一、背景：

我国海岸线漫长，海域广阔，水产养殖业产量居世界前列。但目前我国养殖产业以浅海养殖为主，深海水域利用率不到1%。以深远海养殖技术为代表的“深蓝渔业”受到了广泛的关注，海水养殖从近岸向离岸（深远海）拓展已成为我国海水养殖可持续发展的必然选择。

2023年4月，习近平总书记在广东湛江市考察国家863计划项目海水养殖种子工程南方基地时指出，中国是一个有着14亿多人口的大国，解决好吃饭问题、保障粮食安全，要树立大食物观，既向陆地要食物，也向海洋要食物，耕海牧渔，建设海上牧场、“蓝色粮仓”。种业是现代农业、渔业发展的基础，要把这项工作做精做好。要大力发展深海养殖装备和智慧渔业，推动海洋渔业向信息化、智能化、现代化转型升级。

图1-1耕海牧渔，向海洋要食物

要“发展‘蓝色粮仓’，首先要培育好‘种子基地’。”随着我国近海养殖规模不断扩大，近海养殖相关问题越来越严重。传统水产养殖网箱采用单个成批投放的方法，存在连接性差、抗风和抗浪能力较弱、难以抵御自然灾害等问题。同时，由于传统网箱大部分为近海密集投放，导致鱼群密度高，成活率低，同时还容易干扰近海的海洋生态。近岸养殖方式容易使疾病传播，排泄物也可能由于流动性差而对海洋造成污染，带来了环境污染、生态损失、病害风险、质量安全等一系列问题，如图1-2，图1-3，图1-4所示。现代渔业发展面临诸多挑战。由此可见，发展深海养殖成为渔业进一步发展的必然措施。

  图1-2 设备简陋            图1-3 污染严重        图1-4 传染病导致鱼类大面积死亡

深远海海域为开放式海域，环境条件恶劣，缺乏屏障和岸基支持，传统的网箱难以抵抗恶劣海况，也无法适应离岸养殖模式。本文设计的“海洋牧场”深海水产养殖平台是一种可以应对各种自然状况的水产养殖设备，如图1-5所示。平台采用模块化组装的蜂巢结构既方便运输和装卸，又可以大规模批量投放，大大提高了抗风浪能力，在恶劣条件下仍能保证鱼群和工作人员的安全。养殖平台可由船只牵引至远洋投放，使远洋水产养殖成为可能。该平台系统可以根据鱼群密度智能调节网箱下潜的深度和容量，节约管理成本，合理利用资源，以实现海洋资源充分有效的开发。

图1-5 海洋牧场虚拟平台

近年来，我国深远海渔场装备主要有布置在南海的单柱半潜式（代表为SSFF150型渔场）、德海智能化养殖渔场和布置在黄海的坐底式深海智能网箱、全潜式渔业养殖装备等。智能化操作涉及饲料仓储、投饵、起网和洗网等。有些设计配备了风力和光伏发电系统，保障了照明和水下监测设备的供电。但是投饵、洗网和起网等耗电量大的操作仍依赖于传统的柴油机发电的模式。深远海渔场由于离岸远，人员和设备的操作困难，养殖方式的高度智能化和高可靠性是深远海渔场装备的必然要求。另外，在深远海环境下，受海面季节性变化影响大，无论半潜式或坐底式养殖装备，一旦安装就位，养殖装备的移动就需要外力，移动性差。然而，装备所处海层面环境随季节和气流影响，温差大，对温度敏感的名优鱼种（如三文鱼）的养殖和保持高的存活率极为不利。因此，恒温式和就地取材式的养殖装备能量供给用将是养殖装备智能化发展的必然趋势。

二、系统研究内容以及设计原理

2.1 多传感器数据融合的海洋牧场实时监测系统

海洋牧场环境监测系统是一个集环境数据采集、数据传输、实时监测、自动预警、历史数据查询等功能于一体的海洋牧场智能监测系统。如图1所示，海洋牧场智能监测系统由数据采集模块、数据监测终端、数据处理中心3部分组成。数据采集模块位于系统的前端，由控制器、传感器数据处理模块和各类传感器组成，主要进行各类海洋牧场环境数据采集。传感器主要包括:

(1)进行水质检测的盐度、浊度、叶绿素等传感器;

(2)进行水文检测的水温、pH值、溶氧等传感器;

(3)进行气象检测的气温、气压、风速等传感器。

一个控制器和传感器数据处理模块可以连接多个不同类型的传感器，通过传感器地址寄存器来区分传感器的类型。数据监测终端每间隔一段时间将采集到的数据上传到数据处理中心。数据处理中心对采集的数据进行过滤、清洗、融合，并将各个传感器的数据和预警数据实时呈现在监控大屏上。用户可以通过PC端和手机端查看各项数据，并可进行简单的设置;管理员可以通过系统后台对用户、控制器、传感器和牧场信息进行管理和控制。如图2-1所示。

图2-1 海洋牧场智能监测系统流程图

设计手机端和电脑端同步控制系统，实现手机端一键控制；工作人员可以在不同地方实时监控和操控网箱或养殖活动。结合养殖生物适宜生长温度为导向，设计恒温网箱系统，大大减小了传统方式中温度对养植物的影响，采用先进的温度监测技术，根据不同海层面温度分部及具体养殖环境温度变化，智能调节网箱下潜深度，达到对网箱温度的控制，可实时保证适合鱼类生长所适应的环境和温度。图2-2为温度传感器原理图

图2-2 温度传感器原理图

2.2设计一种新型嵌合式多功能养殖网箱；

由近岸养殖过渡到深海养殖不仅仅面临风浪，还有大型生物对养殖生物捕食的情况，设计一款外部为三角网架，内部为网衣的嵌合式养殖网箱，通过将各项功能进行集成，最终得到一款嵌合式多功能养殖网箱。因此，采用嵌合式多功能养殖网箱既可以防止外来生物的捕食，也可以满足养殖的要求。如图2-3和2-4所示。

以30 MW发电总装机容量为技术指标，调研分析现有海上风机各部件的性能、型 式、尺寸等和相关行业标准、规范要求、经验公式，依据作业海域和30 m工作水深及相应的环境载荷等条件开展研究工作，结合国内外现有的深水网箱设计经验，给出网箱设计思路，从网箱结构形式、网箱材料的选取、网箱网衣的选用及风机分布形式等各个方面因素从力学角度分析，确定海洋渔电一体化开发系统与各个杆件的尺寸参数。

图2-3 三文鱼养殖网箱位置草图

图2-4 大型抗风浪深水网箱结构

2.3 风能+波浪能多能互补复合发电技术

开发海洋能是海洋资源开发的个重要形式，对环境保护、护卫海洋国土具有深远的意义。海洋能包括许多不同种类，其中风能和波浪能分布最为广泛。其发电技术是通过将海水中的机械能通过一次或两次转化变为电能来实现海洋能源的利用。但对单一海洋能的利用装置不仅效率低而且输出电压不稳定，海洋多能互补发电技术通过对多种海洋能的共同利用，有望解决这一问题。

本文所设计平台搭载发电装置仅需满足海上牧场自给自足的生产即可，同时尽可能避免大功率风力机的噪音、振动对渔业生产会产生影响，因此按照海上牧场搭载的养殖设备实际负荷来尽量减小海洋能装置的功率。本文采用的漂浮式风力机选取了沈阳工业大学研发的200kW风力机。该风机塔架为锥形，总高25m，塔筒下端直径2m，塔筒上端直径13m，其他参数如下表2-1所示。

表2-1 漂浮式子风力机参数

对于波浪能装置安装在海洋牧场周围，既能减小装置运行对鱼类的影响，又能合理的节省安装空间。波浪能收集装置采用浮体绳轮波浪能采集装置，由震荡浮子、浮体及绳缆组成，采集波浪能，进行三级能量转换，最终转化为电能，并对电能进行收集和储存，以便牧场使用。本文为海洋牧场设计的潮流能收集装置如图2-5所示。

图2-5 波浪能收集转换装置

三、设计方案

3.1养殖生物温度需求为导向，基于多传感器设计恒温网箱系统

根据网箱结构特点，合理的在网箱及附近海域上布置温度传感器，根据传感器特点设计温度采集系统，进行实时智能温度数据采集及处理，将数据发送到电脑端或移动端显示网箱养殖环境平均温度。

大大减小了传统方式中温度对鱼类生长速度的影响，采用先进的温度监测技术，根据不同海层面温度分部及具体养殖环境温度变化，智能调节网箱下潜深度，达到对网箱温度的控制。

图3-1 温度检测装置

3.2基于温度智能升降技术

温度智能升降技术由温度监测系统以及升降系统实现，基于所养殖生物种最适生长温度进行调节。若环境温度过高，温度感应系统则会发出温度过高的信息由升降系统接收，压载系统开始工作，压载舱吸水，使网箱适度下沉，当温度监测系统测量到环境温度适宜时，则再次向升降系统发出信息，压载系统停止工作，压载舱不在吸水，网箱保持现有下潜深度，达到恒温控制的目的。

图3-2 移动端电脑端同步                           图3-3基于温度变化养殖箱自动升降

3.3 风能+波浪能多能互补复合发电技术

风能+波浪能多能互补复合发电技术是可以帮助深海海洋牧场解决能源问题，保证海洋牧场的正常运行，采用漂浮式风力发电机利用海上风力发电主要解决海洋牧场能源的使用问题

波浪能收集装置采用浮体绳轮波浪能采集装置，由震荡浮子、浮体及绳缆组成，采集波浪能，进行三级能量转换，最终转化为电能，并对电能进行收集和储存，以便牧场上实验室、加工厂等能源的供应。

图3-4 波浪能收集装置

四、参考文献

[1] 何皛磊,张海文. “深海渔场”的应用前景[J].船舶.2018-04-16.

[2] 方益喜，雷开卓，屈健康，刘奎，乔子椋，杨海波.基于PT1000的高精度温度测量系统[J]. 电子设计工程.2010-10-05.

[3] 米月花. 基于一种冷水式空调机组及其水温检测方法[J]. 低温与超导.2020-06-24.

[4] 马赛飞，刘钧，马尚昌. 智能温度传感器系统设计[J]. 传感器与微系统.2016-04-20.

[5] 李家林，林凡刚，刘永军，李有志. 超大型沉管压载水系统的研发与应用[J]. 中国港湾建设.2020-01-25.

[6] 李志垒. 大型半潜船压载水系统设计[J].船舶.2014-02-15.

[7] 张嘉祺,王琛,梁发云.“双碳”背景下我国海上风电与海洋牧场协同开发初探[J].能源环境保护,2022,36(5):18-26.

[8] 李丽旻.多地探索“海上风电+海洋牧场”模式[N].中国能源报,2022-06-27(003).