蝦夷扇貝苗計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李明智， 張俊新， 趙學(xué)偉， 侯景元， 崔凱歌， 石旭東， 陳 浩， 張雨薇

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

隨著扇貝底播增養(yǎng)殖模式的迅猛發(fā)展[1]，為確保底播貝苗的存活率，養(yǎng)殖企業(yè)對(duì)底播海域的養(yǎng)殖容量更加關(guān)注[2-5]，對(duì)單位海區(qū)的底播量提出了更高要求，而底播前貝苗的計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)底播的重要前提。因此，研發(fā)高效合理的貝苗計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)裝置對(duì)支撐扇貝產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，養(yǎng)殖企業(yè)為了更加準(zhǔn)確地掌握底播貝苗量，對(duì)底播前貝苗量進(jìn)行抽標(biāo)、計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)，然而貝苗計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)仍以人工計(jì)數(shù)為主，且往往在港口或海上進(jìn)行作業(yè)。由于人工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，貝苗受到干露的影響，干露對(duì)其存活率產(chǎn)生較大影響[6-8]。計(jì)數(shù)準(zhǔn)確高效、性能穩(wěn)定可靠的貝苗計(jì)數(shù)裝置已成為科研院所與養(yǎng)殖企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)集中在計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。如楊曉光[9]設(shè)計(jì)了貝苗精選分級(jí)系統(tǒng)，但該設(shè)備對(duì)環(huán)境要求較高，不適用于高強(qiáng)度海上貝苗統(tǒng)計(jì)作業(yè)；馬先英等[10]設(shè)計(jì)了自動(dòng)分級(jí)與計(jì)數(shù)系統(tǒng)，通過(guò)海參在傳送帶上投影面積大小實(shí)現(xiàn)等級(jí)分選與計(jì)數(shù)，但該系統(tǒng)處理效率較低，不適用于海上貝苗統(tǒng)計(jì)作業(yè)；郭常有等[11]將圖像處理技術(shù)用于扇貝自動(dòng)分類(lèi)，能夠有效地完成扇貝的定位和尺寸識(shí)別，但同樣存在處理效率低的問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用受限。文獻(xiàn)[12]研發(fā)的牡蠣幼體計(jì)數(shù)裝置，通過(guò)記錄流體中牡蠣幼體在探測(cè)器上產(chǎn)生的陰影來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)。李明智等[13]研發(fā)的扇貝苗分級(jí)計(jì)數(shù)裝置，可實(shí)現(xiàn)高效分級(jí)與計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)誤差約為4.5%。本文針對(duì)文獻(xiàn)[13]的扇貝苗分級(jí)計(jì)數(shù)裝置中計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)裝置進(jìn)行升級(jí)改造，其目的是進(jìn)一步提高計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率和計(jì)數(shù)裝置的自動(dòng)化水平。

1 貝苗計(jì)數(shù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

貝苗計(jì)數(shù)系統(tǒng)由處理平臺(tái)、傳送排隊(duì)裝置、計(jì)數(shù)裝置和系統(tǒng)控制模塊4部分組成(圖1)。其中，處理平臺(tái)包括貝苗存放平臺(tái)和除雜平臺(tái)，均采用聚氯乙烯(PVC)材質(zhì)的孔板(孔徑分別為5 mm和10 mm，45°錯(cuò)排)，實(shí)現(xiàn)貝苗計(jì)數(shù)前的存放與雜質(zhì)(雜貝、碎貝殼等)去除，消除雜質(zhì)對(duì)計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性的影響。傳送排隊(duì)裝置主要由同步齒輪傳送帶、OPG 61K200RGN-CF 型交流電機(jī)(配有OPG6GN10K 型齒輪減速器)和波浪式貝苗排隊(duì)擋板等組成，可實(shí)現(xiàn)貝苗在傳送過(guò)程中的自動(dòng)排隊(duì)。計(jì)數(shù)裝置采用DQL32-2.5光幕計(jì)數(shù)傳感器，信號(hào)輸出方式為RS485，光軸間距2.5 mm，可有效檢測(cè)尺寸為25～45 mm的貝苗，同時(shí)避開(kāi)尺寸小于2.5 mm雜質(zhì)對(duì)計(jì)數(shù)的干擾。系統(tǒng)控制模塊包括光幕計(jì)數(shù)傳感器輸出485信號(hào)的接收和處理，數(shù)據(jù)采集顯示及打印等。系統(tǒng)具體控制流程如圖2所示。

圖1 蝦夷扇貝苗計(jì)數(shù)裝置樣機(jī)

圖2 程序流程圖

貝苗計(jì)數(shù)裝置的工作流程如圖3所示。計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)時(shí)將貝苗倒在處理平臺(tái)上，雜質(zhì)和海水可通過(guò)平臺(tái)上排雜口和除水海綿進(jìn)行處理，之后由可調(diào)節(jié)進(jìn)料口(70 mm×30 mm)落入傳送帶上，傳送過(guò)程依靠波浪式排隊(duì)擋板組對(duì)貝苗進(jìn)行排隊(duì)，使貝苗逐個(gè)落入計(jì)數(shù)傳感器，并通過(guò)系統(tǒng)控制模塊實(shí)現(xiàn)貝苗的計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)打印。

2 關(guān)鍵部件與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳送排隊(duì)裝置

貝苗計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵在于保證貝苗逐一進(jìn)入計(jì)數(shù)傳感器，其關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)貝苗差速傳送和消除堆疊現(xiàn)象(由于海水具有一定黏度，且貝苗較小，極易發(fā)生粘黏)[13]。因此，排隊(duì)擋板的布置角度和結(jié)構(gòu)形式成為貝苗差速運(yùn)動(dòng)和防止堆疊的關(guān)鍵。圖4為貝苗在傳送帶上的運(yùn)動(dòng)形式，上擋板與傳送方向夾角為θ1，下?lián)醢迮c傳送方向夾角為θ2。

2.1.1 貝苗在傳送帶上的運(yùn)動(dòng)分析

貝苗經(jīng)過(guò)過(guò)渡滑板1時(shí)，受傳送帶上的摩擦力F分力Nd1的作用，處于滑動(dòng)狀態(tài)，可表示為：

Nd1=F×sinθ1

(1)

式中：Nd1—貝苗經(jīng)過(guò)過(guò)渡滑板1后沿傳送路徑所受的滑動(dòng)力，N；F—貝苗在傳送帶上受到的傳送力，N。

同理，貝苗經(jīng)過(guò)過(guò)渡滑板2時(shí)，貝苗滑動(dòng)狀態(tài)可表示為：

Nd2=F×cosθ2

(2)

式中：Nd2—貝苗經(jīng)過(guò)過(guò)渡滑板2后沿傳送路徑所受的滑動(dòng)力，N。

貝苗經(jīng)過(guò)波浪擋板1時(shí)，貝苗在波浪擋板阻力作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效果，同時(shí)削弱Nd1的滑動(dòng)力，因此，該過(guò)程處于降速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，可表示為：

N1=Nd1-Nb1

(3)

M1=Nb1×h

(4)

式中：Nb1—貝苗經(jīng)過(guò)波浪擋板1時(shí)所受的阻力，N；N1—貝苗經(jīng)過(guò)波浪擋板1時(shí)的滑動(dòng)力，N；h—貝苗經(jīng)過(guò)波浪擋板時(shí)所受阻力與滑動(dòng)力間的垂直距離，mm；M1—貝苗經(jīng)過(guò)波浪擋板時(shí)所受阻力與滑動(dòng)力共同形成的扭矩，N·mm。

同理，貝苗經(jīng)過(guò)波浪擋板2時(shí)，貝苗轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)可表示為：

N2=Nd2-Nb2

(5)

M2=Nb2×h

(6)

式中：Nb2—貝苗經(jīng)過(guò)波浪擋板2時(shí)所受的阻力，N；N2—貝苗經(jīng)過(guò)波浪擋板2時(shí)的滑動(dòng)力，N；M2—貝苗經(jīng)過(guò)波浪擋板時(shí)所受阻力與滑動(dòng)力共同形成的扭矩，N·mm。

圖3 計(jì)數(shù)裝置工作流程圖

圖4 蝦夷扇貝苗在傳送帶上的運(yùn)動(dòng)分析

貝苗經(jīng)過(guò)過(guò)渡滑板3、波浪擋板3時(shí)，和過(guò)渡滑板1、波浪擋板1的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致。貝苗經(jīng)過(guò)傳送波浪擋板組后，進(jìn)入即排隊(duì)出口區(qū)域，此時(shí)貝苗受到傳送帶摩擦力F的直接作用。由此可得出，在排隊(duì)擋板的布置角度適合時(shí)，貝苗在經(jīng)過(guò)排隊(duì)擋板時(shí)處于降速和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，離開(kāi)擋板后處于加速狀態(tài)，不僅實(shí)現(xiàn)了差速運(yùn)動(dòng)，而且實(shí)現(xiàn)了貝苗的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，過(guò)渡滑板和波浪擋板的組合結(jié)構(gòu)形式能夠?qū)崿F(xiàn)貝苗的差速傳輸與排隊(duì)。

2.1.2 排隊(duì)擋板的布置角度對(duì)排隊(duì)效果的影響分析

在不考慮排隊(duì)擋板本身的降速與轉(zhuǎn)動(dòng)效果時(shí)，僅考慮排隊(duì)擋板的布置角度對(duì)排隊(duì)效果的影響。排隊(duì)擋板的布置角度對(duì)貝苗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響見(jiàn)表1。為了實(shí)現(xiàn)將相鄰貝苗的距離拉開(kāi)，并逐一進(jìn)入計(jì)數(shù)器，達(dá)到貝苗計(jì)數(shù)的目的，選取方案B。

表1 排隊(duì)擋板的布置角度對(duì)蝦夷扇貝苗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響

2.2 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

貝苗計(jì)數(shù)控制系統(tǒng)的主控制模塊選用低功耗、高性能的CMOS8位微控制器STC89C52作為核心，其理論工作溫度范圍為-40 ℃～85 ℃(工業(yè)級(jí))，完全滿足秋冬季的貝苗計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)需求，其作為主控模塊不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)錄貝苗個(gè)數(shù)、顯示與打印功能，也能滿足低成本、低功耗的要求。圖5為系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)圖。系統(tǒng)工作原理為：系統(tǒng)信號(hào)來(lái)自于貝苗分選排隊(duì)后掉落出口處固定的光幕傳感器，當(dāng)貝苗檢測(cè)通道時(shí)，傳感器對(duì)外輸出的485信號(hào)發(fā)生變化，經(jīng)中斷處理系統(tǒng)處理后，計(jì)數(shù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并送入內(nèi)存單元存儲(chǔ)，產(chǎn)生相應(yīng)的計(jì)數(shù)信號(hào)，最后單片機(jī)通過(guò)軟件編譯將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)計(jì)數(shù)工作完成后，即可打印出貝苗數(shù)量、收苗時(shí)間等信息的數(shù)據(jù)小票，同時(shí)數(shù)據(jù)清零。

圖5 系統(tǒng)的整體電路設(shè)計(jì)圖

3 材料與方法

為了論證貝苗計(jì)數(shù)裝置的準(zhǔn)確性與可靠性，在大連市旅順董坨子港進(jìn)行了生產(chǎn)性對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)材料：3 cm及以上蝦夷扇貝苗，試驗(yàn)用貝苗具體數(shù)量與實(shí)際抽標(biāo)量一致，貝苗計(jì)數(shù)裝置1臺(tái)。試驗(yàn)方法：試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，一是確定計(jì)數(shù)裝置最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，二是完成海上生產(chǎn)性對(duì)比試驗(yàn)，論證裝置的準(zhǔn)確性和可行性。

第1階段：通過(guò)對(duì)裝置工作原理分析得出，影響裝置計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的參數(shù)為貝苗單位時(shí)間投入量、排隊(duì)擋板位置關(guān)系和傳送帶速度。根據(jù)進(jìn)料口的可調(diào)尺寸(70 mm×30 mm)，確定單位時(shí)間投貝量的范圍為140～160個(gè)/min；根據(jù)貝苗在傳送帶上的運(yùn)動(dòng)分析(圖4)，確定排隊(duì)擋板的位置關(guān)系為θ1>θ2；根據(jù)電機(jī)功率，確定傳送速度范圍為0.4 ～ 0.6 m/s。取3 cm及以上貝苗200個(gè)，根據(jù)計(jì)數(shù)裝置的最佳參數(shù)范圍，建立3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)[14](表2)。

表2 計(jì)數(shù)正交實(shí)驗(yàn)的因素及水平

第2階段：利用本計(jì)數(shù)裝置以及人工方式抽標(biāo)貝苗進(jìn)行計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)周期為3 d(2017 年11 月14 日至16日)，共完成15組對(duì)比試驗(yàn)，每組對(duì)比試驗(yàn)重復(fù)3 次。為了提高效率，人工計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)由4人完成。機(jī)械計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)是對(duì)人工統(tǒng)計(jì)的貝苗進(jìn)行再統(tǒng)計(jì)，只需1人完成。操作完畢后確定計(jì)數(shù)裝置的準(zhǔn)確率、作業(yè)效率。計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率η1、作業(yè)效率η2計(jì)算公式分別為：

η1=(1-|Q1-Q2|/Q1)×100%

(7)

η2=Q1/(t·Q3)×100%

(8)

式中：η1—計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率，%；η2—作業(yè)效率，%；Q1—人工計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)貝苗數(shù)量，個(gè)；Q2—機(jī)械計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)貝苗數(shù)量，個(gè)；t—計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)時(shí)間，min；Q3—作業(yè)人數(shù)，人。

4 結(jié)果與分析

4.1 最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合確定

表2可知，建立3因素3水平，分別可選用L9(33)[15]的正交表。采用SPSS20軟件對(duì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3 的數(shù)據(jù)可得出，極差最大的是因素B，之后分別為C、A。因素B對(duì)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率的影響最大，取第3水平最好，因素C、A分別取第2、1 水平最好。因此，該試驗(yàn)的最優(yōu)方案為A1B3C2，即計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間投入量為140個(gè)/min，排隊(duì)擋板位置關(guān)系為θ1=45°、θ2=30°，傳動(dòng)轉(zhuǎn)速為0.5 m/min。各因素對(duì)貝苗計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的影響依次為排隊(duì)擋板位置關(guān)系>傳送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速>計(jì)數(shù)投入量。

表3 計(jì)數(shù)正交實(shí)驗(yàn)L9(33)結(jié)果

注：k1、k2、k3為各因素在相應(yīng)水平下的平均分選純度；R為各因素的極差

4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證最佳工藝參數(shù)組合的合理性，對(duì)計(jì)數(shù)裝置最佳工藝參數(shù)組合A1B3C2作3 次驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果是3次試驗(yàn)的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率分別為99.5%、99.5%和100%，平均值為99.67%。計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率均高于目前已使用的計(jì)數(shù)裝置工藝參數(shù)組合的最高準(zhǔn)確率，說(shuō)明正交試驗(yàn)選出的工藝參數(shù)合理。

4.3 生產(chǎn)性對(duì)比試驗(yàn)

生產(chǎn)性對(duì)比試驗(yàn)的計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率和作業(yè)效率結(jié)果如表4所示。由表4可知，通過(guò)15組生產(chǎn)性對(duì)比試驗(yàn)，機(jī)械計(jì)數(shù)的平均準(zhǔn)確率為99.6%，誤差率低于0.5%，且統(tǒng)計(jì)結(jié)果無(wú)顯著性差異(P>0.05)。由此說(shuō)明，貝苗計(jì)數(shù)裝置具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。楊雨辰等[16]研究表明影響生物統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵是測(cè)量物位置重疊、首尾相連；楊勤成[17]通過(guò)控制輸送機(jī)的振動(dòng)頻率調(diào)節(jié)貝類(lèi)間的間距，實(shí)現(xiàn)了貝類(lèi)傳輸過(guò)程排列整齊，依次輸出，但過(guò)度的振動(dòng)會(huì)對(duì)貝苗產(chǎn)生不利影響[18-21]；趙慶龍等[22]針對(duì)對(duì)蝦的體型特征及對(duì)蝦在不同姿態(tài)時(shí)重心位置的變化，設(shè)計(jì)了對(duì)蝦定向排序裝置，有效解決了對(duì)蝦去頭、開(kāi)背等機(jī)械自動(dòng)化剝殼作業(yè)難的問(wèn)題。本研究結(jié)合扇貝苗外殼的形狀特征，設(shè)計(jì)波浪排隊(duì)擋板機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了貝苗的差速與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有效解決了貝苗的位置重疊、首尾相連的難題，其計(jì)數(shù)誤差率較文獻(xiàn)[13](計(jì)數(shù)誤差率約為4.5%)大幅降低，且由于波浪排隊(duì)擋板機(jī)構(gòu)采用聚氯乙烯(PVC)材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)損傷排隊(duì)傳輸。

表4 人工與機(jī)械計(jì)數(shù)生產(chǎn)性試驗(yàn)效果對(duì)比

由表4還可知，采用機(jī)械計(jì)數(shù)的平均作業(yè)效率為2.49 kg/(人·min)，約為人工計(jì)數(shù)作業(yè)效率的1.73倍，效率較高，且能夠降低作業(yè)人數(shù)與勞動(dòng)強(qiáng)度。貝類(lèi)離水后能維持生命活動(dòng)的時(shí)間稱(chēng)為干露時(shí)間[23]。扇貝的存活率隨干露時(shí)間的增加而降低[24]。因此，采用貝苗計(jì)數(shù)裝置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)還可有效減少貝苗的干露時(shí)間，有利于提高底播貝苗的存活率。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)，并結(jié)合光幕計(jì)數(shù)傳感器的貝苗計(jì)數(shù)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)貝苗的自動(dòng)排隊(duì)、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)采集、顯示及打印等功能。通過(guò)對(duì)計(jì)數(shù)裝置工藝參數(shù)的優(yōu)化與論證，得出計(jì)數(shù)貝苗單位時(shí)間投入量140個(gè)/min，排隊(duì)擋板位置關(guān)系θ1=45°、θ2=30°，傳動(dòng)轉(zhuǎn)速0.5 m/min為最佳；各因素對(duì)貝苗計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的影響依次為排隊(duì)擋板位置關(guān)系>傳送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速>計(jì)數(shù)投入量。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械計(jì)數(shù)的平均準(zhǔn)確率為99.6%，誤差率低于0.5%，且15組統(tǒng)計(jì)結(jié)果無(wú)顯著性差異(P>0.05)；同時(shí)，機(jī)械計(jì)數(shù)的平均作業(yè)效率為2.49 kg/(人·min)，約為人工計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)作業(yè)效率的1.73倍。由此證明貝苗計(jì)數(shù)裝置具有較高的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和高效型，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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參考文獻(xiàn)

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