深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖運(yùn)行模式優(yōu)化設(shè)計方法研究

嚴(yán)俊王宏聶雪軍沈瑞何威

(1.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(湛江)，廣東 湛江 524005；2.湖北海洋工程裝備研究院有限公司,湖北 武漢 430206)

1 研究背景

人類從事水產(chǎn)養(yǎng)殖已歷經(jīng)數(shù)千年，中國有據(jù)可考的水產(chǎn)養(yǎng)殖歷史可追溯至公元前1200多年，距今3000多年歷史，在人類漫長的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，人們不斷開拓和總結(jié)養(yǎng)殖經(jīng)驗技術(shù)，形成一個個可以學(xué)習(xí)、推廣復(fù)制的養(yǎng)殖模式，為實現(xiàn)高效地養(yǎng)殖生產(chǎn)起到了巨大作用。然而目前人類大部分的養(yǎng)殖經(jīng)驗都是基于陸地和近海養(yǎng)殖的，隨著陸地和近海資源逐漸飽和，漁業(yè)養(yǎng)殖如何走向深遠(yuǎn)海成為行業(yè)發(fā)展探討的熱點問題，本文旨在構(gòu)建一種適用于深遠(yuǎn)海區(qū)域的新型漁業(yè)養(yǎng)殖生產(chǎn)模式和方法。

目前，關(guān)于在離岸距離多遠(yuǎn)、海水深度多深區(qū)域開展養(yǎng)殖屬于深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖還沒有公認(rèn)的定義。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)將離岸養(yǎng)殖(Offshore Aquaculture)推薦定義為設(shè)置于暴露在風(fēng)浪作用的開放海域，有設(shè)施設(shè)備保障，有補(bǔ)給船舶支持的海上養(yǎng)殖生產(chǎn)系統(tǒng)。養(yǎng)殖水域為水深25～100m、距陸上基地碼頭25nmile以上，適合開展魚類網(wǎng)箱和貝類筏式養(yǎng)殖[1]。本文所指的深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖特指在上述的離岸養(yǎng)殖海域，以海水魚類為養(yǎng)殖對象，以大型桁架式鋼制養(yǎng)殖平臺為核心養(yǎng)殖裝備，具有惡劣海況下(一般為17級臺風(fēng))的自生存能力，在各類養(yǎng)殖服務(wù)、支持、保障設(shè)施體系的支持下，按照一定技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性規(guī)則開展的離岸漁業(yè)養(yǎng)殖生產(chǎn)方式。

深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖運(yùn)行模式設(shè)計的核心任務(wù)是解決養(yǎng)殖設(shè)施體系構(gòu)建的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性問題，具體任務(wù)包括深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖的功能需求定義、養(yǎng)殖平臺設(shè)施配置、養(yǎng)殖運(yùn)營方案設(shè)計、設(shè)施技術(shù)方案設(shè)計、經(jīng)濟(jì)性論證、設(shè)計方案選優(yōu)等環(huán)節(jié)。本文將介紹深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖運(yùn)行模式設(shè)計的一般方法。

2 現(xiàn)有海水養(yǎng)殖方式介紹

據(jù)《2019中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計[2]，我國主要的海水養(yǎng)殖方式有池塘養(yǎng)殖、普通網(wǎng)箱養(yǎng)殖、深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱養(yǎng)殖、筏式養(yǎng)殖、吊籠養(yǎng)殖、底播養(yǎng)殖、工廠化養(yǎng)殖等7種養(yǎng)殖方式，7種方式養(yǎng)殖總產(chǎn)量約占全部海水養(yǎng)殖產(chǎn)量的80%，其中，海水魚類養(yǎng)殖主要采用池塘、普通網(wǎng)箱、深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱、工廠化養(yǎng)殖等4種養(yǎng)殖方式。這些養(yǎng)殖方式的養(yǎng)殖區(qū)域環(huán)境特點各有不同，構(gòu)造的運(yùn)行模式也各具特點，分析現(xiàn)有海水養(yǎng)殖方式的運(yùn)行模式對深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖運(yùn)行模式的設(shè)計具有一定的參考意義。

3 深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖運(yùn)行模式優(yōu)化設(shè)計流程

在充分分析現(xiàn)有海水養(yǎng)殖方式運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，本文將借鑒船舶與海洋工程的設(shè)計方法，把握深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖綠色化、智能化、集約化、規(guī)?；⑷嵝曰刃绿卣?，遵循以技術(shù)經(jīng)濟(jì)性為導(dǎo)向的優(yōu)化設(shè)計理念，提出深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖運(yùn)行模式方案優(yōu)化設(shè)計的一般流程。

表1 主要海水魚類養(yǎng)殖運(yùn)行模式對比

3.1 設(shè)計輸入調(diào)研

調(diào)研與工程實施有關(guān)的業(yè)主要求、政策規(guī)劃、工程環(huán)境、技術(shù)工藝、成本效益性參數(shù)等各項輸入條件。

3.2 功能需求定義

根據(jù)調(diào)研的設(shè)計輸入條件，通過工程需求的技術(shù)分析，提出養(yǎng)殖體系的核心功能需求，定義各項功能的作用。

3.3 平臺設(shè)施定義

通過對功能特征的分析，提出實現(xiàn)功能所依托的各區(qū)域的平臺設(shè)施，定義區(qū)域平臺設(shè)施表。

3.4 平臺功能分配

通過工程可行性分析，將所有功能分配到各平臺設(shè)施上，列出平臺-功能分配表。

3.5 運(yùn)營方案設(shè)計

根據(jù)各平臺功能分配方案，將各平臺按照運(yùn)營要求系統(tǒng)的聯(lián)系起來，形成養(yǎng)殖設(shè)施體系的運(yùn)營方案，列出主要技術(shù)參數(shù)配置需求。

3.6 技術(shù)方案設(shè)計

根據(jù)平臺功能、技術(shù)參數(shù)配置，遵循平臺設(shè)計的基本原理，進(jìn)行總體技術(shù)方案初步設(shè)計，列出各平臺主要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)。

3.7 經(jīng)濟(jì)性評價

根據(jù)技術(shù)方案主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，設(shè)定評價目標(biāo)，建立運(yùn)行模式方案的經(jīng)濟(jì)性評價函數(shù)模型，計算經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)并給出評價結(jié)論。

3.8 設(shè)計方案選優(yōu)

調(diào)整設(shè)計方案變量，獲得新的設(shè)計方案集，對方案集進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價，選用適當(dāng)方法對方案進(jìn)行排序，得到最優(yōu)方案。

4 深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖運(yùn)行模式優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容

4.1 設(shè)計輸入調(diào)研

對運(yùn)行模式優(yōu)化設(shè)計構(gòu)成影響的因素眾多，為盡可能設(shè)計出更加符合目標(biāo)要求的方案，設(shè)計前應(yīng)充分收集掌握與工程實施相關(guān)的業(yè)主要求、政策規(guī)劃、工程環(huán)境、技術(shù)工藝、成本效益性參數(shù)等設(shè)計輸入數(shù)據(jù)。但是，在實際工程中往往未全面了解以上信息時，便已啟動運(yùn)行模式的設(shè)計工作，本文建議對于重要數(shù)據(jù)可參考相關(guān)案例進(jìn)行假定處理，對于一般性數(shù)據(jù)則可進(jìn)行忽略處理，待項目進(jìn)行到一定深度后再視情況補(bǔ)充調(diào)整。

表2 設(shè)計輸入信息表

續(xù)表 設(shè)計輸入信息表

4.2 功能需求定義

養(yǎng)殖設(shè)施具體需要配置哪些功能應(yīng)根據(jù)具體工程項目需要調(diào)研情況進(jìn)行規(guī)定,一個完整的養(yǎng)殖設(shè)施體系的主要功能環(huán)節(jié)至少包括創(chuàng)建合適的養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境、供應(yīng)養(yǎng)殖魚種、投喂飼料、日常管理維護(hù)、收獲成魚等主要功能環(huán)節(jié)，圍繞功能環(huán)節(jié)的實現(xiàn)必需要進(jìn)行功能的分解，根據(jù)設(shè)計深度的需要進(jìn)行分解到不同的功能層次，以下分解得到一、二級功能需求，并對功能進(jìn)行定義。

4.3 平臺設(shè)施定義

養(yǎng)殖功能的實現(xiàn)需要依托必要的平臺類設(shè)施。設(shè)計輸入的條件不同，規(guī)劃平臺設(shè)施不盡不同。根據(jù)平臺設(shè)施的動、靜特點及所在區(qū)域的特點，養(yǎng)殖平臺設(shè)施可定義為陸上保障基地、深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱、養(yǎng)殖工作船舶、養(yǎng)殖保障平臺等4項平臺設(shè)施，本文分別對各平臺進(jìn)行基本功能的定義。

表4 平臺設(shè)施定義表

4.4 平臺功能分配

將上述分解得到的養(yǎng)殖功能布置到各平臺設(shè)施上，各項功能按照一定運(yùn)行邏輯關(guān)聯(lián)起來就得到一種運(yùn)營模式的功能分配方案。顯然，從眾多排列組合中逐個篩選可行運(yùn)營模式是無意義也是不現(xiàn)實的，因此，本文通過平臺功能最大化布置的可行性分析增加設(shè)計約束條件，減少可行方案數(shù)量。

表5平臺功能最大化分配方案表

分別按不同平臺功能分配的最大化原則，分析不同區(qū)域可能的最大化功能配置，從而排除不具備可行性的區(qū)域功能配置方式，其它所有布置方案以功能最大化的布置方案為基本的約束條件，定義同一功能可以布置在多個不同區(qū)域的重復(fù)數(shù)為該項功能布置設(shè)計的自由度。經(jīng)過區(qū)域功能最大化分配分析，總結(jié)得出各區(qū)域功能最大化分配矩陣。通過增加該約束條件，可將顯著降低分配方案可行域的數(shù)量級。

在經(jīng)過最大化布置約束后，得到的方案集僅具備工程上理論可行性，為了進(jìn)一步縮小方案可行域，還需要總結(jié)功能平臺分配原則及設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合設(shè)計輸入條件進(jìn)一步減小功能布置的不確定性。

需要指出的是，同一個功能可能需要多個區(qū)域協(xié)同完成，以上功能區(qū)域的分配是指該項功能的主體設(shè)施所在的區(qū)域。如，漁網(wǎng)清洗功能分配在養(yǎng)殖工作船上的含義是指將主要的洗網(wǎng)機(jī)械安裝在船上；飼料投喂功能分配在深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱的含義是指將主要飼料播撒機(jī)械安裝在網(wǎng)箱上，這些功能在作業(yè)時仍有可能與其它設(shè)施連接或產(chǎn)生聯(lián)系。

4.5 運(yùn)營方案設(shè)計

制定項目生產(chǎn)計劃，將平臺設(shè)施各項功能按照系統(tǒng)運(yùn)行的要求有機(jī)關(guān)聯(lián)起來，賦予養(yǎng)殖作業(yè)的業(yè)務(wù)流程要求，消除功能之間的冗余與沖突，開展總體方案及各平臺運(yùn)營方案設(shè)計。以某平臺功能分配方案為例，說明裝備體系運(yùn)營方案設(shè)計主要內(nèi)容。

4.6 技術(shù)方案設(shè)計

依據(jù)各平臺主要運(yùn)營參數(shù)要求開展平臺設(shè)施的技術(shù)方案設(shè)計。該階段需要確定主要建設(shè)的軟硬件內(nèi)容，開展總體布置設(shè)計，編制簡要技術(shù)規(guī)格說明，確定與平臺造價、運(yùn)營費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。根據(jù)技術(shù)方案進(jìn)行造價及平臺運(yùn)營費(fèi)用估算，通過經(jīng)濟(jì)性論證后再開展深化設(shè)計。

表7 技術(shù)方案參數(shù)表

4.7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價

一般養(yǎng)殖運(yùn)行模式可以從經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益等多個角度進(jìn)行評價。在社會、生態(tài)效益方面，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖在產(chǎn)業(yè)鏈牽引、職業(yè)安全健康、海洋環(huán)境保護(hù)、綠色水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面都有著十分明顯的優(yōu)勢，該方面的論證無須贅述；但在經(jīng)濟(jì)效益方面，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖裝備動則數(shù)億元的投資，經(jīng)濟(jì)效益的可行性無疑是項目成敗的關(guān)鍵因素。運(yùn)行模式設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價是方案優(yōu)化設(shè)計所遵循的首要依據(jù)。方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價步驟如下。

4.7.1 建立經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)體系

一般可分為價值性評價指標(biāo)、效率性評價指標(biāo)和時間性評價指標(biāo)等3類指標(biāo)，評價時可選擇單個指標(biāo)評價，也可選擇多個目標(biāo)評價，如果進(jìn)行方案經(jīng)濟(jì)效果多目標(biāo)評價時，應(yīng)盡量同時選用這3類指標(biāo)[6]。

4.7.2 設(shè)定經(jīng)濟(jì)性評價目標(biāo)

根據(jù)項目投資主體要求，結(jié)合社會及本行業(yè)投資收益水平，設(shè)定經(jīng)濟(jì)性評價目標(biāo)。

4.7.3 建立經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)函數(shù)模型

按照一般的財務(wù)制度要求，根據(jù)項目運(yùn)行模式方案的特點，設(shè)定模型常量參數(shù)，建立評價指標(biāo)與方案設(shè)計參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，模型盡可能細(xì)致和準(zhǔn)確。

4.7.4 計算結(jié)果，給出評價結(jié)論

將設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)性參數(shù)帶入函數(shù)模型，計算得到該方案的經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)結(jié)果，根據(jù)設(shè)定的評價目標(biāo)給出評價結(jié)論。

4.8 設(shè)計方案選優(yōu)

如果給出的設(shè)計方案無法滿足評價目標(biāo)要求，或者條件允許需要尋找經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的方案，可進(jìn)一步調(diào)整設(shè)計方案，不斷進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計算，直到獲得經(jīng)濟(jì)性滿意的方案，該過程就是設(shè)計方案的選優(yōu)過程。設(shè)計方案選優(yōu)步驟如下。

4.8.1 規(guī)定關(guān)鍵控制變量

選取設(shè)計方案中對投資總額、經(jīng)營成本、銷售收入等影響顯著的設(shè)計參數(shù)作為規(guī)定的關(guān)鍵控制變量，控制變量相互獨立，覆蓋每一個設(shè)計階段，是每一個階段對經(jīng)濟(jì)性起主導(dǎo)作用的設(shè)計變量，一組變量對應(yīng)一個該組變量所確定的理論最優(yōu)方案。

4.8.2 列出備選設(shè)計方案

通過調(diào)整關(guān)鍵控制變量，重新進(jìn)行設(shè)計便可以獲得新的設(shè)計方案。理論上，如果依次調(diào)整所有的關(guān)鍵控制變量，可以獲得控制變量對應(yīng)的全部設(shè)計方案集，但這樣無疑工作量巨大。實際工作中，初步設(shè)計中可按設(shè)計流程順序選定控制變量，以快速獲得大致合適的設(shè)計方案；對初步設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化時，可按設(shè)計流程逆序調(diào)整控制變量以快速獲得收斂的優(yōu)化設(shè)計方案。

4.8.3 計算經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)

分別計算各備選設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)。

4.8.4 進(jìn)行設(shè)計方案排序選優(yōu)

對于單目標(biāo)評價可根據(jù)計算結(jié)果直接排序；對于多目標(biāo)評價應(yīng)對評價指標(biāo)值進(jìn)行無因次化處理，確定各項評價指標(biāo)權(quán)重，選用適當(dāng)方法對多個方案的評價進(jìn)行排序。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

本文提出以技術(shù)經(jīng)濟(jì)性為導(dǎo)向的深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖運(yùn)行模式的優(yōu)化設(shè)計方法，提取出運(yùn)行模式設(shè)計過程中需要重點關(guān)注的流程和設(shè)計內(nèi)容，明確了各環(huán)節(jié)設(shè)計協(xié)作分工和接口，解決了養(yǎng)殖設(shè)施體系設(shè)計協(xié)調(diào)困難的問題。設(shè)計管理人員便于抓住關(guān)鍵環(huán)節(jié)的過程控制，提高了運(yùn)行模式的設(shè)計效率與質(zhì)量，可以快速有效地指導(dǎo)不同項目運(yùn)行模式定制化設(shè)計，為深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖運(yùn)行模式的精益設(shè)計提供了保障。

5.2 建議

根據(jù)設(shè)計項目的不同特點和設(shè)計階段，功能的定義方法與詳細(xì)程度存在較大差別，在初步設(shè)計時功能定義可以寬泛一些，在深化設(shè)計階段則應(yīng)定義的更具體一些。

對于集群式深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱、大型多功能深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱、船型類養(yǎng)殖平臺、全潛式養(yǎng)殖平臺等不同類型的養(yǎng)殖裝備，運(yùn)用本文給出的基本方法，可形成各類養(yǎng)殖裝備設(shè)施體系具體的運(yùn)行模式設(shè)計方法。

在運(yùn)行模式的優(yōu)化設(shè)計的實踐過程中，通過不斷積累設(shè)計經(jīng)驗，找到影響經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)的核心要素，總結(jié)各環(huán)節(jié)的基本設(shè)計原則，可以幫助設(shè)計者減少試錯成本，不斷加快設(shè)計優(yōu)化的過程。

深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖運(yùn)行模式優(yōu)化設(shè)計屬于多層級路徑優(yōu)化的問題，未來可以嘗試?yán)萌斯ぶ悄軝C(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行路徑?jīng)Q策，幫助設(shè)計者快速獲得最優(yōu)設(shè)計方案。