基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警模型研究

吳衛(wèi)祖+劉利群+徐兵+吳振陸

摘 要 水產(chǎn)養(yǎng)殖是我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，特別是沿海和沿江農(nóng)業(yè)區(qū)域，水產(chǎn)養(yǎng)殖占農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重很大。在我國(guó)絕大部分的水產(chǎn)養(yǎng)殖都是在露天池塘或水域進(jìn)行的，對(duì)氣象災(zāi)害的抵抗力十分微弱，據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)部門的統(tǒng)計(jì)全國(guó)每年在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面上的損失，高達(dá)80%以上是由于氣象災(zāi)害造成的，而這其中都是因?yàn)橐恍庀鬄?zāi)害來(lái)臨之前沒有得到及時(shí)的防范，因此，構(gòu)建完善的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)對(duì)提高我國(guó)水產(chǎn)產(chǎn)業(yè)水平，增加養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶的收入有著非常重要的意義。本文基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)粵西地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害進(jìn)行研究和分析，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)控系統(tǒng)，并且針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警建模，構(gòu)建水產(chǎn)養(yǎng)殖的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)模型，通過該模型可以有效的服務(wù)和指導(dǎo)粵西地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害相關(guān)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警信息系統(tǒng)的開發(fā)。

【關(guān)鍵詞】水產(chǎn)養(yǎng)殖 災(zāi)害監(jiān)測(cè) 災(zāi)害預(yù)警

1 引言

水產(chǎn)養(yǎng)殖作為我國(guó)沿海沿江現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要組成部分，越來(lái)越受沿海沿江廣大養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶重視。目前我國(guó)絕大部分的水產(chǎn)養(yǎng)殖大多采用露天養(yǎng)殖方式，這種養(yǎng)殖方式投入成本低，易于推廣。但是，由于采用全露天的方式，其對(duì)自然災(zāi)害的抵抗力非常低，特別是氣象災(zāi)害。因此，如何提高對(duì)氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，在災(zāi)害來(lái)臨前提前告知養(yǎng)殖戶及時(shí)進(jìn)行預(yù)防，成為當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害方面急需解決的一個(gè)問題。

物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器技術(shù)和信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界的物物相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以方便快捷的構(gòu)建氣象信息采集和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，采用對(duì)應(yīng)的氣象信息傳感器可以實(shí)時(shí)的對(duì)目標(biāo)區(qū)域的氣象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和跟蹤，這為構(gòu)建相關(guān)的氣象信息模型提供了極其便捷的途徑。因此，在水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警方面，可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)構(gòu)建水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖地區(qū)的氣象災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史跟蹤。然后后通過構(gòu)建相關(guān)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警模型實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域的氣象災(zāi)害進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為水產(chǎn)養(yǎng)殖戶提供實(shí)時(shí)的氣象監(jiān)測(cè)信息和預(yù)警信息。

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖災(zāi)害概述及相關(guān)氣象指標(biāo)的設(shè)計(jì)

漁業(yè)經(jīng)濟(jì)在廣東海洋經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。改革開放以來(lái)，大力發(fā)展海洋和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，廣東的水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量多年居全國(guó)首位。但是，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，養(yǎng)殖行業(yè)遭受各種自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越高，比較典型的就有低溫寒災(zāi)、臺(tái)風(fēng)、赤潮、暴雨等。在我省水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)遭受的各類自然災(zāi)害中絕大部分是氣象災(zāi)害，而在氣象災(zāi)害中尤其以臺(tái)風(fēng)、低溫寒災(zāi)對(duì)我省水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的影響最為嚴(yán)重。近年來(lái)臺(tái)風(fēng)、低溫等災(zāi)害性天氣出現(xiàn)次數(shù)多，發(fā)生范圍廣，危害面積大，對(duì)我省水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成的損失也越來(lái)越嚴(yán)重。如2015年10月強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“彩虹”造成廣東省湛江、茂名、陽(yáng)江等9市42個(gè)縣（市、區(qū)）不同程度受災(zāi)，農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)損失巨大；2008年初持續(xù)的低溫寒潮天氣使廣東遭遇了58年來(lái)最為嚴(yán)重的冰凍災(zāi)害，造成全省受災(zāi)養(yǎng)殖面積262.1萬(wàn)畝，損失水產(chǎn)品產(chǎn)量48.4 萬(wàn)噸，累計(jì)全省漁業(yè)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)61.9 億元。

本文通過對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)部門公布的我國(guó)北部灣、粵西地區(qū)2008年到2016年的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)情進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，近幾年來(lái)造成該地區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖的災(zāi)害性天氣過程主要有臺(tái)風(fēng)、暴雨、低溫幾種，可以將風(fēng)速（力）、降水量、溫度、氣壓作為氣象災(zāi)害指標(biāo)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲取近期的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象信息數(shù)據(jù)。本文的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)采集、水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)中心、監(jiān)測(cè)預(yù)警信息顯示屏、用戶移動(dòng)設(shè)備四個(gè)部分組成，其中水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)采集端主要負(fù)責(zé)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的氣象因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)中心，服務(wù)中心通過對(duì)數(shù)據(jù)處理，并結(jié)合氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，最后評(píng)估出災(zāi)害的等級(jí)，并且對(duì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)處理得出最近災(zāi)害發(fā)生的可能性。同時(shí)系統(tǒng)還可以通過服務(wù)中心將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到水產(chǎn)養(yǎng)殖用戶的手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和提醒，通過手機(jī)短信、微信等網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布。

該系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成：

3.1 水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

采用溫度傳感器、氣壓傳感器、風(fēng)速傳感器和降雨量傳感器等，借助物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，每個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)安裝配置一個(gè)無(wú)線自組網(wǎng)，即時(shí)測(cè)定水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的主要?dú)庀笠刂?，并通過無(wú)線自組網(wǎng)信息傳輸匯聚節(jié)點(diǎn)，利用無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)中心服務(wù)器。

3.2 水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)

采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、氣象歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和氣象災(zāi)害指標(biāo)庫(kù)進(jìn)行分析處理，通過氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警模型、GIS、氣象災(zāi)害決策支持系統(tǒng)等進(jìn)行分析，得出水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)警信息、災(zāi)害分布情況及災(zāi)害防御方案，為水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警、災(zāi)害防御提供決策支持輔助服務(wù)。

3.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)信息發(fā)布系統(tǒng)

水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)中心通過互聯(lián)網(wǎng)，通過監(jiān)測(cè)預(yù)警顯示屏、用戶手機(jī)，向水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖戶發(fā)布水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息及防御方案；水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖戶也可以通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)查詢水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的氣象條件及氣象災(zāi)害等。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警模型設(shè)計(jì)

從水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中獲取氣象信息后就可以通過構(gòu)建模型，對(duì)相關(guān)的信息進(jìn)行處理，根據(jù)歷史和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其統(tǒng)計(jì)特性，構(gòu)建水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)指標(biāo)模型如下：

式中，CW、CR、CD、CT為影響因子權(quán)重，可以通過統(tǒng)計(jì)分析獲?。籑（Wt，Rt，Dt，T）為氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)指標(biāo)，通過該指標(biāo)來(lái)對(duì)氣象災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)；Wt表示物聯(lián)網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域大于臨界值的風(fēng)速，小于等于臨界值時(shí)取值為W0；Rt表示物聯(lián)網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的大于臨界值的降雨量，小于等于臨界值時(shí)取值為R0；Tt為物聯(lián)網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的低于臨界值的溫度，大于等于臨界值時(shí)取值為T0；Dt為物聯(lián)網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的低于臨界值的大氣壓強(qiáng)，大于等于臨界值時(shí)取值為D0；t為時(shí)間，單位為小時(shí)，t-24表示從24小時(shí)前開始統(tǒng)計(jì)。

5 水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)警

水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)警主要通過水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)指標(biāo)模型計(jì)算結(jié)果觸發(fā)，實(shí)際預(yù)警還需根據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)中心的決策支持系統(tǒng)，對(duì)歷史資料及大環(huán)境下的實(shí)時(shí)氣象資料進(jìn)行綜合分析，得出預(yù)警信息，并進(jìn)行預(yù)警發(fā)布。水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與決策支持系統(tǒng)主要功能如圖2所示。

采用水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與決策支持系統(tǒng)進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)等。

（1）通過風(fēng)速、降雨量、氣壓等傳感器測(cè)量水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)，采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)傳送到水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)中心，中心通過信息收集與處理系統(tǒng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理并放入數(shù)據(jù)庫(kù)。按處理后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)指標(biāo)模型計(jì)算氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)指標(biāo)，依此確定災(zāi)害出現(xiàn)與否，以觸發(fā)啟動(dòng)預(yù)警處理系統(tǒng)。

（2）根據(jù)近n年鄰近區(qū)域臺(tái)風(fēng)、暴雨、風(fēng)暴潮、低氣壓的歷史大數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)過程分析、現(xiàn)代回歸分析等分別構(gòu)建各關(guān)鍵要素單要素、綜合要素統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型。

（3）根據(jù)大數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)模型和歷史數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等計(jì)算水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)指標(biāo)值。

（4）依據(jù)水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害各相關(guān)實(shí)測(cè)、預(yù)測(cè)指標(biāo)值，進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害綜合分析、風(fēng)險(xiǎn)分析及管理，得出比較客觀的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)警信息，并針對(duì)不同水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害類型和等級(jí)、地域，通過短信、微信、網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)及其他媒體等發(fā)布水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害預(yù)警信息，提出水產(chǎn)養(yǎng)殖防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急預(yù)案，為水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)戶、企業(yè)及當(dāng)?shù)卣峁┧a(chǎn)養(yǎng)殖防災(zāi)減災(zāi)決策支持服務(wù)。

6 總結(jié)

本文探討了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警問題，分析了水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要?dú)庀鬄?zāi)害因子，完成了氣象災(zāi)害指標(biāo)設(shè)計(jì)，并將該指標(biāo)應(yīng)用到氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警模型中，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的氣象災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。同時(shí)，本文還完成了水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、氣象災(zāi)害監(jiān)控和預(yù)警模型等設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖和數(shù)學(xué)模型。這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)模型對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)的開發(fā)具有非常重要的理論指導(dǎo)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]方苗，祁元，張金龍.基于WebGIS的蘭州市地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防信息化[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26（02）：137-146.

[2]方宇凌，吳嘉豪，湯沛等.珠江口西岸氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)[J].廣東氣象，2013，35（05）：59-63.

[3]Timmons M B，Ebeling J M，Wheaton F W. Recirculating Aquaculture System[M].New York：Northeastern Regional Aquaculture Center，2011：147-190.

[4]姚楠，陳哲，劉玉林.基于GIS的電網(wǎng)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研制[J].電力信息化，2013，11（03）.

[5]孫忠富，杜克明，尹首一.物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用展望[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2010（05）：5-8.

[6]鐘勇.物聯(lián)網(wǎng)在氣象災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用[J].通信與信息技術(shù)，2012（02）：049.

[7]夏于，孫忠富，杜克明，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的小麥苗情診斷管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（05）：117-124.

[8]禹?；?，許宇飛，易想和YU.長(zhǎng)株潭物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀，問題與對(duì)策[J].湖南行政學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（04）.

[9]趙城城，楊洪平，劉曉陽(yáng)，等.大雨滴對(duì)雷達(dá)定量測(cè)量降水的影響研究[J].暴雨災(zāi)害，2014，33（02）：106-111.

[10]羅云峰.降低對(duì)天氣和氣候極端事件的脆弱性--2002年“世界氣象日”主題[J].中國(guó)科學(xué)基金，2002，16（05）：279-283.

[11]湯立煜，王浩.湖北省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警平臺(tái)研究[J].資源環(huán)境與工程，2014，28（06）：960-963.

[12]羅紅梅，周峰，陳湘華.湖南省氣象災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布業(yè)務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（12）：23-24.