趙思琪，丁為民，張建凱

（南京農(nóng)業(yè)大學工學院/江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031）

水產(chǎn)養(yǎng)殖是世界范圍的重要經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，不僅為人們帶來就業(yè)、收入和高質(zhì)量動物蛋白，同時為確保世界糧食安全做出重要貢獻。隨著高密度大規(guī)模養(yǎng)殖模式的發(fā)展，配方飼料已成為養(yǎng)殖過程中最主要的營養(yǎng)來源和成本開支，約占總養(yǎng)殖成本的65%以上[1-2]。然而目前魚塘投飼模式仍以傳統(tǒng)粗放式的作業(yè)形式為主，所帶來的生產(chǎn)效率低、環(huán)境壓力大和養(yǎng)殖風險高的問題日益嚴重，設施、裝備和技術(shù)的不配套嚴重制約國內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[3-4]。因此，開發(fā)一種實用、高效、低成本的魚塘水產(chǎn)養(yǎng)殖精準投喂系統(tǒng)，對提高我國水產(chǎn)養(yǎng)殖設備自動化、智能化水平，促進水產(chǎn)養(yǎng)殖效益和環(huán)境效益的可持續(xù)發(fā)展均具有重要意義。

近年來，隨著對魚類生理學、行為學的認識不斷加深，以及自動化和智能化技術(shù)的發(fā)展，研制可根據(jù)魚的實際攝食需求提供合適飼料量的自動投飼系統(tǒng)已成為重要的研究方向。國外較早開展有關(guān)精準投飼的研究與應用[5-8]，通過監(jiān)測殘餌量、攝食行為、水質(zhì)參數(shù)等來確定和調(diào)整餌料供給量，并已在商業(yè)農(nóng)場或室內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)殖中得到一定應用[9-10]。國內(nèi)在這一方面研究較晚，目前主要集中在投飼設備設計改進[11-12]、魚類攝食節(jié)律分析[13]、監(jiān)測設備開發(fā)[14]等方面的研究，而對智能化、集成化的精準投飼技術(shù)研究較少。因魚塘養(yǎng)殖系統(tǒng)是一個動態(tài)的、開放式的系統(tǒng)，影響魚類攝食的因素很多，已有研究表明水質(zhì)參數(shù)中溶解氧飽和度和溫度是影響魚類攝食效率和同化作用的關(guān)鍵因素[3,6,8]，該研究結(jié)果為精準投飼系統(tǒng)的設計提供理論基礎(chǔ)。

魚塘養(yǎng)殖系統(tǒng)作為一種非線性的生物系統(tǒng)，難以建立有效、精確的投飼控制數(shù)學模型，而模糊邏輯推理技術(shù)作為一種適用于非線性、時變和滯后系統(tǒng)的控制，以規(guī)則推理為核心，具有工作穩(wěn)定、魯棒性強等特點[15-16]，適合解決復雜水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的非線性投飼控制問題，該技術(shù)為精準投飼系統(tǒng)的設計提供技術(shù)支持。因此，本文針對我國水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼模式粗放，投飼設備自動化、智能化水平低的現(xiàn)狀，以池塘草魚養(yǎng)殖為研究對象，遵循精準農(nóng)業(yè)和動物福利養(yǎng)殖的原則，結(jié)合模糊邏輯推理技術(shù)優(yōu)勢，設計了一種基于模糊邏輯控制的魚塘養(yǎng)殖精準投飼系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先利用水質(zhì)監(jiān)測模塊獲取投飼區(qū)養(yǎng)殖水體溫度和溶解氧飽和度參數(shù)，通過串口模塊將該數(shù)據(jù)傳輸至控制器，依托模糊邏輯推理決策模型計算出目標投飼量，控制器根據(jù)決策信息通過模塊子程序驅(qū)動步進電機自動調(diào)控供料開度，實現(xiàn)目標投料量的調(diào)節(jié)，最終達到精準按需投飼。同時，設計室內(nèi)性能試驗和池塘對比試驗來分析與驗證精準投飼系統(tǒng)的控制性能、決策性能和作業(yè)效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

為實現(xiàn)魚塘養(yǎng)殖投飼精準化管理，結(jié)合模糊邏輯控制技術(shù)構(gòu)建魚塘養(yǎng)殖精準投飼系統(tǒng)，主要包括溶解氧溫度集成傳感器、A/D采樣模塊、核心控制器、驅(qū)動模塊、PC機、供料調(diào)節(jié)組件、傾角測量模塊、葉輪增氧模塊、拋料裝置等部件組成（圖1）。

圖1 精準投飼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of precision feeding system

精準投喂系統(tǒng)工作原理如下：首先，通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)獲取投飼區(qū)水體當前溶解氧飽和度（DO）和溫度（T）信息，將獲得的數(shù)據(jù)通過串行接口經(jīng)有線串口模塊傳輸至核心控制器（G8F927型單片機）。接著，核心控制器運行精準投喂決策系統(tǒng)，執(zhí)行精準投喂控制程序，實現(xiàn)精準投喂作業(yè)信息（目標投喂量、開度角、投喂時間等）采集、顯示和儲存，同時決策系統(tǒng)根據(jù)決策模型計算生成目標投喂量，并將決策信息通過串口模塊輸送給控制器，控制器通過RS232串口驅(qū)動步進電機在線調(diào)整投飼機供料斗開度，調(diào)節(jié)飼料流量，傾角傳感器安裝在供料斗底部實時監(jiān)測供料開度，并將信息反饋至控制器，判斷是否符合調(diào)控要求，如未符合則繼續(xù)調(diào)整開度，形成閉環(huán)反饋控制，達到精準投喂的目標。然后增氧模塊和拋料裝置同時開啟，進行投喂作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設計

2.1 供料調(diào)節(jié)機構(gòu)設計

供料調(diào)節(jié)機構(gòu)作為精準投飼的關(guān)鍵部件之一，其主要由步進電機、齒輪齒條結(jié)構(gòu)、料斗、振動電機、凸輪機構(gòu)、傾角傳感器等零部件構(gòu)成（圖2）。根據(jù)控制器決策的目標投飼量信息，由驅(qū)動模塊使步進電機轉(zhuǎn)動以驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)調(diào)節(jié)料斗開度角（β），從而控制供料口下料速度，調(diào)節(jié)投料量。為減少裝料次數(shù)，設計料箱容量500 kg斗式料箱；同時，為防止餌料堵塞，提高飼料顆粒流動性，選擇振動式供料方式。振動電機選擇YDK-60-4型單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機，輸入電壓220 V，額定功率16 W，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min，額定轉(zhuǎn)矩3 N·m，帶動小型凸輪機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，通過連接滑桿帶動料斗振動，實現(xiàn)下料工作。57HBP76AL4型步進電機，額定電流3 A，靜轉(zhuǎn)矩1.5 N·m，步距角1.8°，與齒輪齒條結(jié)構(gòu)相連，通過正反旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)料斗開度角。ZCT1XXJNPS-A型單軸傾角傳感器，量程0°～90°，精度為0.1°，4～20 mA模擬電流輸出，用于監(jiān)測開度角，反饋至核心控制器，防止過量調(diào)節(jié)。

圖2 供料調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of feed quantity regulating mechanism

根據(jù)供料調(diào)節(jié)機構(gòu)工作原理，可將其運動簡化為曲柄連桿機構(gòu)，建立坐標系（圖3）。圖中l(wèi)為偏心距（200 mm），h為齒條滑塊行程（mm），β為料斗開度角（°）。由運動分析圖可知，齒條滑動行程（h）為：

所需步進電機步進數(shù)（n1）滿足：

式中：λ為步距角；d為驅(qū)動齒輪分度圓直徑。

2.2 監(jiān)測和控制系統(tǒng)設計

圖3 供料調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of feed quantity regulating mechanism

2.2.1 溶解氧溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計 精準投飼系統(tǒng)根據(jù)集成傳感器采集的魚塘投飼區(qū)溶解氧飽和度和水溫信息進行投料決策。溶解氧溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由3個溶解氧溫度集成傳感器、1個信號協(xié)調(diào)器、傳感器信號調(diào)理電路模塊、16位A/D（型號：AD7705)采樣電路模塊和處理器模塊組成，以完成信號的采集、傳輸和處理。3個傳感器相互間隔120°均布在以投飼機為中心的16 m圓周上（實測投飼機作業(yè)半徑為22 m），安置在水下深度0.5 m[17]，以保證測量結(jié)果可以準確反應投飼區(qū)溶解氧和溫度信息，同時減少外界環(huán)境干擾。溶解氧溫度集成傳感器選為丹麥歐式卡OxyGuard，測量溶解氧濃度范圍為0～20 mg/L，溶解氧飽和度范圍0～200%，溫度范圍-5～+45 ℃，響應時間＜20 s，輸出電壓信號0～30 mV。因水體溶解氧和溫度變化存在較大慣性系數(shù)，故選擇投飼開始前3分鐘內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測樣本數(shù)據(jù)均值作為系統(tǒng)輸入量，采樣頻率設定為0.05 Hz。

2.2.2 精準投飼控制系統(tǒng)硬件設計 精準投飼控制系統(tǒng)是精準投飼系統(tǒng)的核心部分，主要完成傳感器信息采集、傳輸和處理，投飼相關(guān)作業(yè)參數(shù)的顯示和保存等工作。控制系統(tǒng)硬件組成，主要包括傳感器模塊、A/D采樣模塊、核心控制器模塊、電源模塊、驅(qū)動器模塊、通訊模塊和人機交互模塊等（圖4）。傳感器模塊主要包括水質(zhì)傳感器和傾角傳感器兩個部分，水質(zhì)傳感器用以監(jiān)測獲取投飼區(qū)水體當前溶解氧飽和度和溫度信息；傾角傳感器用以監(jiān)測供料開度信息，并通過有線串口模塊將數(shù)據(jù)輸送至控制器。核心控制器選用G8F927型單片機作為主控制芯片，用于接受通過串行接口傳輸?shù)乃|(zhì)參數(shù)信息、開度信息并進行解析決策，完成對驅(qū)動器、步進電動機等的控制以及各傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和處理。用戶可以通過RS232通訊模塊對投飼作業(yè)相關(guān)參數(shù)進行讀取和訪問。電源模塊選用MS—100—24型24 V獨立電源為驅(qū)動模塊、傾角傳感器模塊獨立供電；人機交互模塊選用Windows 7操作系統(tǒng)Thinkpad E570主機，使用者可以清晰、直觀的了解當前作業(yè)信息、水質(zhì)信息，并可通過按鍵向控制器發(fā)送指令、參數(shù)設置、查詢歷史記錄等操作。同時，設置GSM/GPRS無限通訊模塊，選用華為MG323—BGSM LCC系列，用戶可以遠程查詢、接受控制器相關(guān)作業(yè)信息和設置參數(shù)，同時可及時接受停電、機器故障等突發(fā)報警信息。

圖4 精準投飼系統(tǒng)控制框圖Fig. 4 Block diagram of control system for precise feeding

2.2.3 精準投飼控制系統(tǒng)軟件設計 控制系統(tǒng)采用C語言在keil4開發(fā)環(huán)境下進行編寫、調(diào)試，由主程序調(diào)用相應功能的模塊子程序通過驅(qū)動模塊實現(xiàn)整個精準投飼過程（圖5）。投飼系統(tǒng)啟動后，溶解氧溫度監(jiān)測子程序被調(diào)用獲取當前投飼區(qū)水質(zhì)參數(shù)信息，根據(jù)決策模型確定所需目標投飼量，主程序根據(jù)所需目標投飼量調(diào)用步進電機驅(qū)動模塊子程序，控制步進電機調(diào)節(jié)供料開度，開度調(diào)節(jié)判斷模塊根據(jù)反饋的開度信息，判斷是否達到調(diào)節(jié)要求，若未符合則繼續(xù)調(diào)整開度。開度調(diào)節(jié)完成，投飼模塊和增氧模塊同時啟動，當前水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)、供料開度、目標投飼量等信息儲存至單片機內(nèi)并在人機交互界面顯示；投飼量判斷模塊通過測重法監(jiān)測是否完成目標投飼量，如未達到目標投飼量則繼續(xù)投飼和增氧工序。

2.3 控制策略

圖5 精準投飼控制系統(tǒng)流程圖Fig. 5 Flowchart of precise feeding control system

2.3.1 投飼決策輸出 精準投飼系統(tǒng)的最終控制輸出量為目標所需飼料量，而精準投飼的關(guān)鍵在于對供料開度的有效調(diào)節(jié)。如系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1所示，被控對象有電動機驅(qū)動器、步進電機、齒輪齒條和供料斗。其決策控制系統(tǒng)主要由模糊推理決策模塊和開度調(diào)節(jié)模塊兩個部分組成，分別包含一個模糊推理器和一個標準的PID控制器。首先將前端水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的輸出DO和T作為模糊推理器的語言輸入變量，目標投飼率（FP）作為語言輸出變量，系統(tǒng)根據(jù)制定的“IF-THEN”型模糊控制規(guī)則（表1）進行模糊決策輸出。規(guī)則庫的制定依據(jù)以相關(guān)專家對草魚及其他淡水魚類的養(yǎng)殖研究數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[5,18-27]，隸屬度函數(shù)選擇為三角分布函數(shù)，各變量隸屬度函數(shù)分布如圖6所示。輸入、輸出變量對應關(guān)系曲面圖（圖7）。然后由前端模糊推理器輸出量，結(jié)合實際載魚量和投飼時長等信息生成精準投飼機供料開度控制量序列，將序列中的投飼機開度控制量轉(zhuǎn)換為齒條滑塊行程（h）作為開度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中PID調(diào)節(jié)器的輸入信號（hin），Ut作為經(jīng)PID調(diào)節(jié)器輸出的開度控制量，hout為齒條滑塊實時的行程。經(jīng)傾角傳感器實時監(jiān)測供料斗開度角信息，將其轉(zhuǎn)化為齒條滑塊行程信息輸入至開度控制子系統(tǒng)，與前端模糊推理器輸出的目標控制行程結(jié)合經(jīng)PID調(diào)控輸出適當控制量來調(diào)整供料斗開度角，以達到對目標投飼量的有效控制。草魚生長預測模型采用改進的熱積溫系數(shù)模型[28-29]，其中理論目標投飼量（Mt）計算方法為：

表1 模糊推理器控制規(guī)則表Table 1 Rules table of output variables for fuzzy controller

圖6 輸入變量和輸出變量隸屬度函數(shù)Fig. 6 Membership functions of input variables and out variables

式中：Mt為目標投飼量（g）；ft為目標投飼率（%）；n為魚總數(shù)量；mi為第i天魚平均體質(zhì)量（g/條）；mo為魚平均初始質(zhì)量（g/條）；（1-b）為草魚體質(zhì)量系數(shù)；TGC為熱積溫系數(shù)；Ti為第i天水溫平均值（℃）；k為總養(yǎng)殖天數(shù)。

圖7 輸入、輸出變量對應關(guān)系曲面圖Fig. 7 Input-output variable relation surface graph

2.3.2 精準投飼系統(tǒng)控制仿真 在MATLAB R2014a /Simulink中構(gòu)建精準投飼控制系統(tǒng)仿真模型（圖8）。投飼機構(gòu)開度調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2和圖3所示，步進電機轉(zhuǎn)軸通過驅(qū)動齒輪齒條模塊帶動供料斗圍繞定點上下轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對供料開度的調(diào)節(jié)，因此實際工作只需有效調(diào)節(jié)齒條滑塊行程就可以達到調(diào)節(jié)供料開度和目標投飼量的目標，其中齒條滑塊行程（h）與開度角（β）相關(guān)關(guān)系為：

假設初始狀態(tài)為零，則步進電機輸出轉(zhuǎn)速（z）[30]為：

式中：k1為轉(zhuǎn)化系數(shù)；Ur為步進電機驅(qū)動器控制電壓（V）。

可建立齒條滑塊的運動學數(shù)學模型為：

式中：t為步進電機工作時間（s）；L為步進電機轉(zhuǎn)動一周所對應齒條行程（mm），為94.2 mm。實際工作中驅(qū)動模塊電壓（Ur）為24 V。

對公式（10）積分得：

式中：t0為步進電機延時，由電磁慣性和機械慣性決定。

對公式（11）進行拉氏變換可得開度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

經(jīng)實際測量，當驅(qū)動器控制電壓為24 V時，步進電機輸出轉(zhuǎn)速為14.1 r/min，電動機延時為0.01s。則由公式（11）和公式（12）得系統(tǒng)實際開度控制傳遞函數(shù)為：

圖8 精準投飼控制系統(tǒng)仿真圖Fig. 8 Simulation diagram of precise feeding control system

如圖8所示，給定初始溫度和溶解氧飽和度信號分別為20 ℃和70%，其中在第40 s給定溫度階躍信號為27 ℃和在第80 s給定溶解氧飽和度階躍信號為50%，仿真最終輸出信號為開度信息。開度控制仿真曲線如圖9所示，經(jīng)過整定的PID控制具有良好的開度控制性能，開度調(diào)節(jié)最大超調(diào)量為1.07%，穩(wěn)態(tài)誤差為1.01%，抗干擾性較強，可以滿足精準投飼的作業(yè)需求。

圖9 開度控制仿真曲線Fig. 9 Simulation curve of opening control

3 性能試驗方法

3.1 供料系統(tǒng)供料量標定試驗

為實現(xiàn)對目標投喂量的精準調(diào)控，需對供料斗不同開度角情況下供料量進行標定。因本精準投飼系統(tǒng)研究主要針對魚塘淡水養(yǎng)殖魚類，在此選擇安佑生物科技集團有限公司生產(chǎn)的3 mm柱形沉性顆粒魚用飼料，含水率12.5%，進行標定試驗。首先將料斗開度角設為 2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°等8個均分等級，標定時，料斗口放置塑料小盆，控制器設定供料時間為1分鐘，每個開度角下重復3次試驗，排量通過稱取盆中飼料質(zhì)量得到，3次試驗結(jié)果平均值作為對應開度角供料速度。

3.2 精準投飼系統(tǒng)控制性能試驗

試驗于2018年3月20日在南京農(nóng)業(yè)大學工學院智能化農(nóng)業(yè)裝備實驗室進行，用于測試精準投飼控制系統(tǒng)的調(diào)控精度。將溶解氧溫度集成傳感器和充氧泵放置在恒溫水浴箱內(nèi)（150×150×300 mm），用以監(jiān)測和模擬調(diào)控水質(zhì)環(huán)境參數(shù)。充氧泵選擇為AQ908A雙孔型，額定電壓220 V，氣量8 L/min。恒溫水浴箱選擇為力辰科技生產(chǎn)的HH-1型，加熱功率300 W，調(diào)控范圍為室溫～100 ℃。試驗時，用恒溫水浴箱和充氧泵調(diào)整水體溫度和溶解氧飽和度至試驗設定值，同時控制器內(nèi)部參數(shù)設置投飼時長為60分鐘，池塘養(yǎng)殖總魚質(zhì)量為20 t，然后經(jīng)供料決策模塊計算出相應的目標所需供料速度（kg/min），并由控制器控制步進電機驅(qū)動齒輪齒條運動以調(diào)節(jié)供料開度。設定每次供料定時為1分鐘，每種情況重復測量3次，供料量用塑料小盆在料斗出料口處獲取并稱重。

3.3 魚塘作業(yè)性能對比試驗

為評價精準投飼系統(tǒng)的魚塘作業(yè)性能，于2018年6月15日至2018年9月1日于南京市六合區(qū)長江農(nóng)場與傳統(tǒng)投飼模式進行對比試驗研究。選擇兩口毗鄰且規(guī)格一致（面積1.4 hm2，水深2～2.2 m）的草魚養(yǎng)殖魚塘，各塘為1萬條草魚量，每條草魚平均初始質(zhì)量為570.5 g。投飼機為STFZ-3000型氣動式投飼機（金湖小青青機電設備有限公司生產(chǎn)），在兩塘投飼區(qū)中央均配置2.2 kW葉輪式增氧模塊。每日投飼3次，為8:00—9:00 AM，12:30—13:30 PM，16:30—17:30 PM，同時記錄兩種投飼模式每次投飼量。投喂飼料選擇與室內(nèi)標定試驗一致的3 mm柱形顆粒魚用飼料（安佑生物科技集團有限公司）。同時，為保證試驗條件一致性，除投飼工序外，各塘日常管理措施保持一致。

在投飼區(qū)設置葉輪增氧模塊主要是為了促進投飼過程投飼區(qū)水體溶解氧飽和度穩(wěn)定，消除因溶解氧飽和度降低而對魚攝食效率及強度的影響。為研究精準投飼系統(tǒng)葉輪增氧模塊穩(wěn)氧效果，以溶解氧飽和度穩(wěn)定性變異系數(shù)（CV）為評價指標，依托水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)對投飼過程投飼區(qū)溶解氧飽和度進行監(jiān)測，設定總投飼時長為60分鐘，從投飼開始每隔1分鐘監(jiān)測保存1次當前水體溶解氧飽和度值，計算每次投飼過程內(nèi)投飼區(qū)溶解氧飽和度變異系數(shù)。

3.4 投飼決策性能檢驗

為評價傳統(tǒng)投飼模式和精準投飼模式對投飼決策性能的影響，采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（NS）和均方根誤差（RMSE）對不同投喂系統(tǒng)的決策性能進行評估，計算方法為：

式中：Qi為理論投飼量（kg）；Pi為實際投飼量（kg）；Qj為理論投飼量平均值（kg）；q為測試樣本量。NS越接近1和RMSE越接近0表示系統(tǒng)投飼決策性能越好。

3.5 魚生長取樣分析與參數(shù)計算方法

試驗起始和結(jié)束分別從試驗塘和對比塘中各隨機捕取90條魚，測量平均每條魚起始體質(zhì)量（W0）和平均每條魚最終體質(zhì)量（Wt）。同時，試驗期間對各個塘口總投飼量（F）進行統(tǒng)計。為對不同投飼系統(tǒng)進行長期的性能評價，以魚生長率（FGR）、特定生長率（SGR）和餌料系數(shù)（FCR）為指標，從對魚攝食生長及產(chǎn)量的影響進行對比研究，計算方法為：

式中：Wt為試驗結(jié)束時每條魚平均體質(zhì)量（g）；W0為試驗初始每條魚平均體質(zhì)量（g）；t1為總養(yǎng)殖時間（天）；F為總飼料消耗量（g）。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 供料系統(tǒng)供料量標定結(jié)果

不同開度角（β）和供料速度（v）相關(guān)關(guān)系見圖10，可得開度角與供料速度具有較強線性關(guān)系，R2為 0.9864。

圖10 供料速度與開度角關(guān)系Fig. 10 Relationship between feeding speed and opening angle

4.2 精準投飼系統(tǒng)控制性能分析

從精準投飼控制系統(tǒng)性能試驗結(jié)果可知，系統(tǒng)最大控制誤差為7.87%，最小控制誤差為5.04%，平均控制誤差為6.41%（表2），控制精度達90%以上，系統(tǒng)控制性能良好，可以滿足精準投飼作業(yè)的調(diào)控需求。

4.3 投飼區(qū)溶解氧飽和度穩(wěn)定性分析

從投飼區(qū)溶解氧飽和度穩(wěn)定性變異系數(shù)測量結(jié)果來看（圖11），變異系數(shù)最高值為6.85%，最低值為2.11%，平均值為4.37%，系統(tǒng)葉輪增氧模塊穩(wěn)氧效果良好，可以滿足投飼過程投水體穩(wěn)氧需求，以保證投飼過程魚群攝食強度不受溶解氧飽和度變化的影響。這主要因為葉輪增氧機具有良好的應急增氧效果，通過提水、攪拌和曝氣，有效促進上下水層以及周圍水層交替，從而促使投飼區(qū)水體溶解氧飽和度穩(wěn)定。

表2 精準投飼系統(tǒng)性能測試結(jié)果Table 2 Measuring results of precision feeding system

圖11 溶解氧飽和度穩(wěn)定性變異系數(shù)統(tǒng)計Fig. 11 Variation coefficient of dissolved oxygen saturability

4.4 投飼決策性能對比分析

精準投飼模式的投飼決策性能優(yōu)于傳統(tǒng)投飼模式，其中NS值由-0.772提高至0.903，RMSE同比降低19.671（圖12）。主要因為精準投飼系統(tǒng)考慮水質(zhì)參數(shù)（溶解氧飽和度和溫度）對魚攝食及同化作用的影響，可以根據(jù)水質(zhì)參數(shù)及時的對投飼量做出調(diào)整，以滿足魚群攝食需求。傳統(tǒng)模式投飼時，主要以經(jīng)驗式的投飼表或攝食行為觀察為依據(jù)，僅考慮魚體重和生長期，對投飼量做出定期調(diào)整，而忽略水質(zhì)參數(shù)對魚攝食的影響，往往高估魚群的攝食需求。

4.5 魚生長參數(shù)對比分析

兩種投飼系統(tǒng)下草魚生長性能指標統(tǒng)計，精準投飼系統(tǒng)與傳統(tǒng)投飼系統(tǒng)相比，魚最終體質(zhì)量、魚生長率和特定生長率均有一定提高（表3），但不存在顯著性差異（P＞0.05），表明精準投飼系統(tǒng)不僅不影響魚類攝食生長和產(chǎn)量，而且還一定程度優(yōu)化其生長參數(shù)。此外，精準投飼系統(tǒng)餌料系數(shù)相比傳統(tǒng)投飼模式，存在顯著差異性（P＜0.05），由平均1.95降低至1.77，降低約9.23%，表明所構(gòu)建精準投飼系統(tǒng)在不影響魚類生長和產(chǎn)量的情況下，有效提高了魚類攝食效率和飼料利用率，降低餌料系數(shù)，節(jié)約飼料成本，達到精準按需投飼的目的。主要原因傳統(tǒng)投飼模式僅考慮魚體重和生長期對投飼量的影響，往往高估魚群的攝食需求，造成大量飼料浪費沉入水底，不僅造成經(jīng)濟損失提高餌料系數(shù)，而且殘料分解產(chǎn)生一定有毒物質(zhì)引起水體污染，從而一定程度影響魚生長。研究結(jié)果中魚生產(chǎn)參數(shù)不存在顯著性差異，主要是因為養(yǎng)殖過程中漁民對兩個試驗塘水質(zhì)進行定期的生物、化學調(diào)節(jié)，確保水質(zhì)參數(shù)維持在草魚適應范圍之內(nèi)，同時該結(jié)果證明了精準投飼系統(tǒng)作業(yè)的可靠性。

圖12 不同投飼模式下投飼量理論值和實際值Fig. 12 Theoretical and prediction of feed amount in different feeding pattern

表3 不同投飼模式性能評價指標Table 3 Performance evaluation index of different feeding model

5 結(jié)論

本文探索魚塘水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼技術(shù)的新方式，設計了一種適合大面積池塘養(yǎng)殖環(huán)境的精準投飼系統(tǒng)。相比較傳統(tǒng)的投飼模式，有更好的投飼決策及控制性能，在不影響魚類生長和產(chǎn)量的前提下，餌料系數(shù)有效降低了9.23%。提高了餌料利用率，降低養(yǎng)殖成本，達到按需投飼的目的。

通過監(jiān)測魚塘水質(zhì)環(huán)境參數(shù)，應用模糊邏輯推理理論，從魚攝食需求強度角度出發(fā)，探討基于模糊邏輯控制的魚塘養(yǎng)殖精準投飼系統(tǒng)的設計思路和方法，為研制較好性能的智能化投飼設備和控制系統(tǒng)提供參考。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的準確性、投飼決策的科學性和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性對精準投飼作業(yè)的效果影響很大，為促進系統(tǒng)的精確投飼性能，需進一步優(yōu)化投飼策略和控制系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的實用性和可靠性。