池塘河蟹養(yǎng)殖精準(zhǔn)投餌系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫月平 陳祖旭 趙德安 詹婷婷 周文全 阮承治

(1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013； 2.常州東風(fēng)農(nóng)機(jī)集團(tuán)有限公司， 常州 213200；3.常州市金壇區(qū)水產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)站， 常州 213299； 4.武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 武夷山 354300)

0 引言

2020年全國(guó)河蟹養(yǎng)殖面積達(dá)6.67×105hm2，年產(chǎn)量約8×105t，產(chǎn)值超過(guò)800億元，已成為淡水漁業(yè)單品種產(chǎn)值最大的產(chǎn)業(yè)[1-2]。由于餌料成本占總成本的40%～50%，投喂是否科學(xué)合理將直接影響河蟹養(yǎng)殖效益，因此投餌喂料是河蟹池塘養(yǎng)殖過(guò)程中最為關(guān)鍵的一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)[3]。

傳統(tǒng)投喂主要是依靠養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)蟹苗的投放量，估算河蟹成活率，在河蟹各個(gè)生長(zhǎng)階段，確定相應(yīng)的餌料總投喂量。但蟹苗品質(zhì)、氣象因素、水體環(huán)境等均會(huì)影響河蟹生長(zhǎng)，池塘各處水下生態(tài)環(huán)境的差異也會(huì)導(dǎo)致河蟹呈現(xiàn)不均勻分布，需要的餌料密度也有差異。由于河蟹不能大范圍運(yùn)動(dòng)，只能在自身附近區(qū)域覓食，同時(shí)，河蟹具有較強(qiáng)的領(lǐng)地意識(shí)，爭(zhēng)食與好斗是河蟹的天性。餌料投放少時(shí)輕則影響河蟹生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致河蟹爭(zhēng)斗甚至自相殘殺；投放過(guò)多的餌料不僅會(huì)增加成本，還會(huì)因餌料殘?jiān)鼘?dǎo)致水質(zhì)的污染[4]。因此在實(shí)施投餌作業(yè)時(shí)，必須要根據(jù)河蟹的實(shí)際生長(zhǎng)階段、分布情況及環(huán)境的變化進(jìn)行精準(zhǔn)投餌。然而現(xiàn)階段河蟹養(yǎng)殖的管理模式還是原始的養(yǎng)殖方式，勞動(dòng)力成本持續(xù)上漲，不僅機(jī)械化、自動(dòng)化程度不高，同時(shí)還由于作業(yè)粗放、餌料利用率低，嚴(yán)重影響?zhàn)B殖效益[5]。因此，迫切需要開(kāi)展河蟹養(yǎng)殖高效精準(zhǔn)投喂技術(shù)研究，揭示河蟹生長(zhǎng)及投喂規(guī)律，開(kāi)發(fā)自動(dòng)投餌船代替人工作業(yè)，提高餌料利用率，降低養(yǎng)殖成本，提高養(yǎng)殖效益，滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)“機(jī)器換人”戰(zhàn)略發(fā)展需求。

目前，關(guān)于河蟹生長(zhǎng)模型[6]與自動(dòng)投餌船方面已有相關(guān)研究。顧景齡等[7]利用常見(jiàn)的魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)模型探究河蟹生長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型，能夠在一定程度上反映河蟹的生長(zhǎng)規(guī)律。張永強(qiáng)等[8]根據(jù)氣候區(qū)域不同給出河蟹養(yǎng)殖趨利避害對(duì)策。雖然河蟹壽命不長(zhǎng)，人工養(yǎng)殖周期不超過(guò)一年半[9]，但河蟹養(yǎng)殖地點(diǎn)以戶外池塘為主，各種環(huán)境因素都會(huì)影響河蟹生長(zhǎng)趨勢(shì)[10]。朱海濤等[11]以氣候條件為標(biāo)準(zhǔn)，定性地劃分出江蘇省內(nèi)適宜養(yǎng)殖河蟹的地域，但沒(méi)有定量地分析河蟹生長(zhǎng)與環(huán)境因素的關(guān)系。賈二騰等[12]研究了不同時(shí)間點(diǎn)飽食投喂對(duì)河蟹消化酶活性的影響，但實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，恒定的環(huán)境參數(shù)無(wú)法反映河蟹整個(gè)生長(zhǎng)周期的攝食規(guī)律。

在自動(dòng)投餌設(shè)備研究方面，已經(jīng)出現(xiàn)了一些可以自主移動(dòng)的投餌設(shè)備[13-18]。如明輪驅(qū)動(dòng)蝦塘自主導(dǎo)航投餌船[19]、水面自主巡航式太陽(yáng)能投餌船[20]、自動(dòng)巡航式無(wú)人駕駛投餌船[21]等，能夠一定程度上提高機(jī)械化、自動(dòng)化水平，也考慮到了路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投食。但在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于餌料投喂量確定方面沒(méi)有深入研究，或者只是簡(jiǎn)單的定時(shí)定量拋撒，沒(méi)有考慮到河蟹生長(zhǎng)期的實(shí)際需求。另外，現(xiàn)有投餌船下料流量不可控，投餌拋幅不可調(diào)，這導(dǎo)致了餌料實(shí)際分布密度不可控，進(jìn)而無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)投餌。而國(guó)內(nèi)外對(duì)于精準(zhǔn)投餌的研究較少，在水產(chǎn)領(lǐng)域，大多還是利用固定式的投餌機(jī)[22]或者水下網(wǎng)箱[23]進(jìn)行精準(zhǔn)投餌。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出一種構(gòu)建河蟹生長(zhǎng)模型方法，并且根據(jù)池塘的具體環(huán)境信息，以精準(zhǔn)投餌為目的，結(jié)合水下機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，解算總投餌量，根據(jù)河蟹分布密度和水質(zhì)參數(shù)生成投餌處方圖，并通過(guò)4G無(wú)線通信模塊，發(fā)送給自動(dòng)投餌船完成池塘河蟹養(yǎng)殖精準(zhǔn)投餌。

1 河蟹生長(zhǎng)模型構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)采集自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)健康養(yǎng)殖示范場(chǎng)——江蘇省常州市金壇區(qū)漁業(yè)科技示范基地，分為A、B、C 3個(gè)池塘分別采樣。該地水質(zhì)狀況較好，浮游動(dòng)植物種類(lèi)多，有利于河蟹生長(zhǎng)。每個(gè)池塘水深 0.5～1.5 m，面積約1.33 hm2，每0.07 hm2投放約1 000只蟹苗。根據(jù)河蟹主要在早晚覓食的習(xí)性，采樣時(shí)間為早晨和傍晚，2020年4—10月，按月記錄河蟹生長(zhǎng)情況，每次在3個(gè)池塘中采樣雌蟹和雄蟹各20只，分別測(cè)量其體質(zhì)量、殼長(zhǎng)、殼寬等生長(zhǎng)數(shù)據(jù)。計(jì)算3個(gè)池塘河蟹生長(zhǎng)數(shù)據(jù)均值并保存，以便后續(xù)開(kāi)展研究。水質(zhì)參數(shù)采用上海清淼光電科技有限公司的KM-MU-800型在線多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀獲取，記錄3個(gè)池塘08：00與20：00水質(zhì)參數(shù)并計(jì)算均值保存。該水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可實(shí)時(shí)采集記錄多項(xiàng)水環(huán)境參數(shù)，包括溶解氧含量、水溫、pH值等，而且具有采集響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)、測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)，滿足實(shí)際養(yǎng)殖的需求。

1.2 研究方法

為了獲得更加科學(xué)合理、貼近實(shí)際的河蟹生長(zhǎng)模型，進(jìn)一步掌握河蟹的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，河蟹生長(zhǎng)模型構(gòu)建的流程如圖 1所示，首先通過(guò)定期池塘河蟹捕撈稱(chēng)量與水質(zhì)測(cè)量，獲取河蟹的質(zhì)量與養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)，進(jìn)而對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析，建立模型，最后對(duì)河蟹生長(zhǎng)模型進(jìn)行評(píng)估。

圖1 河蟹生長(zhǎng)模型構(gòu)建流程圖Fig.1 Construction process of river crab growth model

灰色關(guān)聯(lián)度分析(Grey relation analysis)是根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，充分從各類(lèi)信息中發(fā)現(xiàn)并表示出顯式和隱式關(guān)系[24]。本文中即河蟹體質(zhì)量受各類(lèi)環(huán)境因素影響的強(qiáng)弱關(guān)系，具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 灰色關(guān)聯(lián)度分析流程圖Fig.2 Flowchart of grey correlation analysis

(1)選取參考序列與比較序列[25]。選取河蟹增重變化為參考序列，選取溫度、溶解氧含量、pH值等環(huán)境因素為比較序列。

(2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，統(tǒng)一到近似范圍內(nèi)，重點(diǎn)關(guān)注其變化趨勢(shì)。選取min-max方法進(jìn)行歸一化，計(jì)算式為

(1)

式中xa——數(shù)據(jù)歸一化前的值

xmax——數(shù)據(jù)最大值

xmin——數(shù)據(jù)最小值

(3)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)，計(jì)算式為

(2)

式中ζi——灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)

x0——參考序列xi——比較序列

ρ——可調(diào)分辨系數(shù)，取0.5

(4)計(jì)算關(guān)聯(lián)度系數(shù)均值，計(jì)算式為

(3)

式中θi——關(guān)聯(lián)度系數(shù)均值

N——采樣個(gè)數(shù)

(5)形成關(guān)聯(lián)序列。按照關(guān)聯(lián)度系數(shù)均值進(jìn)行降序排列，得出環(huán)境因子對(duì)參考序列的影響程度，為下一步優(yōu)化生長(zhǎng)模型做準(zhǔn)備。

在河蟹養(yǎng)殖的過(guò)程中，溫度、溶解氧含量、pH值都會(huì)對(duì)河蟹的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)產(chǎn)生影響，而傳統(tǒng)的生長(zhǎng)模型沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)，故本文通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析法[26]得出與河蟹生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)度最大的環(huán)境因子后，將該因子引入傳統(tǒng)模型。在優(yōu)化模型的過(guò)程中，分別以線性(linear)和指數(shù)(exp)的方式進(jìn)行引入。各個(gè)生長(zhǎng)模型表達(dá)式如表1所示。表中，m為河蟹體質(zhì)量極限參數(shù)，k為瞬時(shí)生長(zhǎng)率，t為當(dāng)前河蟹放養(yǎng)時(shí)間，p為校準(zhǔn)參數(shù)，c為常系數(shù)，var為環(huán)境因子參數(shù)，選取Curve Expert Professional對(duì)以上生長(zhǎng)模型進(jìn)行非線性擬合，迭代得出m、p、c、k最優(yōu)解。綜合決定系數(shù)R2判斷模型性能(越趨于1表明模型更優(yōu))。

2 灰色關(guān)聯(lián)度分析與模型選擇

2.1 環(huán)境因子選取

池塘養(yǎng)殖中，環(huán)境的變化直接影響著河蟹攝食，

表1 生長(zhǎng)模型表達(dá)式Tab.1 Growth model expressions

進(jìn)而影響其生長(zhǎng)發(fā)育[27]。為了找出影響河蟹體質(zhì)量變化最關(guān)鍵的因素，本文利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，將水溫、溶解氧含量、pH值作為比較序列，把河蟹月增質(zhì)量情況作為參考序列，結(jié)果如表2所示。

表2 環(huán)境因子關(guān)聯(lián)度分析Tab.2 Environmental factor correlation analysis

由表2可以看出，不同的環(huán)境因子對(duì)河蟹月增質(zhì)量的影響由大到小為水溫、溶解氧含量和pH值，關(guān)聯(lián)度占比最高的環(huán)境因子是溫度，為0.784，溶解氧含量和pH值的關(guān)聯(lián)度分別為0.629、0.604。

2.2 河蟹生長(zhǎng)模型改進(jìn)與比較

將溫度這一變量以線性、指數(shù)的形式引入表1所列傳統(tǒng)生長(zhǎng)模型中。綜合分析對(duì)比其擬合結(jié)果，尤其是線性與指數(shù)改進(jìn)后的生長(zhǎng)模型的精度，對(duì)比結(jié)果如表3所示。由表3可知，傳統(tǒng)模型與線性改進(jìn)模型相比，傳統(tǒng)模型有著更好的表現(xiàn)，擬合結(jié)果的R2不小于0.995。其中Gompertz模型無(wú)論是傳統(tǒng)模型還是線性改進(jìn)模型中的R2均為0.997，表現(xiàn)最佳。而其余模型線性改進(jìn)后不如傳統(tǒng)模型效果好，Logistic(linear)的R2更是低至0.532，其原因是Logistic變換過(guò)程本身是非線性的，在兩端變化率微乎其微，而中間的變化很大，較為敏感。線性優(yōu)化導(dǎo)致很多區(qū)間的變量變化對(duì)目標(biāo)概率的影響沒(méi)有區(qū)分度。另外，當(dāng)樣本被提取的特征比較少時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致欠擬合。與傳統(tǒng)模型相比，指數(shù)改進(jìn)模型有著更好的表現(xiàn)，擬合結(jié)果的R2均在0.986以上，具有較好的擬合結(jié)果。Logistic(exp)的表現(xiàn)最為突出，R2達(dá)到0.999，在表中所述的模型中擬合度最高。故在引入環(huán)境因子溫度后，Logistic(exp)的擬合準(zhǔn)確性更高，更加符合河蟹的生長(zhǎng)增質(zhì)量規(guī)律。

表3 生長(zhǎng)模型性能比較Tab.3 Growth model performance comparison

3 精準(zhǔn)投餌預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)

3.1 模型構(gòu)建

為了給智能投餌船提供餌料拋幅和流量控制的依據(jù)，提高作業(yè)效率，本文基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提出一種結(jié)合河蟹生長(zhǎng)模型和河蟹投喂率、存活率確定投餌量的方法。河蟹精準(zhǔn)投餌決策流程如圖3所示，蟹塘水溫、pH值、溶解氧含量作為GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，得出環(huán)境影響因子。

圖3 精準(zhǔn)投餌決策流程圖Fig.3 Precision feeding decision flowchart

由上文構(gòu)建的河蟹生長(zhǎng)模型，結(jié)合實(shí)際河蟹養(yǎng)殖密度與養(yǎng)殖面積得出河蟹總質(zhì)量，根據(jù)河蟹不同生長(zhǎng)階段的投喂率得到經(jīng)驗(yàn)投餌量，綜合環(huán)境影響因子和存活率因素，得出總投餌量。精準(zhǔn)投餌預(yù)測(cè)模型決策過(guò)程如下：

(1)選取Logistic(exp)模型作為河蟹生長(zhǎng)模型，模擬河蟹生長(zhǎng)規(guī)律，使用Curve Expert Professional 2.6數(shù)據(jù)分析工具，將河蟹生長(zhǎng)和池塘水質(zhì)參數(shù)歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，以殘差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行非線性擬合，根據(jù)決定系數(shù)R2判斷模型(越趨于1表明模型更優(yōu))，迭代出模型參數(shù)m、k、p、c的最優(yōu)值。其中河蟹體質(zhì)量極限參數(shù)m取212.195，瞬時(shí)生長(zhǎng)率k取0.018，校準(zhǔn)參數(shù)p取5.301，常系數(shù)c取0.301。

根據(jù)實(shí)際養(yǎng)殖中河蟹養(yǎng)殖密度與養(yǎng)殖面積，得出河蟹總質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算得出經(jīng)驗(yàn)投餌量。河蟹生長(zhǎng)模型為

(4)

式中G——河蟹現(xiàn)階段體質(zhì)量,g

t——當(dāng)前河蟹放養(yǎng)時(shí)間

河蟹總質(zhì)量計(jì)算式為

Z=10-3GDS

(5)

式中Z——河蟹總質(zhì)量,kg

D——養(yǎng)殖密度,只/hm2

S——河蟹養(yǎng)殖面積,hm2

(2)投喂率是指現(xiàn)階段投餌餌料的總質(zhì)量占河蟹體質(zhì)量的百分比，河蟹投喂率與河蟹各個(gè)生長(zhǎng)期階段有密切關(guān)系。據(jù)歷史數(shù)據(jù)與相關(guān)資料，江蘇省河蟹投喂率如表4所示。

表4 江蘇省河蟹投喂率Tab.4 Feeding rates for river crabs in Jiangsu Province

經(jīng)驗(yàn)投餌量計(jì)算式為

F=ZLf

(6)

式中F——經(jīng)驗(yàn)投餌量,kg

Lf——投喂率

(3)獲取不同的水溫、溶解氧含量、pH值等環(huán)境參數(shù)，不斷訓(xùn)練GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出環(huán)境影響因子R。

總投餌量計(jì)算式為

H=FRLs

(7)

式中H——河蟹總投餌量,kg

Ls——河蟹存活率

3.2 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[28]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依靠池塘采集的大量環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，不需要確定具體的輸入輸出變量間的映射函數(shù)，就可以確定河蟹投餌量與環(huán)境參數(shù)的規(guī)律規(guī)則。其結(jié)果隨著訓(xùn)練愈發(fā)趨于期望輸出值。其核心原理包括兩部分，一是信號(hào)前向傳遞，二是誤差反向傳遞。結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層[29]。溫度、溶解氧含量、pH值從輸入層進(jìn)入，經(jīng)隱含層作用于輸出層，觀察輸出層的環(huán)境因子和期望輸出環(huán)境因子的偏差，當(dāng)偏差過(guò)大時(shí)進(jìn)入反向傳播階段，通過(guò)調(diào)整輸入節(jié)點(diǎn)與隱含層的連接權(quán)值和閾值，使誤差沿梯度方向減小，反復(fù)調(diào)整，將誤差減小到理想范圍。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層與輸出層構(gòu)成。輸入?yún)?shù)在目標(biāo)水域由溫度傳感器、pH值傳感器、溶解氧含量傳感器采集并分類(lèi)保存。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖戶經(jīng)驗(yàn)與蟹塘食臺(tái)反饋綜合得到輸出。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Neural network architecture

單一的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在收斂速度慢，誤差平方和函數(shù)存在局部最優(yōu)等缺點(diǎn)[30]。而遺傳算法適用于從群體出發(fā)，多個(gè)個(gè)體比較的問(wèn)題，另外，遺傳算法魯棒性強(qiáng)，適宜解決非線性、多維尋優(yōu)問(wèn)題[31]，在多變量、非線性的河蟹精準(zhǔn)投餌模型中容易與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合[32]，故本文提出基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的河蟹養(yǎng)殖精準(zhǔn)投餌模型，GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程如圖5所示。

圖5 GA-BP算法流程圖Fig.5 GA-BP algorithm flowchart

根據(jù)實(shí)際需要，本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入變量為水溫、溶解氧含量與pH值，輸出為環(huán)境影響因子，取得一定的樣本數(shù)量，劃分訓(xùn)練集與測(cè)試集對(duì)GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，步驟為：

(1)在3路輸入中，由于物理單位不一，其取值范圍也區(qū)別較大，為了使每個(gè)神經(jīng)元可以準(zhǔn)確評(píng)估每個(gè)參數(shù)的影響程度，能夠較快收斂，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行無(wú)量綱化處理。將水溫、pH值與溶解氧含量的取值歸一化，無(wú)量綱化公式同式(1)。

(2)使用GA算法對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、交叉、變異操作，計(jì)算適應(yīng)度，選取最優(yōu)個(gè)體。

(3)判斷GA算法優(yōu)化結(jié)果是否符合條件，若不滿足，則再次返回上一步，選取新個(gè)體。

(4)根據(jù)最優(yōu)參數(shù)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行賦值，確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為

(8)

式中d——隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)

no——輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)

ni——輸入層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)

α——1～10之間的常過(guò)式(8)得到隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)d=5。

(5)權(quán)值和閾值更新。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)正向傳遞后，得到實(shí)際輸出，與期望輸出必然有一定誤差，為了進(jìn)一步縮小誤差，采用梯度下降法來(lái)更新參數(shù)。同時(shí)，權(quán)重函數(shù)需要確定學(xué)習(xí)速率，學(xué)習(xí)速率太快會(huì)導(dǎo)致超出最優(yōu)解，太慢則降低算法效率。代價(jià)函數(shù)和權(quán)重調(diào)整公式為

(9)

(10)

式中Es——輸出誤差l——樣本數(shù)量

ρs——學(xué)習(xí)率wh——權(quán)重

(6)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練、仿真及更新，直到滿足結(jié)束條件，GA-BP算法終止。

3.3 評(píng)價(jià)模型

通過(guò)Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，誤差衰減折線圖直觀地反映誤差衰減速度，如圖6所示。

圖6 衰減速度折線Fig.6 Decay rate line chart

由于樣本數(shù)量有限，為了進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，采取留一法對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。在測(cè)試集，選取10組數(shù)據(jù)樣本輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。測(cè)試值與真實(shí)值相比較如圖7所示。由圖7可以看出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)投餌量決定系數(shù)為0.974，GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)投餌量決定系數(shù)為0.990，性能良好，與真實(shí)值更為接近。

圖7 訓(xùn)練結(jié)果Fig.7 Training results

在機(jī)器學(xué)習(xí)中，均方誤差(Mean squared error)和均方根誤差(Root mean squard error)也是評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型性能優(yōu)良的指標(biāo)。均方誤差與均方根誤差越小，預(yù)測(cè)模型的精度越好。

得到樣本均方誤差為0.040 75 kg2，均方根誤差為0.201 96 kg。結(jié)果表明該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以較好地完成河蟹投餌量的預(yù)測(cè)，對(duì)河蟹養(yǎng)殖精準(zhǔn)投餌的可行性提供了理論支撐。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 河蟹養(yǎng)殖精準(zhǔn)投餌系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了解決人工撐船和固定投餌機(jī)投喂的缺點(diǎn)，提高投餌效率及精準(zhǔn)性，本文設(shè)計(jì)了河蟹養(yǎng)殖精準(zhǔn)投餌系統(tǒng)，養(yǎng)殖戶可以利用手機(jī)、計(jì)算機(jī)，通過(guò)云平臺(tái)連接，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制自動(dòng)投餌船進(jìn)行投喂工作。具體方案如下：

(1)利用水下攝像機(jī)以及圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)河蟹進(jìn)行識(shí)別、定位和分割，獲取河蟹的數(shù)量和活動(dòng)情況，通過(guò)投餌船的定位系統(tǒng)，確定河蟹的位置信息。如圖8所示，將池塘網(wǎng)格化，建立坐標(biāo)系，各個(gè)網(wǎng)格面積相同，邊長(zhǎng)通常取7～10 m，計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)平均河蟹數(shù)量與池塘河蟹總數(shù)量之比作為密度點(diǎn)。

圖8 池塘網(wǎng)格劃分示意圖Fig.8 Schematic of pond meshing

(2)將河蟹密度信息上傳至云服務(wù)器，根據(jù)池塘河蟹實(shí)際分布密度和水質(zhì)參數(shù)，確定池塘各區(qū)域的餌料分配系數(shù)，將總投餌量科學(xué)分配到池塘各個(gè)區(qū)域。

各個(gè)子區(qū)域分配到的投餌密度計(jì)算式為

ρ(x,y)=103k(x,y)H/S(x,y)

(11)

其中

(12)

式中ρ(x,y)——子區(qū)域投餌密度,g/m2

k(x,y)——子區(qū)域餌料分配系數(shù)

S(x,y)——子區(qū)域面積,m2

ρh(x,y)——河蟹分布密度,只/m2

cd(x,y)——子區(qū)域水質(zhì)參數(shù)系數(shù)

根據(jù)測(cè)定池塘特定點(diǎn)位的水質(zhì)參數(shù)與歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)，可得到相同時(shí)段內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，再結(jié)合池塘網(wǎng)格分布情況，可得到子區(qū)域水質(zhì)參數(shù)系數(shù)。

專(zhuān)家系統(tǒng)通過(guò)上述河蟹精準(zhǔn)投餌模型決策出每個(gè)子區(qū)域的投餌量，由于風(fēng)向、晝夜、池塘深度的因素，導(dǎo)致池塘水質(zhì)參數(shù)不一致，故投餌量需結(jié)合分配系數(shù)，從而得出池塘各子區(qū)域的餌料分配密度，融合位置信息得到投餌處方圖。

(3)餌料密度分布信息傳輸?shù)酵娥D船和移動(dòng)終端實(shí)施投餌。投喂餌料后，在池塘多個(gè)代表性水域(離岸不同距離、不同位置、不同水深、不同水溫、不同溶解氧含量區(qū)域)設(shè)置監(jiān)測(cè)食臺(tái)，通過(guò)食臺(tái)觀測(cè)本食臺(tái)分配到的總餌料量和河蟹攝食后的剩余餌料量，確定該區(qū)域剩余餌料反饋系數(shù)cf，根據(jù)各區(qū)域的剩余餌料反饋系數(shù)及閾值cf0調(diào)整池塘區(qū)域餌料分配系數(shù)，修正各區(qū)域餌料分配密度，實(shí)現(xiàn)餌料精準(zhǔn)投喂。剩余餌料反饋系數(shù)cf計(jì)算式為

(13)

式中mr——食臺(tái)剩余餌料量,g

mt——食臺(tái)分配到的總餌料量,g

修正分配系數(shù)計(jì)算式為

k′(x,y)=[1-(cf-cf0)]k(x,y)

(14)

式中k′(x,y)——修正分配系數(shù)

在理想情況下，剩余餌料反饋系數(shù)為零則說(shuō)明食臺(tái)餌料清空，全部被河蟹攝食。但在實(shí)際投餌作業(yè)中，食臺(tái)餌料清空則意味著餌料有可能投喂偏少，河蟹沒(méi)有充分?jǐn)z食，不利于河蟹育肥增重。故在修正分配系數(shù)時(shí)，需要設(shè)置剩余餌料反饋系數(shù)閾值，一般取cf0為5%～10%，保證食臺(tái)剩余餌料在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

4.2 自動(dòng)投餌裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)投餌裝置裝載在明輪船上，是精準(zhǔn)投餌實(shí)現(xiàn)的重要組成部分，其主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 自動(dòng)投餌裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Automatic feeding device construction1.料倉(cāng) 2.螺旋輸送器 3.螺旋輸送器電機(jī) 4.拋盤(pán) 5.拋盤(pán)電機(jī)

料倉(cāng)位于自動(dòng)投餌裝置主體上部，料倉(cāng)下部連接餌料引流槽，餌料通過(guò)螺旋輸送器輸送到拋料盤(pán)，確保顆粒飼料下料順暢。料倉(cāng)設(shè)計(jì)可裝載120 kg的餌料，可供5.33 hm2蟹塘撒料使用。為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投餌，該自動(dòng)投餌裝置有以下功能：

(1)投餌裝置料倉(cāng)下料流量可控。料倉(cāng)底部裝有螺旋輸送器，螺旋輸送器電機(jī)工作時(shí)，將餌料推送到拋盤(pán)上方。通過(guò)控制螺旋輸送器電機(jī)轉(zhuǎn)速，即可調(diào)整下料速度。通過(guò)稱(chēng)量裝置稱(chēng)量餌料質(zhì)量作為反饋，調(diào)節(jié)螺旋輸送器電機(jī)轉(zhuǎn)速，閉環(huán)控制下料流量。

(2)投餌裝置拋料器拋幅可調(diào)。餌料落到高速旋轉(zhuǎn)的拋盤(pán)上，通過(guò)撥料板和離心作用拋撒出去且拋料角可調(diào)。通過(guò)控制拋盤(pán)電機(jī)轉(zhuǎn)速，即可調(diào)整拋幅，拋幅最大可達(dá)12 m。

(3)投餌裝置剩余餌料質(zhì)量可測(cè)。料倉(cāng)下方安裝有稱(chēng)量壓力傳感器，可實(shí)時(shí)獲取料倉(cāng)內(nèi)剩余餌料的質(zhì)量，方便漁民及時(shí)補(bǔ)充餌料。

投餌裝置使用蓄電池直流供電。其控制器與主控模塊通過(guò)通信模塊相連，實(shí)時(shí)反饋拋盤(pán)電機(jī)轉(zhuǎn)速、螺旋輸送器電機(jī)轉(zhuǎn)速、剩余餌料質(zhì)量等信息，并可通過(guò)手機(jī)App實(shí)時(shí)控制。

4.3 池塘試驗(yàn)與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提精準(zhǔn)投餌的實(shí)際效果，選取江蘇省常州市金壇區(qū)漁業(yè)科技示范基地一池塘進(jìn)行投餌試驗(yàn)。采用JDTEC-3型智能投餌水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船，船體長(zhǎng)2 m，寬1.6 m，高1.1 m，質(zhì)量200 kg。采用美國(guó)Trimble公司生產(chǎn)的Trimble Zephyr-2 GNSS型多系統(tǒng)高精度定位天線。池塘水溫、溶解氧含量、pH值參數(shù)檢測(cè)采用上海清淼光電科技有限公司的KM-MU-800型在線多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀。試驗(yàn)當(dāng)天多云，風(fēng)力3～4級(jí)，氣溫18～27℃。上位機(jī)界面如圖10所示。填寫(xiě)河蟹基本信息，如養(yǎng)殖面積、放養(yǎng)規(guī)格、放養(yǎng)密度、放養(yǎng)時(shí)間以及當(dāng)前生長(zhǎng)階段。填寫(xiě)環(huán)境參數(shù)，如水溫、pH值、溶解氧含量等。點(diǎn)擊開(kāi)始決策按鈕，運(yùn)行程序，計(jì)算出總投餌量以及當(dāng)前的投餌建議。

圖10 上位機(jī)界面Fig.10 Upper computer interface

手機(jī)App監(jiān)控界面如圖11所示，界面顯示該船的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，剩余電量、餌料量、衛(wèi)星信號(hào)、當(dāng)前位置信息、拋盤(pán)電機(jī)PWM、螺旋輸送器電機(jī)PWM、泵流量、藥液閥流量及操控主界面，包括手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)控制操控、軌跡顯示等子功能界面。

圖11 手機(jī)App監(jiān)控界面Fig.11 Mobile App monitoring interface

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的河蟹養(yǎng)殖自動(dòng)投餌船如圖12所示，先按池塘形狀以10 m為邊長(zhǎng)劃分單元網(wǎng)格并編號(hào)，利用KM-MU-800型在線多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀測(cè)得池塘各區(qū)域水溫、pH值、溶解氧含量等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)河蟹分布密度及各區(qū)域水質(zhì)參數(shù)系數(shù)得到各區(qū)域預(yù)設(shè)投餌密度。然后規(guī)劃投餌船作業(yè)軌跡，包括投餌船作業(yè)路線、航速、投餌裝置拋幅、下料流量等作業(yè)參數(shù)，作業(yè)船按預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行變量投餌作業(yè)，池塘網(wǎng)格劃分與投餌作業(yè)軌跡如圖13所示。

圖12 投餌船試驗(yàn)Fig.12 Feeding boat test

圖13 池塘網(wǎng)格劃分與投餌作業(yè)軌跡Fig.13 Pond meshing and feeding trajectory

通過(guò)作業(yè)船投餌作業(yè)后，統(tǒng)計(jì)測(cè)算作業(yè)船投餌路徑長(zhǎng)度、平均船速、投餌時(shí)間參數(shù)，表5為投餌船試驗(yàn)參數(shù)。

表5 投餌船試驗(yàn)參數(shù)Tab.5 Test parameters of feeding boat

投餌時(shí)，作業(yè)船根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡，通過(guò)變量投餌裝置，實(shí)時(shí)調(diào)整下料流量及投餌拋幅，在預(yù)設(shè)航線上按設(shè)定投餌密度拋撒餌料到每個(gè)網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)測(cè)算各網(wǎng)格區(qū)域的實(shí)際投餌密度等參數(shù)，池塘網(wǎng)格投餌試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。由表6可知，各網(wǎng)格區(qū)域中，實(shí)際投餌密度絕對(duì)誤差最大為0.65 g/m2，最小為0.02 g/m2，平均絕對(duì)誤差為0.32 g/m2。實(shí)際投餌密度相對(duì)誤差最大為8.61%，最小為0.26%，平均相對(duì)誤差為3.90%。系統(tǒng)可根據(jù)各網(wǎng)格區(qū)域的河蟹分布密度和水質(zhì)參數(shù)系數(shù)，確定預(yù)設(shè)投餌密度，通過(guò)作業(yè)船變量投餌實(shí)現(xiàn)了池塘各目標(biāo)網(wǎng)格上的按需投喂，取得了較好的精準(zhǔn)投餌效果。

根據(jù)實(shí)際測(cè)算，養(yǎng)殖戶一般2人搭配，可以完成精細(xì)投餌的河蟹養(yǎng)殖池塘面積約為2.66 hm2，而基于河蟹生長(zhǎng)模型確定投餌量，通過(guò)1個(gè)人工加料充電等輔助管理，由1條智能投餌船自動(dòng)作業(yè)能夠精準(zhǔn)投餌的池塘面積約為5.33 hm2，節(jié)省了3個(gè)勞動(dòng)力。同時(shí)，由于綜合考慮了環(huán)境因子與河蟹生長(zhǎng)期參數(shù)的影響，在總投餌量確定和各區(qū)域餌料分配量給定方面提供了量化計(jì)算方法，提高了餌料利用率，促進(jìn)河蟹養(yǎng)殖節(jié)本增效。

5 結(jié)論

(1)利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，確定了對(duì)河蟹生長(zhǎng)影響最大的環(huán)境因子為水溫。在傳統(tǒng)水產(chǎn)作物模型基礎(chǔ)上，加入環(huán)境因子進(jìn)行改進(jìn)。從線性和指數(shù)兩個(gè)角度對(duì)河蟹生長(zhǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化擬合，得出Logistic(exp)模型最貼近實(shí)際河蟹生長(zhǎng)規(guī)律。

(2)設(shè)計(jì)了基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)投餌預(yù)測(cè)模型。利用GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)精準(zhǔn)投餌預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)輸入水溫、溶解氧含量、pH值等環(huán)境參數(shù)，推算出最佳環(huán)境影響因子。根據(jù)河蟹生長(zhǎng)模型、養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖面積得出河蟹總質(zhì)量，結(jié)合河蟹生長(zhǎng)期存活率與投喂率可得出總投餌量。根據(jù)池塘河蟹實(shí)際分布密度和水質(zhì)參數(shù)，確定池塘各區(qū)域的餌料分配系數(shù)，將總投餌量科學(xué)分配到池塘各個(gè)區(qū)域。通過(guò)仿真得出預(yù)測(cè)投餌量決定系數(shù)R2為0.990，預(yù)測(cè)模型性能良好。

(3)通過(guò)實(shí)際池塘試驗(yàn)，投餌裝置所拋撒出的餌料總量與餌料密度均值與預(yù)設(shè)值趨于一致，對(duì)池塘各網(wǎng)格區(qū)域，投餌船實(shí)際投餌密度與預(yù)設(shè)投餌密度相比，平均絕對(duì)誤差為0.32 g/m2，平均相對(duì)誤差為3.90%，實(shí)現(xiàn)了池塘各區(qū)域的非均勻按需投喂。應(yīng)用該模型確定投餌量，通過(guò)智能投餌船能夠精準(zhǔn)投餌的池塘面積為5.33 hm2，節(jié)約了3個(gè)勞動(dòng)力成本。而且該系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化和食臺(tái)反饋及時(shí)調(diào)整投餌量，使得投喂更加精準(zhǔn)，有利于節(jié)省餌料，培育大規(guī)格河蟹，增加河蟹產(chǎn)量，提高養(yǎng)殖效益。

表6 池塘網(wǎng)格投餌試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Experimental data of pond grid feeding