中国渔业装备和工程科技发展综述

黄一心,丁建乐,鲍旭腾,孟菲良,巩沐歌，梁 澄，周海燕

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室，上海，200092)

渔业装备和工程是指在渔业生产过程中使用的各类专用设备和工程，主要包括水产养殖装备、渔船与捕捞装备、水产加工装备等。近几年，随着国家对渔业科技的重视，渔业装备科技得到了快速发展， 2017年渔用机具总产值358万元，比“十一五”末(2010年)增加了1.5倍。通过梳理国内渔业装备和工程科技的发展现状，并与国外渔业发达国家进行比较分析，指出国内的研究水平，提出发展建议，为中国渔业装备和工程科技的发展提供参考。

1 国内渔业装备和工程科技发展现状

1.1 水产养殖装备

1.1.1 陆上养殖装备

(一)池塘养殖装备

池塘养殖在中国具有悠久的历史，是目前最普遍的养殖方式，其产量超过了中国养殖总产量的一半以上，但仍然存在着基础研究薄弱、设施和装备陈旧落后等问题。近年来，国内科研团队在基础研究、机械化和信息化、设施工程化方面做了大量的工作，取得了不少进展。

在基础研究方面，对池塘主要生态因子的变化特征情况开展了研究；开展潜流湿地菌群特征的研究，为提高净化效率提供支撑；高位循环水池塘的浮游植物总密度和湿质量高于普通池塘，但种属数量比普通池塘少[1]；开展了不同光照对菌藻共生生物膜群落结构影响的研究；研究表明合理使用菌藻结合体可显著提高对养殖废水的净化效率[2]；研究确定底泥扰动能提高水体肥度，增加藻类密度[3]；将生物滤床应用于养殖尾水处理，具有占地少等优点[4]；研究分析了不同湿地中厌氧脱氮菌群特征及与环境关系；开展了基于湿地循环水养殖密度对鱼类生长的影响；采取理化分析等方法，对有机碳对池塘生化反应的影响进行研究[5]；提出莲藕净化塘和人工湿地组合湿地系统不仅能净化尾水，而且还具有经济观赏价值[6]。

在机械化和信息化方面，研制了移动式太阳能水质调控机、太阳能智能增氧系统等设备，提升了经济效益；开展底孔增氧方式对池塘溶氧的影响研究；研发了基于气力输送、船载的自动投饲机，控制方便；研制了池塘起鱼单轨输送机、脉冲电赶鱼装置，减少劳动力成本；研制了可遥控的移动式施药装置，实现施药自动化；运用视觉识别技术，研究了准确快速识别淡水鱼和运动虾苗的方法；开发了分布式自动监控系统，实现了池塘养殖远程控制和集中管理；设计具有传感器清洁功能的可多点进行检测的水质监测装置[7]；构建了池塘溶氧预测组合模型和养殖水体亚硝酸盐氮预测模型，具有较高的预测精度[8-9]。

在设施工程化方面，设计了分隔式、分级序批式养殖生产系统，具有生态效率和经济效益高的优点，与传统池塘相比，二种复合型池塘养殖团头鲂的氮磷沉积与排放减少[10]。研究利用空闲自然条件构建生态净化系统，达到减排目的。在盐碱地建立了不同模式的生态养殖系统，通过鱼类养殖，改善生态环境；构建的循环水养殖系统，可有效去除鱼类土腥味[11]；开展不同植物密度对鱼菜共生系统的运转影响研究；结合人工湿地的池塘循环水养殖系统，具有存活率高、节能减排的效果；设计了高位池侧排式排污口装置，排污水量小。开展组合跑道式养殖池系统工程参数的研究。

(二)工厂化养殖装备

中国工厂化养殖装备研究起始于20世纪70年代，由于工厂化养殖具有高效、节水减排的优点，已成为未来水产养殖发展的方向。近年来，工厂化养殖装备在生物滤器、净化装置以及生产模式方面开展了研究。

在净化装置方面，开展了臭氧对悬浮颗粒物作用机理和效果研究，发现臭氧可降低水体浊度[17]；开发了臭氧/紫外线反应系统，杀菌率达到97%[18]；从筛缝规格、安装角度以及水处理量等方面，开展了弧形筛对颗粒物的去除效果研究；研制了多向流重力沉淀装置能较高效地去除悬浮颗粒物[19]；紫外线杀菌消毒装置布设位置，对养殖系统水环境以及鱼类的生长均有影响[20]；臭氧优先降低UV254和水色，显著提高水的可生化性；采用电化学方式处理废水，电流密度上升可加快污染物去除；设计了脱二氧化碳、管式曝气、叶轮气浮等装置，可有效净化水质。

在生产模式、策略和设备方面，开展投饲策略研究，建议人工养殖鲟鱼幼鱼投饲频率不少于每天4次[21]；设计了轨道式自动投喂系统，投饲精度超过95%[22]；研究建立了高效、低廉的对虾高位池循环水养殖系统；开展多种鱼类养殖适宜密度试验研究，为养殖模式推广提供技术支撑；构建了对虾养殖密度、换水量与水质指标模型；设计的水质监测系统，节能效果明显[22]；开展养殖池、砂滤池水动力特性研究，为工厂化养殖车间的设计提供支持；研制了升降式水质自动检测系统，有效提高了探头的精度和使用寿命[24]。

1.1.2 海上养殖装备

(一)浅海养殖装备

近海养殖是我国海水养殖的重要方式，养殖历史也非常悠久，北宋时期已有了“围竹养蚝”。但总体上养殖装备少，机械化程度比较低。近年来基础研究和装备研究取得了一定的进展。

在基础研究方面，采用沉浮力纵向向下递增分布装配的围网，更有利于防止发生网衣纠缠的现象；开展了吊笼水动力特性研究，吊笼随着贝类养殖密度增大受到的水平力也增大，而运动幅度则相反。开展可升降浮筏水动力特性研究，下潜后运动幅度和锚绳力减小。

在装备研究方面。设计了水下采捕机械手用于代替人工采捕海珍品[25]；研制了多种贝苗分级计数装置，提高了劳动效率。对扇贝养殖作业、转运装备和方式进行优化改造，减少了能耗，提高了效率； 研制了牡蛎采苗串自动化生产装置，用机械作业代替了手工作业； 建立了太阳能辅热耦合干燥系统，为大型藻类干燥提供了新的方法；提出了海带自动拖拽采收船的设计方案；研制了缢蛏采收设备，可完成采收、分选和收集工序，有效提升了劳动效率；实现了“夹紧—破扣—插苗”的自动化；设计了扇贝柱自动晾晒设备，提高了效率。

(二)深远海养殖装备

深远海养殖装备是20世纪90年代引进国外深水网箱后发展起来的，近几年，主要在养殖基础及设施安全和配套装备上开展研究。

在基础及设施安全方面，开展鱼类在船载条件下的应激反应研究；开展了深远海养殖平台锚泊试验，提出养殖平台应将纵向迎向风浪流大概率的来向；开展金属网箱结构水动力学研究，以保障系统安全性；开展双层网底网箱耐流特性动力分析，当实际海区流速超过93 cm/s 时影响网底的稳定；开展网箱结构动力响应特性研究，连接构件数量增加，网箱浮架应力和变形将会减少。

在配套装备方面，将高压水射流技术用于网箱清洗装置设计中，自动清洗装置成本低，效率高；开展渔业水下机器人试制工作，可用于对网箱和水生生物观察；开展将矿砂船改造为养殖工船技术研究，改建船体结构，构建了系统方案；使用水声定位技术设计监测系统，实现了网衣实时监测；构建了网箱监测系统，可动态实时采集系览力数据，“鲁岚渔61699”等一系列大型养殖装备投入使用。

1.2 渔船装备

我国拥有90多万艘渔船，是一个名副其实的渔船大国。主要以中小型、近海作业为主，远洋渔船则主要来自进口的二手船舶。近年来，我国渔船在基础研究、标准化船型以及远洋渔船的开发等方面作了不少工作，取得了不少的成果。

在基础研究方面，运用软件，开展渔船扭振计算，提高了效率和准确性；开展了船-桨干扰流场特性分析，为优化船尾型线提供依据；开展了导管桨水动力性能及流场特性研究；开展渔船球鼻艏形状减阻效果实验研究，提出金枪鱼延绳钓渔船采用撞角型球鼻艏较好[26]，设计建立船机桨优化匹配模型，可实现船机桨网合理匹配[27]。

在远洋渔船和节能方面，开展双甲板远洋渔船结构优化设计，合理地扩大了机舱空间；设计的远洋现代化渔船，其无人机舱系统达到法国船级社最高等级的要求；开展渔船阻力性能研究，形成船型优化技术方案，实船应用节能20%以上；将混合型滤波器用于船舶电力推进系统中，比无源滤波系统效果更佳，性价比更高。提出直流配电混合电力推进系统设计方案并开展研究。

在综合评价和减排方面，研制了尾气吸收式制冷装置，制冷效果显著，节能环保；开展双体渔船总体结构强度分析，得出总横弯矩对结构强度影响最大；建立鱼刺图基础模型，开展玻璃钢渔船建造质量分析；验证表明NAPA软件对渔业船舶完整稳性分析具有可行性和精准性[51]。

1.3 捕捞装备

捕捞装备主要包括捕捞机械和捕捞仪器两部分。总体上，中国捕捞装备机械化、信息化水平较低，在选择性捕捞与远洋渔业竞争力上还比较落后。

在捕捞机械方面，通过模型建立和仿真分析，开展波浪被动补偿装置的分析研究；开展内部流场分析，研制新型吸鱼泵；设计了自动调整系统平衡的控制系统，有效增大了网口面积，提高捕捞效率[28]；开展五轮起网机、起网机、围网理网机安全防护装置等设备的研究。设计搭建了渔船拖网绞机张力系统，实现了自动调节控制[29]；设计变频调速系统控制方案并试验，系统稳定可靠，自动化程度高。研制成功“大型金枪鱼围网捕捞成套设备”，打破了国外的垄断。

在捕捞仪器方面，开展了FFS25P多波束探鱼声呐的功能与性能测试工作；提出了新的鱼探仪发射机信号源设计方法，发射波产生的噪声干扰较小；研究将声呐技术与电子浮标集成，提高鱼群探测水平和设备的安全性[30]；开展哈夫曼算法在渔用声呐数据压缩中的应用，压缩了卫星数据的通信成本，解决了通信费用昂贵的难题。设计了水下LED集鱼灯灯载视频系统，有利于判断捕捞时机，提高捕捞效率。

1.4 水产品加工装备

我国早在20世纪50年代就开始了加工装备的研发，但我国加工行业的机械化水平仍然较低，近年来，加工装备的研发主要在前处理加工、高值化加工以及流通与信息化方面开展研究。

在前处理加工方面，研制了新型的气动式的大宗淡水鱼去头机[31]；开展了鱼类去鳞及去内脏的机械化加工设备的研制，得出了合适的柔性去鳞装置[32]；开展了鲢鱼前处理加工生产线的研发[33]；研制了精度较高、切块平整且冰冻杂鱼切块机[34]。

在高值化加工设备方面，采用铣削方式对鲍壳附着物去除试效果最好，存活率超过98%[35]；设计了辊筒挤压式分离装置，有效地完成蟹脚壳肉分离；开展了南极磷虾干燥特性、挤压和热处理加工技术以及对品质影响的研究；改进海参蒸煮设备的温控系统，使加工后海参弹性较高、硬度较低[36]；开展优化了鱼类去脏的加工工艺和刀具的优化；开展杀菌方式对小龙虾风味的影响研究，提出巴氏杀菌效果更好[37]。对紫海胆黄油微胶囊的壁材比例等进行研究，获得最优制备工艺；对鱼粉加工工艺与装备进行优化，加工成品品质高，并达到节能减排的效果。

在流通与信息化方面，开展冷海水喷淋保活模式的研究，研制了鲍鱼保活运输车； 开展了鱼类的低温应激反应研究，为罗非鱼活体运输提供依据；对虾夷扇贝在流通过程中的品质变化规律进行了研究；改进传统提升转运装置，实现自动化控制和精准称量有机结合一起[38]；开展无线电波解冻数值模拟研究，准确地模拟狭鳕鱼糜加热过程的温度变化[39]；开展了大黄鱼不同解冻方式对效率和品质的影响研究；认为液体速冻是适合鲍鱼的速冻方法[40]；开展了不同解冻方法对冻藏罗非鱼片理化性能的影响；开展冷风干燥液熏鲍技术研究，确定了的最佳加工工艺；发现浸泡通电解冻的方式更适合大黄鱼解冻； 研制适合量大，长距离的高值贝类保活运输车。

2 国内外渔业装备和工程科技发展比较

2.1 陆上养殖装备

池塘养殖不是欧美等国的主养方式，但是欧美专家在池塘养殖的基础、系统构建以及减排方面做了大量的研究，美国奥本大学Claude E.Boyd所著《Water Quality in Ponds for Aquaculture》和《Bottom Soils，sediment，and Pond Aquaculture》对世界各地的池塘水质和地质进行了系统的理论和实践的分析；研究构建了有利于营养物质转化的 “虾-藻-轮虫”复合养殖系统[41]；开展湿地对养殖排放水的净化研究[42]。同时，国外的机械化和信息化整个生产得到充分利用，在养殖各个环节均有机械设备使用，千亩罗非鱼精养鱼塘，仅安装一个智能化管理控制器，控制各池塘的设备。虽然近年来，池塘养殖生态工程技术已成为池塘设施的一个主流，但与国外相比，中国在池塘生态形成、变化和影响机制研究薄弱，对池塘养殖系统的调控手段不多，养殖机械化和信息化水平不高，养殖设备主要集中在增氧和投饲。

工厂化循环水养殖已成为欧美等发达国家的主要模式之一及发展方向。欧美国家主养鱼类有十多种，养殖单产已经超过200 kg/m3，养殖品种已普及到虾、贝、藻、软体动物的养殖，育苗企业也普遍采用循环水养殖技术。国外将生物技术、纳米技术、自动化技术等当今前沿高新技术融入工厂化养殖设施中，自动化程度很高、管理高效，而且物质的循环利用。国外一个超过2 000 m2养殖水体的循环水养鱼厂，只需1人管理。发达国家对循环水养殖的研究十分全面，在高密度条件下的鱼类行为学，精准投喂系统、养殖环境和设施的优化、快速排污技术、高效管理和自动监控、尾水的利用等方面也取得了不少成果。与国外相比，我国工厂化循环水养殖在设施系统的构建上基本接近国际水平，但是在养殖对象生理机制、生物净化系统形成机制、设备的稳定性、自动化和信息化程度等方面还存在着一定差距。

2.2 海上养殖装备

国外比较重视浅海养殖工程设施结构，以及主体和锚定系统的稳定、移动和受力情况的研究，增强了设施适应各种海况的能力，研究的新型锚固技术，使安装更方便，还拓展养殖区域[43]。国外的养殖设施虽然形式多样，但是养殖器材基本形成了标准化、系列化，国外的贻贝养殖设施仅需二个人搬动安装；大量的机械设备运用到在养殖过程中。牡蛎的采捕实现自动化，被采捕牡蛎在船上洗好后直接送往工厂进行加工，然后进入市场，研制的水下机器人可以抓取带有孢子的海藻叶片[44]。而国内浅海养殖设施养殖工程化与设施化水平较低，养殖设施形态各异缺乏标准化设计，制约了养殖机械化的发展，养殖缺少专用的播苗设备、采收机械和饲喂机械，作业总体以手工方式，劳动强度大，生产效率低。

国外十分注重养殖向深海发展，设计的养殖设备可被放置在海平面以下15 m的地方，并可根据需要下沉到50 m的深度，减少避免海虱、疾病、天气等对养殖的影响[45]。国外注重养殖装备的大型化，挪威目前普遍使用的是周长大于 80 m的网箱，更大的网箱周长达180 m，设计了养殖工船，长430 m、宽54 m、能够容纳200万条鲑鱼，承受10 m高的巨浪[46]。同时国外的养殖设施等配套设施也比较完善，自动化和信息化程度高，设施可连接到岸上的控制中心，通过中心远程给鱼喂食，并通过网络对养殖环境和养殖情况进行监控，国外开发使用AI软件[47]，不仅可以对可见的颗粒进行计数，而且还可以详细分析鱼类行为的，提高了投喂的精准率。而国内使用的养殖网箱周长一般小于80 m，体积较小，不利于提高生产效益。同时配套设备也没有得到推广，仅用于试验与示范。

2.3 渔船与捕捞装备

发达国家自主研发能力强，数值化设计技术等新技术在渔业船舶工程中得到不断的运用，国外重视生产者的基本劳动条件，对渔船的安全性及舒适性有明确的要求。渔船的专业化水平、选择性捕捞能力和作业捕捞效率不断提高，捕捞效率比国内渔船高很多。国外尤其重视渔船的节能减排水平，新型延绳钓船采用先进的能源管理技术和电池系统，提高了燃油效率，优化船舶的排放足迹。俄罗斯将物联网用于智能燃料监测，帮助优化燃料消耗，分析天气和船只位置，节省高达10%的燃料成本，有助于防止未经许可的燃料使用[48]。虽然，我国近年来开展了渔船的标准化更新改造工程，鼓励新技术和新材料的应用，使我国海洋渔船综合水平得到了一定的提升，但与发达国家相比，新技术、新材料和新装备没有得到很好应用，在渔船的自动化和信息化差距更大。

世界渔业发达国家捕捞装备的自动化和信息化程度较高。大型金枪鱼围网、拖网等专业化渔船配置了自动化捕捞成套装备。国外还研发先进的信息化设备来提升捕捞的精准性，开发了虾类探测器可通过接收虾通过拖网撞击网格的声音，实时显示捕获效率[49]。国外还重视提高捕捞系统的有效性，努力降低系统的阻力，提升防兼捕性的能力，如使用可操纵的推力器，将拖网所需的拖曳动力从捕捞船转移到渔具本身，有效地将拖网变成一种远程操作的工具[50]。拖网上的逃生板上安装引导小鱼出网的灯，可减少40%的副渔获物[51]。设计模块化的、内部存在低流量环境的捕捞系统，鱼可以自由地游泳，可使小鱼逃脱伤害[52]。虽然我国已基本实现了捕捞机械化，但与发达国家相比，自动化与专业化水平偏低，捕捞效率低，设备安全性也较差，装备研发和制造能力还比较薄弱，高精度的助渔导航设备及远洋大型捕捞装备还要依赖进口。

2.4 水产品加工装备

国外早在20世纪就开始了加工自动化，并在此基础上，实现了加工过程智能化，牡蛎分级机使用三维技术对牡蛎进行测量，然后放入相应的地方[53]。机器人已开始运用到螃蟹切割、鳕鱼去骨、鱼品包装等方面[54]，极大地提升生产力。国外更加重视最大限度地提高加工产量和产品的副价值，精深加工装备具有较高的水平。国外生产线集成度高，在专业化捕捞加工船上配备的加工装备，自动化和精准化程度高，如拖网渔船使用的流体切割系统，可通过X光对每个鱼片进行透视，评估其重量，检测骨骼并使用水射流将其从鱼片中切割出来[55]。与国外相比，中国水产品加工装备以前处理和初加工单机设备为主，精深加工装备水平比较落后，大型生产线和核心装备还依赖进口。成套设备研发，装备的加工效率、加工精度和稳定性，装备的信息化和自动化程度等方面还存在较大差距。

3 展望与建议

3.1 陆上养殖装备发展建议

以开展池塘养殖环境调控技术研究为核心，开展养殖池塘关键因子关联机制研究，建立池塘系统调控及构建方法和模型；开展生态工程技术研究，通过采用内部生物系统构建和外部机械作用相结合的方式，构建符合绿色发展的养殖模式；推进养殖设施标准化和模块化的发展，构建生态高效设施化系统；开展池塘养殖全过程的装备研究，推动养殖机械化和管理智能化，促进养殖向高效生产目标发展。研究工厂化养殖主要品种在各种生境条件下的行为学及生长情况，确定最优生长条件；开展饲料营养以及投喂方式对生长速度的影响研究，建立投喂策略；开展水处理技术与系统研究，提升系统稳定性，推进养殖模式的高效和创新；研发各类生产装备以及智能化管理系统；系统性地开展系统外排营养物质的污染物的资源化利用和无害化处理。

3.2 海上养殖装备发展建议

开展高效、新型浅海养殖设施模式的研发，建立不同养殖品种设施结构与建设规范；开展装备的水动力特性研究，增强浅海养殖设施结构可靠性、锚固稳定性，开展采收、分选以及辅助作业装备研究，提升海上养殖作业机械化水平。研究与优化HDPE重力式深水网箱设施的各项性能，研发能抵御特殊海况性能的新型抗风浪网箱，提升养殖迈向蓝海的能力；利用各类海上平台，建立深海养殖基站，以此为基础，建立规模化设施养殖系统；开发满足深海养殖作业特殊要求的自动投饲、远程监测、废物收集处理高效作业配套装备，构建数字化专家系统，为养殖规模化发展提供保障。针对养殖工船的特点，开展海上舱养鱼类的行为学研究，确立最优舱体结构，运用养殖数字化和物联网技术，构建深远海养殖工船系统装备技术体系。

3.3 渔船与捕捞装备发展建议

充分利用数字化平台，开展船体水动力学特性研究等基础性研究，推进船型优化，实现渔船向节能专业化发展；以南极磷虾捕捞加工船研制为重点，开展大洋性大型捕捞加工船的研制；结合船联网技术，开展渔船智能化关键技术的研究；提升电液控制装备核心技术，加强与数字信息化的融合，研发高效的自动捕捞系统；开展对新技术、新材料、专用的网具的研究，推进捕捞效率的提升，研发低噪声、高精度、高带宽探测仪器，推动精准捕捞的实现。

3.4 水产品加工装备发展建议

开展前处理与初加工设备研究，建立连续加工生产线，提升加工效率；开展水产品副产物综合利用装备的研究，开发高值产品、提升资源利用率、实现产品的全部利用；增强环境感知与控制技术研究，完善物流系统装备的研发和应用，提高物流系统的配置和高效流通。充分利用信息化技术，研制包括智能加工、包装在内的智慧产品；开展以南极磷虾加工为重点的船上加工装备研发，突破虾壳分离装备、虾粉脱水干燥装备。

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