水產(chǎn)養(yǎng)殖智慧漁業(yè)研究進(jìn)展

楊震飛，曹海月，王建國(guó)*，周愛(ài)民，劉愛(ài)民

(1.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.江蘇好潤(rùn)生物科技有限公司，江蘇 淮安 223300)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型正處在關(guān)鍵時(shí)期[1]，2019年中央1號(hào)文件再次強(qiáng)調(diào)了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展重要性。中國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)大國(guó)，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量占全球60%以上，隨著中國(guó)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)展智慧漁業(yè)成為推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要途徑。

智慧漁業(yè)充分運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、衛(wèi)星遙感等現(xiàn)代信息技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈信息資源的收集、整合、分析及運(yùn)用，通過(guò)太陽(yáng)能、石墨烯控溫等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境精準(zhǔn)控制。智慧漁業(yè)的發(fā)展可以全面提升漁業(yè)綜合生產(chǎn)力、遠(yuǎn)程經(jīng)營(yíng)管理能力和生產(chǎn)效益，保障水產(chǎn)品安全，降低漁業(yè)養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，改善養(yǎng)殖水體環(huán)境，推動(dòng)漁業(yè)管理的數(shù)字化和現(xiàn)代化，為中國(guó)漁業(yè)發(fā)展規(guī)?；?、集約化、精細(xì)化、綠色化提供強(qiáng)勁的技術(shù)保障，對(duì)中國(guó)建設(shè)世界水平農(nóng)業(yè)具有重要意義。一直以來(lái)，中國(guó)各界致力于智能化漁業(yè)的研究及推廣，2009年覆蓋全國(guó)范圍的水產(chǎn)養(yǎng)殖遙感影像數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，標(biāo)志著中國(guó)智慧漁業(yè)發(fā)展的正式開始。

1 養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)

對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控和調(diào)控，可有效保障水產(chǎn)養(yǎng)殖效益和水產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖具有重要意義，但在實(shí)際水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中，水質(zhì)參數(shù)不僅變化復(fù)雜且相互影響，檢測(cè)難度較大。一直以來(lái)，水質(zhì)環(huán)境檢測(cè)是水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。天津理工大學(xué)學(xué)者孟連子采用支持向量回歸機(jī)的方法，通過(guò)網(wǎng)格搜索方法全方位搜索逐級(jí)鎖定，對(duì)養(yǎng)殖水體的水質(zhì)污染情況預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率在92%以上?；戮晖ㄟ^(guò)向量機(jī)參數(shù)及時(shí)間序列進(jìn)行自相關(guān)分析，對(duì)溶解氧建立最優(yōu)預(yù)測(cè)模型，具有很好的預(yù)測(cè)精度。Liu[2]等通過(guò)分析環(huán)境時(shí)空關(guān)系與溶解氧的表征特征、因子序列等，利用注意力機(jī)制循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶解氧短期和長(zhǎng)期的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。太原市魚苗繁育場(chǎng)安裝了基于互聯(lián)網(wǎng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備，能實(shí)時(shí)反饋養(yǎng)殖水體水質(zhì)指標(biāo)變化，并可根據(jù)具體養(yǎng)殖情況設(shè)定閾值，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)警及調(diào)控[3]。上海海洋大學(xué)學(xué)者掌曉峰通過(guò)Matlab仿真測(cè)試、ZigBee 組建了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一套中華絨螯蟹遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)養(yǎng)殖水體中水溫、溶解氧、光照、pH值、亞硝酸鹽含量等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)控。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡曉波團(tuán)隊(duì)基于ZigBee和嵌入式ARM技術(shù)，同時(shí)結(jié)合智能傳感、智能處理器、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，開發(fā)了水產(chǎn)養(yǎng)殖水體實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水體水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集的同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并根據(jù)相應(yīng)的分析結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能化科學(xué)養(yǎng)殖。

雖然眾多學(xué)者都對(duì)水質(zhì)因素預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了研究，但是這些模型并未在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證和應(yīng)用，大部分都是建立在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的仿真，很少能解決實(shí)際問(wèn)題。所以對(duì)養(yǎng)殖水體進(jìn)行智能化處理仍處于摸索和挖掘的階段。

2 智能投喂

基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能投喂系統(tǒng)能有效提高餌料利用率，減少水體污染。有研究表明，通過(guò)探測(cè)并根據(jù)水產(chǎn)動(dòng)物饑餓程度進(jìn)行投喂，可以降低21%的飼料成本。趙健、鮑偉君等學(xué)者利用視覺(jué)處理圖像方法，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物攝食欲望程度量化處理，其所提出來(lái)的技術(shù)方案對(duì)高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)具有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)作用。西北農(nóng)林科技大學(xué)景新等研發(fā)了一款新型的室內(nèi)工廠化循環(huán)水自動(dòng)投喂系統(tǒng)，利用傳感器、PLC技術(shù)、軌道傳動(dòng)等，對(duì)整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三位實(shí)體建模。王勇平等研發(fā)了一款基于視覺(jué)捕捉技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖用智能投餌系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制投餌過(guò)程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)有效投喂。胡立新等通過(guò)分析水面魚類攝食圖像研究攝食規(guī)律等視覺(jué)方法，開發(fā)了一種新的投餌量計(jì)算模型。黃嘉榮等研發(fā)了智能化對(duì)蝦投喂系統(tǒng)，并在廣東佛山投入應(yīng)用，達(dá)到了精準(zhǔn)科學(xué)投喂的效果[4]。武漢理工大學(xué)許仕杰等研發(fā)了一種無(wú)人艇智能投餌系統(tǒng)。周超等研究小組為解決水產(chǎn)生產(chǎn)中的飼料浪費(fèi)問(wèn)題，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)、紅外光譜等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了魚群的攝食行為檢測(cè)和飼料的自動(dòng)控制。江蘇省叁拾叁科技公司研發(fā)了智能無(wú)人船投喂系統(tǒng)，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)現(xiàn)智能化投喂具有重要推動(dòng)作用。

投喂工作在水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中外部影響因素較多，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，水產(chǎn)動(dòng)物在養(yǎng)殖水體中游動(dòng)會(huì)造成身體重疊、遮擋等不利因素，影響檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。在未來(lái)的探索研究中，將人工智能技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)相結(jié)合，采用更多技術(shù)手段相融合的方法，多方位了解水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境，充分利用信息技術(shù)手段，彌補(bǔ)環(huán)境、養(yǎng)殖過(guò)程等因素對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)造成的誤差。

3 疾病診斷及預(yù)警

水生動(dòng)物的發(fā)病往往伴隨著生物學(xué)特征的改變，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和體色的變化，可以初步判斷其發(fā)病原因[5]。對(duì)魚類疾病的病因及防治措施進(jìn)行深入研究，可有效地防治魚類疾病的傳播，對(duì)中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展有重大意義。

目前對(duì)于疾病診斷主要為案例推理+知識(shí)庫(kù)對(duì)比診斷及基于模型診斷兩種方法。首先從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取與發(fā)病癥狀類似的疾病類型，確定疾病類型后制定相應(yīng)的解決方案。早在1997年，集美大學(xué)研究并開發(fā)了魚病專家診斷系統(tǒng)，引領(lǐng)了水產(chǎn)動(dòng)物疾病診斷智能化發(fā)展。在2015年，甄愛(ài)軍團(tuán)隊(duì)開發(fā)了疾病診斷網(wǎng)絡(luò)圖譜管理系統(tǒng)，提高了水產(chǎn)技術(shù)人員對(duì)疾病的判斷和解決能力。閻笑彤團(tuán)隊(duì)研發(fā)了水產(chǎn)養(yǎng)殖疾病診斷網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)可快速對(duì)魚病等信息進(jìn)行反饋，并應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)實(shí)踐中；溫繼文等構(gòu)建了UML模型，實(shí)現(xiàn)了魚病遠(yuǎn)程檢測(cè)預(yù)警與診斷；在2008年，劉雙印團(tuán)隊(duì)研發(fā)了對(duì)蝦遠(yuǎn)程疾病診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、專家咨詢、技術(shù)會(huì)診等；郭永洪和傅澤田提出了將案例知識(shí)與規(guī)則相結(jié)合的方法，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物疾病診斷的特征和具體內(nèi)容進(jìn)行分析，魚病診斷時(shí)效性差的問(wèn)題得到有效解決，有效提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

由于水產(chǎn)動(dòng)物疾病發(fā)生周期及發(fā)病類型不可控因素較多，同時(shí)水產(chǎn)養(yǎng)殖水體載量較大，獲得水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境中病魚圖片困難較大，因此目前為止采用病毒與細(xì)菌檢測(cè)方法對(duì)魚類進(jìn)行綜合診斷較多，但人工智能應(yīng)用較少。在今后的發(fā)展中，可將病毒細(xì)菌綜合檢測(cè)與人工智能技術(shù)綜合發(fā)展，提高確診的準(zhǔn)確性和校測(cè)效率。

4 水產(chǎn)品質(zhì)量追溯

水產(chǎn)品質(zhì)量溯源是指從水產(chǎn)品供應(yīng)終端（消費(fèi)者）到始端（生產(chǎn)者）可追溯水產(chǎn)品的來(lái)源，同時(shí)溯源系統(tǒng)可記錄生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、流通、消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)信息，使其信息可跟蹤，接受社會(huì)各界的監(jiān)督，從而保障水產(chǎn)品質(zhì)量安全。中國(guó)水產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)主要有監(jiān)管追溯子系統(tǒng)、關(guān)鍵信息采集系統(tǒng)、公共服務(wù)子系統(tǒng)等組成，各子系統(tǒng)之間通過(guò)數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

江蘇、廣東等水產(chǎn)養(yǎng)殖大省率先實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)建設(shè)，以二維碼為查詢載體，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品從生產(chǎn)到終端消費(fèi)環(huán)節(jié)信息可查詢、來(lái)源可追溯、去向可跟蹤、責(zé)任可追究。截至2018年，廣東省建設(shè)溯源追蹤平臺(tái)20余個(gè)，可追溯的主要養(yǎng)殖公司近30家，養(yǎng)殖品種包括羅非魚、草魚、對(duì)蝦等[6]。江蘇好潤(rùn)集團(tuán)公司研究開發(fā)了蟹臉識(shí)別技術(shù)，將全過(guò)程監(jiān)控蟹的養(yǎng)殖過(guò)程，確保產(chǎn)品溯源的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)人口結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，勞動(dòng)力老齡化問(wèn)題日益突出，人口紅利正在消失，未來(lái)誰(shuí)來(lái)養(yǎng)魚是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題；與此同時(shí)，水產(chǎn)養(yǎng)殖多年來(lái)的發(fā)展，往往伴隨著外源水質(zhì)惡化、養(yǎng)殖環(huán)境失控等問(wèn)題，這些問(wèn)題均從根本上表明傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫，提高漁業(yè)質(zhì)量效益和競(jìng)爭(zhēng)力刻不容緩。

事實(shí)證明，智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖可有效提升養(yǎng)殖場(chǎng)自動(dòng)化、信息化、智能化水平，降低生產(chǎn)成本，提高工作效率、資源利用率、勞動(dòng)生產(chǎn)率和管理效率。未來(lái)，加快漁業(yè)信息化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，開發(fā)水產(chǎn)養(yǎng)殖專用數(shù)據(jù)庫(kù)和信息管理系統(tǒng)，加強(qiáng)云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)安全體系及保障體系建設(shè)，加強(qiáng)國(guó)家水產(chǎn)養(yǎng)殖示范園區(qū)數(shù)字漁業(yè)建設(shè)，推進(jìn)漁業(yè)數(shù)字化資源的分類和管理，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)精細(xì)化管理、互聯(lián)互通的智能化養(yǎng)殖模式，開展全天候、全覆蓋、數(shù)字化管理是中國(guó)漁業(yè)發(fā)展的大方向，對(duì)中國(guó)未來(lái)漁業(yè)發(fā)展具有重要意義。