無人艇在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究

王恒家 王化明 陳林

[摘要]水產(chǎn)養(yǎng)殖在中國具有悠久的歷史，其中粗養(yǎng)方式占有很大的比重，但是這種方式主要靠人力為主，人的勞動強(qiáng)度很大，隨著科技不斷和農(nóng)業(yè)融合，將科技應(yīng)用到水產(chǎn)粗養(yǎng)的方式中可以有效降低養(yǎng)殖人員的勞動強(qiáng)度，無人艇能夠?qū)崿F(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中所需的多種功能，因此它在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]無人艇;水產(chǎn)養(yǎng)殖;勞動強(qiáng)度;科學(xué)技術(shù)

[中圖分類號]S969[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

中國的農(nóng)業(yè)具有很大的發(fā)展空間。自古以來，中國就是一個農(nóng)業(yè)大國，在整個農(nóng)業(yè)勞動過程中，人力勞動充當(dāng)著重要的角色。1992年鄧小平提出科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)，極大地促進(jìn)了國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而在社會發(fā)展過程中，政府對農(nóng)業(yè)的發(fā)展重視度不夠，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)步緩慢。近年來，政府開始大力發(fā)展農(nóng)業(yè)，提出將科技融入到農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中。越來越多的人投入到農(nóng)業(yè)科技設(shè)備的研制中，如中山光弧科技照明公司研制出可調(diào)LED植物燈，該燈可以提供植物在不同生長階段所需的不同顏色的比例的燈光;江蘇悅達(dá)智能裝備有限公司研發(fā)YK—2604無人駕駛拖拉機(jī)具有智能規(guī)劃作業(yè)路徑、自主轉(zhuǎn)向等功能，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)耕自動化。水產(chǎn)養(yǎng)殖在中國具有悠久的歷史，它是中國農(nóng)業(yè)重要的組成部分。水產(chǎn)養(yǎng)殖分為粗養(yǎng)、精養(yǎng)和高密度精養(yǎng)等方式，在中國主要是精養(yǎng)方式，如池塘養(yǎng)魚、網(wǎng)箱養(yǎng)魚和圍欄養(yǎng)殖等等。水產(chǎn)養(yǎng)殖的各個部分都需要人的參與，需要人投入大量的精力。近年來，大量灘涂和圍塘被征用，傳統(tǒng)水域的養(yǎng)殖區(qū)逐漸消失，養(yǎng)殖區(qū)逐漸向深海區(qū)轉(zhuǎn)移。無形之中有增大了人的工作強(qiáng)度。本文提出將無人艇應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，協(xié)助養(yǎng)殖人員的工作，降低養(yǎng)殖人員的工作強(qiáng)度。

1 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

有關(guān)無人艇的研究很早就開始了，其中美國和以色列在無人艇的研制和使用方面處于世界領(lǐng)先位置。目前，無人艇在民用方面較少，主要被應(yīng)用在軍事方面，用于情報的收集、水文地理勘察、目標(biāo)的監(jiān)測等等。無人艇是通過各種功能的模塊，不同類型的傳感器及設(shè)計的外部結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)不同的使用功能，完成不同的工作任務(wù)。因此無人艇的組成結(jié)構(gòu)使得其應(yīng)用非常廣泛。

近年來，政府倡導(dǎo)將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，這一舉措引起了很大的反響，促使大批研究人員投入到農(nóng)業(yè)科技建設(shè)中。如使用無人機(jī)對農(nóng)作物進(jìn)行拍攝，分析和了解農(nóng)作物的生長狀態(tài)?？萍贾饾u融入到農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)活動中，它可以有效的提高生產(chǎn)的效益。在中國，水產(chǎn)養(yǎng)殖在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有很大的比重，其中在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中充當(dāng)著重要角色的是人，經(jīng)常需要通過繁重的體力勞動來確定養(yǎng)殖過程不出差錯，將無人艇應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，根據(jù)不同需要賦予其不同的功能，可以有效降低養(yǎng)殖人員的工作強(qiáng)度，提高養(yǎng)殖效益。無人艇在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有很大的發(fā)展前景。

2 無人艇在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中需要了解其生長情況、健康狀態(tài)、及時喂食、水質(zhì)檢測等方面信息。傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖都是通過人工方式實(shí)現(xiàn)，養(yǎng)殖的信息不具備實(shí)時監(jiān)測。根據(jù)養(yǎng)殖的需求，在無人艇上安裝具備相應(yīng)功能的設(shè)備，保證養(yǎng)殖過程的安全性、信息獲取的實(shí)時性。

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控

在無人艇上安裝高精度攝像頭，可以通過操作無人艇實(shí)時查看了解水產(chǎn)的生活狀況。傳統(tǒng)養(yǎng)殖是通過養(yǎng)殖人員駕駛船前往養(yǎng)殖區(qū)域，然后在養(yǎng)殖區(qū)域多次巡視，查看水產(chǎn)的狀態(tài)。這需要養(yǎng)殖人員的大量的精力投入，增加了其工作強(qiáng)度。利用無人艇來巡視養(yǎng)殖區(qū)域可以大大降低養(yǎng)殖人員的勞動強(qiáng)度，只需在辦公室簡單的控制無人艇即可全面了解養(yǎng)殖區(qū)域的狀況，特別是在一些極端天氣，不需要人駕駛船出海，保證了人員的安全。

2.2 精準(zhǔn)飼喂

裝載一些喂食設(shè)備，當(dāng)無人艇到達(dá)養(yǎng)殖區(qū)域后可以自動精準(zhǔn)投放食物。傳統(tǒng)飼養(yǎng)是通過人工方式進(jìn)行的，在養(yǎng)殖區(qū)域投放食物量很容易不均勻，不能對食物投放的量進(jìn)行精確的控制，而且這種方式會造成餌料的浪費(fèi)，當(dāng)投放的餌料沒有被完全吃掉就很容易引起水質(zhì)的惡化，危害水生物的安全。設(shè)計投放食物設(shè)備，然后將該設(shè)備安裝在無人艇上，通過相關(guān)的硬件來控制設(shè)備的運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)對食物投放量的精準(zhǔn)控制，并且可以確保食物在飼養(yǎng)區(qū)域能夠均勻分布。養(yǎng)殖人員只需要將待投放的食物安放在投食設(shè)備上，設(shè)置好食物投放的速度，然后啟動無人艇，設(shè)置好無人艇的運(yùn)動路徑，當(dāng)其到達(dá)目的地后，無人艇開始按量自動喂養(yǎng)水產(chǎn)。

2.3 水質(zhì)檢測

水產(chǎn)養(yǎng)殖需要及時了解水質(zhì)情況，良好的水質(zhì)可以促進(jìn)水產(chǎn)的生長，而當(dāng)水質(zhì)污染后，若不能及時了解并采取相關(guān)措施治理，會使養(yǎng)殖戶蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而傳統(tǒng)方式檢測方式是通過人工測量和長期的養(yǎng)殖經(jīng)驗，這種方式存在很明顯的弊端，即不能實(shí)際了解到水質(zhì)的情況。在無人船上安裝水質(zhì)檢測裝置，通過該裝備可以對水質(zhì)進(jìn)行檢測，及時了解到水質(zhì)情況，實(shí)時掌握水中各種物質(zhì)的含量，具有很好的實(shí)時測控功能;還可以將采集的樣本帶回來，進(jìn)一步研究分析，方便養(yǎng)殖人員對水質(zhì)信息的掌控，以及及時地做出相應(yīng)的措施。

2.4藥物投放

水產(chǎn)養(yǎng)殖中，病害不可避免，需要通過藥物及時治理，保證水產(chǎn)養(yǎng)殖動物正常生存。對于池塘養(yǎng)殖方式一般是人圍著岸邊隨機(jī)向水里投放藥片，網(wǎng)箱養(yǎng)殖方式一般是人工噴灑藥物。在無人艇上安裝噴灑裝置，可以通過遠(yuǎn)程遙控的方式控制藥物的噴灑。在精養(yǎng)方式下使用無人艇投放藥物治理疾病可以大大降低養(yǎng)殖人員的勞動強(qiáng)度，同時可以保證藥物在養(yǎng)殖區(qū)域分布均勻，確保藥物噴灑覆蓋整個養(yǎng)殖區(qū)域。

3 無人艇應(yīng)用存在的問題

3.1 控制精度受外界環(huán)境影響較大

無人艇是通過控制算法對自身的運(yùn)動進(jìn)行自動控制。無人艇的運(yùn)動控制分為航向控制和航跡控制兩種，而航向控制是船舶運(yùn)動控制的基礎(chǔ)，研究無人艇的運(yùn)動首先需要確保無人艇具有良好的航向控制性能。航向控制性能分為航向保持和航向跟蹤，通過操控舵角來控制無人艇的航向。一般航向控制算法都是基于船舶線性運(yùn)動模型建立的，而在復(fù)雜環(huán)境影響下船舶實(shí)際航行呈現(xiàn)的是一種非線性運(yùn)動，造成控制性能達(dá)不到理想的程度。另外，當(dāng)船速、船舶載重發(fā)生改變時，容易引起模型參數(shù)的攝動，影響航行控制算法的對無人艇的控制。目前水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域逐漸向深海轉(zhuǎn)移，如果采用無人艇進(jìn)行遠(yuǎn)程操作養(yǎng)殖，必須要提高復(fù)雜海況下船舶運(yùn)動控制的抗干擾能力。

3.2 部分傳感器容易受天氣影響

無人艇應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖時，首先需要實(shí)時掌握其位置信息。無人艇通常采用GPS進(jìn)行定位，但是GPS信號受天氣影響較大，在云層較厚時，位置信息不準(zhǔn)確。

3.3 成本高

在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，無人艇需要監(jiān)測多種信息，而這種監(jiān)測信息的手段主要是通過各種用于數(shù)據(jù)采集的傳感器與數(shù)據(jù)處理器相互配合實(shí)現(xiàn)，對傳感器測量的精度要求很高。傳感器的測量精度與成本成正比，這也使得無人艇的成本較高。

3.4 缺乏操作人員

一般是人在船上通過操舵來控制船的航行，無人艇雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自主航行、路徑選擇等功能，但是在一些情況下，需要人工控制，不同于人工直接操舵方式，無人艇的控制端在服務(wù)器或者手機(jī)上，操作人員需要登錄進(jìn)服務(wù)器，進(jìn)入無人艇的控制界面，通過選擇各種按鈕來控制無人艇的運(yùn)動。由于無人艇控制較為復(fù)雜，需要操作人員熟悉各種按鈕的功能，因此在將無人艇應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖時需要進(jìn)行一系列的培訓(xùn)，幫助養(yǎng)殖人員熟練掌握無人艇的控制技能。

4 解決策略

4.1 采用智能控制算法進(jìn)行控制

目前針對無人艇的運(yùn)動控制算法有PID及改進(jìn)型PID控制算法、滑膜控制、模糊控制、Backstepping設(shè)計法、Lyapunov直接法、廣義預(yù)測控制等等，這些控制算法需要精準(zhǔn)的船舶運(yùn)動模型，而無人艇運(yùn)動是非常復(fù)雜的，其運(yùn)動過程中受到的一些擾動很難建立一種精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，也造成上述的控制算法不能很好的控制無人艇的運(yùn)動。隨著計算機(jī)技術(shù)和新型控制理論的發(fā)展，人工智能技術(shù)出現(xiàn)并逐漸應(yīng)用在控制領(lǐng)域當(dāng)中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似于人的大腦，將其應(yīng)用在無人艇運(yùn)動控制中，它可以通過外界輸入信息不斷調(diào)整自身，具有自學(xué)習(xí)性，能夠模仿、學(xué)習(xí)人在復(fù)雜環(huán)境下的操舵方式，最終可以根據(jù)外界的情況獨(dú)立的、智能的、安全的控制無人艇的航行。

4.2 采用基站定位

基站定位可以避免云層較厚導(dǎo)致GPS信號接收不到的情況?；径ㄎ坏脑硎菧y量不同基站的下行導(dǎo)頻信號，獲取不同基站下行導(dǎo)頻的到達(dá)時間或者是到達(dá)時間差，根據(jù)測量的結(jié)果以及各基站自身的位置坐標(biāo)，采用三角公式估算法，就可以計算較為準(zhǔn)確的目標(biāo)位置。實(shí)際上參與定位的基站數(shù)量越多，目標(biāo)的測量精度就會越高，定位性能會越強(qiáng)。采用基站能夠?qū)崟r獲取無人艇的位置，消除陰雨天無人艇定位不準(zhǔn)確的問題，保證了無人艇航行的安全。

4.3 設(shè)立無人艇操作培訓(xùn)機(jī)構(gòu)

無人艇的控制是通過后臺進(jìn)行的，需要登錄相應(yīng)的控制端。由于無人艇量測的信息較多，功能較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也使得控制界面較為復(fù)雜。對于剛接觸的養(yǎng)殖人員來說，很難通過說明書準(zhǔn)確快速掌握無人艇的控制方法，因此，他們需要經(jīng)過專門的培訓(xùn)，在培訓(xùn)人員的指導(dǎo)下，熟練的操控?zé)o人艇，實(shí)現(xiàn)無人艇在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的各種功能。

5 結(jié)語

科學(xué)技術(shù)逐漸融入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，它在提高農(nóng)產(chǎn)品收益、降低勞動人員的工作強(qiáng)度方面發(fā)揮越來越重要的作用。無人艇是高科技的結(jié)晶，雖然現(xiàn)在在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面應(yīng)用較少，但是它可以幫助養(yǎng)殖人員實(shí)時了解到水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的生長情況，可以全天候監(jiān)控養(yǎng)殖區(qū)，極大地方便了養(yǎng)殖人員，在未來具有很廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局養(yǎng)殖課題組.我國主要水產(chǎn)養(yǎng)殖方式研究[J].中國水產(chǎn)，2006（02）：11-13.

[2] 徐志進(jìn)，羅海忠，謝立峰.關(guān)于舟山市水產(chǎn)養(yǎng)殖病害監(jiān)測工作的幾點(diǎn)思考[J].科學(xué)養(yǎng)魚，2007（12）：48-49.

[3] 蘇會會.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的船舶航跡自動舵技術(shù)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.