中国海洋捕捞装备科技发展研究

巩沐歌,黄一心,鲍旭腾,高 超

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092)

中国海洋捕捞的历史可追溯到夏朝,至今已有4 000多年的历史。新中国成立后,特别是改革开放以来,随着渔业科技的进步,中国捕捞业迅速发展,生产力得到极大的提升。1985年中国第一支远洋渔业船队走出国门,拉开了远洋作业的序幕,使海洋捕捞走向远洋,走向全球,也使中国成为世界第一捕鱼大国,其中,捕捞装备发挥了极其重要的作用。随着国家海洋强国战略的不断实施,对捕捞装备研发愈加重视,捕捞装备科技将在现代捕捞渔业建设中发挥着更大的支撑作用。

1 中国海洋捕捞装备科技发展状况

捕捞装备一般可分为捕捞机械、捕捞渔船、助渔仪器、渔具以及辅助设备。近十年来,在国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项、国家科技支撑计划项目、公益性行业(农业)专项等的支持下,中国捕捞装备的研制在各个方面都取得了不小的成绩。

1.1 捕捞机械

中国捕捞机械自主研发起始于20世纪50年代,研发了中高压液压围网起网机等一系列有巨大影响的装备,有力地促进了中国海洋捕捞的发展。近年来,在各级政府和主管部门的支持下,捕捞机械开展了多方面的研究和应用。

开展基础研究,助推捕捞效率开发南极磷虾拖网曳纲张力平衡的自动化控制模块,实现拖网网形变形量减少10%的目标。建立数学模型和仿真分析,研究了钢丝绳张紧力、蓄能器压强的变化规律[1];设计并试验了变频调速系统控制方案,绞机在额定电压下实现恒转矩输出,能够快速响应负载变化,自动化程度高[2];通过流体动力学分析方法,研究并开发了螺旋输送式虾水分离器,对其分离效率和输送速度等参数进行了设计计算和流体分析[3]。

结合作业方式,研发多种机械针对捕捞作业强度大、效率低等问题,结合作业方式,研制出一批捕捞装备,极大地提高了海洋捕捞的生产效率,实现了高效、节能和降低渔民劳动强度的目标。研制成功大型金枪鱼围网捕捞成套装备,包括动力滑车、三滚筒绞车、浮球牵引机等在内的几十套设备,结束了该装备依赖进口的局面,突破了制约中国大洋性金枪鱼围网产业的发展瓶颈。研制了深水拖网绞车和舷侧起网成套装备,突破了多设备协调控制技术及舷侧起网多节滚筒级联技术,完全实现国产化,其中拖网绞车可以满足500～1 000 m水深恶劣海况条件拖网作业条件。研制完成了运用于新型欧式围网渔船捕捞设备,包括双滚筒液压绞纲机、三滚筒液压起网机、回转变幅式理网机、动力系统设备、鱼水分离器等高效捕捞装备。开展了连续捕捞系统核心装备潜水式吸虾泵原理研究与结构设计。研制了新型吸鱼泵、五轮起网机、纯机械结构起网机安全防护装置、围网理网机等一系列捕捞及辅助装置。

加强应用融合,拓宽应用领域

开展了高海况打捞关键技术及相关打捞设备系统升级研究,形成了面向空间站工程飞船返回舱高海况打捞回收关键技术,创制了基于主被动复合波浪补偿控制技术的新型高海况打捞设备系统,圆满完成执行了“神舟号”飞船上升段海上应急救援保障任务。开展了大型养殖网箱平台捕捞设备研究,研发无损泵吸起捕装置,鱼类无需经过运动机械结构便被抽吸上来,确保鱼体无损伤;吸鱼过程可调,操作弹性大;可吸鱼的种类及规格不受限制[4]。

1.2 捕捞渔船

20世纪初,中国近代著名实业家张謇购置了第一艘机动拖网渔船“福海号”进行海洋捕捞,拉开了中国现代捕捞业的序幕。1949年后,中国自行设计的“8154型”艉滑道拖网渔船,使中国渔业向现代化迈出重要一步。随着渔船数量的迅速发展,中国逐渐成为世界第一渔船大国。经渔业数据统计,超过70%的机动渔船是捕捞作业渔船,但是中国海洋捕捞渔船总体上仍处于数量多、能耗高、技术水平低下的局面。近年来,捕捞渔船重点在玻璃钢渔船、新型推进系统、船型优化和废能综合利用等方面的积极开展研究。

开展轻质材料基础研究,推动新型材料运用

积极开展了玻璃钢等轻质渔船的研究工作,对5.5 m高密度聚乙烯(HDPE)敞开艇结构强度的可靠性进行了分析研究[5];开展了玻璃钢渔船帽型骨材的结构优化研究设计[6];对大型远洋玻璃钢渔船的建造技术从模具的建造形式等多方面进行了研究[7];研究了玻璃钢强度性能定义的设计流程使玻璃钢渔船获得最大的减重效果。

开展新型推进系统研究,推动清洁能源利用

3)提出了抗超高速“软硬结合、分层配置”的遮弹防护结构，实现了成坑能量耗散与地冲击衰减，为防护设计和加固改造提供了可靠手段。

电力推进技术和LNG(液化天然气)技术越来越得到重视,设计建造了中国第一艘电力推进渔船,36.5 m电力推进拖网渔船,提出了基于北斗卫星通信的金枪鱼钓船油电混合动力系统[8];开展了对渔船进行油气混合双动力发动机改装研究[9];开展了柴油机双燃料渔船改造试验[10];设计了一种将有源滤波与无源滤波相结合的混合型滤波器,应用于船舶电力推进系统[11]。

以船型优化为研究内容,推动节能船型推广

建立多元非线性回归方程,可对有效拖力和网板匹配进行估算,为技术经济论证提供参考[12]。运用船型优化综合方法,开发了320总吨远洋双甲板拖网渔船,示范应用节能20%以上,捕捞效率提高了20%,实现增产增收[13]。相关研究显示,双速比推进方式可以有效地提高动力系统的可靠性和经济性[14]。设计了一款软件系统优化渔船结构设计流程,得出延绳钓渔船使用的撞角型球鼻艏具有较好的减阻效果[15]。

开展多种新型渔船建设,推动过洋渔业发展

研发了多种新型拖网、围网等渔船,研发的长度为13 m的聚乙烯标准化渔船顺利成型,标志中国聚乙烯滚塑船艇制造水平达到国际领先[16]。隆兴801和隆兴802大洋性玻璃钢超低温金枪鱼延绳钓船,是中国内地首次研发、设计、建造的总尺度最大、设备配备最先进的公约船[17]。基于AFE变频+永磁双电枢电机驱动技术的船舶电力推进系统的60 m灯光围网渔船和49.5 m金枪鱼延绳钓渔船成功试航[18]。LNG动力示范拖网渔船“粤汕城渔16118”和电力推进新能源渔船“粤汕城渔16117”成功试航,填补中国钢质海洋捕捞渔船在新能源动力系统在应用中的空白[19]。专业南极磷虾捕捞加工船“深蓝”号,是国内最大最先进的远洋渔业捕捞加工一体船,标志着中国在现代化渔业船舶装备领域取得重大突破。

开展废能综合利用研究,提高能源利用效果

中国已在渔船设计、制造和使用方面开始考虑节能降耗的问题,设计了鼓泡蒸发式海水淡化装置,利用渔船发动机排出的高温尾气通过换热管间接为海水淡化提供主要热源,有效地节约了能源[20];设计了实用型渔船氨水吸收式制冷系统,将主机废气部分热源回收制冷给鱼舱渔获物保鲜,经过实船运行验证,制冷效果显著[21];设计了LNG动力渔船流化冰制取系统,推动了能量的梯级利用[22]。

1.3 助渔仪器

中国从20世纪50年代开始生产电子管式探鱼仪,1968年,探鱼深度50 m的探鱼仪研制成功并投入使用,彻底改变了中国渔民只凭经验捕鱼的落后状况。随后探鱼深度逐渐加深,1980年研制的双频率探鱼仪,探鱼深度达到200 m,测深可达到500 m,成为20世纪80年代以来中国主要的助渔仪器。近年来,随着物联网的兴起,船联网成了一个研究热点。助渔仪器重点在高性能、高精度探鱼仪和船联网上积极开展研究。

近年来,中国在高性能、高精度探鱼仪上积极开展研究,设计具有数据采集时间记录功能的围网网具沉降仪[23]。提出了新的可调幅正弦波设计方法,使鱼探仪发射波形成的水下噪声干扰较小[24];设计了灯载视频系统[25]。开展了FFS25P数字多波束探鱼仪关键技术研究,完成了国内第一台全数字360°多波束探鱼仪设备研制,设备提供128个通道声学信号处理能力,对0 dB目标的探测距离可以达到2 600 m,部分指标达到国际先进水平[26]。针对海上渔船与放流在海面的浮标远距离通讯传输时存在信息易丢失、通信费用高以及数据显示终端不够友好等诸多问题,使用哈夫曼编码压缩方法,利用卫星信号收发服务器提供中转,通信数据流量最高压缩比达到0.58,平均节省通信成本40%[27]。

开展船联网的构建研究,推动智能捕捞发展

渔业船联网在中国刚刚起步,目前开展了基于智能渔船的渔业和转发等关键技术,完成了船载数据处理与交换设备、海洋智能数据采集浮标和渔业专用频段船载数字电台的研制工作,实现在渔船运行过程中进行系统化的感知、分析、推理、决策与控制。开展了基于北斗船位数据的渔船航次分析,为地方管理部门渔业管理提供依据[28]。研究了数据接收与控制终端软件,渔船获取海洋浮标数据,方便渔船寻找[29]。

1.4 渔具及辅助设备

四千多年前,中国就出现了钓具和网具。随着技术的发展,渔网使用的材料经历从棉麻等天然材料向聚乙烯、尼龙、涤纶等合成纤维材料转变的过程。由于聚乙烯的性能优异和价格低廉,因此被广泛应用。20世纪60年代,中国开始研制织网机,80年代突破了连续运转稳定性的技术关键,实现了国产织网机替代进口产品,推动了整个网具产业的发展。近年来,渔具及辅助设备重点在材料性能、网板结构以及网具性能等方面积极开展研究。

开展基础研究,增强渔具综合性能

合成纤维是渔具的基本组成要素,因此,纤维性能对渔具的强度、寿命和成本均有重大影响。对多种规格的迪尼玛纤维钓线的断裂强度及耐磨特性进行对比研究,得出相关性能的数据,为鱿鱼钓主线和子线的选择提出了建议[30]。开展材料改性研究,改性后的HDPE与原来相比,其断裂强度、屈服强度和断裂伸长率分别提高了37.2%、5.1%和27.0%[31]。开发了渔用中高分子量聚乙烯绳索、中高分子量聚乙烯/聚丙烯/乙丙橡胶网线、聚烯烃耐磨节能网片,与传统渔用材料相比,3种新材料消耗分别降低35.3%、22.9%、30%,且产品的拉伸力学性能、耐磨性、耐老化性等综合性能明显优于传统产品。网片是网具的主要构件,它的性能关系到捕捞生产的效能,开展编结网片水动力试验研究,表明高分子编结网片的阻力系数与网目系数、网线粗度和雷诺数有关[32]。通过合理地调整网板的形式与参数,可以提高拖网作业效率。开展风洞试验,对双开缝曲面网板进行研究表明:具有凸梯形导流板的升力较大,阻力较小,具有扇形导流板网板稳性较高[33]。开展了总长度、网身长度、网口周长、浮沉子纲等主要结构参数对大网目拖网网具性能影响研究[34]。

研制网具装置,助推远洋捕捞产业

随着中国海洋渔业装备水平和捕捞能力的显著提升,远洋捕捞已成为中国捕捞业的主要趋势。研制了多个南极磷虾拖网,推动了中国南极磷虾网具的国产化进程,其中六片式结构单船有翼单囊拖网,作业拖速2.5～3.0 kn时,网具平均能耗系数为0.81,实现了网具与网板中装备国产化[35];300型四片式结构的南极磷虾拖网,直径6 mm双线结节强力达到5 836 N[36];对金枪鱼网具进行了改进,研发了生态高效金枪鱼渔具、鱿鱼灯光罩网、生态型大网目拖网、变水层拖网、围网等一系列网具,增加了产量,降低了能耗。自主设计研发的过洋性渔业拖网装置,在拖速3.0 kn,曳纲长度150 m时,水平扩张装置升力达44.798 kN,阻力为7.665 kN,升阻比达到5.8,各项性能均优于相似面积的进口空心网板[37]。

优化辅助设备,推动作业过程节能

集鱼灯是一种基于鱼类趋光性特点研制的捕捞辅助设备,具有诱鱼和集鱼的功能,不少学者对此开展了研究,对光诱渔船集鱼灯水中照度及配置进行研究,提出了优化配置[38]。设计的遥控调光LED集鱼灯能完成单组128级、三组组合调光功能,能够实现智能集鱼捕捞作业[39]。

2 存在的问题

2.1 捕捞机械研究技术相对滞后,自动化、信息化水平低

目前,中国海洋捕捞主要采用的是群众性渔船作业方式。大中型拖网和围网渔船配备了比较完善的中高压传动捕捞机械,中小型渔船捕捞机械仍然采用传统机械传动或简单的液压传动方式,装备传动效率低、安全性差、自动化与专业化水平偏低。捕捞甲板设备操作仍然以手动机侧操作为主,没有采用集控方式,系统设备作业协调性无法得到有效保障。虽然捕捞装备技术经过数十年的发展,构建了以捕捞机械液压加载、渔具拖弋水槽为核心的试验系统。但与国外相比,中国捕捞装备的技术研发还处于跟踪研制阶段,自主创新与研发能力亟待提升,专业化、信息化水平很低,耗能大、效率低,尤其是在大洋性渔船的装备方面,如南极磷虾连续捕捞吸虾泵[40]、大型拖网起网设备、变水层拖网曳纲张力平衡系统、选择性捕捞渔具等水平明显落后国际先进的研发水平,生产效率低,竞争力不强,产业发展受到限制。在鱿鱼钓作业方面,还以人工手钓为主,渔船用工成本占总成本的比例从10年前的30%骤增到目前的65%[41]。

2.2 捕捞渔船研发技术有待加强,自主设计能力有待提升

近年来,中国渔业船舶的研究水平取得了长足的发展,在近海标准渔船船型和大洋性捕捞渔船研发方面取得了明显的进展,为渔船装备的现代化发挥了重要的支撑作用。在基础研究方面,中国对基本船型的研究积累非常薄弱,绝大部分新造渔船的船型设计,来自对同类渔船的参照和经验积累,仅仅对主要作业船型的阻力、稳性、快速性开展了分析研究,然而船型参数优化、系列化等研究开展不多,与发达国家相比存在较大差距。在技术研发方面,节能新技术的应用有待加强。中国渔业船舶设计对新技术的应用不多,主要沿用船舶工业的成熟技术,如船型计算与设计软件、球鼻艏、导管桨等。中国在先进技术如电力推进、LNG燃料动力、玻璃钢渔船研发和建造、全船自动控制等方面的研发方面创新不多,进展滞缓,存在较大的差距。当前中国FRP(纤维增强聚合物,俗称玻璃钢)渔船在船型结构、成型工艺、原材料使用上与国外并无二致,且都在合理范围,然而船长40～60 m的玻璃钢远洋渔船标准、规范等仍属空白领域,有待进一步探索及提升。在远洋渔船的研制方面,中国在大型和超大型专业化渔船方面差距明显,如南极磷虾捕捞加工船、大型拖网加工船领域,还不具有全面的自主设计能力。

2.3 助渔仪器基础研究薄弱,关键核心技术有待突破

国内助渔仪器关键技术虽取得了一定进展,但与国外先进技术还存在较大差距,中国自主研发的助渔仪器在精度、稳定性、使用寿命等仍存在较大差距。由于受到技术发展水平,特别是一些关键技术发展水平的制约,中国的探鱼声呐技术水平在鱼群数量统计和鱼体大小估计,并对鱼群高分辨成像方面与世界先进水平存在较大差距。中国渔船上配置简单,设备间的接口缺乏统一性,也缺乏综合性的通导设备。虽然,中国也能运用网位仪对网具进行观察,但自动控制比较差。一些渔船往往利用历史经验,借助表层水温器和鱼探仪寻找和跟踪中心渔场,定位盲目性过大,准确率较低。因此,渔船助渔导航设备如探鱼仪和网位仪等信息化设备主要依赖进口。此外,中国在极地生物资源的遥感探测也处于起步阶段。

2.4 渔具设备性能有待提高,缺乏综合性设备

与世界先进研究水平相比,中国在渔具的基础研究方面比较薄弱,未提出自己的渔具模型试验准则,对于原有试验准则的校正以及理论更新研究等也没有开展。在渔具的材料研制上也比较薄弱,普遍使用聚乙烯材料的网片、网线等,其强度不到国外的一半,同时也缺乏对网具材料的适配性的研究。虽然近些年中国渔具渔法取得了进步,中小型渔具国产化程度较高,专业化的渔具也已出现,但是大型的拖网等仍需要从国外进口。一些钓具也仅仅生产钓钩,缺乏对核心技术的掌握[42]。网板的型式结构较为简单,性能也有待于改进提高,与国外先进水平差距很大。国内远洋鱿钓上还在大量使用金属卤化物集鱼灯诱鱼,集鱼效果有待进一步提高。

3 中国海洋捕捞装备科技发展建议

3.1 以资源友好型为研发重点,推进捕捞机械向高效型、友好型发展

建立资源友好型捕捞机械,为海洋渔业资源开发与综合利用提供技术支撑;进一步完善液压捕捞控制系统,突破基于电液集成和起网系统的关键技术,开展新型的电力捕捞系统研究,开展拖网自动捕捞技术以及磷虾连续吸捕技术的研究和装备开发;突破渔具负载敏感控制网形优化技术,开展装备与渔具渔法高效协同控制技术研究,研制选择性捕捞、高效精准作业智能装备;开展远洋大型鱿钓、金枪鱼围网、舷提网捕捞装备的自动化研究,优化控制模式,提升捕捞效率;助推蓝色粮仓建设,开展深远海渔业关键技术和装备研究,培育和壮大海洋产业发展新动能。

3.2 以结构优化为研发重点,推进捕捞渔船向绿色、专业化发展

强化渔船应用基础研究,利用数字化模拟平台开展船型优化设计和精细化分析,完善并构建新型渔船设计计算软件,实现渔船设计建造数字化;开展轻质材料运用研究,大力推进近海渔船玻璃钢化,注重废旧玻璃钢渔船的绿色降解;研发电力、天然气等清洁能源使用技术,推动渔船的绿色发展;开展渔船主机余热制冷保鲜等集成应用研究,推动能量多级有效利用;重点研发以南极磷虾捕捞加工船以及抗风浪专业鱿鱼钓船为代表的大洋性、极地作业的大型捕捞加工船。

3.3 以互联互通为研发重点,推进助渔仪器向智能、高精度发展

研发突破远距离、高分辨率、低噪声、高精度探测关键技术,融入深度学习算法,对鱼类目标的识别和统计进行智能化评估及其精准探测,实现深远海渔业资源的精准化探测和智能化跟踪评估。开展船联网技术研究与工程建设,研究数据采集、传输、处理的关键技术和装备,完善船联网数据、接口标准,提升船联网安全水平,建立数据应用平台;开展智能渔业生产关键技术攻关,推动智能船舶、智能机舱、智能捕捞的实现。

3.4 以生态作业为研发重点,推进渔具设备向环保、节能化发展

开展高强度、功能性和可降解性材料的研究应用,为新型环保网具打下基础。结合作业要求,设计优化高效低耗环保的新型网板,提高作业效率。开展鱼类行为研究,加强专业性、生态型、高选择性的渔获性能良好的捕捞渔具和装置的研制。加强控制研究,实现网具结构的自动调整,以匹配捕捞的智能化。开展大功率LED集鱼灯和特殊频率集鱼灯的研制,提高诱集鱿鱼等聚光性捕捞鱼类的捕捞范围和稳定性。