浅谈水产养殖投饲设备
水产养殖作为全球食品供应链中不可或缺的一环,随着全球人口增长和消费模式的变化而迅速发展。根据联合国粮农组织的报告,水产养殖产量已超过传统捕捞量,成为主要的水产品来源。传统水产养殖活动主要集中在自然水体,如在湖泊、河流和沿海地区进行的放养和捕捞,依赖自然环境,对水体的控制和管理较少。传统养殖技术通常是劳动密集型的,依靠人工进行饲料投放和水质管理,效率较低,且容易受到自然条件的限制。随着水产养殖业的快速扩张,智能高效、可持续的养殖技术变得尤为重要。
随着人工智能和信息技术的发展,投饲设备开始向智能化方向演进。智能投饲设备作为水产养殖的核心技术之一,其发展和优化,对提高养殖效率、节省人工、降低环境影响具有重要意义。现阶段水产养殖业,饲料成本达到总成本一半以上[1-2],高效的投饲设备能够减少饲料浪费,保证养殖水体的水质,进而提高水产品的质量和数量。现介绍水产养殖投饲设备,分析当前市场上不同类型投饲设备的技术特点、应用情况和存在的问题,提出建议,拟为促进水产养殖行业的技术进步和可持续发展提供参考。
1 投饲设备
1.1 类型
(1)固定式鱼塘投饲机。适用于池塘养殖,设备固定,简单实用,成本低,易维护。但投饲面积有限,受天气环境影响大,易损坏,噪音大。
(2)气力输送式自动投饲机。适用规模化工厂养殖、网箱养殖,其结构简单,可靠性强,能够远距离投饲和多点投饲,但投饲饵料须为干燥饲料,易堵塞,成本相对高。
(3)自动投饲机器人。适用于室内环境标准化池塘养殖、工厂化循环水养殖,自动化、智能化程度高,设备复杂,其投饲作业及定位精度受设备影响较大,成本相对较高。
(4)自动投饲船。适用于虾蟹等小范围水产养殖,自动化、智能化程度高,投饲作业受到天气环境影响程度较大,转塘难度大。
(5)自动投饲无人机。适用室外标准化池塘养殖、虾蟹养殖、海洋网箱养殖,投饲效率高,设备复杂,投饲作业需要人工操作,而且续航时间短。
(6)网箱养殖投饲机。固定于小型渔船上,适用于海洋网箱养殖,投饵效率高,设备操作简单,自动化程度不高,但人工海上作业有一定的危险性。
1.2 国内发展现状
智能投饲技术是将物联网、机器视觉、机器声学、人工智能等智能化及信息技术应用于水产养殖投饲装备,能够根据养殖水质、生物行为、生物量等,按需投喂的一种创新技术。该技术能够提高饲料利用率,降低养殖成本,减少水体污染,是一种绿色高效可持续的发展方向[3]。
目前,国内水产养殖投饲设备的研发相对滞后,机械化、自动化程度低。由于缺乏有效的投料控制技术,传统方法造成了饵料的严重浪费和对水体的污染[4]。赵思琪等[5]针对水质受养殖技术影响的问题,研究了一种基于模糊逻辑控制理论的鱼塘养殖精准投饲系统,通过检测溶解氧和水温,从而反馈到控制投饲系统,控制精度≥90%,饵料系数<9%,提高了饲料利用效率。
电动背负式鱼塘饲料自动抛洒机,抛洒机容量20~50 L,主体PP 材质,工作电压12 V,通过电动转速盘,可以抛撒各种大小干性颗粒物料,抛撒距离可调节,调节范围1~15 m,手提式抛撒转速盘,实现轻松控制抛洒方向,同时可实现施肥、播种作业。
气力输送投饲机主要用于池塘投饲和网箱投饲,由料箱、下料器、罗茨风机和管道等部分组成。目前市场上主要有2 种气力输送方式:一种为负压输送,具有代表性的是风送式投饲机,现已广泛投入市场。气力池塘养殖自动投饵系统为饲料先由料仓送到储料装置,经分配装置通过管道由气力输送到不同的养殖池塘,所有池塘投喂都可以通过计算机管理,从而实现集中式投饵。该投饵系统分为以下几个部分:压气装置、储料装置、下料装置、分配装置和控制装置。
固定投饵机解决了手工费时费力的问题, 已广泛应用于工厂化养殖、大棚养殖、深海网箱养殖,但是还存在投料不均匀,浪费饲料等问题。鱼类的摄食效率对提高产量和降低成本具有重要作用。
针对固定投饲机投料不均匀的问题,某高校科研院所研发了一种轨道式淡水鱼智能投饲机器人。该系统根据育苗的品种、日龄和密度,制定科学的饲喂曲线,同时检测水质参数和鱼的采食行为,动态调整饲喂策略,实现投料均匀和精准饲喂。
基于机器视觉和声觉技术,检测鱼的采食行为和投喂饲料量等参数,评估鱼群的食欲和摄食强度,从而制定科学的投饲方案,是目前研究的热点之一。利用图像处理技术,分析水面剩余浮饵量,从而计算出鱼群当前摄食周期所需要的投饲量,依此研制出自动投饵设备。基于机器视觉的鱼类采食检测,易受光线、水面漂浮物等外界环境影响,在光线和天气不好的情况下,具有一定的局限性。利用声学分析技术的智能投饲技术应运而生[6]。声波在传播时会发生反射现象,检测精度相对不高,该技术更适用于大面积的网箱养殖。为了采集鱼群摄食行为的多个参数,为投饲设备的控制,提供更精准有效的反馈信息,开始研发利用机器视觉和声觉,多模态数据融合的养殖鱼群摄食规律及投饲策略,从而提高系统的检测精度和智能化程度。
1.3 国外发展现状
随着科技的发展,发达国家如美国、德国、日本、挪威等,开发应用了多种自动投饲设备,对鱼的采食行为分析,从而实现精准投饲[7]。饲料颗粒消耗的实时监测,是制定科学饲养策略的重要依据,可有效减少饲料浪费和水体污染,实现经济效益和生态效益的双赢。通过定时控制旋转板,控制洗涤器式自动给料器,安装发射红外辐射的光电传感器,当传感器下没有鱼聚集时,反射的信号较少,停止喂食,从而节省了饲料,避免了对水体的污染。准确投喂表现在实时监测水下残留饵料,实时反馈给投料机,从而控制给料量。但由于光线差、外界干扰多等原因,给水下图像处理和颗粒检测带来了很大的挑战。
挪威在20 世纪80年代,在鳕养殖中利用自动投饵系统与集鱼系统[8]。Fast 等[9]于20 世纪末,为鱼类养殖精量化投饲,研究投饲量和环境变量之间的关系;意大利20 世纪90年代将自动投饵技术用于浮式网箱养殖业[10];2005年,Chang 等[4]在鳗养殖投饲中,研究其聚焦行为,并设计调控装置,降低饲料成本显著;近年来,Skien 等[11]利用电子成像等先进技术,对规模化网箱养殖机械化设备进行研究;Prem等[12]也开发出一套半集约化的机械投饲设备。
近年来,深度学习技术,相对于传统机器学习具有更高的准确性。通过光流神经网络生成光流帧,然后将光流帧输入到三维卷积神经网络(3DCNN)中,评估鱼的摄食强度[13]。近红外成像技术是一种量化鱼类摄食行为变化的新方法。
在沿海国家,网箱养殖发展较快并具有巨大的潜力,但是该行业仍具有一些管理和技术问题,比如天气变化和人为失误,会影响养殖鱼类的正常养殖。可以通过使用自动四轴飞行器避免,降低劳动力成本,提高饲料输送效率。Skien 等[11]开发了一种气动旋转给料机,采用无人机和计算机视觉方法,获取投料机的位置和方向。该方法能够快速部署、设备安装少、投料均匀优点。基于无人机的方法效率更好,可以通过捕获由旋转的饲料旋转器覆盖更大的网箱养殖面积。
2 存在问题及建议
2.1 精准投饲技术有待提升
尽管现代投饲设备已经能够在一定程度上实现自动化和智能化,但在精准度方面仍是一个挑战。例如,设备可能无法准确判断鱼群实际的饲料需求,导致饲料投放过量或不足,不仅影响鱼群的生长,还可能导致资源浪费和环境问题。另外,设备的可靠性还需要进一步提升。在恶劣的养殖环境中,设备易受到损坏,维护和修理成本较高。此外,技术故障可能导致饲料供应中断,对养殖产量造成影响。
在今后的研究中,应引入更先进的传感器和监控技术,可更准确监测鱼群行为和水质状况。应用机器学习和数据分析技术,根据历史数据和实时信息,调整投饲策略。使用更耐用和抗腐蚀的材料制造设备,增加其在恶劣环境下的稳定性和耐久性。定期进行设备维护和检查,及时发现并解决潜在的技术问题。
2.2 投饲设备成本较高
尽管自动化和智能化投饲设备能提高效率,但其初始投资成本往往较高。设备需要定期维护以保持最佳运行状态,这可能需要专业知识和额外的经费。
通过规模化生产和技术改进,降低设备制造成本。为中小型养殖企业提供政策支持和财务补贴,降低其投资成本。同时,开展设备使用和维护培训,使养殖者能够自行进行基本维护。
2.3 对生态环境影响较大
虽然先进的饲喂技术有助于减少对环境的影响,但未能正确使用或设备故障,可能导致饲料过量投放,从而加重水体污染和资源浪费。在追求养殖效益的同时,应确保生态平衡和资源的可持续利用。投饲设备的设计和应用,需要考虑长远的生态影响。
开发环保型饲喂技术,如精准投饲系统,减少饲料浪费和水体污染。推广生态友好型养殖模式,如循环水养殖系统,减少对自然水体的影响。在设计投饲设备时,关注生态平衡,开发集成多营养级养殖系统(IMTA)。促进行业内外的协作,包括政府、研究机构和养殖企业,共同推进可持续养殖技术的发展和应用。
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