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臺灣智慧LED魷釣集魚燈之開發

資料來源:國立成功大學漁船中心/沈聖智、方銘川、郭正元

前言

隨著科技智慧化的發展,台灣與全球許多漁業重點國家均積極研發智慧科技、發展新興漁業技術,逐步建立自動化機具,縮短年輕漁業從事者的學習歷程,提升漁業競爭力。以德國為例,其以工業4.0為藍本並與電信公司進行跨領域合作,應用先進感測、雲端計算、巨量資料與機對機協同作業等技術,發展Farm 4.0先導計畫,有效提升作業效率與快速調整流程。台灣於2007年展開LED集魚燈具的研發,逐漸將秋刀漁船上的傳統燈具汰換成LED集魚燈,截至2019年為止,台灣秋刀漁船已約9成完成LED集魚燈之換裝。不但創造每年約節省3~4億元的燃油費用(以109年4月20日甲級柴油價格)與節能減碳效益,也間接促成LED集魚的燈產業之聚落,產品行銷世界各國,成為漁業界的台灣之光。有鑑於上述之經驗並在海洋漁產業領航產業技術研發與應用計畫支持下,完成世界首例用於漁業漁撈領域的智慧LED魷釣集魚燈具之開發,該計畫除實現高功率LED魷魚集魚燈,也導入智慧記錄系統(世界首例用於漁業領域),可依據實際於海上作業時天候氣象等環境條件,驗證LED魷魚集魚燈的適用性與耐候性。期能創造漁業生產智慧化,促進漁業創新升級,降低漁民生產成本,解決勞力短缺問題,進而改善工作環境以及提高漁民收益目標。

頭足類之趨光習性研究

關於頭足類之趨光性研究,S. Ibrahim等人,於泰國使用水槽針對萊氏擬烏賊(Sepioteuthis lessoniana)和台灣鎖管(Loligo chinensis)進行趨光性研究。結果顯示,兩種物種均對光線有高度之趨光性,而最佳照度為2.5~10 Lux之間。而2008年起則陸續有針對魷魚之趨光性研究,如B. S. Bae等人,在對馬海峽捕撈魷魚後,放入約20m長之水槽中,在水槽安裝LED燈具,包括紅光、黃光、綠光、藍光、和白光,以不同波長,分別進行對魷魚的誘集試驗。結果顯示,藍光與白光對魷魚,誘集能力較其他波長顯著。2013年,H. Jeong等人,亦以水槽進行視覺反應研究,使用LED紅光、藍光與白光照射後。結果顯示,魷魚對於藍光呈現高度敏感,而對於紅光與白光並沒有那麼敏感。2015年台灣學者以視網膜電圖(Electroretinogram, ERG)法分析魷魚的視網膜,其研究發現魷魚視網膜對於光譜反應之最大值為藍光。

近年來,日本水產工學研究所、東京海洋大學、株式會社東和電機製作所以及石川縣水產綜合中心共同組成的研究團隊發現,魷魚感光能力強,能夠辨識亮度、形狀與大小,辨識性最佳的光源是來自斜上方,更能辨識周圍的顏色,藉以改變自身的身體顏色。魷魚雖為趨光性魚種,但據研究顯示,魷魚並不喜好過強之亮度。當集魚燈開啟後,魷魚會因為感受到光亮而被吸引,漸漸接近光源後,會躲避於船身正下方所形成的陰影區間,其深度大約為30~60m。也就是說,過於強烈之光線對於誘捕魷魚並無助益,反而容易導致反效果。因此,誘集魷魚並不需要過強的光源,採用穿透性較佳之燈具,藉以增加陰影與光亮區間的對比,即能誘集更多數量的魷魚群。

智慧LED魷魚集魚燈之設計

目前在台灣針對魷魚LED集魚燈之研究,相對秋刀魚LED燈而言較為貧乏,僅有103年大昱光電股份有限公司的400W魷釣LED集魚燈,106年中信造船股份有限公司研發的350W LED魷釣與秋刀魚雙用燈具等,上述兩家公司雖在實驗有卓著成效,但受限於船東與漁長「燈光越亮越漁獲越多」的觀念影響,使得LED燈具難以全數取代傳統的HID燈,更遑論要與鄰近國家噸位越造越大、燈具越裝越多的魷釣遠洋漁船競爭。因此,為解決散熱問題,導入1200W智慧型LED魷釣集魚燈,利用其穿透性較佳的光能量,以增大陰影與光亮區間的對比,設計適合於魷釣漁業的燈具並整合智慧錄記系統與燈具診斷等技術,提高LED燈具於遠洋魷釣漁船的使用滲透率。

 class='img_caption'圖1.集魚燈智能監控系統架構圖

智慧LED魷釣集魚燈包括智慧記錄系統,透過記錄燈具溫度估測照度並診斷燈具是否正常運作及其使用壽命,其感測系統架構圖如圖1所示,可分成主控端(Host)與設備端(Device) 兩部分。主控端具有(1)位置記錄功能:記錄船隻航行地點與航行距離,配合燈具點燈時間演算相關數據,估測LED集魚燈具使用壽命預測。(2)燈具溫度偵測功能:此項功能利用偵測每組燈具上的各別使用溫度,並獨立記錄每盞燈的使用時間,導入IESNA的TM-21-11規範與LM-80-08 LED流明維持率,估測其LED燈具的照度、故障診斷及預警功能,讓船長及船東能一目瞭然目前燈具所剩壽命,使其能掌握汰換的時機點加快船舶靠時的補給速度。(3)在遠端開關控制技術方面,使用wifi傳輸控制燈控開關,可在船艙依狀況遠端控制燈源作動。(4)紀錄資料備份,系統在船舶上建置資料備份端之功能,可於航行中,將集魚燈資訊回傳到中控端並備份到端點電腦,避免因航行中的不確定因素造成資料毀損,而無法記錄船上集魚燈還有多少剩餘壽命可使用。圖1介面為燈具操控介面圖,可監測單燈的燈具溫度狀態與點燈累計時間。圖2為集魚燈具監控狀態圖、圖3為點燈控制圖,可以由此介面直接控制各盞燈具的開關狀態,分別有獨立開關控制與全體開關控制功能。

在光學設計方面,實際漁業作業執行時,需要一定的光照強度,光線才能有效地穿透海水,使海洋生物感受到光能量;也需要一定程度的光照範圍,才能有效率的集中魚群。因此,計畫利用光學模擬軟體配合遠洋漁船的裝置高度與漁撈作業需求,如圖4所示,燈具傾斜45度時,最大照度為2800lux,照度值在500lux以上的照明面積約有8*14m2。

圖4.智慧LED魷釣集魚燈於水面照度模擬圖圖4.智慧LED魷釣集魚燈於水面照度模擬圖

將智慧LED魷魚集魚燈安裝於實驗船後,分別比較傳統HID燈具與LED燈具的照度。結果顯示,傳統HID燈具4kW有280盞、LED燈具244盞,分別投射於海面上光照圖如圖5所示。表1為傳統HID魷釣燈具,其平均照度15406 Lux,最大照度26900 Lux;表2 為智慧LED魷釣集魚燈具,其平均照度20964 Lux,最大照度28699 Lux。也就是說,經過適當的光能量引導可使得LED燈具的照度在水面上的照度值相當於HID燈之照度,並可節省3/4的用電量,僅需要一台副機即可運作全船的LED燈具,在未來將可預見其節省大量燃油。

圖5.傳統HID燈具與LED燈具的實際照度圖圖5.傳統HID燈具與LED燈具的實際照度圖
 class='img_caption'表1.傳統HID魷釣燈具各點照度值
 class='img_caption'表2.智慧LED魷魚集魚燈具各點照度值

實驗船與對照船之實測分析

計畫選定的實驗船為998噸之漁船,有2200ps馬力之主機;對照船其為998噸之漁船,有2600ps馬力之主機,實驗船與對照船的規格與發電機等級皆相同,且兩艘船的船長年紀相仿,其作業經驗亦相似。實驗船裝載有280盞4KW的HID燈具、244盞1200W的智慧LED燈具、52台魷釣機分佈於船舶左右兩側,作業日期從109年2月26日至4月26日;對照船裝載有280盞4KW的HID燈具、52台魷釣機分佈於船舶左右兩側,作業日期從同年2月27日至4月26日。

 class='img_caption'表3.實驗船與對照船的各月漁獲量

3~4月份福克蘭群島海水溫度月均溫為11℃,最高海水溫度為13℃,實驗船與對照船各月漁獲量如表3所示。在3月份實驗船的漁獲量多於對照船,實驗船在三月份的總漁獲量為505公噸,平均日漁獲量為14.43公噸;對照船在三月份的總漁獲量為407公噸,平均日漁獲量為11.63公噸。在4月份對照船的漁獲量則高於實驗船,實驗船在四月份的總漁獲量為47.8公噸,平均日漁獲量為1.84公噸;對照船在四月份的總漁獲量為145公噸,平均日漁獲量為5.59公噸。

實驗船與對照船之捕撈漁獲組成,兩艘船所捕獲的魷魚體型在300~600g之間佔大部分。實驗船所捕獲的魷魚體型在400~600g為最多、對照船所捕獲的魷魚體型在300~400g為最多。由漁獲數據顯示,實驗船所捕獲魷魚的體型雖相較對照船大,但漁船上分級作業普遍以目視為之,可能造成等級標準有所差異。因此,無論是採用LED集魚燈具或是採用HID燈具,對捕獲魷魚體型的影響不大。

以漁獲總量而言,實驗船為553噸、平均日漁獲量4.18噸/日;對照船為552噸;平均日漁獲量為3.88噸/日。如以作業日計算,平均作業日漁獲量實驗船則為11.06噸/日;對照船則為10.62噸/日。以作業日與作業油耗計算,實驗船平均作業日油耗量為2.06公秉/日,對照船為2.70公秉/日,顯見使用LED可有效節省23.7%的平均作業日油耗量。

綜整109年實驗船與對照船單位努力漁獲量分析(CPUE),以作業油耗計算CPUE,實驗船則為5.35噸/公秉,對照船則為3.93噸/公秉,相差高達26.54%。(亦即實驗船每使用1公秉燃油,可獲得5.35噸漁獲量、對照船每使用1公秉燃油,可獲得3.93噸漁獲量)。而以作業油價佔漁獲成本而言,實驗船為4.91%,對照船則為6.69%。因此,使用LED燈可有效降低漁獲作業時的燃油消耗。

LED集魚燈對於作業油耗量反應在單位努力漁獲量的效益,LED燈具對於降低作業油耗及成本,進而提升總漁獲量(公噸)/總支出(萬)單位努力漁獲量有著實質上的幫助,探討漁獲量對於作業總功耗的部分,亦看出LED燈具節省能源與降低成本的優勢,提升漁民漁獲量效益。因此,109年LED魷魚集魚燈具實測結論如下,(1)裝設LED船之實驗船,不但可維持漁獲總量水準,而且漁撈作業時燃油消耗低於對照船。(2)採用作業油耗量為基準計算CPUE,實驗船則為5.35噸/公秉,對照船則為3.93噸/公秉,實驗船與對照船達26.54%。再以作業油價佔漁獲成本評估,實驗船為4.91%,對照船則為6.69%。實驗船低於對照船達1.78%。顯見魷釣漁法之LED燈具已展現可取代HID之成效。

結論

在海洋漁產業領航產業技術研發與應用計畫支持下,完成世界首例用於漁業漁撈領域的智慧LED魷釣集魚燈具之開發,該計畫除實現高功率LED魷魚集魚燈,也導入智慧記錄系統(世界首例用於漁業領域),可依據實際於海上作業時天候氣象等環境條件,驗證LED魷魚集魚燈的適用性與耐候性。開發智慧LED魷釣集魚燈具,將直接影響產業的二個層面 (1)高度環保效益與對環境友善的作業技術;(2)促進國內傳統漁業之轉型與技術提升等。在全面導入智慧LED集魚燈具或船舶專用之照明燈具後,將保持我國於全球之綠能產業優勢,創造每年約可為漁民節省3~4億元的燃油費用與節能減碳效益。最後,本文成果將有助於未來國內產業順利切入國內、外集魚燈燈火漁業市場之關鍵,更有機會建立智慧LED集魚燈具設計技術的高階門檻,國際市場或學術研究取得領先之地位。

▲研發團隊:國立成功大學漁船中心

聯絡人:沈聖智 教授

電話:06-2753312-209

E-mail:scshen@mail.ncku.edu.tw

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