魏仁杰 ，陳成明 ，苑曉聰 ，姜子昂

（上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

漁業(yè)經(jīng)濟(jì)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，深受國家的重視，助力漁業(yè)養(yǎng)殖的機(jī)械產(chǎn)品也在不斷更新與發(fā)展。近年來，隨著大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，“三農(nóng)”產(chǎn)業(yè)發(fā)展也越來越趨于智能化。國家大力推行強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)政策，王天辰認(rèn)為農(nóng)業(yè)機(jī)械正在不斷更新?lián)Q代和推廣，并在助力“三農(nóng)”經(jīng)濟(jì)方面發(fā)揮了重要作用[1]。王家強(qiáng)認(rèn)為農(nóng)業(yè)機(jī)械對國民經(jīng)濟(jì)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要乘數(shù)作用[2]。孟祥寶等基于無人船設(shè)計了一種智能化在線監(jiān)控設(shè)備，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)信息管理等技術(shù)，極大地改善了水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中自動監(jiān)控的智能化程度[3]。同時在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水域環(huán)境發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。李瑜梅提出餌料投喂技術(shù)是養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中的重要組成部分，直接影響著養(yǎng)殖對象的產(chǎn)量和質(zhì)量的提升，為了實現(xiàn)“減量、增收、提質(zhì)”的目的，要綜合考慮多方面的因素，并對餌料投喂技術(shù)進(jìn)行智能化改進(jìn)[4]。蘇毅提出了水質(zhì)條件在水產(chǎn)養(yǎng)殖中發(fā)揮了不可替代的作用，及時監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中的各種水質(zhì)環(huán)境參數(shù)十分有必要[5]。申曉寧等提出了一款用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的無人船系統(tǒng)，為養(yǎng)殖業(yè)和水產(chǎn)科研方面提供了大量參考信息，可以實現(xiàn)對養(yǎng)殖環(huán)境的實時監(jiān)控[6]。

現(xiàn)階段，機(jī)器人智能化與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)有著密切聯(lián)系，人機(jī)交互設(shè)計研究不斷推進(jìn)[7-9]。目前，有關(guān)學(xué)者通過FAST 分析法進(jìn)行了相關(guān)的需求分析，并對應(yīng)地進(jìn)行了功能設(shè)計。吳曉莉等通過FAST 分析法創(chuàng)新實現(xiàn)了對于兒童自行車的功能整合，在一定程度上驗證了FAST 在產(chǎn)品功能設(shè)計上的高效性[10]。劉小雯等針對自閉癥兒童進(jìn)行需求分析，通過整合，最終構(gòu)建了平衡車的功能系統(tǒng)[11]。由上述文獻(xiàn)可知，農(nóng)業(yè)機(jī)械隨著科技的發(fā)展逐漸向多功能化、智能化等方向發(fā)展，不斷助力“三農(nóng)”。目前，國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖方面缺乏相關(guān)水下投餌機(jī)器人的研究，現(xiàn)有的投餌機(jī)械主要集中于水上自動化投餌，但根據(jù)經(jīng)驗判斷投餌量以及餌料的不定向移動容易造成資源浪費和環(huán)境污染。故采用FAST 分析法和試驗法，針對當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)背景水產(chǎn)養(yǎng)殖提出了立體監(jiān)控智能化水下投餌機(jī)器人的設(shè)計，通過人機(jī)協(xié)同試驗[12]，系統(tǒng)性地研究人機(jī)協(xié)同方式[13]，通過地面基站實時反饋信息，為水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)和智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計提供了新思路。

1 FAST分析方法

FAST 分析法是一種被廣泛運用于產(chǎn)品功能設(shè)計的功能分析系統(tǒng)技術(shù)法。功能分析系統(tǒng)技術(shù)（Functional Analysis System Technology, FAST）可以將功能需求分析自上而下并逐層分解到子功能模塊，可以有效實現(xiàn)對于產(chǎn)品功能的設(shè)計[14]，不同功能具有各自的優(yōu)先級，并且按照優(yōu)先級進(jìn)行排序，進(jìn)而檢驗各功能之間的相互關(guān)系[15]。設(shè)計智能化水下投餌機(jī)器人時，需要綜合分析考慮用戶的需求和產(chǎn)品功能，明確各功能之間的邏輯關(guān)系，設(shè)計出適用于養(yǎng)殖戶要求的產(chǎn)品。

2 智能化水下投餌機(jī)器人系統(tǒng)功能建立

2.1 用戶需求分析

通過對目標(biāo)用戶（國內(nèi)淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖戶）的工作方式和工作環(huán)境的調(diào)查和分析，綜合考慮水下投餌機(jī)器人的功能性、安全性、舒適性和環(huán)保性，將其產(chǎn)品需求進(jìn)行匯總并分類，并指明設(shè)計指標(biāo)，將產(chǎn)品設(shè)計的重要度進(jìn)行排列（1～10級，10最高），具體如表1所示。

表1 各指標(biāo)需求及重要度排序

2.2 黑箱模型

根據(jù)用戶的產(chǎn)品需求重要度，將投餌定位定量、安全防護(hù)、結(jié)實耐用及生態(tài)保護(hù)作為關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)代入投餌機(jī)器人中。在該過程中，以參考指標(biāo)為基礎(chǔ)基本信息進(jìn)行輸入，輸出二者的相互轉(zhuǎn)化。黑箱模型包含3個與投餌機(jī)器人相關(guān)的物質(zhì)、能量和信息輸入與輸出，先對功能需求進(jìn)行分析，再通過黑箱模型了解產(chǎn)品的主要功能。水下投餌機(jī)器人黑箱模型如圖1所示。

圖1 水下投餌機(jī)器人黑箱模型

從圖1 中可發(fā)現(xiàn)，將用戶對投餌機(jī)器人的需求轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的功能輸出，黑箱模型左側(cè)為用戶對投餌機(jī)器人的需求，通過中間的黑箱模型轉(zhuǎn)化為右側(cè)設(shè)計中的相關(guān)技術(shù)設(shè)計。根據(jù)功能設(shè)計輸出，設(shè)計應(yīng)側(cè)重于產(chǎn)品的功能整合、智能化程度與安全環(huán)保。

2.3 FAST功能樹

黑箱模型作為一種基本的構(gòu)造方法，通過對用戶的需求進(jìn)行分析匯總，并確定相適應(yīng)的產(chǎn)品功能，其中以功能整合、智能化程度、環(huán)保安全性作為投餌機(jī)器人的關(guān)鍵要素，創(chuàng)建了水下投餌機(jī)器人的FAST 功能樹，如圖2所示。

圖2 水下投餌機(jī)器人的FAST 功能樹

將智能化投喂作為產(chǎn)品的基本功能，將其放于功能樹的第1 行第1 列。因安全防護(hù)系統(tǒng)決定了水下投餌機(jī)器人的安全性因素，因而作為次級功能，放置于第1 行第2 列。人機(jī)操作相關(guān)功能的設(shè)計直接關(guān)乎用戶操作的舒適性，置于第1 行第3 列。將美觀性置于第1行第4列，作為設(shè)計理念補(bǔ)充到后續(xù)設(shè)計中。

3 設(shè)計案例

3.1 工作原理

無人航行器系統(tǒng)集自主航行、自動避障、圖像采集與檢測、水質(zhì)監(jiān)測、自動投喂餌料、遠(yuǎn)程操控等功能于一體，分為下位機(jī)（航行器機(jī)體）和上位機(jī)（客戶端）兩大部分，系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框架

3.2 功能分析

3.2.1 投餌方式智能化

對于投飼頻率及投飼量的控制，以水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)作為信號傳達(dá)至控制端對投飼進(jìn)行控制。系統(tǒng)搭載pH 測定儀監(jiān)控水質(zhì)，依據(jù)水質(zhì)中餌料離子所含濃度、餌料流量等條件，再結(jié)合投喂量預(yù)測模型，按需定量精準(zhǔn)投飼。此外，通過搭載紅外傳感器觀察水中生物發(fā)熱特征，檢測水養(yǎng)生物生長情況和體質(zhì)特征，使養(yǎng)殖人員及時發(fā)現(xiàn)不健康養(yǎng)殖對象，在一定程度上起到預(yù)警、輔助養(yǎng)殖作用。

3.2.2 水下避障自主化

水下養(yǎng)殖環(huán)境中包含其他養(yǎng)殖設(shè)施、自然障礙以及養(yǎng)殖生物等障礙物，在巡航過程的避障性能方面，本產(chǎn)品搭載紅外傳感器，并改進(jìn)了相應(yīng)算法，實現(xiàn)了精準(zhǔn)避障。此外，本產(chǎn)品改進(jìn)了PID 速度控制算法，進(jìn)行了水下航行器相關(guān)的速度調(diào)整，保證了航行器的穩(wěn)定運行以及輔助避障功能的穩(wěn)定實現(xiàn)。

3.2.3 生態(tài)效益友好化

有機(jī)物的富集會造成嚴(yán)重的水體污染，同時在水產(chǎn)養(yǎng)殖中過量飼料往往難以處理，且養(yǎng)殖人員難以精準(zhǔn)判斷飼料的準(zhǔn)確用量。本產(chǎn)品通過對投飼量的精準(zhǔn)把控可以較好地解決此類水體污染問題，并且在大規(guī)模使用后，可以實現(xiàn)對飼料及其原生產(chǎn)資源的有效節(jié)約。

3.3 結(jié)構(gòu)分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖4所示，產(chǎn)品模型如圖5所示。水下航行器殼體框架1 和螺旋槳推進(jìn)器5 組成了水下航行器平臺，搭載監(jiān)測裝置2、控制裝置4 和投餌箱3。螺旋槳推進(jìn)器5中，4個推進(jìn)器都能夠改變推進(jìn)器的推力方向，實現(xiàn)運動姿態(tài)的調(diào)整，通過調(diào)整推進(jìn)器的推力方向能夠?qū)崿F(xiàn)在水面之下高速穩(wěn)定行駛的目標(biāo)。本產(chǎn)品以現(xiàn)有的四旋翼為載體，對其功能進(jìn)行優(yōu)化，使其具有模塊化的功能以及較好的操縱性能和機(jī)動性能。

圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

圖5 產(chǎn)品模型圖

控制裝置4，實現(xiàn)整個航行器各模塊之間的配合，采用4 G+WiFi 雙鏈路通信模式進(jìn)行下位機(jī)與上位機(jī)之間的信息傳輸與交互。監(jiān)測裝置2 為搭載CTD 溫鹽深儀和pH 測定儀的平臺。搭載pH 測定儀用于監(jiān)控水質(zhì)，依據(jù)水質(zhì)中餌料離子所含濃度、餌料流量等條件，結(jié)合投喂量預(yù)測模型，按需定量精準(zhǔn)投飼（投藥）；搭載CTD 溫鹽深儀智能化感溫感深，用于測量不同水域環(huán)境下不同水層或深度的水體水溫鹽度、氧含量等數(shù)據(jù)。投餌箱3，根據(jù)監(jiān)測裝置2 發(fā)送的水樣生物養(yǎng)殖參數(shù)和環(huán)境信息（包括含氧量、pH值等）參數(shù)，結(jié)合知識庫中知識，推理出餌料配方、投喂建議和投喂量。設(shè)計投喂量預(yù)測模型，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合水養(yǎng)生物的體態(tài)特征（包括放養(yǎng)時間、放養(yǎng)規(guī)格、自身重量）、水質(zhì)環(huán)境和投喂率，預(yù)測餌料投喂量，并精準(zhǔn)定位、定量投喂。

3.4 智能化投喂模型

在集約化的水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，魚類的投喂水平直接影響到養(yǎng)殖的成本與效率。為解決投喂量不合理、餌料浪費嚴(yán)重等問題，針對集約化飼養(yǎng)模式具有的餌料需求量大、餌料種類多等特點，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立投喂量預(yù)測模型，將魚塘溫度、pH 值、含氧量、放養(yǎng)密度、放養(yǎng)規(guī)格、放養(yǎng)時間差、當(dāng)前魚類總重量作為輸入變量，投喂量作為輸出變量，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行預(yù)測，建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)投喂預(yù)測模型，實現(xiàn)餌料投喂量的動態(tài)預(yù)測，精準(zhǔn)投喂，達(dá)到科學(xué)養(yǎng)殖、健康養(yǎng)殖的目的。

3.4.1 試驗系統(tǒng)

以鯉魚為試驗對象，在養(yǎng)殖池進(jìn)行試驗。試驗環(huán)境與正常進(jìn)行魚類養(yǎng)殖時的環(huán)境完全相同，以保證數(shù)據(jù)的真實性、普適性，本試驗中投喂的餌料為霧化餌料。

3.4.2 模型構(gòu)建

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層和輸出層，可以按照誤差逆向傳播算法進(jìn)行訓(xùn)練。根據(jù)養(yǎng)殖戶多年的經(jīng)驗，投喂前需要綜合考慮魚塘中的鯉魚總重量及魚塘環(huán)境。其中，鯉魚總重量與放養(yǎng)密度、放養(yǎng)規(guī)格、放養(yǎng)時間差直接相關(guān)，而魚塘環(huán)境主要包括水域溫度、水質(zhì)pH 值、含氧量等因素。因此，將以上指標(biāo)作為輸入量，以投喂量作為輸出量，提出了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合魚類的生長總質(zhì)量、放養(yǎng)規(guī)格與密度和水質(zhì)條件等因素獲得投喂量的方法。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，確定誤差代價函數(shù)，對模型進(jìn)行訓(xùn)練，記錄每次訓(xùn)練樣本的誤差。該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過43 輪重復(fù)訓(xùn)練后達(dá)到期望誤差。選取7 組測試樣本送入模型測試，投喂預(yù)測模型如圖7 所示。將預(yù)測到的投喂量與真實結(jié)果進(jìn)行對比，二者較為接近，誤差小于30%。

圖7 投喂預(yù)測模型

3.5 人機(jī)交互單元設(shè)計

開發(fā)基于數(shù)據(jù)可視化的智能水下投餌機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，憑借虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的交互性、沉浸性、想象性，可以為岸基控制中心端展示一個相對真實的航行器航向場景變化狀況，同時將經(jīng)緯度等指標(biāo)的變化進(jìn)行直觀顯示，對于投餌模塊，能夠?qū)崟r監(jiān)測水質(zhì)信息，并直觀顯現(xiàn)投喂預(yù)測模型和剩余餌料量等信息。人機(jī)交互界面示意圖如圖8所示。

圖8 人機(jī)交互界面示意圖

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)時代，水產(chǎn)養(yǎng)殖方式不斷更新迭代，多功能的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械不斷涌現(xiàn)。本文基于FAST 分析法對淡水養(yǎng)殖戶的需求進(jìn)行了分析，并構(gòu)建了相關(guān)的功能系統(tǒng)，通過試驗法，分析了投喂模型定量投喂的真實程度。研究結(jié)果表明，該產(chǎn)品配合智能化投喂模型可實現(xiàn)定量投喂，在一定程度上有助于改善養(yǎng)殖環(huán)境。設(shè)計基于FAST 的智能化水下投餌機(jī)器人對智能化水下養(yǎng)殖機(jī)械和環(huán)境友好型水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)具有一定的研究價值，但該產(chǎn)品目前僅適用于霧化餌料投喂，在普及方面還存在一定的局限。