內(nèi)部的夾板

夾緊魚(yú)體,根據(jù)魚(yú)苗注射位置調(diào)整注射機(jī)構(gòu)的位

第 6 期 洪揚(yáng)等:草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

置,最終完成魚(yú)體疫苗注射過(guò)程。 浙江大學(xué)研發(fā)

了針對(duì)紡錘形魚(yú)類(lèi)人工輔助單通道注射機(jī)與雙通

道注射機(jī),可注射草魚(yú)、鱸魚(yú)等苗種,需人工將魚(yú)

苗以一定姿態(tài)放置進(jìn)入注射通道,該裝置無(wú)法連

續(xù)自動(dòng)作業(yè),且需人工持續(xù)輔助,難以減少勞動(dòng)力

投入, 設(shè) 備 擴(kuò) 展 性 不 佳, 自 動(dòng) 化 程 度 有 待

提高[24-25]

。

本研究以草魚(yú)幼苗為對(duì)象,設(shè)計(jì)研發(fā)漁用疫

苗連續(xù)自動(dòng)注射原理樣機(jī),以期研發(fā)出適合中國(guó)

池塘養(yǎng)殖的魚(yú)類(lèi)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射設(shè)備,從而代

替?zhèn)鹘y(tǒng)依靠人工和半機(jī)械化疫苗注射,簡(jiǎn)化疫苗

注射流程,降低勞動(dòng)成本,提高養(yǎng)殖設(shè)施機(jī)械化程

度,有效控制養(yǎng)殖水體環(huán)境,減少養(yǎng)殖魚(yú)病死率。

1 疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置結(jié)構(gòu)及作業(yè)策略

1. 1 裝置結(jié)構(gòu)

疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置主要有魚(yú)苗離散裝

置、魚(yú)首同向裝置、自動(dòng)注射裝置、注射后溜魚(yú)槽、

噴淋水裝置等組成,其中,自動(dòng)注射裝置是核心工

作部件,如圖 1 所示。 控制系統(tǒng)采用 PLC 中央處

理單元,控制多路步進(jìn)電機(jī)、多傳感器自動(dòng)分選注

射工位[26]

,實(shí)現(xiàn)魚(yú)苗多工位自動(dòng)注射,同時(shí)通過(guò)

識(shí)別裝置計(jì)算魚(yú)苗長(zhǎng)度,對(duì)不同體長(zhǎng)魚(yú)苗注射部

位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),保證精準(zhǔn)注射。

 



 

 

 



圖 1 疫苗注射總體結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 1 Schematic diagram of the overall structure of vaccine injection

1. 2 疫苗自動(dòng)注射作業(yè)策略

首先使用丁香酚將草魚(yú)魚(yú)苗進(jìn)行麻醉,隨后

通過(guò)離散裝置將魚(yú)苗進(jìn)行離散化,使魚(yú)苗均勻且

不重疊,經(jīng)過(guò)上端水平傳送帶將魚(yú)苗輸送至魚(yú)首

同向裝置中,對(duì)魚(yú)體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,使所有魚(yú)苗頭

部朝著傳送帶前進(jìn)方向。 魚(yú)苗首先通過(guò)識(shí)別裝

置,通過(guò)顏色來(lái)識(shí)別魚(yú)背和魚(yú)腹(疫苗注射分為

腹部注射和背鰭注射,由于草魚(yú)幼苗較為柔軟,通

過(guò)背鰭注射可以減少對(duì)魚(yú)苗的損傷[27]

),當(dāng)識(shí)別

出魚(yú)背時(shí),工位識(shí)別器根據(jù)作業(yè)情況實(shí)時(shí)分配注

射工位,對(duì)應(yīng)工位傳感器發(fā)出判斷信號(hào),通過(guò)自動(dòng)

注射裝置中的旋轉(zhuǎn)撥桿對(duì)魚(yú)苗進(jìn)行撥轉(zhuǎn),進(jìn)入注

射裝置,壓板氣缸推動(dòng)壓板將魚(yú)苗固定,氣缸推動(dòng)

注射器將針頭推進(jìn)魚(yú)背,注射器活塞推桿推動(dòng)一

定距離,將注射器中的疫苗注射入魚(yú)苗體內(nèi),所有

氣缸回位,注射后的魚(yú)苗落入溜魚(yú)槽,魚(yú)苗進(jìn)入回

11

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

收池中。 當(dāng)識(shí)別出魚(yú)腹時(shí),不注射,魚(yú)苗重新回到

麻醉池中,進(jìn)行下一次調(diào)整注射。

2 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2. 1 魚(yú)首同向裝置

為減少后續(xù)注射工序中注射工位的動(dòng)作調(diào)整

次數(shù),在注射前,將魚(yú)苗的姿態(tài)統(tǒng)一調(diào)整為魚(yú)頭朝

前。 由于魚(yú)苗重心與其幾何中心存在偏差,通過(guò)

懸掛法統(tǒng)計(jì) 50 尾待測(cè)魚(yú)苗重心,結(jié)果為重心位置

與魚(yú)頭距離約為魚(yú)苗全長(zhǎng)的 0. 369。 因此,在魚(yú)

體的長(zhǎng)度方向,其重心偏向于魚(yú)苗頭部。 魚(yú)苗從

傳送帶的末端跌入掉頭過(guò)渡圓弧并與圓弧面接觸

之前,在豎直方向上存在一個(gè)自由落體運(yùn)動(dòng)。 由

于魚(yú)體的質(zhì)量分布不均勻,其幾何中心與重心之

間存在偏距,因此,在下落過(guò)程中魚(yú)體的重力對(duì)其

幾何中心會(huì)產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩,在此轉(zhuǎn)矩的作用下,

魚(yú)體發(fā)生偏轉(zhuǎn),最終使得重心一端靠下。 根據(jù)目

標(biāo)魚(yú)體體長(zhǎng)區(qū)間,魚(yú)首同向裝置結(jié)構(gòu)末端設(shè)計(jì)直

徑為 100 mm 的平滑傳輸帶,傳輸帶下方有弧形

溜魚(yú)槽。 當(dāng)傳輸帶與弧形溜魚(yú)槽有足夠使魚(yú)苗翻

轉(zhuǎn)的距離時(shí),由于魚(yú)苗自身重心位置靠近頭部及

魚(yú)身柔軟等特點(diǎn),可使得魚(yú)苗經(jīng)過(guò)魚(yú)首同向裝置

后始終保持魚(yú)體向前運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)魚(yú)頭朝前時(shí),由于

重心靠前,通過(guò)傳輸帶尾部時(shí)魚(yú)頭向下直接滑入

弧形溜魚(yú)槽,如圖 2a 所示;魚(yú)尾朝前時(shí),由于重心

靠后,魚(yú)身在通過(guò)傳輸帶尾部時(shí)貼住圓柱端面,頭

部經(jīng)過(guò)傳輸帶端部時(shí)由于重心作用頭尾發(fā)生翻

轉(zhuǎn),魚(yú)頭向下滑入弧形溜魚(yú)槽,如圖 2b 所示。

(a) 




A1




B1












C1




A2 




B2











C2





A1 B1 C1

A2 B2 C2

(b) 



圖 2 魚(yú)首同向裝置試驗(yàn)圖

Fig. 2 Experimental diagram of fry transfer device

12

第 6 期 洪揚(yáng)等:草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

2. 2 自動(dòng)注射裝置結(jié)構(gòu)

2. 2. 1 注射段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)注射裝置部分是整套設(shè)備的核心裝置,

由識(shí)別裝置、傳輸帶、工位選擇傳感器、注射裝置、

撥桿裝置等組成,完成魚(yú)苗的工位分配和疫苗自

動(dòng)注射,其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。


1-


2-


3-
4-


4.1-
4.2-


4.3-



4.4-


4.5-
4.6-


4.7-



5-

1 2 3 4 5

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

圖 3 自動(dòng)注射裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig. 3 Automatic injection device schematic

2. 2. 2 魚(yú)苗識(shí)別裝置

運(yùn)用一組測(cè)量光柵和一組顏色識(shí)別傳感器,

如圖 4 所示。









 



圖 4 魚(yú)苗識(shí)別系統(tǒng)

Fig. 4 Fry identification system

獲取魚(yú)苗在有序輸送過(guò)程中的魚(yú)長(zhǎng)、魚(yú)寬、色

度信息,色度信息用于判斷魚(yú)腹和背鰭的位置;控

制中心將預(yù)設(shè)值與獲取的上述信息進(jìn)行對(duì)比,判

斷魚(yú)長(zhǎng)、魚(yú)寬、魚(yú)腹和背鰭的位置是否符合要求,

并獲取注射位置信息;不符合要求的魚(yú)苗沿輸送

裝置返回魚(yú)池,符合要求的則通過(guò)工位選擇傳感

器,控制撥桿將魚(yú)從傳輸帶上撥入對(duì)應(yīng)注射通道。

2. 2. 3 回轉(zhuǎn)撥魚(yú)裝置設(shè)計(jì)及仿真

本研究設(shè)計(jì)了 3 工位注射裝置,每個(gè)注射裝

置對(duì)應(yīng)一個(gè)撥桿裝置,魚(yú)苗在通過(guò)識(shí)別傳感器后

撥桿裝置動(dòng)作,將傳送帶上目標(biāo)魚(yú)苗撥動(dòng)至相應(yīng)

注射裝置中,撥桿系統(tǒng)如圖 5 所示。



2



1



3

2

1

3

1

2



3 2

3

1

圖 5 撥桿系統(tǒng)示意圖

Fig. 5 Diagram of the lever system

13

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

在疫苗注射過(guò)程中,回轉(zhuǎn)撥魚(yú)環(huán)節(jié)是關(guān)鍵環(huán)

節(jié)之一,回轉(zhuǎn)撥魚(yú)的執(zhí)行時(shí)間與執(zhí)行準(zhǔn)確度對(duì)于

疫苗注射的效率至關(guān)重要。 對(duì)魚(yú)體進(jìn)行速度分

析:魚(yú)苗通過(guò)傳送帶傳送到撥桿附近,此時(shí)魚(yú)體與

傳送帶的速度一致,當(dāng)撥桿撥動(dòng)魚(yú)體時(shí),受到撥桿

的推力作用,魚(yú)體速度急速增大,由于魚(yú)體與撥

桿、傳送帶摩擦的相互作用,魚(yú)體與撥桿的接觸位

置發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。 當(dāng)魚(yú)體與撥桿發(fā)生分離時(shí),魚(yú)

苗移動(dòng)狀態(tài)和速度分析如圖 6 所示。

魚(yú)體運(yùn)動(dòng)方程為:

vFy

=v0

+vty

vFx

=vtx

vt

= ωLOO′

ì

?

í

?

?

?

?

(1)

式中:vFy 為魚(yú)體沿著傳送帶的運(yùn)動(dòng)速度;vFx 為魚(yú)

體垂直傳送帶運(yùn)動(dòng)速度; v0 為傳送帶速度; vtx、

vty 為魚(yú)體受到的撥桿速度的分解;LOO′為 O 點(diǎn)與

O′點(diǎn)垂直距離;電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n( r/ min)、角速度為

ω(rad / s)。













n

V0

Loo

vtx

vty

vt

A′

o

O′

A

圖 6 回轉(zhuǎn)撥魚(yú)運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖

Fig. 6 Schematic calculation of force movement of fish

為探究魚(yú)苗在回轉(zhuǎn)撥桿作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以

及速度變化,通過(guò) Ansys 軟件建立回轉(zhuǎn)撥魚(yú)裝置

模型,其由傳送帶、魚(yú)、撥桿與注射區(qū)域組成。 為

了簡(jiǎn)化模型,傳送帶、撥桿與注射區(qū)域設(shè)置為剛

體。 剛體與剛體之間無(wú)摩擦,魚(yú)體設(shè)置為彈性體,

剛體與魚(yú)之間動(dòng)摩擦因數(shù)為 0. 2。 根據(jù)實(shí)際工作

情況,整個(gè)仿真時(shí)間設(shè)置為 0. 5 s,依據(jù)實(shí)際作業(yè)

情況,魚(yú)苗平均質(zhì)量為 16 g,旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸心與撥魚(yú)

點(diǎn)垂直距離 LOO′

= 0. 13 m;傳送帶寬度,傳送帶速

度為 320 mm / s,輸送時(shí)魚(yú)與傳送帶具有相同的速

度,建立撥桿的旋轉(zhuǎn)中心如圖 7 所示,撥桿的角速

度是 100°/ s。

圖 7 回轉(zhuǎn)撥魚(yú)裝置有限元模型

Fig. 7 Finite element model of rotary fish pulling device

仿真結(jié)果如圖 8 所示,初始時(shí)魚(yú)苗和傳送帶

具有相同的初速度 320 mm / s,撥桿在旋轉(zhuǎn)初期如

圖 8a 所示,撥桿旋轉(zhuǎn)一定角度,撥桿與魚(yú)苗接觸,

魚(yú)苗發(fā)生輕微旋轉(zhuǎn),魚(yú)苗位置在傳送帶上。 隨著

撥桿旋轉(zhuǎn),如圖 8b 所示,魚(yú)苗在撥桿與初始速度

的共同作用下,魚(yú)苗發(fā)生偏轉(zhuǎn)與移動(dòng),撥桿與魚(yú)苗

脫離接觸,此時(shí)魚(yú)苗位于傳送帶上,但接近魚(yú)苗注

射區(qū);在前期撥桿旋轉(zhuǎn)與魚(yú)苗初始速度的作用下,

魚(yú)苗接著向左偏轉(zhuǎn),呈現(xiàn)近似 45°角度,受到摩擦

阻力和脫離傳送帶自有速度的作用,魚(yú)苗減速滑

向注射區(qū),如圖 8c、d 所示。

魚(yú)苗在撥桿作用下,其速度變化如圖 9 所

示,在仿真 0 ~ 0. 125 s 之間,撥桿與魚(yú)苗接觸發(fā)

生轉(zhuǎn)動(dòng),速度總體呈快速增加的趨勢(shì);而在仿真

0. 125 ~ 0. 375 s 之間,運(yùn)動(dòng)速度總體呈現(xiàn)先增加

后降低的趨勢(shì);在仿真 0. 375 ~ 0. 500 s 之間,運(yùn)

動(dòng)速度受到摩擦力作用總體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

14

第 6 期 洪揚(yáng)等:草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

a
0.125 s

b
0.250 s

c
0.375 s

d
0.500 s

圖 8 撥魚(yú)運(yùn)動(dòng)仿真云圖

Fig. 8 Fish fry movement simulation cloud image















 N

NT

     

T

圖 9 仿真過(guò)程中魚(yú)苗速度和時(shí)間變化

Fig. 9 Changes of fry speed and time during simulation

2. 3 注射時(shí)序與針頭選擇

注射裝置采用氣動(dòng)的形式將注射區(qū)的魚(yú)苗進(jìn)

行順序打針操作。 當(dāng)魚(yú)苗滑動(dòng)到注射工位時(shí),順

序完成壓板下壓、注射針頭插入、注射活塞推進(jìn)、

注射針頭回收、注射活塞回收、壓板松開(kāi)、滑臺(tái)打

開(kāi)、滑臺(tái)閉合的注射動(dòng)作,對(duì)魚(yú)苗完成打針動(dòng)作。

在疫苗注射中,針頭有一定概率扎到較硬質(zhì)的魚(yú)

鱗上。 為提高針頭的使用壽命,應(yīng)使用具有較高

剛度的針頭。 通常針頭口徑越大其剛度越高,但

對(duì)魚(yú)苗損傷越大,因此,結(jié)合多次試驗(yàn)中各種規(guī)格

針頭的損壞以及魚(yú)苗注射傷口情況,參考人工疫

苗注射器,本研究選用口徑為 0. 6 mm 針頭,在使

用前將其剪短 1 / 2 并去除斷口的毛刺,降低其損

15

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

壞風(fēng)險(xiǎn)。

3 疫苗注射試驗(yàn)與分析

3. 1 試驗(yàn)設(shè)置

在養(yǎng)殖池塘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行注射試驗(yàn),同一批次捕

撈上來(lái)草魚(yú)幼苗,和人工注射同步進(jìn)行機(jī)器疫苗

自動(dòng)注射試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖 10 所示。

圖 10 自動(dòng)疫苗注射試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

Fig. 10 The scene of the automatic vaccine injection experiment

根據(jù)現(xiàn)行草魚(yú)疫苗注射草魚(yú)規(guī)格,選取 100~

120 mm 體長(zhǎng)草魚(yú)幼苗進(jìn)行注射試驗(yàn),為驗(yàn)證機(jī)器

注射效果,排除捕撈損傷、麻醉等客觀因素,捕撈

上來(lái)的魚(yú)苗隨機(jī)分為 4 組:試驗(yàn)組 1(空白對(duì)照

組);試驗(yàn)組 2(麻醉僅扎針不注射藥液組); 試驗(yàn)

組 3(麻醉人工注射疫苗組);試驗(yàn)組 4(麻醉自動(dòng)

注射疫苗組),每組魚(yú)苗數(shù)量相同。 該試驗(yàn)分為

兩部分進(jìn)行,第一部分測(cè)試設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性及

運(yùn)行效率,第二部分為疫苗注射后草魚(yú)幼苗的存

活試驗(yàn),從這兩個(gè)方面對(duì)疫苗注射裝備進(jìn)行分析。

3. 2 樣機(jī)性能試驗(yàn)及分析

系統(tǒng)有 3 條通道,連續(xù)對(duì)魚(yú)苗進(jìn)行注射,為了

避免偶然性與系統(tǒng)的測(cè)量誤差,將麻醉且自動(dòng)注

射疫苗組的 600 條魚(yú)隨機(jī)等分成 6 份,依次進(jìn)行

麻醉,進(jìn)行重復(fù)自動(dòng)注射試驗(yàn)。 在試驗(yàn)中獲取 4

個(gè)衡量自動(dòng)疫苗注射設(shè)備性能的關(guān)鍵指標(biāo),見(jiàn)表

1,分別是:魚(yú)苗的色度識(shí)別率(判別魚(yú)苗進(jìn)入通

道是否魚(yú)頭朝前且魚(yú)背朝向運(yùn)動(dòng)方向右側(cè),是判

別魚(yú)苗可進(jìn)行背肌注射的重要依據(jù))、識(shí)別注射

平均用時(shí)(指魚(yú)苗從色度識(shí)別到注射完成的時(shí)

間,是評(píng)價(jià)自動(dòng)注射效率的關(guān)鍵指標(biāo))、注射準(zhǔn)確

率(指魚(yú)苗進(jìn)入到注射工位,注射器針頭是否準(zhǔn)

確插入魚(yú)苗背肌進(jìn)行疫苗注射,是判別疫苗注射

效果的關(guān)鍵指標(biāo))和注射速率(指魚(yú)苗固定好后,

注射器注射疫苗的速度,是評(píng)價(jià)疫苗注射操作風(fēng)

險(xiǎn)的關(guān)鍵指標(biāo),根據(jù)現(xiàn)有人工疫苗注射經(jīng)驗(yàn),針頭

完成注射時(shí)間應(yīng)當(dāng)小于 0. 3 s)。

表 1 疫苗注射裝置關(guān)鍵指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab. 1 Experimental data of key indicators of vaccine injection device

序號(hào) 魚(yú)苗數(shù)量/ 條 色度識(shí)別率/ % 識(shí)別注射平均用時(shí)/ s 注射準(zhǔn)確率/ % 注射速率/ (條/ s)

1 100 98 4. 06 100 0. 253

2 100 98 3. 98 100 0. 250

3 100 98 3. 90 100 0. 254

4 100 99 4. 10 100 0. 25

5 100 98 4. 03 100 0. 258

6 100 99 3. 95 100 0. 253

由表 1 可知,平均色度識(shí)別率為 98. 3%,識(shí)別

存在著誤差,這是由于在識(shí)別過(guò)程中個(gè)別魚(yú)體的

特征存在差異性導(dǎo)致的,同時(shí)試驗(yàn)中魚(yú)體間距離

太小或魚(yú)體首尾重疊也會(huì)導(dǎo)致識(shí)別錯(cuò)誤,因此需

要考慮增加背景色差和增加魚(yú)苗間距,增加色度

識(shí)別率;6 組試驗(yàn)從選別到注射完成時(shí)間約為

4. 0 s,單條魚(yú)注射時(shí)間約為 0. 25 s,綜合產(chǎn)量約

為 900 條/ h,后期可通過(guò)增加注射工位以及調(diào)整

注射策略使得注射效率更加高效;試驗(yàn)中注射準(zhǔn)

確率達(dá) 100%,證明魚(yú)苗在注射通道內(nèi),打針氣動(dòng)

注射動(dòng)作準(zhǔn)確,能準(zhǔn)確對(duì)魚(yú)苗進(jìn)行打針。

3. 3 注射暫養(yǎng)試驗(yàn)及分析

通過(guò)暫養(yǎng)試驗(yàn)對(duì)魚(yú)苗存活進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。 其

中試驗(yàn)組 4(麻醉且機(jī)械自動(dòng)注射疫苗組),麻醉

均使用丁香酚麻醉劑質(zhì)量濃度為 30 mg / L。 經(jīng)麻

醉 5 min 后即可進(jìn)行疫苗注射試驗(yàn)[28 ]

,人工注射

組和機(jī)械自動(dòng)注射組同時(shí)開(kāi)展疫苗注射,注射完

成后所有試驗(yàn)組魚(yú)苗均使用 0. 9%的生理鹽水進(jìn)

行藥浴消毒復(fù)蘇。 并通過(guò)池塘網(wǎng)箱暫養(yǎng) 3 周,觀

察其存活情況,試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。

16

第 6 期 洪揚(yáng)等:草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

表 2 注射草魚(yú)魚(yú)苗暫養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果

Tab. 2 Results of the temporary rearing trial of injected grass carp fry

指標(biāo) 試驗(yàn)組 1 試驗(yàn)組 2 試驗(yàn)組 3 試驗(yàn)組 4

數(shù)量/ 條 600 600 600 600

麻醉時(shí)間/ min 0 5 5 5

注射用時(shí)/ min 0 38 42 40

復(fù)蘇時(shí)間/ min 15 15 15 15

注射深度/ mm 0 2 2 2

注射量/ mL 0 0 0. 2 0. 2

溢出情況 無(wú) 無(wú) 無(wú) 無(wú)

暫養(yǎng) 3 周后情況 死亡 3 條 死亡 7 條 死亡 34 條 死亡 10 條

魚(yú)苗存活率 99. 5% 98. 8% 94. 3% 98. 3%

由試驗(yàn)結(jié)果可知,所有試驗(yàn)組草魚(yú)魚(yú)苗均出

現(xiàn)了死亡,可能是由于當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度過(guò)高,草魚(yú)魚(yú)

苗經(jīng)過(guò)捕撈、轉(zhuǎn)運(yùn)出現(xiàn)了損傷,經(jīng)過(guò)麻醉周轉(zhuǎn)后出

現(xiàn)了 死 亡 情 況。 人 工 注 射 組 魚(yú) 苗 存 活 率 為

94. 3%,機(jī)械自動(dòng)注射組魚(yú)苗存活率為 98. 3%,魚(yú)

苗狀態(tài)良好。 對(duì)比可知,自動(dòng)疫苗注射存活率較

人工注射提高 4 個(gè)百分點(diǎn),且有較好的擴(kuò)展性。

3. 4 討論

目前,中國(guó)草魚(yú)主要以池塘養(yǎng)殖為主,養(yǎng)殖方

式較為粗放,存在養(yǎng)殖密度高、魚(yú)病頻繁等特點(diǎn),

草魚(yú)四聯(lián)疫苗適宜注射作業(yè)[29-30]

。 因此接種疫

苗設(shè)備的研發(fā)需從節(jié)省勞動(dòng)力、作業(yè)便捷性、設(shè)備

簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度以及注射位置是否精準(zhǔn)等多方

面綜合考慮。 國(guó)內(nèi)草魚(yú)疫苗注射設(shè)備應(yīng)用較

少[31]

,如浙江大學(xué)研制的半機(jī)械化疫苗注射裝置

仍需人工持續(xù)作業(yè),而國(guó)外設(shè)備大多針對(duì)高價(jià)值

海水魚(yú)開(kāi)展, 設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜, 具體對(duì)比如表 3

所示。

表 3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有主要魚(yú)用疫苗注射裝置對(duì)比

Tab. 3 Compared with the existing main fish vaccine injection devices at home and abroad

設(shè)備名稱(chēng) 裝置主要組成 裝置優(yōu)點(diǎn) 裝置的劣勢(shì)

Masko 全自動(dòng)的魚(yú)類(lèi)疫苗注射

系統(tǒng)[ 20 ]

運(yùn)輸、 導(dǎo) 向、 分 級(jí)、 自 動(dòng) 注 射

裝置

全自動(dòng)裝置,注射效率高、注射

精準(zhǔn)、作業(yè)人員少、存活率高

造價(jià)成本高、設(shè)備龐大

比目魚(yú)疫苗自動(dòng)注射系統(tǒng)[21] 識(shí)別系統(tǒng)、注射器、運(yùn)動(dòng)控制

器、魚(yú)苗固定座

半自動(dòng)裝置、注射效率高

針對(duì)比 目 魚(yú) 注 射、 設(shè) 備

較大

浙江 大 學(xué) 半 機(jī) 械 化 疫 苗 注

射機(jī)[24 - 25] 注射主機(jī)

半機(jī)械化裝置、設(shè)備簡(jiǎn)便、可移

動(dòng)、適宜戶(hù)外作業(yè)

注射效率一般、自動(dòng)化程

度低、人工輔助作業(yè)煩瑣

草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置

輸送、 離 散、 識(shí) 別 系 統(tǒng)、 自 動(dòng)

注射

半自動(dòng)化裝置、注射效率較高、

可移動(dòng)、注射精準(zhǔn)、操作便捷

自動(dòng)化程度有待提高、無(wú)

法自動(dòng)分級(jí)

相比于表 3 的魚(yú)類(lèi)疫苗注射裝置,本研究更

加符合中國(guó)池塘養(yǎng)殖對(duì)設(shè)備便捷性、易操作性等

需求。 通過(guò)研究草魚(yú)疫苗注射策略,研發(fā)集成了

輸送、離散、識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)注射、暫養(yǎng)裝置,形成

草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置與系統(tǒng),該樣機(jī)在寧

夏賀蘭縣新明水產(chǎn)和江蘇泗陽(yáng)縣金參家庭農(nóng)場(chǎng)均

開(kāi)展了生產(chǎn)性應(yīng)用,效果良好。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種 3 工位魚(yú)用疫苗自動(dòng)注射原理

機(jī),成功完成了草魚(yú)幼苗的疫苗注射試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了

魚(yú)苗疫苗自動(dòng)連續(xù)注射。 以 100~120 mm 草魚(yú)幼

苗為研究對(duì)象,采用光視覺(jué)識(shí)別,集成魚(yú)群離散和

位姿調(diào)整、自動(dòng)注射等裝置,實(shí)現(xiàn)了草魚(yú)幼苗的輸

送、夾緊、注射針插入、藥液注射、針頭退出、載魚(yú)

板釋放后復(fù)位等疫苗注射的一系列自動(dòng)化操作。

通過(guò)生產(chǎn)性試驗(yàn),注射疫苗 3 周后存活率達(dá)到

98. 3%,存活率較人工注射提高 4 個(gè)百分點(diǎn)。 說(shuō)

明注射裝置結(jié)構(gòu)、動(dòng)作控制以及注射方法符合魚(yú)

苗生存要求,整體研發(fā)思路合理。 本研究針對(duì)疫

17

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

苗自動(dòng)注射樣機(jī)開(kāi)展了系統(tǒng)描述,后續(xù)需針對(duì)魚(yú)

苗內(nèi)部注射損傷開(kāi)展機(jī)理性分析,進(jìn)一步探究機(jī)

械動(dòng)作對(duì)魚(yú)苗的損傷情況,提高魚(yú)苗存活率。 未

來(lái)可集成吸魚(yú)泵、魚(yú)苗分級(jí)機(jī)、動(dòng)力麻醉池等裝

備,結(jié)合智能算法,開(kāi)展多邊多工位疫苗自動(dòng)注射

成套裝備研發(fā),提高設(shè)備自動(dòng)化、智能化程度,擴(kuò)

展設(shè)備應(yīng)用范圍。 □

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18

第 6 期 洪揚(yáng)等:草魚(yú)疫苗連續(xù)自動(dòng)注射裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

Design and experiment of continuous automatic injection

device for grass carp vaccine

HONG Yang

1

, ZHU Ye

1

, YANG Meng

1

, JIANG Tao

1

, WU Fan

1

, DAI Lu

1

, ZHANG Zhihao

2

(1 Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences,

Shanghai 200092, China;

2 College of Engineering,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

Abstract:The injection of grass carp vaccine mainly relies on manual injection, which has some disadvantages

such as high labor intensity, low injection efficiency, non-standard injection location and poor injection

accuracy, which seriously restricts aquaculture development . This paper analyzes the research progress of fish

vaccine injection at home and abroad, and formulates the operation strategy of automatic vaccine injection

according to the characteristics of grass carp vaccine injection. Using the head and tail orientation device, the

consistent attitude adjustment of the fry was realized. The light vision sensor was used to realize the fast

identification of the belly and the back of the fish and the automatic allocation of the injection station. A rotary

fishing rod was designed, and the stress and speed changes in the fishing process were simulated by LS-DYNA

dynamic simulation. The technology of flexible fixation and rapid injection of the fish body was studied, and

the automatic injection device of the vaccine was designed to complete a series of actions of flexible press,

injection and return in sequence. The technical problems such as the inconsistency of body shape, the

automatic assignment of the station and the speed matching of rotating fish were solved. Based on the above

technology, a continuous automatic injection device for grass carp vaccine was designed, and a prototype for

automatic injection of the vaccine was developed. Through the production experiment, the young grass carp

100 -120 mm long was selected as the object of automatic injection. The results showed that the output of the

automatic injection device was about 900 fish / h. The survival rate of juvenile fish within 3 weeks after

injection was 98. 3%, was 4% higher than that of artificial vaccine injection. The research results can realize

efficient continuous injection of grass carp seedlings, improve the automation level of aquaculture equipment,

and have a reference significance for continuous injection of fusiform fish seedlings, with high application value

and economic benefits.

Key words:automatic injection;vaccine of grass carp;vaccination;aquaculture machines

19

第 51 卷第 6 期 漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 003 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

唐元龍,謝迎春,袁昊訓(xùn),等. 聚乙烯網(wǎng)衣破損因素下的水動(dòng)力特性與流場(chǎng)模擬[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化,2024,51(6):20-30.

收稿日期:2024-05-22

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52471352)

作者簡(jiǎn)介:唐元龍(2000—),男,碩士研究生,研究方向:網(wǎng)箱網(wǎng)衣水動(dòng)力特性分析等。 E-mail:21220911054@ stu. ouc. edu. cn

通信作者:謝迎春(1977—),女,教授、博士生導(dǎo)師,研究方向:新能源船舶安全性、船舶與海洋裝備環(huán)境適應(yīng)性等。 E-mail:xieyc@ ouc. edu. cn

聚乙烯網(wǎng)衣破損因素下的水動(dòng)力特性與流場(chǎng)模擬

唐元龍,謝迎春,袁昊訓(xùn),李相坤

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東,青島 266100)

摘要:海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱網(wǎng)衣的完整性對(duì)于維護(hù)養(yǎng)殖效率和生態(tài)平衡至關(guān)重要。 破損的網(wǎng)衣不僅會(huì)降低性能,還

可能引起養(yǎng)殖生物逃逸,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的雙重?fù)p失。 為評(píng)估網(wǎng)衣破損對(duì)水動(dòng)力特性及流場(chǎng)的影響,并探索

損傷的初步定位和嚴(yán)重性評(píng)估方法,以指導(dǎo)網(wǎng)箱維護(hù)策略?xún)?yōu)化,建立了基于 ANSYS Workbench 的單向流固

耦合數(shù)值模型,流體域中模擬網(wǎng)衣周?chē)牧鲌?chǎng),同時(shí)將網(wǎng)衣表面所受壓力等數(shù)據(jù)傳遞到固體域,計(jì)算網(wǎng)衣在

流體載荷作用下的變形和應(yīng)力分布,獲得了不同破損程度網(wǎng)衣在 0. 1 ~ 1 m/ s 流速下的流場(chǎng)特性及動(dòng)力響

應(yīng)。 結(jié)果顯示:網(wǎng)衣阻力與流速呈二次方增長(zhǎng)關(guān)系,破損程度的增加導(dǎo)致阻力下降,尤其在破損較大時(shí)阻力

減小顯著。 流速衰減率在不同破損程度下相對(duì)穩(wěn)定,表明網(wǎng)衣破損對(duì)整體流速衰減率的影響有限。 在

0. 5 m/ s 流速條件下,破損網(wǎng)衣對(duì)前方流速衰減區(qū)影響有限,但破損使得網(wǎng)線間流速加快現(xiàn)象更明顯,對(duì)后

方流速衰減區(qū)造成顯著干擾。 網(wǎng)衣整體的最大變形與最大應(yīng)力并未因破損程度的增加而顯著變化,但破損

區(qū)域附近的應(yīng)力有明顯增大。 該研究不僅增進(jìn)了對(duì)網(wǎng)衣水動(dòng)力特性的理解,而且為海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)、性

能評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理提供了重要的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞:破損網(wǎng)衣; 水動(dòng)力特性; 流固耦合; 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào):S 967;S 969 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1007-9580(2024)06-0020-011

隨著全球?qū)Ｑ筚Y源可持續(xù)利用需求的增

加,海水養(yǎng)殖業(yè)作為提供優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的重要途徑,

發(fā)展受到了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。 網(wǎng)衣作為海水

養(yǎng)殖網(wǎng)箱的關(guān)鍵組成部分,在海洋環(huán)境中的完整

性對(duì)養(yǎng)殖效率和生態(tài)安全具有重要影響[1]

,聚乙

烯(Polyethylene, PE) 網(wǎng)衣因其出色的水動(dòng)力學(xué)

性能和成本效益被廣泛使用。 海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱網(wǎng)衣

在持續(xù)的海洋環(huán)境中運(yùn)作時(shí),難免會(huì)遭受磨損、撕

裂或其他形式的損傷。 這些破損雖然起初看微

小,但其潛在的影響不容忽視。一方面,即使是小

規(guī)模的破損也可能相互影響,顯著改變網(wǎng)箱內(nèi)部

的水流模式,不僅會(huì)降低養(yǎng)殖效率,還可能對(duì)魚(yú)類(lèi)

等養(yǎng)殖生物的生活環(huán)境造成不利影響。 另一方

面,逐漸累積嚴(yán)重的破損可能導(dǎo)致養(yǎng)殖生物逃逸,

不僅會(huì)給養(yǎng)殖者帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)損失,還可能對(duì)

當(dāng)?shù)睾Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)造成不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。 因此,

對(duì)破損網(wǎng)衣的水動(dòng)力特性和流場(chǎng)特性進(jìn)行深入分

析,不僅對(duì)于理解破損對(duì)養(yǎng)殖效率的具體影響至

關(guān)重要,而且對(duì)于開(kāi)發(fā)有效的預(yù)防和修復(fù)策略、提

高養(yǎng)殖網(wǎng)箱的耐久性和安全性同樣重要。

在當(dāng)前的海洋工程研究中,網(wǎng)衣水動(dòng)力特性

的分析主要采用物模試驗(yàn)以及數(shù)值模擬兩種方

法。 物模試驗(yàn)是驗(yàn)證理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果的

重要手段,其主要依據(jù)是由田內(nèi)森三郎[2]

1934 年

提出的田內(nèi)相似準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則最初適用于拖網(wǎng)網(wǎng)

衣,后由顧惠庭[3]

、李玉成等[4] 和桂福坤等[5] 對(duì)

該理論進(jìn)行了校正,使其更適用于網(wǎng)箱網(wǎng)衣。 在

數(shù)值模擬方面,李玉成等[6]

、黃小華等[7-8] 和陳天

華等[9]采用了集中質(zhì)量彈簧法,將網(wǎng)線簡(jiǎn)化為彈

簧與兩端的質(zhì)量點(diǎn),對(duì)網(wǎng)衣在水流作用下的動(dòng)態(tài)

特性 進(jìn) 行 了 深 入 研 究。 劉 航 飛 等[10]

、 李 金 鑫

等[11]以及徐克品等[12] 等將網(wǎng)衣簡(jiǎn)化為桁架單

元,并運(yùn)用莫里森公式分析了網(wǎng)衣在波浪和流載

荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 此外,苗玉基等[13] 和 Cheng

第 6 期 唐元龍等:聚乙烯網(wǎng)衣破損因素下的水動(dòng)力特性與流場(chǎng)模擬

等[14]則采用 Screen 屏模型方法,將密實(shí)度作為網(wǎng)

衣的特征尺寸進(jìn)行水動(dòng)力的計(jì)算,試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

了屏模型在網(wǎng)衣水動(dòng)力分析中的準(zhǔn)確性。 Wang

等[15]又考慮了網(wǎng)片的不同粗糙度和更多幾何參

數(shù),建立了優(yōu)化后的屏模型理論,可以更好地預(yù)測(cè)

不同類(lèi)型和尺寸網(wǎng)片在不同來(lái)流速度下的拖力和

升力系數(shù)。 另一方面,為了研究網(wǎng)衣對(duì)流場(chǎng)特性

的影響,Patursson 等[16]

、趙云鵬等[17]

、Yang 等[18]

和陳誠(chéng)等[19]通過(guò)將網(wǎng)衣簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型,模

擬其對(duì)流場(chǎng)的阻攔作用,并建立了在極端波浪下

的網(wǎng)衣阻力預(yù)報(bào)模型;Xu 等[20]

、Chen 等[21]

、徐子

鳴等[22] 和 Tang 等[23] 則是將流固耦合的計(jì)算方

法使用在網(wǎng)衣水動(dòng)力特性研究中,在流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)

模塊之間進(jìn)行迭代求解,為模擬網(wǎng)衣與流場(chǎng)的相

互作用提供了精確的計(jì)算框架。 上述研究不僅豐

富了網(wǎng)衣水動(dòng)力特性相關(guān)的成果,也為海水養(yǎng)殖

網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐

基礎(chǔ)。

現(xiàn)有研究主要關(guān)注了完整網(wǎng)衣的性能和行

為,而對(duì)破損網(wǎng)衣的探討則相對(duì)較少,其中袁胤

楨[25]

、郭鐵錚等[26] 以及 Liao 等[27]

、Labra 等[28]

和 Betancourt 等[29]基于深度學(xué)習(xí)以及機(jī)器視覺(jué)技

術(shù),開(kāi)發(fā)了包括網(wǎng)衣破損檢測(cè)、狀態(tài)評(píng)估以及水下

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)等方法,用于提升水產(chǎn)養(yǎng)殖中網(wǎng)衣

破損的檢測(cè)準(zhǔn)確性和評(píng)估效率。 但對(duì)于破損網(wǎng)衣

在實(shí)際水動(dòng)力環(huán)境中的行為和影響的探討仍然不

足,這可能是因?yàn)槠茡p網(wǎng)衣的水動(dòng)力研究面臨包

括破損類(lèi)型的廣泛性、檢測(cè)方法的復(fù)雜性以及研

究結(jié)果應(yīng)用受限等多種挑戰(zhàn)。 盡管如此,破損網(wǎng)

衣的水動(dòng)力特性和流場(chǎng)特性與完整網(wǎng)衣相比確實(shí)

存在差異,這些差異對(duì)海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)和風(fēng)

險(xiǎn)評(píng)估具有潛在的影響。

本研究通過(guò)建立基于 ANSYS Workbench 的

單向流固耦合模塊的數(shù)值模型,分析不同破損情

況下的平面聚乙烯網(wǎng)衣的水動(dòng)力特性及其對(duì)流場(chǎng)

的影響,以期為海水養(yǎng)殖網(wǎng)箱的設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 數(shù)值模型及基礎(chǔ)理論

1. 1 流體控制方程和湍流模型

水為不可壓縮的牛頓流體,其流動(dòng)被模擬為

帶有黏性的非定常邊界層湍流。 使用 ANSYS

Fluent 中的經(jīng)典有限體積法求解三維不可壓縮流

體雷諾平均納維-斯托克斯 Reynolds -Averaged

Navier-Stokes(RANS) 方程求解控制方程。 由于

流體是單一組分且不涉及熱交換,因此使用質(zhì)量

和動(dòng)量守恒定律來(lái)描述流體運(yùn)動(dòng)的變化。

?u

i

?x

i

= 0 (1)

?ρu

i

?t

+

? ρuiuj

( )

?xj

= -

?P

?xi

+ ρgi

+

?

?xj

(μ +

μt)

?ui

?xj

+

?uj

?xi

( ) + Si (2)

式中:ui 和 uj 分別表示沿 xi 和 xj 方向的速度分

量(m / s);t 表示時(shí)間( s);ρ 表示流體密度( kg /

m

3

);P 表示壓強(qiáng)(Pa),μ 表示動(dòng)力黏度(Pa·s),

μt 表示湍流渦動(dòng)黏度(Pa·s);gi 表示重力加速

度(m / s

2

);Si 表示作用在網(wǎng)衣上的水阻力(N)。

選用 k-ω Shear Stress Transport(k-ω SST)湍

流模型來(lái)捕捉流場(chǎng)中的湍流效應(yīng)。 該模型結(jié)合了

k-ε 模型和 k-ω 模型的優(yōu)點(diǎn),能夠自動(dòng)在主流區(qū)

和近壁區(qū)之間切換,可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)網(wǎng)衣表面

的流速分布和流體對(duì)網(wǎng)衣的沖擊力。 描述的方

程為:

?(ρk)

?t

+

?(ρkui)

?xi

=

?

?xj

Γk

?k

?xj

é

?

ê

ê

ù

?

ú

ú

+ Gk

+ Gb

-

Yk

- YM

+ Sk (3)

?(ρω)

?t

+

?(ρωui)

?xi

=

?

?xj

Γω

?ω

?xj

é

?

ê

ê

ù

?

ú

ú

+ Gω

- Yω

+

Dω

+ Sω (4)

式中:ρ 表示流體密度(kg / m

3

);t 表示時(shí)間( s);k

表示湍流動(dòng)能(m

2

/ s

2

);ω 表示比耗散率( s

-1

);ui

和 uj 分別表示沿 xi 和 xj 方向的速度分量(m / s);

Γk 和 Γω 分別是 k 和 ω 的有效擴(kuò)散率;Gk 和 Gω

分別表示由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能和比耗

散率的生成項(xiàng);Yk 和 Yω 分別表示 k 和 ω 的湍流

耗散項(xiàng);Dω 表示交叉擴(kuò)散項(xiàng);Sk 和 Sω 表示源項(xiàng)。

在計(jì)算前,需要對(duì)本研究所使用的 k-ω SST

湍流模型進(jìn)行初始化,并對(duì)水槽模型邊界處的湍

流強(qiáng)度 I 進(jìn)行定義:

I =

4

25

ReDH

(5)

式中:ReDH為基于水槽水力直徑的雷諾數(shù),可由

21

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

式(6)和式(7)定義:

DH

=

4AC

Pω

(6)

ReDH

=

UDH

ν

(7)

其中:DH 為水力直徑(m);AC 為水槽的橫截面積

(m

2

);Pω 為水槽橫截面積的濕周長(zhǎng)(m);U 為特

征流速(m / s);ν 為流體的動(dòng)態(tài)黏性(m

2

/ s)。

控制方程通過(guò)使用三維壓力基礎(chǔ)的納維-斯

托克斯求解器來(lái)求解。 使用半隱式方程組求解器

(SIMPLEC)算法來(lái)計(jì)算壓力-速度耦合。 壓力、

動(dòng)量、湍流動(dòng)能和湍流耗散率的離散化方案采用

二階迎風(fēng)格式進(jìn)行。 當(dāng)所有殘差減少到小于

0. 001 時(shí),假定解已經(jīng)收斂。

1. 2 非線性有限元結(jié)構(gòu)模型

網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的變形分析采用考慮大變形的非線

性結(jié)構(gòu)模型。 使用具有 6 個(gè)自由度的梁?jiǎn)卧獊?lái)模

擬網(wǎng)衣的網(wǎng)線單元,這些單元通過(guò)可旋轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)

連接(即節(jié)點(diǎn)不能承受彎矩),以捕捉網(wǎng)衣在水流

作用下的大變形行為。 結(jié)構(gòu)模型的控制方程基于

虛功原理和牛頓第二定律,采用 Newton-Raphson

方法求解,具體動(dòng)力學(xué)方程如下:

[M]

¨δ + ([K]L

+ [K] NL )δ = R + Δt + F (8)

式中:[M]表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;

¨δ 表示節(jié)點(diǎn)的加

速度向量;[K]L 為線性剛度矩陣;[K] NL 為非線

性剛度矩陣;δ 為節(jié)點(diǎn)位移向量(m);R 為外部載

荷向量,包括水動(dòng)力、浮力和重力;Δt 為時(shí)間步長(zhǎng)

(s);F 為描述等效于單元應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)力。

根據(jù) Mikkola

[24] 描述的模型,線性和非線性

剛度矩陣可以描述如下:

[K]L

= [K]L0

+ [K]L1 (9)

[K]L0

= ∫

V

[B′]L0 [C][B]L0 dv (10)

[K]L1

= ∫

V

[B′]L0 [C][B]L1 dv +

∫

V

[B′]L1[C][B]L0 dv + ∫

V

[B′]L1[C][B]L1 dv (11)

[K] NL

= ∫

V

[B′] NL [S][B]L0 dv (12)

F = ∫

V

[B′]L [

^S][B]L0 dv (13)

式中: [ K]L0 是線性結(jié)構(gòu)剛 度 矩 陣 的 初 始 值;

[K]L1 是經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算的線性結(jié)構(gòu)剛度矩陣

[B′]L ;[B′] NL 是線性及非線性應(yīng)變-位移變換矩

陣;[ C] 是材料的本構(gòu)矩陣; [ S]、 [

^S] 是二階

Piola-Kirchhoff 的應(yīng)力矩陣和向量。

1. 3 流固耦合模型

流固耦合(Fluid-Structure Interaction,FSI)描

述了流體與固體結(jié)構(gòu)間的相互作用,數(shù)值模擬中

分為直接耦合和間接耦合兩種方法。 直接耦合,

或稱(chēng)緊密耦合,同步進(jìn)行流體與固體的計(jì)算,確保

了物理場(chǎng)間的即時(shí)相互作用,但計(jì)算成本較高。

間接耦合,又稱(chēng)松耦合,分步計(jì)算流體與固體結(jié)

構(gòu),降低了計(jì)算成本,適用于流體對(duì)固體影響顯著

的情況。

在本研究中,由于網(wǎng)衣變形較小,因此忽略了

結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的反饋,采用了間接耦合中的

單向流固耦合方法。 其流程如圖 1 所示,流體域的

計(jì)算使用 ANSYS Fluent 軟件,通過(guò)有限體積法求

解三維不可壓縮流體的 RANS 方程,結(jié)合 k-ω SST

湍流模型,模擬網(wǎng)衣周?chē)牧黧w流動(dòng),計(jì)算得到網(wǎng)

衣表面所受壓力等數(shù)據(jù),并將其傳遞到固體域計(jì)算

模塊。 而固體域的計(jì)算使用 ANSYS Mechanical 結(jié)

構(gòu)模塊,利用非線性有限元方法,模擬計(jì)算網(wǎng)衣在

流體載荷作用下的變形和應(yīng)力分布。

















a 









a 

a

afl



圖 1 單向流固耦合計(jì)算流程圖

Fig. 1 One-way fluid-structure interaction computational flowchart

2 數(shù)值模擬設(shè)置及驗(yàn)證算例

2. 1 邊界條件和計(jì)算網(wǎng)格

在本研究中,為了模擬實(shí)際的流場(chǎng)環(huán)境,構(gòu)建

22

第 6 期 唐元龍等:聚乙烯網(wǎng)衣破損因素下的水動(dòng)力特性與流場(chǎng)模擬

了一個(gè)尺寸為長(zhǎng) 10 m、寬 1. 2 m、高 1 m 的數(shù)值水

槽模型。 該模型采用右手坐標(biāo)系,其中坐標(biāo)原點(diǎn)

精確定位于網(wǎng)衣正下方的水槽底面中心,網(wǎng)衣與

底面的距離設(shè)定為 3. 5 m。 在該坐標(biāo)系中,x 軸的

正方向被定義為水流的流向,y 軸指向豎直向上,

而 z 軸則在水平面上與流向垂直。

如圖 2 所示,數(shù)值水槽的邊界條件包括:速

度入口邊界 inlet,壓力出口邊界 outlet 以及被視

為光滑壁面的底部,頂部和兩側(cè)壁面以及流體-結(jié)

構(gòu)交界面。

5 000 mm 5 000 mm 1 200 mm

1 000 mm

圖 2 流體域與邊界條件

Fig. 2 Fluid domain and boundary conditions

流體域的網(wǎng)格劃分采用了四面體網(wǎng)格,如圖 3

所示,為確保在流體—結(jié)構(gòu)交界面附近能夠精確捕

捉網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的影響,在該區(qū)域使用了較精細(xì)

的網(wǎng)格,目標(biāo)尺寸為 1 mm,最大尺寸為 10 mm。 特

別在交界面處,定義了一個(gè)具有 1. 2 增長(zhǎng)率和 10

層厚度的邊界層網(wǎng)格。 考慮到流動(dòng)的低雷諾數(shù)特

性,并為了滿(mǎn)足 k-ω SST 湍流模型對(duì)邊界層網(wǎng)格的

特定要求,在邊界層設(shè)置了最大 y+值為 15。

圖 3 流體域網(wǎng)格劃分

Fig. 3 Fluid domain meshing

網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)為方形網(wǎng)目,四周與框架

相連,并施加了固定支撐的邊界條件。 如圖 3 所

示,對(duì)于大變形非線性有限元模型,同樣采用了完

全四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

2. 2 模型與驗(yàn)證算例

在本研究中,參考文獻(xiàn)[30-31] 以及查閱相關(guān)資

料中的實(shí)際破損網(wǎng)衣圖片,選擇了 4 種不同程度

的微小破損類(lèi)型來(lái)構(gòu)建網(wǎng)衣模型以模擬海洋養(yǎng)殖

中可能遇到的實(shí)際情況,如圖 4 所示,這些破損

類(lèi)型包括:單個(gè)網(wǎng)結(jié)上的單條網(wǎng)線及兩條網(wǎng)線斷

裂(N1、N2),作為破損的極微小形式;單一網(wǎng)結(jié)

全部四條網(wǎng)線的斷裂(N3),反映了更廣泛的微小

損傷;以及 4 個(gè)網(wǎng)結(jié)周?chē)W(wǎng)線的斷裂(N4),作為

微小破損中較為嚴(yán)重的情形。 這些類(lèi)型代表了網(wǎng)

23

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

衣在使用過(guò)程中可能逐漸發(fā)展的微小損傷,通過(guò)

模擬這些不同程度的微小破損,可以在損傷變得

嚴(yán)重之前識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn),并為早期干預(yù)提供數(shù)

據(jù)支持。 為了減少計(jì)算工況,同時(shí)也能更好地獲

得網(wǎng)衣中心及邊緣處的變形、應(yīng)力等隨破損程度

的變化情況,考慮到平面網(wǎng)衣的對(duì)稱(chēng)性,破損位置

被設(shè)置在網(wǎng)衣 1 / 4 區(qū)域中,同時(shí)忽略了破損后的

殘留網(wǎng)線,對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

數(shù)值模擬所用的網(wǎng)衣模型具體參數(shù)如表 1

所示,其中聚乙烯 PE 作為網(wǎng)衣材料,密度為 920

g / cm

3

,彈性模量為 850 MPa,泊松比為 0. 4。

圖 4 網(wǎng)衣破損情況數(shù)值模型

Fig. 4 Net model and damage locations

表 1 網(wǎng)衣參數(shù)

Tab. 1 Netting parameters

網(wǎng)衣編號(hào)

網(wǎng)目大小

l/ mm

網(wǎng)線直徑

d / mm

材料 破損位置

N1 50 3. 2 PE 無(wú)

N2 50 3. 2 PE ①

N3 50 3. 2 PE ①②

N4 50 3. 2 PE ①②③

N5 50 3. 2 PE ①②③④

N0 模型作為驗(yàn)證算例,參數(shù)如表 2 所示,在

90°攻角下計(jì)算其在 0. 1 ~ 1. 0 m / s 流速下受到的

阻力大小,與 Zou 等[32] 的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)

比,結(jié)果如圖 5 所示,相對(duì)誤差控制在 8%以?xún)?nèi),滿(mǎn)

足了計(jì)算精度的要求,并驗(yàn)證了所采用的單向流

固耦合數(shù)值方法的可行性。

表 2 驗(yàn)證算例網(wǎng)衣參數(shù)

Tab. 2 Verification case netting parameters

網(wǎng)衣編號(hào)

網(wǎng)目大小

l/ mm

網(wǎng)線直徑

d / mm

密實(shí)度

Sn

材料 破損位置

N0(驗(yàn)證) 60. 00 3. 20 0. 103 PE 無(wú)

Zou 等[32]

60. 01 3. 19 0. 103 PE 無(wú)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

-



B



#Fv/(m/s)

-B

圖 5 對(duì)應(yīng)流速下 N0 網(wǎng)衣阻力相對(duì)誤差

Fig. 5 Relative error of resistance for N0 netting at

corresponding flow velocities

3 結(jié)果與討論

3. 1 阻力與流場(chǎng)分析

根據(jù)圖 6 破損網(wǎng)衣阻力隨流速變化曲線所

示,網(wǎng)衣所受的阻力隨著流速的增加呈現(xiàn)出顯著

的二次方增長(zhǎng)關(guān)系。

0.0

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

N1

N2

N3

N4

N5

16.5

16.0

15.5

15.0

14.5

14.0

13.5 0.90 0.95 1.00 1.05

Fd/N

v/(m/s)

圖 6 破損網(wǎng)衣阻力隨流速變化曲線

Fig. 6 Curve of resistance variation of damaged netting

with flow velocity

24

第 6 期 唐元龍等:聚乙烯網(wǎng)衣破損因素下的水動(dòng)力特性與流場(chǎng)模擬

這一現(xiàn)象符合流體動(dòng)力學(xué)中關(guān)于阻力與流速

關(guān)系的基本理論。 在流速保持恒定的條件下,隨

著網(wǎng)衣的破損程度增加,阻力呈現(xiàn)下降趨勢(shì),盡管

這一變化在初期并不顯著,但是當(dāng)網(wǎng)衣破損程度

較大如 N5,且流速增至 1 m / s 時(shí),阻力的減小變

得較為明顯。 其中破損導(dǎo)致的迎流面積減少應(yīng)該

是網(wǎng)衣所受阻力變化的主要原因。

圖 7 展示了在流速 v = 0. 5 m / s 條件下,于切

片位置 z = 0. 65 m 處的 N1 ~ N5 網(wǎng)衣速度分布的

云圖。

0.5

0.0

-0.5

0.5

0.0

-0.5

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0





[/m





[/m





[/m





[/m





[/m

N1

velocity-magnitude

0.32

0.36

0.44

0.50

0.58

0.80

0.5

0.0

-0.5

0.5

0.0

-0.5

0.5

0.0

-0.5

N3

N5

N2

N4

Y/m 

Y/m



圖 7 0. 5 m / s 流速下破損網(wǎng)衣 N1~N5 在 y = 0. 65 m 平面的速度分布圖

Fig. 7 Velocity distribution diagram of damaged netting N1-N5 at y = 0. 65 m plane under 0. 5 m/ s flow velocity

觀察圖 7 可知,網(wǎng)衣前方存在較小的流速衰

減區(qū),隨著破損程度的增加,該區(qū)域所受的影響相

對(duì)有限。 網(wǎng)衣的網(wǎng)線之間由于繞流效應(yīng)有著明顯

的流速加快的現(xiàn)象,破損的出現(xiàn)使得多個(gè)流速增

大區(qū)合并,對(duì)網(wǎng)衣后方的較大流速衰減區(qū)造成了

顯著的干擾,使得破損區(qū)域尾流速度明顯高于周

圍,直到流場(chǎng)較遠(yuǎn)處如 2. 5 m。

圖 8 則進(jìn)一步展示了在該云圖下, 沿 y =

-0. 125 m(即破損區(qū)域中心直線)的流速變化曲

線。 通過(guò)這一圖像,可以清晰地觀察到網(wǎng)衣前后

的流速變化情況,并分析這些現(xiàn)象與網(wǎng)衣破損程

度的關(guān)系。

網(wǎng)衣前方存在一個(gè)明顯的流速衰減區(qū),這是

由網(wǎng)衣對(duì)水流的阻擋作用造成的,同時(shí)網(wǎng)線之間

還存在著由于繞流現(xiàn)象而流速快速增加的區(qū)域。

當(dāng)網(wǎng)衣出現(xiàn)破損時(shí),如圖 8 局部放大圖所示,流速

衰減區(qū)會(huì)隨著破損程度的增大而受到抑制,使得

流速稍微上升;流速增加區(qū)同樣受到抑制,使得最

大速度隨著破損程度增大而減小。

可以將網(wǎng)衣后方的流速分布劃分為兩個(gè)關(guān)鍵

區(qū)域以便分析:0 ~ 1 m 范圍內(nèi)和 1 m 之后區(qū)域。

在 0~1 m 范圍內(nèi),隨著網(wǎng)衣破損程度的加劇,流

速衰減的程度被明顯抑制,其中在破損較為嚴(yán)重

的 N5 網(wǎng)衣情況下,該區(qū)域流速最高為 0. 508 m /

s,非常接近未衰減的上游流速 0. 514 m / s。

在 1 m 之后的區(qū)域,流場(chǎng)的演變開(kāi)始顯著地

受到周?chē)擦鞯挠绊?各破損網(wǎng)衣的流速曲線在

1 m 處快速下降,隨后又與 N1 曲線同步開(kāi)始緩慢

上升,整體表現(xiàn)出一種向 N1 曲線靠近的趨勢(shì)。

對(duì)于輕微至中等破損的網(wǎng)衣(N2 ~ N4),流速曲線

在大約 3 m 的位置開(kāi)始與未破損的 N1 網(wǎng)衣的流

速曲線趨于一致,顯示出流場(chǎng)在短距離內(nèi)就能調(diào)

整并平衡破損造成的影響。 然而,對(duì)于破損程

度較大的網(wǎng)衣(N5) ,即便在流場(chǎng)發(fā)展到本研究

25

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

考察的最大距離 5 m 時(shí),其流速曲線與 N1 曲線

之間依然存在顯著差異。 這表明嚴(yán)重破損的網(wǎng)

衣需要更長(zhǎng)的流動(dòng)距離來(lái)實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的自我恢復(fù)

和平衡。

圖 8 0. 5 m / s 流速下破損網(wǎng)衣沿破損位置直線的速度分布曲線

Fig. 8 Velocity distribution curve along the damaged position line of the netting at 0. 5 m/ s flow velocity

流速衰減率(vr)是衡量水流通過(guò)網(wǎng)衣后流速

降低程度的關(guān)鍵指標(biāo)[32]

,定義為網(wǎng)下游 1 m 處的

中心流速( u1 ) 與來(lái)流流速( u0 ) 的差值與 u0 的

比值:

vr

=

u0

- u1

u0

× 100% (14)

在本研究中,鑒于網(wǎng)衣破損主要設(shè)置在網(wǎng)衣

左上角區(qū)域,分別對(duì)破損位置和中心區(qū)域的流速

衰減率進(jìn)行測(cè)量對(duì)比,以精確評(píng)估破損對(duì)其的影

響,結(jié)果如圖 9 所示。 從整體上看,兩處位置的流

速衰減率均隨流速增加而降低,如 N1 網(wǎng)衣的流

速衰減率在隨著流速的增加從 3. 65%和 3. 44%

下降至 3. 01%和 3. 12%。

當(dāng)流速一定時(shí),破損位置測(cè)得的流速衰減率

隨著破損程度的增加有著顯著的降低,由 3. 0%

左右降至 0. 5% ~ 1%之間,而中心位置的流速衰

減率則相對(duì)穩(wěn)定,與未破損的 N1 相比無(wú)顯著變

化,說(shuō)明破損對(duì)于周邊區(qū)域的流速衰減影響極小。

此外,對(duì)于 N3~ N5 網(wǎng)衣,中心位置的流速衰

減率在各流速條件下均有所上升。 這可能是由于

破損區(qū)域水阻力大幅減少使得流速增大,吸引了

周?chē)黧w向破損區(qū)域集中,從而影響了整體流場(chǎng)

的流速分布,導(dǎo)致了測(cè)點(diǎn)處的流速進(jìn)一步下降。

由此可見(jiàn),如果流速的測(cè)量不在破損區(qū)域的直接

影響范圍內(nèi),流速衰減率可能不足以敏感地反映

網(wǎng)衣的破損狀態(tài)。 這意味著依賴(lài)流速衰減率作為

評(píng)估網(wǎng)衣完整性的指標(biāo)可能需要更加廣泛的測(cè)量

位置。

圖 9 破損網(wǎng)衣流速衰減率隨流速變化圖

Fig. 9 Graph of flow velocity attenuation rate of damaged

netting as a function of flow velocity

3. 2 變形與應(yīng)力分析

對(duì)網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)在不同流速(0. 5 m/ s、0. 7 m/ s 和

1 m/ s)下的整體變形與應(yīng)力進(jìn)行了分析。 圖 10 展

示了 N1~N5 網(wǎng)衣在上述流速下的最大變形與最大

應(yīng)力變化情況。 結(jié)果顯示,隨著破損程度的增加,

網(wǎng)衣整體的最大變形與最大應(yīng)力并未受到顯著影

26

第 6 期 唐元龍等:聚乙烯網(wǎng)衣破損因素下的水動(dòng)力特性與流場(chǎng)模擬

響,這可能與網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有關(guān)。

圖 10 不同流速下破損網(wǎng)衣最大變形與最大

應(yīng)力曲線

Fig. 10 Curves of maximum deformation and maximum stress

of damaged netting at different flow velocities

為了深入探究破損區(qū)域?qū)χ車(chē)冃闻c應(yīng)力的

具體影響,選取了 0. 5 m / s 流速條件下,破損區(qū)域

相鄰的兩條相互垂直的網(wǎng)線 l

1 和 l

2 進(jìn)行詳細(xì)的

變形與應(yīng)力采樣,采樣位置如圖 11 所示,圖 12 和

圖 13 則分別展示了這兩條網(wǎng)線上各位置的變形

與應(yīng)力隨破損程度的變化曲線。

l

l

圖 11 應(yīng)力與變形采樣位置示意圖

Fig. 11 Schematic diagram of stress and deformation

sampling positions

圖 12 的分析結(jié)果揭示了 l

1 和 l

2 網(wǎng)線的變形

情況與整體最大變形的趨勢(shì)相似,在破損程度較

小時(shí),變形變化不顯著,但在破損程度較大時(shí),臨

近破損位置的網(wǎng)線變形有所增大。 這可能是由于

破損區(qū)域的結(jié)構(gòu)完整性受損,導(dǎo)致周?chē)W(wǎng)線承受

更多的流體動(dòng)力,從而在水流作用下產(chǎn)生更大的

變形。

圖 12 破損網(wǎng)衣 l

1 、l

2 變形變化曲線

Fig. 12 Deformation change curves of l

1

and l

2

in

damaged netting

圖 13 中的應(yīng)力分布曲線顯示,未破損網(wǎng)衣

(N1)的網(wǎng)線應(yīng)力分布呈現(xiàn)典型的“W”形態(tài),兩側(cè)

由于與 固 定 框 架 相 連 而 出 現(xiàn) 應(yīng) 力 峰 值, 達(dá) 到

0. 16 MPa,隨著向中心靠近時(shí)應(yīng)力迅速降低至

0. 02 MPa,然后又緩慢上升,最終在中心處達(dá)到

0. 06 MPa。 在應(yīng)力曲線上,除了主要的峰值外,

還可以觀察到多個(gè)次級(jí)小峰值,它們主要分布在

網(wǎng)線的節(jié)點(diǎn)之間。 破損的出現(xiàn)對(duì)兩端的應(yīng)力峰值

影響不大,但在破損位置附近區(qū)域內(nèi) ( 橫坐標(biāo)

50~ 175 mm) 的網(wǎng)線,應(yīng)力值相比未破損狀態(tài)有

了一個(gè)明顯的增長(zhǎng),漲幅在 24. 85 % ~ 31. 20 %之

27

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

間。 此外,破損對(duì)節(jié)點(diǎn)間的小峰值點(diǎn)也產(chǎn)生了顯

著影響。 隨著破損程度的增加,靠近破損區(qū)域的

小峰值點(diǎn)的應(yīng)力值增加了 11. 40 % ~ 30. 60 %。

值得注意的是,即使位于網(wǎng)衣另一側(cè)、遠(yuǎn)離破損點(diǎn)

的峰值點(diǎn),其應(yīng)力值也變得更加顯著,這表明破損

對(duì)整個(gè)網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布具有廣泛的影響。

圖 13 破損網(wǎng)衣 l

1 、l

2 應(yīng)力變化曲線

Fig. 13 Stress variation curves of l

1

and l

2

in damaged netting

4 結(jié)論與展望

本研究通過(guò)應(yīng)用單向流固耦合數(shù)值模型,對(duì)

不同破損程度的平面網(wǎng)衣在不同流速環(huán)境下的水

動(dòng)力特性和流場(chǎng)特性進(jìn)行了深入分析。 結(jié)果揭示

了網(wǎng)衣破損會(huì)導(dǎo)致阻力降低,當(dāng)破損程度較大時(shí)

減少更為顯著;同時(shí),破損還會(huì)引起破損區(qū)域后方

局部流速的顯著增加,進(jìn)而導(dǎo)致流場(chǎng)速度分布的

整體改變;并且,破損區(qū)域附近網(wǎng)線的應(yīng)力顯著增

加,各節(jié)點(diǎn)附近的應(yīng)力峰值點(diǎn)變得更加突出。 這

些結(jié)論揭示了網(wǎng)衣完整性對(duì)維持水動(dòng)力性能和流

場(chǎng)穩(wěn)定性的重要性,并可通過(guò)綜合分析流場(chǎng)和結(jié)

構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估海水養(yǎng)殖網(wǎng)衣的損傷狀態(tài)。 本

研究為改進(jìn)網(wǎng)箱的維護(hù)策略、增強(qiáng)網(wǎng)衣的耐用性

以及保障養(yǎng)殖作業(yè)安全提供了實(shí)用的理論支持。

未來(lái)的研究將進(jìn)一步完善網(wǎng)衣破損模型,考慮不

同破損位置以及破損后殘留網(wǎng)線的具體影響,并

探索雙向流固耦合方法以更真實(shí)地模擬網(wǎng)衣在水

流作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)增強(qiáng)模型的準(zhǔn)確性。

□

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characteristics and flow field around knotless polyethylene netting

based on fluid structure interaction (FSI) one-way coupling[J].

Aquaculture and Fisheries, 2022, 7(1): 89-102.

29

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

Hydrodynamic characteristics and flow field simulation study under

the damage factors of polyethylene netting

TANG Yuanlong, XIE Yingchun, YUAN Haoxun, LI Xiangkun

(School of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266404, Shandong, China)

Abstract:The integrity of the netting in aquaculture cages is crucial for maintaining farming efficiency and

ecological balance. Damaged netting reduces performance and may lead to the escape of cultured organisms,

resulting in both economic and ecological losses. To assess the impact of netting damage on hydrodynamic

characteristics and flow fields, and to explore preliminary methods for damage localization and severity

assessment to guide the optimization of cage maintenance strategies, a unidirectional fluid-structure interaction

numerical model based on ANSYS Workbench has been established. The model simulates the flow field around

the netting in the fluid domain, obtaining data such as pressure on the netting surface, which is then

transferred to the solid domain to calculate the deformation and stress distribution of the netting under fluid

loads, achieving hydrodynamic responses of netting with varying degrees of damage at flow velocities of 0. 1 to

1 m / s. The results show that the drag of the netting increases with the square of the flow velocity, and the

increase in damage degree leads to a decrease in drag, especially when the damage is significant. The flow

velocity decay rate is relatively stable under different damage degrees, indicating that the impact of netting

damage on the overall flow velocity decay rate is limited. Under a flow velocity of 0. 5 m / s, the influence of

damaged netting on the flow velocity decay zone in front of the netting is limited, but damage makes the

phenomenon of accelerated flow between the net lines more apparent, causing significant interference with the

flow velocity decay zone behind. The overall maximum deformation and maximum stress of the netting do not

change significantly with the increase in damage degree, but the stress near the damaged area increases

significantly. This study not only enhances the understanding of the hydrodynamic characteristics of the netting

but also provides important technical support for the design, performance evaluation, and risk management of

aquaculture cages.

Key words:damaged netting; hydrodynamic characteristics; fluid-structure interaction; numerical simulation

30

第 51 卷第 6 期 漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 004 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

張小龍,趙欣宇,蔡皓瑋,等. 不同 LED 光譜和輻照度耦合對(duì)刺參行為與生理指標(biāo)的影響[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化,2024,51(6):31-40.

收稿日期:2024-06-30

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32202961);遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2021JH2 / 10200011);大連市優(yōu)秀青年科技人才資助項(xiàng)目

(2023RY016);大連市領(lǐng)軍人才資助項(xiàng)目(2019RD12)

作者簡(jiǎn)介:張小龍(2001—),男,碩士研究生,研究方向:光環(huán)境與水生生物互作機(jī)理。 E-mail: zhangxiaolongxxy@ 163. com

通信作者:馬賀(1986—),女,博士,副教授,研究方向:環(huán)境與水生生物互作機(jī)理。 E-mail: mahe@ dlou. edu. cn

不同 LED 光譜和輻照度耦合對(duì)刺參行為與生理指標(biāo)的影響

張小龍1,2

,趙欣宇1,2

,蔡皓瑋1

,張志博1,2

,孫研1,3

,

王天悅1,2

,張怡寧1,2

,馬賀1,2

(1 設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(大連海洋大學(xué)),遼寧 大連,116023;

2 大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 大連,116023;

3 佛照(海南)科技有限公司,海南 ?？?528000)

摘要:為深入研究不同輻照度和光譜對(duì)刺參行為和生理的潛在影響,設(shè)置了黑暗對(duì)照組、紅光試驗(yàn)組(1. 0

W/ m

2

、2. 5 W/ m

2和 4. 0 W/ m

2

)和白光試驗(yàn)組(1. 0 W/ m

2

、2. 5 W/ m

2 和 4. 0 W/ m

2

),利用自制裝置,進(jìn)行了

覓食、翻身、運(yùn)動(dòng)行為試驗(yàn),提取了刺參褪黑激素和皮質(zhì)醇激素,試驗(yàn)周期 37 d。 結(jié)果顯示:紅光條件下刺參

在覓食成功率、覓食速度以及對(duì)外界刺激的響應(yīng)能力上的表現(xiàn)均優(yōu)于白光組和黑暗組。 在紅光 2. 5 W/ m

2

的光照條件下,刺參的綜合表現(xiàn)最優(yōu)。 與白光組和黑暗組相比,紅光組刺參運(yùn)動(dòng)速度更快、等時(shí)運(yùn)動(dòng)路程更

長(zhǎng)。 紅光組刺參的皮質(zhì)醇含量高于白光組和黑暗組,而褪黑激素含量則未表現(xiàn)出顯著差異(P>0. 05)。 在稚

參培育階段建議采用紅光光譜,并將輻照度設(shè)定為 2. 5 W/ m

2

,養(yǎng)殖環(huán)境應(yīng)避免使用輻照度過(guò)高的光照。 本

研究不僅為了解刺參活動(dòng)習(xí)性及生長(zhǎng)所需的最適光環(huán)境條件提供了科學(xué)依據(jù),同時(shí)也為刺參增養(yǎng)殖業(yè)的可

持續(xù)發(fā)展提供了參考。

關(guān)鍵詞:刺參;輻照度;光譜;行為;生理

中圖分類(lèi)號(hào):S965 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1007-9580(2024)06-0031-009

刺參(Apostichopus japonicus),又稱(chēng)仿刺參,屬棘

皮動(dòng)物門(mén)(Echinodermata),海參綱(Holothuroidea),

刺參屬(Apostichopus),廣泛分布于北太平洋沿岸

的溫帶淺海區(qū)域,通常棲息于水深 3 ~ 15 m 的淺

海中,偏好波流靜穩(wěn)、海藻繁茂的巖礁底或細(xì)沙泥

底[1]

。 刺參因其卓越的營(yíng)養(yǎng)與藥用價(jià)值,數(shù)世紀(jì)

以來(lái)一直被視為珍貴的食材[2]

。 然而,刺參養(yǎng)殖

業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何在降低生產(chǎn)成本的同

時(shí),實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益的最大

化[3]

。 在眾多環(huán)境因子中,光照作為一個(gè)關(guān)鍵變

量,隨著水深及時(shí)間的變化而波動(dòng),可能對(duì)刺參的

行為和生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[4]

。 在目前刺參

人工養(yǎng)殖實(shí)踐中,雖然普遍采取室內(nèi)遮光措施,但

關(guān)于最適宜的光照強(qiáng)度、光周期以及光譜成分等

具體參數(shù),尚無(wú)明確定論[5]

。

盡管刺參缺乏典型的感光器官,但可對(duì)輻照

度、光周期和光譜變化做出響應(yīng)。 刺參主要依賴(lài)

分布在棘、管足、體壁以及神經(jīng)系統(tǒng)中的細(xì)胞色素

和光感受器來(lái)感知并適應(yīng)光照變化[6]

。 Mercier

等[7]研究表明,刺參展現(xiàn)出負(fù)趨光性,更傾向于

弱光環(huán)境,通常通過(guò)尋找陰影或遷移來(lái)避免強(qiáng)烈

光源的照射。 陳勇等[9] 研究發(fā)現(xiàn),在不同光照條

件下,體質(zhì)量在 25. 24 ~ 59. 11 g 之間的刺參會(huì)表

現(xiàn)出 顯 著 的 生 長(zhǎng) 和 行 為 差 異。 具 體 而 言, 在

12L ∶ 12D 光周期條件下,刺參表現(xiàn)出更為活躍的

狀態(tài),覓食頻率增加,且體質(zhì)量增長(zhǎng)迅速。 相較之

下,在全光照、全黑暗或自然光照條件下,刺參的

覓食量減少,生長(zhǎng)速度也相應(yīng)減慢。 張碩等[10]研

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

究表明,在黑暗或低光照強(qiáng)度條件下,刺參的活動(dòng)

更為頻繁;而在高光照強(qiáng)度下,多數(shù)刺參對(duì)強(qiáng)光的

耐受力較差,這在一定程度上抑制了它們的活動(dòng)。

周顯青等[11]指出,光照對(duì)水生生物的趨光行為、

覓食行為、晝夜活動(dòng)節(jié)律以及遷移行為均產(chǎn)生顯

著影響,這些研究為進(jìn)一步優(yōu)化刺參的養(yǎng)殖環(huán)境

提供了重要依據(jù)。

為優(yōu)化刺參稚參的室內(nèi)養(yǎng)殖光照條件提供理

論依據(jù),以刺參稚參為試驗(yàn)對(duì)象,在室內(nèi)海水養(yǎng)殖

環(huán)境下,深入探討了不同輻照度和光譜對(duì)其覓食、

運(yùn)動(dòng)和翻身行為的影響;此外,通過(guò)測(cè)定褪黑激素

和皮質(zhì)醇的含量,進(jìn)一步評(píng)估光照條件對(duì)刺參生

理狀態(tài)的影響。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置包括適應(yīng)期和試驗(yàn)期兩部分。

適應(yīng)期試驗(yàn)裝置主要由 21 個(gè) PE 材質(zhì)的水

桶(半徑 0. 8 m×高 1. 2 m)以及 7 個(gè) LED 燈具構(gòu)

成。 該試驗(yàn)被設(shè)計(jì)為 7 個(gè)不同的組別,具體包括

1 個(gè)黑暗對(duì)照組、3 個(gè)不同光照強(qiáng)度的紅光組(分

別為 1. 0 W/ m

2

、2. 5 W/ m

2 和 4. 0 W/ m

2

)以及 3

個(gè)相對(duì)應(yīng)光照強(qiáng)度的白光組。 為確保試驗(yàn)結(jié)果的

可靠性,每組均設(shè)置了 3 個(gè)重復(fù)組,且每個(gè)重復(fù)組

在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)均包含大約 80 只刺參稚參。 試驗(yàn)

過(guò)程中的光周期被設(shè)定為 14L ∶ 10D。 每日中午,

試驗(yàn)人員會(huì)投喂一次根據(jù)前一天配比準(zhǔn)備好的發(fā)

酵飼料,飼料分為發(fā)酵部分和發(fā)酵后添加部分,發(fā)

酵部分包含大葉菜 25 g、配合飼料 15 g、EM 菌

8 g、紅糖和酵母 2 g,發(fā)酵好后添加海泥 40 g,然

后加水充分溶解過(guò)濾后喂食。

試驗(yàn)期所使用的試驗(yàn)裝置如圖 1 所示,在試

驗(yàn)開(kāi)始之前,已預(yù)先設(shè)定了相應(yīng)的光照條件并完

成了試驗(yàn)裝置的配置。 該裝置主要由 3 個(gè)玻璃箱

(長(zhǎng) 0. 3 m×寬 0. 15 m×高 0. 15 m,且 5 面均附有

白色薄膜)、LED 燈、?？低晹z像頭以及電腦組

成。 每日選取一個(gè)試驗(yàn)組進(jìn)行研究,從每個(gè)試驗(yàn)

組中隨機(jī)抽取 3 只稚參,并將其放置于獨(dú)立的玻

璃箱內(nèi)。 為確保觀察的準(zhǔn)確性,本試驗(yàn)嚴(yán)格控制

了曝氣量以保證溶氧量不會(huì)對(duì)觀察結(jié)果產(chǎn)生影

響,同時(shí)對(duì)水溫等外部環(huán)境因素進(jìn)行了穩(wěn)定控制。

隨后,啟動(dòng)錄制設(shè)備對(duì)稚參的行為進(jìn)行記錄。 試

驗(yàn)按照 7 個(gè)試驗(yàn)組依次進(jìn)行,每組試驗(yàn)持續(xù) 1 d,

整個(gè)試驗(yàn)周期共計(jì) 7 d。

圖 1 試驗(yàn)裝置

Fig. 1 Experimental apparatus

1. 2 試驗(yàn)步驟與方法

1. 2. 1 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)所用稚參源自大連市普蘭店皮口鎮(zhèn)的海

參育苗場(chǎng),其初始體質(zhì)量 0. 185±0. 014 g。 本試

驗(yàn)共分為 3 個(gè)階段進(jìn)行。

暫養(yǎng)期:稚參被暫養(yǎng)于白色塑料水桶中,持續(xù)

一周。 在此期間,選取體形勻稱(chēng)、體色相近且體質(zhì)

健康的稚參用于后續(xù)試驗(yàn)。 暫養(yǎng)環(huán)境的水溫維持

在 16. 0~19. 0 ℃ ,鹽度控制在 31. 0 ~ 32. 0,pH 保

持在 7. 5~8. 0,溶氧為 7. 5~8. 5 mg / L。

適應(yīng)期:在此階段,每日對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),確

保其與暫養(yǎng)期的水質(zhì)條件一致。 同時(shí),每周檢測(cè)

一次氨氮濃度,并進(jìn)行一次換水操作。 在適應(yīng)期

的第 28 天,對(duì)稚參進(jìn)行 48 h 的饑餓處理,以排空

其腸道。 適應(yīng)期結(jié)束后,稚參的平均體質(zhì)量增至

0. 600~0. 800 g。

試驗(yàn)期:每日選取一個(gè)試驗(yàn)組,從每個(gè)試驗(yàn)組

中隨機(jī)抽取 3 只稚參,放入單獨(dú)的玻璃箱中進(jìn)行

觀察。 對(duì)稚參的行為進(jìn)行錄制,每個(gè)試驗(yàn)組錄制

1 d,整個(gè)試驗(yàn)周期共 7 d。 錄制結(jié)束后,隨機(jī)從玻

璃箱中選取 6 只稚參,使用液氮進(jìn)行低溫冷凍處

理,并儲(chǔ)存于-80 ℃的冰箱中,以備后續(xù)激素指標(biāo)

的分析。

1. 2. 2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為 4 個(gè)小試驗(yàn)組成。

覓食行為試驗(yàn):覓食時(shí)間被定義為個(gè)體成功

定位并到達(dá)食物所需的時(shí)間。 若在 1 h 內(nèi)稚參未

32

第 6 期 張小龍等:不同 LED 光譜和輻照度耦合對(duì)刺參行為與生理指標(biāo)的影響

能觸及食物,則其覓食時(shí)間被記錄為 3 600 s。 試

驗(yàn)過(guò)程中,將稚參置于玻璃箱內(nèi),并在箱內(nèi)的兩對(duì)

角分別放置稚參和約 1 g 的發(fā)酵飼料,兩者之間

的距離大約為 35 cm(圖 2)。 隨后,利用攝像頭對(duì)

稚參的覓食行為進(jìn)行全程記錄,并統(tǒng)計(jì)其成功覓

食的情況,進(jìn)而計(jì)算出覓食成功的比例。

圖 2 覓食試驗(yàn)布置圖

Fig. 2 Foraging experiment layout diagram

運(yùn)動(dòng)行為試驗(yàn):該試驗(yàn)主要分析稚參的運(yùn)動(dòng)路

程、實(shí)時(shí)速度以及運(yùn)動(dòng)軌跡。 從每組稚參的錄像中

截取一個(gè)小時(shí)的視頻片段,經(jīng)過(guò) 5 倍加速處理后,

導(dǎo)入 Tracker 軟件進(jìn)行分析。 每 50 幀取一幀作為

分析點(diǎn),通過(guò)追蹤稚參的實(shí)時(shí)坐標(biāo),精確計(jì)算出其

運(yùn)動(dòng)路程、平均實(shí)時(shí)速度并描繪出運(yùn)動(dòng)軌跡。

翻身行為試驗(yàn):翻身時(shí)間是指稚參從被倒置到

恢復(fù)到腹部完全貼底、背部向上的狀態(tài)所需的時(shí)間。

若稚參在5 min 內(nèi)無(wú)法自行矯直,則其矯直時(shí)間被記

錄為300 s。 在試驗(yàn)中,將稚參單獨(dú)置于塑料槽中,通

過(guò)人工施加刺激使其身體翻轉(zhuǎn),并對(duì)每組稚參(N=

9)逐一進(jìn)行測(cè)量,詳細(xì)記錄其翻身時(shí)間。

褪黑素與皮質(zhì)醇測(cè)定試驗(yàn):從低溫冰箱儲(chǔ)存中

取出稚參樣本,進(jìn)行研磨搗碎處理。 隨后進(jìn)行離心

操作(2 500 r/ min, 20 min),收集上層血清用于褪黑

素和皮質(zhì)醇的測(cè)定。 測(cè)定所用的試劑盒購(gòu)自江蘇酶

免實(shí)業(yè)有限公司,并嚴(yán)格按照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作。

1. 3 行為數(shù)據(jù)的收集與分析

行為數(shù)據(jù)采集單元選用的是?？低暤募t外

攝像頭(型號(hào) DS - 2CD3646FWD-IPTZS,北京京

東世紀(jì)信息技術(shù)有限公司,北京)。 該攝像頭具

備紅外功能,確保在夜晚或全黑暗環(huán)境下也能清

晰捕捉稚參的行為活動(dòng)。 在調(diào)整攝像頭至最佳觀

測(cè)角度后,開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面,本研究

采用 64 G 內(nèi)存卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)。 每日錄制任務(wù)

完成后,視頻資料會(huì)被及時(shí)拷貝至計(jì)算機(jī)上,以便

進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理。 在視頻預(yù)處理階段,

研究團(tuán)隊(duì)使用 PotPlayer 和 Adobe Premiere 軟件

對(duì)視頻進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與裁剪操作。 為提高行為分

析的效率,預(yù)處理后的視頻被加速 5 倍,并且每

60 幀提取一幀用于詳細(xì)的行為分析。 最終的行

為學(xué)分析則通過(guò)專(zhuān)業(yè)的物理示蹤軟件 Tracker 來(lái)

完成,以確保分析的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

1. 4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(Mean ± SE) 的

形式進(jìn)行表示,利用 SPSS 27. 0 統(tǒng)計(jì)分析軟件,對(duì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析,以全面評(píng)估各因

素對(duì)結(jié)果的影響。 為進(jìn)一步探究不同處理組間的

差異性,本研究采用 Duncan 多重比較方法進(jìn)行深

入分析,并設(shè)定顯著性水平為 P < 0. 05,以此作為

判斷組間差異顯著性的標(biāo)準(zhǔn)。 數(shù)據(jù)分析完成后,

通過(guò) Origin 軟件進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)可視化處理,各

組別進(jìn)行了縮寫(xiě),D 為黑暗組,R 為紅光組,W 為

白光組,數(shù)字則代表不同輻照度,然后生成直觀清

晰的圖表,以便于結(jié)果展示與解讀。

2 結(jié)果

2. 1 顯著差異性

各處理組稚參的運(yùn)動(dòng)、翻身、覓食和生理激素

指標(biāo)的顯著性差異分析結(jié)果如表 1 所示。 除褪黑

激素外,光譜對(duì)其余所有指標(biāo)均有顯著影響,而輻

照度則僅對(duì)翻身時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、皮質(zhì)醇激素等有

影響。 光譜與輻照度的耦合存在交互作用,其主

要對(duì)覓食成功率、翻身時(shí)間、運(yùn)動(dòng)路程、運(yùn)動(dòng)速度

及皮質(zhì)醇激素等指標(biāo)具有顯著影響。

表 1 不同 LED 光譜和輻照度下各處理組的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)顯著性分析

Tab. 1 Movement indicators of various treatment groups under different LED spectra and light intensities

項(xiàng)目 覓食成功率 覓食時(shí)間 翻身時(shí)間 運(yùn)動(dòng)路程 運(yùn)動(dòng)速度 褪黑激素 皮質(zhì)醇激素

光譜 ? ? ? ? ?? NS ?

輻照度 NS NS ? NS ? NS ?

光譜+輻照度 ? NS ? ? ? NS ?

注:?表示具有顯著性差異 P<0. 05,??表示具有極顯著性差異 P<0. 01,NS 表示不具有顯著性差異 P>0. 05

33

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

2. 2 覓食成功率與覓食時(shí)間

稚參在不同光照條件下的覓食時(shí)間如圖 3 所

示。 光譜對(duì)刺參的覓食具有顯著影響,主要表現(xiàn)

在紅光組與黑暗組和白光組相比,所需的覓食時(shí)

間顯著更短(P<0. 05)。 輻照度、光譜與輻照度交

互作用對(duì)稚參的覓食時(shí)間無(wú)顯著影響(P>0. 05)。

但紅光 2. 5 W/ m

2 組的覓食時(shí)間最短,輻照度的

增加或減少均會(huì)導(dǎo)致稚參覓食時(shí)間的延長(zhǎng),且紅

光照射下的稚參覓食時(shí)間比白光組和黑暗組

均短。

0 1 2.5 4 D

10

20

30

40

50

60

70 A


/s

/s

/(W/m2

)

0

10

20

30

40

50

60

70

a

b

a

B




  

/s

/(W/m2

)

0

10

20

30

40

50

60

70 C
fl

D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

圖 3 稚參覓食成功所需時(shí)間

Fig. 3 Time required for successful foraging

稚參覓食成功率的試驗(yàn)結(jié)果如圖 4 所示。 單

獨(dú)考察輻照度因素時(shí),各組之間無(wú)顯著差異(P>

0. 05)。 光譜與輻照度交互作用對(duì)覓食成功率有

顯著影響(P<0. 05)。 單獨(dú)考察光譜結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅

光組覓食成功率顯著高于其余組(P<0. 05)。 根

據(jù)光譜與輻照度耦合結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)紅光 4. 0 W/

m

2 組的覓食成功率最高。 覓食成功率最高的 3

組均為紅光組。 白光 4. 0 W/ m

2 組的覓食成功率

最低,達(dá)到了 0 %,黑暗組也僅有 1 只稚參成功找

到食物。

A






/(W/m2

)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

1 2.5 4 D





0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6 B




  

b

b

a





0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 C
fl

/(W/m2

)



b

b

a

ab ab

ab ab

W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

圖 4 稚參的覓食成功率

Fig. 4 Success rate of foraging

2. 3 翻身行為

稚參翻身所需時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示。

輻照度、光譜、光譜與輻照度耦合分析均對(duì)翻身行

為有顯著影響(P<0. 05)。 輻照度分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)

4. 0 W/ m

2 組翻身時(shí)間最短,與 1. 0 W/ m

2 組存在

顯著性差異(P<0. 05)。 聚焦光譜分析結(jié)果,可知

紅光組翻身時(shí)間更短,與黑暗組、白光組相比存在

顯著性差異(P<0. 05)。 光譜與輻照度耦合分析

結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅光 4. 0 W/ m

2 組稚參翻身所需時(shí)間最

短。 但該組與除白光 4. 0 W/ m

2 組之外的其他組

未產(chǎn)生顯著性差異(P>0. 05)。 白光 4. 0 W/ m

2

組的翻身時(shí)間最長(zhǎng),且與其他各組均存在顯著性

差異(P<0. 05)。

34

第 6 期 張小龍等:不同 LED 光譜和輻照度耦合對(duì)刺參行為與生理指標(biāo)的影響



/s

0

20

40

60

80

100

120 A


/(W/m2

)

1 2.5 4 D

a ab

a

ab



/s

0

20

40

60

80

100

120

a

b

a

B




  



/s

C
fl

/(W/m2

)

0

30

60

90

120

150

180

210 a

b

b

b

b b b

D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

圖 5 稚參的翻身時(shí)間

Fig. 5 Time required for turning over

2. 4 運(yùn)動(dòng)行為

2. 4. 1 運(yùn)動(dòng)路程

稚參運(yùn)動(dòng)路程的試驗(yàn)結(jié)果如圖 6 所示。 光

譜、光譜與輻照度耦合分析均對(duì)運(yùn)動(dòng)路程有顯著

影響(P<0. 05)。 光譜分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅光組稚參

的運(yùn)動(dòng)路程更長(zhǎng),與黑暗組和白光組相比存在顯

著性差異(P<0. 05)。 光譜與輻照度的耦合分析

結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅光 1. 0 W/ m

2 組稚參在相同時(shí)間內(nèi)運(yùn)

動(dòng)的路程最長(zhǎng),與白光 2. 5 W/ m

2 組產(chǎn)生顯著性

差異(P>0. 05),且運(yùn)動(dòng)路程最長(zhǎng)的 3 組均為紅

光組。

A






/cm

1 2.5 4 D

/(W/m2

)

0 0

15

30

45

60

75

90





/cm 20

40

60

80

100



  

b

b

a

B






/cm

0

25

50

75

100

125

ab ab ab

ab ab

b

a C
fl

W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

/(W/m2

)

D

圖 6 稚參的運(yùn)動(dòng)路程

Fig. 6 The movement of Apostichopus japonicus

2. 4. 2 平均實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度

稚參的平均實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度如圖 7 所示。 輻照

度、光譜、光譜與輻照度耦合分析均對(duì)運(yùn)動(dòng)速度均

有顯著影響( P < 0. 05)。 輻照度分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)

1. 0 W/ m

2 的輻照度組運(yùn)動(dòng)速度最快,與黑暗組

相比存在顯著性差異(P<0. 05)。 光譜分析結(jié)果

發(fā)現(xiàn)紅光組稚參的運(yùn)動(dòng)速度最快,與黑暗組相比

同樣存在顯著性差異(P<0. 05)。 光譜與輻照度

耦合分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)在紅光組 2. 5 W/ m

2 的條件

下,稚參的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最高,且與黑暗組、白光

4. 0 W/ m

2 組以及白光 2. 5 W/ m

2 組均有顯著性

差異(P<0. 05)。





(cm/s)





(cm/s)





(cm/s)

/(W/m  2

)

A
 B
 C
fl

/(W/m2

)

   D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

0.01

0.00

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

a

a

ab

ab b

1 2.5 4 D 0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

b ab

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

a

a

ab

abc bc bc

c

圖 7 稚參運(yùn)動(dòng)的平均實(shí)時(shí)速度

Fig. 7 Average real-time speed of the Apostichopus japonicus

35

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

2. 4. 3 運(yùn)動(dòng)軌跡

稚參運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖 8 所示,本研究基于稚

參的實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù),對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與

分析。 結(jié)果顯示,稚參表現(xiàn)出明顯的趨壁性,其運(yùn)

動(dòng)多圍繞箱壁進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。 在各試驗(yàn)組的稚參

移動(dòng)軌跡中,除了這一共性特征外,并未發(fā)現(xiàn)其他

方面的特征。

圖 8 試驗(yàn)過(guò)程中的稚參總體運(yùn)動(dòng)軌跡

Fig. 8 Movement trajectory of Apostichopus japonicus

2. 5 皮質(zhì)醇和褪黑激素的含量

稚參的皮質(zhì)醇含量如圖 9 所示。 輻照度、光

譜、光譜與輻照度耦合分析均對(duì)皮質(zhì)醇含量有顯

著影響(P<0. 05)。 輻照度分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑暗組

的皮質(zhì)醇含量最低,與其他組相比,存在顯著性差

異(P<0. 05)。 光譜分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑暗組皮質(zhì)醇

含量最低,與紅光組和白光組之間存在顯著性差

異(P<0. 05)。 光譜與輻照度的耦合分析結(jié)果發(fā)

現(xiàn)紅光 1. 0 W/ m

2 組的皮質(zhì)醇含量最高,黑暗組

的皮質(zhì)醇含量最低,且與其他所有組相比均存在

顯著性差異(P<0. 05)。

稚參褪黑激素含量如圖 10 所示。 輻照度或

光譜分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)各組之間并未呈現(xiàn)出顯著性

差異(P>0. 05)。 光譜與輻照度的耦合分析結(jié)果,

發(fā)現(xiàn)各組稚參的褪黑激素含量相對(duì)均衡,各處理

組之間均無(wú)顯著性差異(P>0. 05)。

A








/(μg/dL)

1 2.5 4 D

/(W/m2

)

0

200

400

600

800

1000

1200

a a a

b







/(μg/dL)

0

200

400

600

800

1000

1200

b

a a

B


  









/(μg/dL) 800

1000

700

900

1100

b

ab

ab ab ab ab

a C
fl

D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

/(W/m2

)

圖 9 稚參腔液中皮質(zhì)醇含量

Fig. 9 Content of cortisol in the coelomic fluid of Apostichopus japonicus









/(μg/dL)

A


/(W/m2

)

1 2.5 4 D 0

5

10

15

20

25

30









/(μg/dL) 0

5

10

15

20

25

30 B


  











/(μg/dL) 0

5

10

15

20

25

30

C
fl

W2.5 D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5

/(W/m2

)

圖 10 稚參褪黑激素含量

Fig. 10 Melatonin content in Apostichopus japonicus

36

第 6 期 張小龍等:不同 LED 光譜和輻照度耦合對(duì)刺參行為與生理指標(biāo)的影響

3 討論

3. 1 不同光譜及輻照度對(duì)刺參覓食行為的影響

光環(huán)境對(duì)水生動(dòng)物的晝夜活動(dòng)節(jié)律、覓食和

集群行為具有顯著影響[11]

。 覓食是刺參的主要

活動(dòng)之一,刺參利用觸手粘附并掃取沉積物,通過(guò)

伸展觸手、分泌黏液來(lái)粘附沉積物碎屑,并將其送

入口咽部[20-21]

。 試驗(yàn)結(jié)果顯示,在紅光照射下,

刺參覓食所需時(shí)間大幅減少,同時(shí)覓食成功率也

顯著提升。 特別是在 2. 5 W/ m

2 的輻照度條件

下,刺參的覓食表現(xiàn)達(dá)到最佳狀態(tài),過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱的

光都會(huì)顯著影響刺參覓食行為。 這些結(jié)論表明不

同的光譜和輻照度,對(duì)刺參覓食行為有很大影響。

Dong 等[25]發(fā)現(xiàn)刺參的活動(dòng)節(jié)律和覓食行為受到

光照和光周期的顯著影響。 強(qiáng)光會(huì)嚴(yán)重影響刺參

的覓食積極性,本研究結(jié)果與 Dong 等[25]的一致。

Yu 等[27]發(fā)現(xiàn)不同輻照度會(huì)顯著影響海參的覓

食、應(yīng)激反應(yīng)及生理狀態(tài)。 低光照和低溫下,刺參

覓食量較大,這一發(fā)現(xiàn)與本研究有類(lèi)似的結(jié)論,因

此適宜的紅光輻照度對(duì)刺參覓食有益。

3. 2 不同光譜及輻照度對(duì)刺參翻身行為的影響

翻身行為是刺參常見(jiàn)的行為之一,當(dāng)刺參因

外界刺激或環(huán)境變化導(dǎo)致身體翻轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)迅速收

縮身體并翻轉(zhuǎn)至正常狀態(tài)。 通過(guò)統(tǒng)計(jì)翻身所需時(shí)

間,可以有效評(píng)估刺參的活力以及其對(duì)外界刺激

的響應(yīng)速度,以此來(lái)判斷海參的活力狀態(tài)[33]

。 試

驗(yàn)結(jié)果顯示,在紅光照射下,刺參對(duì)外界刺激的反

應(yīng)更為迅速,尤其在 2. 5 W/ m

2 的輻照度下,其反

應(yīng)速度最快。 該結(jié)論和覓食行為結(jié)論一致,表明

適宜的光譜和輻照度,可以提高刺參活力和對(duì)外

界刺激的反應(yīng)速度。 活力狀態(tài)較好的刺參可以更

好地抵御養(yǎng)殖過(guò)程中的環(huán)境應(yīng)激。 在對(duì)棘皮動(dòng)物

海膽(Echinoidea)的研究中發(fā)現(xiàn),相較于紅光和全

光譜,海膽在藍(lán)色 LED 光照射下需要更長(zhǎng)的時(shí)間

來(lái)進(jìn)行翻身[32]

,證實(shí)了光譜對(duì)棘皮動(dòng)物翻身有顯

著影響。

3. 3 不同光譜及輻照度對(duì)刺參運(yùn)動(dòng)行為的影響

刺參運(yùn)動(dòng)主要目的是覓食,自然環(huán)境中它的

速度相當(dāng)緩慢,主要依靠腹部的吸盤(pán)在海底進(jìn)行

移動(dòng)[19]

。 本研究結(jié)果顯示,紅光照射下刺參的運(yùn)

動(dòng)速度更快,運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)。 這一發(fā)現(xiàn)闡釋了紅

光組刺參覓食時(shí)間更短、覓食成功率更高和翻身

速度更快的原因。 此外,通過(guò)統(tǒng)計(jì)各組刺參的移

動(dòng)軌跡,推測(cè)出刺參運(yùn)動(dòng)存在共性特征:其軌跡大

多沿著玻璃箱壁進(jìn)行爬行,即表現(xiàn)出趨壁性。 李

娟等[17]研究發(fā)現(xiàn)刺參具有負(fù)趨光性、趨邊性和單

向拓?fù)湫?這與本研究的結(jié)果類(lèi)似。 此發(fā)現(xiàn)可能

與刺參身體結(jié)構(gòu)有關(guān),刺參通過(guò)腹面的管足爬行,

身體呈現(xiàn)圓筒狀,難以進(jìn)行大幅度轉(zhuǎn)向等復(fù)雜

運(yùn)動(dòng)。

3. 4 不同光譜及輻照度對(duì)刺參生理狀態(tài)的影響

褪黑素在刺參的生理過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)

節(jié)作用,能夠調(diào)整刺參的生理節(jié)律,提升刺參新陳

代謝率,從而有效促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育。 此外,褪黑素還

能增強(qiáng) 刺 參 的 免 疫 能 力, 進(jìn) 而 提 高 其 抗 病 能

力[28]

。 石瓊等[29] 發(fā)現(xiàn),光周期和水溫等環(huán)境因

子對(duì)水 生 生 物 褪 黑 素 的 分 泌 具 有 顯 著 影 響。

Delgado 等[30]發(fā)現(xiàn)光周期對(duì)兩棲類(lèi)動(dòng)物黑斑側(cè)褶

蛙(俗稱(chēng)青蛙)(Pelophylax nigromaculatus)的褪黑

激素分泌有極大影響。 但本研究結(jié)果顯示,各組

褪黑素的含量并未表現(xiàn)出顯著性差異,這可能與

試驗(yàn)的光周期及取樣時(shí)間有關(guān)。

皮質(zhì)醇是衡量應(yīng)激水平的重要生理標(biāo)志,其

含量的過(guò)高或過(guò)低均可能導(dǎo)致機(jī)體免疫功能下

降,從而增加患病風(fēng)險(xiǎn)[12]

。 皮質(zhì)醇激素有良好的

穩(wěn)定性,其升高幅度和持續(xù)時(shí)間與應(yīng)激源的強(qiáng)度

及作用 時(shí) 間 呈 正 相 關(guān), 被 視 為 靈 敏 的 應(yīng) 激 信

號(hào)[16,25]

。 目前,關(guān)于皮質(zhì)醇的研究多聚焦于海洋

脊椎動(dòng)物,而針對(duì)海洋棘皮動(dòng)物的研究則相對(duì)較

少[14]

。 Pei 等[24]證實(shí)了刺參體腔液中皮質(zhì)醇的

存在,而劉桂英等[15]對(duì)仿刺參稚參體腔液中皮質(zhì)

醇測(cè)量提供了快速靈敏的方法。 本研究結(jié)果表

明,紅光組皮質(zhì)醇含量最高,表明紅光組的海參活

力更好,能對(duì)外界刺激做出更快的反應(yīng),這一發(fā)現(xiàn)

與翻身試驗(yàn)的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本研究利用自制的刺參行為采集與分析裝

置,深入探討了不同輻照度和光譜對(duì)刺參行為和

生理狀態(tài)的影響。 利用雙因素耦合分析,探究了

光譜、輻照度及其耦合對(duì)刺參行為以及生理的影

響。 研究發(fā)現(xiàn):紅光照射下的刺參表現(xiàn)為較高的

覓食成功率、較快的覓食速度、較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力,

說(shuō)明紅光下海參的活力較強(qiáng),可以對(duì)外界刺激快

37

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

速做出響應(yīng),而過(guò)高或過(guò)低輻照度均不利于刺參

的行為活動(dòng);刺參的運(yùn)動(dòng)軌跡具有趨壁性。 建議

在稚參培育階段采用 2. 5 W/ m

2 的輻照度紅光

譜,同時(shí)應(yīng)避免使用白光譜及輻照度過(guò)高的光照。

□

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The impact of different LED spectra and irradiance coupling on the

behavior and physiological indicators of Apostichopus japonicus

ZHANG Xiaolong

1 ,2

, ZHAO Xinyu

1,2

, CAI Haowei

1

, ZHANG Zhibo

1,2

,

SUN Yan

1,3

,WANG Tianyue

1,2

, ZHANG Yining

1,2

, MA He

1,2

(1 Key Laboratory of Facility Fisheries, Ministry of Education (Dalian Ocean University),

Dalian 116023, Liaoning,China;

2 College of Marine Science and Environmental Engineering, Dalian Ocean University,

Dalian 116023, Liaoning, China;

3 Foshan (Hainan) Technology Co. , Ltd. , Haikou 528000, Hainan, China)

Abstract:To investigate the potential effects of varying irradiance levels and spectral compositions on the

behavior and physiology of Apostichopus japonicus, a comprehensive study was undertaken. Experimental

groups were established, including a dark control group, a red light treatment group (with irradiance levels of

1. 0 W/ m

2

, 2. 5 W/ m

2

and 4. 0 W/ m

2

), and a white light treatment group (also at 1. 0 W/ m

2

, 2. 5 W/ m

2

and 4. 0 W/ m

2

). Utilizing a custom-designed apparatus, we assessed feeding behavior, turning ability, and

locomotor activity. Additionally, melatonin and cortisol levels were measured in Apostichopus japonicus over a

37-day trial period. The results indicated that under red light conditions, Apostichopus japonicus demonstrated

enhanced performance in terms of feeding success rate, feeding speed, and responsiveness to external stimuli

when compared to both the white light and dark conditions. Notably, at an irradiance level of 2. 5 W/ m

2

in

red light, Apostichopus japonicus exhibited optimal overall performance. The red light treatment group

displayed significantly faster movement speeds and longer travel distances within equivalent time frames

compared to the white light and dark groups. Furthermore, the cortisol levels in the red light group were

elevated relative to those in the white light and dark groups, while no statistically significant difference (P >

0. 05) was observed in melatonin content. Based on these findings, it is recommended to employ the red light

spectrum during the juvenile cultivation phase of Apostichopus japonicus, with an optimal irradiance level of

2. 5 W/ m

2

. Additionally, it is advisable to avoid excessively high irradiance levels within the farming

environment. This study not only provides a scientific foundation for understanding the optimal light conditions

required for the behavioral patterns and growth of Apostichopus japonicus but also offers valuable insights for the

sustainable development of its aquaculture.

Key words:Apostichopus japonicus; light intensity; spectrum; behavior; hormone

39

第 51 卷第 6 期 漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 005 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

李旭,江興龍,陳慶祥.一種升降清洗式水質(zhì)傳感器管控裝置研制及應(yīng)用[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化,2024,51(6):40-48.

收稿日期:2024-07-21

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“特色魚(yú)類(lèi)精準(zhǔn)高效養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)集成與示范(2020YFD0900102)” ; 鰻鱺現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)教育部工程研究

中心開(kāi)放基金(RE202303、RE201910 )

作者簡(jiǎn)介:李旭(1998—),男,碩士研究生,研究方向:水產(chǎn)養(yǎng)殖。 E-mail:2745157399@ qq. com

通信作者:江興龍(1968—), 男,博士生導(dǎo)師, 博士,教授,研究方向:水產(chǎn)綠色養(yǎng)殖、智能化養(yǎng)殖。 E-mail: xinlongjiang@ jmu. edu. cn

一種升降清洗式水質(zhì)傳感器管控裝置研制及應(yīng)用

李 旭1,2

,江興龍1,2

,陳慶祥1,2

(1 集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,福建 廈門(mén) 361021;

2 鰻鱺現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)教育部工程研究中心,福建 廈門(mén) 361021)

摘要:為突破水質(zhì)傳感器普遍存在因長(zhǎng)期浸泡水中而導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度下降和準(zhǔn)確率降低等技術(shù)瓶頸,研制了

一種升降清洗式水質(zhì)傳感器管控裝置。 該裝置采用 Arduino UNO R3 作為主控板,結(jié)合 SIM7020 NB-IoT 模

塊和 HC-05 藍(lán)牙模塊,并基于 Blynk 平臺(tái)開(kāi)發(fā)移動(dòng)端應(yīng)用軟件,用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)查看和控制設(shè)備的

運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程和近距離雙模式控制。 傳感器支架設(shè)計(jì)為可更換結(jié)構(gòu),能夠靈活配置和調(diào)節(jié)傳感

器的擺放位置,通過(guò)自動(dòng)化升降和清洗機(jī)制,裝置能夠定期清除傳感器探頭表面的污垢,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

和傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。 選取水質(zhì) pH 和溶氧傳感器進(jìn)行該裝置的應(yīng)用對(duì)比測(cè)試。 結(jié)果顯示:使用該裝

置的 pH 檢測(cè)傳感器的檢測(cè)數(shù)值與采用國(guó)標(biāo)法的 pH 檢測(cè)儀檢測(cè)數(shù)值的平均相對(duì)誤差僅 2. 13%,而未使用該

裝置的平均相對(duì)誤差高達(dá) 9. 51%,具有顯著差異(P<0. 05);使用該裝置的溶氧檢測(cè)傳感器的檢測(cè)數(shù)值與采

用國(guó)標(biāo)碘量法檢測(cè)數(shù)值的平均相對(duì)誤差僅 3. 09%,而未使用該裝置的平均相對(duì)誤差高達(dá) 10. 92%,具有顯著

差異(P<0. 05)。 研究表明,該裝置具有體積較小,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,探頭清洗干凈和適用場(chǎng)景廣的優(yōu)點(diǎn),具有

良好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:水質(zhì);水產(chǎn)養(yǎng)殖;水質(zhì)傳感器;智能管控裝置

中圖分類(lèi)號(hào):TP 23;TN 98 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1007-9580(2024)06-0040-009

在水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中,水質(zhì)監(jiān)測(cè)是確保水產(chǎn)養(yǎng)

殖健康和高效生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]

。 傳統(tǒng)的水質(zhì)

監(jiān)測(cè)方式主要依賴(lài)人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析,不僅

費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控[3-5]

。 近年來(lái),

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步,各類(lèi)水質(zhì)傳感器被

廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域,通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) pH、溶

氧、溫度等關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù),大大提高了水質(zhì)管理的

效率和精度[6-8]

。 然而,水質(zhì)傳感器在實(shí)際應(yīng)用

中仍然面臨諸多挑戰(zhàn)[9]

。 由于傳感器長(zhǎng)期浸泡

在水體中,表面容易附著污物和藻類(lèi),不僅會(huì)降低

傳感器 的 靈 敏 度 和 準(zhǔn) 確 性, 還 會(huì) 縮 短 使 用 壽

命[10-12]

。 傳統(tǒng)解決方法通常是定期人工清洗傳

感器,不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大,而且容易導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的

中斷,影響水質(zhì)管理的連續(xù)性和可靠性[13]

。 近年

來(lái), 隨著水質(zhì)傳感器存在的清潔問(wèn)題越發(fā)凸顯,

引起了人們的關(guān)注,出現(xiàn)了人工水噴射清潔、射流

清潔、超聲波清潔等多種技術(shù)方法[14-15]

,但由于

各種應(yīng)用條件的限制并未能在生產(chǎn)實(shí)踐中得以推

廣使用。

為此,利用藍(lán)牙和窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)通信

技術(shù)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種升降清洗式水質(zhì)傳感器管

控裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)裝置),擁有靈活可換的傳感器

支架,便于安裝與部署,適用多種養(yǎng)殖環(huán)境,降低

總體使用成本,通過(guò)自動(dòng)升降和清洗功能,有效減

少傳感器表面污物的積累,延長(zhǎng)傳感器的使用壽

命,并顯著提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1 裝置總體方案設(shè)計(jì)

1. 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1 所示。 核心組件包

括傳感器升降機(jī)構(gòu)、各類(lèi)電控模塊、浮球、傳感器

可更換支架和無(wú)刷潛水泵等。 傳感器升降機(jī)構(gòu)采

第 6 期 張小龍等:不同 LED 光譜和輻照度耦合對(duì)刺參行為與生理指標(biāo)的影響

用滑臺(tái)模組,確保傳感器在垂直方向上的精確升

降,該模組與水體間的距離可根據(jù)圓形浮球(序

號(hào) 6)上的金屬支架(序號(hào) 13)進(jìn)行調(diào)整,以滿(mǎn)足

不同傳感器的使用需求;傳感器支架設(shè)計(jì)為可靈

活調(diào)整的模塊化結(jié)構(gòu),能夠支持最多 7 個(gè)水質(zhì)傳

感器的同時(shí)安裝,并可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需求對(duì)支架

進(jìn)行更換或擴(kuò)增;支架連接滾珠絲桿滑臺(tái)模組,通

過(guò)模組上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)與滾珠絲桿滑臺(tái)

模組相連,帶動(dòng)支架實(shí)現(xiàn)傳感器的平穩(wěn)升降;滾珠

絲桿滑臺(tái)模組(序號(hào) 3)上下各有一個(gè)限位開(kāi)關(guān),

此開(kāi)關(guān)確保傳感器支架在裝置斷電又重新上電時(shí)

回到初始位置(滑臺(tái)模組頂部),預(yù)防裝置故障時(shí)

造成升降機(jī)構(gòu)損壞;裝置浮球下帶有自清洗機(jī)構(gòu),

該機(jī)構(gòu)放置于養(yǎng)殖水體中,由水管延伸器(帶有

起泡器)和無(wú)刷潛水泵組成;水管延伸器和起泡

器采用耐腐蝕、耐高溫材料,水管延伸器的可彎曲

特性使其能夠精確到達(dá)傳感器探頭位置進(jìn)行清

潔,而無(wú)刷潛水泵則提供適宜的水流,用于輔助水

管延伸器有效清除探頭表面的污垢,確保傳感器

測(cè)量的精度和穩(wěn)定性;裝置底座采用穩(wěn)固的圓形

浮球,其占地面積較小、運(yùn)輸便利,適用于在不同

水域環(huán)境中工作。 在裝置兩側(cè)配有收納盒(序號(hào)

4),盒內(nèi)包含 Arduino UNO R3 主控板和繼電器等

裝置電子控制模塊,通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)裝

置升降和清洗的控制。







 















 



 



€



 





  

 







圖 1 智能升降式水質(zhì)傳感器管控裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

Fig. 1 Intelligent lifting water quality sensor control device mechanical structure diagram

1. 2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)方案如圖 2 所示,主要包括兩個(gè)部

分:硬件控制層和操作管理層,升降和清洗控制模

塊為硬件控制層,移動(dòng)端應(yīng)用軟件為操作管理層。

升降控制模塊負(fù)責(zé)傳感器的精確升降操作。

系統(tǒng)采用滾珠絲桿滑臺(tái)結(jié)構(gòu)與步進(jìn)電機(jī)結(jié)合,實(shí)

現(xiàn)對(duì)傳感器的垂直移動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)通過(guò) Arduino

主控板進(jìn)行指令控制,由 1 路 12 V 高電平觸發(fā)繼

41

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

電器和 TMC2208 驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)模組運(yùn)行,確

保傳感器能夠根據(jù)預(yù)定的時(shí)間間隔自動(dòng)升降,減

少傳感器與水體的長(zhǎng)期接觸,避免因水體環(huán)境影

響而導(dǎo)致的傳感器靈敏度降低。 升降動(dòng)作的精確

性和穩(wěn)定性通過(guò)上下限位開(kāi)關(guān)加以保證,確保在

斷電或重新上電時(shí),傳感器能夠回到初始位置,防

止意外損壞。 清洗控制模塊用于控制傳感器探頭

的定時(shí)清洗。 清洗系統(tǒng)通過(guò)無(wú)刷潛水泵從水源抽

取水體,對(duì)傳感器表面進(jìn)行沖洗,清除附著的污垢

和雜質(zhì)。 潛水泵的啟動(dòng)與停止由 Arduino 主控板

帶動(dòng) MY2NJ 電磁繼電器進(jìn)行控制,并且通過(guò)移動(dòng)

端 App 設(shè)置清洗頻率和持續(xù)時(shí)間,確保清洗過(guò)程

不會(huì)干擾傳感器的正常工作,同時(shí)保證清洗效果。

遠(yuǎn)程管理模塊通過(guò)移動(dòng)端 App 實(shí)現(xiàn)裝置的操作

與監(jiān)控。 App 采用藍(lán)牙和 NB-IoT 兩種通信方式

與裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。 用戶(hù)可以通過(guò) App 遠(yuǎn)程

控制傳感器的升降動(dòng)作和清洗功能,查看當(dāng)前裝

置的狀態(tài), 或根據(jù)需要調(diào)整裝置的工作參數(shù)。

App 的設(shè)計(jì)注重用戶(hù)體驗(yàn),界面簡(jiǎn)潔,操作便捷,

適用于不同的使用場(chǎng)景。











+NB-IoT



 

 

 









圖 2 系統(tǒng)控制方案

Fig. 2 System control programme

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2. 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括控制模塊、升降機(jī)構(gòu)、清洗

系統(tǒng)和通信模塊,整體設(shè)計(jì)注重可靠性和擴(kuò)展性,

各模塊間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口連接,便于維護(hù)與升級(jí)。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 3 所示。

12V-10A



+NB-IoT

Arduino

 

1

12V



TMC2208





MY2NJ



MP1584



S5W-N

  

圖 3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Fig. 3 System hardware structure design

控制模塊采用 Arduino UNO R3 主控板,作為

系統(tǒng)的核心控制單元。 Arduino UNO R3 通過(guò) I/ O

接口, 連 接 并 控 制 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 關(guān) 鍵 組 件, 如

TMC2208 驅(qū)動(dòng)和繼電器模塊等,并集成藍(lán)牙和

NB-IoT 通信模塊,用于實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程的雙重控

制。 同時(shí),Arduino UNO R3 外接 MP1584 同步整

流降壓模塊,該模塊負(fù)責(zé)將外接電源傳輸至 12 V

-10 A 電 源 適 配 器 的 輸 入 電 壓 轉(zhuǎn) 換 為 適 合

Arduino 和其他元件的穩(wěn)定電壓,避免因電壓波動(dòng)

導(dǎo)致系統(tǒng)故障。 升降機(jī)構(gòu)由滾珠絲杠滑臺(tái)模組驅(qū)

動(dòng),通過(guò)連接 TMC2208 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和 1 路 12 V

高電平觸發(fā)繼電器模塊,由主控板下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)

對(duì)滾珠絲杠滑臺(tái)模組的控制。 步進(jìn)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)

模塊接收來(lái)自 Arduino 主控板的脈沖信號(hào),按照

42

第 6 期 李旭等:一種升降清洗式水質(zhì)傳感器管控裝置研制及應(yīng)用

設(shè)定的步進(jìn)精度驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)模組進(jìn)行上下移動(dòng),確

保傳感器能夠在水體中精確升降。 滾珠絲杠滑臺(tái)

模組上下各有一個(gè) S5W-N 限位開(kāi)關(guān),直連主控

板,預(yù)防裝置升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳感器支架上下撞擊

造成機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞。 為適應(yīng)不同深度的水域監(jiān)

測(cè),升降機(jī)構(gòu)的行程可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

清洗系統(tǒng)集成無(wú)刷潛水泵、繼電器和軟管硬件,用

于定時(shí)清洗傳感器探頭。 清洗系統(tǒng)通過(guò)軟管與無(wú)

刷潛水泵連接,軟管末端安裝有起泡器,以確保水

流均勻覆蓋傳感器表面。 潛水泵通過(guò)外接電源直

接驅(qū)動(dòng),經(jīng)由 MY2NJ 電磁繼電器控制啟停,能夠

根據(jù)設(shè)定的程序定時(shí)進(jìn)行清洗操作,防止污垢和

藻類(lèi)的積累,保持傳感器的測(cè)量精度。 通信模塊

采用藍(lán)牙和 NB-IoT 雙重通信方式。 藍(lán)牙模塊負(fù)

責(zé)短距離通信,適用于現(xiàn)場(chǎng)操作,而 NB-IoT 模塊

則提供廣覆蓋、低功耗的遠(yuǎn)程通信能力,適用于較

大范圍的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。 藍(lán)牙模塊通過(guò) UART 接口與

主控板相連接,實(shí)現(xiàn)指令的傳輸與執(zhí)行。

2. 2 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)主要依托藍(lán)牙和 NB-IoT

技術(shù), 以 滿(mǎn) 足 近 距 離 操 作 和 遠(yuǎn) 程 管 理 的 需

求[16-18]

。 藍(lán)牙模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的 HC-05 模塊,負(fù)責(zé)

近距離無(wú)線通信。 Arduino UNO R3 主控板通過(guò)

其唯一的硬件 UART 接口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信,

確保在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中用戶(hù)可以通過(guò)移動(dòng)端 APP 與

裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)連接和控制。 藍(lán)牙模塊的低功耗設(shè)

計(jì)和穩(wěn)定性使其非常適合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和日常操作。

NB-IoT 選用 SIM7020 模塊用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理,

通過(guò)嵌入式 SIM 卡連接到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),該模塊

適用于裝置部署在廣域水域環(huán)境中的場(chǎng)景。 由于

Arduino UNO R3 只有一個(gè)硬件 UART 接口,因此

本設(shè)計(jì)采用 SoftwareSerial 庫(kù)創(chuàng)建一個(gè)虛擬串口,

用于與 NB-IoT 模塊的通信。 NB-IoT 技術(shù)通過(guò)移

動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣覆蓋、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸,確保用戶(hù)

可以隨時(shí)隨地通過(guò) APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀

態(tài)。 藍(lán)牙和 NB-IoT 雙重通信模式的結(jié)合,使得裝

置既能實(shí)現(xiàn)本地精確控制,又能支持遠(yuǎn)程管理,極

大地提升了系統(tǒng)的操作靈活性。

2. 3 傳感器探頭升降系統(tǒng)

本研究設(shè)計(jì)的傳感器探頭升降系統(tǒng),旨在為

傳感器提供穩(wěn)定、高效的升降操作,確保傳感器在

水下和水上間的自由移動(dòng)。 該系統(tǒng)的核心組件包

括滾珠絲桿滑臺(tái)模組、TMC2208 驅(qū)動(dòng)模塊、1 路

12 V 高電平觸發(fā)繼電器和 S5W-N 防水微動(dòng)開(kāi)關(guān)

(限位開(kāi)關(guān))組成,其可通過(guò)移動(dòng)軟件進(jìn)行自動(dòng)升

降或人為控制升降兩種,可根據(jù)實(shí)際情況供養(yǎng)殖

人員進(jìn)行任意操作,同時(shí)滾珠絲桿滑臺(tái)模組具備

高精度、低噪聲和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn),適用于頻繁的升

降操作。 圖 4 為裝置升降機(jī)構(gòu)的主體部件滾珠絲

桿滑臺(tái)模組(型號(hào)為 1204-200 mm),其內(nèi)置步進(jìn)

電機(jī),位于絲桿頂部。 該模組垂直固定于浮球上,

傳感器支架與內(nèi)嵌在絲桿兩側(cè)導(dǎo)軌的平面進(jìn)行連

接,通過(guò)中間螺紋桿的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)平面上下運(yùn)動(dòng),進(jìn)

而實(shí)現(xiàn)傳感器的垂直升降。

圖 4 1204-200 mm 含電機(jī)滾珠絲杠滑臺(tái)模組

Fig. 4 1204-200 mm Ball Screw Slide Module with Motor

2. 4 傳感器探頭清洗系統(tǒng)

考慮到養(yǎng)殖池塘邊基本沒(méi)有配備外接自來(lái)水

龍頭,為使裝置能廣泛應(yīng)用,清洗探頭的水源采用

池塘水。 本裝置的清洗系統(tǒng)采用型號(hào)為 MY2NJ,

線圈電壓是直流 12 V 的電磁繼電器、12 V20 W

無(wú)刷潛水泵以及耐高溫高壓定型延伸器帶防濺起

泡器等部件組成。 將電磁繼電器與無(wú)刷潛水泵連

接,并通過(guò) Arduino UNO R3 主板進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)

電磁閥的長(zhǎng)閉與長(zhǎng)開(kāi)。 可選取養(yǎng)殖池內(nèi)水深 50

cm 處較干凈的中層水質(zhì)作為清洗水,將潛水泵放

置在此深度,另一端與水管延伸器進(jìn)行連接。 水

管延伸器包裹在浮球外圍進(jìn)行固定,從下往上斜

角 45° ~60°范圍間對(duì)傳感器探頭底部進(jìn)行沖洗,

此范圍內(nèi)沖洗效果最佳。 同樣,清洗系統(tǒng)也存在

通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用軟件進(jìn)行自動(dòng)或人為控制清洗兩種

模式。 圖 5 為清洗系統(tǒng)組成元件。

43

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

 

 

1.5 m

圖 5 清洗系統(tǒng)組成元件

Fig. 5 Cleaning system components

2. 5 MCU 主控板

裝置控制系統(tǒng)采用 Arduino UNO R3 作為核

心控制單元,Arduino UNO R3 基于 ATmega328P

微控制器,該微控制器具有 AVR 架構(gòu),能夠在 16

MHz 的時(shí)鐘頻率下穩(wěn)定運(yùn)行[19-21]

。 雖然時(shí)鐘頻

率相對(duì)較低,但 AVR 架構(gòu)在處理實(shí)時(shí)任務(wù)和控制

邏輯方面具有很高的效率,能夠確保系統(tǒng)在復(fù)雜

環(huán)境下的實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度。 此外,ATmega328P

具備 32 kB 的閃存,足以存儲(chǔ)復(fù)雜的控制程序,并

且具有 1 kB 的 EEPROM 和 2 kB 的 SRAM,能夠

滿(mǎn)足大多數(shù)嵌入式應(yīng)用的存儲(chǔ)需求。 Arduino

UNO R3 提供 14 個(gè)數(shù)字 I/ O 引腳(其中6 個(gè)可用

于 PWM 輸出) ,以及 6 個(gè)模擬輸入引腳。 這些

豐富的 I/ O 資源使得系統(tǒng)能夠輕松地集成各種

執(zhí)行器和通信模塊,滿(mǎn)足多樣化的應(yīng)用需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3. 1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)基于 NB-IoT 和藍(lán)牙技術(shù),

采用藍(lán)牙通信協(xié)議和 NB-IoT 通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)

備與移動(dòng)端應(yīng)用軟件之間的指令傳遞和控制,這

兩種協(xié)議的結(jié)合確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性,

適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。 圖 6 為裝置通信節(jié)點(diǎn)控

制流程。

藍(lán)牙模塊通過(guò) UART 接口與 Arduino UNO

R3 主控板相連接,在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),藍(lán)牙模塊首先

通過(guò)‘AT+INIT’命令進(jìn)行初始化,配置通信參數(shù),

包括波特率和數(shù)據(jù)格式,以確保與移動(dòng)端應(yīng)用的









( +NB-IoT )



















(App)

(

 

)

圖 6 裝置通信節(jié)點(diǎn)控制流程

Fig. 6 Device communication node control flow

穩(wěn)定通信。 當(dāng)用戶(hù)在移動(dòng)端應(yīng)用中發(fā)出控制指令

(如啟動(dòng)水泵或調(diào)整傳感器位置)時(shí),指令以特定

格式打包,通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至主控板。 藍(lán)牙模

塊接收指令后,立即通過(guò) UART 接口將其傳遞給

Arduino 主控板,主控板解析收到指令碼,并根據(jù)

44

第 6 期 李旭等:一種升降清洗式水質(zhì)傳感器管控裝置研制及應(yīng)用

指令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作,如控制滑臺(tái)模組的升

降或啟動(dòng)水泵進(jìn)行傳感器清洗。 另一方面,在

NB-IoT 遠(yuǎn)程通信中,NB-IoT 模塊通過(guò)嵌入式 SIM

卡接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。 在設(shè)備啟動(dòng)時(shí),模塊首先

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè),通過(guò)‘AT+COPS = 0’ 命令自動(dòng)選

擇運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò),并通過(guò)‘AT+CGATT = 1’命令附著

到網(wǎng)絡(luò)。 移動(dòng)端應(yīng)用通過(guò)服務(wù)器向設(shè)備發(fā)送遠(yuǎn)程

控制指令,指令通過(guò) NB-IoT 模塊以 UDP 協(xié)議傳

輸至 設(shè) 備。 模 塊 接 收 到 數(shù) 據(jù) 后, 將 其 傳 遞 給

Arduino 主控板,主控板解析指令并執(zhí)行相應(yīng)操

作,如遠(yuǎn)程啟動(dòng)或停止設(shè)備的功能模塊。

3. 2 傳感器升降和清洗功能程序設(shè)計(jì)

傳感器探頭升降與清洗流程如圖 7 所示。













 



































圖 7 傳感器探頭升降與清洗流程

Fig. 7 Sensor probe lifting and cleaning process

在設(shè)備首次上電后,Arduino UNO R3 主控板

將啟動(dòng)硬件初始化程序,并對(duì)各個(gè)外圍模塊進(jìn)行

自檢和配置。 此時(shí),裝置通過(guò)無(wú)線通信模塊將其

當(dāng)前狀態(tài)傳輸?shù)揭苿?dòng)端 APP 界面,用戶(hù)可以實(shí)時(shí)

查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和程序執(zhí)行情況。 在兩功能

配合聯(lián)動(dòng)模式下,裝置按照軟件設(shè)定程序執(zhí)行操

作,通過(guò) Arduino 控制步進(jìn)電機(jī),驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿滑

臺(tái)機(jī)構(gòu),將浸在水中的傳感器提升至指定的清洗

高度。 當(dāng)裝置上升到指定位置后,潛水泵抽取池

塘水源,通過(guò)軟管將水流輸送到傳感器探頭表面,

并在設(shè)定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)進(jìn)行探頭沖洗,沖洗結(jié)束后等待

下一個(gè)周期循環(huán)往復(fù)。 裝置升降和清洗時(shí)長(zhǎng)、間

隔周期和兩系統(tǒng)的配合聯(lián)動(dòng)等可在移動(dòng)端軟件上

進(jìn)行自定義設(shè)置。

4 移動(dòng)端應(yīng)用

移動(dòng)端應(yīng)用 App 采用 Blynk 平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

Blynk 是一個(gè)專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)( IoT) 設(shè)計(jì)的移動(dòng)端應(yīng)

用開(kāi)發(fā)平臺(tái),支持 Arduino 等硬件平臺(tái)[22-23]

,它提

供了一個(gè)簡(jiǎn)便且功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)環(huán)境,允許用戶(hù)

通過(guò)拖放控件的方式快速創(chuàng)建移動(dòng)應(yīng)用界面,并

與硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。 硬件使用 Blynk 庫(kù)在

Arduino IDE 中編寫(xiě)控制程序,配置 NB-IoT 模塊

的通信,并通過(guò) Blynk 的 Auth Token 將設(shè)備連接

到 Blynk 云服務(wù)器。 Blynk 移動(dòng)端應(yīng)用發(fā)送控制

指令,通過(guò) Blynk 服務(wù)器傳輸至 Arduino UNO R3

主控板執(zhí)行。 移動(dòng)應(yīng)用軟件界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、操作

便利,能夠顯示設(shè)備狀態(tài)信息和設(shè)定程序等內(nèi)容,

并包含對(duì)裝置升降與清洗功能進(jìn)行自定義設(shè)置和

調(diào)節(jié)等模塊。

5 試驗(yàn)

5. 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇在廈門(mén)市集美大學(xué)水產(chǎn)試驗(yàn)場(chǎng)鰻鱺循環(huán)

水養(yǎng)殖車(chē)間作為試驗(yàn)場(chǎng)地,此車(chē)間已實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參

數(shù)全 天 候 監(jiān) 測(cè)。 試 驗(yàn) 對(duì) 象 為 養(yǎng) 殖 澳 洲 鰻 鱺

(Anguilla australis),選取車(chē)間其中一口養(yǎng)殖桶作

為試驗(yàn)桶,試驗(yàn)桶放養(yǎng)鰻鱺 80 尾,規(guī)格為 100 ±

4. 6 g。 試驗(yàn)時(shí)間從 2023 年 3 月 25 日持續(xù)至 5

月 26 日,共計(jì) 63 d,選取水質(zhì) pH 和溶氧傳感器

進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)[24-26]

。 為確保試驗(yàn)過(guò)程中采集的

數(shù)據(jù)覆蓋面較廣,對(duì)養(yǎng)殖試驗(yàn)桶每 3 d 進(jìn)行一次

水質(zhì)檢測(cè), 檢測(cè)時(shí)間為每日上午 9: 00 和下午

15:00,每日數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果取平均值。 試驗(yàn)過(guò)程

中,鰻鱺正常進(jìn)行喂食和循環(huán)水流動(dòng)。

45

漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

養(yǎng)殖水質(zhì) pH 和溶氧濃度的檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)分

組:設(shè)置 3 個(gè)試驗(yàn)組,對(duì)照組(應(yīng)用國(guó)標(biāo)法的水質(zhì)

因子檢測(cè)方法/ 儀器)、處理Ⅰ組(應(yīng)用本研究裝

置+在線水質(zhì)檢測(cè)傳感器)、處理Ⅱ組(在線水質(zhì)

檢 測(cè) 傳 感 器 )。 其 中, 對(duì) 照 組 采 用 型 號(hào) 為

HI991003 的便攜式 pH 檢測(cè)儀進(jìn)行 pH 檢測(cè),溶

氧濃度采用國(guó)標(biāo)碘量法進(jìn)行測(cè)定[27]

,處理Ⅰ組使

用本研發(fā)裝置輔助傳感器進(jìn)行不間斷的水質(zhì)檢

測(cè),處理Ⅱ組在試驗(yàn)期間將 pH 和溶氧檢測(cè)傳感

器探頭按其檢測(cè)操作要求一直浸泡在養(yǎng)殖水

體中。

試驗(yàn)選用的 pH 和溶氧水質(zhì)檢測(cè)傳感器兩個(gè)

處理組均為統(tǒng)一品牌和型號(hào),試驗(yàn)前對(duì)所有傳感

器應(yīng)用國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行因子檢測(cè)校準(zhǔn),設(shè)定將本裝

置應(yīng)用于處理Ⅰ組中。 對(duì)裝置下水前進(jìn)行調(diào)試,

確保水質(zhì)檢測(cè)傳感器在不獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)時(shí)與水面

初始距離保持在 12 cm 左右。

處理Ⅰ組的裝置執(zhí)行程序如下:設(shè)定裝置每

隔 5 min 執(zhí)行一次升降運(yùn)動(dòng),使傳感器在浸入水

中獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)時(shí)停留 20 s,在獲取完檢測(cè)數(shù)據(jù)

后將傳感器自動(dòng)升起。 確保清洗系統(tǒng)啟停正常,

通過(guò)無(wú)刷潛水泵抽取養(yǎng)殖桶內(nèi)中層水源對(duì)傳感器

進(jìn)行全面的探頭清洗,清洗時(shí)長(zhǎng)為 10 s。 周期性

的升降運(yùn)動(dòng)可以有效減少水質(zhì)檢測(cè)傳感器與養(yǎng)殖

水體的接觸時(shí)間與接觸面積,同時(shí)足夠的水面停

留時(shí)間也不影響水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集。

5. 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)開(kāi)展 3 個(gè)試驗(yàn)組養(yǎng)殖水質(zhì) pH 和溶氧質(zhì)

量濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,旨在評(píng)估升降清洗式水

質(zhì)傳感器管控裝置在提升傳感器水質(zhì)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性

等方面的實(shí)際應(yīng)用效果,試驗(yàn)期間各組的 pH 和

溶氧數(shù)據(jù)對(duì)比情況如表 1 所示。

表 1 養(yǎng)殖水質(zhì) pH 與溶氧檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況

Tab. 1 Comparison of aquaculture water quality pH and DO testing data

水質(zhì)因子 對(duì)照組 處理Ⅰ組 處理Ⅱ組

相對(duì)誤差/ % 變異系數(shù)/ %

處理Ⅰ組 處理Ⅱ組 處理Ⅰ組 處理Ⅱ組

pH 7. 69±0. 23

a

7. 74±0. 34

a

8. 16±1. 27

b

2. 13±0. 54

a

9. 51±6. 72

b

4. 39±1. 48

a

15. 56±2. 79

b

DO 6. 84±0. 36

a

6. 83±0. 48

a

7. 40±1. 53

b

3. 09±0. 84

a

10. 92±7. 67

b

7. 03±1. 88

a

20. 68±3. 22

b

注:同行數(shù)據(jù)不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0. 05)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,使用本研發(fā)裝置的處理Ⅰ組

pH 與對(duì)照組采用國(guó)標(biāo)法的便攜式 pH 檢測(cè)儀檢

測(cè)的數(shù)值相比不存在顯著差異(P>0. 05);然而,

未使用本裝置的處理Ⅱ組 pH 與對(duì)照組采用國(guó)標(biāo)

法的便攜式 pH 檢測(cè)儀檢測(cè)的數(shù)值相比存在顯著

差異(P<0. 05)。 使用本研發(fā)裝置的處理Ⅰ組溶

氧值與對(duì)照組采用國(guó)標(biāo)碘量法檢測(cè)的數(shù)值相比不

存在顯著差異(P>0. 05);未使用本裝置的處理Ⅱ

組溶氧值與對(duì)照組采用國(guó)標(biāo)碘量法檢測(cè)的數(shù)值相

比存在顯著差異(P<0. 05)。 研究表明,本研發(fā)裝

置的使用有助于縮小 pH 和溶氧水質(zhì)檢測(cè)傳感器

與采用國(guó)標(biāo)法檢測(cè)數(shù)值的差異性。

使用該裝置的 pH 檢測(cè)傳感器的檢測(cè)數(shù)值與

采用國(guó)標(biāo)法的 pH 檢測(cè)儀檢測(cè)數(shù)值的平均相對(duì)誤

差和變異系數(shù)相比未使用該裝置的存在顯著差異

(P<0. 05);使用該裝置的溶氧檢測(cè)傳感器的檢測(cè)

數(shù)值與采用國(guó)標(biāo)碘量法檢測(cè)數(shù)值的平均相對(duì)誤差

和變異系數(shù)相比未使用該裝置的存在顯著差異

(P<0. 05)。 表明該裝置可顯著提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳

感器的準(zhǔn)確性,降低傳感器的檢測(cè)誤差,提高水質(zhì)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。

本裝置與孫毅等[28] 發(fā)明的具有電極自動(dòng)清

洗和標(biāo)定的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),王祖剛[29] 發(fā)明的

太陽(yáng)能水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)自動(dòng)清洗裝置,單慧勇

等[30]設(shè)計(jì)的傳感器射流清潔系統(tǒng)以及劉雨青

等[31]設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)傳感器監(jiān)控及自

清洗裝置相比,具有體積小、拆解安裝便利、便攜

性高、維護(hù)成本和制造成本低、管控操作簡(jiǎn)單便利

等優(yōu)勢(shì),可用于多傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于 NB-IoT 和藍(lán)牙通信

技術(shù)的升降清洗式水質(zhì)傳感器管控裝置。 該裝置

采用 Arduino UNO R3 作為主控板,結(jié)合 SIM7020

NB-IoT 模塊和 HC-05 藍(lán)牙模塊,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和近距

離雙模式控制。 傳感器支架設(shè)計(jì)為可更換結(jié)構(gòu),

能夠靈活配置和調(diào)節(jié)傳感器的擺放位置,適應(yīng)不

46

第 6 期 李旭等:一種升降清洗式水質(zhì)傳感器管控裝置研制及應(yīng)用

同監(jiān)測(cè)需求,通過(guò)自動(dòng)化升降和清洗機(jī)制,裝置能

夠定期清除傳感器探頭表面的污垢,確保數(shù)據(jù)的

準(zhǔn)確性和傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。 裝置的移動(dòng)端

應(yīng)用軟件基于 Blynk 平臺(tái)開(kāi)發(fā),用戶(hù)可以通過(guò)手

機(jī)實(shí)時(shí)查看和控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 試驗(yàn)結(jié)果表

明,經(jīng)過(guò)定期升降和清洗的傳感器在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中

能夠保持較高的測(cè)量精度,與使用國(guó)標(biāo)法的水質(zhì)

因子檢測(cè)方法/ 儀器的對(duì)比結(jié)果誤差在合理范圍

內(nèi)。 該裝置具備較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。 □

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漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2024 年

Development and application of a lifting and cleaning type

water quality sensor control device

LI Xu

1,2

, JIANG Xinglong

1,2

,CHEN Qingxiang

1,2

(1 Fisheries College, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China;

2 Engineering Research Center of the Modern Technology for Eel Industry,

Ministry of Education, Xiamen 361021, Fujian, China)

Abstract:To overcome the technical bottlenecks commonly found in water quality monitoring sensors, such as

decreased detection sensitivity and accuracy due to prolonged immersion in water, a lifting and cleaning control

device for water quality sensors was developed. This device uses an Arduino UNO R3 as the main control

board, combined with the SIM7020 NB-IoT module and HC-05 Bluetooth module. A mobile application was

developed based on the Blynk platform, allowing users to monitor and control the device's operation in realtime via smartphone, achieving both remote and local dual-mode control. The sensor bracket is designed as a

replaceable structure, enabling flexible configuration and adjustment of the sensor's placement. Through an

automated lifting and cleaning mechanism, the device can periodically remove dirt from the sensor probe 's

surface, ensuring data accuracy and the long-term stable operation of the sensors. pH and dissolved oxygen

sensors were selected for comparative testing of this device. The results showed that the average relative error

of the pH sensor using this device compared to the standard method pH meter was only 2. 13%, while the

average relative error without the device was as high as 9. 51%, showing a significant difference (P<0. 05).

The average relative error of the dissolved oxygen sensor using this device compared to the standard iodometric

method was only 3. 09%, while the average relative error without the device was as high as 10. 92%, also

showing a significant difference (P<0. 05). This device has the advantages of a small size, stable system

operation, thorough cleaning of the probe, and wide applicability, providing good potential for promotion and

application.

Key words:water quality; aquaculture; water quality sensors; intelligent control devices

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