水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化控制系統(tǒng)的回顧與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

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水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化控制系統(tǒng)的回顧與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
Philips G. Lee (原著)
陳世欽 (臺(tái)灣省水產(chǎn)試驗(yàn)所) 譯
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摘 要
緒 言
水產(chǎn)養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的回顧
自動(dòng)化控制系統(tǒng)配備
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
水產(chǎn)養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的未來(lái)方向
結(jié)論
-----------------------------------------------------------------------------摘要
美國(guó)農(nóng)業(yè)從密集式經(jīng)營(yíng)到機(jī)械化作業(yè)，進(jìn)而邁向自動(dòng)化的發(fā)展過(guò)程，使其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量一直居于全球領(lǐng)先地位。同樣的過(guò)程也適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，因?yàn)樗a(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的自動(dòng)化將使養(yǎng)殖業(yè)獲得下列效益：(1) 產(chǎn)地的生產(chǎn)量接近市場(chǎng)的需求量 ; (2) 改善環(huán)境控制 ; (3) 減少重大災(zāi)害造成的損失 ; (4)可降低排放水而減少環(huán)境的管理 ; (5) 降低生產(chǎn)成本 ; (6) 改善水產(chǎn)品的品質(zhì)。
水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史很短，而現(xiàn)有大部份系統(tǒng)都是訂製的個(gè)人電腦控制系統(tǒng)。目前的趨勢(shì)乃是利用工業(yè)上所採(cǎi)用的程序控制系統(tǒng)，包括感測(cè)器/訊號(hào)轉(zhuǎn)換器、通訊多工器、啟動(dòng)器/輸出裝置、電腦硬體及控制軟體。程序控制系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單到僅有一臺(tái)電腦，也可複雜到分散式的控制系統(tǒng) (即多重微電腦網(wǎng)路系統(tǒng)) 。
自動(dòng)化控制系統(tǒng)架構(gòu)的選擇應(yīng)視實(shí)際價(jià)格與本身環(huán)境及廠商的支援能力而定。成功地設(shè)計(jì)一套實(shí)用而且可以接受的水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化控制系統(tǒng)，將會(huì)被養(yǎng)殖業(yè)廣泛採(cǎi)用，因?yàn)樗粌H能強(qiáng)化水質(zhì)管理、降低人工監(jiān)測(cè)的成本，而且可人為減少養(yǎng)殖系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重挫敗的機(jī)會(huì)。
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緒 言
現(xiàn)代全球工業(yè)的成長(zhǎng)與競(jìng)爭(zhēng)力，可以說(shuō)主要是建立在生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用程序控制技術(shù)(process control technology) 的基礎(chǔ)上 (Rock and Guerin， 1992)。前者例如，一般人所知到的美國(guó)航太及電腦工業(yè)與日本的汽車(chē)及電子工業(yè)。其實(shí)，任何工業(yè)不論是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)或製造業(yè)，都應(yīng)好好的研究并學(xué)習(xí)這些先進(jìn)工業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)。美國(guó)農(nóng)業(yè)從密集式經(jīng)營(yíng)(intensification)到機(jī)械化作業(yè) (mechanization)，進(jìn)而邁向自動(dòng)化(automation)的發(fā)展過(guò)程，使其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量一直居于全球領(lǐng)先地位。 自動(dòng)化燒烤設(shè)備(Campbel，1988; Allison et al.,1991)、酪牛飼育及牧場(chǎng)設(shè)施(Leonard and McQuitty，1982;Mottram and Street，1991) 、 種苗培育溫室(Hopper，1988; Jones et al., 1990; Tillet1993) 、農(nóng)作物灌溉系統(tǒng)(Rao et al.,1992)等，均顯示了應(yīng)用程序控制系統(tǒng)的效益。
這些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)代表著供應(yīng)市場(chǎng)日用品的管理型生物系統(tǒng)(managed biological system) ，是一種高產(chǎn)量低利潤(rùn)的產(chǎn)業(yè)，與集約養(yǎng)殖系統(tǒng) ( 池塘、海上箱網(wǎng)、養(yǎng)殖水槽) 的情況非常類(lèi)似。
水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用程序控制技術(shù)的主要理由是基于經(jīng)濟(jì)的考量，特別是在已開(kāi)發(fā)國(guó)家。 1992年全世界水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)量的產(chǎn)值為26.5億美元，但北美洲已開(kāi)發(fā)國(guó)家僅佔(zhàn)3.2 %。美國(guó)是全世界第二大水產(chǎn)品進(jìn)囗國(guó) ( 1990年為5.2 億美元，佔(zhàn)全球進(jìn)口的14.5% ) ，為美國(guó)增加不少貿(mào)易赤字(USDA， 1991，1992) 。此外，美國(guó)水產(chǎn)品市場(chǎng)的潛力隨著國(guó)人消費(fèi)魚(yú)類(lèi)的增加而擴(kuò)展。因此，美國(guó)國(guó)內(nèi)水產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)的擴(kuò)張與其本身有限的生產(chǎn)量，二者之間的矛盾存在已久。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)受到經(jīng)濟(jì)沖擊的三個(gè)主要因素為 : (1) 氣候多變化 ; (2) 人工成本高 ; (3) 水源及陸地資源日漸萎縮加上態(tài)度不太友善的行政官僚。 這些因素促使美國(guó)及其他已開(kāi)發(fā)國(guó)家開(kāi)始使用集約再循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)(recirculating water filtration system)或外海箱網(wǎng)養(yǎng)殖 (Fridly， 1993; McCoy，1993) 。然而，從目前再循環(huán)過(guò)濾技術(shù)的成本效益來(lái)看，再循環(huán)系統(tǒng)僅能應(yīng)用于高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的魚(yú)種。高效率而且自動(dòng)化的過(guò)濾系統(tǒng)，應(yīng)同時(shí)減少對(duì)高品質(zhì)用水的需求以及含有污染物的排水量。若能設(shè)置遠(yuǎn)距自動(dòng)化環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)及飼料管理系統(tǒng)，則海上箱網(wǎng)養(yǎng)殖仍然是有利可圖的。降低監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況所需的人力、採(cǎi)用抗海浪的箱網(wǎng)，以及減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，都會(huì)影響外海箱網(wǎng)養(yǎng)殖技術(shù)的成本效益。
程序流程控制技術(shù)的應(yīng)用與水產(chǎn)養(yǎng)殖智慧型管理系統(tǒng)的需求，是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)永續(xù)經(jīng)營(yíng)的重要課題。集約養(yǎng)殖系統(tǒng)的自動(dòng)化，將使水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)獲得下列效益 : (1) 產(chǎn)地的生產(chǎn)量接近市場(chǎng)的需求量 ; (2) 改善環(huán)境控制 ; (3) 減少重大災(zāi)害造成的損失 ; (4) 避免排放水所造成的環(huán)境管理問(wèn)題 ; (5) 降低生產(chǎn)成本 ; (6) 改善水產(chǎn)品的品質(zhì)與一致性。
-----------------------------------------------------------------------------水產(chǎn)養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的回顧
自動(dòng)化控制系統(tǒng)一般可分為二大類(lèi)。一類(lèi)稱(chēng)為訂製控制系統(tǒng) ( custom contro1 system ) ，是一種小型依使用者需求而設(shè)計(jì)的資料獲取與控制系統(tǒng) (DAC)，專(zhuān)供試驗(yàn)研究之用 。另一類(lèi)稱(chēng)為工業(yè)控制系統(tǒng) (industrial control system)，是一種大型商業(yè)化的監(jiān)控及資料獲取系統(tǒng) (SCADA)或分散式控制系統(tǒng) (DCS)，提供商業(yè)化作業(yè)及政府大型研究計(jì)畫(huà)之用。
訂製控制系統(tǒng)
第一個(gè)訂製控制系統(tǒng)是以微電腦為主體的控制系統(tǒng)，係用來(lái)控制某一種海水魚(yú)產(chǎn)卵系統(tǒng)的環(huán)境狀況 (Schlieder， 1984; Plaio， 1987) 。 此系統(tǒng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)并控制光周期 、 水溫、水位、壓縮空氣，系統(tǒng)的警報(bào)狀況可以經(jīng)由電話撥接方式通知現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)距的管理人員。許多對(duì)建立水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)有興趣的研究單位，已經(jīng)完成養(yǎng)殖池資料獲得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這些系統(tǒng)都是由微電腦、輸出入裝置、資料記錄器及遠(yuǎn)距控制模組所組成 (Ebeling and Piedrahita，1985; Piedrahita et al.,1987; Madenjian et al.,1988; Losordo et al., 1988;Ebeling and Losordo,1989; Green and Teichert-Coddington, 1991; Ebeling, 1991)。系統(tǒng)彼此之間實(shí)際上測(cè)定及控制的變數(shù)不盡相同，但大部份系統(tǒng)都有監(jiān)測(cè)溶氧量、水溫、酸鹼度、氣溫、光照度、相對(duì)濕度、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向，并控制馬達(dá)、安全閥及打氣機(jī)等設(shè)備。部份系統(tǒng)曾被用來(lái)收集池塘水質(zhì)資料 (如溫度、溶氧)，并發(fā)展為池塘管理模式系統(tǒng)。
Rush 及 Malone (1989-1993) 曾設(shè)計(jì)一套整合型水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)控制系統(tǒng)，能自動(dòng)提供藻類(lèi)做為養(yǎng)殖貝類(lèi)的餌料。這套控制系統(tǒng)包括一個(gè)微電腦、一組有58個(gè)輸出入通埠的資料獲取與控制裝置、一個(gè)遠(yuǎn)距控制模組。它能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度、水位、導(dǎo)電度、藻類(lèi)螢光度，并利用電子啟動(dòng)器開(kāi)閉安全閥、幫浦及不同速度的馬達(dá)，來(lái)控制養(yǎng)殖用水及氣體 ( 氧、二氧化碳)的流量。另外，Lyon (1993) 設(shè)計(jì)一個(gè)用來(lái)監(jiān)測(cè)虹鱒養(yǎng)殖場(chǎng)水中溶解氣體濃度的控制系統(tǒng)，其設(shè)備包括飽和器 (saturometer)、溶氧探針、熱電偶(thermocouple)、壓力計(jì)(barometer)、可攜式資料記錄器等。這套系統(tǒng)精確地評(píng)估一組脫氣塔(degassing column)的功能，并且顯示作業(yè)中魚(yú)類(lèi)養(yǎng)殖系統(tǒng)溶氧的日變化及總氣體溶解量。Munasinghe等(1993)曾經(jīng)專(zhuān)為水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)計(jì)了一套程序控制軟體，用以監(jiān)測(cè)溶氧、酸鹼度及溫度，并利用啟動(dòng)器開(kāi)閉打氣機(jī)或氧氣供應(yīng)系統(tǒng)，達(dá)到控制溶氧的目的。系統(tǒng)中有一臺(tái)微電腦內(nèi)插一片類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換板(analog-to-digital conversion)，作為電腦與感測(cè)器之間的介面。軟體則是用來(lái)模擬一個(gè)再循環(huán)養(yǎng)殖水槽中溶氧的變化情形，唯其實(shí)際操作狀況并無(wú)報(bào)告發(fā)表。
餌料供給系統(tǒng)是訂製控制系統(tǒng)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖上的另一個(gè)用途。Hoy (1985)為繁殖場(chǎng)設(shè)計(jì)一套利用微電腦估算與控制餌料供給的系統(tǒng)，它同時(shí)還可用以測(cè)定并控制水溫。應(yīng)用微電腦開(kāi)發(fā)的餌料供給系統(tǒng)，則可做為不同飼料比及不同投餌率的控制試驗(yàn)(Ruohonen，1987) 。另一個(gè)自動(dòng)化的餌料供應(yīng)系統(tǒng)，在龍蝦養(yǎng)殖試驗(yàn)中不但可供應(yīng)餌料給每一個(gè)水槽，尚可記錄每一隻龍蝦的攝餌率 (Grimsen et al.,1987)。這個(gè)系統(tǒng)包括微電腦軟硬體及電腦控制的氣動(dòng)式投餌機(jī) (air-actuated feeder)。Widmyer and Widmyer(1993)設(shè)計(jì)一套生產(chǎn)規(guī)模的餌料供應(yīng)系統(tǒng)，有30個(gè)投餌機(jī)不停的傳送餌料給養(yǎng)殖的虹鱒 (Widmyer and Widmyer , 1993)。它是利用中央數(shù)位式控制機(jī)來(lái)設(shè)定螺旋式飼料漏斗的馬達(dá)速度，達(dá)到控制餌料輸送率及投餌率的效果。此系統(tǒng)可增加微電腦介面以擴(kuò)充其容量。
利用魚(yú)類(lèi)的攝餌行為 (攝餌率) 進(jìn)行攝食研究，可進(jìn)一步用來(lái)預(yù)測(cè)環(huán)境對(duì)魚(yú)類(lèi)造成的的壓迫(stress)，例如溫度的增減、溶氧降低或受到病毒感染等 (Anthouard and Wolf，1988) 。這個(gè)系統(tǒng)包括一臺(tái)微電腦連接一個(gè)訊號(hào)轉(zhuǎn)換器，能接收來(lái)自魚(yú)類(lèi)自行飼喂單元(self-feeder unit)所發(fā)出的電子信號(hào)。另外有人發(fā)展一個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)電式運(yùn)轉(zhuǎn)的感測(cè)器，用以監(jiān)測(cè)循環(huán)水系統(tǒng)中虹鱒的活動(dòng)狀況(Fabregas et al.,1993)。感測(cè)器與微電腦記錄系統(tǒng)能同時(shí)偵測(cè)，魚(yú)類(lèi)因攝餌行為而增加的活動(dòng)力，以及因溶氧減少的壓迫而降低的活動(dòng)力。這種行為監(jiān)控的技術(shù)在動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)的控制中，是研究人員所追求的重要研究領(lǐng)域。
利用上述訂製控制系統(tǒng)所做的研究，不論其成果有多先進(jìn)，研究者對(duì)設(shè)計(jì)專(zhuān)家的依賴(lài)仍舊很深。一個(gè)控制系統(tǒng)會(huì)被放置不用，多半與系統(tǒng)單獨(dú)由一個(gè)人設(shè)計(jì)有關(guān)，而受僱操作者通常會(huì)另謀高就。如果沒(méi)有另外再僱人訓(xùn)練使用，系統(tǒng)就變成毫無(wú)用處，因?yàn)闆](méi)有人懂得解讀電腦程式碼，也沒(méi)有人會(huì)修理電子零件。
工業(yè)控制系統(tǒng)
大型專(zhuān)用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)在科技研究的文獻(xiàn)中較少被提及。雖然已有許多公司將控制系統(tǒng)賣(mài)給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)者，但安裝的系統(tǒng)規(guī)模都很小。很不幸的是有些廠商已經(jīng)不見(jiàn)了，或被迫將產(chǎn)品推廣到其他更有利的市場(chǎng) (如食品加工業(yè)及廢水處理) 。這個(gè)現(xiàn)象顯然會(huì)倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，因?yàn)樵S多有養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)的廠商，正大力推廣監(jiān)測(cè)與控制產(chǎn)品到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的市場(chǎng)。繁殖場(chǎng)作業(yè)在某些方面的自動(dòng)化是用Alfa-Log微電腦系統(tǒng)控制的; 這種系統(tǒng)是用來(lái)監(jiān)測(cè)及控制養(yǎng)殖場(chǎng)的水溫與溶氧 (Sanno，1987) 。到目前為止僅有一個(gè)真正分散式控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，而且還只是一個(gè)理論性的系統(tǒng) (HanSen，1987) 。這個(gè)建議中的系統(tǒng)是由一個(gè)迷你電腦主機(jī)及控制軟體組成，并與監(jiān)測(cè)水流、水溫、能量消耗、水位、溶氧、酸鹼值、導(dǎo)電度、濁度、餌料及自行飼育器撞擊探針等16個(gè)控制單元形成網(wǎng)路連線。它還有可以控制的飼料機(jī)、幫浦 (開(kāi)關(guān)及改變速度) 、壓縮空氣與熱壓縮機(jī)等設(shè)備。與上述訂製控制系統(tǒng)比較起來(lái)，整個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)可說(shuō)已經(jīng)完全自動(dòng)化，而且系統(tǒng)設(shè)備 (例如接近輸出入部份的分散式多重智慧型裝置) 也有相當(dāng)程度的重複情形。
Padala and Zilber (1991)利用專(zhuān)家系統(tǒng) (expert system) 軟體建構(gòu)一套吳郭魚(yú)集約養(yǎng)殖雛型系統(tǒng)(prototype)。此一系統(tǒng)是以工業(yè)用可程式邏輯控制器(PLC)及監(jiān)視器(monitors) 為基礎(chǔ)發(fā)展而成，可控制水質(zhì)及其流動(dòng)。Ebeling (1993)提出一個(gè)控制系統(tǒng)的計(jì)畫(huà)，希望在澹水魚(yú)研究室建立一套可以監(jiān)測(cè)并控制許多小型循環(huán)水槽的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由邏輯控制器、商業(yè)化相容的軟體及電話撥接器組成。系統(tǒng)將控制養(yǎng)殖用水的溫度、溶氧與酸鹼值、個(gè)別水槽的水溫及水位、儲(chǔ)水槽的水位、注水管中的流水量、打氣管的氣屋及電源線等。使用邏輯控制器將提高最初的投資成本，但類(lèi)似這樣的系統(tǒng)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化確有其可行性。
Lee (1991，1993) 已採(cǎi)行工業(yè)化程序控制系統(tǒng)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖上。其系統(tǒng)包括微電腦系統(tǒng)(SCADA)執(zhí)行一套商業(yè)化的軟體、一個(gè)輸出入多工器(multiplexer)及許多感測(cè)器與計(jì)數(shù)器。水溫、鹽度、光周期、酸鹼值、溶氧、水流、水位等均在一個(gè)封閉式再循環(huán)海水的魚(yú)道 (raceway) 中被監(jiān)測(cè)與控制。系統(tǒng)之中還包括一個(gè)自動(dòng)化脫氮生物反應(yīng)器(de-nitrifying bioreactor)控制海水中硝酸監(jiān)含量(Lee， 1991， 1993; Whitson et al.,1993)。自動(dòng)化生物反應(yīng)器係由一個(gè)鋪上細(xì)菌床巾(bacterial bed) 的管子、感測(cè)器組列、輸出入多工器、供應(yīng)碳的幫浦與貯存槽、可調(diào)流速幫浦以及一臺(tái)微電腦所組成(Whitson et al.,1993) 。此一系統(tǒng)採(cǎi)用商業(yè)化程序控制套裝軟體控制，而且也已連續(xù)運(yùn)作了三年。目前，這套系統(tǒng)正準(zhǔn)備升級(jí)為DCS系統(tǒng)，將可控制分散在三棟連筑內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖多重水槽系統(tǒng)。
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自動(dòng)化控制系統(tǒng)配備
建立自動(dòng)化控制系統(tǒng)所需的配備可分為六個(gè)部份：(1)感測(cè)器(sensor)或訊號(hào)轉(zhuǎn)換器 (transducer) ; (2)計(jì)數(shù)器 (meter) 、 傳輸器 (transmitter) 、 信號(hào)調(diào)節(jié)器(signal conditioner) ; (3)輸出裝置(output device) ; (4) 通訊設(shè)備或多工器 (multiplexer) ;(5) 電腦硬體 ; 及(6) 電腦軟體等(Dray，l994) 。
感測(cè)器
選擇適當(dāng)?shù)母袦y(cè)器是設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)最重要的一個(gè)步驟。感測(cè)器的目的是將環(huán)境變數(shù)量化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)輸出，通常感測(cè)器處于最壞的環(huán)境下 (如沒(méi)入水中) ，接受最嚴(yán)厲的考驗(yàn)(Gray，1989)。因此，感測(cè)器的選擇不僅應(yīng)考慮其性能，還要注意其耐久性。非金屬的感測(cè)器如玻璃或塑膠製品比金屬製探針持久。自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤警報(bào)，最常見(jiàn)的問(wèn)題是控制的范圍設(shè)定太嚴(yán)，第二個(gè)原因則是感測(cè)器失效。所以感測(cè)器必需定期更換，因此感測(cè)器的更新與定期校正維修的人力構(gòu)成系統(tǒng)維護(hù)的主要費(fèi)用。
對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，感測(cè)器的型式及安放位置都是特定的，例如在養(yǎng)殖鱒魚(yú)的寒冷澹水中與在養(yǎng)殖蝦類(lèi)的溫暖海水中，所要測(cè)定的環(huán)境變數(shù)不會(huì)一樣。因此，感測(cè)器必須是特定而且相容的種類(lèi)，將來(lái)才能選擇不同廠牌的感測(cè)器與現(xiàn)有的計(jì)數(shù)器及傳輸器搭配使用。
計(jì)數(shù)器
一旦感測(cè)器選擇以后，特定型式的計(jì)數(shù)器或傳輸器就很容易決定。計(jì)數(shù)器包含將感測(cè)器的電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)位顯示所需的各種電子零組件，也應(yīng)包括一些與其成比例輸出的信號(hào)如電壓或電流，而且可以被送到控制系統(tǒng)。傳輸器則僅提供輸出信號(hào)用并不貝顯示功能。只有在訊息需要當(dāng)場(chǎng)顯示的時(shí)候計(jì)數(shù)器才有必要 ; 在大部份情況下選擇一個(gè)傳輸器可以節(jié)省費(fèi)用。所有電子零件、線路及電話線都應(yīng)以防蝕箱或?qū)Ч鼙Ｗo(hù)(最好是PVC 或玻璃纖維製品) ，而且要符合NEMA 4 (美國(guó)國(guó)家電子製造協(xié)會(huì))的標(biāo)準(zhǔn)。這些額外保護(hù)箱的成本將可因電子零件壽命延長(zhǎng)而得到補(bǔ)償。在1993年，水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)備已併入國(guó)家電子碼 (NEC) 的標(biāo)準(zhǔn)，今后所有新的系統(tǒng)都必需堅(jiān)守這些規(guī)范。
輸出裝置/啟動(dòng)器
水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的輸出裝置在性能上與感測(cè)器有許多共同的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槎咄瑯佣继幱诓涣嫉沫h(huán)境下。啟動(dòng)器與可移動(dòng)的設(shè)備 (如幫浦、安全閥、開(kāi)關(guān)) 在一起，是另一個(gè)缺點(diǎn)。因?yàn)槿绻麕推?、安全閥經(jīng)常關(guān)閉或長(zhǎng)久不動(dòng)，很容會(huì)易因腐蝕而動(dòng)彈不得。重複的設(shè)備是解決的方法之一。實(shí)際上要確定幫浦是運(yùn)轉(zhuǎn)或停止、安全閥是開(kāi)或閉的方法，是在下游處多安置一個(gè)較便直的水流感測(cè)器開(kāi)關(guān)。設(shè)備封閉是非常重要的，而且應(yīng)該使用塑膠安全閥、封閉的幫浦、完全密封并用風(fēng)扇冷卻 (TEFC) 的馬達(dá)。
通訊設(shè)備
絕大部份的養(yǎng)殖業(yè)者因?yàn)槊刻焓褂酶袦y(cè)器、計(jì)數(shù)器、安全閥及幫浦，對(duì)這些設(shè)備的操作都相當(dāng)熟悉。他們唯一對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)感到厭煩的，就是不瞭解通訊設(shè)備如多工器、數(shù)位通訊開(kāi)關(guān)、可程式控制器、智慧型數(shù)位通訊及邏輯裝置、資料記錄器、獨(dú)立的資料獲取及控制裝置等。設(shè)備是否需要重複安裝是首先須要考慮的問(wèn)題，決定選擇分散式控制系統(tǒng)(DCS)或監(jiān)控與數(shù)據(jù)收集(SCADA)，將會(huì)影響系統(tǒng)的安裝與作業(yè)成本。其中有二個(gè)與輸出入相關(guān)的技術(shù)則影響目前或未來(lái)系統(tǒng)的架構(gòu)：(1) 網(wǎng)路系統(tǒng)的輸出入成本顯著降低 ; (2) 更高智慧型的輸出入裝置 (Cleaveland， 1993 ) 。而程序控制工程師對(duì)于控制與輸出入二項(xiàng)功能(control and I/O function)，究竟是分開(kāi)獨(dú)立作業(yè)最有效還是應(yīng)將輸出入裝置整合較有利，尚有不同的意見(jiàn)。價(jià)格與性能的比較(price performance) 成為決定性的因素，因?yàn)榫捅苊庀到y(tǒng)故障來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的設(shè)備重複是最安全的措施，但若只是增加智慧型輸出入裝置(intelligent I/O devices) 的數(shù)目而沒(méi)有經(jīng)過(guò)證實(shí)， 則控制系統(tǒng)的安裝費(fèi)用將快速加倍成長(zhǎng)。以高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)中最重要的功能，例如監(jiān)測(cè)溶氧量及液態(tài)氧的注射而言，就可證明智慧型輸出入裝置對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)以及設(shè)備重複設(shè)置的必要性。
電腦硬體
電腦硬體的選擇最容易做決定而且所需費(fèi)用也最低的。首先必須在IBM相容電腦或麥金塔微電腦之間作一選擇。目前大部份商業(yè)化控制套裝軟體都是為IBM相容電腦所設(shè)計(jì)，但是有一些很好的套裝軟體卻僅能在麥金塔微電腦上使用。大型商業(yè)化的監(jiān)控及資料獲取系統(tǒng) (SCADA)或分散式控制系統(tǒng) (DAC)的中央模組，所需電腦規(guī)格建議如下：(1)中央處理器為 80486-5O MHz至少在 80386SX-2O MHz 以上;(2)主記憶體(RAM) 2 Mb;(3) 如果電腦不是80486以上則需要數(shù)學(xué)運(yùn)算處理器; (4)100Mb 硬式磁碟機(jī);(5) VGA彩色顯示卡及彩色監(jiān)視器 (6)1.2 及l.4 Mb軟式磁碟機(jī);(7) 一個(gè)滑鼠(mouse)或軌跡球 (trackball);(8)一個(gè)平行阜及二個(gè)串列阜;(9)全高直立式或大型平面式電腦外殼含有六個(gè)擴(kuò)充槽(Slot)。選擇性的配備為：一臺(tái)印表機(jī) ( 列印報(bào)告或資料用 ) ，一個(gè)數(shù)據(jù)機(jī) (系統(tǒng)警報(bào)電話撥接用) ，一個(gè)磁帶機(jī)或其他大容量?jī)?chǔ)存設(shè)備 (供作業(yè)系統(tǒng)備份及長(zhǎng)時(shí)期資料庫(kù)儲(chǔ)存用) 、另有現(xiàn)場(chǎng)操作員介面(如可程式控制的信息顯示、觸摸螢?zāi)患半娔X工作站) 通常設(shè)于養(yǎng)殖系統(tǒng)的水槽附近，對(duì)輸入備忘資料、警報(bào)通知、顯示系統(tǒng)狀態(tài)、圖形顯示系統(tǒng)功能等都非常有用(Anonymous， 1990，Cleaveland， 1993， Herb， 1993) 。 這些介面的應(yīng)用范圍 ，依分散式控制系統(tǒng)設(shè)備的需要以及技術(shù)人員與控制系統(tǒng)間的溝通情況而定。


電腦軟體

流程控制軟體的成長(zhǎng)，證實(shí)了電腦控制系統(tǒng)在製造業(yè)、製藥業(yè)及食品工業(yè)上的角色日益重要 (Wolske， 1989，Labs， 1993)。種類(lèi)多且低成本的套裝軟體，針對(duì)訂製控制系統(tǒng)腦軟體相關(guān)的一些問(wèn)題提供了解決方桉。選擇程序控制系統(tǒng)軟體最重要的一點(diǎn)是，仔細(xì)評(píng)估目前的需要并預(yù)估未來(lái)的需求，因?yàn)樾薷能涹w的成本可能超過(guò)原本購(gòu)置價(jià)格的四至五倍?？刂栖涹w應(yīng)包括 (1)與控制系統(tǒng)輸出入多工器直接溝通的趨動(dòng)程式 (2) 各種控制功能如高低值設(shè)定、邏輯與數(shù)學(xué)運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)控制 (3) 設(shè)定控制迴圈 (1oop) 及螢?zāi)伙@示的選擇表單(menu) (4) 即時(shí)以圖形顯示養(yǎng)殖系統(tǒng)功能(5)即時(shí)的警報(bào)與狀況顯示、有聲及遠(yuǎn)距電話撥接警報(bào)，(6) 突發(fā)狀況的記錄及舊有資料的儲(chǔ)存與管理 (7) 統(tǒng)計(jì)分析(平均值與范圍及圚形顯示) (8) 交談式控制及整批處理的程式 (9) 與不同電腦硬體的相容性(如視訊轉(zhuǎn)接器、共同處理器);(1O)不需停機(jī)便可在線上作小部份修正;(11) 有當(dāng)?shù)貜S商的支援而且系統(tǒng)升級(jí) (upgrade) 費(fèi)用下高。目前大部份程序控制軟體都支援具有使用者圖形介面(GUI) 的作業(yè)系統(tǒng)如Windows與OS/2;考慮未來(lái)系統(tǒng)的相容性最好是採(cǎi)用這一類(lèi)的套裝軟體(Tomsick,1992，Labs ， 1993)。選擇一個(gè)具備合理又合乎成本效益升級(jí)制度的廠商，對(duì)支援軟體新功能、改進(jìn)性能、未來(lái)產(chǎn)品的相容性、解決現(xiàn)有軟體錯(cuò)誤等都會(huì)有好處(Labs,1992)。


系統(tǒng)整合

一般養(yǎng)殖業(yè)者不可能是一位電腦或電子工程專(zhuān)家，就如同他們不是魚(yú)類(lèi)病理或營(yíng)養(yǎng)專(zhuān)家一樣。業(yè)者必須找一個(gè)合格的顧問(wèn)或公司去幫助他們達(dá)成自動(dòng)化的目標(biāo)。最好的一條路是與一位有水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化經(jīng)驗(yàn)的控制系統(tǒng)整合專(zhuān)家(SI)接洽。不過(guò)，目前這種公司或個(gè)人很少。比較有可能的是，找一位對(duì)程序控制技術(shù)應(yīng)用在石化、食品加工、運(yùn)輸工業(yè)方面有廣泛經(jīng)驗(yàn)的整合專(zhuān)家(Chatha，1989)。這位專(zhuān)家應(yīng)該參與建置流程控制系統(tǒng)的全部過(guò)程，從自動(dòng)化的構(gòu)想、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝到系統(tǒng)文件與系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)完工驗(yàn)收，即控制系統(tǒng)在實(shí)際情況下運(yùn)作的最后測(cè)試，是系統(tǒng)安裝程序中最后也是最重要的一個(gè)步驟 (Levey 及 Leonard，1993)。一個(gè)經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)事實(shí)上并不需要整合專(zhuān)家長(zhǎng)期連繽的支援，但是專(zhuān)家的協(xié)助仍是有必要的，以避免控制系統(tǒng)將來(lái)被棄而不顧。


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控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)


目標(biāo)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)從小型系統(tǒng)做起。避免一開(kāi)始就想要設(shè)立一個(gè)完美的系統(tǒng)或解決所有的問(wèn)題，因?yàn)楹茱@然的自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)必會(huì)發(fā)現(xiàn)一些看不到的問(wèn)題，而且在系統(tǒng)管理過(guò)桯中也會(huì)激發(fā)一些革新與改進(jìn)的意見(jiàn)。 Christie (1989) 指出開(kāi)始設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)有二種方式 : (1) 由上而下設(shè)計(jì) (Top Down); (2) 由下而上設(shè)計(jì) (Bottom Up)。由下而上設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是如何(how)建立系統(tǒng)，而由上而下設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)建立何種(What)系統(tǒng)。一般而言由上而下設(shè)計(jì)的方式比較好，因?yàn)樗a(chǎn)養(yǎng)殖計(jì)畫(huà)的目的就是要賺錢(qián)。舉例來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)要如何設(shè)計(jì)才能使養(yǎng)殖池容易管理，這是事先就應(yīng)該瞭解的，但最重要的問(wèn)題是對(duì)養(yǎng)殖經(jīng)營(yíng)者而言有何經(jīng)濟(jì)上的意義。養(yǎng)殖系統(tǒng)能否避免重大的損失?控制系統(tǒng)能否減少養(yǎng)殖經(jīng)營(yíng)所需的人力 ?能否藉改善能量效率及飼料消費(fèi)而增加生產(chǎn)量?


這些問(wèn)題將決定自動(dòng)化計(jì)畫(huà)的目標(biāo)，而不是可資利用的技術(shù)問(wèn)題。在評(píng)估任何設(shè)計(jì)之前，養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)理及員工應(yīng)該為控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益詳細(xì)建構(gòu)其目標(biāo)。在設(shè)計(jì)及安裝過(guò)程中的每一個(gè)步驟，控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益以及可利用的技術(shù)是主要的考量標(biāo)準(zhǔn)。首先，原定的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)限制了自動(dòng)化設(shè)計(jì)的方式及其處理方法。其次，這些方法將用來(lái)決定計(jì)畫(huà)中各種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)目標(biāo)在計(jì)畫(huà)期間可以更改，但到了採(cǎi)購(gòu)及安裝階段則不宜再變動(dòng)。目前缺乏技術(shù)已不足構(gòu)成中止自動(dòng)化計(jì)畫(huà)的理由，但技術(shù)的成本將影響最終的計(jì)畫(huà)。缺乏適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)感測(cè)器 (氨感測(cè)器) 或在通訊網(wǎng)路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段遇到技術(shù)上旳瓶頸 (圖 1 ) 。例如，要確定監(jiān)測(cè)池塘溶氧的設(shè)備與控制池水的打氣機(jī)很簡(jiǎn)單，但是涉及線路成本或紅外線通訊費(fèi)用時(shí)，可能就需要變更監(jiān)測(cè)池塘的總數(shù)，或?qū)⒅醒肟刂葡到y(tǒng)(SCADA)改為現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)(單迴圈控制器或資料記錄器) 。缺乏適當(dāng)旳現(xiàn)場(chǎng)感測(cè)器可用人工檢測(cè)的方法來(lái)瀰補(bǔ)，只要將分析結(jié)果直接輸入電腦資料庫(kù)并顯示在螢?zāi)簧霞纯伞?/font>


系統(tǒng)架構(gòu)

許多公司所生產(chǎn)的個(gè)人電腦用流程控制系統(tǒng)軟體，可廣泛應(yīng)用在製造業(yè)及工業(yè)上(Gonales and Wolak，1992) 。估計(jì)全球在電腦整臺(tái)製造業(yè)的投資 1991 年為53億美元((Anonymous，1989．Chatha，1989) ，單是軟體在1992 年為1億美元 (Wolske， 1989;Labs，1993) 。不過(guò)，工業(yè)用軟體通常包括許多額外的功能，有些功能對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的應(yīng)用是不必要的。這些軟體設(shè)計(jì)了上千個(gè)輸出入通道，卻缺少一些必要的功能而軟體更改費(fèi)用又很高。因此，發(fā)展一套合乎成本效益且專(zhuān)為養(yǎng)殖設(shè)計(jì)的軟體，能順利運(yùn)作并且適用于一般硬體設(shè)備，對(duì)未來(lái)發(fā)展集約養(yǎng)殖是相當(dāng)?shù)闹匾?/font> (Lee， 1991， 1993) 。


現(xiàn)代商業(yè)化養(yǎng)殖設(shè)施，已經(jīng)把一些能將原料 (氧、熱量、餌料及水)快速轉(zhuǎn)變成高品質(zhì)產(chǎn)品 (含高蛋白可食用魚(yú)肉)所需的交錯(cuò)處理(interrelated process)及副處理(sub-process) ，變成一個(gè)精密的網(wǎng)路系統(tǒng)。這些處理相當(dāng)于製造業(yè)所管理的作業(yè)流程(George，1992) ，它隨時(shí)隨地需要整合許多逐一的步驟及複雜的(側(cè)迴圈)程序，以提高生產(chǎn)量并減少損失。由于這樣的結(jié)果，養(yǎng)殖場(chǎng)的經(jīng)理及其員工已被迫成為生物化學(xué)、動(dòng)物生理、微生物學(xué)、動(dòng)物行為、工程、建筑及照顧動(dòng)物 (曾經(jīng)是他們的主要工作) 的專(zhuān)家。


自動(dòng)化控制系統(tǒng)的另一項(xiàng)好處是便于從小型系統(tǒng)升級(jí)為生產(chǎn)規(guī)模的系統(tǒng)。系統(tǒng)在擴(kuò)大生產(chǎn)之前，所有不太清楚的程序最好先經(jīng)過(guò)小型系統(tǒng)運(yùn)作，讓操作人員能測(cè)試各種不同變化的控制 (Dowling and Sullivan,1993)。另外，自動(dòng)化控制系統(tǒng)所產(chǎn)生全球性即時(shí)的資料庫(kù)，也加速了控制模組的改進(jìn)，因?yàn)橘Y料品質(zhì)的提升，對(duì)一個(gè)完美控制模組的製造，有助于減少所需的試驗(yàn)次數(shù)(約減少40%的時(shí)間 ) 。


系統(tǒng)架構(gòu)

一個(gè)運(yùn)作正常的程序控制系統(tǒng)，應(yīng)該直接或間接地收集操作環(huán)境以及系統(tǒng)中每一個(gè)處理部門(mén)的資料(Dray，1994) 。而養(yǎng)殖自動(dòng)化系統(tǒng)必須能夠控制溫度、水流、水質(zhì)、光周期及投餌等。這一類(lèi)型(Hansen，1987)的系統(tǒng) (表一) 係靠電腦及特殊軟體來(lái)運(yùn)作，其基本配備為：(1) 監(jiān)控輸出入功能 ;(2)供即時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間 ;(3)啟動(dòng)并監(jiān)控警報(bào)器 ; (4) 記錄并儲(chǔ)存資料「(5) 執(zhí)行控制與模式化所必需的數(shù)學(xué)及邏輯運(yùn)算表一 水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化管理系統(tǒng)所使用的流程控制系統(tǒng)軟硬體設(shè)備需求功能：(6) 與主機(jī)的作業(yè)系統(tǒng)溝通 ; (7) 提供使用者交談式圖形介面。此外，系統(tǒng)應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)性、直覺(jué)性、重複性、彈性及免維護(hù)等特性，并且能與多種設(shè)備相容。圖2顯示自動(dòng)控制系統(tǒng)的四種設(shè)計(jì)模式(Dray，1994)。圖2A為封閉式迴圈控制器或資料記錄器，是屬于簡(jiǎn)單型低價(jià)位的眾麙惆謒t統(tǒng)，沒(méi)有通訊能力但包括一些資料儲(chǔ)存功能 (Azabo， 1993) ;圖2B為可程式邏輯控制系統(tǒng)(PLC)能在系統(tǒng)最低階執(zhí)行控制功能，具高度重複性以避免系統(tǒng)故障，無(wú)法儲(chǔ)存輸出入資料檔，顯示能力也有限，除非連接一臺(tái)電腦或終端機(jī)(Cleaveland， 1993) ; 圖2C為微電腦監(jiān)控及資料獲取系統(tǒng)(SCADA)係專(zhuān)業(yè)化系統(tǒng)，提供即時(shí)分析 ( 類(lèi)比與數(shù)位 ) 與輸出入資料厙儲(chǔ)存，可作過(guò)去累積資料的趨勢(shì)分析 (Bailliet，1987; Yingst，1988); 圖 2D 為分散式控制系統(tǒng) (DCS)提供多工(multitasking)、重複設(shè)備及大容量資料儲(chǔ)存功能，可將數(shù)個(gè)電腦或可程式邏輯控制系統(tǒng)連成網(wǎng)路(George，1992)。封閉式迴圈控制器PLC為現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的例子，SCADA為中央控制系統(tǒng)，至于DCS 則為整合型控制系統(tǒng)，包括上述二種型式的單元 (Spennato and Noblett，1992) 。SCADA系統(tǒng)運(yùn)作效率與DCS 一樣，但其成本只有五分之一，唯一浪費(fèi)的就是設(shè)備重複(Yingst， 1988) 。因此，對(duì)小型的養(yǎng)殖場(chǎng)或剛開(kāi)始設(shè)置控制系統(tǒng)的大型養(yǎng)殖場(chǎng)而言，SCADA 系統(tǒng)提供了彈性與合理價(jià)格的組合。不過(guò)，DCS 對(duì)大型貵殖場(chǎng)能提供最佳的方桉，因?yàn)檠}雜的控制問(wèn)題需要特殊的智慧型設(shè)備 (如多工器、PLC 或PC )去控制特殊的處理，它還容許別的電腦擷取全部資料作更高階的控制。例如水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)管理，就可從網(wǎng)路系統(tǒng)上獲取最新的資訊 (如動(dòng)物存量、動(dòng)物大小、餌料消費(fèi)量、能源及氧的使用量) 來(lái)加以改進(jìn)。這種DCS 系統(tǒng)因?yàn)槭褂么笮椭鳈C(jī)或迷你電腦網(wǎng)路，其價(jià)格一直到最近都還很高 ( 大于50,000美元 ) 。現(xiàn)在使用個(gè)人電腦，成本已經(jīng)降低 (小于 10,000 美元 ) ，也大大改善了DCS系統(tǒng)的相容性并簡(jiǎn)化其操作程序。事實(shí)上，PLC、SCADA 與 DCS 系統(tǒng)之間的差異，已因建立開(kāi)放式架構(gòu)與改善其相容性 ， 而變得模煳不分(Spennato and Noblett， 1992) 。 不少 DCS已被製造業(yè)(Geroge，1992)、食品加工業(yè) (Nisenfeld，1989)、製藥業(yè) (Nisebfeld，1989)、石化工業(yè)(Bailliet et al.,1987)、廢水處理業(yè) (Came，1987)、農(nóng)業(yè)等用來(lái)改善處理品質(zhì)與提高效益。大型企業(yè)化養(yǎng)殖計(jì)畫(huà)必可從這種整合經(jīng)營(yíng)的方式獲取利益。而DCS 系統(tǒng)配合使用智慧型控制軟體，將使大規(guī)模集約養(yǎng)殖系統(tǒng)的建立帶來(lái)希望。


表一、水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)化管理系統(tǒng)所使用的程序控制軟硬體設(shè)備需求

硬體設(shè)備需求  軟體設(shè)備需求  硬體設(shè)備需求  軟體設(shè)備需求

輸出入監(jiān)控
低維護(hù)

相容性

模組化

調(diào)節(jié)功能
系統(tǒng)組態(tài)
使用者介面

趨勢(shì)分析

報(bào)表與資料錄

手動(dòng)控制
警報(bào)監(jiān)控
資料處理

數(shù)學(xué)及邏輯功能

即時(shí)系統(tǒng)時(shí)間

重複設(shè)備
設(shè)定值控制
調(diào)節(jié)控制

統(tǒng)計(jì)控制

交談式圖形

模擬





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水產(chǎn)養(yǎng)殖控制系統(tǒng)的未來(lái)方向


程序控制技術(shù)應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖上很重要，但有些地方還需要改善，包括感測(cè)器的改進(jìn)與開(kāi)發(fā)、人工智慧應(yīng)用于程序控制軟體、電腦或機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展。一些位于遠(yuǎn)距旳貵殖設(shè)施 (如外海箱網(wǎng)與大型養(yǎng)殖池) 也需要發(fā)展更經(jīng)濟(jì)而精密的通訊協(xié)定(protocol) ，如微波、無(wú)線電或衛(wèi)星通訊等協(xié)定。毫無(wú)疑問(wèn)的，設(shè)計(jì)與安裝任何現(xiàn)代化控制系統(tǒng)，最重要的目標(biāo)是考慮未來(lái)的相容性。另外，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮讓系統(tǒng)在新技術(shù)可行的時(shí)候，得以改進(jìn)或升級(jí)。


感測(cè)器的改進(jìn)
感測(cè)器設(shè)計(jì)與耐久性(durability) 的改進(jìn)，對(duì)監(jiān)控設(shè)備在養(yǎng)殖上旳廣泛應(yīng)用扮演重要角色(Dartez，1989)，而這種情況將擴(kuò)展到自動(dòng)化養(yǎng)殖系統(tǒng)。使用更耐久的材料并把固體電路 (solid state circuitry)嵌入感測(cè)器內(nèi) ， 可使探針變得更且小不易衼纏住。有幾種新的感測(cè)器即將應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)控上， 由壓電晶體生物感測(cè)器(piezoelectric crystal biosensor) 箝入一個(gè)外表涂有對(duì)特殊溶解化學(xué)藥品起反應(yīng)的振盪晶體 (oscillating crystal) 組成 (Guilbault and Suleiman， 1990) 。 生物感測(cè)器的原理是晶體吸附分解質(zhì)溶液后會(huì)成比例的改孌振盪頻率。一些傳統(tǒng)測(cè)定電流與電位感測(cè)器 (如酸鹼度、離子電極、 氧化還原、導(dǎo)電度等 ) ， 目前已因新材料與新設(shè)計(jì)的改善而再度加入市場(chǎng) (Gary，1989; Gennett and Purdy， 1991) 。玻璃纖維感測(cè)器由雷射及多層薄膜藥劑所組成， 一旦成本降低乜可能應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖上(Luo and Walt，1989) 。這些感測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是可減少糾纆，因?yàn)榭估p化學(xué)物質(zhì)(antifouling chemicals) 可被加入薄膜藥劑層，因此化學(xué)物質(zhì)得以不斷地從表面釋出。另外，新一代的感測(cè)器及啟動(dòng)器正開(kāi)始出現(xiàn)(Bryzek，1993; Muller and Grumstrup，1993)。這些感測(cè)器如溫度、壓力 、 振動(dòng)等， 基本上已結(jié)合記憶體、數(shù)學(xué)與邏輯功能及通訊協(xié)定形成積體電路(IC)，與流程控制系統(tǒng)具有同樣的高階功能，也有診斷 (diagnostics)能力， 可檢查其輸出 、檢測(cè)感測(cè)器失效或校正偏差。


人工智慧


控制技術(shù)進(jìn)步最顯著的是控制模式軟體所使用的編碼方法。軟體將超越簡(jiǎn)單的開(kāi)閉控制或統(tǒng)計(jì)控制 ， 而延伸進(jìn)入到機(jī)器智慧 (machine intelligence)或人工智慧的領(lǐng)域。未來(lái)最可能應(yīng)用的技術(shù)是專(zhuān)家系統(tǒng) (Bechtold，1993; Bechtcold，1994; Eliot，1994)與神經(jīng)網(wǎng)路(neural nets)(Chester，l992) 。專(zhuān)家系統(tǒng)需要以往累積的流程控制經(jīng)驗(yàn)，而神經(jīng)網(wǎng)路則可自我學(xué)習(xí)去控制本身的流程 (Rock and Guerin，1992; Plummer， 1993)。


模楜邏輯控制(Fuzzy logic Control) 理論也很有可能被應(yīng)用，因?yàn)樗a(chǎn)養(yǎng)殖所要控制的流桯，經(jīng)常不易明瞭但具高度的變動(dòng)性(Karr，1993) 。一些更複雜的工業(yè)流程控制軟體，現(xiàn)在已包括人工智慧模組。水產(chǎn)養(yǎng)殖上應(yīng)用人工智慧控制軟體的未來(lái)趨勢(shì)為 : 採(cǎi)用溷合功能，專(zhuān)家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)路結(jié)合或模煳控制技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)路結(jié)合 ; (2) 由于人工智慧與數(shù)學(xué)運(yùn)算有關(guān)，硬體設(shè)備 (如主機(jī)板) 的更新將使執(zhí)行速度有所改進(jìn) ; (3)利用過(guò)去的資料去改進(jìn)記憶(如循環(huán)網(wǎng)路) -并以現(xiàn)在的實(shí)際數(shù)值取代錯(cuò)誤的隱藏變數(shù)(如強(qiáng)迫學(xué)習(xí))，將使神經(jīng)網(wǎng)路的學(xué)習(xí)速度加快 ; (4) 因?yàn)椴僮髡吲c控制程式彼此之間會(huì)變得更密切，使用者介面 ( 如多媒體、語(yǔ)音辨識(shí) ) 將大為改善(Chester，l992) 。


電腦或機(jī)器視覺(jué)


即時(shí)抓取、觀察、分析養(yǎng)殖水槽的視訊影像，則可在遠(yuǎn)距估計(jì)魚(yú)類(lèi)的大小、體重及活動(dòng)狀況。魚(yú)類(lèi)活動(dòng)的分類(lèi) (自然狀態(tài)、攝食、交配、產(chǎn)卵或因壓迫造成暴燥)與活動(dòng)的量化 (quantification) ， 對(duì)養(yǎng)殖業(yè)者非常有參考價(jià)值。遠(yuǎn)距估計(jì)魚(yú)體大小 (體長(zhǎng)、體重 ) 可看到魚(yú)類(lèi)每天的生長(zhǎng)情形，并讓魚(yú)類(lèi)在不受干擾的環(huán)境下成長(zhǎng)。另外，魚(yú)類(lèi)行為現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)的量化與估計(jì)現(xiàn)存量(biomass) ，對(duì)遠(yuǎn)距的養(yǎng)殖場(chǎng)知外海箱網(wǎng)尤其重要 。 目前機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng) (machine vision system) 使用靜態(tài)的影像 ， 尚無(wú)法作即時(shí)自 動(dòng)的分析 (Boyle et al.,1993; Petrell et al.,1993; Naiberg et al.,1993) 。 不過(guò)，即時(shí)旳視訊分析系統(tǒng)不久即將問(wèn)世(Whitsell and Lee， 1994) 。使用遠(yuǎn)距攝影機(jī)無(wú)疑將發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)殖設(shè)施上的其它用途，例如可用來(lái)監(jiān)視人員的活動(dòng)、報(bào)告系統(tǒng)故障情況以及最后收成的自動(dòng)化處理。



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結(jié) 論


商業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖如室外養(yǎng)殖池、魚(yú)道、外海箱網(wǎng)以及室內(nèi)水槽系統(tǒng)等，應(yīng)用現(xiàn)代化流程控制技術(shù)將使養(yǎng)殖經(jīng)營(yíng)受益。
水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施自動(dòng)化的決定應(yīng)以實(shí)際價(jià)格為衡量基準(zhǔn)。
養(yǎng)殖業(yè)者應(yīng)桹據(jù)其養(yǎng)殖場(chǎng)設(shè)施的規(guī)模大小與複雜度，使用微電腦SCADA與DCS系統(tǒng)，小規(guī)模的用SCADA系統(tǒng)，大規(guī)模的用DCS 系統(tǒng)。
所有控制系統(tǒng)應(yīng)該模組化，并可使用不同型式的感測(cè)器、啟動(dòng)器，以確保未來(lái)系統(tǒng)的相容性。基于未來(lái)相容性及維護(hù)等相關(guān)問(wèn)題的發(fā)生，訂製系統(tǒng)應(yīng)該儘量避免。
養(yǎng)殖業(yè)者應(yīng)信賴(lài)程序控制系統(tǒng)整合專(zhuān)家及設(shè)備廠商，請(qǐng)其協(xié)助并參與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝與運(yùn)作。
未來(lái)程序控制技術(shù)的改進(jìn) (感測(cè)器、人工智慧、使用者介面、遠(yuǎn)距通訊與電腦視覺(jué)) 將擴(kuò)大集約養(yǎng)殖系統(tǒng)的效果。

zhangli9813

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