吳遠(yuǎn)紅，崔振東，候志凌

(浙江海洋大學(xué)數(shù)理與信息學(xué)院,浙江舟山 316022)

“建設(shè)信息化和工業(yè)化深度融合國家示范區(qū)”[1]為浙江省海洋漁業(yè)的集約化生產(chǎn)和高端加工帶來了重要的發(fā)展機(jī)遇。當(dāng)前對高端海產(chǎn)的需求日益強(qiáng)烈,基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的高端海產(chǎn)智能化生產(chǎn)和安全流通具有重要的研究價值和廣闊的推廣前景。

當(dāng)前海產(chǎn)生產(chǎn)、加工和流通中存在以下突出問題：其一,在海產(chǎn)品的獲取領(lǐng)域,經(jīng)驗(yàn)操作還占主導(dǎo)地位,效率低[2];其二,在海產(chǎn)品的加工領(lǐng)域,海產(chǎn)品的甄別分類方法原始,速度慢且質(zhì)量無法保證[3];其三,在海產(chǎn)品流通的質(zhì)量保障領(lǐng)域,用戶對產(chǎn)品品質(zhì)的不信任,生產(chǎn)企業(yè)無法樹立高端、可靠、放心的品牌形象[4]。

大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5]為精細(xì)海產(chǎn)智能化生產(chǎn)和安全流通提供了重要的技術(shù)支撐,使得海產(chǎn)品的精細(xì)養(yǎng)殖[6]、智能捕撈[7]、高效流通[8]和質(zhì)量追溯[9]等的實(shí)現(xiàn)成為了可能,開展高端海產(chǎn)智能化生產(chǎn)和安全流通具有重要的應(yīng)用價值和良好的社會效益。建設(shè)支撐海洋漁業(yè)生產(chǎn)和流通的物聯(lián)網(wǎng)涉及面廣,不但需要軟硬件技術(shù)打底,還需要養(yǎng)殖、捕撈、加工、分銷、流通等各個環(huán)節(jié)配合?！墩憬倚畔⒔?jīng)濟(jì)示范區(qū)建設(shè)實(shí)施方案》指出：發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng),整合多方數(shù)據(jù)資源,打造智慧農(nóng)業(yè)云平臺[5],海洋漁業(yè)物聯(lián)網(wǎng)未來將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化、加工精準(zhǔn)化、流通網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)便利化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)示范點(diǎn)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)信息獲取技術(shù)

傳感器是指能感知預(yù)定的被測指標(biāo)并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置,一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。與傳統(tǒng)傳感器相比,物聯(lián)網(wǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知、計算和通信能力,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、篩選、計算以及交互功能。隨著嵌入式智能技術(shù)的應(yīng)用,傳感器功耗越來越小、集成度和效率越來越高。部署在檢測區(qū)內(nèi),大量低功耗、微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線自組網(wǎng)形成傳感器網(wǎng)絡(luò),傳感器網(wǎng)絡(luò)能協(xié)作感知、監(jiān)測、并采集覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種微觀環(huán)境信息,實(shí)現(xiàn)信息的交互與處理,并通過移動通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物與物,以及物與人的互聯(lián)。

海水養(yǎng)殖過程中通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器的布置可獲取養(yǎng)殖信息,包括：水質(zhì)監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警、疾病預(yù)防及診治,飼料配比與投飼決策,養(yǎng)殖管理,海產(chǎn)品追溯,水產(chǎn)養(yǎng)殖面積及時空變換[10];遠(yuǎn)洋捕撈過程中的基于物聯(lián)網(wǎng)的船只調(diào)度、漁情預(yù)報;冷鏈物流中基于物聯(lián)網(wǎng)的溫度采集、監(jiān)控信息獲取。隨著現(xiàn)代養(yǎng)殖裝備工廠化、捕撈裝備數(shù)字化、水產(chǎn)品加工裝備自動化的發(fā)展趨勢[11],物聯(lián)網(wǎng)也成為現(xiàn)代海洋漁業(yè)獲取信息的重要途徑。

1.2 圖像識別與智能控制

海產(chǎn)智能識別與分揀是基于圖像識別和智能控制技術(shù),采用機(jī)器視覺代替人眼,對海產(chǎn)魚品質(zhì)進(jìn)行自動檢測分級,并在人工智能支持下實(shí)現(xiàn)海產(chǎn)魚類分類和快速包裝,并賦予每個高端產(chǎn)品獨(dú)立的數(shù)據(jù)服務(wù)支持[12]。自動化分級系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工檢測分級方法相比較,其分級結(jié)果更穩(wěn)定、檢測精度更高、分級速度更快、功能更全,并已逐步被推廣使用。

基于機(jī)器視覺的海產(chǎn)品檢測分級技術(shù),可以對海產(chǎn)進(jìn)行大小、顏色、缺陷等外觀品質(zhì)進(jìn)行全面檢測分級,實(shí)現(xiàn)海產(chǎn)品質(zhì)界定的自動化、規(guī)范化、流水作業(yè)化,對提高海產(chǎn)品的商品化處理的能力和水平,增強(qiáng)海產(chǎn)品在國際市場上的競爭力將起到重要作用。

1.3 生產(chǎn)與安全流通大數(shù)據(jù)處理物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

針對海產(chǎn)物流信息化推廣應(yīng)用,提供生產(chǎn)過程信息自動采集、物流配送、運(yùn)輸監(jiān)控以及優(yōu)化調(diào)度技術(shù)等技術(shù)方案。借助物聯(lián)網(wǎng)信息處理技術(shù),建立面向海產(chǎn)品全供應(yīng)鏈的物流配送平臺,可有效降低產(chǎn)品物流成本,提升本行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化水平。

針對海產(chǎn)品追溯查詢、市場趨勢分析、產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證、應(yīng)急管理與責(zé)任追溯等服務(wù),提供追溯信息獲取、溯源數(shù)據(jù)中心構(gòu)建和信息溯源服務(wù)等技術(shù)方案,從而實(shí)現(xiàn)海產(chǎn)品生產(chǎn)、流通、銷售的全程質(zhì)量監(jiān)控與品質(zhì)溯源,以此確保終端用戶購買到放心海產(chǎn)品,防止假冒偽劣、有毒有害海產(chǎn)品進(jìn)入市場。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 海產(chǎn)精準(zhǔn)養(yǎng)殖和信息化捕撈物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)信息獲取技術(shù),開發(fā)適用于海產(chǎn)養(yǎng)殖、捕撈、流通、追溯等信息的采集、捕獲、識別的設(shè)備和方法,建立綠色海產(chǎn)信息獲取示范體系。

海產(chǎn)精準(zhǔn)養(yǎng)殖和信息化捕撈示范體系主要實(shí)現(xiàn)海產(chǎn)品信息監(jiān)控技術(shù)、海產(chǎn)品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中心構(gòu)建技術(shù)、以及精準(zhǔn)生產(chǎn)服務(wù)技術(shù)(圖1),具體應(yīng)用如下：(a)精細(xì)化養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)?；趯?shí)時圖像采集、RFID、無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)處理,集成開發(fā)海產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對海產(chǎn)品養(yǎng)殖的各種生態(tài)環(huán)境、生長規(guī)律、疾病診斷,以及海洋災(zāi)情的動態(tài)實(shí)時高精度監(jiān)測;(b)基于感知數(shù)據(jù)的海產(chǎn)品生產(chǎn)智能決策系統(tǒng)。采集信息采集點(diǎn)感知數(shù)據(jù),形成海產(chǎn)品生產(chǎn)管理知識模型,開發(fā)生產(chǎn)智能決策系統(tǒng)。盡而實(shí)現(xiàn)餌料智能搭配、自動投餌、自動免疫、病情預(yù)警等生產(chǎn)措施的智能一體化管理;(c)基于物聯(lián)網(wǎng)的海產(chǎn)作業(yè)過程質(zhì)量監(jiān)控與采收管理系統(tǒng)。基于RFID、二維碼、無線傳感器、定位導(dǎo)航與決策技術(shù),實(shí)現(xiàn)高端海產(chǎn)的完整信息標(biāo)識,實(shí)現(xiàn)海產(chǎn)養(yǎng)殖和捕撈資源的管理、采收作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控和進(jìn)入流通領(lǐng)域的信息化處理;(d)海產(chǎn)精準(zhǔn)養(yǎng)殖推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。研發(fā)海產(chǎn)精準(zhǔn)養(yǎng)殖、捕撈技術(shù)推送、以及遠(yuǎn)程培訓(xùn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),為現(xiàn)代海產(chǎn)養(yǎng)殖和捕撈技術(shù)的推廣建設(shè)提供智能化解決方案。

圖1 海產(chǎn)精細(xì)生產(chǎn)和智能流通物聯(lián)網(wǎng)示范平臺Fig.1 The internet of things demonstration platform of fine seafood production and intelligent circulation

2.2 海產(chǎn)智能識別分揀與自動包裝生產(chǎn)線的開發(fā)

海產(chǎn)智能生產(chǎn)線的關(guān)鍵在于研究基于機(jī)器視覺的大黃魚、魷魚等的自動智能檢測分級設(shè)備及算法。該生產(chǎn)線可以對魚品進(jìn)行大小、色澤、體型完整、肉體潔凈、無殘缺、無損傷等外觀品質(zhì)進(jìn)行全面檢測分級。有助于提高新鮮海產(chǎn)商品化處理的能力和水平,增強(qiáng)海產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。同時,利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)大黃魚、魷魚等的分級檢測技術(shù),還可以應(yīng)用于其它海產(chǎn)品的檢測中,具有較強(qiáng)的推廣價值和實(shí)用性。

系統(tǒng)研究魚貨的圖像分割技術(shù),開發(fā)特征提取的算法,提出品質(zhì)分級的方法,研究結(jié)果將應(yīng)用于魚貨的智能分揀,重點(diǎn)研究魚的色澤、體形完整性、肉體潔凈、殘缺和損傷程度等的量化方法等,使得其成為可以具體操作的分級指標(biāo)。

下面是建設(shè)自動化生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)魚貨的全程自動化分揀與包裝的關(guān)鍵算法流程。首先,基于自動分類機(jī),實(shí)現(xiàn)魚貨的大小分類(圖2中裝置1);其次,針對每種分類,根據(jù)圖形圖像處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)魚的品質(zhì)甄別與分揀(圖2中裝置2);裝置1和裝置2通過輸送設(shè)備連接,裝置1處于輸送設(shè)備上游,裝置2處于輸送設(shè)備下游。

圖2 魚貨生產(chǎn)線中的魚貨大小分類品質(zhì)分揀Fig.2 Sorting quality of fish in fish production line

魚大小分揀裝置1包括第一錐形斗3(側(cè)壁從上而下設(shè)有寬度逐漸增大的條形篩孔),第二錐形斗4(側(cè)壁外表沿徑向方向設(shè)有接收從同一寬度條形篩孔掉落下的魚的環(huán)形槽,環(huán)形槽底板設(shè)有通孔,方便魚滑出),用于使第一錐形斗3旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動裝置和將魚導(dǎo)入第一錐形斗3的導(dǎo)流池5,導(dǎo)流池5有進(jìn)料口和出料口,第一電機(jī)6,旋轉(zhuǎn)軸7。魚品質(zhì)分揀裝置2包括：圖像采集設(shè)備攝像頭9,圖像采集處理設(shè)備單片機(jī)10,第二電機(jī)11,以及和電機(jī)11連接的撥輪12(撥輪12設(shè)有將用于將輸送設(shè)備上的魚分揀的彈性材料撥片12.1),傳送皮帶13,支撐架14。

智能分揀步驟如下：

1)啟動第一電機(jī)6,驅(qū)動旋轉(zhuǎn)第一錐形斗3;

2)將原料魚通過導(dǎo)流池5投進(jìn)第一錐形斗3中;

3)原料魚在第一錐形斗3內(nèi)在重力和離心力的作用下按大小不同分別從不同寬度的條形篩孔,各自掉進(jìn)環(huán)形槽4,從通孔掉到輸送皮帶13上;

4)經(jīng)大小分揀過的魚,經(jīng)過輸送皮帶13輸送到魚品質(zhì)分揀的圖像采集設(shè)備9,采集裝備通過對魚圖像進(jìn)行采集,把信息輸送到信息處理單元10,通過10對信息進(jìn)行處理;

5)信息處理單元10對采集圖像處理后,把信息處理結(jié)果反饋給魚品質(zhì)分揀執(zhí)行單元第二電機(jī)11,第二電機(jī)11響應(yīng)后啟動旋轉(zhuǎn)帶動撥輪12,對輸送皮帶上的魚進(jìn)行撥刮,把魚撥刮到相應(yīng)的輸送皮帶13上,魚輸送到下一個工序。

接下來,將精細(xì)化分類的魚貨進(jìn)行包裝、身份標(biāo)示和追溯數(shù)據(jù)的對接。項(xiàng)目實(shí)施將從大黃魚、魷魚的智能分揀與自動包裝生產(chǎn)線的建設(shè)開始,并逐步推廣到其它海產(chǎn)魚類,并根據(jù)項(xiàng)目成果推廣中不同的企業(yè)需求,開展可定制的技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化。

2.3 綠色海產(chǎn)流通與溯源物聯(lián)網(wǎng)

建立綠色海產(chǎn)品質(zhì)可追溯服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)示范體系,從遠(yuǎn)洋高端海產(chǎn)捕撈、加工、庫存、運(yùn)輸和銷售各個環(huán)節(jié),保障產(chǎn)品安全的全程信息追溯云服務(wù)示范體系,樹立高端海產(chǎn)品牌。以物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)為依托,主要采用條形碼、二維碼和RFID技術(shù)為標(biāo)識,并結(jié)合全球統(tǒng)一標(biāo)識系統(tǒng)和通用商務(wù)標(biāo)準(zhǔn)編碼體系,對海產(chǎn)品供應(yīng)鏈的每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行賦碼關(guān)聯(lián)標(biāo)識,對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行信息管理、傳遞和交換,設(shè)計從捕撈、養(yǎng)殖、加工、儲存、運(yùn)輸和銷售一體化的安全保障可追溯系統(tǒng),如圖3所示。

綠色海產(chǎn)品質(zhì)追溯服務(wù)示范體系的建立,將實(shí)現(xiàn)海產(chǎn)養(yǎng)殖、捕撈的“從海洋到餐桌”的全程信息追溯物聯(lián)網(wǎng)示范體系。追溯體系的建立,能夠有效地提升浙江海產(chǎn)品質(zhì)和信譽(yù),樹立一系列高端海產(chǎn)品牌,并最終為提高漁農(nóng)業(yè)收入和解決“三農(nóng)”問題提供有力支持。

2.4 精細(xì)養(yǎng)殖生產(chǎn)與安全流通大數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘

構(gòu)建海產(chǎn)品加工信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心,以及應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng),為海產(chǎn)加工技術(shù)的推廣應(yīng)用、品質(zhì)安全保障提供物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案,為海產(chǎn)品加工企業(yè)及有關(guān)的管理部門提供各類海產(chǎn)品加工的規(guī)模、數(shù)量、程度、技術(shù)、設(shè)備、原料等全面準(zhǔn)確的信息服務(wù),架設(shè)養(yǎng)殖捕撈業(yè)、加工業(yè)與市場之間的信息橋梁。建立遠(yuǎn)洋捕撈、精細(xì)養(yǎng)殖、海產(chǎn)交易等時空大數(shù)據(jù)平臺,開發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)方法,為綠色海產(chǎn)生產(chǎn)、儲運(yùn)、交易和流通提供全面服務(wù),并最終建立功能完備的海洋漁業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺。

圖3 精細(xì)養(yǎng)殖、生產(chǎn)與安全流通溯源平臺Fig.3 Fine breeding,production and safety circulation traceability platform

3 總結(jié)

本文研究綠色海產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)和海產(chǎn)安全流通的關(guān)鍵技術(shù)。從海產(chǎn)的養(yǎng)殖、捕撈、儲運(yùn)、交易、流通各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)入手;利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行綠色海產(chǎn)精細(xì)化養(yǎng)殖;抽取海產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)洋捕撈數(shù)據(jù)、智能生產(chǎn)、流通數(shù)據(jù),結(jié)合賦碼關(guān)聯(lián)技術(shù),進(jìn)而建立整個海產(chǎn)安全流通溯源體系;在智能化生產(chǎn)線上利用機(jī)器視覺完成海產(chǎn)大小分揀智能化分級,提高生產(chǎn)效率。最終建立海洋漁業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺,有利于全面延長海產(chǎn)養(yǎng)殖和遠(yuǎn)洋捕撈產(chǎn)業(yè)鏈、供給放心海產(chǎn)品;能全面提高海產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化水平和綜合效益;并成為“建設(shè)信息化和工業(yè)化深度融合國家示范區(qū)”的重要組成部分。

[1]浙江省人民政府.浙江省人民政府關(guān)于建設(shè)信息化和工業(yè)化深度融合國家示范區(qū)的實(shí)施意見[浙政發(fā)(2014)18號][Z].2014.

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