高倩倩，張宇雷，黃 達

（中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092）

在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，飼料投喂是主要工作之一，投飼技術(shù)的發(fā)展對提高產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率具有重要作用。早期人力成本相對較低，養(yǎng)殖業(yè)采用傳統(tǒng)粗放式的管理模式，主要依賴人工投喂，效率低。隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模增大，且人力成本也越來越高，人工投喂逐漸不能滿足生產(chǎn)需要。近幾年來，機械自動化學科逐步發(fā)展，自動化投飼機出現(xiàn)，不用人為干涉投飼工作，減少了養(yǎng)殖成本。大部分投飼機采用稱重計量、容積定量、定時下料等方式確定投飼量，投飼模式相對固定，只能按照設定好的數(shù)據(jù)機械地進行投飼，對水質(zhì)環(huán)境和魚的攝食狀態(tài)缺少必要的監(jiān)測與反饋，容易造成飼料的浪費及環(huán)境污染。為解決這些問題，智能化的投飼裝備出現(xiàn)。智能投飼技術(shù)是將傳感器、機器視覺、機器聲學、物聯(lián)網(wǎng)等智能化信息技術(shù)應用于投飼裝備，能夠根據(jù)養(yǎng)殖水質(zhì)、生物行為等按需投喂，提高飼料利用率，降低養(yǎng)殖成本，符合可持續(xù)發(fā)展理念，所以智能投飼技術(shù)的研究具有重要意義。

1 基于水質(zhì)參數(shù)的智能投飼技術(shù)

養(yǎng)殖水質(zhì)與魚群的生長發(fā)育息息相關(guān)，是投飼決策的重要依據(jù)之一。南京農(nóng)業(yè)大學針對池塘水質(zhì)易受氣候影響的問題，研發(fā)了一種基于模糊邏輯控制理論的魚塘養(yǎng)殖精準投飼系統(tǒng)[1]。該投飼系統(tǒng)包括水質(zhì)監(jiān)測、投喂決策控制、執(zhí)行三個部分（見圖1）。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)獲取水質(zhì)參數(shù)，將溶解氧和溫度作為模糊推理器的輸入量，目標投飼率作為輸出量，投喂決策控制系統(tǒng)根據(jù)制定的“IF-THEN”型模糊控制規(guī)則進行模糊決策輸出，轉(zhuǎn)化為電機的控制參數(shù)，執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)接收到的信息，控制電機的動作同時將信息反饋至單片機，判斷是否符合投飼要求，形成閉環(huán)控制。從草魚養(yǎng)殖魚塘性能試驗結(jié)果表明，在不影響魚群生長和產(chǎn)量的前提下，控制系統(tǒng)精度達90%以上，餌料系數(shù)降低了9.23%，提高了攝食效率和餌料利用率。和傳統(tǒng)的自動投飼裝備相比，該投飼裝備有更科學的投飼決策及穩(wěn)定的控制性能。同一種魚在不同時期的攝食量不同，而該技術(shù)是根據(jù)水體的溶解氧飽和度和溫度計算出理論目標投飼量，沒有考慮到魚群的生長情況等生理特征；該技術(shù)需實時反映水質(zhì)變化，對傳感器的要求較高，且控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性對投飼作業(yè)的效果影響很大。

圖1 基于水質(zhì)參數(shù)的精準投飼技術(shù)控制系統(tǒng)工作原理圖

2 基于機器視覺的智能投飼技術(shù)

基于計算機視覺的智能投飼技術(shù)主要原理是通過計算機視覺、圖像處理技術(shù)來監(jiān)測魚群行為、飼料殘余量等特征參數(shù)，并評估魚群的攝食強度，確定投飼量及投飼時間。

浙江大學寧波理工學院研發(fā)了一種基于機器視覺技術(shù)的智能投飼方法[2]，由于攝食魚群面積的變化和水花面積的變化具有一致性，當攝食魚群增加時，相應的水花變化更加劇烈。該技術(shù)利用機器視覺方法對投飼過程中拍攝的水面攝食圖像進行分析，通過函數(shù)擬合建立水花面積變化率和投飼量的計算模型（見圖2）。以鱸魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖為實驗對象，結(jié)果表明，該投飼方法與定時定量勻速下料的投飼方法相比，餌料利用率增加了約5%。由于該技術(shù)需要采集魚群攝食過程中激起的水花圖像，更適用于光照條件較好的場合。

圖2 基于機器視覺的智能投飼控制系統(tǒng)工作原理圖

江蘇大學研究了一種基于嵌入式機器視覺的浮餌自動投放裝置，利用圖像處理、圖像識別等技術(shù)，分析水面剩余浮餌量并計算出魚群當前攝食周期所需要的投飼量[3]（見圖3）。養(yǎng)殖對比實驗結(jié)果表明，在相同的養(yǎng)殖條件下，跟人工投飼相比，該浮餌自動投放裝置能夠投出更適量餌料量，使魚群生長更快，且餌料系數(shù)降低了0.05，降低了養(yǎng)殖成本，提高了經(jīng)濟效益。由于該技術(shù)是利用殘余浮餌量計算出所需投飼量，且浮餌的計數(shù)易受水面浮沫影響，更適用于能浮在水面的膨化型大顆粒飼料。

圖3 基于嵌入式機器視覺的浮餌自動投放裝置控制系統(tǒng)設計圖

中國科學技術(shù)大學研發(fā)了一種基于機器視覺的養(yǎng)殖魚群智能投飼系統(tǒng)[4]，利用視頻數(shù)據(jù)采集裝置獲取進食魚群的實時視頻信息，再經(jīng)過圖像處理，計算出目標魚群活躍區(qū)域的面積參數(shù)值（見圖4）。開始投飼后，目標魚群活躍區(qū)域的面積參數(shù)值增加，一段時間后，參數(shù)值趨于穩(wěn)定，取某一時間段的平均值作為本次投飼魚群面積參數(shù)最大值，當面積參數(shù)值下降至參數(shù)最大值的三分之一時，關(guān)閉投飼機，停止投飼。由于該技術(shù)是利用魚群活躍面積參數(shù)值控制投飼機的啟停，而圖像采集裝置易受水面反光、背景物體、水面漂浮物、魚群重疊等影響，更適用于養(yǎng)殖面積較小、外界干擾少的養(yǎng)殖環(huán)境，且魚群攝食時較為集中的浮動進食的魚種。

圖4 利用視頻數(shù)據(jù)采集裝置的智能投飼系統(tǒng)示意圖

3 基于機器聲學的智能投飼技術(shù)

基于機器聲學的投飼技術(shù)主要有兩種原理，一是利用攝食聲音強度獲得魚群的食欲信息來控制投飼機；二是利用聲吶探測剩余飼料量來分析魚的攝食欲望，確定下一次的投飼量。

研究表明，魚群在攝食活動中會發(fā)出特定頻率的聲音，攝食聲音頻率與背景噪聲有明顯區(qū)別，可以用來反映魚群的饑餓程度。廣東海洋大學設計了一種基于攝食聲學的投飼系統(tǒng)[5]（見圖5）。以深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的羅非魚為實驗對象，結(jié)果表明羅非魚攝食時發(fā)出的聲音范圍在0～6 000 Hz，能夠與背景噪音區(qū)分，聲功率與攝食活力呈正相關(guān)。當聲音頻率范圍在0～6 000 Hz的聲信號積分數(shù)值與0～10 000 Hz 的聲信號積分數(shù)值的比值大于0.9 時，羅非魚群當前處于吃飽狀態(tài)，單片機發(fā)出指令使投飼工作結(jié)束。否則，魚群處于未吃飽狀態(tài)。

圖5 基于攝食聲學的投飼裝置控制系統(tǒng)工作原理圖

中國科學院聲學研究所東海研究站提出一種采用回聲探測的方法進行殘餌監(jiān)控[6]，該投飼裝備（見圖6）在網(wǎng)箱底部安裝一套回聲探測聲吶，投飼系統(tǒng)啟動后，該聲吶向網(wǎng)箱底部區(qū)域發(fā)射聲波，聲波在傳輸過程中，遇到滲透到網(wǎng)箱底部的飼料產(chǎn)生回波并被回聲探測聲吶接收，分析接收到的回波信號得到飼料滲透量，判斷是否需要繼續(xù)投飼以及確定當前投飼量，并產(chǎn)生一個信號反饋到投飼控制系統(tǒng)，控制投飼閥的動作，維持過剩的飼料在預設量。網(wǎng)箱養(yǎng)殖中的實驗結(jié)果表明，該方案能夠較精確地滿足養(yǎng)殖對象在不同養(yǎng)殖環(huán)境下的飼料量需求，減少了飼料的浪費，降低成本。該技術(shù)不需要考慮魚的種類、生活習性等，適用于大多數(shù)養(yǎng)殖品種，在渾濁的水體環(huán)境中也能正常使用。聲波在水中傳播時會發(fā)生反射現(xiàn)象，該技術(shù)更適用于大面積的網(wǎng)箱養(yǎng)殖；利用殘余飼料量作為決策對象，該技術(shù)更適用于密度較大且不易溶于水的飼料。

圖6 聲學方法投飼監(jiān)控方案示意圖

4 基于圖像和聲音信息結(jié)合的智能投飼技術(shù)

將聲學監(jiān)測方法和機器視覺方法結(jié)合起來，采集并分析影響魚群攝食行為的多個參數(shù)，通過對多個參數(shù)的融合計算，為投飼設備的控制提供更精準有效的反饋信息。寧波大學研究了一種基于圖像與聲音信息的養(yǎng)殖魚群攝食規(guī)律及投飼策略[7]，通過聲音和視覺傳感器收集特征參數(shù)值，包括魚群的密集度、魚群的數(shù)目、魚群面積及魚群的攝食聲功率。通過多源信息融合算法對特征參數(shù)值進行關(guān)聯(lián)，采用模糊集理論方法決策出投飼量和投飼速度（見圖7）。以循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)為實驗平臺，搭建投飼系統(tǒng)，多信息融合方法能夠?qū)崿F(xiàn)精準投飼。由于采用多信息融合方法，需要采集較多的參數(shù)信息，才能使得投飼更加精準，更加智能化。

圖7 基于圖像和聲音信息結(jié)合的智能投飼裝置控制原理圖

5 展望

信息時代到來，智能化的投飼機逐步發(fā)展，和自動投飼相比，智能投飼裝備將人類的養(yǎng)殖經(jīng)驗融入智能投飼控制系統(tǒng)中。我國的智能投飼控制系統(tǒng)主要著力點在于根據(jù)魚群的生長需求靈活確定投飼量，目的是為了降低投飼成本，減少人力資源的浪費，目前大部分還處于探索研究階段，沒有真正投入產(chǎn)業(yè)應用中。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等學科的不斷發(fā)展，智能化投飼設備的研發(fā)將成為未來的熱點方向。