深水網(wǎng)箱清洗技術(shù)及裝備研究進展

宋協(xié)法，孫 躍，何 佳，褚云沖，孫佐梁

(中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003)

近年來，隨著科技的進步，海水設(shè)施養(yǎng)殖發(fā)展迅速，在豐富中國居民膳食營養(yǎng)供給、提升漁業(yè)產(chǎn)品貿(mào)易競爭力、穩(wěn)固國家糧食保障供給等方面起到了舉足輕重的作用[1-2]。中國海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖始于20世紀(jì)70年代，多集中于港灣內(nèi)及近岸海域[3-4]。隨著近海環(huán)境污染壓力的加大，在國家及沿海地方政府的倡導(dǎo)和支持下，網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)與設(shè)施裝備取得了長足進步，近岸小型網(wǎng)箱逐漸被深水網(wǎng)箱所取代[5]。

深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣材料多為聚乙烯或尼龍，這些網(wǎng)衣材料本身無毒并且具有比表面積大等特點，由于其長時間浸泡在海水中，污損生物容易在網(wǎng)衣上繁衍滋生，主要為貽貝、海鞘、藤壺、水螅和藻類等。中國沿海已有記錄614種污損生物，其種類與設(shè)施結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、養(yǎng)殖季節(jié)和地點等有關(guān)[6]。網(wǎng)衣附著堵塞造成網(wǎng)箱的濾水性能差、網(wǎng)箱內(nèi)外水流交換不暢、溶氧降低等問題[7-8]，嚴(yán)重影響了養(yǎng)殖魚類的存活率，影響魚類的生長速度、產(chǎn)量以及品質(zhì)[9-10]。此外，在養(yǎng)殖投飼過程中，養(yǎng)殖魚類未經(jīng)消化的營養(yǎng)物質(zhì)以及魚類的排泄物也為藻類提供了充足的養(yǎng)分，加劇了網(wǎng)箱網(wǎng)衣上污損生物的生長，增加網(wǎng)衣的負(fù)荷，從而加重了網(wǎng)箱的整體質(zhì)量。對于一些貝類(如貽貝、扇貝、牡蠣等)附著嚴(yán)重的海區(qū)，貝類的尖角還會割斷網(wǎng)衣甚至對網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)造成破壞，嚴(yán)重影響到網(wǎng)箱的安全性及使用壽命，增加了魚類逃逸的風(fēng)險，造成一定的經(jīng)濟損失[11-13]。此外，污損生物攜帶的病原增加了養(yǎng)殖魚類的致病風(fēng)險。如在雙殼貝類中分離出日本牡蠣JOV-1病毒[14]；一些貽貝的糞便含有弧菌Vibrioanquillarum，能使網(wǎng)箱養(yǎng)殖的鱈魚感染弧菌病并導(dǎo)致死亡[15]。目前，清除網(wǎng)箱污損生物的成本較高，可達(dá)養(yǎng)殖成本的5%～10%[16]。網(wǎng)箱網(wǎng)衣的防附著已經(jīng)成為海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)亟待解決的一大難題，也是設(shè)施養(yǎng)殖的重要研究方向。

1 網(wǎng)箱防附著的方法

1.1 網(wǎng)衣防污方法

1.1.1 防污涂料法

早期，有漁民在網(wǎng)衣上涂抹瀝青以防止藻類附著[17]。目前，國內(nèi)外許多科研單位對網(wǎng)衣防附著涂料進行了研究。日本在牡蠣養(yǎng)殖網(wǎng)箱上涂抹一層碳酸鈣粉或其他鈣化合物的方式以增強網(wǎng)具的柔性和防堵性，提高網(wǎng)具的使用壽命[18]。Edwards等[19]評估了5種涂料處理污損生物的能力，結(jié)果表明，銅涂料依然是目前較為有效地防止網(wǎng)衣生物污損的處理手段。Murat等[20]的研究也表明采用銅合金網(wǎng)衣能夠使網(wǎng)衣長時間保持清潔。Ashraf等[21]發(fā)現(xiàn)，利用納米氧化銅與聚乙二醇甲基丙烯酸酯水凝膠浸泡尼龍網(wǎng)衣，能夠顯著提高網(wǎng)衣的防附著性能。李旭朝等[22]通過海上試驗評價防污涂料的綜合性能，測試結(jié)果表明其試驗網(wǎng)衣的防污周期可達(dá)10個月。許文軍等[23]試驗篩選了21種市售材料，發(fā)現(xiàn)僅有日本油脂公司2#材料具有相對較好的防附著效果。由于污損生物種類繁多，養(yǎng)殖海況差異大，只有針對性地選擇防污涂料，才能有效地防附著。目前市售防污涂料價格普遍較高，防污周期較短，對養(yǎng)殖魚類的危害及環(huán)境污染等問題尚不明確。因此，研發(fā)和利用成本低、性能高、無污染的防污涂料也是海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖發(fā)展的主要研究方向之一。

1.1.2 增大網(wǎng)目法

適當(dāng)增大網(wǎng)目，能夠增強網(wǎng)箱的濾水量，減少生物附著。如網(wǎng)箱養(yǎng)殖真鯛，網(wǎng)目為1 cm的網(wǎng)箱中很容易阻塞網(wǎng)孔，若網(wǎng)目增大到1.5 cm，就可以大大提高網(wǎng)孔的濾水性能[24]。但增大網(wǎng)目的前提是要相應(yīng)地提高養(yǎng)殖魚類的規(guī)格。因此，提倡北方冬季在室內(nèi)將小規(guī)格苗種養(yǎng)到大規(guī)格苗種，春天后將大規(guī)格苗種放入網(wǎng)箱養(yǎng)殖的“陸海接力”養(yǎng)殖模式。

1.2 網(wǎng)衣清洗方法

1.2.1 人工清洗法

若網(wǎng)箱網(wǎng)衣上滋生的是懸浮性有機附著物，一般可在水中直接清洗。操作人員站立在網(wǎng)箱框架旁，可以用毛刷等清理[25-26]。若是可以分箱并箱，則將網(wǎng)箱內(nèi)的魚全部趕入另外設(shè)置的網(wǎng)箱內(nèi)，把舊的網(wǎng)箱運到岸上進行清洗，檢查網(wǎng)箱無破損后再重新組裝，這種方式較上一種清洗徹底，但相對勞動強度大。若附著的是較難清理的污損生物，而又不能分離網(wǎng)箱單獨清洗，則需潛水員定期潛入水中，手持高壓水槍，利用其產(chǎn)生的高壓水射流清洗網(wǎng)箱[27]。此法勞動強度低，并能快速清洗網(wǎng)箱，但這種方法必須配有專業(yè)的潛水員，人工投入成本較大。

1.2.2 生物清除法

網(wǎng)箱網(wǎng)衣極易被藻類或低等的無脊椎動物附著，可以在網(wǎng)箱中養(yǎng)殖一些喜食、易食藻類或低等無脊椎動物的魚類，從生物防治的角度來解決污損生物的附著難題。呂旭寧等[28]探討了適溫條件下黃斑籃子魚(Siganusoramin)對北方網(wǎng)箱養(yǎng)殖附著藻類的生物清除作用，研究表明該魚種對網(wǎng)衣附著藻類有較高的清除效率，可以作為清除網(wǎng)衣附著生物的工具種。此方法既環(huán)保又不產(chǎn)生污染，最大程度地減少了網(wǎng)衣清洗的次數(shù)，降低了生產(chǎn)成本，并且還可以帶來額外的養(yǎng)殖收益。但目前選擇效果較好的“生物清潔工”魚類比較困難。一些海洋微生物也被考慮用于防治網(wǎng)箱污損生物，如細(xì)菌和硅藻產(chǎn)生的生物活性化合物不僅能抑制微生物的附著和生長，還能抑制無脊椎動物幼體以及一些大型藻類孢子的生長[29]。Balasubramanian等[30]提出海洋生物膜細(xì)菌產(chǎn)生一種防污化合物對抑制污損生物的生長效果顯著。

1.2.3 機械清洗法

機械清洗法主要通過驅(qū)動單元帶動含毛刷的轉(zhuǎn)盤對網(wǎng)衣進行擦洗，或使用水泵和高壓水槍產(chǎn)生的高壓水射流沖洗網(wǎng)衣使附著物剝離。該方法既可以通過機動船將網(wǎng)箱提出水面后操作，也可將該裝置的清洗單元放入水下直接清洗，其工作效率是人工清洗的5～6倍[31]。目前挪威及其他歐美國家也多采用該方法[32]。

2 網(wǎng)衣清洗裝置

2.1 移動式水下網(wǎng)箱清洗裝置

高壓水射流與物理摩擦能有效去除不同種類的附著物[33]。早期設(shè)計的清洗裝置多以便于人工操作的輕型移動式網(wǎng)箱清洗裝置為主。這種類型的裝置通常由1臺獨立驅(qū)動的發(fā)動機提供動力，由工作人員手持連接清洗頭的操縱桿對網(wǎng)箱進行清洗[34]。宋協(xié)法等[31]設(shè)計了通過高壓水泵產(chǎn)生高壓水流，高壓水流產(chǎn)生的反作用力驅(qū)動圓盤及毛刷旋轉(zhuǎn)以對網(wǎng)衣進行清洗。黃小華等[35]利用噴嘴產(chǎn)生的高壓水射流驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)進而帶動清洗盤轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)對網(wǎng)衣的清洗。戴建洪[36]通過交叉排布的2個噴嘴驅(qū)動葉輪高速旋轉(zhuǎn)并帶動毛刷轉(zhuǎn)動，同時利用高壓水射流壓力和毛刷，實現(xiàn)對網(wǎng)箱的雙重清洗。這種類型的移動式網(wǎng)箱清洗裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，工作人員手持操縱桿即可實現(xiàn)對網(wǎng)衣的移動式清洗，有效清除網(wǎng)衣上的污垢和污損生物，極大地減輕工人的勞動強度，提高了清洗效率，但在設(shè)備的可操作性及自動化方面還有待于進一步提高。日本的富士公司為了減輕漁網(wǎng)清洗作業(yè)的勞動強度，研制了鼓輪式自動漁網(wǎng)清洗機，利用鼓輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的離心力使附著在網(wǎng)衣上的貝殼和海藻脫離[37]。常見移動式水下清洗裝置如表1所示。

表1 移動式水下網(wǎng)箱清洗裝置Tab.1 Mobile underwater cage cleaning devices

2.2 潮流動力型網(wǎng)箱清洗裝置

潮流動力型網(wǎng)箱清洗裝置是利用潮汐和波浪的作用，使網(wǎng)衣與毛刷產(chǎn)生相對運動，達(dá)到自動清洗的效果[44-45]。此類裝置合理利用大自然的能量，既不需要養(yǎng)殖船，也不需要人工操作，降低了人工成本，但該類清洗裝置固定安裝復(fù)雜，且容易對網(wǎng)箱造成傷害。例如：敖志輝[46]在環(huán)形網(wǎng)箱內(nèi)加裝一個尺寸略小于網(wǎng)箱的圓環(huán)形框架式網(wǎng)刮，在潮流的作用下，網(wǎng)刮相對網(wǎng)箱產(chǎn)生上下起伏和前后左右的運動，并在潮流沖擊下自動靠緊網(wǎng)箱，實現(xiàn)對網(wǎng)箱的自動清洗。馮靜等[47]發(fā)明的網(wǎng)衣清洗裝置則是利用潮流的作用帶動扇葉旋轉(zhuǎn)，使扇葉邊緣的網(wǎng)刮與網(wǎng)衣相互摩擦，達(dá)到自動清洗網(wǎng)衣的目的。伍杰等[48]設(shè)計了一種用于網(wǎng)箱網(wǎng)衣的底部清洗裝置，在網(wǎng)箱底部設(shè)置一個附有清洗毛刷的旋轉(zhuǎn)軸，在海流的作用下，毛刷不停地對網(wǎng)箱底部的網(wǎng)衣進行清洗。常見潮流動力型網(wǎng)箱清洗裝置如表2所示。

表2 潮流動力型網(wǎng)箱清洗裝置Tab.2 Tide power type cage cleaning devices

2.3 軌道式網(wǎng)箱清洗裝置

網(wǎng)衣屬柔性結(jié)構(gòu)，必須保持毛刷與網(wǎng)衣的良好接觸或噴嘴與網(wǎng)衣之間適宜的距離，才能達(dá)到良好的清洗效果[49]。通過水射流對網(wǎng)衣進行清洗，射流產(chǎn)生的沖擊力會使清洗盤遠(yuǎn)離網(wǎng)衣，降低清洗效率。軌道式網(wǎng)箱清洗裝置可使清洗裝置沿軌道行走，保證清洗裝置與網(wǎng)衣的有效清洗距離，提高清洗效率。Andersen[50]在網(wǎng)箱外側(cè)和清洗單元上均安裝有磁吸式框架，清洗單元可沿著框架軌道滑動，利用高壓水射流和毛刷對網(wǎng)衣進行清洗。薛洋洋等[51]在網(wǎng)箱框架軌道上設(shè)置了清洗程序，清洗單元根據(jù)程序沿框架軌道移動清洗網(wǎng)箱。張祖禹[52]設(shè)計的軌道安裝在網(wǎng)箱內(nèi)部，清洗單元沿網(wǎng)箱內(nèi)壁移動，可將污損生物直接排出網(wǎng)箱。

表3 軌道式網(wǎng)箱清洗裝置Tab.3 Rail type cage cleaning devices

2.4 水下清洗機器人

水下清洗機器人具有操作簡單，安全可靠，自動化程度高等優(yōu)點[53]。其主要由控制系統(tǒng)、運動模塊和清洗單元等構(gòu)成。水下清洗機器人的控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同的污損生物類型來設(shè)置和調(diào)節(jié)，如清洗的速度和時間等。通過水下攝像機向操作人員反饋網(wǎng)衣附著及清洗效果。例如：Baba[54]發(fā)明的網(wǎng)箱清洗機器人，由清洗單元、運動裝置、水下攝像和照明裝置等組成。該機器人可通過反饋及時調(diào)整潛浮姿態(tài)和螺旋推進，可改變機器人清洗軌跡和運行方向，利用高壓水射流技術(shù)對網(wǎng)衣進行清洗。劉冠靈等[55]設(shè)計的履帶式水下清洗機器人，利用高壓旋轉(zhuǎn)水射流技術(shù)，將高壓水通過清洗盤分配至歧管，實現(xiàn)高壓旋轉(zhuǎn)式射流清洗，同時，利用反向噴射水流的反作用力，使整個機器人緊靠網(wǎng)衣表面。Lindgren[56]將導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用到水下清洗機器人上，使其能夠在網(wǎng)衣上沿設(shè)定軌跡移動。此外，該設(shè)備還應(yīng)用了螺旋槳反轉(zhuǎn)技術(shù)，便于越過障礙從而實現(xiàn)高效清洗。AKVA公司售賣的清洗機器人FNC8較為常見，搭載了多種傳感器原件和攝像系統(tǒng)，每小時可以清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣5 000 m2，工作環(huán)境最深可達(dá)100 m，日本洋馬公司推出的NCL型水下清洗機器人[57]技術(shù)參數(shù)如表4所示。常見水下網(wǎng)箱清洗機器人見表5。

表4 NCL型水下清洗機器人技術(shù)參數(shù)Tab.4 Technical parameter of NCL underwater cleaning robots

表5 水下清洗機器人Tab.5 Underwater cleaning robots

(續(xù)表)

3 中國網(wǎng)箱清洗裝備的研究進展

3.1 網(wǎng)箱清洗關(guān)鍵零、部件的研究

3.1.1 高壓水泵

國內(nèi)對于船舶殼體表面清洗設(shè)備的研究應(yīng)用較多，而對深水網(wǎng)箱水下清洗的生產(chǎn)應(yīng)用很少。目前市售產(chǎn)品多采用高壓水射流清洗系統(tǒng)，即以水為介質(zhì),通過高壓水泵形成高壓,再經(jīng)過特制的噴嘴噴射出能量集中、速度高的水射流，對網(wǎng)衣上的附著物進行沖擊以達(dá)到去污除垢的目的[27]。高壓水泵是清洗系統(tǒng)重要的零部件之一，是系統(tǒng)運行的動力裝置[66]。中國大部分深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域離岸較遠(yuǎn)，岸電無法滿足網(wǎng)箱清洗裝置的動力需求，因此多使用發(fā)動機(汽油型、柴油型等)帶動高壓水泵，將發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)變成流體的動能[67]。水泵按不同的工作原理可分為往復(fù)泵、柱塞泵、離心泵等類型，其中柱塞泵具有高壓力、高效率的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高壓清洗設(shè)備[68]。20世紀(jì)80年代初期，中國開始發(fā)展的小型清洗機，其水泵的最高工作壓力不足6.0 MPa，形成高速和高壓水射流成為這一時期的技術(shù)難點[69]。研究表明，高壓柱塞泵的工作壓力低于18 MPa時清洗效果較差，采用AR高壓柱塞泵的額定工作壓力應(yīng)大于20 MPa[70]。目前，國內(nèi)高壓泵的工作壓力已突破200 MPa，泵壓也不再成為限制因素[67]。

3.1.2 噴嘴

噴嘴是流體射流的發(fā)生元件和網(wǎng)衣清洗的執(zhí)行元件。高壓水經(jīng)過噴嘴，轉(zhuǎn)換為高壓力高流速的射流，連續(xù)不斷地作用在網(wǎng)衣的表面，實現(xiàn)對網(wǎng)衣的清洗[71]。研究表明影響噴嘴清洗效果的主要參數(shù)是噴嘴形狀、結(jié)構(gòu)和噴嘴直徑等。李根生等[72]根據(jù)彈性力學(xué)和流體力學(xué)理論推導(dǎo)了非接觸式密封的變形、漏失量、壓力分布的基本關(guān)系和旋轉(zhuǎn)速度計算公式，從理論上分析了密封參數(shù)、噴嘴參數(shù)和水力參數(shù)對旋轉(zhuǎn)速度的影響。蔣彧澄等[73]利用面元法對錐形噴嘴的內(nèi)部及射流區(qū)域內(nèi)的流場進行了計算和試驗分析，表明了噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)對淹沒空化水射流沖蝕性能的影響關(guān)系。胡昱等[71]基于能量方程，推導(dǎo)噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)公式，并計算出噴嘴的最佳直徑為2.77 mm、最佳長度為8.31 mm，該條件下的噴射速度v=133.4 m/s、射流流量q=48.3 L/min 、射流功率N=14.86 kW、射流反沖力F=106.5 N。王志勇等[27]采用連續(xù)性方程和能量守恒定律確定了工作壓力20 MPa、額定流量15 L /min、額定功率5.5 kW的水下清洗裝置最佳噴嘴直徑為2.7 mm。楊國來等[74]采用Fluent中的Mixture模型對錐形噴嘴和錐直形噴嘴進行仿真分析，得出射流速度最大時，錐直形噴嘴長徑比為2～3。張小明等[75]依據(jù)水力學(xué)公式計算出歧管式高壓水射流水下洗網(wǎng)機旋轉(zhuǎn)的射流角速度和射流打擊力，結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)射流的打擊力隨偏轉(zhuǎn)角增大而遞減，隨射流壓力、旋轉(zhuǎn)半徑和噴嘴孔徑增大而增大，旋轉(zhuǎn)的射流打擊力比非旋轉(zhuǎn)的射流打擊力更有利于提高清洗網(wǎng)衣的效率。宋協(xié)法[9]采用Visual basic6.0編制了的一種適合網(wǎng)衣清洗設(shè)備設(shè)計計算的軟件，可實現(xiàn)對清洗盤噴孔直徑、轉(zhuǎn)動力矩及轉(zhuǎn)速的設(shè)計，通過程序運行，得到噴水孔的直徑d=1.043 cm，曲率半徑為R=5.216 cm，圓盤轉(zhuǎn)動力矩Lz1=14.37 N · m，圓盤的轉(zhuǎn)速ω=40.48 rad/s=386.6 r/min可以滿足網(wǎng)衣清洗的要求。上述研究為噴嘴形狀結(jié)構(gòu)、直徑、孔徑長度及射流速度的應(yīng)用和優(yōu)化改進提供了科學(xué)依據(jù)。

3.1.3 毛刷

毛刷是網(wǎng)箱清洗裝置的執(zhí)行元件之一，其材料多為納米碳纖維。毛刷被固定在工作面盤上，并隨工作面盤一起轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對網(wǎng)衣的摩擦式清洗。適合的毛刷才能清除網(wǎng)衣表面的污損生物，避免損害網(wǎng)衣。毛刷形狀有十字形、三層形、波紋形狀等，圓形截面毛刷的接觸面積“基本一致”，穩(wěn)定性高。為確保清洗刷與網(wǎng)衣的接觸狀態(tài)，建議選擇圓形截面毛刷。宋協(xié)法等[9]通過海上清洗試驗發(fā)現(xiàn)：規(guī)格為15 mm的毛刷，其相對硬度較高，清洗效果較好；毛刷方向與圓盤方向垂直時，清洗面積較大。提升清洗盤和毛刷的使用壽命，減少更換頻次也是網(wǎng)箱清洗裝置的重要研究內(nèi)容。林登輝等[76]對清洗單元的毛刷進行優(yōu)化改進，在傳統(tǒng)毛刷的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種有梳齒狀的環(huán)形自凈裝置，通過毛刷在伸縮過程中來回與梳齒接觸，使毛刷上殘留的污損物脫落，達(dá)到自動清洗毛刷的效果，這種裝置有效地提高了毛刷的使用年限，降低頻繁更換毛刷所引起的費用與勞動量。

3.2 水下清洗機器人研究進展

3.2.1 清洗單元的優(yōu)化

近年來，隨著水下機器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展，越來越多的網(wǎng)箱清洗技術(shù)與之結(jié)合，形成了一種新的水下網(wǎng)箱清洗方式—水下清洗機器人。與傳統(tǒng)的網(wǎng)箱清洗裝置相比，水下清洗機器人在自動化、多元化、智能化方面具有明顯優(yōu)勢，成為未來網(wǎng)箱清洗裝置發(fā)展的趨勢。

清洗單元是水下清洗機器人的執(zhí)行模塊，也是網(wǎng)箱清洗裝置的核心部件。傳統(tǒng)清洗單元執(zhí)行元件是高壓噴嘴和毛刷，機器人技術(shù)的應(yīng)用為清洗單元增加了更多的可能性。目前關(guān)于清洗單元的改進的數(shù)據(jù)支持較少，多是一些專利。如劉飛等[77]設(shè)計對網(wǎng)箱清洗機器人的清洗單元進行優(yōu)化，其設(shè)計的新型機械手兩側(cè)安裝有高壓噴嘴，中部安裝有超聲波振動器，表面附有毛刷。工作時，工作船上的高壓水泵產(chǎn)生高壓水，通過機械手臂的高壓噴嘴、超聲波振動和毛刷協(xié)同清洗，使網(wǎng)箱網(wǎng)衣實現(xiàn)深層次清潔。機械臂和基盤之間裝有360°旋轉(zhuǎn)的接頭，使機械臂可以在空間內(nèi)任意角度移動，沒有清洗死角。由于機器人技術(shù)的模塊可以拓展，因此可以直接整合現(xiàn)有水動力參數(shù)，如將噴嘴的最佳效率參數(shù)應(yīng)用到清洗機器人上。水下清洗機器人也能整合多種類型噴嘴技術(shù)，提供不同的噴射方式，如居中射流、分散射流、旋轉(zhuǎn)射流等方式或其中幾種的組合形式。在清洗單元上安裝多種傳感器能及時調(diào)整水射流與網(wǎng)具的距離，實現(xiàn)高效清洗，同時也避免高壓清洗對網(wǎng)具的損壞。

3.2.2 驅(qū)動方式

水下清洗機器人的驅(qū)動方式是影響網(wǎng)箱清洗效率的重要因素。莫嘉嗣等[60]將柔性繩索并聯(lián)連接在網(wǎng)箱本體與清洗單元之間，通過繞線電動機驅(qū)動電纜，在多條柔性繩索并聯(lián)支鏈的協(xié)調(diào)配合下，使清洗單元在網(wǎng)箱內(nèi)進行水下三維運動。相較于單一電纜的串聯(lián)驅(qū)動，多根驅(qū)動電纜相互約束，增加了深海網(wǎng)箱的自動化清洗的水下穩(wěn)定性和精確度。一些專利介紹了磁吸式防滑雙同步帶技術(shù)，分別在清洗單元和網(wǎng)箱上設(shè)置主動輪和從動輪，外部包覆防滑雙同步帶，使同步帶與同步輪嚙齒狀嚙合。通過驅(qū)動主動輪帶動從動輪，以實現(xiàn)清洗單元的運動，提高水下清洗機器人的穩(wěn)定性和工作精度[79]。但關(guān)于該技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用仍未出現(xiàn)。

3.2.3 運動控制

中國早期設(shè)計的運動控制為單根電纜連接的垂釣式清洗裝置，依靠工作船上電纜的上下伸縮實現(xiàn)不同深度的清洗作業(yè)，需要靠人工輔助操作，自動化程度較低。且易受到水流的影響，定位不準(zhǔn)確，清洗單元難以實現(xiàn)實時跟隨運動，其運動往往滯后，靈活性受限[65]。為了改進串聯(lián)驅(qū)動的不足，莫嘉嗣等[60]設(shè)計了多根電纜并聯(lián)驅(qū)動的清洗機器人，通過運動控制器控制4條柔性繩索協(xié)調(diào)配合，使清洗單元在網(wǎng)箱內(nèi)進行水下三維運動，增加了網(wǎng)箱清洗的靈活性和精確度，自動化程度較高，且運動軌跡可按照需求設(shè)定。水下機器人還可以通過利用雙浮筒調(diào)整水下潛浮姿態(tài)，利用螺旋推進器實現(xiàn)清洗裝置的直行、轉(zhuǎn)彎等運動，以實現(xiàn)對網(wǎng)箱各個角落的清洗。此外，通過水下成像系統(tǒng)地實時監(jiān)測，遠(yuǎn)程操控水下清洗機器人的行動路線，可以定點高效地進行網(wǎng)衣清洗，以達(dá)到節(jié)約能源，提高清洗效率的目的。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱清洗依靠人工完成，勞動強度大，危險性高。生物清除法降低了人力成本，兼具生態(tài)和經(jīng)濟效益，但一些防治生物如混養(yǎng)魚類有特定攝食喜好，不能徹底解決污損生物的附著問題。防污涂料也是解決污損生物的重要方向，其成本較高且存在污染和危害養(yǎng)殖生物的風(fēng)險。相較于上述方法，機械清除法更容易實現(xiàn)。早期的機械清除法主要采用輕型移動式水下清洗裝置，由工作人員潛水操作完成。隨著時代的發(fā)展，網(wǎng)箱清洗裝置實現(xiàn)了軌道化和自動化，減輕了勞動強度，縮短了清洗周期。目前開發(fā)應(yīng)用的網(wǎng)箱清洗機器人，自動化程度較高，清洗效率較高，但仍需遠(yuǎn)程操控，且對技術(shù)人員的專業(yè)素養(yǎng)要求較高，難以實現(xiàn)智慧漁業(yè)。GPS定位技術(shù)、精密傳感技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)智能化、無人化提供了可能。未來，清洗機器人可以精準(zhǔn)確定水下污損位置，實時反饋目標(biāo)位置的污損等級；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，挖掘海量數(shù)據(jù)，對大量數(shù)據(jù)整合、處理并實時反饋，根據(jù)算法得出當(dāng)前環(huán)境的最佳清潔方式、最適清潔力度等智能有效地制定清洗方案。人工智能的發(fā)展加速了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)上的整合，通過機器學(xué)習(xí)，挖掘數(shù)據(jù)，加快推進前沿技術(shù)的應(yīng)用，使之服務(wù)于深水網(wǎng)箱清洗行業(yè)中去。鑒于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，網(wǎng)箱清洗技術(shù)的發(fā)展仍是一項頗具挑戰(zhàn)性的艱巨任務(wù)。

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