Open Journal of Fisheries Research
Vol.02 No.03(2015), Article ID:16114,10 pages
10.12677/OJFR.2015.23003

Study on the Optimal Allocation and Selection of Fish Aggregation Lamps for Saury and Squid Vessel

Lixin Xie1, Zhiqiang Dong1, Weiguo Qian2*, Weijie Wang2, Chao Ye2

1Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute, Shanghai

2College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai

*通讯作者。

Email: sd1@sdari.com.cn, *wgqian@shou.edu.cn

Received: Aug. 27th, 2015; accepted: Sep. 26th, 2015; published: Sep. 29th, 2015

Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

ABSTRACT

A domestic-designed professional saury fishing vessel, with 11.4 m beam and hull 77.50 m length, was selected as study objective. First, synthetically the configuration of vessel generating units was taken into consideration to select saury and squid fish aggregation lamps systems. Then, we do research on optimization allocation of the above systems. The results indicate that for saury fish aggregation lamps systems, main light source we selected is Japanese-made to the incandescent lamp (110 Voltage & 500 Watt). The main lamp color selected is red and rest consists of white and green. Vessel was equipped by 133 light boxes and the distance between each other is 1.2 meter. The angle between light box and shipboard is 55˚ - 70˚. For squid fish aggregation lamps systems, main light source we selected is Japanese-made to the Metal Halide Lamp (220 Voltage & 3 k Watt). The main lamp color selected is white. Vessel was equipped by 260 lamps (130 lamps each side) and the distance between each lamp was 0.52 meter. The light height is 7.4 meter above seawater.

Keywords:Saury Fishing Vessel, Fish Aggregation Lamp, Optimal Allocation

秋刀鱼、鱿鱼兼作渔船集鱼灯选型及 优化配置研究

谢立新1,董治强1,钱卫国2*,王伟杰2,叶超2

1上海船舶研究设计院,上海

2上海海洋大学海洋科学学院,上海

Email: sd1@sdari.com.cn, *wgqian@shou.edu.cn

收稿日期:2015年8月27日;录用日期:2015年9月26日;发布日期:2015年9月29日

摘 要

以国内设计的一艘总长77.5 m、型宽11.4 m的大型专业秋刀鱼渔船为目标渔船,综合考虑该渔船的发电机组配备,对该船的秋刀鱼集鱼灯系统和鱿鱼钓集鱼灯系统进行选型和配置。研究表明:对于秋刀鱼集鱼灯系统,主要使用的灯泡为日本生产的110 V 500 W型白炽灯,以红灯为主,部分灯箱使用白光和绿光,共配备133组灯,灯箱灯距为1.2 m,灯箱安装角度为55˚~70˚;对于鱿钓集鱼灯系统,主要使用的灯泡为日本生产的220 V 3 kW型金卤灯,光色为白色,共配备260个集鱼灯,两侧各130个均匀排列,相邻灯间距为0.52 m,集鱼灯安装高度为距离水面7.4 m。

关键词 :秋刀鱼船,集鱼灯,优化配置

1. 引言

秋刀鱼、鱿鱼兼作渔船是一种具备捕捞秋刀鱼和鱿鱼双重功能的作业渔船,人们习惯上称之为秋刀鱼船[1] 。通常情况下,该船主要捕捞在北太平洋公海的秋刀鱼资源 [2] [3] ,当秋刀鱼渔汛结束或资源量较少时,该船可以及时更换作业方式用于钓捕鱿鱼资源,并具备去北太平洋以外的其他大洋和公海进行鱿鱼钓作业的能力。目前,围绕该类型作业渔船的研究,主要围绕捕捞对象的生物学习性、资源状况、渔场分布以及捕捞技术等 [4] - [13] 。而集鱼灯系统作为该渔船的的重要辅助捕捞设备,对应的研究很少 [14] 。本文以国内设计制造的一艘大型专业秋刀鱼渔船的船舶尺寸和发电机组配备情况为例,对该船的秋刀鱼集鱼灯系统和鱿鱼钓集鱼灯系统进行选型和配置,为相关的研究和设计提供参考。

2. 秋刀鱼集鱼灯

一般来说,秋刀鱼渔船在集鱼灯的配置上根据渔船本身的差异而不尽相同。在渔船的灯光配置方面,如集鱼灯类型的选择、集鱼灯灯箱内各个灯的排列、集鱼灯箱的架设角度和高度,以及各种光色集鱼灯灯箱的组合和调整都各有差别。总体的原则是,要根据渔船自身特点,选用合适强度和颜色的光源,使集鱼灯在海面形成的光场分布能够适合于捕捞对象的生活习性和集群特点,有利于灯光诱捕作业。

2.1. 秋刀鱼集鱼灯的类型和作用

秋刀鱼集鱼灯可根据功能的不同分为探照灯、诱集灯和诱导灯3种。由于秋刀鱼对水下光源均为负反应,因此秋刀鱼舷提网作业一般只使用水上灯,少使用或不使用水下灯。

探照灯的作用是探照鱼群。当探照灯光束照射到秋刀鱼群时,便引起鱼群的兴奋,并在光照区内跳跃。

诱集灯的主要作用是把远处的秋刀鱼吸引到船体周围,使之形成稳定的集群。装配有此种灯的灯箱在数量上是最多的,灯泡一般是白色的白炽灯或红色的白炽灯。大量的灯箱有序装配在非作业舷一侧,在海面上形成了强大的诱鱼光场。有的船为了扩大诱鱼面积,在作业舷也安装有大量灯箱。

诱导灯的作用是将秋刀鱼从非作业舷顺利引导到作业舷。通常使用红灯,一般布置在船的首尾,并放置在圆形灯箱中,主要是为了避免船首尾接触海面造成灯箱损坏。

2.2. 秋刀鱼集鱼灯光源的选择

秋刀鱼集鱼光源的选择对秋刀鱼渔船诱集效果好坏起到至关重要的作用,光源的研究是秋刀鱼渔业研究中一个很重要的方面,包括光源的类型,光谱配光,功率,寿命,抗震性,抗腐蚀性等。现在应用于秋刀鱼渔船的光源一般有白炽灯和LED灯。

白炽灯是应用最多最普遍的秋刀鱼集鱼灯,也是最早应用于秋刀鱼灯诱作业的光源之一,它是由电流加热元件产生白热光的光源(经常被称为普泡或GLS灯),色温一般偏高,波长为780~400 nm,光谱中缺少紫光,故合成后光色略偏红黄。用于秋刀鱼集鱼的白炽灯功率有500 W,1000 W,1500 W等,各主要秋刀鱼捕捞国家和地区均有装配此类光源船舶,如我国大陆和台湾省渔船很多采用500 W白炽灯,而各种规格白炽灯在日本均有所应用。

LED灯,近年来也被应用于秋刀鱼渔业作业中。LED灯的辐射特性能发出特定波长范围的单色辐射,有利于秋刀鱼的集鱼作业;同时LED灯的发光效率非常高,一盏100 W的LED灯的发光效果几乎相当于一盏500 W白炽灯,对秋刀鱼渔船节约发电成本具有一定好处,使得一艘渔船能够悬挂更多的集鱼灯箱,提高海面诱鱼效果。但是从实际的使用情况来看,目前LED集鱼灯的使用并没有普及,这与其自身的载重过大以及渔民的使用习惯等有很大的关系。

经过测试,500 W白炽灯的光谱参数见图1,其相关色温:Tc = 2823 K,主波长:λd = 583.5 nm,光通量Φ = 7873 lm,光效: 16.04 lm/W,辐射通量Φe = 50.48 W。1000 W白炽灯的光谱参数见图2,相关色温:Tc = 2860 K 主波长:λd = 583.3 nm;光通量Φ = 16544 lm,光效: 33.94 lm/W,辐射通量Φe = 105.4 W。

Figure 1. Curve: light spectrum of filament lamp (power 500 Watt)

图1. 500 W白炽灯的光谱参数

Figure 2. Curve: light spectrum of filament lamp (power 1000 Watt)

图2. 1000 W白炽灯的光谱参数

由上可知,1000 W白炽灯的光通量为33,940 lm, 500 W白炽灯的光通量为8020 lm, 1000 W白炽灯的光通量为500 W白炽灯的4.23倍,因此从理论上来说,秋刀鱼渔船可配备1000 W的白炽灯。但是,从实际情况来看,如果现在秋刀鱼渔船选用的是500 W,在秋刀鱼捕捞作业工况时,负载大约为1200 kW;如果选用了1000 w的秋刀鱼灯,那么负载就要翻倍,也就是增加为2400 kW。经查证,国内主流设备厂商的报价,主发电机装机容量每增加1 kW,约需要1800 RMB,那么单这一项,船舶主电站就要增加初期投资约216万RMB左右;同时在秋刀鱼作业工况,负载每增加1 kW∙h,每小时的燃油消耗成本约为1.2 RMB,那么,在选用1000 W的白炽灯时,每小时燃油消耗成本增加约1400 RMB。基于以上数据,本船宜选用500 W的白炽灯,以匹配目前的两台900 kW和1台560 kW的主发电机容量。

考虑到国内在专业的秋刀鱼集鱼灯制作领域还没有经过资质认定的生产厂家,本次设计中根据使用习惯,选择了日本SANSHIN公司生产的白炽灯,其额定电压110 V、额定功率500 W,其灯口直径4.0 cm,细部直径5.0 cm,灯头直径11.0 cm,光通量8000 Lm,额定寿命为1000 h,发光效率达到16 Lm/W。在集鱼灯颜色的选择上,主要以红色为主,部分选择绿光和白光。

2.3. 秋刀鱼集鱼灯的配置

根据目标船的船舶尺寸(总长77.5 m,型宽11.4 m,型深7.4 m),参考国内同类型的相关船型,对其秋刀鱼集鱼灯箱进行布局。灯箱主要分长条灯箱(每个灯箱中有30个500 W的红色白炽灯),部分灯箱使用的是白色白炽灯)和圆形灯箱(每个灯箱中有30个500 W的红色白炽灯)两种,其在左右舷的装配各有不同。

船前部装配18组圆形灯箱,左舷侧53组长条灯箱;船后部配置8组长条灯箱;右舷共有46组长条灯箱;右舷船舯部一有主灯架,配置1组长条灯箱,在灯架的延伸处装配有7组装有红灯的圆形灯箱。部分灯箱的安装效果图见图3。

自船尾开始每隔1.0~1.5 m,平均每1.20 m就装配有一组集鱼灯箱。考虑到海上实际生产需要,灯箱与水平面成一定夹角,这个夹角可根据作业时的具体情况进行调整,一般为30˚~60˚,在有些时候甚至可以达到70˚。测量灯箱底部距离船舷的高度为1.2 m处,由于船舷至海面的高度为3.2 m,因此,在实际作业中灯箱的装配高度为4.4 m。

3. 鱿鱼集鱼灯

与一般的照明光源相似,鱿钓集鱼灯的光学特性包括光通量、光强度、光照度、光亮度、发光效率、

Figure 3. Installation result diagram of light box for saury

图3. 秋刀鱼集鱼灯灯箱的安装效果图

光源的色温和显色性、配光曲线,以及灯的寿命和光束维持率等。在此先对集鱼灯的种类作以介绍,然后对集鱼灯的配光曲线、照度特性和灯的寿命和光束维持率进行比较分析,并对鱿钓渔船集鱼灯的一般布置情况进行说明。

3.1. 鱿钓集鱼灯的种类

从当前鱿钓渔业中所使用的集鱼灯来看 [15] ,其种类可作如下划分:

1) 按发光原理分,主要有热辐射电光源(如白炽灯、卤钨灯)和气体放电电光源(如水银灯、钠灯、金属卤钨灯);

2) 按灯光系统分,主要有水上集鱼灯(俗称集鱼灯)、水下集鱼灯(俗称水下灯)和变色灯(通常为白炽灯或高压钠灯);

3) 按灯光功率分,主要有1 kW、2 kW、3 kW、4 kW (1~4 kW集鱼灯的基本参数见表1)和5 kW (主要为水下灯)的集鱼灯,其中1~3 kW的集鱼灯在当前的鱿钓渔业中应用最普遍;

4) 按集鱼灯形状分,主要有球形集鱼灯和直管形集鱼灯两种,但目前球形集鱼灯用的较多,直管形集鱼灯有逐渐取代球形集鱼灯的趋势;

5) 按发光颜色分,主要有白光集鱼灯、蓝光集鱼灯和绿光集鱼灯,其中绿光和蓝光集鱼灯仅在国内部分船上使用,多数鱿钓渔船使用的是白光集鱼灯。

当前,新配置的鱿钓集鱼灯系统,除需要调节光强等少数场合仍使用白炽灯外,几乎全都采用金属卤化物灯 [16] 。

3.2. 鱿钓集鱼灯的配光曲线

当前,新配置的鱿钓集鱼灯系统,除需要调节光强等少数场合仍使用白炽灯外,几乎全都采用金属卤化物灯 [16] 。图4为不同功率(1 kW型、2 kW型、3 kW型、4 kW型) 4种国产集鱼灯的配光曲线。从图4中可以明显看出,集鱼灯功率和种类不同,其在各个方向的发光强度也是不同的,随着功率的增大,其发光强度也相应增大。

使用极坐标方程分别对4种型号的集鱼灯发光强度进行拟合,得到各自的配光曲线极坐标函数如下:

1 kW型集鱼灯:

2 kW型集鱼灯:

3 kW型集鱼灯:

4 kW型集鱼灯:

Table 1. Configuration parameters of fish aggregation lamps for saury and squid vessel

表1. 秋刀鱼鱿鱼兼作渔船鱿钓集鱼灯布置参数

(a) (b)(c) (d)

Figure 4. Light distribution curve of different power domestic fish aggregation lamp (a) 1 kW; (b) 2 kW; (c) 3 kW; (d) 4 kW

图4. 国产不同功率集鱼灯的配光曲线 (a) 1 kW;(b) 2 kW;(c) 3 kW;(d) 4 kW

同样,对图5中的4种日本产的集鱼灯进行光强函数拟合,得到其配光曲线函数如下:

1 kW型集鱼灯:

2 kW型集鱼灯:

3 kW型集鱼灯:

4 kW型集鱼灯:

(a) (b)(c) (d)

Figure 5. Light distribution curve of different power Japan-made fish aggregation lamp (a) 1 kW; (b) 2 kW; (c) 3 kW; (d) 4 kW

图5. 日本产不同功率集鱼灯的配光曲线 (a) 1 kW;(b) 2 kW;(c) 3 kW;(d) 4 kW

3.3. 鱿钓集鱼灯的选型

通过上述的比较和分析,可以知道目前在鱿钓作业中,多数是以金属卤化物灯(MHL)为主的,主流使用的是2 kW型和3 kW型。考虑到秋刀鱼和鱿钓兼作渔船的渔船尺度和集鱼效果,同时参考国内大型专业鱿钓渔船的集鱼灯选择方案,在此选择3 kW型白光MHL为该秋刀鱼和鱿钓兼作渔船的鱿钓作业系统的集鱼灯。

经过调查发现,目前国产的MHL-3000TT型MHL集鱼灯市场价格为2920元(包括1180元灯泡1个,1740元整流器1个,1个整流器配1个灯);日本USHIO生产的MHL-3000TM-C集鱼灯售价为2980元(包括1380元灯泡1个,3200元整流器1个,1个整流器可配2个灯)。根据相关渔船的使用经验得知两种灯在实际使用中的集鱼效果没有明显差异,但考虑到日本产的集鱼灯具有更好的光学稳定性和相对较长的使用寿命(日产为3500小时,国产为3000小时),故在此选择日产MHL-3000TM-C为鱿钓作业集鱼灯。

3.4. 鱿钓集鱼灯的优化配置

3.4.1. 光诱渔船及集鱼灯参数配置

目标渔船的相关参数为:总长77.5 m,型宽11.4 m,型深7.4 m;总吨1160 t,舱容1145 m3;主机功率1800 kW。在目标船的船身两侧各安置一列集鱼灯,假定每列的集鱼灯均为80~130盏,其灯中心距海面高7.5 m,相关数据见表1

3.4.2. 鱿钓集鱼灯总功率配置

采用叠加法照度计算模式计算集鱼灯在水中的照度分布 [15] 。根据目标渔船“秋刀鱼鱿鱼兼作渔船”的鱿钓集鱼灯布置的相关数据,使用自主开发的“水上集鱼灯水下光场计算系统V1.0” (国家软件登记号:2010SR042147)进行理论计算 [17] 。计算船体在不同总功率时水下的照度分布数据,使用Surfer8.0软件绘制等值曲线图。

在海水光学衰减系数为0.12时(该区域北太平洋透明度为14 m计算),计算获得集鱼灯内外侧水中照度的断面分布(图6),图中虚线为渔船集鱼灯总功率780 kW的的照度分布情况,实线为若将集鱼灯数量减少至65盏 × 2列时,总功率390 kW时的照度分布情况。

由图6可知,离船50 m以内的照度值较高,多为50 lx以上,特别是离船30 m以内的近表层的水中照度可达200 lx以上。200 lx照度最深可至28多米水深,最远为38 m左右。10 lx照度最深可至52 m水深,最远为95 m左右。0.1 lx照度最深可约至90 m水深,最远为316 m左右。但两种不同总功率时的水中照度相差不大,等照度曲线所在各水层相差仅4 m左右。

在海表面时情形:集鱼灯总功率780 kW时,0.01 lx照度离船的最大水平距离为581 m;集鱼灯总功率390 kW时,0.01 lx照度离船的最大水平距离为469 m,可见增大一倍集鱼灯功率,有效水平诱集范围可增加112 m,约增加24%。因此,从扩大有效诱集水平距离的角度考虑,可以选择配置较大总功率的集鱼灯。鉴于该渔船目前的发电机功率配备,以及船舶的甲板布置,可以考虑使用780 kW总功率的集鱼灯。

3.4.3. 鱿钓集鱼灯安装参数研究

鱿钓集鱼灯的安装参数主要为灯的高度、相邻灯的间距。使用上述软件,对集鱼灯在不同的安装情况下的有效水体体积进行计算和分析。当集鱼灯灯高为7.0 m、7.4 m,7.8 m时,灯距分别为0.44 m、0.48 m、0.52 m、0.56 m、0.60 m、0.64 m时,计算得渔船一侧0.1 lx和10 lx等照度曲面所包含的水体体积V0.1、V10和V0.1-10表2

表2可知,当灯高为7.0 m时,V10的水体体积约为96,000~106,000 m3,V0.1的水体体积约为425,000~436,000 m3,V0.1-10的水体体积约为310,000~340,000 m3。当灯高为7.4 m时,V10的水体体积约为108,000~113,000 m3,V0.1的水体体积约为462,000~469,000 m3,V0.1-10的水体体积约为350,000~361,000 m3。当灯高为7.8 m时,V10的水体体积约为114,000~123,000 m3,V0.1的水体体积约为482,000~493,000 m3,V0.1-10的水体体积约为367,000~375,000 m3

可见,随灯高的增大,各照度的水体体积均呈增加趋势。但在相同的灯高情况下,增大集鱼灯间距,并不一定总能增大各照度的水体体积。在此将V0.1-10的水体体积作为评判集鱼灯配置的一个重要指标。从表中数值上来看,V0.1-10最大值(374,559.2 m3)所对应灯距为0.52 m、灯高为7.8 m;其次为374,374.3 m3,对应灯距为0.52 m、灯高为7.8 m。可见增加灯高是可以在一定程度上增加有效诱集体积的,但安装时仍需考虑渔船的实际结构和灯具的稳定性,为此可以考虑将灯高设为7.4 m,对应集鱼灯间距为0.52 m较好。

Figure 6. Curve: contours of underwater irradiance of different power

图6. 不同总功率集鱼灯水中等照度曲线分布

Table 2. Volume of effective water vary from light height and distance between each other

表2. 不同灯高灯距时的水中诱集体积

4. 结论和探讨

1) 对于秋刀鱼集鱼灯系统,主要使用的灯泡类型为日本生产的110 V 500 W型白炽灯,以红灯为主,部分灯箱使用白光和绿光。根据渔船尺度,共配备133组灯,包括15个圆形灯箱和128个长条形灯箱。长条形灯箱的灯距为1.2 m左右,灯箱安装角度应在55˚~70˚。

2) 对于鱿钓集鱼灯系统,主要使用的灯泡为日本生产的220 V 3 kW型MHL,光色为白色。根据渔船尺度,共配备260个集鱼灯,两侧各130个均匀排列,相邻灯间距为0.52 m,集鱼灯安装高度为距离水面7.4 m。

3) 秋刀鱼渔船的集鱼灯系统所涉及的因素众多,例如,秋刀鱼渔船的集鱼灯灯箱是看似简单,实际上是一个十分复杂的灯具,目前关于这一领域的研究还有待深入。本文主要从渔船的主尺度和发电机组的功率配置,以及捕捞对象的适宜光照度角度,对灯箱布局进行了思考和初步的计算,为相关设计提供参考,但没有涉及光学分布部分,存在一定的不足之处,希望在今后的研究中能够得到更好的深入。

基金项目

工信部高技术船舶科研项目(工信部联装[2012] 534号)。

文章引用

谢立新,董治强,钱卫国,王伟杰,叶 超. 秋刀鱼、鱿鱼兼作渔船集鱼灯选型及优化配置研究
Study on the Optimal Allocation and Selection of Fish Aggregation Lamps for Saury and Squid Vessel[J]. 水产研究, 2015, 02(03): 21-30. http://dx.doi.org/10.12677/OJFR.2015.23003

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