中国深水网箱养殖科技专利情报分析与对策研究

岳冬冬 ，王鲁民 ，方海 ，曹坤 ，阮雯 ，纪炜炜

（1.中国水产科学研究院东海水产研究所农业部远洋与极地渔业创新重点实验室，农业部东海渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090；2.中国水产科学研究院，北京 100141）

网箱养殖是中国水产养殖业的重要方式之一。与普通网箱相比，深水网箱具有生产水域更为开阔、水产品品质更好、科技水平更高等特点，尤其是在创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念指引下，深水网箱的应用范围会进一步推动与扩大。一般而言，深水网箱主要应用于海水养殖领域，但是，大型水库等设施的水深特点具备应用深水网箱的条件，也为其进一步发展提供了新空间。目前，中国深水网箱养殖生产主要应用于海洋。与挪威、日本等水产养殖发达国家相比[1-3]，中国深水网箱生产发展较晚，1998年海南率先引进挪威的HDPE浮式深水网箱而被行业视为起点[4]。经过20年的发展，通过国家、省部等各级各类科技专项经费的支持，在深水网箱数字化设计技术、装备自动控制技术、数字化管理技术以及大型鱼类网箱养殖技术等方面取得了重要进展[5]。

为积极发展深水网箱养殖业，国务院发布《国务院关于促进海洋渔业持续健康发展的若干意见》（国发〔2013〕11号），明确提出了“推广深水抗风浪网箱，拓展海洋离岸养殖和集约化养殖”；农业部发布《全国渔业发展第十三个五年规划（2016-2020年）》，提出“积极发展外海深水抗风浪网箱养殖等生态健康养殖模式”。可见，深水网箱养殖已经成为中国发展现代海洋农业的有效途径。随着渔业科技创新步伐的不断加快，极大地迎合了拓展发展空间的产业实际需求，大型养殖工船和平台[6]逐步被人们所了解而投入生产实践。其中养殖工船“鲁岚渔养61699”计划在2017年底或2018年初向市场提供养殖水产品[7]。在国家相关支持政策的推动下，2017年可称为中国深水网箱装备爆发式发展的重要年份，其中海洋渔场1号成功交付[8]、Hexbox C15-35K和HexboxC30-75K智能化坐底式网箱的成功签约[9]等项目的实施，对促进中国智能深水网箱养殖平台发展发挥了重要作用。但是，上述进展与国外发达的网箱装备技术和养殖管理水平紧密联联。中国深水网箱养殖平台的核心技术研发现状以及未来趋势是迫切需要回答的问题。为此，本研究在统计分析中国深水网箱养殖生产效率的基础上，通过检索深水网箱相关专利技术，以分析中国深水网箱养殖平台的技术理念差距，并提出相关对策及建议。

1 深水网箱养殖生产效率

据2007—2017年《中国渔业统计年鉴》数据显示[10]，2007年全国深水网箱养殖产量为4.08万t，到2017年预计提高至13.50万t，约增长330.98%；2007年全国深水网箱养殖体积为604.25×104m3，到2017年预计增加至1 218.46×104m3，约增长201.65%。中国深水网箱单位养殖水体产量见表1。注：深水网箱养殖产量、面积仅含海水水域；*表示当年单产数据未计算；2017年产量、面积指标数据为预测数，下同

图1 全国深水网箱养殖效率变化趋势Fig.1 Changes in the volume efficiency of deep-water net cage aquaculture in China

表1 2007—2017年中国深水网箱养殖生产效率/kg·m-3Tab.1 The efficiency of deep-water net cage aquaculture in China from 2007 to 2017

从单位养殖水体积产量指标来看，广东省和福建省的养殖效率最高，单产指标稳步提升，其中福建省单产从2007年的7.93 kg/m3提高到2017年的36.79 kg/m3，增长了463.82%；广东省单产水平从2007年的1.03 kg/m3提高到2017年的32.92 kg/m3，增长3 202.80%。山东省单产水平与全国平均水平相当，单产从2007年的6.30 kg/m3提高到2017年的11.43 kg/m3，增长181.29%。其他省份单产水平则相对较低，其中浙江省2007—2017年平均单产水平仅为3.61 kg/m3。全国深水网箱单产水平如图1所示。

由图1可知，在2007—2017年，全国深水网箱养殖效率大致可以分为3个阶段：一是2007—2011年，单产水平经历一次波峰，时长为5年，2009年单产峰值水平达到13.11 kg/m3；二是2011—2015年，单产水平经历一次波峰，时长为5年，2013年单产峰值水平达到17.79 kg/m3；三是2015—2017年，单产水平相对稳定，基本保持在11 kg/m3以上。从2015—2017年的单产水平可见，深水网箱养殖业发展已经更加注重质量与效益。2016年12月，农业部发布《全国渔业发展第十三个五年规划（2016—2020年）》指出，要“积极发展外海深水抗风浪网箱生态健康养殖模式”，将其作为水产养殖转型升级推进工程的重要建设内容之一。加快推进水产养殖绿色发展是落实渔业供给侧结构性改革的重要举措。深水网箱养殖以提供优质、安全水产品为发展目标，较好地契合了水产养殖转型升级的总要求，养殖生产主体逐步摈弃过去高密度投苗、注重数量产出的落后发展方式，在保持深水网箱养殖水体体积稳定增长的情况下，产量保持平稳增长。据《中国渔业统计年鉴》数据显示，2015—2017年深水网箱养殖水体体积增长率分别为10.30%和18.01%，同期产量增长率也基本一致，分别为10.74%和15.33%，未出现养殖水体体积和产量的“过山车式”增长，既保障了产业合理发展规模，又保护了养殖主体的生产效益。

2 深水网箱养殖科技发展现状与趋势

为促进中国沿海省份大力发展深水网箱养殖业，国家和地方先后通过国家科技攻关计划、国家“863”计划、国家科技支撑计划、农业部科技跨越计划和省级重大科技兴海项目等，为深水网箱装备研发提供了科技支撑。在上述科技计划的支持下，产生了大量有关深水网箱装备与技术的科研成果，其中专利是重要组成部分。截至2018年3月23日在北京市知识产权公共信息服务平台（www.beijingip.cn），在中国专利范围内的主题词中检索“深水网箱”，，共检索获取了208件专利申请信息，初步梳理了中国深水网箱专利技术布局与发展趋势。

2.1 专利申请量与专利类型

国家从“十五”时期开始专项支持深水网箱装备与技术研发，2001年专利申请量为5件，之后申请量下降，至2006年仅有1件申请；2007年申请量达到10件，之后又下降，从2010年申请量开始快速攀升，2013年申请量达到峰值32件，从2014年开始申请量又略有下降，但申请量仍高于20件/年的水平（图2）。

图2 全国深水网箱专利申请量变化趋势Fig.2 The trend of changes in patent applications of deep-water net cages in China

在208件深水网箱专利申请中，发明专利为118件，占总数的56.73%；实用新型专利为90件，占总数的43.27%。不同类型专利申请年份分布如图3所示。

图3 全国不同类型深水网箱专利申请量变化趋势Fig.3 The trend of changes in different types of patent applications of deep-water net cages in China

2.2 研发主体与技术领域分析

深水网箱专利申请人共出现223次（包括单位和个人），平均每件专利申请人数量为1.07，其中8个申请人出现频次超过5次，合计频次为123次，占总申请人频次的55.16%。“中国水产科学研究院南海水产研究所”和“浙江海洋学院”是主要的专利技术创造者，专利申请人出现频次为74次，占比为33.18%。深圳深水网箱科技有限公司、烟台仁达自动化装备科技有限公司等企业不是深水网箱专利申请的主体，出现频次仅14次，占比为6.28%（表2）。

表2 全国深水网箱专利主要专利申请人与频次Tab.2 Major patent applicants and frequency in patent applications of deep-water net cages in China

从深水网箱专利申请对应的IPC分类号含义来看，其中A01K 61/00的数量最多，占总申请量的56.25%，如果加上A01K 61/10，占比达到64.90%；在喂饲装置领域，涉及A01K 61/02和A01K 61/80，占比为6.25%；养殖装备的固定设备A01K 61/65的占比为2.40%；智能控制系统G05B 19/418的占比为1.92%。主要技术领域如表3所示。

表3 全国深水网箱专利主要技术领域与含义Tab.3 Main technical fields and meaning in patent applications of deep-water net cages in China

表4 全国深水网箱专利技术主要发明人与频次Tab.4 Major inventors and frequency in patent applications of deep-water net cages in China

2.3 主要发明人与地域分析

发明人是指对发明创造的实质性特点作出创造性贡献的人，分析主要发明人可以了解“深水网箱”技术研发领域创新者以及该领域的科技贡献者。第一发明人出现频次超过3的发明人认为是该技术领域的主要技术创新者，统计结果见表4。

“深水网箱”专利申请人涉及13个省份，但专利申请主要集中在广东省和浙江省，其中广东省的申请量最高，拥有76件专利申请；其次为浙江省，申请量为63件，上述2省占比为66.83%（表5）。

2.4 技术布局发展趋势

从法律状态角度分析，208件专利申请中，进入公共领域[11]的专利申请量为93件，占比为44.71%；截止检索日，仍受专利权保护的专利申请为75件，占比为36.06%；审查中的专利申请在一定程度上反映了该领域的未来技术布局趋势，数量为40件，占比为19.23%。在审查中的专利类型均为发明专利，所处的IPC分类号及频次见表6所示。

表5 全国深水网箱技术专利中各省份专利申请量Tab.5 Patent applications in different provinces in patent applications of deep-water net cages in China

利用人工分类的方法，对审中专利的技术特征进行标记和分类，40件审中专利的技术特征如表7所示。

与网箱有关的技术特征包括：网箱系统（网箱框架）、海洋牧场智能网箱、网箱与锚泊系统、移动网箱、网衣等，专利申请数为16件，占40%；锚泊技术特征包括：锚泊系统、锚泊受力测试，专利申请数量6件，占15%；养殖方法与对象包括：立体养殖、许氏平Sebastes schlegeli养殖、对虾养殖、黄斑篮子鱼养殖、黄姑鱼和刺参养殖、金鲳鱼养殖、银鲳Pampus argenteus养殖和鱼类生长预测，专利申请数量10件，占25%；智能控制系统包括：投饲系统、收捕系统、水质监控、网衣清洗，专利申请数量8件，占20%。

3 深水网箱养殖科技智能化差距与对策

3.1 生产案例-世界首座半潜式大型智能渔业养殖平台

2017年6月3日，由中船重工武昌船舶重工集团下属的湖北海洋工程装备研究院有限公司建造的世界首座半潜式大型智能渔业养殖平台-“海洋渔场1号”成功交付给挪威萨尔玛集团[12]。该装备配备了全球最先进的三文鱼智能养殖系统、自动化保障系统和高端深海运营管理系统，其中智能养殖系统包括鱼种投放系统、摄食系统等；自动化保障系统包括渔网自清洁系统、死鱼收集系统等；高端运营管理系统包括自适应升降系统、深海定位系统等，是典型的智能水产养殖模式。

信息感知与获取：该系统安装了2万余个传感器，100余个水下水上监控设备和100余个生物光源，可实现饲料供应、环境监测、养殖对象行为识别的智能化。水上水下监测系统可以持续监控鱼的行为、分布密度，以及饲料密度分布、鱼的逃逸等情况，可以检测水温、盐度、溶解氧含量和海流速度，所有数据由K-CHIEF自动化系统显示在集控台和手机等终端设备上，方便用户掌控网箱内的实况；水下灯则可以通过灯束影响鱼的生长和密集度，确保鱼快速增长，饲料利用合理。

表6 全国深水网箱技术专利中IPC分类布局趋势Tab.6 IPC classification layout trend in patent applications of deep-water net cages in China

表7 全国深水网箱专利中技术特征分布情况Tab.7 Technical characteristics distribution in patent applications of deep-water net cages in China

数据处理与分析：“海洋渔场1号”配备了自动化控制系统，智能养殖技术能实现单次养殖100万尾以上、养殖量达5 000t。该养鱼平台的旋转门系统有别于其他已建和在建养殖装备，是智能化的末端执行装置，通过传感器和监控设备提供的信息，判断渔网清洗、活鱼自动驱赶和捕捉等时机。

科学决策：电脑控制投喂系统。电脑的投喂决策由温度、潮流、溶氧、饲料传感器（饲料余量）、摄像机系统（鱼类行为）和喷料状态等信息经养殖管理软件综合分析决定并发出各项指令，养殖管理软件是投饵系统的决策中心。根据视频监控系统中显示的鱼体规格，根据综合市场价格、养殖成本等信息决定收获时间。

3.2 深水网箱养殖科技发展差距

对中国深水网箱养殖相关专利的检索结果以及与深水网箱先进装备技术的对比发现，中国深水网箱装备与科技在信息感知与获取、数据处理与分析、科学决策等方面与世界一流水平存在一定差距[13]。

3.2.1 信息感知与识别度不高

虽然目前已经初步具备了用传感器、摄像装备监测与监视深水网箱养殖环境状态的技术，但在不同规格、形状网箱结构传感器与视频监视设备的布设技术、数据传输的抗干扰能力、以及不同监视系统之间的集成性等尚存不足，导致现有监视、监测数据单独可用，但集成使用效率低下等问题。

3.2.2 数据处理与分析能力有待提高

深水网箱养殖环境和生物信息的可视化、数字化感知仅是初步阶段，综合分析才是关键，但目前针对中国深水网箱主要养殖对象、养殖装备、养殖环境的行为监视、生理生化指标、饲养投喂、装备质量与维修等基础技术支撑不足，尚未形成科学规范的程序与标准，仍需要凭借大量的经验与人工确认，未能实现高度自动化和智能化，监测数据的分析能力还有待提高。

3.2.3 科学决策的路途仍然较长

深水网箱已经发展到高度智能化的阶段，其产生的巨大产业变革和经济效益将逐渐显现，与挪威“一条鱼”的产业链条发展模式尚有较大差距。目前重视养殖过程的技术研发与应用，而对于产业链末端的市场、价格等信息融合度不够，容易产生有产量无效益，有市场而无产量的波动偏差模式，仍然不能摈弃传统养殖注重产量的发展特点，形成以市场为核心的现代生产经营模式。

3.3 深水网箱养殖产业科技发展对策

3.3.1 深化提升智能深水网箱养殖核心技术

感知技术是智能养殖系统的核心，利用传感器、视频监控等技术，开展多技术融合的水产养殖感知技术研究，重点开展智能养殖环境传感器技术的研究，解决在智能养殖中对水温、溶解氧、pH、氨、氮、水位、硝酸盐、氯化物等水环境指标以及气温、光照、气压、湿度等大气环境指标监测，实现对养殖区域的立体、全覆盖、高精度的动态实时监测；利用遥感监测技术，从不同尺度感知水产养殖区域的分布特点，提高水产养殖统计信息的准确性和养殖规划的针对性；开展养殖对象的生长、生理变化规律的研究，建立不同养殖模式下智能养殖水质控制、饲料投喂与摄食、主要养殖对象生长等数学模型。开展多参数传感器、自组织通信网络等关键技术研究，提升传感器的精度和稳定性，以及感知数据传输效率和质量。智能养殖控制系统在存储感知体系数据基础上，结合智能养殖最优生产方案生成法、智能设备控制参数或核心模块刷新等技术，根据系统设定参数运行，直至按照专家系统指示重新调整管理系统参数或结束全部养殖过程。

3.3.2 建立智能深水网箱养殖渔业数据分析中心

以物联网技术为信息获取基础，建设深水网箱养殖专题数据库，整合生产感知数据、市场贸易数据、价格信息以及需求信息等监测内容，开展深水网箱养殖大数据应用，重点研发水质控制、饲料投喂等智能控制设备、智能养殖系统监测值、数学模型模拟值、智能设备控制程序；开展深水网箱养殖水产品供需预测预报技术研究。针对近海、外海、远海及水库等水域生态系统的名特优养殖产品开展应用示范。针对“一带一路”沿线国家水域环境、水产养殖特征，开展数据挖掘技术研究，支撑水产养殖“走出去”战略的实施。

3.3.3 构建智能深水网箱养殖渔业标准体系

按照效率优先原则，与国家渔业数据共享平台建立数据协调机制，突出特色与侧重点，形成数据交换、采集技术规范与衔接机制。以智能深水网箱养殖需求为导向，按照信息感知、数据传输、数据存储、数据库开发、数据共享、数据服务、信息通信等领域，制定技术规范与标准体系。开展已有数据资源转换技术研究，提高数据共享交换的可达性。

3.3.4 构建智能深水网箱养殖渔业信息安全体系

加强大数据环境下的网络安全技术研究，落实智能深水网箱养殖渔业信息安全等级保护、风险评估等网络安全制度，建立健全大数据安全保障体系。建立智能深水网箱养殖渔业大数据安全评估体系。切实加强关键信息基础设施安全防护，做好大数据平台及服务商的可靠性及安全性评测，明确智能深水网箱养殖渔业相关数据采集、传输、存储、使用、开放等各环节保障网络安全的范围边界，切实加强商业秘密等信息的保护。深化网络安全防护体系和态势感知能力建设，增强网络空间安全防护和安全事件识别能力，开展智能深水网箱养殖渔业数据平台安全监测和预警通报工作。

4 结语

深水网箱养殖是渔业绿色发展的重要途径和方向。2016年12月8日，国家海洋局与科技部联合印发《全国科技兴海规划（2016年～2020年）》，提出要“开发离岸深水养殖智能化、机械化装备和技术”。这是对现有深水网箱发展提出的新要求——智能化发展。2016年12月28日，农业部发布《农业部办公厅关于加快推进渔业信息化建设的意见》（农渔发〔2016〕40号），对智慧水产养殖的要求为“应用水体环境实时监控、自动增氧、饵料自动精准投喂、水产养殖病害监测预警、循环水装备控制、网箱升降控制、无人机巡航等信息技术和装备，全面提升陆基工厂、网箱和工程化池塘养殖的信息化水平。”加强深水网箱的智能化装备研发是今后科技攻关的重点领域，在网箱设计、养殖方法、投饲系统、收捕系统、网衣清洁、智能决策等方面[14]实现技术成果熟化与应用，不断缩小与挪威等发达国家的技术差距，形成适合中国水域与生产主体应用的具有自主知识产权的深水网箱智能化应用系统解。