2024

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渔 业 现 代 化

YUYE XIANDAIHUA

第 51 卷 第 6 期

(本卷终)

2024 年 12 月

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水产养殖工程

养殖工船养殖舱清洁系统的设计与清洁能力分析 ………………………………………………… 郭宇,刘璧钺,方波,施海涛,孟繁涛 ( 1 )

Design and cleaning capacity analysis of the cleaning system for aquaculture chamber on farming vessel

…………………………………………………………………………………… GUO Yu,LIU Biyue,FANG Bo,SHI Haitao,MENG Fantao ( 1 )

草鱼疫苗连续自动注射装置设计与试验 …………………………………………………… 洪扬,朱烨,杨猛,江涛,吴凡,戴璐,张智豪 (10)

Design and experiment of continuous automatic injection device for grass carp vaccine

……………………………………………………… HONG Yang, ZHU Ye, YANG Meng, JIANG Tao, WU Fan, DAI Lu, ZHANG Zhihao (10)

聚乙烯网衣破损因素下的水动力特性与流场模拟 ……………………………………………………… 唐元龙,谢迎春,袁昊训,李相坤 (20)

Hydrodynamic characteristics and flow field simulation study under the damage factors of polyethylene netting

………………………………………………………………………………… TANG Yuanlong, XIE Yingchun, YUAN Haoxun, LI Xiangkun (20)

不同 LED 光谱和辐照度耦合对刺参行为与生理指标的影响 …………… 张小龙,赵欣宇,蔡皓玮,张志博,孙研,王天悦,张怡宁,马贺 (31)

The impact of different LED spectra and irradiance coupling on the behavior and physiological indicators of Apostichopus japonicus

……………………… ZHANG Xiaolong, ZHAO Xinyu, CAI Haowei, ZHANG Zhibo, SUN Yan ,WANG Tianyue, ZHANG Yining, MA He (31)

一种升降清洗式水质传感器管控装置研制及应用 ………………………………………………………………… 李旭,江兴龙,陈庆祥 (40)

Development and application of a lifting and cleaning type water quality sensor control device

……………………………………………………………………………………………………… LI Xu, JIANG Xinglong,CHEN Qingxiang (40)

海洋环境监测平台数据采集吊舱减摇装置动力学分析与试验 ………………………… 李文松,李明智,王生海,王刚,王玺华,万殿鹏 (49)

Dynamic analysis and experiment of anti-rolling device for data acquisition pod of marine environment monitoring platform

……………………………………………………… LI Wensong,LI Mingzhi, WANG Shenghai, WANG Gang,WANG Xihua,WAN Dianpeng (49)

罗非鱼养殖尾水污染物沉降特征研究 …………………………………………… 程果锋,郭泽裕,王婕,刘士坤,陈哲,程翔宇,刘兴国 (61)

Discharge pattern and sedimentation characteristics of tilapia aquaculture wastewater

……………………………………… CHENG Guofeng, GUO Zeyu, WANG Jie, LIU Shikun, CHEN Zhe, CHENG Xiangyu, LIU Xingguo (61)

渔业信息化

一种基于视觉的鱼苗体长快速非接触测量方法 ………………………………………………………… 马志艳,吴佳俊,周明刚,张淑霞 (69)

A vision-based method for rapid non-contact measurement of fish length

…………………………………………………………………………………… MA Zhiyan,WU Jiajun ,ZHOU Minggang ,ZHANG Shuxia (69)

基于 Segformer 与特征融合的水下养殖鱼类图像分割方法 ……………………………………………………… 苏碧仪,梅海彬,袁红春 (80)

Image segmentation method for underwater aquaculture fish based on segformer and feature fusion

……………………………………………………………………………………………………… SU Biyi, MEI Haibin, YUAN Hongchun (80)

基于改进 YOLOv8 的轻量级鱼类检测方法……………………………………… 王鑫怡,刘旭腾,郑纪业,董贯仓,于兆慧,张霞,王兴家 (91)

Lightweight fish detection method based on improved YOLOv8

………………………………………… WANG Xinyi,LIU Xuteng,ZHENG Jiye,DONG Guancang,YU Zhaohui,ZHANG Xia,WANG Xingjia (91)

基于 SE-ResNet18 模型的三疣梭子蟹性别分类方法 …………………………………………………… 王日成,郑雄胜,高玉凤,黄文伟 (100)

Research on sex classification method of Portunus trituberculatus based on SE-ResNet18 model

………………………………………………………………………… WANG Richeng, ZHENG Xiongsheng, GAO Yufeng, HUANG Wenwei (100)

基于多尺度残差连接的水下图像自适应增强 …………………………………………………………………………… 谢小文,袁红春 (115)

An adaptive enhancement method for underwater images based on multi-scale residual connection

……………………………………………………………………………………………………………… XIE Xiaowen, YUAN Hongchun (115)

水产品加工

基于瞬时热处理的虾夷扇贝精准开壳方法及品质分析 ……………………………………………… 倪 锦,谈佳玉,张军文,沈 建 (125)

Accurate shucking method and quality analysis of scallop(Patinopecten yessoensis) based on instantaneous heat treatment

……………………………………………………………………………………………… NI Jin,TAN Jiayu,ZHANG Junwen,SHEN Jian (125)

《渔业现代化》2024 年第 51 卷总目次 ………………………………………………………………………………………………………… (Ⅰ)

第 51 卷第 6 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 001 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

郭宇,刘璧钺,方波,等. 养殖工船养殖舱清洁系统的设计与清洁能力分析[J]. 渔业现代化,2024,51(6):1-9.

收稿日期:2024-06-30

基金项目:国家自然科学基金项目(12402208)

作者简介:郭宇(1993—),男,硕士,工程师,研究方向:船舶舾装工程与锚泊定位系统。 E-mail:maric-guoyu@ foxmail. com

养殖工船养殖舱清洁系统的设计与清洁能力分析

郭宇1

,刘璧钺1

,方波2

,施海涛1

,孟繁涛1

(1 中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011;

2 上海海事大学海洋科学与工程学院,上海 201306)

摘要:为解决养殖工船养殖舱壁固体废料附着堆积、人工清洁效率低、不能及时清理等问题,设计了一种适用

于养殖工船养殖舱的清洁系统。 该清洁系统结合养殖舱的养殖特点,设计有清洁装置、绕行装置、传动装置

以及排污装置。 通过仿真试验分析,得到系统合适的运行速度以及清洁装置不同工况下的清洁效率。 结果

显示,系统的运行速度应该控制在 0. 5 m/ s 以内,运行速度越慢,系统的清洁效率越高,提高毛刷的转速能够

有效提高清洁效率。 毛刷在单位路径下的工作圈数与清洁效率正相关,当运行速度为 0. 2 m/ s、转速为 190

r/ min 时,清洁效果比较理想。 清污刮板为 30°时,可有效清除残留附着物。 研究表明,该清洁系统可解决养

殖舱在养殖过程中的清洁问题,且结构紧凑有效,具有较高的工作效率和性价比,有较好的推广价值。

关键词:养殖舱;清洁装置;清洁效率;流场仿真;光滑粒子流;养殖工船

中图分类号:U664. 4 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)06-0001-009

养殖工船作为先进的可移动养殖平台,有效

解决了中国渔业的转型升级问题,拓展了中国水

产养殖空间,提升中国深远海渔业资源利用能力,

是推动渔业“提质增效”生产方式转变的重要途

径之一[1-3]

。 养殖工船养殖舱是鱼类养殖工作最

直接的承载空间,鱼类生长所需的饲料、产生的排

泄物以及海水中的微生物会不断附着在养殖舱内

壁,需要对养殖舱内壁进行定期清洁,避免鱼类的

生长环境受到影响[4-6]

。

传统的船体表面清洁方式主要采用水上作业

或水下半自动化作业装备,大多采用钢刷或高压水

喷射装置清洗,主要是清洗表面铁锈及微生物附

着,且清洗设备成本高[7-10]

,无法应用到养殖舱壁

的清洁中。 目前市场上成熟的养殖舱清洁产品较

少,大部分水下清洁产品的服务对象都是管道与船

体表面[11-14]

。 王云杰等[15]设计了一种面向养殖工

船养殖舱壁清洗水下机器人,并提出了一种基于模

型预测控制的路径跟踪策略,该方法能够获得良好

的控制效果。 林礼群等[16]设计了一种大型养殖工

船养殖舱壁清洁机器人,通过设计磁性吸附轮减少

了水流对机器人的影响,并基于机器视觉实现对养

殖舱壁的有效清洁。 此外,在陆基循环水养殖系统

中,黄达[17]设计了一种水下鱼池清刷机器人,采用

开放式框架和盘形清洁刷的方式,通过水动力试验

分析得到了机器人最佳工作方案。 胡勇兵等[18]设

计了基于机器人操作系统和传感器的机器人建图

定位系统,应用在养殖鱼池中,提高了鱼池清洁机

器人的定位能力。 目前研究的清洁机器人具备良

好的定位与控制能力,但缺乏长期作业的能力,且

结构复杂,工作稳定性有待提升。

本研究设计了一种可以安装在养殖舱内的清

洁系统,通过仿真试验,比较清洁装置在不同工作

条件下的清洁效率,选取一种最佳的工作方案,为

此类清洁系统的优化提供技术支撑。

1 结构设计

1. 1 技术要求

每艘养殖工船配置 12 个养殖舱,整体布局如

图 1 所示。 每个养殖舱长 17 m、宽 18 m、深 19 m,

养殖舱内壁所需要清洁的面积约为 1 330 m

2

,养殖

水体为海水,内壁主要附着物为饲料和养殖对象排

渔 业 现 代 化 2024 年

泄物,以及少量藻类等海生物,拐角处可能会产生

较多的固体物堆积[21-22]

。 清洁系统应有一定的工

作效率,减少长时间工作对鱼群生活习性的影

响[20]

。 要求工作噪声较小,避免对养殖鱼群的生长

产生影响[19]

。 清洁系统要适合安装在养殖舱内壁

上,能够实现养殖舱内壁附着物的清洁以及排污。



图 1 养殖工船养殖舱布置图

Fig. 1 Layout diagram of aquaculture chambers on a

farming vessel

1. 2 结构设计

清洁系统由清洁装置、绕行装置、传动装置

以及排污装置组成。 清洁装置分为侧壁清洁装

置和底部清洁装置,由调节弹簧、清污刮板[23]

、

承重轮和毛刷[24]组成。 绕行装置由绕行轨道和

齿条组成。 传动装置由变速箱、电机、锥齿轮、

齿轮、链条、限位轮、第一传动轴和第二转动轴

组成,清洁装置安装在第一转动轴上。 排污装

置[25]由吸污口、排水软管和水泵组成。 整体结

构如图 2 所示。





 





 

















图 2 清洁系统整体结构示意图

Fig. 2 Overall structure diagram of the cleaning system

1. 3 工作原理与技术特点

当电机开启,系统开始工作,电机带动第二转

动轴转动,第二转动轴和毛刷上安装有齿轮,通过

链条链接使毛刷转动。 变速箱通过锥齿轮带动第

一转动轴转动,第一转动轴上在齿条位置处固定

安装有与齿条相啮合的齿轮,通过齿轮的转动带

动清洁装置沿着绕行轨道工作。 清洁装置向毛刷

的方向工作,清污刮板将残留的附着物清除。 调

节弹簧在清洁刮板前进的过程中起到一定保护作

用,防止坚硬异物的损伤。 吸污口将毛刷和清污

刮板清理下的附着物吸走,通过吸污口和排水软

管排走。 为保证系统的平稳运行,系统设计了 3

条绕行轨道,每段清洁装置下装有承重轮,承重轮

在绕行轨道上运动,每段转动轴上安装有限位轮,

使清洁装置运动时更加流畅。 系统的运行速度、

清污刮板的角度和毛刷的转速可以通过调节变速

箱来控制。

养殖舱底部的清洁装置上安装有滚轮,通过

侧壁清洁装置的移动,带动装置绕着养殖舱排污

口转动。 第二转动轴末端的锥齿轮可驱动底部毛

刷的自转。

由于绕行装置安装在养殖舱壁上,绕行轨道

附近会产生一些无法铲除的附着物,于是在绕行

轨道内设计有三面清洁毛刷,清洁毛刷通过弹簧

安装在承重轮固定板上,固定板两侧安装有导向

杆,弹簧在清洁装置经过拐角处时提供一定的保

2

第 6 期 郭宇等:养殖工船养殖舱清洁系统的设计与清洁能力分析

护作用,清理下来的附着物通过轨道上的孔被吸

污口吸收,如图 3 所示。

图 3 轨道清洁装置示意图

Fig. 3 Diagram of the rail cleaning device

2 吸污能力仿真分析

2. 1 试验目的

根据结构设计方案,清洁装置清理下来的附着

物由吸污口吸收排出,吸污口的吸收范围影响着装

置的运行速度,当装置达到一个合适的运行速度

时,吸污口才能将清理下来的附着物全部吸走。 同

样,装置的运行速度对清洁效率也会产生一定影

响。 清洁装置的吸污口设计宽度为 50 mm,模型

如图 4 所示。

采用雷诺平均 Navier-Stokes 计算流体动力

学方法对吸污口的吸污能力开展仿真试验,得到

吸污口对附近流域产生的影响[26]

,根据影响范围

设计清洁装置的运行速度。



图 4 吸污口模型图

Fig. 4 Model diagram of the suction port

2. 2 仿真模型

2. 2. 1 控制方程

流体动力学控制方程是描述流体运动的基本

方程之一,是一组包括质量守恒定律、动量守恒定

律和能量守恒定律构成的微分方程组。 连续性方

程(又称质量守恒方程)描述了流动过程中流体

质量守恒的性质[27]

。

∂ρ

∂t

+

∂

∂xj

(ρuj) = 0 (1)

式中:ρ 是密度,kg / m

3

;t 是时间,s;u 是速度矢量,

m / s。 此式是瞬态三维可压流体的质量守恒方

程。 若流体不可压缩,式(1)可写为:

∂u

∂x

+

∂v

∂y

+

∂w

∂z

= 0 (2)

动量守恒方程描述了不可压缩流体中的速度

场如何随时间和空间变化。

∂ui

∂t

+

∂

∂xj

uiuj

( ) = f

i

-

1

ρ

∂p

∂xi

+

∂

2

ui

∂xj∂xi

(3)

能量守恒方程(热传导方程) 可以用来更详

细地描述温度分布在各个空间方向上的变化。

ρC

∂T

∂t

( ) + (k T) = Q (4)

式中:T 是温度,K;C 是比热容,J/ (kg·K) ;k 是

热传导率的热传导张量,W/ (m·K),用于描述温

度在不同方向上的传导性能;Q 是热源项,表示在

流体内部产生或吸收的热量,W。 本研究中温度

取大黄鱼适宜生长温度,为 20 ℃ 。

2. 2. 2 湍流模型

在工程应用中,湍流模型通常采用时均值方

法,通过平均湍流场的物理量,如速度、压力和温

度,来获得宏观平均行为。 本研究所采用的湍流

模型为 Reynolds(雷诺)时均方程方法[28]

。

∂ρ

∂t

+

∂

∂xi

(ρui) = 0 (5)

∂

∂t

(ρui) +

∂(ρuiuj)

∂xj

= -

∂p

∂xi

+

∂

∂xj

μ

∂ui

∂xj

- ρu

′

iu

′

j

( )

é

ë

ê

ê

ù

û

ú

ú

+ Si (6)

式中:脉动值乘积项- ρu

′

iu

′

j

( ) 称作雷诺应力,Pa。

2. 2. 3 有限元模型

为验证排污装置对污物的捕捉能力,设定合

理的排水速度,采用计算流体力学(CFD)方法对

50×2 000 mm 开口的吸污口周围流场分布进行了

研究。 最大网格尺寸为 50 mm,最小网格尺寸为

2. 5 mm,网格数量 260 万个。 边界层数量 5 层,

增长率为 1. 2,有限元模型如图 5 所示。

3

渔 业 现 代 化 2024 年

图 5 吸污口有限元模型

Fig. 5 Finite element model of the suction port

2. 3 仿真结果

如图 6 所示,图 6 a 是吸污口外部流线图,图

6 b 是吸污口横截面流速分布图。 在额定水泵功

率下,直角吸污管内流速达到了 4. 95 m / s,吸污

口内部流速在 1. 3 m / s 左右,吸污口附近流速为

0. 20~0. 50 m / s。 即在清洁装置工作时,运行速

度小于 0. 5 m / s 时,吸污口可将清理下来的附着

物有效吸收。

0.075 0.225

0 0.150 0.300 (m)

0.150 0.450

0 0.300 0.600 (m)

图 6 吸污效果仿真

Fig. 6 Simulation of suction effect

3 清洁能力仿真分析

3. 1 毛刷清洁能力仿真

3. 1. 1 数学模型

采用光滑粒子流模型( SPH)。 SPH 流体的

质量守恒由连续性方程给出[29-30]

:

dρ

dt

+ ρ ·v = 0 (7)

式中:ρ 是流体粒子的密度,kg / m

3

;v 是连续速度,

m/ s。

动量的变化率由作用于连续体的体力来平

衡。 SPH 的动量守恒定律如下:

ρ

dv

dt

= - (pI) + T + f

b (8)

式中:p 是压力,Pa ;I 是单位矩阵,T 是黏性应力

张量,Pa;f

b 是体积力的合力,N。

在本研究中,SPH 模型的状态方程为:

ρ = ρ0 (9)

式中:ρ0 为恒定密度,kg / m

3

。

3. 1. 2 仿真模型

使用商业软件 STAR-CCM+2021. 3 模拟毛刷的

清洁工作,将模型简化为附着物、舱壁与毛刷的组

合。 附着物使用光滑粒子流模型[31-32]

,忽略养殖舱

内壁上坚硬附着物的影响,设计厚度为 20 mm,模型

尺寸为 2 m×1 m。 仿真模型如图 7 所示。



图 7 毛刷仿真模型

Fig. 7 Brush simulation model

3. 1. 3 仿真结果

根据吸污口仿真结果,设置毛刷的前行速度

为 0. 2 m / s,研究转速对毛刷清洁效率的影响[33]

,

设置转速为 90、110、130、150、170、190 r/ min。 如

图 8 和图 9 所示,当转速为 90 r/ min 时,毛刷的清

洁效率最低为 74. 86%,当毛刷转速为 190 r/ min

时,清洁效率最高为 82. 12%,对比其他转速,效

率有显著的提升,转速在 110~ 170 r/ min 区间内,

4

第 6 期 郭宇等:养殖工船养殖舱清洁系统的设计与清洁能力分析

清洁效率随转速的提升并不明显。 初步认为,毛

刷转速为 190 r/ min 为理想的工况。























     



 SNJO



 







图 8 不同转速下清洁效率柱状图

Fig. 8 Bar chart of removal efficiency at different

rotational speeds

B

 SNJO

C

 SNJO

D

 SNJO

图 9 部分仿真效果图

Fig. 9 Partial simulation visualization

根据毛刷转速仿真结果,选取清洁效率一般

的毛刷转速,研究清洁装置运行速度对毛刷清洁

效率的影响。 设置毛刷的转速为 130 r/ min,根据

吸污口仿真结果,设置前进速度为 0. 1、0. 2、0. 3、

0. 4 和 0. 5 m / s。 如图 10 和图 11 所示,当运行速

度为 0. 5 m / s 时,清洁效率最低为 64. 25%,当运

行速度为 0. 1 m / s 时,清洁效率为 86. 59%,对比

其他运行速度,效率提升显著。 初步认为,运行速

度为 0. 1 m / s 是理想工况。





















  



    



 NT

图 10 不同运行速度下清洁效率柱状图

Fig. 10 Bar chart of removal efficiency at

differentoperating speeds

B

 NT

C

 NT

D

 NT

图 11 部分仿真效果图

Fig. 11 Partial simulation visualization

5

渔 业 现 代 化 2024 年

3. 2 清污刮板清洁能力仿真

3. 2. 1 仿真模型

由仿真结果可知,毛刷并不能对养殖舱达到

完全清理,清洁装置设计有清污刮板清除残留的

附着物。 为最大限度地保证刮板的正常工作以及

讨论刮板的工作效率,对刮板进行单独的仿真

分析。

采用显示动力学研究方法,选取毛刷清洁效

率较好的一组工作条件,运行速度为 0. 2 m / s,残

留附着物的最大厚度约为 3 mm,材料选择为聚氨

酯胶粘剂[34]来模仿附着物,刮板材料为结构钢,

材料参数如表 1 所示。 给刮板一个垂直向下的力

30 N 模仿调节弹簧的力,刮板在前进过程中能在

附着物反力的作用下在垂直方向上自由移动,达

到保护清污刮板的效果。 清污刮板的安装角度为

15° ~45°,分析刮板在 15°、30°和 45°下的清洁效

率。 仿真采用 ls-dyna 软件对刮板进行分析,网

格大小为 1 mm。 模型如图 12 所示。

表 1 材料参数

Tab. 1 Material parameters

材料 密度/ (kg / m

3

) 杨氏模量/ mPa 泊松比

聚氨酯胶粘剂 1 200 0. 8 0. 4

结构钢 7 850 2. 06×10

5

0. 3

图 12 刮板仿真有限元模型

Fig. 12 Finite element model of the scraper simulation

3. 2. 2 网格无关性验证

由于清污刮板的清洁效率仿真采用有限元模

拟,模型的网格大小可能会对仿真结果产生影响,

因此需要对网格的划分进行讨论,设置 3 种网格

尺寸,分别为 0. 5、1. 0 和 1. 5 mm,即附着物厚度

分别为 6 个、3 个和 2 个网格。 由图 13 可知,3 种

尺寸的有限元模型的仿真结果相近,清洁效率均为

50%左右。 由此可知,本研究所采用的 1 mm 的网

格尺寸可以在计算精度和效率上取得良好的平衡。

3. 2. 3 仿真结果

如图 14 所示,附着物厚度为 3 个网格,当刮

板角度为 60°时,清污效果较差,约为 50%;当刮

板的角度为 15°和 30°时,清洁效果较好,可以将

舱壁上附着物铲除,刮板角度为 30°时,清除效率

约为 100%,能够达到理想的清除效果,选取清污

刮板安装角度为 30°。

(a) 0.5 mm (b) 1 mm (c) 1.5 mm







图 13 网格无关性验证

Fig. 13 Grid independence verification

(a) 15° (b) 30° (c) 60°

  

图 14 刮板清污效果图

Fig. 14 Scraper cleaning effect visualization

6

第 6 期 郭宇等:养殖工船养殖舱清洁系统的设计与清洁能力分析

4 结果与分析

从仿真结果可以看出,清洁效率和运行速度

与毛刷转速存在一定线性关系。 在指定的模型尺

寸下,毛刷的工作时间越长,清洁效率越高,即在

单位路径下,毛刷所转的圈数越多, 清洁效率

越高。

由图 15 可知,毛刷的清洁效率随着单位路径

下工作圈数的增加而提高。 当工作圈数为 43. 33

r/ m 时,清洁效率最高,工作圈数为 8. 67 r/ m 时,

效率最低,工作圈数提高为 10. 83 r/ m 时,清洁效

率存在显著提升,之后随着工作圈数的增加,清洁

效率缓慢提升,当工作圈数达到 31. 67 r/ m 时,清

洁效率又出现较明显的提升。 可以得出:在清洁

系统工作时,可以根据实际的工作需要,满足功耗

要求和设备安全使用的情况下,选择合适的运行

速度与转速进行组合,以达到最理想的清洁效果,

毛刷单位路径理想工作圈数为 32~40 r/ m。





















        





 SN

图 15 单位路径工作圈数与清洁效率的关系

Fig. 15 Relationship between the number of work cycles

per unit path and the removal rate

仿真表明,在设备进行清洁工作时,可以通过

调节毛刷的转速和设备运行速度来提高清洁效

率。 黄达等[6] 设计的水下鱼池清刷机器人也需

要调节驱动速度与刷盘的转速来提高机器人的清

洁效率,本设备只需要调节电机的转速便可改变

毛刷的转速和设备驱动速度。 在胡勇兵等[24] 和

苏阳等[29]相关试验中都显示了刷盘转速对清洁

效率的影响,但是刷盘并不能对养殖舱完全清洁,

因此本设计安装清污刮板,在仿真试验中显示,当

刮板安装角度为 30°时,可对毛刷清洁过后的残

留物有效清除。

养殖工船在海洋中进行作业,养殖舱处于动

态环境中,林礼群等[16]设计的养殖舱壁清洁机器

人通过磁力吸附与机器视觉驱动机器人在养殖舱

内的平稳运动,但是机器人在复杂的海洋环境中

长期工作的稳定性还有待商讨,同时机器人的维

护成本较高。 该清洁系统设计结构简单,可直接

安装在养殖舱壁内,且集成度较高,有多条轨道,

大大提高了设备在海洋环境中工作的稳定性。 同

样,王云杰等[15] 和黄达[17] 通过建立描述水下机

器人运动的坐标系,基于机器人动力学模型,对机

器人的运动轨迹进行定位,加强了对清洁机器人

的控制,但跟踪的最大偏移量仍接近 2 m,不能保

证清洁效率。

5 结论

设计了一种养殖工船养殖舱清洁系统,由清

洁装置、绕行装置、传动装置以及排污装置组成,

能够实现对养殖舱的清洁及排污。 通过仿真试验

论证,得出清洁装置的运行速度应控制在 0. 5 m /

s 之内,排污装置可有效将清理下的附着物排出。

当运行速度为 0. 1 m / s 时,毛刷清洁效率最高,当

毛刷的转速越高时,清洁效率越高。 研究表明,毛

刷的清洁效率与其在单位路径下的转动圈数正相

关,当工作圈数为 43. 33 r/ m,即转速为 190 r/ min

时,清洁效率达到 82. 12%。 当清污刮板为 30°

时,可将残留附着物有效地清除。 在实际工作时,

结合毛刷和刮板的合适工况,能够实现理想的清

除效果,满足技术需求。 □

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8

第 6 期 郭宇等:养殖工船养殖舱清洁系统的设计与清洁能力分析

Design and cleaning capacity analysis of the cleaning system for

aquaculture chamber on farming vessel

GUO Yu

1

,LIU Biyue

1

,FANG Bo

2

,SHI Haitao

1

,MENG Fantao

1

(1 Department of Marine Engineering, Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China;

2 College of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract:To address the issues of solid waste accumulation on the walls of aquaculture chambers in farming

vessel, low efficiency of manual cleaning, and the inability to clean in a timely manner, a cleaning system

suitable for the aquaculture chambers of farming vessel was designed. Considering the specific characteristics

of aquaculture in farming vessel, this cleaning system includes a cleaning device, a bypass device, a

transmission device, and a sewage discharge system. Through simulation experiments, system?s optimal

operating speed and device?s cleaning efficiency under different working conditions were determined. The

results indicate that the system's operating speed should be kept below 0. 5 m / s, and the slower the speed, the

higher the cleaning efficiency. Increasing the rotational speed of the brush can significantly enhance cleaning

efficiency. It was also found that the number of working cycles of the brush per unit path is positively

correlated with cleaning efficiency. The cleaning effect is ideal when the operating speed is 0. 2 m / s and the

brush speed is 190 r/ min. A 30° angle for the cleaning scraper effectively removes residual attachments. The

study shows that this cleaning system can resolve the cleaning issues during the aquaculture process, with a

compact and efficient structure, high work efficiency, and cost-effectiveness, making it valuable for broader

application.

Key words:aquaculture tanks; cleaning device; cleaning efficiency; flow field simulation; smoothed particle

hydrodynamics; farming vessel

9

第 51 卷第 6 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 002 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

洪扬,朱烨,杨猛,等. 草鱼疫苗连续自动注射装置设计与试验[J]. 渔业现代化,2024,51(6):10-19.

收稿日期:2024-07-29

基金项目:中国水产科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助(2023TD86);现代农业产业技术体系建设专项资

金(CARS-45)

作者简介:洪扬(1991—),男,硕士,助理研究员,研究方向:渔业设施与装备。 E-mail:hongyang@ fmiri. ac. cn

通信作者:江涛(1969—),男,研究员,研究方向:渔业装备与工程。 E-mail:jiangtao@ fmiri. ac. cn

草鱼疫苗连续自动注射装置设计与试验

洪 扬1

,朱 烨1

,杨 猛1

,江 涛1

,吴 凡1

,戴 璐1

,张智豪2

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海,200092;

2 上海海洋大学工程学院,上海,201306)

摘要:草鱼疫苗注射主要依靠人工注射,具有劳动强度大、注射效率低、注射位置非标准化和注射精准度差等

缺点,严重制约水产养殖的发展。 根据草鱼疫苗注射特点,制定了疫苗自动注射作业策略,通过开展鱼苗姿

态自动识别与快速调整、注射工位自动分配、鱼体输送与拨杆 LS-DYNA 动力学仿真分析、鱼体柔性固定与

快速注射等技术研究,研制了疫苗自动注射样机,以 100 ~ 120 mm 长的草鱼鱼苗为自动注射对象进行试验。

结果显示:草鱼疫苗自动注射装置产量约为 900 尾/ h,试验鱼苗注射疫苗后 3 周内的存活率达到 98. 3%,存

活率较人工疫苗注射提高 4 个百分点。 该装置实现了草鱼幼苗的高效连续注射,提高了水产养殖装备自动

化水平,对纺锤形鱼幼苗的连续注射均具有参考意义,具有较高应用价值与经济效益。

关键词:自动注射;草鱼疫苗;疫苗注射;养殖机械

中图分类号:S943 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)06-0010-010

中国是水产品养殖大国,2022 年全国淡水鱼

养殖产量 2 710. 48 万 t,其中草鱼 590. 48 万 t,占

淡水鱼养殖产量的 21. 79%,居四大家鱼之首[1]

。

草鱼养殖朝着高密度、集约化、大规模方向发展,

养殖过程中易感染各种疾病,如病毒性出血病、肠

炎病等(其发病死亡率高达 90%),影响养殖效益

和产品质量[2-4]

。

渔用疫苗能有效抵御病害,减少抗生素的使

用。 现有的渔用疫苗接种方式有口服式、浸泡式

和注射式 3 种[5]

,口服疫苗由于免疫保护率偏低,

成本较高,占据的比例很小,主要的商品化渔用疫

苗产品中仅有传染性胰脏坏死病毒亚单位疫苗和

传染性三文鱼贫血病毒亚单位疫苗通过口服进行

接种[6-9]

,浸泡法主要通过鱼的皮肤、鳃、侧线等

吸收疫苗,该法操作简便,多用于较小的鱼类免

疫,但用量较大,效果不稳定,且容易造成水体污

染[10-11]

。 注射法主要通过胸腔、腹腔、肌肉注射

疫苗。 该法用量小、利用率高、免疫持续时间长,

存活率可达 95%以上,效果较好[12-15]

。

目前,疫苗接种主要依靠人工注射,多用于个

体较大、经济价值较高的鱼类[16-17]

,具有劳动强

度大、注射效率低、注射位置非标准化和注射精准

度差等缺点,严重制约中国水产养殖的发展。 近

年来,得益于渔用疫苗的发展[18-19]

,国内外开展

了一系列渔用疫苗注射装置的研发,挪威 Masko

公司推出全自动疫苗机[20]

,仅由 1 名操作员操

作,每小时可以接种 10 000~ 40 000 条幼鱼,该设

备主要针对三文鱼,具有较高的自动化程度,但设

备成本较高,结构流程复杂,难以在国内养殖企业

中推广使用。 韩国研制了基于机器视觉的比目鱼

疫苗注射机[21]

,注射效率达 2 000 条/ h。 汤俊良

等[22]专利装置的原理是鱼苗经由设有凹槽的传

输装置到达注射机构所在位置后,由多套激光传

感器测定鱼苗到传感器的距离,确定鱼体的最高

部位后,调节注射装置到疫苗注射位置进行注射。

景艳侠等[23]专利显示,鱼苗由人工送入进鱼口,

确保鱼体到达指定位置后,夹持装置内部的夹板

夹紧鱼体,根据鱼苗注射位置调整注射机构的位

第 6 期 洪扬等:草鱼疫苗连续自动注射装置设计与试验

置,最终完成鱼体疫苗注射过程。 浙江大学研发

了针对纺锤形鱼类人工辅助单通道注射机与双通

道注射机,可注射草鱼、鲈鱼等苗种,需人工将鱼

苗以一定姿态放置进入注射通道,该装置无法连

续自动作业,且需人工持续辅助,难以减少劳动力

投入, 设 备 扩 展 性 不 佳, 自 动 化 程 度 有 待

提高[24-25]

。

本研究以草鱼幼苗为对象,设计研发渔用疫

苗连续自动注射原理样机,以期研发出适合中国

池塘养殖的鱼类疫苗连续自动注射设备,从而代

替传统依靠人工和半机械化疫苗注射,简化疫苗

注射流程,降低劳动成本,提高养殖设施机械化程

度,有效控制养殖水体环境,减少养殖鱼病死率。

1 疫苗连续自动注射装置结构及作业策略

1. 1 装置结构

疫苗连续自动注射装置主要有鱼苗离散装

置、鱼首同向装置、自动注射装置、注射后溜鱼槽、

喷淋水装置等组成,其中,自动注射装置是核心工

作部件,如图 1 所示。 控制系统采用 PLC 中央处

理单元,控制多路步进电机、多传感器自动分选注

射工位[26]

,实现鱼苗多工位自动注射,同时通过

识别装置计算鱼苗长度,对不同体长鱼苗注射部

位进行自动调节,保证精准注射。

 



 

 

 



图 1 疫苗注射总体结构示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the overall structure of vaccine injection

1. 2 疫苗自动注射作业策略

首先使用丁香酚将草鱼鱼苗进行麻醉,随后

通过离散装置将鱼苗进行离散化,使鱼苗均匀且

不重叠,经过上端水平传送带将鱼苗输送至鱼首

同向装置中,对鱼体姿态进行调整,使所有鱼苗头

部朝着传送带前进方向。 鱼苗首先通过识别装

置,通过颜色来识别鱼背和鱼腹(疫苗注射分为

腹部注射和背鳍注射,由于草鱼幼苗较为柔软,通

过背鳍注射可以减少对鱼苗的损伤[27]

),当识别

出鱼背时,工位识别器根据作业情况实时分配注

射工位,对应工位传感器发出判断信号,通过自动

注射装置中的旋转拨杆对鱼苗进行拨转,进入注

射装置,压板气缸推动压板将鱼苗固定,气缸推动

注射器将针头推进鱼背,注射器活塞推杆推动一

定距离,将注射器中的疫苗注射入鱼苗体内,所有

气缸回位,注射后的鱼苗落入溜鱼槽,鱼苗进入回

11

渔 业 现 代 化 2024 年

收池中。 当识别出鱼腹时,不注射,鱼苗重新回到

麻醉池中,进行下一次调整注射。

2 主要部件结构设计

2. 1 鱼首同向装置

为减少后续注射工序中注射工位的动作调整

次数,在注射前,将鱼苗的姿态统一调整为鱼头朝

前。 由于鱼苗重心与其几何中心存在偏差,通过

悬挂法统计 50 尾待测鱼苗重心,结果为重心位置

与鱼头距离约为鱼苗全长的 0. 369。 因此,在鱼

体的长度方向,其重心偏向于鱼苗头部。 鱼苗从

传送带的末端跌入掉头过渡圆弧并与圆弧面接触

之前,在竖直方向上存在一个自由落体运动。 由

于鱼体的质量分布不均匀,其几何中心与重心之

间存在偏距,因此,在下落过程中鱼体的重力对其

几何中心会产生一定的转矩,在此转矩的作用下,

鱼体发生偏转,最终使得重心一端靠下。 根据目

标鱼体体长区间,鱼首同向装置结构末端设计直

径为 100 mm 的平滑传输带,传输带下方有弧形

溜鱼槽。 当传输带与弧形溜鱼槽有足够使鱼苗翻

转的距离时,由于鱼苗自身重心位置靠近头部及

鱼身柔软等特点,可使得鱼苗经过鱼首同向装置

后始终保持鱼体向前运动。 当鱼头朝前时,由于

重心靠前,通过传输带尾部时鱼头向下直接滑入

弧形溜鱼槽,如图 2a 所示;鱼尾朝前时,由于重心

靠后,鱼身在通过传输带尾部时贴住圆柱端面,头

部经过传输带端部时由于重心作用头尾发生翻

转,鱼头向下滑入弧形溜鱼槽,如图 2b 所示。

(a) 




A1




B1












C1




A2 




B2











C2





A1 B1 C1

A2 B2 C2

(b) 



图 2 鱼首同向装置试验图

Fig. 2 Experimental diagram of fry transfer device

12

第 6 期 洪扬等:草鱼疫苗连续自动注射装置设计与试验

2. 2 自动注射装置结构

2. 2. 1 注射段结构设计

自动注射装置部分是整套设备的核心装置,

由识别装置、传输带、工位选择传感器、注射装置、

拨杆装置等组成,完成鱼苗的工位分配和疫苗自

动注射,其结构如图 3 所示。


1-


2-


3-
4-


4.1-
4.2-


4.3-



4.4-


4.5-
4.6-


4.7-



5-

1 2 3 4 5

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

图 3 自动注射装置结构图

Fig. 3 Automatic injection device schematic

2. 2. 2 鱼苗识别装置

运用一组测量光栅和一组颜色识别传感器,

如图 4 所示。









 



图 4 鱼苗识别系统

Fig. 4 Fry identification system

获取鱼苗在有序输送过程中的鱼长、鱼宽、色

度信息,色度信息用于判断鱼腹和背鳍的位置;控

制中心将预设值与获取的上述信息进行对比,判

断鱼长、鱼宽、鱼腹和背鳍的位置是否符合要求,

并获取注射位置信息;不符合要求的鱼苗沿输送

装置返回鱼池,符合要求的则通过工位选择传感

器,控制拨杆将鱼从传输带上拨入对应注射通道。

2. 2. 3 回转拨鱼装置设计及仿真

本研究设计了 3 工位注射装置,每个注射装

置对应一个拨杆装置,鱼苗在通过识别传感器后

拨杆装置动作,将传送带上目标鱼苗拨动至相应

注射装置中,拨杆系统如图 5 所示。



2



1



3

2

1

3

1

2



3 2

3

1

图 5 拨杆系统示意图

Fig. 5 Diagram of the lever system

13

渔 业 现 代 化 2024 年

在疫苗注射过程中,回转拨鱼环节是关键环

节之一,回转拨鱼的执行时间与执行准确度对于

疫苗注射的效率至关重要。 对鱼体进行速度分

析:鱼苗通过传送带传送到拨杆附近,此时鱼体与

传送带的速度一致,当拨杆拨动鱼体时,受到拨杆

的推力作用,鱼体速度急速增大,由于鱼体与拨

杆、传送带摩擦的相互作用,鱼体与拨杆的接触位

置发生相对滑动。 当鱼体与拨杆发生分离时,鱼

苗移动状态和速度分析如图 6 所示。

鱼体运动方程为:

vFy

=v0

+vty

vFx

=vtx

vt

= ωLOO′

ì

î

í

ï

ï

ï

ï

(1)

式中:vFy 为鱼体沿着传送带的运动速度;vFx 为鱼

体垂直传送带运动速度; v0 为传送带速度; vtx、

vty 为鱼体受到的拨杆速度的分解;LOO′为 O 点与

O′点垂直距离;电机转速为 n( r/ min)、角速度为

ω(rad / s)。













n

V0

Loo

vtx

vty

vt

A′

o

O′

A

图 6 回转拨鱼运动过程示意图

Fig. 6 Schematic calculation of force movement of fish

为探究鱼苗在回转拨杆作用下的运动状态以

及速度变化,通过 Ansys 软件建立回转拨鱼装置

模型,其由传送带、鱼、拨杆与注射区域组成。 为

了简化模型,传送带、拨杆与注射区域设置为刚

体。 刚体与刚体之间无摩擦,鱼体设置为弹性体,

刚体与鱼之间动摩擦因数为 0. 2。 根据实际工作

情况,整个仿真时间设置为 0. 5 s,依据实际作业

情况,鱼苗平均质量为 16 g,旋转电机轴心与拨鱼

点垂直距离 LOO′

= 0. 13 m;传送带宽度,传送带速

度为 320 mm / s,输送时鱼与传送带具有相同的速

度,建立拨杆的旋转中心如图 7 所示,拨杆的角速

度是 100°/ s。

图 7 回转拨鱼装置有限元模型

Fig. 7 Finite element model of rotary fish pulling device

仿真结果如图 8 所示,初始时鱼苗和传送带

具有相同的初速度 320 mm / s,拨杆在旋转初期如

图 8a 所示,拨杆旋转一定角度,拨杆与鱼苗接触,

鱼苗发生轻微旋转,鱼苗位置在传送带上。 随着

拨杆旋转,如图 8b 所示,鱼苗在拨杆与初始速度

的共同作用下,鱼苗发生偏转与移动,拨杆与鱼苗

脱离接触,此时鱼苗位于传送带上,但接近鱼苗注

射区;在前期拨杆旋转与鱼苗初始速度的作用下,

鱼苗接着向左偏转,呈现近似 45°角度,受到摩擦

阻力和脱离传送带自有速度的作用,鱼苗减速滑

向注射区,如图 8c、d 所示。

鱼苗在拨杆作用下,其速度变化如图 9 所

示,在仿真 0 ~ 0. 125 s 之间,拨杆与鱼苗接触发

生转动,速度总体呈快速增加的趋势;而在仿真

0. 125 ~ 0. 375 s 之间,运动速度总体呈现先增加

后降低的趋势;在仿真 0. 375 ~ 0. 500 s 之间,运

动速度受到摩擦力作用总体呈现降低的趋势。

14

第 6 期 洪扬等:草鱼疫苗连续自动注射装置设计与试验

a
0.125 s

b
0.250 s

c
0.375 s

d
0.500 s

图 8 拨鱼运动仿真云图

Fig. 8 Fish fry movement simulation cloud image















 N

NT

     

T

图 9 仿真过程中鱼苗速度和时间变化

Fig. 9 Changes of fry speed and time during simulation

2. 3 注射时序与针头选择

注射装置采用气动的形式将注射区的鱼苗进

行顺序打针操作。 当鱼苗滑动到注射工位时,顺

序完成压板下压、注射针头插入、注射活塞推进、

注射针头回收、注射活塞回收、压板松开、滑台打

开、滑台闭合的注射动作,对鱼苗完成打针动作。

在疫苗注射中,针头有一定概率扎到较硬质的鱼

鳞上。 为提高针头的使用寿命,应使用具有较高

刚度的针头。 通常针头口径越大其刚度越高,但

对鱼苗损伤越大,因此,结合多次试验中各种规格

针头的损坏以及鱼苗注射伤口情况,参考人工疫

苗注射器,本研究选用口径为 0. 6 mm 针头,在使

用前将其剪短 1 / 2 并去除断口的毛刺,降低其损

15

渔 业 现 代 化 2024 年

坏风险。

3 疫苗注射试验与分析

3. 1 试验设置

在养殖池塘现场进行注射试验,同一批次捕

捞上来草鱼幼苗,和人工注射同步进行机器疫苗

自动注射试验,试验现场如图 10 所示。

图 10 自动疫苗注射试验现场

Fig. 10 The scene of the automatic vaccine injection experiment

根据现行草鱼疫苗注射草鱼规格,选取 100~

120 mm 体长草鱼幼苗进行注射试验,为验证机器

注射效果,排除捕捞损伤、麻醉等客观因素,捕捞

上来的鱼苗随机分为 4 组:试验组 1(空白对照

组);试验组 2(麻醉仅扎针不注射药液组); 试验

组 3(麻醉人工注射疫苗组);试验组 4(麻醉自动

注射疫苗组),每组鱼苗数量相同。 该试验分为

两部分进行,第一部分测试设备的运行稳定性及

运行效率,第二部分为疫苗注射后草鱼幼苗的存

活试验,从这两个方面对疫苗注射装备进行分析。

3. 2 样机性能试验及分析

系统有 3 条通道,连续对鱼苗进行注射,为了

避免偶然性与系统的测量误差,将麻醉且自动注

射疫苗组的 600 条鱼随机等分成 6 份,依次进行

麻醉,进行重复自动注射试验。 在试验中获取 4

个衡量自动疫苗注射设备性能的关键指标,见表

1,分别是:鱼苗的色度识别率(判别鱼苗进入通

道是否鱼头朝前且鱼背朝向运动方向右侧,是判

别鱼苗可进行背肌注射的重要依据)、识别注射

平均用时(指鱼苗从色度识别到注射完成的时

间,是评价自动注射效率的关键指标)、注射准确

率(指鱼苗进入到注射工位,注射器针头是否准

确插入鱼苗背肌进行疫苗注射,是判别疫苗注射

效果的关键指标)和注射速率(指鱼苗固定好后,

注射器注射疫苗的速度,是评价疫苗注射操作风

险的关键指标,根据现有人工疫苗注射经验,针头

完成注射时间应当小于 0. 3 s)。

表 1 疫苗注射装置关键指标试验数据

Tab. 1 Experimental data of key indicators of vaccine injection device

序号 鱼苗数量/ 条 色度识别率/ % 识别注射平均用时/ s 注射准确率/ % 注射速率/ (条/ s)

1 100 98 4. 06 100 0. 253

2 100 98 3. 98 100 0. 250

3 100 98 3. 90 100 0. 254

4 100 99 4. 10 100 0. 25

5 100 98 4. 03 100 0. 258

6 100 99 3. 95 100 0. 253

由表 1 可知,平均色度识别率为 98. 3%,识别

存在着误差,这是由于在识别过程中个别鱼体的

特征存在差异性导致的,同时试验中鱼体间距离

太小或鱼体首尾重叠也会导致识别错误,因此需

要考虑增加背景色差和增加鱼苗间距,增加色度

识别率;6 组试验从选别到注射完成时间约为

4. 0 s,单条鱼注射时间约为 0. 25 s,综合产量约

为 900 条/ h,后期可通过增加注射工位以及调整

注射策略使得注射效率更加高效;试验中注射准

确率达 100%,证明鱼苗在注射通道内,打针气动

注射动作准确,能准确对鱼苗进行打针。

3. 3 注射暂养试验及分析

通过暂养试验对鱼苗存活进行对比验证。 其

中试验组 4(麻醉且机械自动注射疫苗组),麻醉

均使用丁香酚麻醉剂质量浓度为 30 mg / L。 经麻

醉 5 min 后即可进行疫苗注射试验[28 ]

,人工注射

组和机械自动注射组同时开展疫苗注射,注射完

成后所有试验组鱼苗均使用 0. 9%的生理盐水进

行药浴消毒复苏。 并通过池塘网箱暂养 3 周,观

察其存活情况,试验结果如表 2 所示。

16

第 6 期 洪扬等:草鱼疫苗连续自动注射装置设计与试验

表 2 注射草鱼鱼苗暂养试验结果

Tab. 2 Results of the temporary rearing trial of injected grass carp fry

指标 试验组 1 试验组 2 试验组 3 试验组 4

数量/ 条 600 600 600 600

麻醉时间/ min 0 5 5 5

注射用时/ min 0 38 42 40

复苏时间/ min 15 15 15 15

注射深度/ mm 0 2 2 2

注射量/ mL 0 0 0. 2 0. 2

溢出情况 无 无 无 无

暂养 3 周后情况 死亡 3 条 死亡 7 条 死亡 34 条 死亡 10 条

鱼苗存活率 99. 5% 98. 8% 94. 3% 98. 3%

由试验结果可知,所有试验组草鱼鱼苗均出

现了死亡,可能是由于当时环境温度过高,草鱼鱼

苗经过捕捞、转运出现了损伤,经过麻醉周转后出

现了 死 亡 情 况。 人 工 注 射 组 鱼 苗 存 活 率 为

94. 3%,机械自动注射组鱼苗存活率为 98. 3%,鱼

苗状态良好。 对比可知,自动疫苗注射存活率较

人工注射提高 4 个百分点,且有较好的扩展性。

3. 4 讨论

目前,中国草鱼主要以池塘养殖为主,养殖方

式较为粗放,存在养殖密度高、鱼病频繁等特点,

草鱼四联疫苗适宜注射作业[29-30]

。 因此接种疫

苗设备的研发需从节省劳动力、作业便捷性、设备

简便、自动化程度以及注射位置是否精准等多方

面综合考虑。 国内草鱼疫苗注射设备应用较

少[31]

,如浙江大学研制的半机械化疫苗注射装置

仍需人工持续作业,而国外设备大多针对高价值

海水鱼开展, 设备系统复杂, 具体对比如表 3

所示。

表 3 国内外现有主要鱼用疫苗注射装置对比

Tab. 3 Compared with the existing main fish vaccine injection devices at home and abroad

设备名称 装置主要组成 装置优点 装置的劣势

Masko 全自动的鱼类疫苗注射

系统[ 20 ]

运输、 导 向、 分 级、 自 动 注 射

装置

全自动装置,注射效率高、注射

精准、作业人员少、存活率高

造价成本高、设备庞大

比目鱼疫苗自动注射系统[21] 识别系统、注射器、运动控制

器、鱼苗固定座

半自动装置、注射效率高

针对比 目 鱼 注 射、 设 备

较大

浙江 大 学 半 机 械 化 疫 苗 注

射机[24 - 25] 注射主机

半机械化装置、设备简便、可移

动、适宜户外作业

注射效率一般、自动化程

度低、人工辅助作业烦琐

草鱼疫苗连续自动注射装置

输送、 离 散、 识 别 系 统、 自 动

注射

半自动化装置、注射效率较高、

可移动、注射精准、操作便捷

自动化程度有待提高、无

法自动分级

相比于表 3 的鱼类疫苗注射装置,本研究更

加符合中国池塘养殖对设备便捷性、易操作性等

需求。 通过研究草鱼疫苗注射策略,研发集成了

输送、离散、识别系统、自动注射、暂养装置,形成

草鱼疫苗连续自动注射装置与系统,该样机在宁

夏贺兰县新明水产和江苏泗阳县金参家庭农场均

开展了生产性应用,效果良好。

4 结论

设计了一种 3 工位鱼用疫苗自动注射原理

机,成功完成了草鱼幼苗的疫苗注射试验,实现了

鱼苗疫苗自动连续注射。 以 100~120 mm 草鱼幼

苗为研究对象,采用光视觉识别,集成鱼群离散和

位姿调整、自动注射等装置,实现了草鱼幼苗的输

送、夹紧、注射针插入、药液注射、针头退出、载鱼

板释放后复位等疫苗注射的一系列自动化操作。

通过生产性试验,注射疫苗 3 周后存活率达到

98. 3%,存活率较人工注射提高 4 个百分点。 说

明注射装置结构、动作控制以及注射方法符合鱼

苗生存要求,整体研发思路合理。 本研究针对疫

17

渔 业 现 代 化 2024 年

苗自动注射样机开展了系统描述,后续需针对鱼

苗内部注射损伤开展机理性分析,进一步探究机

械动作对鱼苗的损伤情况,提高鱼苗存活率。 未

来可集成吸鱼泵、鱼苗分级机、动力麻醉池等装

备,结合智能算法,开展多边多工位疫苗自动注射

成套装备研发,提高设备自动化、智能化程度,扩

展设备应用范围。 □

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18

第 6 期 洪扬等:草鱼疫苗连续自动注射装置设计与试验

Design and experiment of continuous automatic injection

device for grass carp vaccine

HONG Yang

1

, ZHU Ye

1

, YANG Meng

1

, JIANG Tao

1

, WU Fan

1

, DAI Lu

1

, ZHANG Zhihao

2

(1 Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences,

Shanghai 200092, China;

2 College of Engineering,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

Abstract:The injection of grass carp vaccine mainly relies on manual injection, which has some disadvantages

such as high labor intensity, low injection efficiency, non-standard injection location and poor injection

accuracy, which seriously restricts aquaculture development . This paper analyzes the research progress of fish

vaccine injection at home and abroad, and formulates the operation strategy of automatic vaccine injection

according to the characteristics of grass carp vaccine injection. Using the head and tail orientation device, the

consistent attitude adjustment of the fry was realized. The light vision sensor was used to realize the fast

identification of the belly and the back of the fish and the automatic allocation of the injection station. A rotary

fishing rod was designed, and the stress and speed changes in the fishing process were simulated by LS-DYNA

dynamic simulation. The technology of flexible fixation and rapid injection of the fish body was studied, and

the automatic injection device of the vaccine was designed to complete a series of actions of flexible press,

injection and return in sequence. The technical problems such as the inconsistency of body shape, the

automatic assignment of the station and the speed matching of rotating fish were solved. Based on the above

technology, a continuous automatic injection device for grass carp vaccine was designed, and a prototype for

automatic injection of the vaccine was developed. Through the production experiment, the young grass carp

100 -120 mm long was selected as the object of automatic injection. The results showed that the output of the

automatic injection device was about 900 fish / h. The survival rate of juvenile fish within 3 weeks after

injection was 98. 3%, was 4% higher than that of artificial vaccine injection. The research results can realize

efficient continuous injection of grass carp seedlings, improve the automation level of aquaculture equipment,

and have a reference significance for continuous injection of fusiform fish seedlings, with high application value

and economic benefits.

Key words:automatic injection;vaccine of grass carp;vaccination;aquaculture machines

19

第 51 卷第 6 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 003 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

唐元龙,谢迎春,袁昊训,等. 聚乙烯网衣破损因素下的水动力特性与流场模拟[J]. 渔业现代化,2024,51(6):20-30.

收稿日期:2024-05-22

基金项目:国家自然科学基金项目(52471352)

作者简介:唐元龙(2000—),男,硕士研究生,研究方向:网箱网衣水动力特性分析等。 E-mail:21220911054@ stu. ouc. edu. cn

通信作者:谢迎春(1977—),女,教授、博士生导师,研究方向:新能源船舶安全性、船舶与海洋装备环境适应性等。 E-mail:xieyc@ ouc. edu. cn

聚乙烯网衣破损因素下的水动力特性与流场模拟

唐元龙,谢迎春,袁昊训,李相坤

(中国海洋大学工程学院,山东,青岛 266100)

摘要:海水养殖网箱网衣的完整性对于维护养殖效率和生态平衡至关重要。 破损的网衣不仅会降低性能,还

可能引起养殖生物逃逸,导致经济和生态的双重损失。 为评估网衣破损对水动力特性及流场的影响,并探索

损伤的初步定位和严重性评估方法,以指导网箱维护策略优化,建立了基于 ANSYS Workbench 的单向流固

耦合数值模型,流体域中模拟网衣周围的流场,同时将网衣表面所受压力等数据传递到固体域,计算网衣在

流体载荷作用下的变形和应力分布,获得了不同破损程度网衣在 0. 1 ~ 1 m/ s 流速下的流场特性及动力响

应。 结果显示:网衣阻力与流速呈二次方增长关系,破损程度的增加导致阻力下降,尤其在破损较大时阻力

减小显著。 流速衰减率在不同破损程度下相对稳定,表明网衣破损对整体流速衰减率的影响有限。 在

0. 5 m/ s 流速条件下,破损网衣对前方流速衰减区影响有限,但破损使得网线间流速加快现象更明显,对后

方流速衰减区造成显著干扰。 网衣整体的最大变形与最大应力并未因破损程度的增加而显著变化,但破损

区域附近的应力有明显增大。 该研究不仅增进了对网衣水动力特性的理解,而且为海水养殖网箱的设计、性

能评估和风险管理提供了重要的技术支撑。

关键词:破损网衣; 水动力特性; 流固耦合; 数值模拟

中图分类号:S 967;S 969 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)06-0020-011

随着全球对海洋资源可持续利用需求的增

加,海水养殖业作为提供优质蛋白质的重要途径,

发展受到了国际社会的广泛关注。 网衣作为海水

养殖网箱的关键组成部分,在海洋环境中的完整

性对养殖效率和生态安全具有重要影响[1]

,聚乙

烯(Polyethylene, PE) 网衣因其出色的水动力学

性能和成本效益被广泛使用。 海水养殖网箱网衣

在持续的海洋环境中运作时,难免会遭受磨损、撕

裂或其他形式的损伤。 这些破损虽然起初看微

小,但其潜在的影响不容忽视。一方面,即使是小

规模的破损也可能相互影响,显著改变网箱内部

的水流模式,不仅会降低养殖效率,还可能对鱼类

等养殖生物的生活环境造成不利影响。 另一方

面,逐渐累积严重的破损可能导致养殖生物逃逸,

不仅会给养殖者带来直接的经济损失,还可能对

当地海洋生态系统造成不可预测的风险。 因此,

对破损网衣的水动力特性和流场特性进行深入分

析,不仅对于理解破损对养殖效率的具体影响至

关重要,而且对于开发有效的预防和修复策略、提

高养殖网箱的耐久性和安全性同样重要。

在当前的海洋工程研究中,网衣水动力特性

的分析主要采用物模试验以及数值模拟两种方

法。 物模试验是验证理论分析及数值模拟结果的

重要手段,其主要依据是由田内森三郎[2]

1934 年

提出的田内相似准则,该准则最初适用于拖网网

衣,后由顾惠庭[3]

、李玉成等[4] 和桂福坤等[5] 对

该理论进行了校正,使其更适用于网箱网衣。 在

数值模拟方面,李玉成等[6]

、黄小华等[7-8] 和陈天

华等[9]采用了集中质量弹簧法,将网线简化为弹

簧与两端的质量点,对网衣在水流作用下的动态

特性 进 行 了 深 入 研 究。 刘 航 飞 等[10]

、 李 金 鑫

等[11]以及徐克品等[12] 等将网衣简化为桁架单

元,并运用莫里森公式分析了网衣在波浪和流载

荷下的动态响应。 此外,苗玉基等[13] 和 Cheng

第 6 期 唐元龙等:聚乙烯网衣破损因素下的水动力特性与流场模拟

等[14]则采用 Screen 屏模型方法,将密实度作为网

衣的特征尺寸进行水动力的计算,试验对比验证

了屏模型在网衣水动力分析中的准确性。 Wang

等[15]又考虑了网片的不同粗糙度和更多几何参

数,建立了优化后的屏模型理论,可以更好地预测

不同类型和尺寸网片在不同来流速度下的拖力和

升力系数。 另一方面,为了研究网衣对流场特性

的影响,Patursson 等[16]

、赵云鹏等[17]

、Yang 等[18]

和陈诚等[19]通过将网衣简化为多孔介质模型,模

拟其对流场的阻拦作用,并建立了在极端波浪下

的网衣阻力预报模型;Xu 等[20]

、Chen 等[21]

、徐子

鸣等[22] 和 Tang 等[23] 则是将流固耦合的计算方

法使用在网衣水动力特性研究中,在流场与结构

模块之间进行迭代求解,为模拟网衣与流场的相

互作用提供了精确的计算框架。 上述研究不仅丰

富了网衣水动力特性相关的成果,也为海水养殖

网箱的设计和性能评估提供了坚实的理论和实践

基础。

现有研究主要关注了完整网衣的性能和行

为,而对破损网衣的探讨则相对较少,其中袁胤

桢[25]

、郭铁铮等[26] 以及 Liao 等[27]

、Labra 等[28]

和 Betancourt 等[29]基于深度学习以及机器视觉技

术,开发了包括网衣破损检测、状态评估以及水下

视觉检测技术等方法,用于提升水产养殖中网衣

破损的检测准确性和评估效率。 但对于破损网衣

在实际水动力环境中的行为和影响的探讨仍然不

足,这可能是因为破损网衣的水动力研究面临包

括破损类型的广泛性、检测方法的复杂性以及研

究结果应用受限等多种挑战。 尽管如此,破损网

衣的水动力特性和流场特性与完整网衣相比确实

存在差异,这些差异对海水养殖网箱的设计和风

险评估具有潜在的影响。

本研究通过建立基于 ANSYS Workbench 的

单向流固耦合模块的数值模型,分析不同破损情

况下的平面聚乙烯网衣的水动力特性及其对流场

的影响,以期为海水养殖网箱的设计和风险评估

提供理论依据和技术支持。

1 数值模型及基础理论

1. 1 流体控制方程和湍流模型

水为不可压缩的牛顿流体,其流动被模拟为

带有黏性的非定常边界层湍流。 使用 ANSYS

Fluent 中的经典有限体积法求解三维不可压缩流

体雷诺平均纳维-斯托克斯 Reynolds -Averaged

Navier-Stokes(RANS) 方程求解控制方程。 由于

流体是单一组分且不涉及热交换,因此使用质量

和动量守恒定律来描述流体运动的变化。

∂u

i

∂x

i

= 0 (1)

∂ρu

i

∂t

+

∂ ρuiuj

( )

∂xj

= -

∂P

∂xi

+ ρgi

+

∂

∂xj

(μ +

μt)

∂ui

∂xj

+

∂uj

∂xi

( ) + Si (2)

式中:ui 和 uj 分别表示沿 xi 和 xj 方向的速度分

量(m / s);t 表示时间( s);ρ 表示流体密度( kg /

m

3

);P 表示压强(Pa),μ 表示动力黏度(Pa·s),

μt 表示湍流涡动黏度(Pa·s);gi 表示重力加速

度(m / s

2

);Si 表示作用在网衣上的水阻力(N)。

选用 k-ω Shear Stress Transport(k-ω SST)湍

流模型来捕捉流场中的湍流效应。 该模型结合了

k-ε 模型和 k-ω 模型的优点,能够自动在主流区

和近壁区之间切换,可以更准确地预测网衣表面

的流速分布和流体对网衣的冲击力。 描述的方

程为:

∂(ρk)

∂t

+

∂(ρkui)

∂xi

=

∂

∂xj

Γk

∂k

∂xj

é

ë

ê

ê

ù

û

ú

ú

+ Gk

+ Gb

-

Yk

- YM

+ Sk (3)

∂(ρω)

∂t

+

∂(ρωui)

∂xi

=

∂

∂xj

Γω

∂ω

∂xj

é

ë

ê

ê

ù

û

ú

ú

+ Gω

- Yω

+

Dω

+ Sω (4)

式中:ρ 表示流体密度(kg / m

3

);t 表示时间( s);k

表示湍流动能(m

2

/ s

2

);ω 表示比耗散率( s

-1

);ui

和 uj 分别表示沿 xi 和 xj 方向的速度分量(m / s);

Γk 和 Γω 分别是 k 和 ω 的有效扩散率;Gk 和 Gω

分别表示由平均速度梯度产生的湍流动能和比耗

散率的生成项;Yk 和 Yω 分别表示 k 和 ω 的湍流

耗散项;Dω 表示交叉扩散项;Sk 和 Sω 表示源项。

在计算前,需要对本研究所使用的 k-ω SST

湍流模型进行初始化,并对水槽模型边界处的湍

流强度 I 进行定义:

I =

4

25

ReDH

(5)

式中:ReDH为基于水槽水力直径的雷诺数,可由

21

渔 业 现 代 化 2024 年

式(6)和式(7)定义:

DH

=

4AC

Pω

(6)

ReDH

=

UDH

ν

(7)

其中:DH 为水力直径(m);AC 为水槽的横截面积

(m

2

);Pω 为水槽横截面积的湿周长(m);U 为特

征流速(m / s);ν 为流体的动态黏性(m

2

/ s)。

控制方程通过使用三维压力基础的纳维-斯

托克斯求解器来求解。 使用半隐式方程组求解器

(SIMPLEC)算法来计算压力-速度耦合。 压力、

动量、湍流动能和湍流耗散率的离散化方案采用

二阶迎风格式进行。 当所有残差减少到小于

0. 001 时,假定解已经收敛。

1. 2 非线性有限元结构模型

网衣结构的变形分析采用考虑大变形的非线

性结构模型。 使用具有 6 个自由度的梁单元来模

拟网衣的网线单元,这些单元通过可旋转的节点

连接(即节点不能承受弯矩),以捕捉网衣在水流

作用下的大变形行为。 结构模型的控制方程基于

虚功原理和牛顿第二定律,采用 Newton-Raphson

方法求解,具体动力学方程如下:

[M]

¨δ + ([K]L

+ [K] NL )δ = R + Δt + F (8)

式中:[M]表示结构的质量矩阵;

¨δ 表示节点的加

速度向量;[K]L 为线性刚度矩阵;[K] NL 为非线

性刚度矩阵;δ 为节点位移向量(m);R 为外部载

荷向量,包括水动力、浮力和重力;Δt 为时间步长

(s);F 为描述等效于单元应力的节点力。

根据 Mikkola

[24] 描述的模型,线性和非线性

刚度矩阵可以描述如下:

[K]L

= [K]L0

+ [K]L1 (9)

[K]L0

= ∫

V

[B′]L0 [C][B]L0 dv (10)

[K]L1

= ∫

V

[B′]L0 [C][B]L1 dv +

∫

V

[B′]L1[C][B]L0 dv + ∫

V

[B′]L1[C][B]L1 dv (11)

[K] NL

= ∫

V

[B′] NL [S][B]L0 dv (12)

F = ∫

V

[B′]L [

^S][B]L0 dv (13)

式中: [ K]L0 是线性结构刚 度 矩 阵 的 初 始 值;

[K]L1 是经过迭代计算的线性结构刚度矩阵

[B′]L ;[B′] NL 是线性及非线性应变-位移变换矩

阵;[ C] 是材料的本构矩阵; [ S]、 [

^S] 是二阶

Piola-Kirchhoff 的应力矩阵和向量。

1. 3 流固耦合模型

流固耦合(Fluid-Structure Interaction,FSI)描

述了流体与固体结构间的相互作用,数值模拟中

分为直接耦合和间接耦合两种方法。 直接耦合,

或称紧密耦合,同步进行流体与固体的计算,确保

了物理场间的即时相互作用,但计算成本较高。

间接耦合,又称松耦合,分步计算流体与固体结

构,降低了计算成本,适用于流体对固体影响显著

的情况。

在本研究中,由于网衣变形较小,因此忽略了

结构响应对流体运动的反馈,采用了间接耦合中的

单向流固耦合方法。 其流程如图 1 所示,流体域的

计算使用 ANSYS Fluent 软件,通过有限体积法求

解三维不可压缩流体的 RANS 方程,结合 k-ω SST

湍流模型,模拟网衣周围的流体流动,计算得到网

衣表面所受压力等数据,并将其传递到固体域计算

模块。 而固体域的计算使用 ANSYS Mechanical 结

构模块,利用非线性有限元方法,模拟计算网衣在

流体载荷作用下的变形和应力分布。

















a 









a 

a

afl



图 1 单向流固耦合计算流程图

Fig. 1 One-way fluid-structure interaction computational flowchart

2 数值模拟设置及验证算例

2. 1 边界条件和计算网格

在本研究中,为了模拟实际的流场环境,构建

22

第 6 期 唐元龙等:聚乙烯网衣破损因素下的水动力特性与流场模拟

了一个尺寸为长 10 m、宽 1. 2 m、高 1 m 的数值水

槽模型。 该模型采用右手坐标系,其中坐标原点

精确定位于网衣正下方的水槽底面中心,网衣与

底面的距离设定为 3. 5 m。 在该坐标系中,x 轴的

正方向被定义为水流的流向,y 轴指向竖直向上,

而 z 轴则在水平面上与流向垂直。

如图 2 所示,数值水槽的边界条件包括:速

度入口边界 inlet,压力出口边界 outlet 以及被视

为光滑壁面的底部,顶部和两侧壁面以及流体-结

构交界面。

5 000 mm 5 000 mm 1 200 mm

1 000 mm

图 2 流体域与边界条件

Fig. 2 Fluid domain and boundary conditions

流体域的网格划分采用了四面体网格,如图 3

所示,为确保在流体—结构交界面附近能够精确捕

捉网衣结构对流动的影响,在该区域使用了较精细

的网格,目标尺寸为 1 mm,最大尺寸为 10 mm。 特

别在交界面处,定义了一个具有 1. 2 增长率和 10

层厚度的边界层网格。 考虑到流动的低雷诺数特

性,并为了满足 k-ω SST 湍流模型对边界层网格的

特定要求,在边界层设置了最大 y+值为 15。

图 3 流体域网格划分

Fig. 3 Fluid domain meshing

网衣结构模型设计为方形网目,四周与框架

相连,并施加了固定支撑的边界条件。 如图 3 所

示,对于大变形非线性有限元模型,同样采用了完

全四面体网格进行划分。

2. 2 模型与验证算例

在本研究中,参考文献[30-31] 以及查阅相关资

料中的实际破损网衣图片,选择了 4 种不同程度

的微小破损类型来构建网衣模型以模拟海洋养殖

中可能遇到的实际情况,如图 4 所示,这些破损

类型包括:单个网结上的单条网线及两条网线断

裂(N1、N2),作为破损的极微小形式;单一网结

全部四条网线的断裂(N3),反映了更广泛的微小

损伤;以及 4 个网结周围网线的断裂(N4),作为

微小破损中较为严重的情形。 这些类型代表了网

23

渔 业 现 代 化 2024 年

衣在使用过程中可能逐渐发展的微小损伤,通过

模拟这些不同程度的微小破损,可以在损伤变得

严重之前识别潜在的风险,并为早期干预提供数

据支持。 为了减少计算工况,同时也能更好地获

得网衣中心及边缘处的变形、应力等随破损程度

的变化情况,考虑到平面网衣的对称性,破损位置

被设置在网衣 1 / 4 区域中,同时忽略了破损后的

残留网线,对模型进行简化。

数值模拟所用的网衣模型具体参数如表 1

所示,其中聚乙烯 PE 作为网衣材料,密度为 920

g / cm

3

,弹性模量为 850 MPa,泊松比为 0. 4。

图 4 网衣破损情况数值模型

Fig. 4 Net model and damage locations

表 1 网衣参数

Tab. 1 Netting parameters

网衣编号

网目大小

l/ mm

网线直径

d / mm

材料 破损位置

N1 50 3. 2 PE 无

N2 50 3. 2 PE ①

N3 50 3. 2 PE ①②

N4 50 3. 2 PE ①②③

N5 50 3. 2 PE ①②③④

N0 模型作为验证算例,参数如表 2 所示,在

90°攻角下计算其在 0. 1 ~ 1. 0 m / s 流速下受到的

阻力大小,与 Zou 等[32] 的数值模拟结果进行对

比,结果如图 5 所示,相对误差控制在 8%以内,满

足了计算精度的要求,并验证了所采用的单向流

固耦合数值方法的可行性。

表 2 验证算例网衣参数

Tab. 2 Verification case netting parameters

网衣编号

网目大小

l/ mm

网线直径

d / mm

密实度

Sn

材料 破损位置

N0(验证) 60. 00 3. 20 0. 103 PE 无

Zou 等[32]

60. 01 3. 19 0. 103 PE 无

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

-



B



#Fv/(m/s)

-B

图 5 对应流速下 N0 网衣阻力相对误差

Fig. 5 Relative error of resistance for N0 netting at

corresponding flow velocities

3 结果与讨论

3. 1 阻力与流场分析

根据图 6 破损网衣阻力随流速变化曲线所

示,网衣所受的阻力随着流速的增加呈现出显著

的二次方增长关系。

0.0

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

N1

N2

N3

N4

N5

16.5

16.0

15.5

15.0

14.5

14.0

13.5 0.90 0.95 1.00 1.05

Fd/N

v/(m/s)

图 6 破损网衣阻力随流速变化曲线

Fig. 6 Curve of resistance variation of damaged netting

with flow velocity

24

第 6 期 唐元龙等:聚乙烯网衣破损因素下的水动力特性与流场模拟

这一现象符合流体动力学中关于阻力与流速

关系的基本理论。 在流速保持恒定的条件下,随

着网衣的破损程度增加,阻力呈现下降趋势,尽管

这一变化在初期并不显著,但是当网衣破损程度

较大如 N5,且流速增至 1 m / s 时,阻力的减小变

得较为明显。 其中破损导致的迎流面积减少应该

是网衣所受阻力变化的主要原因。

图 7 展示了在流速 v = 0. 5 m / s 条件下,于切

片位置 z = 0. 65 m 处的 N1 ~ N5 网衣速度分布的

云图。

0.5

0.0

-0.5

0.5

0.0

-0.5

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0





[/m





[/m





[/m





[/m





[/m

N1

velocity-magnitude

0.32

0.36

0.44

0.50

0.58

0.80

0.5

0.0

-0.5

0.5

0.0

-0.5

0.5

0.0

-0.5

N3

N5

N2

N4

Y/m 

Y/m



图 7 0. 5 m / s 流速下破损网衣 N1~N5 在 y = 0. 65 m 平面的速度分布图

Fig. 7 Velocity distribution diagram of damaged netting N1-N5 at y = 0. 65 m plane under 0. 5 m/ s flow velocity

观察图 7 可知,网衣前方存在较小的流速衰

减区,随着破损程度的增加,该区域所受的影响相

对有限。 网衣的网线之间由于绕流效应有着明显

的流速加快的现象,破损的出现使得多个流速增

大区合并,对网衣后方的较大流速衰减区造成了

显著的干扰,使得破损区域尾流速度明显高于周

围,直到流场较远处如 2. 5 m。

图 8 则进一步展示了在该云图下, 沿 y =

-0. 125 m(即破损区域中心直线)的流速变化曲

线。 通过这一图像,可以清晰地观察到网衣前后

的流速变化情况,并分析这些现象与网衣破损程

度的关系。

网衣前方存在一个明显的流速衰减区,这是

由网衣对水流的阻挡作用造成的,同时网线之间

还存在着由于绕流现象而流速快速增加的区域。

当网衣出现破损时,如图 8 局部放大图所示,流速

衰减区会随着破损程度的增大而受到抑制,使得

流速稍微上升;流速增加区同样受到抑制,使得最

大速度随着破损程度增大而减小。

可以将网衣后方的流速分布划分为两个关键

区域以便分析:0 ~ 1 m 范围内和 1 m 之后区域。

在 0~1 m 范围内,随着网衣破损程度的加剧,流

速衰减的程度被明显抑制,其中在破损较为严重

的 N5 网衣情况下,该区域流速最高为 0. 508 m /

s,非常接近未衰减的上游流速 0. 514 m / s。

在 1 m 之后的区域,流场的演变开始显著地

受到周围尾流的影响,各破损网衣的流速曲线在

1 m 处快速下降,随后又与 N1 曲线同步开始缓慢

上升,整体表现出一种向 N1 曲线靠近的趋势。

对于轻微至中等破损的网衣(N2 ~ N4),流速曲线

在大约 3 m 的位置开始与未破损的 N1 网衣的流

速曲线趋于一致,显示出流场在短距离内就能调

整并平衡破损造成的影响。 然而,对于破损程

度较大的网衣(N5) ,即便在流场发展到本研究

25

渔 业 现 代 化 2024 年

考察的最大距离 5 m 时,其流速曲线与 N1 曲线

之间依然存在显著差异。 这表明严重破损的网

衣需要更长的流动距离来实现流场的自我恢复

和平衡。

图 8 0. 5 m / s 流速下破损网衣沿破损位置直线的速度分布曲线

Fig. 8 Velocity distribution curve along the damaged position line of the netting at 0. 5 m/ s flow velocity

流速衰减率(vr)是衡量水流通过网衣后流速

降低程度的关键指标[32]

,定义为网下游 1 m 处的

中心流速( u1 ) 与来流流速( u0 ) 的差值与 u0 的

比值:

vr

=

u0

- u1

u0

× 100% (14)

在本研究中,鉴于网衣破损主要设置在网衣

左上角区域,分别对破损位置和中心区域的流速

衰减率进行测量对比,以精确评估破损对其的影

响,结果如图 9 所示。 从整体上看,两处位置的流

速衰减率均随流速增加而降低,如 N1 网衣的流

速衰减率在随着流速的增加从 3. 65%和 3. 44%

下降至 3. 01%和 3. 12%。

当流速一定时,破损位置测得的流速衰减率

随着破损程度的增加有着显著的降低,由 3. 0%

左右降至 0. 5% ~ 1%之间,而中心位置的流速衰

减率则相对稳定,与未破损的 N1 相比无显著变

化,说明破损对于周边区域的流速衰减影响极小。

此外,对于 N3~ N5 网衣,中心位置的流速衰

减率在各流速条件下均有所上升。 这可能是由于

破损区域水阻力大幅减少使得流速增大,吸引了

周围流体向破损区域集中,从而影响了整体流场

的流速分布,导致了测点处的流速进一步下降。

由此可见,如果流速的测量不在破损区域的直接

影响范围内,流速衰减率可能不足以敏感地反映

网衣的破损状态。 这意味着依赖流速衰减率作为

评估网衣完整性的指标可能需要更加广泛的测量

位置。

图 9 破损网衣流速衰减率随流速变化图

Fig. 9 Graph of flow velocity attenuation rate of damaged

netting as a function of flow velocity

3. 2 变形与应力分析

对网衣结构在不同流速(0. 5 m/ s、0. 7 m/ s 和

1 m/ s)下的整体变形与应力进行了分析。 图 10 展

示了 N1~N5 网衣在上述流速下的最大变形与最大

应力变化情况。 结果显示,随着破损程度的增加,

网衣整体的最大变形与最大应力并未受到显著影

26

第 6 期 唐元龙等:聚乙烯网衣破损因素下的水动力特性与流场模拟

响,这可能与网衣结构的整体稳定性有关。

图 10 不同流速下破损网衣最大变形与最大

应力曲线

Fig. 10 Curves of maximum deformation and maximum stress

of damaged netting at different flow velocities

为了深入探究破损区域对周围变形与应力的

具体影响,选取了 0. 5 m / s 流速条件下,破损区域

相邻的两条相互垂直的网线 l

1 和 l

2 进行详细的

变形与应力采样,采样位置如图 11 所示,图 12 和

图 13 则分别展示了这两条网线上各位置的变形

与应力随破损程度的变化曲线。

l

l

图 11 应力与变形采样位置示意图

Fig. 11 Schematic diagram of stress and deformation

sampling positions

图 12 的分析结果揭示了 l

1 和 l

2 网线的变形

情况与整体最大变形的趋势相似,在破损程度较

小时,变形变化不显著,但在破损程度较大时,临

近破损位置的网线变形有所增大。 这可能是由于

破损区域的结构完整性受损,导致周围网线承受

更多的流体动力,从而在水流作用下产生更大的

变形。

图 12 破损网衣 l

1 、l

2 变形变化曲线

Fig. 12 Deformation change curves of l

1

and l

2

in

damaged netting

图 13 中的应力分布曲线显示,未破损网衣

(N1)的网线应力分布呈现典型的“W”形态,两侧

由于与 固 定 框 架 相 连 而 出 现 应 力 峰 值, 达 到

0. 16 MPa,随着向中心靠近时应力迅速降低至

0. 02 MPa,然后又缓慢上升,最终在中心处达到

0. 06 MPa。 在应力曲线上,除了主要的峰值外,

还可以观察到多个次级小峰值,它们主要分布在

网线的节点之间。 破损的出现对两端的应力峰值

影响不大,但在破损位置附近区域内 ( 横坐标

50~ 175 mm) 的网线,应力值相比未破损状态有

了一个明显的增长,涨幅在 24. 85 % ~ 31. 20 %之

27

渔 业 现 代 化 2024 年

间。 此外,破损对节点间的小峰值点也产生了显

著影响。 随着破损程度的增加,靠近破损区域的

小峰值点的应力值增加了 11. 40 % ~ 30. 60 %。

值得注意的是,即使位于网衣另一侧、远离破损点

的峰值点,其应力值也变得更加显著,这表明破损

对整个网衣结构的应力分布具有广泛的影响。

图 13 破损网衣 l

1 、l

2 应力变化曲线

Fig. 13 Stress variation curves of l

1

and l

2

in damaged netting

4 结论与展望

本研究通过应用单向流固耦合数值模型,对

不同破损程度的平面网衣在不同流速环境下的水

动力特性和流场特性进行了深入分析。 结果揭示

了网衣破损会导致阻力降低,当破损程度较大时

减少更为显著;同时,破损还会引起破损区域后方

局部流速的显著增加,进而导致流场速度分布的

整体改变;并且,破损区域附近网线的应力显著增

加,各节点附近的应力峰值点变得更加突出。 这

些结论揭示了网衣完整性对维持水动力性能和流

场稳定性的重要性,并可通过综合分析流场和结

构相关数据来评估海水养殖网衣的损伤状态。 本

研究为改进网箱的维护策略、增强网衣的耐用性

以及保障养殖作业安全提供了实用的理论支持。

未来的研究将进一步完善网衣破损模型,考虑不

同破损位置以及破损后残留网线的具体影响,并

探索双向流固耦合方法以更真实地模拟网衣在水

流作用下的动态响应来增强模型的准确性。

□

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29

渔 业 现 代 化 2024 年

Hydrodynamic characteristics and flow field simulation study under

the damage factors of polyethylene netting

TANG Yuanlong, XIE Yingchun, YUAN Haoxun, LI Xiangkun

(School of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266404, Shandong, China)

Abstract:The integrity of the netting in aquaculture cages is crucial for maintaining farming efficiency and

ecological balance. Damaged netting reduces performance and may lead to the escape of cultured organisms,

resulting in both economic and ecological losses. To assess the impact of netting damage on hydrodynamic

characteristics and flow fields, and to explore preliminary methods for damage localization and severity

assessment to guide the optimization of cage maintenance strategies, a unidirectional fluid-structure interaction

numerical model based on ANSYS Workbench has been established. The model simulates the flow field around

the netting in the fluid domain, obtaining data such as pressure on the netting surface, which is then

transferred to the solid domain to calculate the deformation and stress distribution of the netting under fluid

loads, achieving hydrodynamic responses of netting with varying degrees of damage at flow velocities of 0. 1 to

1 m / s. The results show that the drag of the netting increases with the square of the flow velocity, and the

increase in damage degree leads to a decrease in drag, especially when the damage is significant. The flow

velocity decay rate is relatively stable under different damage degrees, indicating that the impact of netting

damage on the overall flow velocity decay rate is limited. Under a flow velocity of 0. 5 m / s, the influence of

damaged netting on the flow velocity decay zone in front of the netting is limited, but damage makes the

phenomenon of accelerated flow between the net lines more apparent, causing significant interference with the

flow velocity decay zone behind. The overall maximum deformation and maximum stress of the netting do not

change significantly with the increase in damage degree, but the stress near the damaged area increases

significantly. This study not only enhances the understanding of the hydrodynamic characteristics of the netting

but also provides important technical support for the design, performance evaluation, and risk management of

aquaculture cages.

Key words:damaged netting; hydrodynamic characteristics; fluid-structure interaction; numerical simulation

30

第 51 卷第 6 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 004 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

张小龙,赵欣宇,蔡皓玮,等. 不同 LED 光谱和辐照度耦合对刺参行为与生理指标的影响[J]. 渔业现代化,2024,51(6):31-40.

收稿日期:2024-06-30

基金项目:国家自然科学基金项目(32202961);辽宁省科学技术计划资助项目(2021JH2 / 10200011);大连市优秀青年科技人才资助项目

(2023RY016);大连市领军人才资助项目(2019RD12)

作者简介:张小龙(2001—),男,硕士研究生,研究方向:光环境与水生生物互作机理。 E-mail: zhangxiaolongxxy@ 163. com

通信作者:马贺(1986—),女,博士,副教授,研究方向:环境与水生生物互作机理。 E-mail: mahe@ dlou. edu. cn

不同 LED 光谱和辐照度耦合对刺参行为与生理指标的影响

张小龙1,2

,赵欣宇1,2

,蔡皓玮1

,张志博1,2

,孙研1,3

,

王天悦1,2

,张怡宁1,2

,马贺1,2

(1 设施渔业教育部重点实验室(大连海洋大学),辽宁 大连,116023;

2 大连海洋大学海洋科技与环境学院, 辽宁 大连,116023;

3 佛照(海南)科技有限公司,海南 海口,528000)

摘要:为深入研究不同辐照度和光谱对刺参行为和生理的潜在影响,设置了黑暗对照组、红光试验组(1. 0

W/ m

2

、2. 5 W/ m

2和 4. 0 W/ m

2

)和白光试验组(1. 0 W/ m

2

、2. 5 W/ m

2 和 4. 0 W/ m

2

),利用自制装置,进行了

觅食、翻身、运动行为试验,提取了刺参褪黑激素和皮质醇激素,试验周期 37 d。 结果显示:红光条件下刺参

在觅食成功率、觅食速度以及对外界刺激的响应能力上的表现均优于白光组和黑暗组。 在红光 2. 5 W/ m

2

的光照条件下,刺参的综合表现最优。 与白光组和黑暗组相比,红光组刺参运动速度更快、等时运动路程更

长。 红光组刺参的皮质醇含量高于白光组和黑暗组,而褪黑激素含量则未表现出显著差异(P>0. 05)。 在稚

参培育阶段建议采用红光光谱,并将辐照度设定为 2. 5 W/ m

2

,养殖环境应避免使用辐照度过高的光照。 本

研究不仅为了解刺参活动习性及生长所需的最适光环境条件提供了科学依据,同时也为刺参增养殖业的可

持续发展提供了参考。

关键词:刺参;辐照度;光谱;行为;生理

中图分类号:S965 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)06-0031-009

刺参(Apostichopus japonicus),又称仿刺参,属棘

皮动物门(Echinodermata),海参纲(Holothuroidea),

刺参属(Apostichopus),广泛分布于北太平洋沿岸

的温带浅海区域,通常栖息于水深 3 ~ 15 m 的浅

海中,偏好波流静稳、海藻繁茂的岩礁底或细沙泥

底[1]

。 刺参因其卓越的营养与药用价值,数世纪

以来一直被视为珍贵的食材[2]

。 然而,刺参养殖

业面临的主要挑战在于如何在降低生产成本的同

时,实现生态效益、经济效益以及社会效益的最大

化[3]

。 在众多环境因子中,光照作为一个关键变

量,随着水深及时间的变化而波动,可能对刺参的

行为和生长发育产生深远影响[4]

。 在目前刺参

人工养殖实践中,虽然普遍采取室内遮光措施,但

关于最适宜的光照强度、光周期以及光谱成分等

具体参数,尚无明确定论[5]

。

尽管刺参缺乏典型的感光器官,但可对辐照

度、光周期和光谱变化做出响应。 刺参主要依赖

分布在棘、管足、体壁以及神经系统中的细胞色素

和光感受器来感知并适应光照变化[6]

。 Mercier

等[7]研究表明,刺参展现出负趋光性,更倾向于

弱光环境,通常通过寻找阴影或迁移来避免强烈

光源的照射。 陈勇等[9] 研究发现,在不同光照条

件下,体质量在 25. 24 ~ 59. 11 g 之间的刺参会表

现出 显 著 的 生 长 和 行 为 差 异。 具 体 而 言, 在

12L ∶ 12D 光周期条件下,刺参表现出更为活跃的

状态,觅食频率增加,且体质量增长迅速。 相较之

下,在全光照、全黑暗或自然光照条件下,刺参的

觅食量减少,生长速度也相应减慢。 张硕等[10]研

渔 业 现 代 化 2024 年

究表明,在黑暗或低光照强度条件下,刺参的活动

更为频繁;而在高光照强度下,多数刺参对强光的

耐受力较差,这在一定程度上抑制了它们的活动。

周显青等[11]指出,光照对水生生物的趋光行为、

觅食行为、昼夜活动节律以及迁移行为均产生显

著影响,这些研究为进一步优化刺参的养殖环境

提供了重要依据。

为优化刺参稚参的室内养殖光照条件提供理

论依据,以刺参稚参为试验对象,在室内海水养殖

环境下,深入探讨了不同辐照度和光谱对其觅食、

运动和翻身行为的影响;此外,通过测定褪黑激素

和皮质醇的含量,进一步评估光照条件对刺参生

理状态的影响。

1 材料与方法

1. 1 试验装置设计

试验装置包括适应期和试验期两部分。

适应期试验装置主要由 21 个 PE 材质的水

桶(半径 0. 8 m×高 1. 2 m)以及 7 个 LED 灯具构

成。 该试验被设计为 7 个不同的组别,具体包括

1 个黑暗对照组、3 个不同光照强度的红光组(分

别为 1. 0 W/ m

2

、2. 5 W/ m

2 和 4. 0 W/ m

2

)以及 3

个相对应光照强度的白光组。 为确保试验结果的

可靠性,每组均设置了 3 个重复组,且每个重复组

在试验开始时均包含大约 80 只刺参稚参。 试验

过程中的光周期被设定为 14L ∶ 10D。 每日中午,

试验人员会投喂一次根据前一天配比准备好的发

酵饲料,饲料分为发酵部分和发酵后添加部分,发

酵部分包含大叶菜 25 g、配合饲料 15 g、EM 菌

8 g、红糖和酵母 2 g,发酵好后添加海泥 40 g,然

后加水充分溶解过滤后喂食。

试验期所使用的试验装置如图 1 所示,在试

验开始之前,已预先设定了相应的光照条件并完

成了试验装置的配置。 该装置主要由 3 个玻璃箱

(长 0. 3 m×宽 0. 15 m×高 0. 15 m,且 5 面均附有

白色薄膜)、LED 灯、海康威视摄像头以及电脑组

成。 每日选取一个试验组进行研究,从每个试验

组中随机抽取 3 只稚参,并将其放置于独立的玻

璃箱内。 为确保观察的准确性,本试验严格控制

了曝气量以保证溶氧量不会对观察结果产生影

响,同时对水温等外部环境因素进行了稳定控制。

随后,启动录制设备对稚参的行为进行记录。 试

验按照 7 个试验组依次进行,每组试验持续 1 d,

整个试验周期共计 7 d。

图 1 试验装置

Fig. 1 Experimental apparatus

1. 2 试验步骤与方法

1. 2. 1 试验步骤

试验所用稚参源自大连市普兰店皮口镇的海

参育苗场,其初始体质量 0. 185±0. 014 g。 本试

验共分为 3 个阶段进行。

暂养期:稚参被暂养于白色塑料水桶中,持续

一周。 在此期间,选取体形匀称、体色相近且体质

健康的稚参用于后续试验。 暂养环境的水温维持

在 16. 0~19. 0 ℃ ,盐度控制在 31. 0 ~ 32. 0,pH 保

持在 7. 5~8. 0,溶氧为 7. 5~8. 5 mg / L。

适应期:在此阶段,每日对水质进行监测,确

保其与暂养期的水质条件一致。 同时,每周检测

一次氨氮浓度,并进行一次换水操作。 在适应期

的第 28 天,对稚参进行 48 h 的饥饿处理,以排空

其肠道。 适应期结束后,稚参的平均体质量增至

0. 600~0. 800 g。

试验期:每日选取一个试验组,从每个试验组

中随机抽取 3 只稚参,放入单独的玻璃箱中进行

观察。 对稚参的行为进行录制,每个试验组录制

1 d,整个试验周期共 7 d。 录制结束后,随机从玻

璃箱中选取 6 只稚参,使用液氮进行低温冷冻处

理,并储存于-80 ℃的冰箱中,以备后续激素指标

的分析。

1. 2. 2 试验方法

试验分为 4 个小试验组成。

觅食行为试验:觅食时间被定义为个体成功

定位并到达食物所需的时间。 若在 1 h 内稚参未

32

第 6 期 张小龙等:不同 LED 光谱和辐照度耦合对刺参行为与生理指标的影响

能触及食物,则其觅食时间被记录为 3 600 s。 试

验过程中,将稚参置于玻璃箱内,并在箱内的两对

角分别放置稚参和约 1 g 的发酵饲料,两者之间

的距离大约为 35 cm(图 2)。 随后,利用摄像头对

稚参的觅食行为进行全程记录,并统计其成功觅

食的情况,进而计算出觅食成功的比例。

图 2 觅食试验布置图

Fig. 2 Foraging experiment layout diagram

运动行为试验:该试验主要分析稚参的运动路

程、实时速度以及运动轨迹。 从每组稚参的录像中

截取一个小时的视频片段,经过 5 倍加速处理后,

导入 Tracker 软件进行分析。 每 50 帧取一帧作为

分析点,通过追踪稚参的实时坐标,精确计算出其

运动路程、平均实时速度并描绘出运动轨迹。

翻身行为试验:翻身时间是指稚参从被倒置到

恢复到腹部完全贴底、背部向上的状态所需的时间。

若稚参在5 min 内无法自行矫直,则其矫直时间被记

录为300 s。 在试验中,将稚参单独置于塑料槽中,通

过人工施加刺激使其身体翻转,并对每组稚参(N=

9)逐一进行测量,详细记录其翻身时间。

褪黑素与皮质醇测定试验:从低温冰箱储存中

取出稚参样本,进行研磨捣碎处理。 随后进行离心

操作(2 500 r/ min, 20 min),收集上层血清用于褪黑

素和皮质醇的测定。 测定所用的试剂盒购自江苏酶

免实业有限公司,并严格按照说明书进行操作。

1. 3 行为数据的收集与分析

行为数据采集单元选用的是海康威视的红外

摄像头(型号 DS - 2CD3646FWD-IPTZS,北京京

东世纪信息技术有限公司,北京)。 该摄像头具

备红外功能,确保在夜晚或全黑暗环境下也能清

晰捕捉稚参的行为活动。 在调整摄像头至最佳观

测角度后,开始记录数据。 数据存储方面,本研究

采用 64 G 内存卡作为存储介质。 每日录制任务

完成后,视频资料会被及时拷贝至计算机上,以便

进行后续的数据分析处理。 在视频预处理阶段,

研究团队使用 PotPlayer 和 Adobe Premiere 软件

对视频进行格式转换与裁剪操作。 为提高行为分

析的效率,预处理后的视频被加速 5 倍,并且每

60 帧提取一帧用于详细的行为分析。 最终的行

为学分析则通过专业的物理示踪软件 Tracker 来

完成,以确保分析的准确性和科学性。

1. 4 数据统计分析

数据采用平均值±标准误差(Mean ± SE) 的

形式进行表示,利用 SPSS 27. 0 统计分析软件,对

试验数据进行双因素方差分析,以全面评估各因

素对结果的影响。 为进一步探究不同处理组间的

差异性,本研究采用 Duncan 多重比较方法进行深

入分析,并设定显著性水平为 P < 0. 05,以此作为

判断组间差异显著性的标准。 数据分析完成后,

通过 Origin 软件进行专业的数据可视化处理,各

组别进行了缩写,D 为黑暗组,R 为红光组,W 为

白光组,数字则代表不同辐照度,然后生成直观清

晰的图表,以便于结果展示与解读。

2 结果

2. 1 显著差异性

各处理组稚参的运动、翻身、觅食和生理激素

指标的显著性差异分析结果如表 1 所示。 除褪黑

激素外,光谱对其余所有指标均有显著影响,而辐

照度则仅对翻身时间、运动速度、皮质醇激素等有

影响。 光谱与辐照度的耦合存在交互作用,其主

要对觅食成功率、翻身时间、运动路程、运动速度

及皮质醇激素等指标具有显著影响。

表 1 不同 LED 光谱和辐照度下各处理组的运动指标显著性分析

Tab. 1 Movement indicators of various treatment groups under different LED spectra and light intensities

项目 觅食成功率 觅食时间 翻身时间 运动路程 运动速度 褪黑激素 皮质醇激素

光谱 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ NS ∗

辐照度 NS NS ∗ NS ∗ NS ∗

光谱+辐照度 ∗ NS ∗ ∗ ∗ NS ∗

注:∗表示具有显著性差异 P<0. 05,∗∗表示具有极显著性差异 P<0. 01,NS 表示不具有显著性差异 P>0. 05

33

渔 业 现 代 化 2024 年

2. 2 觅食成功率与觅食时间

稚参在不同光照条件下的觅食时间如图 3 所

示。 光谱对刺参的觅食具有显著影响,主要表现

在红光组与黑暗组和白光组相比,所需的觅食时

间显著更短(P<0. 05)。 辐照度、光谱与辐照度交

互作用对稚参的觅食时间无显著影响(P>0. 05)。

但红光 2. 5 W/ m

2 组的觅食时间最短,辐照度的

增加或减少均会导致稚参觅食时间的延长,且红

光照射下的稚参觅食时间比白光组和黑暗组

均短。

0 1 2.5 4 D

10

20

30

40

50

60

70 A


/s

/s

/(W/m2

)

0

10

20

30

40

50

60

70

a

b

a

B




  

/s

/(W/m2

)

0

10

20

30

40

50

60

70 C
fl

D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

图 3 稚参觅食成功所需时间

Fig. 3 Time required for successful foraging

稚参觅食成功率的试验结果如图 4 所示。 单

独考察辐照度因素时,各组之间无显著差异(P>

0. 05)。 光谱与辐照度交互作用对觅食成功率有

显著影响(P<0. 05)。 单独考察光谱结果发现红

光组觅食成功率显著高于其余组(P<0. 05)。 根

据光谱与辐照度耦合结果分析发现红光 4. 0 W/

m

2 组的觅食成功率最高。 觅食成功率最高的 3

组均为红光组。 白光 4. 0 W/ m

2 组的觅食成功率

最低,达到了 0 %,黑暗组也仅有 1 只稚参成功找

到食物。

A






/(W/m2

)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

1 2.5 4 D





0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6 B




  

b

b

a





0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 C
fl

/(W/m2

)



b

b

a

ab ab

ab ab

W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

图 4 稚参的觅食成功率

Fig. 4 Success rate of foraging

2. 3 翻身行为

稚参翻身所需时间的试验结果如图 5 所示。

辐照度、光谱、光谱与辐照度耦合分析均对翻身行

为有显著影响(P<0. 05)。 辐照度分析结果发现

4. 0 W/ m

2 组翻身时间最短,与 1. 0 W/ m

2 组存在

显著性差异(P<0. 05)。 聚焦光谱分析结果,可知

红光组翻身时间更短,与黑暗组、白光组相比存在

显著性差异(P<0. 05)。 光谱与辐照度耦合分析

结果发现红光 4. 0 W/ m

2 组稚参翻身所需时间最

短。 但该组与除白光 4. 0 W/ m

2 组之外的其他组

未产生显著性差异(P>0. 05)。 白光 4. 0 W/ m

2

组的翻身时间最长,且与其他各组均存在显著性

差异(P<0. 05)。

34

第 6 期 张小龙等:不同 LED 光谱和辐照度耦合对刺参行为与生理指标的影响



/s

0

20

40

60

80

100

120 A


/(W/m2

)

1 2.5 4 D

a ab

a

ab



/s

0

20

40

60

80

100

120

a

b

a

B




  



/s

C
fl

/(W/m2

)

0

30

60

90

120

150

180

210 a

b

b

b

b b b

D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

图 5 稚参的翻身时间

Fig. 5 Time required for turning over

2. 4 运动行为

2. 4. 1 运动路程

稚参运动路程的试验结果如图 6 所示。 光

谱、光谱与辐照度耦合分析均对运动路程有显著

影响(P<0. 05)。 光谱分析结果发现红光组稚参

的运动路程更长,与黑暗组和白光组相比存在显

著性差异(P<0. 05)。 光谱与辐照度的耦合分析

结果发现红光 1. 0 W/ m

2 组稚参在相同时间内运

动的路程最长,与白光 2. 5 W/ m

2 组产生显著性

差异(P>0. 05),且运动路程最长的 3 组均为红

光组。

A






/cm

1 2.5 4 D

/(W/m2

)

0 0

15

30

45

60

75

90





/cm 20

40

60

80

100



  

b

b

a

B






/cm

0

25

50

75

100

125

ab ab ab

ab ab

b

a C
fl

W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

/(W/m2

)

D

图 6 稚参的运动路程

Fig. 6 The movement of Apostichopus japonicus

2. 4. 2 平均实时运动速度

稚参的平均实时运动速度如图 7 所示。 辐照

度、光谱、光谱与辐照度耦合分析均对运动速度均

有显著影响( P < 0. 05)。 辐照度分析结果发现

1. 0 W/ m

2 的辐照度组运动速度最快,与黑暗组

相比存在显著性差异(P<0. 05)。 光谱分析结果

发现红光组稚参的运动速度最快,与黑暗组相比

同样存在显著性差异(P<0. 05)。 光谱与辐照度

耦合分析结果发现在红光组 2. 5 W/ m

2 的条件

下,稚参的运动速度达到最高,且与黑暗组、白光

4. 0 W/ m

2 组以及白光 2. 5 W/ m

2 组均有显著性

差异(P<0. 05)。





(cm/s)





(cm/s)





(cm/s)

/(W/m  2

)

A
 B
 C
fl

/(W/m2

)

   D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

0.01

0.00

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

a

a

ab

ab b

1 2.5 4 D 0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

b ab

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

a

a

ab

abc bc bc

c

图 7 稚参运动的平均实时速度

Fig. 7 Average real-time speed of the Apostichopus japonicus

35

渔 业 现 代 化 2024 年

2. 4. 3 运动轨迹

稚参运动轨迹图如图 8 所示,本研究基于稚

参的实时坐标数据,对其运动轨迹进行了统计与

分析。 结果显示,稚参表现出明显的趋壁性,其运

动多围绕箱壁进行圆周运动。 在各试验组的稚参

移动轨迹中,除了这一共性特征外,并未发现其他

方面的特征。

图 8 试验过程中的稚参总体运动轨迹

Fig. 8 Movement trajectory of Apostichopus japonicus

2. 5 皮质醇和褪黑激素的含量

稚参的皮质醇含量如图 9 所示。 辐照度、光

谱、光谱与辐照度耦合分析均对皮质醇含量有显

著影响(P<0. 05)。 辐照度分析结果发现黑暗组

的皮质醇含量最低,与其他组相比,存在显著性差

异(P<0. 05)。 光谱分析结果发现黑暗组皮质醇

含量最低,与红光组和白光组之间存在显著性差

异(P<0. 05)。 光谱与辐照度的耦合分析结果发

现红光 1. 0 W/ m

2 组的皮质醇含量最高,黑暗组

的皮质醇含量最低,且与其他所有组相比均存在

显著性差异(P<0. 05)。

稚参褪黑激素含量如图 10 所示。 辐照度或

光谱分析结果,发现各组之间并未呈现出显著性

差异(P>0. 05)。 光谱与辐照度的耦合分析结果,

发现各组稚参的褪黑激素含量相对均衡,各处理

组之间均无显著性差异(P>0. 05)。

A








/(µg/dL)

1 2.5 4 D

/(W/m2

)

0

200

400

600

800

1000

1200

a a a

b







/(µg/dL)

0

200

400

600

800

1000

1200

b

a a

B


  









/(µg/dL) 800

1000

700

900

1100

b

ab

ab ab ab ab

a C
fl

D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5 R1.0

/(W/m2

)

图 9 稚参腔液中皮质醇含量

Fig. 9 Content of cortisol in the coelomic fluid of Apostichopus japonicus









/(µg/dL)

A


/(W/m2

)

1 2.5 4 D 0

5

10

15

20

25

30









/(µg/dL) 0

5

10

15

20

25

30 B


  











/(µg/dL) 0

5

10

15

20

25

30

C
fl

W2.5 D W4.0 W2.5 W1.0 R4.0 R2.5

/(W/m2

)

图 10 稚参褪黑激素含量

Fig. 10 Melatonin content in Apostichopus japonicus

36

第 6 期 张小龙等:不同 LED 光谱和辐照度耦合对刺参行为与生理指标的影响

3 讨论

3. 1 不同光谱及辐照度对刺参觅食行为的影响

光环境对水生动物的昼夜活动节律、觅食和

集群行为具有显著影响[11]

。 觅食是刺参的主要

活动之一,刺参利用触手粘附并扫取沉积物,通过

伸展触手、分泌黏液来粘附沉积物碎屑,并将其送

入口咽部[20-21]

。 试验结果显示,在红光照射下,

刺参觅食所需时间大幅减少,同时觅食成功率也

显著提升。 特别是在 2. 5 W/ m

2 的辐照度条件

下,刺参的觅食表现达到最佳状态,过强或过弱的

光都会显著影响刺参觅食行为。 这些结论表明不

同的光谱和辐照度,对刺参觅食行为有很大影响。

Dong 等[25]发现刺参的活动节律和觅食行为受到

光照和光周期的显著影响。 强光会严重影响刺参

的觅食积极性,本研究结果与 Dong 等[25]的一致。

Yu 等[27]发现不同辐照度会显著影响海参的觅

食、应激反应及生理状态。 低光照和低温下,刺参

觅食量较大,这一发现与本研究有类似的结论,因

此适宜的红光辐照度对刺参觅食有益。

3. 2 不同光谱及辐照度对刺参翻身行为的影响

翻身行为是刺参常见的行为之一,当刺参因

外界刺激或环境变化导致身体翻转时,会迅速收

缩身体并翻转至正常状态。 通过统计翻身所需时

间,可以有效评估刺参的活力以及其对外界刺激

的响应速度,以此来判断海参的活力状态[33]

。 试

验结果显示,在红光照射下,刺参对外界刺激的反

应更为迅速,尤其在 2. 5 W/ m

2 的辐照度下,其反

应速度最快。 该结论和觅食行为结论一致,表明

适宜的光谱和辐照度,可以提高刺参活力和对外

界刺激的反应速度。 活力状态较好的刺参可以更

好地抵御养殖过程中的环境应激。 在对棘皮动物

海胆(Echinoidea)的研究中发现,相较于红光和全

光谱,海胆在蓝色 LED 光照射下需要更长的时间

来进行翻身[32]

,证实了光谱对棘皮动物翻身有显

著影响。

3. 3 不同光谱及辐照度对刺参运动行为的影响

刺参运动主要目的是觅食,自然环境中它的

速度相当缓慢,主要依靠腹部的吸盘在海底进行

移动[19]

。 本研究结果显示,红光照射下刺参的运

动速度更快,运动距离更远。 这一发现阐释了红

光组刺参觅食时间更短、觅食成功率更高和翻身

速度更快的原因。 此外,通过统计各组刺参的移

动轨迹,推测出刺参运动存在共性特征:其轨迹大

多沿着玻璃箱壁进行爬行,即表现出趋壁性。 李

娟等[17]研究发现刺参具有负趋光性、趋边性和单

向拓扑性,这与本研究的结果类似。 此发现可能

与刺参身体结构有关,刺参通过腹面的管足爬行,

身体呈现圆筒状,难以进行大幅度转向等复杂

运动。

3. 4 不同光谱及辐照度对刺参生理状态的影响

褪黑素在刺参的生理过程中发挥着关键的调

节作用,能够调整刺参的生理节律,提升刺参新陈

代谢率,从而有效促进生长发育。 此外,褪黑素还

能增强 刺 参 的 免 疫 能 力, 进 而 提 高 其 抗 病 能

力[28]

。 石琼等[29] 发现,光周期和水温等环境因

子对水 生 生 物 褪 黑 素 的 分 泌 具 有 显 著 影 响。

Delgado 等[30]发现光周期对两栖类动物黑斑侧褶

蛙(俗称青蛙)(Pelophylax nigromaculatus)的褪黑

激素分泌有极大影响。 但本研究结果显示,各组

褪黑素的含量并未表现出显著性差异,这可能与

试验的光周期及取样时间有关。

皮质醇是衡量应激水平的重要生理标志,其

含量的过高或过低均可能导致机体免疫功能下

降,从而增加患病风险[12]

。 皮质醇激素有良好的

稳定性,其升高幅度和持续时间与应激源的强度

及作用 时 间 呈 正 相 关, 被 视 为 灵 敏 的 应 激 信

号[16,25]

。 目前,关于皮质醇的研究多聚焦于海洋

脊椎动物,而针对海洋棘皮动物的研究则相对较

少[14]

。 Pei 等[24]证实了刺参体腔液中皮质醇的

存在,而刘桂英等[15]对仿刺参稚参体腔液中皮质

醇测量提供了快速灵敏的方法。 本研究结果表

明,红光组皮质醇含量最高,表明红光组的海参活

力更好,能对外界刺激做出更快的反应,这一发现

与翻身试验的结果一致。

4 结论

本研究利用自制的刺参行为采集与分析装

置,深入探讨了不同辐照度和光谱对刺参行为和

生理状态的影响。 利用双因素耦合分析,探究了

光谱、辐照度及其耦合对刺参行为以及生理的影

响。 研究发现:红光照射下的刺参表现为较高的

觅食成功率、较快的觅食速度、较强的运动能力,

说明红光下海参的活力较强,可以对外界刺激快

37

渔 业 现 代 化 2024 年

速做出响应,而过高或过低辐照度均不利于刺参

的行为活动;刺参的运动轨迹具有趋壁性。 建议

在稚参培育阶段采用 2. 5 W/ m

2 的辐照度红光

谱,同时应避免使用白光谱及辐照度过高的光照。

□

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The impact of different LED spectra and irradiance coupling on the

behavior and physiological indicators of Apostichopus japonicus

ZHANG Xiaolong

1 ,2

, ZHAO Xinyu

1,2

, CAI Haowei

1

, ZHANG Zhibo

1,2

,

SUN Yan

1,3

,WANG Tianyue

1,2

, ZHANG Yining

1,2

, MA He

1,2

(1 Key Laboratory of Facility Fisheries, Ministry of Education (Dalian Ocean University),

Dalian 116023, Liaoning,China;

2 College of Marine Science and Environmental Engineering, Dalian Ocean University,

Dalian 116023, Liaoning, China;

3 Foshan (Hainan) Technology Co. , Ltd. , Haikou 528000, Hainan, China)

Abstract:To investigate the potential effects of varying irradiance levels and spectral compositions on the

behavior and physiology of Apostichopus japonicus, a comprehensive study was undertaken. Experimental

groups were established, including a dark control group, a red light treatment group (with irradiance levels of

1. 0 W/ m

2

, 2. 5 W/ m

2

and 4. 0 W/ m

2

), and a white light treatment group (also at 1. 0 W/ m

2

, 2. 5 W/ m

2

and 4. 0 W/ m

2

). Utilizing a custom-designed apparatus, we assessed feeding behavior, turning ability, and

locomotor activity. Additionally, melatonin and cortisol levels were measured in Apostichopus japonicus over a

37-day trial period. The results indicated that under red light conditions, Apostichopus japonicus demonstrated

enhanced performance in terms of feeding success rate, feeding speed, and responsiveness to external stimuli

when compared to both the white light and dark conditions. Notably, at an irradiance level of 2. 5 W/ m

2

in

red light, Apostichopus japonicus exhibited optimal overall performance. The red light treatment group

displayed significantly faster movement speeds and longer travel distances within equivalent time frames

compared to the white light and dark groups. Furthermore, the cortisol levels in the red light group were

elevated relative to those in the white light and dark groups, while no statistically significant difference (P >

0. 05) was observed in melatonin content. Based on these findings, it is recommended to employ the red light

spectrum during the juvenile cultivation phase of Apostichopus japonicus, with an optimal irradiance level of

2. 5 W/ m

2

. Additionally, it is advisable to avoid excessively high irradiance levels within the farming

environment. This study not only provides a scientific foundation for understanding the optimal light conditions

required for the behavioral patterns and growth of Apostichopus japonicus but also offers valuable insights for the

sustainable development of its aquaculture.

Key words:Apostichopus japonicus; light intensity; spectrum; behavior; hormone

39

第 51 卷第 6 期 渔 业 现 代 化 Vol. 51 No. 6

2024 年 12 月 FISHERY MODERNIZATION Dec. 2024

DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2024. 06. 005 开放科学(资源服务)标识码(OSID):

李旭,江兴龙,陈庆祥.一种升降清洗式水质传感器管控装置研制及应用[J]. 渔业现代化,2024,51(6):40-48.

收稿日期:2024-07-21

基金项目:国家重点研发计划“特色鱼类精准高效养殖关键技术集成与示范(2020YFD0900102)” ; 鳗鲡现代产业技术教育部工程研究

中心开放基金(RE202303、RE201910 )

作者简介:李旭(1998—),男,硕士研究生,研究方向:水产养殖。 E-mail:2745157399@ qq. com

通信作者:江兴龙(1968—), 男,博士生导师, 博士,教授,研究方向:水产绿色养殖、智能化养殖。 E-mail: xinlongjiang@ jmu. edu. cn

一种升降清洗式水质传感器管控装置研制及应用

李 旭1,2

,江兴龙1,2

,陈庆祥1,2

(1 集美大学水产学院,福建 厦门 361021;

2 鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心,福建 厦门 361021)

摘要:为突破水质传感器普遍存在因长期浸泡水中而导致检测灵敏度下降和准确率降低等技术瓶颈,研制了

一种升降清洗式水质传感器管控装置。 该装置采用 Arduino UNO R3 作为主控板,结合 SIM7020 NB-IoT 模

块和 HC-05 蓝牙模块,并基于 Blynk 平台开发移动端应用软件,用户可以通过手机实时查看和控制设备的

运行状态,实现装置的远程和近距离双模式控制。 传感器支架设计为可更换结构,能够灵活配置和调节传感

器的摆放位置,通过自动化升降和清洗机制,装置能够定期清除传感器探头表面的污垢,确保数据的准确性

和传感器的长期稳定运行。 选取水质 pH 和溶氧传感器进行该装置的应用对比测试。 结果显示:使用该装

置的 pH 检测传感器的检测数值与采用国标法的 pH 检测仪检测数值的平均相对误差仅 2. 13%,而未使用该

装置的平均相对误差高达 9. 51%,具有显著差异(P<0. 05);使用该装置的溶氧检测传感器的检测数值与采

用国标碘量法检测数值的平均相对误差仅 3. 09%,而未使用该装置的平均相对误差高达 10. 92%,具有显著

差异(P<0. 05)。 研究表明,该装置具有体积较小,系统运行稳定,探头清洗干净和适用场景广的优点,具有

良好的推广和应用价值。

关键词:水质;水产养殖;水质传感器;智能管控装置

中图分类号:TP 23;TN 98 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2024)06-0040-009

在水产养殖过程中,水质监测是确保水产养

殖健康和高效生产的关键环节[1-2]

。 传统的水质

监测方式主要依赖人工采样和实验室分析,不仅

费时费力,而且难以实现实时监控[3-5]

。 近年来,

随着物联网技术的不断进步,各类水质传感器被

广泛应用于水产养殖领域,通过实时监测 pH、溶

氧、温度等关键水质参数,大大提高了水质管理的

效率和精度[6-8]

。 然而,水质传感器在实际应用

中仍然面临诸多挑战[9]

。 由于传感器长期浸泡

在水体中,表面容易附着污物和藻类,不仅会降低

传感器 的 灵 敏 度 和 准 确 性, 还 会 缩 短 使 用 寿

命[10-12]

。 传统解决方法通常是定期人工清洗传

感器,不仅劳动强度大,而且容易导致监测数据的

中断,影响水质管理的连续性和可靠性[13]

。 近年

来, 随着水质传感器存在的清洁问题越发凸显,

引起了人们的关注,出现了人工水喷射清洁、射流

清洁、超声波清洁等多种技术方法[14-15]

,但由于

各种应用条件的限制并未能在生产实践中得以推

广使用。

为此,利用蓝牙和窄带物联网(NB-IoT)通信

技术设计并开发了一种升降清洗式水质传感器管

控装置(以下简称装置),拥有灵活可换的传感器

支架,便于安装与部署,适用多种养殖环境,降低

总体使用成本,通过自动升降和清洗功能,有效减

少传感器表面污物的积累,延长传感器的使用寿

命,并显著提高水质监测的准确性和稳定性。

1 装置总体方案设计

1. 1 机械结构设计

装置机械结构设计如图 1 所示。 核心组件包

括传感器升降机构、各类电控模块、浮球、传感器

可更换支架和无刷潜水泵等。 传感器升降机构采

第 6 期 张小龙等:不同 LED 光谱和辐照度耦合对刺参行为与生理指标的影响

用滑台模组,确保传感器在垂直方向上的精确升

降,该模组与水体间的距离可根据圆形浮球(序

号 6)上的金属支架(序号 13)进行调整,以满足

不同传感器的使用需求;传感器支架设计为可灵

活调整的模块化结构,能够支持最多 7 个水质传

感器的同时安装,并可根据实际监测需求对支架

进行更换或扩增;支架连接滚珠丝杆滑台模组,通

过模组上的步进电机驱动,电机与滚珠丝杆滑台

模组相连,带动支架实现传感器的平稳升降;滚珠

丝杆滑台模组(序号 3)上下各有一个限位开关,

此开关确保传感器支架在装置断电又重新上电时

回到初始位置(滑台模组顶部),预防装置故障时

造成升降机构损坏;装置浮球下带有自清洗机构,

该机构放置于养殖水体中,由水管延伸器(带有

起泡器)和无刷潜水泵组成;水管延伸器和起泡

器采用耐腐蚀、耐高温材料,水管延伸器的可弯曲

特性使其能够精确到达传感器探头位置进行清

洁,而无刷潜水泵则提供适宜的水流,用于辅助水

管延伸器有效清除探头表面的污垢,确保传感器

测量的精度和稳定性;装置底座采用稳固的圆形

浮球,其占地面积较小、运输便利,适用于在不同

水域环境中工作。 在装置两侧配有收纳盒(序号

4),盒内包含 Arduino UNO R3 主控板和继电器等

装置电子控制模块,通过移动应用软件实现对装

置升降和清洗的控制。







 















 



 



€



 





  

 







图 1 智能升降式水质传感器管控装置机械结构图

Fig. 1 Intelligent lifting water quality sensor control device mechanical structure diagram

1. 2 控制系统方案设计

控制系统方案如图 2 所示,主要包括两个部

分:硬件控制层和操作管理层,升降和清洗控制模

块为硬件控制层,移动端应用软件为操作管理层。

升降控制模块负责传感器的精确升降操作。

系统采用滚珠丝杆滑台结构与步进电机结合,实

现对传感器的垂直移动。 步进电机通过 Arduino

主控板进行指令控制,由 1 路 12 V 高电平触发继

41

渔 业 现 代 化 2024 年

电器和 TMC2208 驱动模块驱动滑台模组运行,确

保传感器能够根据预定的时间间隔自动升降,减

少传感器与水体的长期接触,避免因水体环境影

响而导致的传感器灵敏度降低。 升降动作的精确

性和稳定性通过上下限位开关加以保证,确保在

断电或重新上电时,传感器能够回到初始位置,防

止意外损坏。 清洗控制模块用于控制传感器探头

的定时清洗。 清洗系统通过无刷潜水泵从水源抽

取水体,对传感器表面进行冲洗,清除附着的污垢

和杂质。 潜水泵的启动与停止由 Arduino 主控板

带动 MY2NJ 电磁继电器进行控制,并且通过移动

端 App 设置清洗频率和持续时间,确保清洗过程

不会干扰传感器的正常工作,同时保证清洗效果。

远程管理模块通过移动端 App 实现装置的操作

与监控。 App 采用蓝牙和 NB-IoT 两种通信方式

与装置进行实时通信。 用户可以通过 App 远程

控制传感器的升降动作和清洗功能,查看当前装

置的状态, 或根据需要调整装置的工作参数。

App 的设计注重用户体验,界面简洁,操作便捷,

适用于不同的使用场景。











+NB-IoT



 

 

 









图 2 系统控制方案

Fig. 2 System control programme

2 系统硬件设计

2. 1 系统硬件结构总体设计

系统硬件主要包括控制模块、升降机构、清洗

系统和通信模块,整体设计注重可靠性和扩展性,

各模块间通过标准化接口连接,便于维护与升级。

系统硬件结构设计如图 3 所示。

12V-10A



+NB-IoT

Arduino

 

1

12V



TMC2208





MY2NJ



MP1584



S5W-N

  

图 3 系统硬件结构设计

Fig. 3 System hardware structure design

控制模块采用 Arduino UNO R3 主控板,作为

系统的核心控制单元。 Arduino UNO R3 通过 I/ O

接口, 连 接 并 控 制 整 个 系 统 的 关 键 组 件, 如

TMC2208 驱动和继电器模块等,并集成蓝牙和

NB-IoT 通信模块,用于实现本地和远程的双重控

制。 同时,Arduino UNO R3 外接 MP1584 同步整

流降压模块,该模块负责将外接电源传输至 12 V

-10 A 电 源 适 配 器 的 输 入 电 压 转 换 为 适 合

Arduino 和其他元件的稳定电压,避免因电压波动

导致系统故障。 升降机构由滚珠丝杠滑台模组驱

动,通过连接 TMC2208 步进电机驱动和 1 路 12 V

高电平触发继电器模块,由主控板下发指令实现

对滚珠丝杠滑台模组的控制。 步进电机通过驱动

模块接收来自 Arduino 主控板的脉冲信号,按照

42

第 6 期 李旭等:一种升降清洗式水质传感器管控装置研制及应用

设定的步进精度驱动滑台模组进行上下移动,确

保传感器能够在水体中精确升降。 滚珠丝杠滑台

模组上下各有一个 S5W-N 限位开关,直连主控

板,预防装置升降机构带动传感器支架上下撞击

造成机械结构损坏。 为适应不同深度的水域监

测,升降机构的行程可以根据实际需求进行调整。

清洗系统集成无刷潜水泵、继电器和软管硬件,用

于定时清洗传感器探头。 清洗系统通过软管与无

刷潜水泵连接,软管末端安装有起泡器,以确保水

流均匀覆盖传感器表面。 潜水泵通过外接电源直

接驱动,经由 MY2NJ 电磁继电器控制启停,能够

根据设定的程序定时进行清洗操作,防止污垢和

藻类的积累,保持传感器的测量精度。 通信模块

采用蓝牙和 NB-IoT 双重通信方式。 蓝牙模块负

责短距离通信,适用于现场操作,而 NB-IoT 模块

则提供广覆盖、低功耗的远程通信能力,适用于较

大范围的监测场景。 蓝牙模块通过 UART 接口与

主控板相连接,实现指令的传输与执行。

2. 2 无线通信模块

无线通信模块设计主要依托蓝牙和 NB-IoT

技术, 以 满 足 近 距 离 操 作 和 远 程 管 理 的 需

求[16-18]

。 蓝牙模块采用标准的 HC-05 模块,负责

近距离无线通信。 Arduino UNO R3 主控板通过

其唯一的硬件 UART 接口与蓝牙模块进行通信,

确保在现场环境中用户可以通过移动端 APP 与

装置进行实时连接和控制。 蓝牙模块的低功耗设

计和稳定性使其非常适合现场调试和日常操作。

NB-IoT 选用 SIM7020 模块用于远程监控和管理,

通过嵌入式 SIM 卡连接到移动通信网络,该模块

适用于装置部署在广域水域环境中的场景。 由于

Arduino UNO R3 只有一个硬件 UART 接口,因此

本设计采用 SoftwareSerial 库创建一个虚拟串口,

用于与 NB-IoT 模块的通信。 NB-IoT 技术通过移

动网络进行广覆盖、低功耗的数据传输,确保用户

可以随时随地通过 APP 远程监控设备的运行状

态。 蓝牙和 NB-IoT 双重通信模式的结合,使得装

置既能实现本地精确控制,又能支持远程管理,极

大地提升了系统的操作灵活性。

2. 3 传感器探头升降系统

本研究设计的传感器探头升降系统,旨在为

传感器提供稳定、高效的升降操作,确保传感器在

水下和水上间的自由移动。 该系统的核心组件包

括滚珠丝杆滑台模组、TMC2208 驱动模块、1 路

12 V 高电平触发继电器和 S5W-N 防水微动开关

(限位开关)组成,其可通过移动软件进行自动升

降或人为控制升降两种,可根据实际情况供养殖

人员进行任意操作,同时滚珠丝杆滑台模组具备

高精度、低噪声和长寿命的特点,适用于频繁的升

降操作。 图 4 为装置升降机构的主体部件滚珠丝

杆滑台模组(型号为 1204-200 mm),其内置步进

电机,位于丝杆顶部。 该模组垂直固定于浮球上,

传感器支架与内嵌在丝杆两侧导轨的平面进行连

接,通过中间螺纹杆的旋转带动平面上下运动,进

而实现传感器的垂直升降。

图 4 1204-200 mm 含电机滚珠丝杠滑台模组

Fig. 4 1204-200 mm Ball Screw Slide Module with Motor

2. 4 传感器探头清洗系统

考虑到养殖池塘边基本没有配备外接自来水

龙头,为使装置能广泛应用,清洗探头的水源采用

池塘水。 本装置的清洗系统采用型号为 MY2NJ,

线圈电压是直流 12 V 的电磁继电器、12 V20 W

无刷潜水泵以及耐高温高压定型延伸器带防溅起

泡器等部件组成。 将电磁继电器与无刷潜水泵连

接,并通过 Arduino UNO R3 主板进行控制,实现

电磁阀的长闭与长开。 可选取养殖池内水深 50

cm 处较干净的中层水质作为清洗水,将潜水泵放

置在此深度,另一端与水管延伸器进行连接。 水

管延伸器包裹在浮球外围进行固定,从下往上斜

角 45° ~60°范围间对传感器探头底部进行冲洗,

此范围内冲洗效果最佳。 同样,清洗系统也存在

通过移动应用软件进行自动或人为控制清洗两种

模式。 图 5 为清洗系统组成元件。

43

渔 业 现 代 化 2024 年

 

 

1.5 m

图 5 清洗系统组成元件

Fig. 5 Cleaning system components

2. 5 MCU 主控板

装置控制系统采用 Arduino UNO R3 作为核

心控制单元,Arduino UNO R3 基于 ATmega328P

微控制器,该微控制器具有 AVR 架构,能够在 16

MHz 的时钟频率下稳定运行[19-21]

。 虽然时钟频

率相对较低,但 AVR 架构在处理实时任务和控制

逻辑方面具有很高的效率,能够确保系统在复杂

环境下的实时性和响应速度。 此外,ATmega328P

具备 32 kB 的闪存,足以存储复杂的控制程序,并

且具有 1 kB 的 EEPROM 和 2 kB 的 SRAM,能够

满足大多数嵌入式应用的存储需求。 Arduino

UNO R3 提供 14 个数字 I/ O 引脚(其中6 个可用

于 PWM 输出) ,以及 6 个模拟输入引脚。 这些

丰富的 I/ O 资源使得系统能够轻松地集成各种

执行器和通信模块,满足多样化的应用需求。

3 系统软件设计

3. 1 无线网络通信设计

无线网络通信设计基于 NB-IoT 和蓝牙技术,

采用蓝牙通信协议和 NB-IoT 通信协议来实现设

备与移动端应用软件之间的指令传递和控制,这

两种协议的结合确保了系统的稳定性和灵活性,

适用于不同的应用场景。 图 6 为装置通信节点控

制流程。

蓝牙模块通过 UART 接口与 Arduino UNO

R3 主控板相连接,在系统启动时,蓝牙模块首先

通过‘AT+INIT’命令进行初始化,配置通信参数,

包括波特率和数据格式,以确保与移动端应用的









( +NB-IoT )



















(App)

(

 

)

图 6 装置通信节点控制流程

Fig. 6 Device communication node control flow

稳定通信。 当用户在移动端应用中发出控制指令

(如启动水泵或调整传感器位置)时,指令以特定

格式打包,通过蓝牙模块发送至主控板。 蓝牙模

块接收指令后,立即通过 UART 接口将其传递给

Arduino 主控板,主控板解析收到指令码,并根据

44

第 6 期 李旭等:一种升降清洗式水质传感器管控装置研制及应用

指令内容执行相应的操作,如控制滑台模组的升

降或启动水泵进行传感器清洗。 另一方面,在

NB-IoT 远程通信中,NB-IoT 模块通过嵌入式 SIM

卡接入移动通信网络。 在设备启动时,模块首先

进行网络注册,通过‘AT+COPS = 0’ 命令自动选

择运营商网络,并通过‘AT+CGATT = 1’命令附着

到网络。 移动端应用通过服务器向设备发送远程

控制指令,指令通过 NB-IoT 模块以 UDP 协议传

输至 设 备。 模 块 接 收 到 数 据 后, 将 其 传 递 给

Arduino 主控板,主控板解析指令并执行相应操

作,如远程启动或停止设备的功能模块。

3. 2 传感器升降和清洗功能程序设计

传感器探头升降与清洗流程如图 7 所示。













 



































图 7 传感器探头升降与清洗流程

Fig. 7 Sensor probe lifting and cleaning process

在设备首次上电后,Arduino UNO R3 主控板

将启动硬件初始化程序,并对各个外围模块进行

自检和配置。 此时,装置通过无线通信模块将其

当前状态传输到移动端 APP 界面,用户可以实时

查看设备的运行状态和程序执行情况。 在两功能

配合联动模式下,装置按照软件设定程序执行操

作,通过 Arduino 控制步进电机,驱动滚珠丝杆滑

台机构,将浸在水中的传感器提升至指定的清洗

高度。 当装置上升到指定位置后,潜水泵抽取池

塘水源,通过软管将水流输送到传感器探头表面,

并在设定时长内进行探头冲洗,冲洗结束后等待

下一个周期循环往复。 装置升降和清洗时长、间

隔周期和两系统的配合联动等可在移动端软件上

进行自定义设置。

4 移动端应用

移动端应用 App 采用 Blynk 平台进行开发。

Blynk 是一个专为物联网( IoT) 设计的移动端应

用开发平台,支持 Arduino 等硬件平台[22-23]

,它提

供了一个简便且功能强大的开发环境,允许用户

通过拖放控件的方式快速创建移动应用界面,并

与硬件设备进行实时通信。 硬件使用 Blynk 库在

Arduino IDE 中编写控制程序,配置 NB-IoT 模块

的通信,并通过 Blynk 的 Auth Token 将设备连接

到 Blynk 云服务器。 Blynk 移动端应用发送控制

指令,通过 Blynk 服务器传输至 Arduino UNO R3

主控板执行。 移动应用软件界面设计简洁、操作

便利,能够显示设备状态信息和设定程序等内容,

并包含对装置升降与清洗功能进行自定义设置和

调节等模块。

5 试验

5. 1 试验设计

选择在厦门市集美大学水产试验场鳗鲡循环

水养殖车间作为试验场地,此车间已实现水质参

数全 天 候 监 测。 试 验 对 象 为 养 殖 澳 洲 鳗 鲡

(Anguilla australis),选取车间其中一口养殖桶作

为试验桶,试验桶放养鳗鲡 80 尾,规格为 100 ±

4. 6 g。 试验时间从 2023 年 3 月 25 日持续至 5

月 26 日,共计 63 d,选取水质 pH 和溶氧传感器

进行数据监测[24-26]

。 为确保试验过程中采集的

数据覆盖面较广,对养殖试验桶每 3 d 进行一次

水质检测, 检测时间为每日上午 9: 00 和下午

15:00,每日数据检测结果取平均值。 试验过程

中,鳗鲡正常进行喂食和循环水流动。

45

渔 业 现 代 化 2024 年

养殖水质 pH 和溶氧浓度的检测对比试验分

组:设置 3 个试验组,对照组(应用国标法的水质

因子检测方法/ 仪器)、处理Ⅰ组(应用本研究装

置+在线水质检测传感器)、处理Ⅱ组(在线水质

检 测 传 感 器 )。 其 中, 对 照 组 采 用 型 号 为

HI991003 的便携式 pH 检测仪进行 pH 检测,溶

氧浓度采用国标碘量法进行测定[27]

,处理Ⅰ组使

用本研发装置辅助传感器进行不间断的水质检

测,处理Ⅱ组在试验期间将 pH 和溶氧检测传感

器探头按其检测操作要求一直浸泡在养殖水

体中。

试验选用的 pH 和溶氧水质检测传感器两个

处理组均为统一品牌和型号,试验前对所有传感

器应用国标方法进行因子检测校准,设定将本装

置应用于处理Ⅰ组中。 对装置下水前进行调试,

确保水质检测传感器在不获取水质数据时与水面

初始距离保持在 12 cm 左右。

处理Ⅰ组的装置执行程序如下:设定装置每

隔 5 min 执行一次升降运动,使传感器在浸入水

中获取水质数据时停留 20 s,在获取完检测数据

后将传感器自动升起。 确保清洗系统启停正常,

通过无刷潜水泵抽取养殖桶内中层水源对传感器

进行全面的探头清洗,清洗时长为 10 s。 周期性

的升降运动可以有效减少水质检测传感器与养殖

水体的接触时间与接触面积,同时足够的水面停

留时间也不影响水质数据的采集。

5. 2 试验结果与分析

通过开展 3 个试验组养殖水质 pH 和溶氧质

量浓度检测数据的对比,旨在评估升降清洗式水

质传感器管控装置在提升传感器水质监测准确性

等方面的实际应用效果,试验期间各组的 pH 和

溶氧数据对比情况如表 1 所示。

表 1 养殖水质 pH 与溶氧检测数据对比情况

Tab. 1 Comparison of aquaculture water quality pH and DO testing data

水质因子 对照组 处理Ⅰ组 处理Ⅱ组

相对误差/ % 变异系数/ %

处理Ⅰ组 处理Ⅱ组 处理Ⅰ组 处理Ⅱ组

pH 7. 69±0. 23

a

7. 74±0. 34

a

8. 16±1. 27

b

2. 13±0. 54

a

9. 51±6. 72

b

4. 39±1. 48

a

15. 56±2. 79

b

DO 6. 84±0. 36

a

6. 83±0. 48

a

7. 40±1. 53

b

3. 09±0. 84

a

10. 92±7. 67

b

7. 03±1. 88

a

20. 68±3. 22

b

注:同行数据不同小写字母表示差异显著(P<0. 05)

根据试验结果,使用本研发装置的处理Ⅰ组

pH 与对照组采用国标法的便携式 pH 检测仪检

测的数值相比不存在显著差异(P>0. 05);然而,

未使用本装置的处理Ⅱ组 pH 与对照组采用国标

法的便携式 pH 检测仪检测的数值相比存在显著

差异(P<0. 05)。 使用本研发装置的处理Ⅰ组溶

氧值与对照组采用国标碘量法检测的数值相比不

存在显著差异(P>0. 05);未使用本装置的处理Ⅱ

组溶氧值与对照组采用国标碘量法检测的数值相

比存在显著差异(P<0. 05)。 研究表明,本研发装

置的使用有助于缩小 pH 和溶氧水质检测传感器

与采用国标法检测数值的差异性。

使用该装置的 pH 检测传感器的检测数值与

采用国标法的 pH 检测仪检测数值的平均相对误

差和变异系数相比未使用该装置的存在显著差异

(P<0. 05);使用该装置的溶氧检测传感器的检测

数值与采用国标碘量法检测数值的平均相对误差

和变异系数相比未使用该装置的存在显著差异

(P<0. 05)。 表明该装置可显著提高水质监测传

感器的准确性,降低传感器的检测误差,提高水质

监测数据的可靠性和稳定性。

本装置与孙毅等[28] 发明的具有电极自动清

洗和标定的水质在线监测系统,王祖刚[29] 发明的

太阳能水产养殖水质监测自动清洗装置,单慧勇

等[30]设计的传感器射流清洁系统以及刘雨青

等[31]设计的基于物联网的水质传感器监控及自

清洗装置相比,具有体积小、拆解安装便利、便携

性高、维护成本和制造成本低、管控操作简单便利

等优势,可用于多传感器监测系统。

6 结论

设计并实现了一种基于 NB-IoT 和蓝牙通信

技术的升降清洗式水质传感器管控装置。 该装置

采用 Arduino UNO R3 作为主控板,结合 SIM7020

NB-IoT 模块和 HC-05 蓝牙模块,实现远程和近距

离双模式控制。 传感器支架设计为可更换结构,

能够灵活配置和调节传感器的摆放位置,适应不

46

第 6 期 李旭等:一种升降清洗式水质传感器管控装置研制及应用

同监测需求,通过自动化升降和清洗机制,装置能

够定期清除传感器探头表面的污垢,确保数据的

准确性和传感器的长期稳定运行。 装置的移动端

应用软件基于 Blynk 平台开发,用户可以通过手

机实时查看和控制设备的运行状态。 试验结果表

明,经过定期升降和清洗的传感器在长期监测中

能够保持较高的测量精度,与使用国标法的水质

因子检测方法/ 仪器的对比结果误差在合理范围

内。 该装置具备较强的实用性和推广价值。 □

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47

渔 业 现 代 化 2024 年

Development and application of a lifting and cleaning type

water quality sensor control device

LI Xu

1,2

, JIANG Xinglong

1,2

,CHEN Qingxiang

1,2

(1 Fisheries College, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian, China;

2 Engineering Research Center of the Modern Technology for Eel Industry,

Ministry of Education, Xiamen 361021, Fujian, China)

Abstract:To overcome the technical bottlenecks commonly found in water quality monitoring sensors, such as

decreased detection sensitivity and accuracy due to prolonged immersion in water, a lifting and cleaning control

device for water quality sensors was developed. This device uses an Arduino UNO R3 as the main control

board, combined with the SIM7020 NB-IoT module and HC-05 Bluetooth module. A mobile application was

developed based on the Blynk platform, allowing users to monitor and control the device's operation in realtime via smartphone, achieving both remote and local dual-mode control. The sensor bracket is designed as a

replaceable structure, enabling flexible configuration and adjustment of the sensor's placement. Through an

automated lifting and cleaning mechanism, the device can periodically remove dirt from the sensor probe 's

surface, ensuring data accuracy and the long-term stable operation of the sensors. pH and dissolved oxygen

sensors were selected for comparative testing of this device. The results showed that the average relative error

of the pH sensor using this device compared to the standard method pH meter was only 2. 13%, while the

average relative error without the device was as high as 9. 51%, showing a significant difference (P<0. 05).

The average relative error of the dissolved oxygen sensor using this device compared to the standard iodometric

method was only 3. 09%, while the average relative error without the device was as high as 10. 92%, also

showing a significant difference (P<0. 05). This device has the advantages of a small size, stable system

operation, thorough cleaning of the probe, and wide applicability, providing good potential for promotion and

application.

Key words:water quality; aquaculture; water quality sensors; intelligent control devices

48