工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

他旭翔 肖瑞超 張龍

摘要在對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)需求分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)在線實(shí)時(shí)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下功能：水質(zhì)實(shí)時(shí)信息和預(yù)測信息的查詢、水質(zhì)預(yù)警、水質(zhì)預(yù)警設(shè)置和用戶管理。在多媒體可視化界面的引導(dǎo)下，信息操作人員可以根據(jù)養(yǎng)殖場的實(shí)際情況，進(jìn)行各種預(yù)警指標(biāo)的設(shè)定和預(yù)警方式的設(shè)置。該系統(tǒng)較好地解決了工廠化養(yǎng)殖過程中水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警問題，方便了用戶對(duì)養(yǎng)殖用水水質(zhì)的監(jiān)控和管理。

關(guān)鍵詞工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)；實(shí)時(shí)在線

中圖分類號(hào)S951.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）22-0177-03

AbstractBased on analyzing the the demands of aquaculture water quality，a water quality realtime forecasting and early warning system was designed. This system had four functions of water quality realtime information and forecasting informations query， early warning of water quality，early warnings setting and users management. Under the guidance of multimedia visualization interface， the information operators can set up various early warning indicators and set the warning mode according to the actual situations. The system can solve the water qualitys monitoring and early warning in the process of industrial aquaculture， and facilitate the monitoring and management of aquaculture water quality by users.

Key wordsIndustrial aquaculture；Water quality forecasting and early warning system；Realtime online

伴隨著人們生產(chǎn)生活水平的提高和計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖的方式必然向著工廠化、信息化的方向發(fā)展。在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水質(zhì)是最為關(guān)鍵的因素，水質(zhì)決定了魚的生長質(zhì)量、狀態(tài)及生長周期。由于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的密度較大，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)問題時(shí)，往往已經(jīng)造成不可彌補(bǔ)的損失，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)此類問題，需要一種快速、靈敏的方法來解決這一問題。筆者所在課題組在對(duì)原有水質(zhì)預(yù)測方法、水質(zhì)評(píng)價(jià)方法、水質(zhì)預(yù)警方法進(jìn)行大量文獻(xiàn)分析以及對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖基地實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，開發(fā)了水質(zhì)預(yù)測模型和水質(zhì)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)的語音報(bào)警。

在傳統(tǒng)養(yǎng)殖過程中，大都依靠經(jīng)驗(yàn)來判斷水質(zhì)情況，而使用這種方式對(duì)人員的要求很高，要求這些人員具備敏銳的觀察能力，具備相當(dāng)年限的經(jīng)驗(yàn)積累。這些因素極大地限制了養(yǎng)殖規(guī)模與效率。然而，在使用智能化管理系統(tǒng)的養(yǎng)殖管理方式中，這些問題將不復(fù)存在。通過智能管理系統(tǒng)，可以不斷讓系統(tǒng)來學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，并進(jìn)行分析、加工、存儲(chǔ)與積累。更加重要的是，系統(tǒng)在通常情況下，工作比較穩(wěn)定，足以滿足生產(chǎn)需要。在對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)需求分析的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)在線實(shí)時(shí)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)具有水質(zhì)實(shí)時(shí)信息和預(yù)測信息的查詢、水質(zhì)預(yù)警、水質(zhì)預(yù)警設(shè)置和用戶管理等功能。在多媒體可視化界面的引導(dǎo)下，信息操作人員可以根據(jù)養(yǎng)殖場的實(shí)際情況，進(jìn)行各種預(yù)警指標(biāo)的設(shè)定和預(yù)警方式的設(shè)置。該系統(tǒng)較好地解決了工廠化養(yǎng)殖過程中遇到的水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警問題，方便了用戶對(duì)養(yǎng)殖用水水質(zhì)的監(jiān)控和管理。

1工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的要求

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖就是集電子、土建、儀器、自動(dòng)控制等技術(shù)，在半封閉[1]或全封閉[1]條件下，對(duì)養(yǎng)殖生產(chǎn)全過程的水質(zhì)、溫度、pH、溶解氧等因素以及疾病預(yù)防、污水處理等過程進(jìn)行全面自動(dòng)化監(jiān)控及處理的一種生產(chǎn)模式。該生產(chǎn)方式可以在高密度養(yǎng)殖條件下始終維持環(huán)境的生態(tài)條件，從而使畜禽快速健康生長，盡可能提高產(chǎn)量和質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，并且減少污染。一個(gè)完整的工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)包括設(shè)施系統(tǒng)和養(yǎng)殖技術(shù)兩大體系，其中設(shè)施系統(tǒng)又分為養(yǎng)殖系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)。在工廠化的養(yǎng)殖過程中，生物體對(duì)外界環(huán)境有著較高的要求。

1.1溫度

依據(jù)養(yǎng)殖生物的品種類別不同，需要不同的生長溫度。在其自身的最佳溫度下，魚類代謝加強(qiáng)，生長最快，餌料的轉(zhuǎn)化效率高，同時(shí)生物自身體質(zhì)健壯，具有較高的抗病力。若溫度過低，則會(huì)影響生物自身的新陳代謝，甚至造成死亡。因此，溫度是有必要進(jìn)行監(jiān)控預(yù)測的一個(gè)因素。

1.2pH在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，pH是反映水酸堿度的關(guān)鍵指標(biāo)，pH異常往往說明水體中存在異常情況。通常蛋白質(zhì)的消化副產(chǎn)物是氨氮等，而氨氮通常以離子態(tài)及非離子態(tài)存在。由于氨氮在離子態(tài)下對(duì)魚類有較高的毒性，因此必須進(jìn)行消除或轉(zhuǎn)化。對(duì)淡水生物而言，水體 pH應(yīng)處于6.5～8.5[2]；當(dāng)pH為7.5時(shí)，氨氮去除或轉(zhuǎn)化效果能夠滿足工廠化養(yǎng)殖中所要求的非離子氨≤0.05 mg/L，亞硝酸鹽≤1 mg/L，硝酸鹽≤200 mg/L；當(dāng)pH為7.0[1]時(shí)，很大一部分的總氨氮處于離子狀態(tài)；當(dāng)pH<7.0時(shí)，硝化菌的活性降低；當(dāng)pH<6.0時(shí)，硝化菌將不再轉(zhuǎn)化氨氮。綜合考慮魚類生理活動(dòng)是產(chǎn)酸耗堿的過程，在不加人為控制的狀態(tài)下，水體pH呈降低趨勢(shì)，為保證氨氮轉(zhuǎn)化率，pH應(yīng)大于7.0。因此，有必要對(duì)水體pH進(jìn)行監(jiān)測和控制，確保水體pH能滿足生物生長的環(huán)境需要。

1.3溶解氧溶解氧是水生生物生長關(guān)鍵因素之一，大部分水生生物都需要氧氣來供其進(jìn)行生理活動(dòng)。魚、蝦等水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中溶解氧應(yīng)保持在5～8 mg/L[3]，至少要在4 mg/L以上。對(duì)于冷水性魚類的養(yǎng)殖水體，溶解氧一般要求高于5 mg/L或者在水體飽和溶解氧的60%以上。為魚類生存不間斷提供充足的溶解氧是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖正常運(yùn)行的必要條件，因此同樣需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)主要架構(gòu)

系統(tǒng)主要分為5大部分：數(shù)據(jù)自動(dòng)采集模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫[1]、系統(tǒng)模型庫、輸出終端、人機(jī)交互界面。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.1.1數(shù)據(jù)自動(dòng)采集模塊。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集模塊由水質(zhì)傳感器無線采集網(wǎng)絡(luò)[4]實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)溶解氧、pH、鹽度、溫度等水質(zhì)信息的采集、傳輸和校正。校正后的信息存入XML文件，由系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取模塊讀取到數(shù)據(jù)庫中，以備模型調(diào)用。

2.1.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為SQL Server 2012，主要存放5類數(shù)據(jù)：①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即由數(shù)據(jù)自動(dòng)采集模塊獲取的實(shí)時(shí)信息，包括pH、水溫、溶解氧、流量、鹽度、水深等水質(zhì)信息和室溫等環(huán)境信息；②人工輸入數(shù)據(jù)，包括各種日常記錄，如水池號(hào)、時(shí)間、魚的數(shù)量、體長等；③水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，包括不同魚種在其不同生長階段的各種水質(zhì)指標(biāo)限值；④水質(zhì)預(yù)警規(guī)則庫；⑤水質(zhì)預(yù)警方式庫。

2.1.3系統(tǒng)模型庫[5]。系統(tǒng)模型庫包括水質(zhì)預(yù)測模型和水質(zhì)預(yù)警模型[5]。水質(zhì)預(yù)測模型包括數(shù)據(jù)讀取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測及誤差檢測等子模塊。水質(zhì)預(yù)警模塊包括規(guī)則設(shè)置模塊、預(yù)警指標(biāo)讀取模塊、預(yù)警方式設(shè)置模塊、預(yù)警執(zhí)行模塊等子模塊。2個(gè)模型以Java包的形式存在，各子模塊都以Java類的形式存在。

2.1.4人機(jī)交互界面。進(jìn)行人機(jī)交互的客戶端為瀏覽器。用戶可以通過瀏覽器輸入日常記錄數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的水質(zhì)指標(biāo)庫、預(yù)警規(guī)則庫、預(yù)警方式庫進(jìn)行維護(hù)。

2.1.5輸出終端。水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)的輸出終端為音箱。音箱直接與服務(wù)器相連，當(dāng)水質(zhì)警情滿足語音報(bào)警的規(guī)則時(shí)，音箱會(huì)播放指定語音進(jìn)行報(bào)警。

2.2水質(zhì)預(yù)警流程針對(duì)不同品種及其不同生長階段，提供不同的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能保證水產(chǎn)養(yǎng)殖的安全、高產(chǎn)、高效。在預(yù)測的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于規(guī)則的水質(zhì)預(yù)警模型，其預(yù)警流程如圖2所示。

具體的預(yù)警過程[6]如下：①通過魚的標(biāo)識(shí)號(hào)，查找對(duì)應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)（溶解氧、溫度、pH、鹽度等）的閾值，將其存入文件。

②查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，讀取參數(shù)20 min后的預(yù)測值。③將查到的參數(shù)與文件中的指標(biāo)值進(jìn)行比較，并判斷水質(zhì)情況及其生物所需水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，更新相關(guān)項(xiàng)。如果其中某項(xiàng)參數(shù)處于非最優(yōu)狀態(tài)，則在數(shù)據(jù)庫中記錄所屬狀態(tài)，并執(zhí)行過程④，否則等待一定時(shí)間，然后返至過程②。④根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)，搜索規(guī)則表，判斷相應(yīng)預(yù)警等級(jí)，若不滿足預(yù)警條件，則等待一定時(shí)間，返至過程②；如果符合某一預(yù)警級(jí)別，則執(zhí)行過程⑤。⑤進(jìn)行報(bào)警，并將報(bào)警結(jié)果存儲(chǔ)下來。⑥等待，然后返回至過程②。

3數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)平臺(tái)需要，該系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫采用MS SQL Server 2012，平臺(tái)運(yùn)用Web Service技術(shù)，建立整個(gè)數(shù)據(jù)集中平臺(tái)，在運(yùn)行過程中將各個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到中心數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)不同需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一集成與標(biāo)準(zhǔn)化。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)操作人員的數(shù)據(jù)綜合查詢與統(tǒng)計(jì)分析等。

中心數(shù)據(jù)庫包括溶解氧預(yù)測預(yù)警模型關(guān)系表、pH預(yù)測預(yù)警關(guān)系表、水溫預(yù)測關(guān)系表、水質(zhì)預(yù)警模型數(shù)據(jù)調(diào)用表、水質(zhì)指標(biāo)記錄表等32個(gè)表格，這些信息均存放于中心數(shù)據(jù)庫中，可供操作人員調(diào)用及日后查詢。其中，最主要的水質(zhì)預(yù)警模型主要的數(shù)據(jù)表調(diào)用如圖3所示。

4系統(tǒng)軟硬件開發(fā)平臺(tái)

集控中心為所有資源的部署提供條件，其中包括水質(zhì)傳感器無線網(wǎng)絡(luò)和1臺(tái)服務(wù)器，硬件具體規(guī)格為1臺(tái)裝有聲卡的PC服務(wù)器，該服務(wù)器的CPU為Intel xeon E3-1230，內(nèi)存16 G，硬盤1 TB以及1對(duì)音箱。系統(tǒng)構(gòu)建模型如圖4所示。

5工廠化水質(zhì)預(yù)測預(yù)警平臺(tái)的特點(diǎn)

該平臺(tái)建立在對(duì)實(shí)際工廠化養(yǎng)殖生產(chǎn)詳細(xì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，并充分結(jié)合了工廠化養(yǎng)殖的特點(diǎn)，大大方便了養(yǎng)殖人員對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的自動(dòng)化監(jiān)控、預(yù)警與快速反應(yīng)。

該平臺(tái)具備以下4個(gè)特點(diǎn)：①簡單高效的操作方式。即操作員通過使用1臺(tái)計(jì)算機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整體環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)信息的查詢與操控。②及時(shí)高效的報(bào)警方式。在系統(tǒng)設(shè)定中各種參數(shù)的預(yù)測或狀態(tài)監(jiān)測時(shí)間段不超過30 min，這樣的時(shí)間間隔足以滿足實(shí)際的工廠化要求。③水質(zhì)預(yù)警方式的靈活設(shè)置。對(duì)于不同的生物群體，可按照不同要求進(jìn)行預(yù)警設(shè)置，擴(kuò)大或者縮小時(shí)間間隔，簡單方便。④高效的信息收集方式。系統(tǒng)不僅可以通過傳感器來獲取相關(guān)狀態(tài)信息并輸入數(shù)據(jù)庫中，而且可以由專家直接將經(jīng)驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)庫，這極大地提高了系統(tǒng)的可用性與可靠性。

6小結(jié)與展望

該系統(tǒng)在很大程度上實(shí)現(xiàn)了工廠化養(yǎng)殖過程中的水質(zhì)預(yù)測預(yù)警自動(dòng)化，方便生產(chǎn)人員對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行管理，通過簡單高效的操作方式來完成生產(chǎn)活動(dòng)的整個(gè)過程監(jiān)測。隨著物聯(lián)網(wǎng)與人工智能的發(fā)展，今后的生產(chǎn)系統(tǒng)必將更加現(xiàn)代化。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性，可進(jìn)行進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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