模块化理论在池塘设施化养殖中的应用实践
摘要： 按照模块化设计理论，以实现“健康、环保、高产、高效、优质”生产模式为目标，建立池塘设施化高效健康养殖系统。经综合分析将系统拆分成8个功能模块，建立起系统流程及模块间作用关系；以能量传递与主要水化指标作为接口参数，确定接口对应关系，推算出设施配置、与设备配备功率。2012年以来将试验池塘进行设施化改造与养殖试验，亩产3754kg的良好效果,做到资源充分合理利用，是实现健康高效养殖模式的有效途径。
Abstract: In accordance with the modular design theory, for achieving \environmental protection, high-yield, high efficiency, high quality\as the goal, establishing pond facility efficient health aquaculture system. After a comprehensive analysis, the system is split into eight functional modules to establish the relationship role between system processes and modules. Taking energy transfer and the main hydration index as the interface parameters to determine the correspondence between the interface, calculate the facility configuration and equipment allocated power. Since 2012, the test pond was carried on facility transformation and cultivation test, got good results of 3754kg each yield, which
achieved adequate and reasonable use of resources, was an effective way to achieve a healthy and efficient breeding patterns.
关键词： 模块化理论；水产养殖；设施化；应用
Key words: modular theory；aquaculture；facility；application
中图分类号：S96 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）13-0283-05 1 概述
模块化以系统工程理论和方法、标准化原理与方法及普适性的逻辑思维方法为基础，给这些方法赋以特定的具体内容，并加以归纳和抽象而成的一种自成体系的理论。模块化作为一种新的工作方法和思维方法，在对事物的构成模式分析、结构优化和系统的分解、重组、协调等方面，有其独特的效能。用它来分析复杂事物，解决复杂大型问题，可使问题简化、条理分明，进而可取得良好的秩序、质量和效益。
当前，水产养殖业的发展正处在一个关键时期，传统的生产方式已越来越难以适应生态环境友好型的环境要求与产品多样化的市场需求。改变传统生产方式使之适应健康、环保、高产、高效、优质的发展目标，应用模块化设计方法来解决池塘设施化对传统生产方式的改造，是一项值得探讨与尝试的工作。
分析以池塘设施化高效健康养殖关键技术建立起的养殖系统，是涉及机械、电气、化学、生物、水质环境、水产养殖等多项综合技术的复杂系统。在池塘设施化高效健康养殖系统设计中以模块化理论为指导，将整个养殖系统分解成若干功能模块，在确定边界条件的基础上单独设计标准化功能模块，并按照模块之间的界面关系建立起连接接口。应用时只要依据养殖模式的目标要求选择适当的功能模块组合，进而组成符合池塘设施养殖的生产系统。
经过两年的工作实践，在对池塘设施养殖模块化技术的应用过程中通过不断总结与完善，体会模块化设计的应用特点，可以有效促进池塘设施养殖标准化技术的发展进程，并可以做到在建立标准化养殖系统中，实现组织多样化生产的有益的思维方式，是转变生产方式促进建立“高产、优质、高效、生态、安全的池塘设施化养殖模式”的有效的方法与措施。
2 池塘设施化高效健康养殖关键技术系统模块化设计的基本思路
模块化以系统工程理论和方法、标准化原理与方法及普适性的逻辑思维方法为基础。模块化系统设计，旨在依据系统的目标确定系统的结构，以简单的形式把握系统的整体并以整体的观念来协调系统内外要素。在这里我们对池塘设施化高效健康养殖系统（以下简称：设施化系统）结构要素与系统模型进行分析并初步建立系统模型。
2.1 系统结构要素分析
2.1.1 系统目标设定 建立设施化系统，首先应确定系统的目标，将总目标进行分解。经分析，建立高效健康养殖系统的具体目标应该包含以下几方面： ①高效——要获得相对较高的经济效益。高的经济效益首先要求系统具有高效的生产能力；同时，要面对市场需求，能生产市场畅销的经济性品种；还要具有降低劳动强度，方便生产者操作功能。因此，设施化、机械化、自动化等是系统的重要特点。
②优质——生产的产品要符合食品质量安全要求。要符合水产品质量安全标准，生产过程不能使用违禁药物，产出优质安全好产品；生产高附加值，受大众欢迎的产品。
③环保——生产过程无废水排放。系统要采用封闭循环模式，应具备养殖水体内部循环处理与净化能力，要做到既不向外界环境排放生产污水，又不受环境污染的影响。
④生态——对养殖水体采用生态循环处理。生产过程中对循环使用的水体使用物理方式分离收集，转化为有机肥料；采用生物硝化技术，净化处理养殖水体；栽培水生植物吸收水体营养盐，并可产生经济效益。
⑤节水——系统运行时不向外界排放废水，必要时补充少量由于渗漏和蒸发失去的水分。
上述诸目标是一个有机结合的整体，在设计系统时要通盘考虑综合协调，任何一方面都不可偏废，全部目标的实现是我们要达到的总目标。
2.1.2 外部要素分析 对系统外部要素进行全面分析、简化、筛选，找出起主导作用因素。①自然环境。池塘养殖中，自然环境是决定性的重要条件，主要因素是充足水源、适宜的水温与良好的水质。天津地区适合开展池塘养殖生产，一般适宜养殖期每年在150天左右。若采用保温措施可延长生产周期。②社会经济。是产品供求的动态因素，它随着社会经济的发展而不断变化。例如人们对水产品种的需求，会随着经济与生活条件变化而改变；不同品种市场价格有较大的差异，在养殖品种的选择及相互搭配也是相对变化的因素；生产与购销成本同样是决定系统综合效益的重要因素。因此在设计系统时要对相关因素全面考虑，并进行认真分析。③设施条件。主要有进、排水设施，供电设施和塘边道路条件等。 2.1.3 影响系统功能因素与应对措施分析 设施化系统是具备生产产品功能的综合系统，要建立能够生产出适应社会需求的产品的系统，还必将受到设施、环境、资金等诸多条件的约束。①产品需求因素。这是设施化系统的建立所面对的一个重要的因素，要选择适宜在本地区生长且经济价值高与畅销的品种，设计出多品种组合高效养殖生产模式，这是一个动态因素。因此，开展经常性的调研了解市场行情，按照需求不断设计出新的养殖生产方案与模式，以适应市场需求。②设施完善因素。系统本身要具备生产不同养殖品种的能力，要求设施的能力、功能必须齐全完善。系统设计时要考虑的综合功能，设备设施要适应性强，要适合不同规格与品种的养殖生产。系统机械化、自动化、智能化也是设计中应该考
虑的重点因素，要减轻人工劳动强度。要有监测与控制设施，保证生产过程安全、可靠。③外部环境因素。水环境是养鱼生产的必备因素，一是要做到水环境不受外部条件的干扰（污染），二是系统内进行循环使用，做到不向外部环境排放废水。若具备条件可做到人工控制水体温度延长生产周期，是能够大幅度提高产量、质量，提高经济效益的重要因素。④资金支撑因素。设施化系统建设必须要投入资金，系统设计科学，资金投入合理就能发挥出资金的效能，促进产业发展取得更大经济效益。
2.1.4 系统与外部环境关系 设施化系统与外部环境条件紧密相关，诸多因素相互关联相互作用系统与环境之间关系见图1所示。
从图1可以看出，设施化系统与外部环境条件因素多关系复杂。综合分析将系统与外部环境条件接触归纳为4个界面，即环境作用系统、系统输入与系统作用环境、系统输出。处理好这4方面问题，即可建立起环境有好型设施化系统。 2.2 系统模型建立与功能分析
2.2.1 系统模型的建立及模块划分 依据系统目标要求设施化系统模型应由8个功能模块组成，系统运行原理与模块间相互作用关系，由图2所示。
其中4个模块Y，Q，X，S 放置于养殖水体环境之中，以水体流动为载体携带的各种化学、物理与生物量，将各模块相互链接。这4个模块是设施化系统组成的核心部分，外部环境信息与能量的输入与系统向外部的输出主要通过这部分来完成。
模块T是饲料投喂单元。主要依据养殖投喂计划，定时、定量的准确完成饲料投加。
模块M是养殖模式设计单元。为软模块属性，主要是依据各种信息进行综合分析后制定出优化养殖模式与精准投饲计划。
模块J，K组成信息监测分析与运行控制系统，是设施化系统的分系统。通过采集有关视频与检测数据经分析处理转化为系统运行指令，对系统进行运行控制。这个分系统具备人机对话界面，还要完成人机对话功能。
2.2.2 系统模块结构 通过图2可以清楚地反映出系统内部模块化结构和系统与外部环境的关系。整个系统受外部环境影响因素有4个方面，其中自然、物理因素2个，分别是环境温度、水源；物质经济与综合信息因素2个，原料供给（包括饲料、鱼种和其他投入品）以及在社会经济、法律法规、技术标准与相关政策方面。系统对外部环境的作用与因素3个，分别是产品的输出、经济作物产出以及污泥的排出。排出的污泥经过处理加工，制成种植经济作物的有机肥料。
2.2.3 系统与模块功能分析 生产单元模块Y是整个系统运行核心部分，它的输出即产品输出，是实现目标期望值的单元。Q，X，S是辅助性模块，为模块Y提供服务的功能性模块，根据模块Y的负荷量作具体配置。模块T是饲料投喂单元，依据养殖投喂计划完成饲料投加。模块M是系统运行分析、优化与决策部分，属于软件模块。
模块J，K组成系统信息监测分析与运行控制系统，依据精准化、自动化控制需求进行配置。
2.3 设施化养殖系统模块化设计 在系统建立与系统中模块功能分配之后，接下来要对模块接口的“物质、能量、信息”的传递进行分析与规范，为模块设计组装对接确定界面参数。为了清晰展示系统功能、参数与分析模块间相互关系，依据试验结果与计算分析，制定出系统模块接口功能与输出、输入关系分析简表，见表1。以此为依据，对系统单元模块进行具体设计。
2.3.1 单位模块设计 为了方便模块的设计，首先定义养殖生产单位负荷量。经过2年的试验生产实践，确定养殖生产1000kg产品为基本设计单位。并以养殖成品出塘时，为单位负荷设计依据。
2.3.2 模块设计顺序 以模块Y为起点，按其循环流程对模块功能设计并确定具体量值参数，以此推导出该模块的输出、输入边界条件参数。以边界条件耦合对应为原则，按流程继续设计相关联单元模块，以此类推完成整个系统设计。将各模块组装成系统而后再进行系统整体评价，对参数相互矛盾之处进行整体修正与协调，最终做到系统优化。
2.3.3 模块功能属性 ①对系统的8个单元模块分析可以看出，模块Y、Q、X、S同时放置在池塘水体之中，靠水体循环流动来传递物理、化学、生物量值，模块间相互影响关系密切，是系统设计的重点核心部位。②模块T具有独立的属性，按照饲养要求向水中投放饵料。可以人工操作也可以使用机械，若有条件还可以配备电子智能系统，实现自动或远程控制。③模块J、K是系统运行安全保证单元，在高密度养殖时其作用尤为重要，水质主要理化指标必须定时监测。可以采用人工监测，也可以安装电子在线实时监测和视频监测与自动控制系统，进一步提高系统运行的安全保证。④模块M属于软模块，在做好充分的市场调研基础上，对各种外部因素与内在条件进行全面综合分析，制定出优化工作放案。 2.3.4 确定模块接口主要参数 为了系统各模块的正确设计，要通过试验或查询资料，必须要确定如下参数，作为模块设计的基础依据：①吨鱼耗氧量g/h·t。每吨鱼正常生长耗氧与硝化氨合计耗氧总量；②吨鱼水体交换量m3/h。设计养殖密度下水体交换量；③水体携氧量g/m3。养鱼设施水体输入与排出端溶解氧之差值；④鱼体排氨量g/kg·d。每天每kg鱼排氨数量；⑤粪便残饵量g/kg·d。最好能够测算出每天每kg鱼产生粪便与残饵数量。
2.3.5 单位模块设计方法 以生产1000kg商品鱼为一基本单位进行系统模块设计。根据总结归纳试验结果，整理出“设施化养殖系统模块化应用设计简表”见表2。
3 模块化设计在池塘设施化改造中应用的初步尝试
在2012年应用模块化设计方法，对本所淡水试验站池塘进行设施化设计与改造，下面将设计与实施过程与试验结果进行简要总结。
3.1 基本情况与系统设计 选择淡水试验站内3.6亩池塘，经清塘改造后水深2.6m。建立设施化系统，首先要确定系统目标即转变传统生产方式，实现“健康、环保、高产、高效、优质”生产模式为系统的总目标。将目标具体化就是：水体净化处理循环使用，不排放废水；不施加违禁药品；养殖产量高于传统生产模式；多品种多规格同池饲养。按照池塘条件和目标要求，建立单池循环系统模式，如图3所示。
根据模块化设计原理将系统分为5个部分，具体为：①生产单元模块Y。由养殖渔箱、操作平台组成；②水循环单元X。由水车增氧机、射流曝气机组成；③生物处理单元S。由生物包、水生植物组成；④饲料投喂单元T。应用太阳能自动投料器。
3.2 系统模块设计 根据养殖池塘条件，设置12个养殖生产单元，设计养殖总产量为12000kg。按照表2设计要求，推算出试验池塘设施化模块设计的具体参数，见表3。
4 养殖试验与结果
4.1 养殖试验过程
4.1.1 鱼种投放 自7月5日开始投放鱼种，鲤鱼规格为200.89g/尾，在1号至10号鱼箱内共投放3429kg。罗非鱼规格为446.4g/尾，在11号至12号鱼箱内共投放1217kg。为了净化水质，在池塘中还投放少量500g/尾的鳙鱼鱼种。8月16日罗非鱼养成出箱后，利用空闲渔箱继续养殖莫荷罗非鱼，其规格为40.7g/尾，在11号12号鱼箱内投放400kg。1号至5号渔箱内投放泥鳅与黄颡鱼进行试验养殖。具体鱼种投放情况见表4。
4.1.2 生物包与水生植物 ①7月6日至7月16日共放入20只生物包，合计80m3。②自7月24日开始，向池塘中栽培水生植物，主要品种有水蕹菜、水葫芦和少量水芙蓉，合计栽培面积约160 m2。
4.1.3 主要水质指标 水质监测于7月6日开始进行至10月6日结束，每天定时测试水温、溶解氧、氨氮、亚硝酸盐、pH值及有关数据，观察并纪录鱼的生长情况。其第一阶段溶解氧、氨氮、亚硝酸盐数值见图4。
在这个试验阶段过程中水温在26℃至30℃之间，是适于鲤鱼和罗非鱼及其它养殖鱼生长，也是生物包挂膜的适宜温度。在整个运行周期内日均水中溶解氧在4mg/L至8mg/L之间，一般日均溶解氧达到5mg/L以上。日均较低值出现在7月19日至7月20日两天，分别为4.5mg/L与4.3mg/L，其中7月22日早6时网后测试为3.1mg/L达到了最低值。在其余时间日均溶解氧均在5mg/L以上。 从图4可以看到氨氮与亚硝酸盐的变化过程，在试验开始的前10天氨氮值有所上升但变化平缓，亚硝酸盐则呈现出明显上升趋势。试验进行至17至18天氨氮与亚硝酸盐的数值达到极值，而后却陡然下降，这种变化与2011年试验结果相吻合。其后亚硝酸盐变化虽有波动，总体呈下降趋势，始终保持相对平稳的较低水平。
4.2 试验结果
养殖试验结果及具体鱼产量情况，见表5。
4.2.1 鲤鱼、罗非鱼 8月16日测产验收，罗非鱼平均体重718g/尾，成活率94.8，预测产量为1857.5kg，最终出鱼实际产量为1845 kg，与预测产量基本相符。9月4日测产验收，鲤鱼平均体重786.72g/尾，成活率98.7%，最终实际产量为10081.3 kg。
4.2.2 莫荷罗非鱼、泥鳅 8月21日将莫荷罗非鱼投入11号、12号渔箱，一天以后开始摄食，在整个养殖期间发现极个别死鱼，体质健康摄食力强，生长正常。9月11日将泥鳅投放1号、2号、3号箱内养殖，水面放置水葫芦供泥鳅歇息。三至四天以后开始摄食，成活率约90%左右。9月14日将黄颡鱼投放4号、5号箱内养殖，入箱以后基本不摄食，在整个养殖期间每天都会发现死鱼。究其原因，渔箱内水环境条件不能适应其正常生长。
4.2.3 增重分析与池塘养殖负荷 在整个养殖过程共消耗饲料12880kg。罗非鱼增重628kg，日增重1.09%，平均每尾日增重6.19g/d；鲤鱼增重6652kg，日增重2.303%，平均每尾日增重9.93g/d。罗非鱼鲤鱼合计总增重7280kg，经计算饲料系数为1.76。在7月5日起开始投放鱼种，到10月23日清塘，实际产出各种鱼总计13514.9kg，每亩养殖负荷量为3754.1kg。 4.2.4 产量差距分析 鲤鱼、莫荷罗非鱼、泥鳅实际产出数量均少于预测产量。经分析，因为部分渔箱有破损情况，部分鱼的逃逸造成产量下降；在养殖期间连降暴雨池水上涨漫过池堤，部分逃出渔箱的鱼游到其他鱼池；后期的管理问题可能也是造成产量差距的又一原因。 5 总结
①利用模块化设计建立起的设施化淡水养殖生产系统，具有结构清晰、简便易行、便于对传统淡水养殖生产的进行标准化设计与设施化改造，建立起新的养殖生产模式。新模式适用于多品种、多规格水产品生产，能够灵活应对市场需求，是实现最佳的效益和质量有效措
施。②应用系统理论方法归纳总结出养殖系统与外部环境条件接触的4个界面，分析了相互间的影像与作用关系，建立起环境友好型设施化系统设计基本思路。提出了将系统进行拆分组合，建立模块间以接口形式组合对接形成系统方法。③以生产单元为系统设计起点，建立起单元模块之间数学关系和系统设计程序，建立设施化系统模式的单位模板，使得池塘设施化养殖系统优化设计变得简便易行。④通过渔箱水体流速满足水体交换保证溶氧供应。通过对氨氮与亚硝酸盐的变化过程分析看出，生物处理起到了水质净化作用。水生植物长势良好，可以食用或用作饲料，即可净化水质又能获得经济收益。⑤应用模块化设计方法，2012年对我所淡水试验站池塘进行设施化设计与改造，主养鲤鱼、罗非鱼，投入少量鳙鱼并试验养殖莫合罗非鱼、泥鳅、黄颡，摸索总结了养殖经验。在3.6亩池塘中合计养殖产出总量为13514.9kg，平均3754.1kg/亩。⑥由于设备制作的原因，推迟至7月5日开始养殖试验，若按正常情况在5月中旬投放鱼种以及在9月后期继续加强管理，可以采用轮捕轮放养殖方式，预测运用本模式进行养殖生产，亩产量达4000kg～5000kg是安全可行的。⑦养殖模式设计单元模块是实现综合效益目标的重要软件设计部分。要充分利用模块化设施具有的多品种、多规格、分时段同时养殖的独特优势，合理设计出适应市场需求的高收益多品种的养殖计划，做到充分利用自然资源的同时发挥设备设施的潜能，设计分时段养殖反季节上市生产方式，可在提高经济效益方面做好文章。 参考文献：
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模块化理论在池塘设施化养殖中的应用实践
