池塘養(yǎng)殖鮰魚智能分選設(shè)備研究

許達(dá)，曾超賢，周成全，孫大偉，葉宏寶*

(1.長興榮豐生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，浙江 湖州 313100；2.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310000；3.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，浙江 杭州 310021)

中國水產(chǎn)品產(chǎn)量從1989年起連續(xù)32年穩(wěn)居世界首位，是世界第一漁業(yè)大國，2020年水產(chǎn)品產(chǎn)量達(dá)6 549萬t[1]，為我國城鄉(xiāng)居民提供了近1/3的優(yōu)質(zhì)動物蛋白，在保障國家糧食安全、提高全民營養(yǎng)健康水平方面發(fā)揮了重要作用。隨著未來人民生活水平不斷提高，水產(chǎn)品在膳食結(jié)構(gòu)中的比重不斷增加，對水產(chǎn)品的需求呈持續(xù)增長態(tài)勢[2]。池塘養(yǎng)殖是浙江省最常見、最主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖形式[3]，2021年浙江省池塘養(yǎng)殖面積為18 3271 hm2，全省池塘養(yǎng)殖產(chǎn)量占總產(chǎn)量的51.16%?，F(xiàn)有的池塘養(yǎng)殖魚類分選完全依靠人力，存在著工作效率低、分選正確率不高以及無法計數(shù)等問題[4]。洪揚(yáng)等[5-7]設(shè)計的回轉(zhuǎn)式活魚分級裝置，具有穩(wěn)定的機(jī)動性能，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動，滿足活魚分級的要求，但這類分魚裝置需要使用吸魚泵將魚吸至入魚口，使用成本高，無法滿足池塘養(yǎng)殖起捕后快速分魚的需求，且使用時存在對活魚造成損傷的風(fēng)險。傳統(tǒng)的分魚機(jī)靠固定安裝在機(jī)架上的分級滾筒[8]的不同直徑段形成的大小不等間距實(shí)現(xiàn)分魚[9]，從而代替人工分魚，實(shí)現(xiàn)魚分級的自動化，提高分魚效率[10]。但是魚沿滾筒道下落的速度不可調(diào)，由于魚本身帶有黏性，容易黏附在滾筒上，在上層下落的魚作用下，黏著的魚不進(jìn)入所適合滾筒間距，而進(jìn)入更大的滾筒間距，對魚體的傷害較大，同時造成分魚不準(zhǔn)確[11]。

在分析已有活魚分選設(shè)備特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鮰魚的生理特性和魚體特征，設(shè)計了一種池塘養(yǎng)殖鮰魚智能分選設(shè)備，以替代絕大部分人力，減輕勞動強(qiáng)度，提高分魚效率和準(zhǔn)確率，降低生產(chǎn)成本，為池塘養(yǎng)殖鮰魚精準(zhǔn)分選設(shè)備的研發(fā)提供重要參考依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

池塘養(yǎng)殖鮰魚智能分選設(shè)備如圖1所示，包括機(jī)架、集魚水箱、推魚擋板、屏幕、引導(dǎo)槽、分魚滑道、集魚槽、進(jìn)水管道、計數(shù)器等裝置。其中集魚水箱與機(jī)架可分離，分魚作業(yè)時將兩者快速連接則可使用。分魚滑道兩端高度以及開口寬度可進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使分魚過程中分選速率可控可調(diào)，鮰魚分選規(guī)格等級可根據(jù)實(shí)際出售需求進(jìn)行調(diào)整。集魚槽位于分魚滑道下方，對每個等級區(qū)間落下的魚進(jìn)行收集。集魚槽出口處裝有計數(shù)裝置，可對分級后每個規(guī)格等級區(qū)間的魚進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計，方便為后續(xù)出售、養(yǎng)殖提供參考。

圖1 鮰魚智能分選設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

分選作業(yè)時，將起捕后的鮰魚倒至集魚水箱，開啟鮰魚智能分選設(shè)備，推魚擋板進(jìn)行往返運(yùn)動，從而不斷地將集魚水箱中的魚推入至引導(dǎo)槽中，并滑至分魚滑道，從而進(jìn)行分魚過程。分魚滑道開口寬度逐漸增加，且增加幅度可根據(jù)不同規(guī)格等級需求的鮰魚質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到對鮰魚進(jìn)行自動分選的目的；分魚滑道兩端高度可進(jìn)行調(diào)節(jié)，且總是保持滑道左端高于右端的狀態(tài)，因此，可以達(dá)到控制并調(diào)節(jié)分魚速率、提高分魚效率和準(zhǔn)確率的目的。集魚槽上安裝的計數(shù)裝置可對每個區(qū)間分選的鮰魚數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，分級完成后，每個規(guī)格等級區(qū)間的魚數(shù)量可在屏幕上顯示出來。同時，整個分選過程中，集魚水箱、分魚滑道、集魚槽都有源源不斷的水流，分選過程中使魚體保持潤滑，也避免鮰魚因長時間脫水和機(jī)械等造成的魚體損傷。

2 關(guān)鍵部位設(shè)計

將起捕后的鮰魚倒入集魚水箱時，由于慣性鮰魚會向前滑動。因?yàn)轷t魚數(shù)量較多，可能會出現(xiàn)堵塞引導(dǎo)槽進(jìn)魚口的情況，從而影響分魚設(shè)備的正常使用。分魚滑道要保證魚按照由小到大的次序分別落入4個等級區(qū)間，且分選過程中應(yīng)盡量避免對鮰魚造成損傷。同時由于分魚滑道和集魚槽之間存在一定的高度差，鮰魚從分魚滑道落入集魚槽時可能會砸傷，因此，集魚槽的設(shè)計也非常重要。

2.1 集魚水箱和引導(dǎo)槽

集魚水箱末端設(shè)計有一定角度的斜坡，可以對倒入水箱中的鮰魚起到一定的緩沖作用，防止鮰魚數(shù)量過多從而堵塞引導(dǎo)槽進(jìn)魚口。集魚水箱和機(jī)架底部安裝有地腳螺栓，使得分選設(shè)備在塘口等不同的場地都能夠平穩(wěn)使用。引導(dǎo)槽進(jìn)魚口與集魚水箱連接為一體，出口端與對應(yīng)的分魚滑道相連接；且引導(dǎo)槽進(jìn)魚端口處較寬，出魚端口處較窄，起到一次可以通過多條魚而只允許一條魚滑出至分魚滑道的效果，提高鮰魚分選效率的同時可以避免多條魚進(jìn)入分魚滑道造成分魚滑道的阻塞而影響分魚進(jìn)程，降低分魚準(zhǔn)確率甚至影響分魚設(shè)備的正常使用。引導(dǎo)槽與分魚滑道具有一定的高度差，為鮰魚進(jìn)入分魚滑道時提供一定的初速度。而且集魚水箱和引導(dǎo)槽表面都經(jīng)過處理，避免對魚體表面造成損傷。集魚水箱和引導(dǎo)槽連為一體，實(shí)際使用時只需將引導(dǎo)槽出魚口端與相對應(yīng)的分魚滑道連接即可使用，也便于使用完成后的拆卸運(yùn)輸。

2.2 分魚滑道

分魚滑道通過計算鮰魚形體特征與其體重的關(guān)系而進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)實(shí)際使用需求，分魚設(shè)備可將鮰魚分為4個等級區(qū)間，其中第一個等級區(qū)間為雜魚以及未達(dá)到出售規(guī)格的鮰魚，需要對其進(jìn)行回塘續(xù)養(yǎng)等處理，其他3個等級區(qū)間為達(dá)到不同出售規(guī)格的鮰魚。分魚滑道由兩塊2 m長不銹鋼鋼板組成，不銹鋼鋼板上下兩端口處經(jīng)過折彎形成拱狀，能夠?qū)Ⅴt魚較好地環(huán)握住，避免分選時對鮰魚表面造成劃傷。每條分魚滑道的不銹鋼鋼板通過滑軌安裝在機(jī)架上，所形成的夾角可任意調(diào)整。經(jīng)過試驗(yàn)測試，組成每個分魚滑道的兩塊不銹鋼板形成60°夾角時分選效果最佳，因此，根據(jù)實(shí)際分選需求，將每個滑道的夾角都調(diào)整為60°。同時，分魚滑道開口寬度由左端至右端依次增加，每條分魚滑道開口寬度也可根據(jù)實(shí)際分選需求進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)右端開口較大時，鮰魚會在分選過程中提前掉落至錯誤的等級區(qū)間從而影響分選的準(zhǔn)確率。同時經(jīng)過多次測試，在分選過程中，會發(fā)生大部分鮰魚出現(xiàn)張開魚鰭的現(xiàn)象，因此，在調(diào)整分魚滑道開口寬度時需考慮到該因素。分魚滑道兩端設(shè)計有一定的傾角，在分魚過程中為鮰魚提供一定的速度從而保證鮰魚落入至正確的等級區(qū)間，也可以提高分魚效率，且分魚滑道兩端傾角也可根據(jù)實(shí)際分選需求進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)兩端傾角過大時，會導(dǎo)致分選速度過快從而使得鮰魚落入錯誤的等級區(qū)間，因此，分魚滑道參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整是鮰魚分選是否成功的關(guān)鍵因素。兩塊不銹鋼鋼板上端安裝有與之相同長度的帶孔細(xì)軟管，細(xì)軟管中有源源不斷的水流，為鮰魚在整個分選過程中提供水，增加魚體與滑道潤滑的同時避免魚體因缺水造成損傷。

2.3 集魚槽

由于鮰魚的身體構(gòu)造多為頭部或魚鰭部位為整條魚身材最大的部位，在魚進(jìn)入分魚滑道后，魚將是頭朝上，魚尾朝下懸吊在分魚滑道開口處，因此，分魚滑道和集魚槽之間需要具有一定的高度差，避免分選過程中集魚槽觸碰到魚尾，從而阻礙鮰魚的滑動而影響分選準(zhǔn)確率。集魚槽安裝于分魚滑道下方，位置可任意移動至實(shí)際所需的分魚等級區(qū)間。集魚槽表面鋪有與之相同形狀的一定厚度的防撞軟墊，防止鮰魚從分魚滑道落入集魚槽時砸傷，而且防撞軟墊也可以增加鮰魚與集魚槽之間的摩擦，避免鮰魚落入集魚槽時由于慣性滑至下一個等級區(qū)間導(dǎo)致分選錯誤的情況出現(xiàn)。集魚槽兩端具有一定的高度差，能夠使得收集到的鮰魚順利滑出。同時集魚槽一端設(shè)計有進(jìn)水管道，能夠?qū)γ總€等級區(qū)間的鮰魚進(jìn)行沖水，減少鮰魚停留在集魚槽的時間以及鮰魚魚體受到的損傷。集魚槽末端安裝有計數(shù)裝置，可以對每個等級區(qū)間的鮰魚進(jìn)行計數(shù)顯示，且各等級區(qū)間分選結(jié)果可在屏幕上顯示。

3 分選試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在湖州市長興榮豐生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司進(jìn)行，試驗(yàn)用魚為起捕后隨機(jī)選取的正常生長情況的300條鮰魚。根據(jù)實(shí)際出售情況需將鮰魚分為4個等級區(qū)間，分別為<0.75 kg、0.75～1.00 kg、1.01～1.50 kg、>1.50 kg。將鮰魚智能分選設(shè)備參數(shù)設(shè)定并調(diào)整為分魚滑道夾角60°，分魚滑道開口最小端3 cm，開口最大端10 cm，分魚滑道兩端高度差10 cm，將集魚槽移動至合適的鮰魚收集位置。然后開啟鮰魚智能分選設(shè)備，接通設(shè)備水管管道，避免鮰魚魚體脫水而受到損傷，同時增加分選設(shè)備潤滑。將隨機(jī)選取的300條鮰魚倒入鮰魚智能分選設(shè)備中，進(jìn)行分選作業(yè)。待鮰魚智能分選設(shè)備完成此次分選作業(yè)時，隨即進(jìn)行人工分魚，并將兩者分選情況進(jìn)行對照，結(jié)果如表1所示。

表1 采用不同分選方式統(tǒng)計結(jié)果

3.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)過程中，鮰魚智能分選設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，工作安全可靠。采用鮰魚智能分選設(shè)備進(jìn)行分魚作業(yè)時，分選鮰魚總數(shù)量為300條，分選用時為80 s，最終鮰魚分選正確率為93.3%；而分選相同數(shù)量鮰魚情況下，人工分選采用5位工人，分選時間為320 s，且分選正確率僅為81.7%。鮰魚智能分選設(shè)備分選正確率較高，且分選效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工分選。

鮰魚智能分選設(shè)備和人工兩種分選方式的各等級區(qū)間分選情況如表2所示。針對人工分選方式，主要依靠工人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對鮰魚進(jìn)行體重估測從而進(jìn)行分選。分選初始階段，工人需要攜帶電子秤對拿到的鮰魚進(jìn)行稱重，并與自己估測的鮰魚體重進(jìn)行比對，達(dá)到針對此次需分選鮰魚鍛煉自己手感的目的；而且隨著分選作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行，工人效率會逐步降低，甚至到達(dá)一定的工作時間后需要休息10 min左右從而保證自己的工作狀態(tài)，因此，分選效率較低、分選準(zhǔn)確率不高，而且分選效率和分選準(zhǔn)確率隨著時間都會逐步降低。由表2數(shù)據(jù)可知，人工分選時每個等級區(qū)間分選錯誤鮰魚條數(shù)相差不大，說明在作業(yè)時會出現(xiàn)人工判斷經(jīng)驗(yàn)不足和人工判斷的偶然性等情況。相較于人工分選，鮰魚智能分選設(shè)備分選效率高、可持續(xù)工作時間長以及分選正確率高，而且鮰魚智能分選設(shè)備對所分選的鮰魚幾乎無損傷。經(jīng)過分析，鮰魚智能分選設(shè)備分選出錯情況主要分為兩種：生長體型畸形的鮰魚以及處于各等級區(qū)間臨界值附近體重的鮰魚。生長體型畸形的鮰魚指魚體體長、體寬與體重不符合預(yù)期模型的鮰魚，該類鮰魚在分選時，往往由于體長過長等情況而落入錯誤的等級區(qū)間導(dǎo)致分選錯誤，但此類情況也并非普遍現(xiàn)象。處于各等級區(qū)間臨界值附近體重的鮰魚指體重與所劃分區(qū)間的體重值相差不大的一些鮰魚，這些鮰魚由于體長相差不大而體寬略小的緣故往往會滑落至錯誤的等級區(qū)間導(dǎo)致分選出錯。針對這種情況，對分魚滑道參數(shù)進(jìn)行簡單調(diào)整則可以較好地解決，比如減小分魚滑道最大端開口寬度、降低分魚滑道兩端高度差等方法。

表2 各等級區(qū)間分選情況

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種池塘養(yǎng)殖鮰魚智能分選設(shè)備，隨機(jī)選用池塘養(yǎng)殖起捕后的300條正常生長情況的鮰魚進(jìn)行試驗(yàn)，分選用時為80 s，分選正確率為93.3%，在整個分選作業(yè)過程中，鮰魚智能分選設(shè)備都能夠平穩(wěn)運(yùn)行，工作期間安全可靠，且分選正確率高，分選過程對鮰魚不造成損傷，分選效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的人工分選。分魚滑道的參數(shù)設(shè)定調(diào)整是確保分選成功的關(guān)鍵因素之一，根據(jù)實(shí)際的不同分選需求，可對分魚滑道參數(shù)進(jìn)行相對應(yīng)的調(diào)整，確?？焖?、準(zhǔn)確地完成分選作業(yè)。相較于傳統(tǒng)的人工分選計數(shù)方式，該設(shè)備能夠更好地滿足現(xiàn)下池塘養(yǎng)殖鮰魚分選需求。