水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投餌機發(fā)展現(xiàn)狀

于澤 姜忠愛 張靖鐸 肖冰峰 曹其政 顧宗文

摘 要：隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，自動投餌機在國內外都獲得了廣泛的應用。我國投餌機對比國外先進投餌裝置在系統(tǒng)化、自動化、精確度等方面仍有所欠缺。本文針對我國投餌機的發(fā)展歷程，并圍繞投餌機的應用特點，對投餌機發(fā)展進行介紹，同時列舉國內外的新型投餌機研究成果，借此展望投餌機在未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：投餌機;水產(chǎn)養(yǎng)殖;自動投飼;智能控制

改革開放以來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛。隨著養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，人工投飼的不足逐漸凸顯出來，例如工作量大、效率低、拋撒不均勻，而且受人體力、環(huán)境、天氣等因素影響大等。這些因素影響?zhàn)B殖對象的正常生長，增加了養(yǎng)殖成本[1]。因此，大力推廣自動投餌機的使用是解放養(yǎng)殖者勞動力、節(jié)省時間、減少飼料浪費、提高經(jīng)濟效益的重要舉措。國內投餌機的研發(fā)始于上世紀80年代，隨即被投入使用[2]。到90年代中期以后，養(yǎng)殖戶逐漸認識到使用魚塘投餌機可以提高飼料利用率，產(chǎn)銷量才開始大幅度提高。當前國內大部分的投餌機智能化程度較低，主要是以機械化取代人工投飼。相對而言，國外在自動投飼領域發(fā)展水平較高，許多國家都有較為完善的智能化投飼系統(tǒng)[3-6]，自動投餌機作為系統(tǒng)中的一個單元，受中央控制系統(tǒng)操控，基本實現(xiàn)系統(tǒng)化、精確化、智能化，如圖1所示。

1 我國投餌機發(fā)展現(xiàn)狀

我國水產(chǎn)行業(yè)規(guī)模巨大，是世界上第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，可對比于國外的養(yǎng)殖設施水平，我國的水產(chǎn)行業(yè)發(fā)展卻相對滯后，自動化程度較低，尤其體現(xiàn)在投飼方面。多年來，我國對于自動投飼的研究從未止步，并取得一定的成果，成功研發(fā)了一些高端自動投餌裝備，見圖2。21世紀初期，我國投餌機的年產(chǎn)量已經(jīng)達到16萬臺，產(chǎn)量僅次于增氧機。到如今，自動投餌機在我國已被廣泛使用于水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，根據(jù)其應用環(huán)境、投料形式、動力來源的不同可分為多種類型。

在各類自動投餌機中，以池塘投餌機的應用最為廣泛。首臺池塘自動投餌機由中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所在1978年研制成功[2]。我國大部分的池塘投餌機采用拋灑投喂，根據(jù)池塘大小，其拋撒范圍在10～50 m2[7]，每臺使用的面積約0.33～1 hm2[8]。池塘投餌機雖然初步做到定時定量，然而飼料拋灑不均勻，拋灑面積有限，無法做到精確投喂，不但會導致飼料浪費和水質污染還會對池塘內養(yǎng)殖對象的平均長速存在一定影響。對于其它養(yǎng)殖環(huán)境，還有網(wǎng)箱投餌機與室內工廠化投餌機等類型的自動投餌機。網(wǎng)箱投餌機又根據(jù)網(wǎng)箱使用狀況的不同分為水面網(wǎng)箱投餌機與深水網(wǎng)箱投餌機，此類投餌機由河南省水產(chǎn)科學研究院發(fā)明并申請專利[9]。網(wǎng)箱投餌機直接將飼料拋撒在25 m2（長5 m×寬5 m）的網(wǎng)箱水面中央，拋撒面積約在2.8～3.2 m2[10]。養(yǎng)殖時，網(wǎng)箱周邊飼料會隨著水流涌出造成浪費，因此網(wǎng)箱投餌機的投飼區(qū)域需位于網(wǎng)箱中央且投飼面積不能過大，安裝方式可選擇懸掛于網(wǎng)箱上方，但需考慮抗風浪能力及穩(wěn)定性。室內工廠化投餌機[11]一般用于用于工廠化養(yǎng)魚和溫室養(yǎng)魚，這種投餌機每次拋撒的飼料數(shù)量不多，但很均勻精確，一般拋撒面積在0.8～1.2 m2。此類投餌機可以聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，實現(xiàn)遠距離的自動化管理。其養(yǎng)殖成本較高，但可以實現(xiàn)精確投喂和魚類生長狀況的實時反饋，這類智能投餌機是目前智能控制投飼系統(tǒng)的縮影。除了適用于不同養(yǎng)殖環(huán)境的自動投餌機，還有采取不同投料方式的離心式投餌機、風送式投餌機[12]、下落式投餌機，以及采用不同動力源的電力投餌機[7]、太陽能投餌機[13]、內燃機投餌機[7]等等。以上各種類型自動投餌機均適應不同的養(yǎng)殖環(huán)境與養(yǎng)殖對象，極大提高了養(yǎng)殖效率，但基本上都存在一定的缺陷，例如智能化程度低、精度不足、受天氣環(huán)境因素影響大、存在一定安全隱患等等。

當前自動投餌機種類按照不同的分類方法分為多種類別，如圖3所示。

對比于傳統(tǒng)的人工投飼，自動投餌機在我國的使用已相對廣泛，解決了費時、費工、勞動強度大、浪費飼料等諸多弊端，可仍存在許多問題。其中就包括安全隱患問題、拋投均勻性較差的問題以及智能化程度較低的問題[14]。

投餌機的安全事故近年來頻繁發(fā)生，主要是由于投餌機機殼帶電，養(yǎng)殖戶觸電落水身亡[14]。投餌機長期處于水上作業(yè)，容易受潮發(fā)生故障，工作環(huán)境不確定，經(jīng)常處于無遮蓋、條件惡劣的戶外工作環(huán)境。許多戶外的不確定因素，如雷擊、線路老化、鼠類啃食等，都會導致投餌機故障和漏電。故障的投餌機會運轉異常甚至停止運轉，部分養(yǎng)殖戶缺乏足夠的安全意識與用電知識，容易造成觸電。而投餌機長期工作容易導致線路老化從而漏電，養(yǎng)殖戶下水進行工作時也可能發(fā)生觸電。投餌機造成的觸電事故屢見不鮮，除了要求養(yǎng)殖戶具備足夠的安全意識和用電知識以外，還需要制造廠商進行足夠的耐壓測試，保證投餌機的質量與可靠性。從未來的投餌機研究趨勢來看，應以提高投餌機的安全性，保障養(yǎng)殖人員的人身安全為前提。

在2009年，我國漁業(yè)機器質量監(jiān)督檢驗中心修訂了投餌機行業(yè)標準，五家代表性投餌機制造企業(yè)被選中進行了“拋投均勻性”實驗。通過匯總結果得知，機械離心式投餌機的拋投均勻性普遍較差。究其原因是拋投盤的安裝角度不合理。因此，投餌機生產(chǎn)企業(yè)應仔細校對拋投盤起始角度，并進行“拋投均勻性”試驗，選定適宜拋投角度，確保均勻性，實現(xiàn)飼料均勻分布[14]。

目前的投餌機僅可以做到定時定量投飼，卻不能理想控制投飼速度和拋撒面積。養(yǎng)殖對象對飼料的需求量、長速以及飼料的轉化率都是根據(jù)水溫、氧濃度、水流速度、光照強度和白晝長度的改變而改變，同時也受飼料品質與養(yǎng)殖對象的年齡、成熟度、性別、激素水平等生理因素影響[14]。傳統(tǒng)投飼機的養(yǎng)殖戶幾乎難以精確掌握最能滿足養(yǎng)殖對象需求的投飼水平。因此，國內諸多專家和企業(yè)正試圖實現(xiàn)投飼系統(tǒng)的智能控制。這類投飼系統(tǒng)大多以PLC為核心，例如胡昱和郭根喜研發(fā)的基于PLC的深水網(wǎng)箱自動投餌系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過繼電接觸器來控制各個設備的啟動停止、動態(tài)定時、定點以及定量的投飼，實現(xiàn)精確投飼[15]。趙思琪和丁為民研發(fā)的基于模糊邏輯控制的魚塘養(yǎng)殖精準投飼系統(tǒng)[16]，該系統(tǒng)通過水質監(jiān)測系統(tǒng)獲取水體水質參數(shù)，再根據(jù)投飼決策模型計算出投飼量，完成精確投飼作業(yè)。此類投餌裝置較為智能化，具備較高精度，但設計復雜、價格高、適應面窄，對于我國不同地域以及不同種類養(yǎng)殖對象無法做到絕對適配，缺少囊括不同水體水質狀況與不同水產(chǎn)生物生長特征的投喂數(shù)據(jù)庫，不能普及使用。較為簡單的自動投餌設備有洪揚、陳曉龍研發(fā)的蟹、蝦養(yǎng)殖池塘移動投飼裝置[17]，該裝置可以實現(xiàn)自動行走投飼，具有投飼均勻、投飼范圍廣等優(yōu)點。劉思、羅艷媚、俞國燕研發(fā)的軌道式自動投飼系統(tǒng)具有操作簡便、投飼均勻、精確度高等優(yōu)點， 可實現(xiàn)上料、行走、投飼于一體的定點、定時、定量全自動化飼料投喂， 且運行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)可實時查詢等功能[18]。此類投餌裝置雖然實現(xiàn)了投喂的高精度與自動化，但在智能化程度上有所欠缺，沒有線上的實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)反饋，不利于總結最適合養(yǎng)殖對象的養(yǎng)殖投喂數(shù)據(jù)。

2 國外投餌機發(fā)展現(xiàn)狀

國外的自動投餌機廣泛應用于室內工廠化養(yǎng)殖，如今已發(fā)展成為室內工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的大型自動投飼系統(tǒng)，其中包括多單體集中控制式自動投喂系統(tǒng)以及自動投飼機器人系統(tǒng)[3]。

自動投飼系統(tǒng)在挪威、德國、美國等發(fā)達國家皆普遍適用于室內工廠化養(yǎng)殖，在飼料傳運、儲存和投放等多個環(huán)節(jié)都保證著相當精確的數(shù)量控制[19]，如圖4所示。適用于陸基養(yǎng)殖工廠、大網(wǎng)箱、魚苗孵化場的自動投飼系統(tǒng)被加拿大相關企業(yè)成功研發(fā)問世，此類系統(tǒng)針對部分養(yǎng)殖對象開發(fā)出不同的投飼控制軟件[3]，實現(xiàn)高精度控制與數(shù)據(jù)分析智能養(yǎng)殖。目前世界上深水網(wǎng)箱的自動投飼系統(tǒng)中使用最多的模式之一為美國企業(yè)研制出的專為深水網(wǎng)箱設計的具有高精確性、高可靠性、大容量的投喂管理系統(tǒng)。芬蘭相關企業(yè)研發(fā)的機器人投飼系統(tǒng)則主要針對陸基養(yǎng)殖，這套系統(tǒng)由小型漏斗形投飼單元組成，這些投飼單元沿著養(yǎng)殖池上方的軌道移動在各個養(yǎng)殖池之間。系統(tǒng)通過中心計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)無人操作，池與池之間設置不同的投飼程序[4]。日本機械制造企業(yè)研發(fā)的自動投飼系統(tǒng)施行小料倉投喂模式，在各個深水網(wǎng)箱上方懸掛小型料倉，各料倉通過計算機和控制面板控制投料，多個料倉也可以進行集中控制，還可以通過手機來實現(xiàn)遠程操控[5]。挪威漁業(yè)裝備企業(yè)研制的自動投飼系統(tǒng)由管理系統(tǒng)直接控制風機與下料器，實時調節(jié)出料量，同時控制在線監(jiān)測系統(tǒng)并接收在線系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)，主要包括各傳感器測量的pH、含氧量、溫度等水質參數(shù)[6]，其投喂系統(tǒng)如圖5所示。國外的自動投飼系統(tǒng)已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)的單體自動飼料機，形成了高智能化的自動投飼養(yǎng)殖系統(tǒng)，適用于高標準的養(yǎng)殖對象，建立高指標的養(yǎng)殖要求，成本和技術需求較高，適用范圍較小。這類投飼系統(tǒng)的關鍵在于其控制軟件的優(yōu)劣，而我國的大部分養(yǎng)殖對象的價值較低，并不適用這類高端軟件的開發(fā)與使用。因此，此類高智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)的建立，需要擴大我國優(yōu)質水產(chǎn)品的養(yǎng)殖規(guī)模。

3 結論與展望

我國目前的養(yǎng)殖模式和養(yǎng)殖環(huán)境決定了還不能應用先進的智能投飼系統(tǒng)。許多小型養(yǎng)殖戶在魚塘中還是只能使用小型的電力自動投餌機。而在海洋牧場中，尤其是在遠離海岸的養(yǎng)殖區(qū)，沒有電力供應，養(yǎng)殖戶依然采用人工投喂，如果遇到風浪或陰雨天，投喂難度成倍增加，既威脅養(yǎng)殖戶人身安全又影響投喂效果，降低了收益。對此，自動投餌機在未來的首要發(fā)展方向為具備一定可靠性的清潔能源投餌機，輔以高精密度的智能投飼控制系統(tǒng)，實時監(jiān)控，并反饋魚類生長狀況，自動定時定量投喂，做到真正的智能投飼、科學養(yǎng)殖。而且在投飼系統(tǒng)的組成方面可采用模塊化設計，投餌機機械本體模塊、中央控制裝置模塊、客戶端模塊等單獨設計，單獨選購，通過模塊組裝做到適應各種水體環(huán)境、適合多種養(yǎng)殖對象、適用不同養(yǎng)殖群體的全類型智能投飼系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 吳強澤，袁永明.漁用投飼機產(chǎn)品現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].江蘇農業(yè)科學，2015，43（10）：458-461.

[2] 焦仁育.投餌機的研究與探討[J].河南水產(chǎn)，2010（04）：40-41.

[3] Qiestad V，Pedersen T，F(xiàn)olkvord A，et al.Automatic feeding and harvesting of juvenile Atlantic cod （ Gadus movhua L.）in a pond[J].Modeling Identification and Control，1987，8（1） ：39-46.

[4] Tan P S，Ngoi B，Lee S，et al.A knowledge - based advisor for the automatic selection and sequencing of orienting devices for vibratory feeding[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence，1995，8（1） ：1-13.

[5] Gundogdu M Y.Design improvements on rotary valve particle feeders used for obtaining suspended airflows[J].Powder Technology，2004，139（1） ：76-80.

[6] López M，Martínez S，Gómez J M ，et al. Wireless monitoring of the pH， NH+4 and temperature in a fish farm[J]. Procedia Chemistry，2009，1（1）：445-448.

[7] 吳強澤. 池塘養(yǎng)殖智能投飼系統(tǒng)的研究[D].南京農業(yè)大學，2016：9.

[8] 李明，洪一前.投餌機的選用與維護[J].新農村，2018（05）：35-36.

[9] 焦仁育，王先科，吳小軍，等.網(wǎng)箱投餌機的應用與發(fā)展[J].河南水產(chǎn)，2011（02）：40-42.

[10] 周世明.自動投餌機的種類、結構原理及使用維護技術[J].科學養(yǎng)魚，2018（09）：72-73.

[11] 袁凱，莊保陸，倪琦，等.室內工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)設計與試驗[J].農業(yè)工程學報，2013，29（03）：169-176.

[12] 成佩慶. 氣動式魚塘投飼機的改進與優(yōu)化[D].南京農業(yè)大學，2015：5-10.

[13] 李玲玲. 太陽能自動投飼機[J]. 漁業(yè)機械儀器，1995（05）：48.

[14] 葛一健.我國投飼機產(chǎn)品的發(fā)展與現(xiàn)狀分析[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2010，37（04）：63-65.

[15] 胡昱，郭根喜，黃小華，等.基于PLC的深水網(wǎng)箱自動投餌系統(tǒng)[J].南方水產(chǎn)科學，2011，7（04）：61-68.

[16] 趙思琪，丁為民，張建凱.基于模糊邏輯控制的魚塘養(yǎng)殖精準投飼系統(tǒng)設計與試驗[J].農業(yè)現(xiàn)代化研究，2019，40（03）：527-536.

[17] 洪揚，陳曉龍，田昌鳳，等.蟹、蝦養(yǎng)殖池塘移動投飼裝置的設計與試驗[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2018，45（03）：9-14.

[18] 劉思，羅艷媚，俞國燕.軌道式自動投飼系統(tǒng)設計與試驗[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2018，45（01）：27-32.

[19] 莊保陸，郭根喜.水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投餌裝備研究進展與應用[J].南方水產(chǎn)，2008（04）：67-72.

（收稿日期：2019-12-19）