养殖工船综合智能管控系统设计研究

张呈龙，姜 勇，陈亚杰，马相鹏

应用研究

养殖工船综合智能管控系统设计研究

张呈龙1，姜 勇1，陈亚杰1，马相鹏2

(1. 中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108；2. 武汉理工大学船海与能源动力工程学院，武汉 430063）

为提高养殖工船养殖作业顺序的合理性和效率，以及实现鱼类及工船安全保护的目的，对养殖工船综合智能管控系统进行设计研究，建立统一基础数据库和高精度三维GIS模型，打通经营管理层和底层生产数据，实现对接目标，提供智能化分析，辅助生产决策，以构建良好的养殖生态环境，提高养殖设备的智能管控匹配度以及养殖工船全局管理的智能化程度。

养殖工船 智能管控系统 硬件 软件

0 引言

近年来，随着深远海养殖的不断发展，对养殖平台综合管控系统的可靠性、智能化程度的要求越来越高，信息技术应用于养殖平台全方位立体化监控变得非常重要[1, 2]。在此背景下以提高养殖平台的智能化程度，降低养殖平台的管理难度为目标的养殖平台综合智能管控系统研究已在全球范围内开展。养殖平台按照特点分为固定式大型养殖平台和游弋式大型养殖工船[3]。挪威AKVA集团作为全球领先的水产设备生产商，该集团在网箱监控系统中将软硬件设备进行了有效的集成，系统可对养殖环境和鱼群进行监测，实现了计划、财务、生长曲线、成本核算控制，还通过互联网将多个养殖网箱进行连接，具有较高的智能化程度。

胡昱等人提出了一种远程开放式海水网箱养殖环境监测系统，可以监测水温、盐度、溶解氧和流速等参数。该系统实现了外海网箱养殖环境的精确监控。同时也解决了现场布线和效率低下的问题[4]。上海韬鸣船舶技术有限公司研制的智能深海养殖网箱监控系统可以实现监测网箱、海水、气象等功能，系统监测流量、液位等参数，控制充排水设备自动实现网箱的平衡和升降速度，还可以远程控制投食系统、网箱清洗系统。该系统是基于网页的系统，实现了跨平台监测和控制。国内的其他厂商利用 ZigBee与GPRS相结合的组网方式实现近海网箱管理。将养殖环境内的各个监测点水质数据实时的采集、传输至养殖工作平台主机显示，为养殖人员或研究人员提供了准确的海水温度、PH、溶解氧等数据，但是国内的厂商并没有实现养殖平台综合智能化管控的功能。

针对现有养殖工船综合管理智能化程度较低的不足，设计一款养殖工船综合智能管控系统，确保系统高度智能化，并且具有较长的生命周期，既能满足当前的需求，又能适应未来的发展。养殖工船综合管控系统是集安全、生产和设备管理等多业务的综合管控平台，系统基于养殖生产要素，对养殖投饲、养殖任务、鱼群健康、饲料库存等信息进行展示和管理，通过该综合管控系统可实现养殖工船智能化管理，提高养殖生产效率及风险防范能力[5]。

1 系统架构

本文综合考虑养殖工船智能管控系统的适用性、先进性、成熟性以及设备的选型优化，从可靠性、可维护性和经济性出发，开展养殖工船综合智能管控系统的研发工作。所设计的系统自上而下分为5层，系统架构如图1所示。

1）用户层，主要实现人机交互和数据可视化功能。

图1 综合智能管控系统架构

2）管理层，主要实现各类业务模式下的管理功能，通过工业以太网将设备进行连接，设有操作站、服务器等，发布决策指令和生产计划、监测设备状态和故障报警，并将生产数据进行存储分析。

3）智能控制及数据服务层，主要通过控制模型实现智能化生产，进行数据的存储、转换、通讯协议的交互。

4）设备层，主要由现场传感器、阀门、执行器和电机水泵组成，完成系统的执行和状态反馈。

5）外部现场层，主要负责设备的执行。

2 系统功能

2.1 养殖工船智慧全局管理功能

基于工船综合集成管理系统，实现对养殖安全相关信息，养殖鱼类相关信息，设备状态相关信息以及辅助决策相关信息四个方面的信息展示和管理。

养殖安全相关方面：实现对人员信息显示，船舶姿态安全监测，人员巡检打卡监控，人员定位信息显示功能。

养殖鱼种及环境相关方面：实现对水下监控视频实时显示，水质水文信息的实时显示，鱼群生物量体征及健康信息显示功能。

养殖设备状态相关方面：实现对供氧设备、投饲系统、鱼苗入舱设备、成鱼起捕设备、液测阀控系统、灯光控制系统、加工冷藏系统等状态、报警及故障显示等功能。

辅助决策信息方面：实现对养殖事件的处理流程展示功能，包括溶解氧不足处理流程、水量水体异常处理流程、摄食状态不佳处理流程、氨氮检测值偏高处理流程、鱼病防治处理流程、养殖池定期自动清洗处理流程等。

2.2 养殖生产管理功能

基于养殖生产要素，对养殖投饲、养殖任务、鱼群健康、饲料库存等信息进行管理，通过该生产管理功能，满足养殖人员日常生产管理的要求，实现从鱼苗计量投放开始，覆盖日常投喂、检测、记录分析等直至起捕出鱼、加工销售的完整养殖周期的管理。形成完整的数据记录，为回归性分析和预测性分析提供数据支撑。具有日常生产管理（对养殖品种、养殖批次、投入、损失、投喂、现存尾数与末次打样数据估算等生产数据进行管理）、检验检测管理（寄生虫、病害快速检测记录、药残快速检测记录、水质快速检测记录）、库存管理（对饵料及其它耗品进出库、使用信息管理）、任务管理、生产成本管理、报表分析、生长曲线分析等功能。

2.3 养殖流程精细化管控及辅助决策功能

基于养殖流程智能控制需求，实现多系统设备协同作业，如水质调控、养殖增氧、应急增氧、自动投饲、成鱼起捕、死鱼回收、舱底污物收集、养殖光照控制等。实现柔性化生产，满足不同鱼种在不同环境下的定制化养殖需求，实现智能投饲、水质调控等各环节子系统的有效精细管控。

3 系统硬件组成

参照养殖工船的实际舱室布置情况，该综合智能管控系统的组成设备主要包括：智慧全局管控工作站，养殖生产管理站，养殖集控站，信号采集箱，中央控制柜，模拟仿真站，服务器柜，交换机和各类系统附件。

1）智慧全局管控工作站，通过配置的大屏显示终端，用于实时显示三维GIS图像，运行集安全、生产、设备管理和视频等多业务的综合管控平台软件，进行数据融合和展示。实现对人员信息、生产信息、设备信息、安全信息、水质信息、水文气象信息、船舶姿态信息、辅助决策、视频监控、鱼群信息重构以及鱼类个体生物特征显示等功能。

2）养殖生产管理站，运行养殖生产管理软件，主要对养殖投饲、养殖任务、鱼群健康、饲料库存等信息进行管理，在整个养殖周期内，形成完整的数据记录，具有日常生产管理、投饲计划管理、检验管理、库存管理、生产成本管理、报表分析、鱼类生长曲线分析等功能。

3）养殖集控站，主要运行养殖集控管理操作软件，主要通过各子系统的MIMIC图的分页分级分类显示，以及数据打印、生产指示及操作、控制指令下发、参数数据显示及声光报警、设置修改传感信号预警值、系统网络通信状态诊断、水质信息显示以及实现养殖模式执行、阀控操作等功能。

4）信号采集箱，通过物理接口或者通信接口对其他的养殖子系统、水质监测等设备的数据进行采集，信息流解码与交互，将数据通过控制总线传输到集中控制器中，并向系统或设备下达控制指令，有I/O信号输入输出、总线通讯等模式。

5）交换机，作为养殖自动化系统的上层管理网络汇聚交换节点，连接工作站、操作站、监视站、集中控制器、服务器、管理站，交换机通过VLAN 设置划分，避免工业数据及视频数据的相互影响。工业交换机作为下层控制网络汇聚交换节点，连接集中控制器、采集箱内通信模块、部分其它养殖系统的以太网设备。

4 系统软件组成

养殖工船综合智能管控系统主要包括三套软件：三维GIS智慧全局管控软件、养殖生产管理软件和养殖集控操作软件。软件基于Windows系统进行开发，可以存储、显示、输出系统内的所有信息，以及查看各个接入系统的实时视频、历史图像、报警信息等。

4.1 三维GIS智慧全局管控软件

本软件主要用于养殖监控室对养殖系统及船体进行整体管控，或通过船岸通讯系统，将数据实时展示在岸基管理端，便于管理人员实时查看船上养殖情况或船体情况。软件基于建立的统一基础数据库和高精度三维GIS模型，进行数据融合和展示。基于养殖工船综合集成管理系统架构，实现阀控、养殖集控、加工冷藏等系统的协同运行，实时展示水文气象、气象环境、人员信息以及生产相关信息。软件界面的整体示意图如图2所示。

图2 养殖综合智能管控平台界面

4.2 养殖生产管理软件

图3 养殖生产管理软件界面

该软件主要用于生产管理人员对整个养殖生产信息的监控管理。通过该软件平台，实现对养殖鱼种信息、投饲指令下发、库存管理以及数据记录分析等功能，让管理人员通过该平台软件对养殖生产管理的物料信息、鱼种信息等进行统一查看。软件界面整体示意图如图3所示。

4.3 养殖集控操作软件

该软件主要用于在养殖过程中对养殖相关生产设备的状态查看，养殖过程操作等功能。含上位人机交互软件及下位PLC控制程序软件。通过创建各养殖相关子系统MIMIC图形，实现对各子系统数据进行可视化监视分析以及控制功能。可实现水质调控、养殖舱增氧/应急增氧控制、自动投饲遥控、成鱼起捕、死鱼回收、舱底污物收集遥控、养殖光照遥控等功能。还可监测水文气象环境、鱼类摄食状态、水量水体异常、溶氧不足、氨氮检测值偏高、鱼病防治等异常状况建立应对方案，为养殖人员提供参考[6]。

5 结束语

该系统的部分功能已在实船上进行了应用，并且达到预期的综合智能管控目的，但是尚有一部分功能仍在研究过程中，后续系统的全部功能将会陆续应用在新建造的养殖工船上。养殖工船生产作业过程中，综合智能管控系统作为重要的管控手段[7]，可实现养殖工船的安全高效运营。智能管控系统弥补了传统管控手段的不足，使得养殖工船在现代化安全管理和生产运营管理方面能够达到较高的安全要求和管理要求，先进的养殖工船综合智能管控系统可以在很大程度上提高养殖工船的经济效益，以及解决养殖工船的智能化管理问题，使养殖工船在智能管控过程中能够根据管控的要求和现场的具体情况做好管控工作，发挥出综合智能管控系统的优势，并且还能为未来建造的养殖工船的智能化、数字化管理奠定良好的基础[8]。

[1] 胡昱, 郭根喜, 黄小华, 等. 基于PLC的深水网箱自动投饵系统[J]. 南方水产科学. 2011, 7(04): 61-68.

[2] 郭根喜，陶启友，黄小华，等. 深水网箱养殖装备技术前沿进展[J]. 中国农业科技导报. 2011, 13(05): 44-49.

[3] 刘敏. 大型养殖工船运营实践与展望[J]. 船舶工程. 2021, 43(04): 18-23.

[4] Hu Y, Huang X, Tao Q, et al. Design of a deep water cage culture environment monitoring system based on ZigBee[C]. IEEE, 2016.

[5] 胡昱, 郭根喜, 黄小华, 等. 基于3G+VSaaS技术的深水网箱养殖远程视频监控系统[J]. 南方水产科学. 2013, 9(02): 63-69.

[6] Hu Z, Li R, Xia X, et al. A method overview in smart aquaculture[J]. Environmental monitoring and assessment. 2020, 192(8): 493.

[7] 逯智丰. 发电厂作业现场智能管控系统分析[J]. 中国设备工程. 2021(11): 29-30.

[8] Wei Y, Wei Q, An D. Intelligent monitoring and control technologies of open sea cage culture: A review[J]. Computers and electronics in agriculture. 2020, 169: 105-119.

Design and research on integrated intelligent control system of feeding work ship

Zhang Chenglong1, Jiang Yong1, Chen Yajie1, Ma Xiangpeng2

(1. Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 201108, China； 2. School of Naval Architecture, Ocean and Energy Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

U664.14

A

1003-4862（2023）02-0001-04

2022-07-14

张呈龙（1986-），男，高级工程师，研究方向：船舶机舱自动化、船岸一体化、智能船舶、故障诊断等。E-mail：zhangchenglong@csic711.com

陈亚杰（1972-），女，研究员。研究方向：智能船舶研发。E-mail：305702443@qq.com