Мониторинг и контроль при культивировании морских водорослей и рыбы

Данная статья посвящена системам мониторинга и контроля при выращивании морских водорослей и рыбы. Производство морских водорослей имеет важное значение для экономики и неуклонно растет. Оно считается вторым по значимости видом деятельности в сфере аквакультуры. Водоросли употребляют в пищу не только в сыром виде, после промышленной обработки их используют в качестве компонентов в различных блюдах. В статье изложена информация о пяти видах водорослей и наиболее популярных методах их культивирования.

Кроме того, авторы подсчитали количество употребляемой рыбы на душу населения (по регионам), ежегодные мировые объёмы производства рыбы, объём произведённой в мире рыбы за последние 60 лет, долю произведённой рыбы по регионам в процентах, мировые объёмы производства морских водорослей, количество водорослей и основные промышленные виды водорослей.  Проведен анализ технологии рециркуляционных систем, с датчиками, насосами и фильтрами, предназначенными для измерения, регулирования и устранения переменчивости и удаления отходов. Технология разработана на базе научного учреждения и уже опробована. Приводятся технические характеристики УЗВ-системы с четырьмя бассейнами. Наконец, в работе представлены схемы усовершенствованной системы мониторинга и контроля, способной поддерживать производственный процесс в автоматическом режиме. Даются подробные описания компонентов – датчиков, двигателей, насосов, электронных элементов, компьютерных и программных технологий.

Рисунок 1. (a) Потребление рыбы на душу населения; (b) ежегодное производство рыбы (сверху - рыболовство, снизу - аквакультура); (c) мировое производство рыбы за 60 лет; (d) производство рыбы в процентах по регионам, (e) мировое производство морских водорослей (метрические тонны, %), (f) стоимость морских водорослей ((млн.$, % использования в питании против промышленного использования), (g) три типа морских водорослей для промышленного производства (стоимость в $, %)[3,4,5]
Рисунок 1. (a) Потребление рыбы на душу населения; (b) ежегодное производство рыбы (сверху — рыболовство, снизу — аквакультура); (c) мировое производство рыбы за 60 лет; (d) производство рыбы в процентах по регионам, (e) мировое производство морских водорослей (метрические тонны, %), (f) стоимость морских водорослей ((млн.$, % использования в питании против промышленного использования), (g) три типа морских водорослей для промышленного производства (стоимость в $, %)[3,4,5]

1. Введение

Согласно Продовольственно-сельскохозяйственной организации ООН, к 2050 году, для удовлетворения потребностей 9 млрд. населения планеты, мировая пищевая промышленность вырастет на 60%. Это имеет особую важность, потому что в отсутствии физических и экономических возможностей получать в нужном объёме безопасные и полноценные продукты питания, удовлетворить потребности и предпочтения людей, обеспечить активную и здоровую жизнедеятельность, подрывается продовольственная безопасность. Её уровень зависит от следующих факторов:

  1. Доступность качественных пищевых продуктов в достаточном количестве.
  2. Индивидуальная доступность необходимых ресурсов для регулярного здорового питания.
  3. Употребление: наличие чистой воды, обеспечение здоровых санитарных условий и доступность медицинских услуг для обеспечения всех физиологических потребностей человека.
  4. Снабжение всех без исключения регионов должно быть постоянным, вне зависимости от происходящих циклических событий или форс-мажорных обстоятельств.

Рост населения планеты и растущая нагрузка на производство продуктов питания, создают рыночную нишу для развития предприятий, специализирующихся на поставках, обработке и хранении продуктов. Прогресс, наблюдающийся как в сельском хозяйстве, так и непосредственно пищевой индустрии, способствует стабильному обороту пищевой продукции. Новые методы и технологии должны обеспечить рост производства продуктов питания в течение следующих десятилетий.

Море кормит нас круглый год, и рыба с водорослями являются основными типами морепродуктов. Стоит отметить, что культивирование морских водорослей становится мировым трендом. Это неудивительно, потому что 60% населения живёт в пределах 60 километров от побережья. Культивирование морских водорослей становится неотъемлемой частью экономики на локальном и на глобальном уровнях. Например, Ирландия учреждает Обзорную Группу Стратегии Производства Морепродуктов (ОГСПМ), формируют собственный подход к созданию стабильных, прибыльных и самодостаточных производств. Эти предприятия способствуют благополучию населения в приморских зонах, а также развитию безопасной и многообразной морской среды обитания. Роль инновационных мероприятий возрастает по мере того, как растут потребности, определяемые изменчивыми демографическими и социальными условиями, а также моделями потребления. Продовольственная безопасность важна для любой страны. Культивирование водорослей пока развито слабо и окупается с трудом, однако аквакультура шагнула далеко вперёд в плане удовлетворения потребностей.

Мировые тенденции в экономике

Выращивание морских водорослей имеет большое значение для экономики, и его объёмы постоянно растут. Хотя отрасли уже более тысячи лет, в общемировых масштабах она считается молодой. Её быстрое развитие стартовало лишь в течение последних 60 лет. Культивирование водорослей является второй по объёмам отраслью аквакультуры в мире. Учитывая, что мировой объём продукции достигает 7,5 млн. тонн, ожидается, что эта сфера окажет значительное влияние на экономику на местном уровне. В развивающихся странах уровень употребления морских водорослей выше. На этот показатель в развитых странах и странах третьего мира оказало влияние развитие международной торговли и туризма, рост миграции. Крупнейшим поставщиком продукции из морских водорослей является Китай. На его долю приходится около 99% общего объёма производства. Таблица 1 отражает основные мировые тенденции в этой сфере.

Водоросль Вид Цвет Питательные качества Культивирование Потребители
Нори Porphyra spp Фиолетовый 30-50% белка; 0.1% углеводов; много витамина A, C; ниацина и фолиевой кислоты; мало NaCl Плавучие системы; мелководные столбчатые; достигают 35 см; растут с октября по ноябрь; температура 5-12°C Япония, Корея, Китай
Аонори Monostroma spp. Enteromorpha spp. Зеленый 20% белка; витаминов; минералов; мало жиров и NaCl; много Fe, Ca, Mg используют как ароматизатор Плавучие системы; мелководье, спокойная вода; могут расти в морской воде; 3-4 недели Япония, Корея
Ундария перистая Undaria pinnatifida Коричневый Витамины B, K; фукоксантин; Mg, Ca, Cu, Co, Ni, Zn; около 4 калории на 10 граммов сырого; низкий уровень жиров и углеводов; цвет меняется от коричевого до зеленого при нагревании Культивируют на канатах в открытом море, на скалистых берегах; канаты по 10 метров друг от друга, на глубину 7 метров; 5-15°C, март-июль; длина водоросли до 2 метров. Соленые, промыть морской водой, затем пресной водой; хранение с добавлением 1/3 массы соли при -10 ° C Корея, Япония
Комбу Laminaria japonica Темно-зеленый 10% белка; 2% жиров; средний уровень витамина A, C; много йода; в бульон, суп, чай Одно-двухуровневая поплавковая система; буи 2-3 метра; достигают глубины 2-15 метров ; 3-20°C; 20 месяцев период роста/сбора; удобряют N/P; за два года достигают 3-10 метров (20-40 см в ширину) Япония
Хидзики Hizikia fusiforme Коричневый Аналогично Комбу; перед потреблением удаляют флортанины; неорганический мышьяк, волокна; Mg/Ca — 1/2 Скалистое побережье; буи — 2-3 метра; температура воды — 20°C; февраль-июнь Корея

3. Виды

3.1. Водоросли

Водоросли не только употребляют в сыром виде, но и используют для получения некоторых пищевых ингредиентов. Каррагинан – полисахарид в концентрации около 25% получают из красных морских водорослей. Массово используют при изготовлении мороженого, шоколада, кремов, глазури и начинок для пирогов, молочных коктейлей, йогуртов, желе, консервированной продукции, заливной рыбы, соусов, напитков и пищевых продуктов, а также кормов для животных – в полуочищенном виде. Некоторые очищенные экстракты используют в производстве акварельных красок, зубной пасты, лосьонов, шампуней и некоторых лекарственных препаратов. Для красных водорослей характерен быстрый рост, в 10 раз в течение 6-8 недель. Культура водорослей Nori в течение первого месяца жизни вырастает до 1 см, а в следующие 15 дней прибавляет 10-15 см, когда наблюдается наиболее интенсивный процесс фотосинтеза. В результате, большей интенсивностью по сравнению с другими растениями отличаются поглощение кислорода и выделение углекислого газа [6].

Поскольку при разведении морских водорослей удобрения не используют, влияние процесса на окружающую среду минимально. Помимо таких стран, как Япония, Китай и Южная Корея, где отрасль весьма развита, она также охватывает страны Европы и Северной Америки. В таблице №1 показаны пять наиболее культивируемых морских водорослей.

3.2. Рыба

В таблице 2 показаны наиболее культивируемые виды гидробионтов в мире. Аквакультурные виды представлены в различных регионах. Документация Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН содержит подробную информацию о видах, приспособленных к тем или иным климатическим условиям. Например, в Южнокорейской республике культивирование ундарии и моллюсков преобладает над культивированием морских водорослей и рыбы, соответственно. Некоторые справочные источники объясняют, как правильно разводить морские организмы в садках, прудах и аквариумах. Также, имеется подробная информация об истории разведения, биологических характеристиках, особенностях содержания и себестоимости выращивания по каждому из видов [5,6,7,8].

Таблица 2.

Вид
Белый морской окунь Lates calcarifer
Груперы Epinephelus spp.
Ханос Chanos chanos
Черная кефаль Mugil cephalus
Серебристый памп Pampus argenteus
Кобия Rachycentron spp.
Малый восточный тунец Thunnus sp. Euthynnus sp. Рыба
Мангровый краб Scylla serrata
Скалистые омары Panulirus spp.
Пищевые устрицы Crassostrea spp.
Жемчужные устрицы Pinctada fucata, P. margaritifera
Моллюски Перна Perna viridis, P. indica
Моллюски Анадара и Пафия Anadara granosa, Paphia malabarica
Морской огурец Holothuria scabra
Морские водоросли Gracilaria, Gelidiella, Lappaphycus etc.

4. Достижения в области технологий аквакультуры

Успех аквакультурного проекта определяется экономической эффективностью, пользой для общества, физической и биологической устойчивостью видов и самодостаточностью. Производственная цепочка для морепродуктов делится на два этапа: собственно разведение и дальнейшая переработка. Сегодня, разведение морских водорослей с использованием аквасистем не задействует каких-либо технологий, за исключением этапа переработки. Научные методы и автоматизированные операции применяются в процессе переработки, определении качества, хранении, упаковки и транспортировки. С другой стороны, процесс выращивания рыбы с помощью замкнутых аквасистем полностью технологичен. Данные о затратах и технологических рекомендациях для рыбоводства можно использовать для культивирования морских водорослей, хотя сам процесс окажется иным. Это повысит производительность хозяйств. Воспроизводство морских обитателей и водорослей постоянно растёт в среднем на 7.5% каждый год. Именно кривая спроса и предложения подвигла фермеров к использованию новых методов и технологий для увеличения ежегодного объёма производства морских водорослей. Выбор технических решений при культивации водорослей зависит от вида, местных условий и накопленного опыта. Например, постепенно популяризируют и внедряют метод – интегрированная мультитрофическая аквакультура (IMTA), поскольку в его основе лежит природный симбиоз, и он отвечает потребностям и предпочтениям пользователей.

В настоящее время аквакультура, основанная на выращивании морских водорослей, не использует никаких технологических систем, кроме зон постобработки. Процесс ведения сельского хозяйства включает в себя создание фермы, сбор урожая, пересадку и техническое обслуживание. Очисткой, сушкой, обработкой и упаковкой занимается производственное подразделение. Участок, где происходит производство, контролирует индекс качества и впоследствии отгружает упакованные мешки в контейнерах в развитые страны [9].

В недавнем обзоре Diego Valderrama сообщается, что себестоимость производства одного килограмма сухих морских водорослей, выращиваемых в развивающихся, слаборазвитых и латиноамериканских странах, таких как Филиппины, Индонезия, Индия, Танзания, Океания, Мексика, составляет примерно 0.40 цента. Обзор также показал, что, несмотря на низкие цены, выращивание морских водорослей является прибыльным бизнесом. На Филиппинах более 116000 семей, состоящих из более чем одного миллиона человек, выращивали более 58000 га морских водорослей. Можно отметить, что более 50% работников по выращиванию морских водорослей являются неквалифицированными и полуквалифицированными [10,11].

Необходимым условием является наличие достаточного количества и доступной рабочей силы для обслуживания ферм. Персонал на всех уровнях квалификации играет не менее важную роль для общей прибыльности. Незначительная ошибка в эвристическом мониторинге и регулировании роста приводит к значительным ежегодным убыткам, которые представляют угрозу для данного бизнеса.

Производительность можно повысить, если должным образом направить на это технологичные решения для культивирования и переработки. Используя технологичные системы, индонезийский фермер мог бы заработать 19140 долларов США, что в четыре раза превышает доход на душу населения страны со средней годовой производительностью 1.10 кг/метр линии, производящей 33000 кг сухих морских водорослей на 10000 метров линий [11,12]. Низкозатратная технология аквакультуры морских водорослей позволит значительно повысить производительность труда и в контролируемой среде снизит неблагоприятное воздействие на экологию. Применение технологических решений в аквакультуре морских водорослей до сих пор не исследовано. Даже если выращивание морских водорослей не считается трудной работой, существует невероятное количество показателей, требующих учета, которые не всегда зависят от человеческого фактора.

Для повышения продуктивности, хозяйство должно находиться под постоянным наблюдением. Это означает, что фермер постоянно посещает и проверяет ферму 24/7. Одним из главных факторов является быстрый рост морских водорослей. Минимальная требуемая соленость воды составляет около 28 ppt. В процессе выращивания водоросли должны содержаться в чистоте. Для этого фермер ходит на участок с линиями водорослей, встряхивает или поднимает их, и удаляет любые другие нежелательные водоросли и мусор. В противном случае, рост замедляется и производительность значительно снижается. Очистка утомительна, но она необходима для выращивания морских водорослей. Загрязнение приводит к поглощению питательных веществ сорными видами, и, таким образом, негативно воздействуют на рост культуры. Кроме того, некоторые части растения всегда препятствуют росту соседнего растения, поэтому их нужно убирать с платформы на берег. Вследствие океанских течений и других факторов, линии крепления культуры иногда отрываются, что приводит к потерям. Эти линии должны быть закреплены, а утерянные растения заменены. Картирование урожайности важно для дифференцировки качества морских водорослей на стадии культивирования.

Самыми серьезными врагами морских водорослей являются растительноядные рыбы. Для производства решающее значение имеет правильный выбор времени сбора урожая. Сбор должен осуществляться при достижении водорослями своего оптимального размера. Переросшие растения ломаются и дрейфуют по морскому поясу. Кроме того, перезрелые растения трудно высушить, так как они толще. Определение оптимального роста достигается с помощью непрерывного мониторинга.

Интенсивные способы выращивания рыбы внедряют на наземных фермах и в океане. Цель состоит в том, чтобы выращивать рыбу в контролируемой среде. В открытом океане среднее садковое устройство имеет размер 15x15x5 м3 (LWD). Предпочтение отдается таким видам рыб, как молочная рыба (Chanos chanos), помпано, морской окунь, лапу-лапу и луциан. Однако такие хозяйства сильно загрязняют окружающую среду. В садках рыба трется о стенки клетки, повреждает плавники и хвост, и большой процент её заболевает. Кроме того, хозяйство является хорошей средой для размножения морских вшей, паразитов и бактерий, которые, в свою очередь, переносят болезни от промысловых рыб к дикой рыбе и наоборот. Также фермер должен получить различные разрешения и права на водопользование вблизи морского берега, потому что последний принадлежит обществу и правительству. Садковое хозяйство управляется вручную.

В рыбоводстве применение технологий уже продемонстрировано в работе [13]. Рециркуляционная система, разработанная командой из Балтимора (Рис.3), снабжена насосами, фильтрами и датчиками для измерения, контроля параметров и удаления отходов. Это передовая наземная система. Она не имеет функций для расчета скорости роста и переменного кормления по мере роста рыбы, и некоторые наблюдения все еще выполняются вручную. Другими важными параметрами, не входящими в мониторинг, являются болезнь, подвижность, питательные вещества и осадконакопление. Кроме того, образующийся побочный продукт, биогаз, не используется. Представьте 10-ярусную конструкцию аквакультуры, содержащую 1000 бассейнов — в каждом 10 тонн воды, 99% объема которой рециркулирует. Для такой огромной системы требуется около 20 насосов, 2000 кранов и эквивалентное количество пусковых систем с обратной связью. Последнее включает 10000 точек регистрации параметров CO2, O2, O3, TAS, TAN (общий аммонийный азот), температуры, рН, света, болезней, бактерий, а также около 1000 точек контроля поступления воды, 250 систем очистки фильтров и, наконец, 1000 точек автоматизации дегазации и удаления CO2 и работы пеноотделительной колонки. Для такой системы необходимы высокие технологии с более широкой областью применения. Типичные рециркуляционные системы с 4 бассейнами представлены в таблице 3.

Рисунок 3. Рециркуляционная система, разработанная командой из Балтимора
Рисунок 3. Рециркуляционная система, разработанная командой из Балтимора

Таблица 3

Количество бассейнов на систему 4
% свежей воды в день 2% м3/мин
Объем культуральных бассейнов 12 м3
Электроэнергия 220В/1фаза/60Гц
Кормовой белок %
Максимальный NH3 2 мг/л
Максимальный CO2 9 мг/л
Максимальная подача корма 20 кг/м3
Максимальная плотность посадки 75 кг/м3
Максимальный TSS 30 мг/л
Максимальный DO 5 мг/л
Источник воды Городская
pH 7.2
Соленость 25 ppt (промилле)
Виды Морской лещ
Температура 25°C
Общий аммонийный азот (NH4+) 40 мг/л
Тип установки Новая/Перенос

4.1. Растворенный кислород

Растворенный кислород (DO) определяет рост рыбы. Низкое содержание растворенного кислорода также вредит водорослям. Существует несколько способов контроля и регулирования содержания растворенного кислорода в воде. Кроме того, по мере повышения температуры воды она становится менее способной удерживать О2. Например, при 90° F и 45° F вода содержит около 7,4 мг/л и 11,9 мг/л O2. Минимальное требование по содержанию растворенного кислорода составляет около 4 мг/л. Рыба может погибнуть, если показатель окажется менее 2 мг/л. Существует два способа мониторинга растворенного кислорода: с помощью электронных и химических наборов зондов. Мониторинг на фермах в аквариуме или пруду осуществляется с интервалом в 2-3 часа, особенно в ночное время, при этом зонды используются вручную. Система аэрации включается, когда уровень кислорода падает. Обратите внимание, что газовые кислородные датчики не могут быть использованы для этого типа применения. На рис.4 показаны несколько кислородных датчиков от различных компаний и дистрибьюторов. Один из них от HF Scientific, наряду с другими, может подключаться к ПЛК для беспрепятственной интеграции с промышленными системами управления. Он может быть сопряжен с компьютером для отображения данных, калибровки и настройки измерения без промежуточного электронного блока анализатора. Однако сами датчики по определению содержания растворенного кислорода стоят довольно дорого.

4.2. Углекислый газ
Рыбы невосприимчивы к 10 мг/л растворенного углекислого газа (DCD) при условии, что концентрация растворенного кислорода высока. Концентрация колеблется от 0 мг/л днем до 7-12 мг/л ночью. Обратите внимание, что в рециркуляционных системах концентрация всегда выше, иногда превышает 20 мг/л. Таким образом, непрерывный мониторинг растворенного углекислого газа жизненно важен, потому что высокие уровни содержания СО2 препятствуют утилизации кислорода рыбой. Методы аэрации работают хорошо, так как система может удалять избыточный газ. Метод растворения, такой как добавление карбоната кальция или бикарбоната натрия, не подходит для рециркуляционных систем.

4.3. Мутность

Мутность — мера чистоты воды. Мутность важно учитывать в прудах для разведения рыбы и морских водорослей. Твердые отходы также образуются главным образом из рыбьих фекалий и несъеденного корма для рыб. Их появление также вызвано микроскопическими водорослями (фитопланктон), бактериями, растворенными органическими веществами, которые окрашивают воду, взвешенными частицами глины и коллоидными твердыми веществами. В прудовой или морской аквакультуре отложения попадают в воду из загрязненных участков и влияют на качество воды, ограничивают проникновение света и также могут ограничивать рост выращиваемых водорослей. Преимущество мутности состоит в том, что мутность фитопланктона обеспечивает растворенным кислородом пищевые организмы и рыб, хотя мутность глины и почвы вредна. Кроме того, переизбыток фитопланктона может быть опасным. Метод рециркуляции улучшает мутность. Другие методы — это обеспечение резервуаров и отстойников, гидроциклонов с использованием аэраторов, использование фильтров. Общие взвешенные твердые частицы (ТСС) можно классифицировать как фильтруемые и коллоидные. В рециркуляционных аквакультурных системах используются фильтры для удаления первых, но не мелких коллоидных твердых частиц, включая растворенные отходы (0,001–30 мкм). Фильтрация осуществляется двумя основными процессами: механической фильтрацией и биологической фильтрацией. Для контроля мутности внесли несколько предложений. Недорогое высокотехнологичное решение заключается в использовании инструментов обработки изображений с использованием компьютеризированных камерных систем. Чтобы оценить контраст рыб или водорослей на их фоне, для каждого изображения можно использовать вариации от светлой до темной. Цветное изображение может быть преобразовано в полутоновые изображения, состоящие из темных пикселей низкого разрешения и светлых пикселей высокого разрешения, и проанализировано и интерпретировано как мутность после нескольких этапов обработки, которые осуществляются при  помощи инструмента. Одним из способов удаления коллоидной частицы является процесс озонирования [15]. Стандарт воздействия остаточного озона колеблется от 0,05 до 0,1 мг/л, поскольку этот газ, как сообщается, токсичен для широкого круга рыб. Озонирование воды перед удалением грубых твердых частиц не производится, потому что это затратно. Непрерывный мониторинг и регулирование озона также имеют очень важное значение. Озон может быть измерен косвенно с помощью зондов окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Зонд измеряет общую емкость окислителя в растворе для окисления электрода, который производит разность потенциалов (напряжение) в мВ.

5. Архитектура контроля

Система контроля играет важную роль в системе аквакультуры. Все измерительные и вращательные устройства должны тщательно контролироваться для оптимизации процессов земледелия и постпроизводства. Аппаратное обеспечение управления — это датчики, двигатели, насосы, электроника, компьютер и программное обеспечение.  Система управления требует двух платформ с точки зрения автоматизации: платформа автоматизации уровня устройства (DLAP) и платформа автоматизации уровня энергии (ELAP). Платформу автоматизации уровня устройства можно использовать как для выращивания рыбы, так и для выращивания морских водорослей. Платформа автоматизации уровня энергии необходима, если сельское хозяйство предлагается вести на основе открытого пруда, а не на основе резервуара.  В настоящее время специальная стандартизированная платформа, которая может быть использована для автоматизации работы аквакультуры, недоступна. Однако можно использовать существующие платформы мониторинга и управления, такие как LabView, Fieldbus platforms и другие системы СКАДА (система диспетчерского контроля и сбора данных). Концепция распределительных систем управления (DCS) может быть принята при реализации архитектуры мониторинга и управления. В централизованной конструкции используются полевые устройства, такие как датчики, исполнительные механизмы, различные контроллеры и т. д. они непосредственно подключены к физическому контроллеру. Статус и передача командного сигнала и все другие коммуникации между этими полевыми устройствами и центральным контроллером устанавливаются отдельными звеньями. Распределительная система управления наследует концепцию сетевого взаимодействия между многими контроллерами вместо одного. Благодаря развитию электроники и встроенных технологий также может быть интегрирована беспроводная технология. Задача осуществления контроля централизованным контроллером физически распределяется между недорогими распределенными контроллерами, которые затем подключаются к сети. Вся система выполняет основную задачу по принципу распределения и с использованием сетевого протокола. Преимущество распределительной системы управления заключается в том, что она предупреждает отказ центрально контроллера, а также решает проблему дорогостоящей отдельной проводки между полевыми устройствами. Такая система рассматривается как эффективная архитектура контроля и управления по сравнению с централизованным аналогом. Распределительная система управления — это проверенная концепция в силу ее дополнительных преимуществ, таких как масштабируемость, конфигурируемость, интероперабельность, модульность и эксплуатационная гибкость. Проектирование систем на основе компонентов может быть введено в архитектуру контроля и управления с целью разработки модульной системы plug-and-play. Такой подход предлагается потому, что автоматизированная система аквакультуры состоит из разнообразных групп устройств и компонентов, таких как электронные и механические датчики, переключатели, силовые агрегаты и приводы, электромеханические системы, такие как двигатели, аэратор, насос, оптические системы, осветительные и кабельные интерфейсы и так далее. Вся система может рассматриваться как построенная из компонентов. Эта идея подчеркивает, что рециркуляционная система может быть организована как набор взаимодействующих компонентов, а не как интеграция большого специально построенного блока. Такой подход отлично подходит для проектирования и установки распределительной системы управления. Компоненты, основанные на архитектуре этой системы для рециркуляционной аквакультурной системы, должны иметь внешний интерфейс для связи с другими через определенные удобные для пользователя функции [16].

5.1. Предложения по экспертной системе

Первичный фактор затрат для рыбной аквакультуры можно разделить на три категории: капитальные затраты, включающие датчики, резервуар, воду, корм, насос, клапан и трубы; затраты на рабочую силу; и операционные затраты, зависящие от многих факторов, включая скорость отмирания рыбы (количество потребляемой пищи снизится, следовательно, общая стоимость производственного цикла уменьшится). В статье подсчитано, что затраты на оборудование для рециркуляционных систем не должны превышать 1,84 долл. США/кг. Около 20% инвестиций — это капитальные затраты. Одним из факторов является производительность труда, то есть наличие квалифицированной рабочей силы и технических специалистов. Более высокие ставки заработной платы могут быть существенно компенсированы применением трудосберегающих автоматизированных технологических систем. Компоненты затрат также включают капиталоемкость, срок службы, коэффициент конверсии корма (FCR) и выживаемость. Значительная экономия достигается за счет операционных затрат. Экспертная система, использующая современные технологии, такие как СКАДА, промышленную сеть, HMI (человеко-машинный интерфейс), портативные устройства (iPOD, iPAD, мобильные устройства и т. д.) рассматривается как возможная, но еще не разработана, и смогла бы удовлетворять требованиям экологического регулирования или правоприменения. Экспертная система может точно определить контролируемые переменные. Например, поскольку коэффициент конверсии корма определяет прибыль, автоматизированная экспертная система может автоматически рассчитывать и регулировать скорость подачи корма. Производство на кубометр влияет на себестоимость объектов на фунт и прибыли на фунт. Экспертная система также может автоматически определять, какой аквариум должен быть объединен, исходя из плотности рыбы из-за дифференциального роста (для большой системы). Точно так же точный контроль света (энергии), воды, O3, O2 и pH может сэкономить переменные затраты. Поскольку некоторые параметры затрат зависят от масштаба фермы, анализ спроса и предложения с помощью экспертной системы станет прогностическим, простым и удобным, что позволит существенно исключить ненужные затраты с помощью эвристического подхода. Экспертная система может быть полностью замкнута с обеспечением эффективной биологической очистки отходов и рециркуляции воды. Некоторые другие важные параметры, которые необходимо контролировать, — это температура, интенсивность света, рост рыбы и прослеживаемость. Интегрированная технологическая система может быть развернута в любой среде и климате без ограничения географических границ. Для улучшения профилактических мер, таких как мониторинг морской среды и продуктивность новых сортов трансплантатов, сотрудничество в области массового производства, обеспечивающее стабильные продажи, играет жизненно важную роль. Кроме того, для создания экономичных производственных технологий важны трансдисциплинарные знания. Например, необходимы специалисты, обладающие знаниями об океанографических буях, дистанционной связи в реальном времени, мониторинге промышленных процессов и анализе роста. Технология может быть стабильной и помогать в управлении производительностью.

6. Заключение

В настоящей статье рассмотрели развитие аквакультуры. Сельское хозяйство на основе аквакультуры в основном ведется для рыбы и морских водорослей. Тенденция состоит в том, что рыба и морские водоросли, выловленные и приобретенные в открытом океане, остаются неизменными с десятилетия. В результате сельское хозяйство, основанное на аквакультуре, набирает обороты из-за спроса. Современная форма аквакультуры в основном управляется вручную. Из-за дефицита рабочей силы и трудовых затрат внедрение технологической системы поможет в решении ряда вопросов. Во второй части статьи мы представили различные виды (как морских водорослей, так и рыб) аквакультуры, а также указали ссылки для читателей. В третьей части статьи освещается роль технологических систем, анализ факторов затрат, а также предлагается усовершенствованная архитектура мониторинга, управления, и  экспертная система, которая может быть разработана для автоматизации всех процессов аквакультуры.

Признательность

Авторы выражают признательность Отделу промышленных технологий, Иорданскому Колледжу Сельскохозяйственных Наук и Технологий, провинции Чолла-Намдо, Институту Науки и Технологий Кванджу, о.Вандо/Чиндо, today Fisheries, Fisheries progress и Региональному Метеорологическому Центру Гуаньчжоу за уделенное время, вклад и внесение различных предложений.

——

Ссылка на настоящую статью: Nitaigour Premchand Mahalik, and Kiseon Kim, “Aquaculture Monitoring and Control Systems for Seaweed and Fish Farming.” World Journal of Agricultural Research, vol. 2, no. 4 (2014): 176-182. doi: 10.12691/wjar-2-4-7.

Отдел промышленных технологий, Иорданский  Колледж Сельскохозяйственных Наук и Технологий, Калифорнийский Государственный Университет, Фресно, США, факультет информации и коммуникации, Институт Науки и Технологии Кванджу, г. Кванджу, Южная Корея.

Получено: 25.06.2014; дополнено: 08.08.2014; одобрено: 15.08.2014

Раздел: Аквакультура, Исследовательские проекты
Метки: ,
Похожие статьи:



Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

������� Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: