深远海渔业养殖运行模式优化设计方法研究

严俊王宏聂雪军沈瑞何威

(1.南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江)，广东 湛江 524005；2.湖北海洋工程装备研究院有限公司,湖北 武汉 430206)

1 研究背景

人类从事水产养殖已历经数千年，中国有据可考的水产养殖历史可追溯至公元前1200多年，距今3000多年历史，在人类漫长的水产养殖生产过程中，人们不断开拓和总结养殖经验技术，形成一个个可以学习、推广复制的养殖模式，为实现高效地养殖生产起到了巨大作用。然而目前人类大部分的养殖经验都是基于陆地和近海养殖的，随着陆地和近海资源逐渐饱和，渔业养殖如何走向深远海成为行业发展探讨的热点问题，本文旨在构建一种适用于深远海区域的新型渔业养殖生产模式和方法。

目前，关于在离岸距离多远、海水深度多深区域开展养殖属于深远海养殖还没有公认的定义。联合国粮食及农业组织(FAO)将离岸养殖(Offshore Aquaculture)推荐定义为设置于暴露在风浪作用的开放海域，有设施设备保障，有补给船舶支持的海上养殖生产系统。养殖水域为水深25～100m、距陆上基地码头25nmile以上，适合开展鱼类网箱和贝类筏式养殖[1]。本文所指的深远海渔业养殖特指在上述的离岸养殖海域，以海水鱼类为养殖对象，以大型桁架式钢制养殖平台为核心养殖装备，具有恶劣海况下(一般为17级台风)的自生存能力，在各类养殖服务、支持、保障设施体系的支持下，按照一定技术和经济性规则开展的离岸渔业养殖生产方式。

深远海渔业养殖运行模式设计的核心任务是解决养殖设施体系构建的技术经济性问题，具体任务包括深远海渔业养殖的功能需求定义、养殖平台设施配置、养殖运营方案设计、设施技术方案设计、经济性论证、设计方案选优等环节。本文将介绍深远海渔业养殖运行模式设计的一般方法。

2 现有海水养殖方式介绍

据《2019中国渔业统计年鉴》统计[2]，我国主要的海水养殖方式有池塘养殖、普通网箱养殖、深水抗风浪网箱养殖、筏式养殖、吊笼养殖、底播养殖、工厂化养殖等7种养殖方式，7种方式养殖总产量约占全部海水养殖产量的80%，其中，海水鱼类养殖主要采用池塘、普通网箱、深水抗风浪网箱、工厂化养殖等4种养殖方式。这些养殖方式的养殖区域环境特点各有不同，构造的运行模式也各具特点，分析现有海水养殖方式的运行模式对深远海渔业养殖运行模式的设计具有一定的参考意义。

3 深远海渔业养殖运行模式优化设计流程

在充分分析现有海水养殖方式运行模式的基础上，本文将借鉴船舶与海洋工程的设计方法，把握深远海渔业养殖绿色化、智能化、集约化、规模化、柔性化等新特征，遵循以技术经济性为导向的优化设计理念，提出深远海渔业养殖运行模式方案优化设计的一般流程。

表1 主要海水鱼类养殖运行模式对比

3.1 设计输入调研

调研与工程实施有关的业主要求、政策规划、工程环境、技术工艺、成本效益性参数等各项输入条件。

3.2 功能需求定义

根据调研的设计输入条件，通过工程需求的技术分析，提出养殖体系的核心功能需求，定义各项功能的作用。

3.3 平台设施定义

通过对功能特征的分析，提出实现功能所依托的各区域的平台设施，定义区域平台设施表。

3.4 平台功能分配

通过工程可行性分析，将所有功能分配到各平台设施上，列出平台-功能分配表。

3.5 运营方案设计

根据各平台功能分配方案，将各平台按照运营要求系统的联系起来，形成养殖设施体系的运营方案，列出主要技术参数配置需求。

3.6 技术方案设计

根据平台功能、技术参数配置，遵循平台设计的基本原理，进行总体技术方案初步设计，列出各平台主要的技术经济性参数。

3.7 经济性评价

根据技术方案主要技术经济性参数，设定评价目标，建立运行模式方案的经济性评价函数模型，计算经济性评价指标并给出评价结论。

3.8 设计方案选优

调整设计方案变量，获得新的设计方案集，对方案集进行技术经济性评价，选用适当方法对方案进行排序，得到最优方案。

4 深远海渔业养殖运行模式优化设计内容

4.1 设计输入调研

对运行模式优化设计构成影响的因素众多，为尽可能设计出更加符合目标要求的方案，设计前应充分收集掌握与工程实施相关的业主要求、政策规划、工程环境、技术工艺、成本效益性参数等设计输入数据。但是，在实际工程中往往未全面了解以上信息时，便已启动运行模式的设计工作，本文建议对于重要数据可参考相关案例进行假定处理，对于一般性数据则可进行忽略处理，待项目进行到一定深度后再视情况补充调整。

表2 设计输入信息表

续表 设计输入信息表

4.2 功能需求定义

养殖设施具体需要配置哪些功能应根据具体工程项目需要调研情况进行规定,一个完整的养殖设施体系的主要功能环节至少包括创建合适的养殖生态环境、供应养殖鱼种、投喂饲料、日常管理维护、收获成鱼等主要功能环节，围绕功能环节的实现必需要进行功能的分解，根据设计深度的需要进行分解到不同的功能层次，以下分解得到一、二级功能需求，并对功能进行定义。

4.3 平台设施定义

养殖功能的实现需要依托必要的平台类设施。设计输入的条件不同，规划平台设施不尽不同。根据平台设施的动、静特点及所在区域的特点，养殖平台设施可定义为陆上保障基地、深远海养殖网箱、养殖工作船舶、养殖保障平台等4项平台设施，本文分别对各平台进行基本功能的定义。

表4 平台设施定义表

4.4 平台功能分配

将上述分解得到的养殖功能布置到各平台设施上，各项功能按照一定运行逻辑关联起来就得到一种运营模式的功能分配方案。显然，从众多排列组合中逐个筛选可行运营模式是无意义也是不现实的，因此，本文通过平台功能最大化布置的可行性分析增加设计约束条件，减少可行方案数量。

表5平台功能最大化分配方案表

分别按不同平台功能分配的最大化原则，分析不同区域可能的最大化功能配置，从而排除不具备可行性的区域功能配置方式，其它所有布置方案以功能最大化的布置方案为基本的约束条件，定义同一功能可以布置在多个不同区域的重复数为该项功能布置设计的自由度。经过区域功能最大化分配分析，总结得出各区域功能最大化分配矩阵。通过增加该约束条件，可将显著降低分配方案可行域的数量级。

在经过最大化布置约束后，得到的方案集仅具备工程上理论可行性，为了进一步缩小方案可行域，还需要总结功能平台分配原则及设计经验，结合设计输入条件进一步减小功能布置的不确定性。

需要指出的是，同一个功能可能需要多个区域协同完成，以上功能区域的分配是指该项功能的主体设施所在的区域。如，渔网清洗功能分配在养殖工作船上的含义是指将主要的洗网机械安装在船上；饲料投喂功能分配在深远海养殖网箱的含义是指将主要饲料播撒机械安装在网箱上，这些功能在作业时仍有可能与其它设施连接或产生联系。

4.5 运营方案设计

制定项目生产计划，将平台设施各项功能按照系统运行的要求有机关联起来，赋予养殖作业的业务流程要求，消除功能之间的冗余与冲突，开展总体方案及各平台运营方案设计。以某平台功能分配方案为例，说明装备体系运营方案设计主要内容。

4.6 技术方案设计

依据各平台主要运营参数要求开展平台设施的技术方案设计。该阶段需要确定主要建设的软硬件内容，开展总体布置设计，编制简要技术规格说明，确定与平台造价、运营费用等经济性密切相关的技术参数。根据技术方案进行造价及平台运营费用估算，通过经济性论证后再开展深化设计。

表7 技术方案参数表

4.7 技术经济性评价

一般养殖运行模式可以从经济效益、社会效益、生态效益等多个角度进行评价。在社会、生态效益方面，深远海养殖在产业链牵引、职业安全健康、海洋环境保护、绿色水产养殖等方面都有着十分明显的优势，该方面的论证无须赘述；但在经济效益方面，深远海养殖装备动则数亿元的投资，经济效益的可行性无疑是项目成败的关键因素。运行模式设计方案的技术经济性评价是方案优化设计所遵循的首要依据。方案技术经济性评价步骤如下。

4.7.1 建立经济性评价指标体系

一般可分为价值性评价指标、效率性评价指标和时间性评价指标等3类指标，评价时可选择单个指标评价，也可选择多个目标评价，如果进行方案经济效果多目标评价时，应尽量同时选用这3类指标[6]。

4.7.2 设定经济性评价目标

根据项目投资主体要求，结合社会及本行业投资收益水平，设定经济性评价目标。

4.7.3 建立经济性评价指标函数模型

按照一般的财务制度要求，根据项目运行模式方案的特点，设定模型常量参数，建立评价指标与方案设计参数的函数关系，模型尽可能细致和准确。

4.7.4 计算结果，给出评价结论

将设计方案经济性参数带入函数模型，计算得到该方案的经济性评价指标结果，根据设定的评价目标给出评价结论。

4.8 设计方案选优

如果给出的设计方案无法满足评价目标要求，或者条件允许需要寻找经济性更优的方案，可进一步调整设计方案，不断进行经济性计算，直到获得经济性满意的方案，该过程就是设计方案的选优过程。设计方案选优步骤如下。

4.8.1 规定关键控制变量

选取设计方案中对投资总额、经营成本、销售收入等影响显著的设计参数作为规定的关键控制变量，控制变量相互独立，覆盖每一个设计阶段，是每一个阶段对经济性起主导作用的设计变量，一组变量对应一个该组变量所确定的理论最优方案。

4.8.2 列出备选设计方案

通过调整关键控制变量，重新进行设计便可以获得新的设计方案。理论上，如果依次调整所有的关键控制变量，可以获得控制变量对应的全部设计方案集，但这样无疑工作量巨大。实际工作中，初步设计中可按设计流程顺序选定控制变量，以快速获得大致合适的设计方案；对初步设计方案进行优化时，可按设计流程逆序调整控制变量以快速获得收敛的优化设计方案。

4.8.3 计算经济性评价指标

分别计算各备选设计方案经济性评价指标。

4.8.4 进行设计方案排序选优

对于单目标评价可根据计算结果直接排序；对于多目标评价应对评价指标值进行无因次化处理，确定各项评价指标权重，选用适当方法对多个方案的评价进行排序。

5 结论与建议

5.1 结论

本文提出以技术经济性为导向的深远海渔业养殖运行模式的优化设计方法，提取出运行模式设计过程中需要重点关注的流程和设计内容，明确了各环节设计协作分工和接口，解决了养殖设施体系设计协调困难的问题。设计管理人员便于抓住关键环节的过程控制，提高了运行模式的设计效率与质量，可以快速有效地指导不同项目运行模式定制化设计，为深远海渔业养殖运行模式的精益设计提供了保障。

5.2 建议

根据设计项目的不同特点和设计阶段，功能的定义方法与详细程度存在较大差别，在初步设计时功能定义可以宽泛一些，在深化设计阶段则应定义的更具体一些。

对于集群式深水养殖网箱、大型多功能深海养殖网箱、船型类养殖平台、全潜式养殖平台等不同类型的养殖装备，运用本文给出的基本方法，可形成各类养殖装备设施体系具体的运行模式设计方法。

在运行模式的优化设计的实践过程中，通过不断积累设计经验，找到影响经济性评价指标的核心要素，总结各环节的基本设计原则，可以帮助设计者减少试错成本，不断加快设计优化的过程。

深远海养殖运行模式优化设计属于多层级路径优化的问题，未来可以尝试利用人工智能机器学习技术进行路径决策，帮助设计者快速获得最优设计方案。