多增氧機協(xié)同控制模型的研究*

郭慶娟, 陳 明, 馮國富

(上海海洋大學 信息學院，上海 201306)

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多增氧機協(xié)同控制模型的研究*

郭慶娟, 陳 明, 馮國富

(上海海洋大學 信息學院，上海 201306)

增氧機對于規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)必不可少，但是目前人們廣泛使用的仍是單臺增氧機的控制，難以滿足精細化養(yǎng)殖的需求。為此，分析了當前已有增氧機自動控制算法的局限性，構(gòu)建了溶解氧的擴散模型，在此模型基礎(chǔ)上,結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖的實踐知識和經(jīng)驗,構(gòu)建了多增氧機協(xié)同控制模型，使多臺增氧機協(xié)同工作給養(yǎng)殖水體增氧并在上海海峰水產(chǎn)養(yǎng)殖基地完成了系統(tǒng)功能測試。同時，該控制系統(tǒng)也是一個TCP/IP服務器，遠程主機隨時可以連接到該服務器讀取當期環(huán)境信息。結(jié)果表明:該協(xié)同控制系統(tǒng)能夠達到預期的功能，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)的實際需求。

控制算法； 擴散模型； 多增氧機協(xié)同； TCP/IP服務器

0 引 言

目前在南美白對蝦養(yǎng)殖中，化學耗氧量是一個非常困難的問題，其化學耗氧量在5～30 mg/L范圍內(nèi)，水體溶解氧在3 mg/L以上才能達到養(yǎng)殖要求。近年來，水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測的研究很多。文獻[1]的系統(tǒng)位置靈活，且測量準確，但要求人工觀測或者周期性地接入計算機，無法實時監(jiān)測，也不能自動控制。文獻[2]解決了自動調(diào)理水質(zhì)的問題，但很多養(yǎng)殖戶對DO含量判斷不準確，或者盲目開增氧機，費電，或者一直不開增氧機，導致蝦類大面積死亡[3]。文獻[4]所采用的基于有限狀態(tài)機的控制算法能夠節(jié)省能耗，系統(tǒng)穩(wěn)定性也較好，但是采用的仍是單臺增氧機的控制，難以達到養(yǎng)殖企業(yè)的實際要求。文獻[5]指出了養(yǎng)殖面積較大的池塘需要安裝多臺增氧機，但對其安裝位置及臺數(shù)沒有說明。

為了協(xié)同不同增氧機之間的工作，適時切換不同增氧機的開閉，本文首先分析了當前已有增氧機自動控制算法的局限性，并結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖的實踐知識和經(jīng)驗以及實測數(shù)據(jù)構(gòu)建了溶解氧的擴散模型，并在此模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建多增氧機協(xié)同控制模型及控制算法，將在水產(chǎn)養(yǎng)殖實踐中會遇到的一些常見狀況納入考慮因素，對算法做了改進?；谠撃Ｐ图八O(shè)計的新算法，在上海海峰水產(chǎn)養(yǎng)殖基地完成了原型系統(tǒng)的設(shè)計，并對其進行了測試。結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠達到預期功能。

1 現(xiàn)有控制系統(tǒng)的局限性

在目前現(xiàn)有的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，人們研究了很多增氧機控制的算法和模型，其中最多的是單臺增氧機的控制，而單臺增氧機只能適應單位面積在4.5畝(1畝=666.67平方米)以下的小型養(yǎng)殖需求。但是在通常情況下，養(yǎng)殖戶或者養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖面積多為10～20畝甚至更大面積，顯然單臺增氧機是無法滿足養(yǎng)殖水體溶氧需求的，同時，水體溶氧過飽和對南美白對蝦的養(yǎng)殖也會帶來不利。因此，在養(yǎng)殖過程中增氧機的使用時間、安裝位置及安裝臺數(shù)都要進行合理的控制。水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中主要存在以下幾方面問題：1)監(jiān)測和控制分離，傳輸能量消耗大；2)增氧能耗高、過氧(富氧)、不及時增氧(缺氧)；3)采用單臺增氧機控制；4)未將晝夜、陰雨天氣等常態(tài)對魚蝦的生長狀況及耗氧量納入考慮因素；5)增氧機的安裝位置及臺數(shù)不明確。

2 池塘溶解氧擴散模型

文獻[6]和文獻[7]指出，用1.5 kW的葉輪式增氧機為養(yǎng)殖水體增氧時在開機30～180 min后，水深1 m處的溶氧一直高于其他各層點，開增氧機后不同水平距離的水中溶氧均開始升高，距離越遠升高越慢，且水平距離為3 m的溶氧一直高于其他距離，葉輪式增氧機的增氧效果180 min后，水平距離5,9,15 m處的溶氧均顯著低于水平距離3 m處。以上說明增氧效果對水深1 m處最佳，水平距離3 m是葉輪式增氧機增氧效果最佳的距離并且水平距離越遠，葉輪式增氧機的作用越弱，增氧效果越差。得出理想情況下池塘中溶解氧的擴散模型如圖1所示。

圖1 理想情況下池塘溶解氧的擴散模型圖Fig 1 Diffusion model for dissolved oxygen in ideal case in pond

圖1中顏色深淺表示溶解氧含量高低，1 m處溶解氧含量與3 m處很接近，3 m處含量最高。5,9,15 m處溶解氧含量與1,3 m處有明顯區(qū)別。因此,在較大池塘中，單臺增氧機的水平作用范圍不宜超過5 m。

但是實際上隨著南美白對蝦養(yǎng)殖密度的不同，溶解氧的擴散范圍將有所改變，譬如，蝦苗集中在半徑為1,3 m的同心圓范圍內(nèi)時溶解氧的擴散范圍將大大減小，同時天氣也會對溶解氧的擴散產(chǎn)生影響，文獻[8]指出晴天14:00為池塘溶解氧的高峰。晴天光照條件最好，水下20 cm處溶解氧含量仍然較高，顯著高于強風天和陰雨天，同時由于“溫躍層”的存在，溶解氧在垂直方向的擴散能力大大減弱，而水平擴散能力較強。強風天空氣對流較強，池塘內(nèi)波浪較大，上下水層混合均勻，水下40,60,80 cm處溶解氧含量均較高，同時由于熱阻力減弱，促進了上下水層混合，垂直方向的擴散能力大大增強，而水平擴散能力減弱。陰雨天氣溫較低，上下水層熱阻力極小，上下層溶解氧差距最小。水下100 cm處各天氣無顯著差異；6:00為池塘溶解氧的低谷，陰雨天顯著低于晴天和強風天。此外，南美白對蝦的養(yǎng)殖密度及其體長均會對溶解氧的擴散產(chǎn)生影響，文獻[9]指出不同月份、不同天氣情況，養(yǎng)殖池中的溶氧量也是不同的，而且波動較大。

綜合考慮以上因素(養(yǎng)殖密度、季節(jié)、天氣、晝夜變化等)，根據(jù)在上海海峰養(yǎng)殖基地所測的實際數(shù)據(jù)得知,一臺標準養(yǎng)殖池塘(5畝)需要1臺浮標(用來采集水質(zhì)數(shù)據(jù))和3臺1.5kW的葉輪式增氧機。

3 多增氧機協(xié)同控制模型

本文在綜合養(yǎng)殖水質(zhì)實時參數(shù)、季節(jié)及天氣等因素的前提下研究多增氧機自動控制模型和技術(shù)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)智能化的增氧機系統(tǒng)，達到精準控制、低能耗增產(chǎn)、防止病害及減少藥物投放的目的。基本思路是對水質(zhì)的溶解氧進行實時監(jiān)測，根據(jù)不同的養(yǎng)殖品種建立控制規(guī)則庫，采用模糊控制算法對增氧機進行實時控制，并同時將數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，達到精準控制的目的，實現(xiàn)節(jié)能控制和水體溶解氧的精確控制。在新設(shè)計的算法中，根據(jù)溶解氧在水體中的擴散模型設(shè)計了5種控制狀態(tài)，分別為“關(guān)閉”狀態(tài)(C)、“近距”狀態(tài)(N)、“中距”狀態(tài)(M)、“遠距”狀態(tài)(F)以及“應急”狀態(tài)(E)。5種控制狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化如圖2所示。

圖2 多增氧機協(xié)同控制算法圖Fig 2 Multi-aerator coordinated control algorithm

該模型中，每個水質(zhì)采集裝置(浮標)與多臺增氧機設(shè)備連接，在算法的設(shè)計中，給各個狀態(tài)設(shè)定不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級從高到低依次為：M>N=F>E>C。為提高增氧效率，M狀態(tài)具有最高優(yōu)先級，無論在何種狀態(tài)下，只要檢測到溶解氧含量低于極限值，就會立即跳轉(zhuǎn)到M狀態(tài)。在各個狀態(tài)下分別執(zhí)行各個狀態(tài)的控制程序，當控制程序執(zhí)行完之后，都將返回到關(guān)閉狀態(tài)，即C狀態(tài)。此外，當N和M兩種狀態(tài)執(zhí)行后，若仍未達到增氧需求即浮標采集數(shù)值仍小于極限值，則立即跳轉(zhuǎn)到應急狀態(tài)E，此時，池塘中所有增氧機全部進入運行狀態(tài)為養(yǎng)殖水體增氧。

4 原型系統(tǒng)設(shè)計

在南美白對蝦養(yǎng)殖過程中，不同時段不同情況下，溶解氧消耗不同[10,11]，將溶解氧的調(diào)控分為兩個方向，采集終端，控制中心[12]。針對大型養(yǎng)殖池塘，本文設(shè)計了多增氧協(xié)同控制模型，使用浮標系統(tǒng)采集水質(zhì)參數(shù)，引入多增氧機協(xié)同控制概念，實現(xiàn)多增氧機的協(xié)同控制。

基于構(gòu)建的模型，在上海海峰水產(chǎn)養(yǎng)殖基地完成了基于德州儀器的MSP430F149開發(fā)板的原型系統(tǒng)設(shè)計,如圖3所示。在本設(shè)計中，編寫了控制程序。該程序控制增氧機的開閉和簡單的數(shù)據(jù)傳送任務。由于水質(zhì)采集系統(tǒng)(浮標)[13]與控制系統(tǒng)有一定距離，本設(shè)計選用GPRS作為浮標和控制系統(tǒng)的互連。本文采用一臺浮標與多臺增氧機(本文為3臺)互連的方式，即不同位置增氧機增氧后，浮標會采集一次水質(zhì)參數(shù)信息并通過GPRS傳送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)則比較采集數(shù)據(jù)與極限值，即所有參數(shù)信息均由浮標系統(tǒng)采集，各增氧機之間相互獨立，但又可以經(jīng)由浮標互聯(lián)，這樣既減小了相互之間的干擾又可以很好地實現(xiàn)各自的功能。該模型采用集中式協(xié)同控制，實現(xiàn)了任務的合理調(diào)度，保證了在養(yǎng)殖過程中對養(yǎng)殖池塘進行實時控制。

圖3 增氧機自動控制系統(tǒng)的原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Prototype system structure of aerator automatic control system

該模型的主要功能是任務協(xié)調(diào)[14]，為養(yǎng)殖水體增氧提供可靠而有效的保證。同時控制系統(tǒng)和遠程主機之間的通信也非常重要，這使得養(yǎng)殖人員足不出戶就能隨時了解池塘情況。因此，從廣義上講，該控制系統(tǒng)也被設(shè)計成一個TCP/IP服務器，遠程PC作為客戶端隨時可以連接到該服務器，及時了解系統(tǒng)運行狀況、當前池塘溶氧量[15]等參數(shù)(表1)。這部分功能是通過socket編程完成的。

多增氧機協(xié)同控制系統(tǒng)，根據(jù)溶解氧擴散模型及控制算法結(jié)合天氣情況，可以在溶解氧出現(xiàn)異常前根據(jù)距離遠近提早預測出具體開啟哪臺增氧機，減少不停的開關(guān)機的次數(shù)和時間，很大程度上節(jié)省了能耗，而且在該協(xié)同控制模式下，各臺增氧機不需獲得系統(tǒng)的全局信息，僅僅通過與浮標保持通信，獲取各增氧機的局部信息，就可以使得各臺增氧機實現(xiàn)狀態(tài)同步，各個終端達到穩(wěn)定一致，能夠方便而有效地控制。

表1 多因素下溶解氧含量

5 控制模型與控制系統(tǒng)的特點

根據(jù)現(xiàn)有的增氧機控制系統(tǒng)的局限性，提出了改進的控制模型和算法，并設(shè)計了相應的原型系統(tǒng)。

該控制算法基于溶解氧的擴散模型，為增氧機的安裝位置及臺數(shù)提供了一定依據(jù)。在該協(xié)同控制模式下，增氧機之間通過浮標系統(tǒng)相連，各增氧機之間不需獲得系統(tǒng)的全局信息就可使得各臺增氧機實現(xiàn)狀態(tài)同步。由于增氧機位置是根據(jù)距離遠近設(shè)置的，減少了盲目開關(guān)增氧機的次數(shù)和時間，大大節(jié)約了電能。整個控制算法框架中給不同狀態(tài)設(shè)定了不同優(yōu)先級，使得系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

由于浮標采集系統(tǒng)與增氧機控制系統(tǒng)之間有一定距離，通過GPRS獲取池塘溶解氧數(shù)據(jù)，大大提高了便利性。系統(tǒng)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與遠程主機通信，使得系統(tǒng)具有良好的交互性和易用性。

6 結(jié) 論

本文通過所構(gòu)建的多增氧機協(xié)同控制模型，設(shè)計了相應原型系統(tǒng)，并在上海海峰水產(chǎn)養(yǎng)殖基地進行了實驗測試和應用，結(jié)果表明：該多增氧機協(xié)同控制模型實現(xiàn)了智能控制，達到了減少系統(tǒng)開銷、節(jié)能的目的。

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Research on multi-aerator coordinated control model*

GUO Qing-juan, CHEN Ming, FENG Guo-fu

(College of Information Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

Aerator is necessary for large-scale aquaculture enterprises,but now it is widely used is control of a single aerator,it is difficult to meet needs of fine breeding.Therefore,analyze limitations of automatic control algorithm for current existing aerator,build diffusion model for dissolved oxygen,on the basis of this model,combined with practice of aquaculture knowledge and experience,build multi-aerator coordinated control model,making multiple aerators work together to increase oxygen in aquaculture water,then complete the system function test at Haifeng aquatic breeding base in Shanghai.At the same time,the control system is also a TCP/IP server,remote hosts can connect to the server at any time to read the current environmental information.Results show that the coordinated control system can achieve the desired function,meet the actual demand for aquaculture enterprises.

control algorithm; diffusion model; multi-aerator coordinated; TCP/IP server

2015—11—23

國家“863”計劃資助項目(2012AA01905)；江蘇省科技支撐計劃資助項目(BE2014333)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0109—03

TP 27

A

1000—9787(2016)10—0109—03

郭慶娟(1987-)，女，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式技術(shù)、通信等。