吳菊華，程小燕，莫 贊

(廣東工業(yè)大學管理學院，廣東 廣州 510520)

0 引言

海洋漁業(yè)作為海洋經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分[1]，近年來，在國家一系列支撐海洋漁業(yè)發(fā)展的政策指導下，我國海洋漁業(yè)取得了顯著成就。隨著科學技術(shù)的進步，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖成為海洋漁業(yè)發(fā)展的重要方向[2－3]。雖然我國的漁業(yè)經(jīng)濟發(fā)展取得了顯著成就，但與歐美、日本、挪威等發(fā)達漁業(yè)國家相比，還存在很大的差距。我國的深海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)才剛剛起步，深海養(yǎng)殖技術(shù)還不十分成熟，養(yǎng)殖設(shè)施、設(shè)備還不能完全滿足養(yǎng)殖需要，養(yǎng)殖的信息化和現(xiàn)代化管理水平較低[4]。具體來說，我國漁業(yè)信息技術(shù)的研究和應用，尤其在深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)方面的信息化建設(shè)與發(fā)達漁業(yè)國家相比、與其他行業(yè)相比仍存在很大差距[3]，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的信息化水平不高。專門針對深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的信息服務平臺目前還很少;深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，沒有及時采集、存儲，更談不上及時傳輸、共享;水產(chǎn)品市場信息網(wǎng)絡(luò)不健全[5]，針對漁民需要的服務內(nèi)容太少。

(2)科研機構(gòu)先進的理論知識和實踐無法為深海養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶服務，導致高投入，低收益等諸多問題。

(3)養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶對于養(yǎng)殖知識的缺乏，無法制定科學的養(yǎng)殖決策，又造成巨大的生產(chǎn)風險。

(4)政府部門無法掌握網(wǎng)箱的投入和使用情況的第一手資料，無法及時有效地進行管理決策。

為了解決上述問題，基于深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖品種生長模型和投餌模型，設(shè)計開發(fā)了深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖管理系統(tǒng)。通過建立深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖管理系統(tǒng)，政府、科研機構(gòu)、養(yǎng)殖企業(yè)、養(yǎng)殖戶能享受有效、及時的數(shù)據(jù)流通和共享服務，實現(xiàn)各級資源和各類知識共享，提高各類用戶的工作效率，為我國開展深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖提供先進的信息服務支撐。

1 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖模型

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖受到網(wǎng)箱、投餌機以及海洋氣候條件等多方面因素的影響。通過采用實地調(diào)研、專家訪談以及開座談會等形式，咨詢中國水產(chǎn)科學研究院等相關(guān)單位中養(yǎng)殖平臺、養(yǎng)殖設(shè)施以及配套工程建設(shè)等相關(guān)專家，對養(yǎng)殖前期及養(yǎng)殖過程中所涉及的多種要素進行分析，在養(yǎng)殖品種生長模型的基礎(chǔ)上建立了投餌決策模型，為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的智能決策和精準控制提供理論依據(jù)。

1.1 養(yǎng)殖品種生長模型

Keys氏公式(W=aLb)[6]指出魚類的體重(W)和體長(L)之間是一種冪函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過水產(chǎn)科學研究院長期的觀察和研究，總結(jié)了魚類的體重生長方程和體長生長方程，如公式(1)～(3)所示:

單尾魚體重生長方程:

單尾魚體長生長方程:

t的計算公式:

式中:e 為自然對數(shù);c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7為相關(guān)參數(shù)[7]，與魚類的生長環(huán)境和品種有關(guān)。式(1)、(2)指出魚類的體重、體長與養(yǎng)殖時間呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，根據(jù)式(1)～(3)能準確計算出某時刻魚的體重和體長，為建立投餌決策模型提供依據(jù)。

1.2 投餌決策模型

在養(yǎng)殖品種生長模型的基礎(chǔ)上對魚類攝食量和生長環(huán)境進行分析，建立了投餌決策模型，如圖1所示，該模型計算出的投餌時間和投餌量符合魚類生長規(guī)律，提供科學的投喂決策，能夠節(jié)約飼料成本，提高養(yǎng)殖收益[8]。投餌決策計算過程如下。

第一步計算最佳喂養(yǎng)時間:

根據(jù)生理學原理[5]，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖中魚的投喂次數(shù)與潮汐有關(guān)，潮時的前后半小時是最佳的投喂時間段。這段時間魚的攝食水平和飼料的轉(zhuǎn)化率提高，在該時間段投喂可以提高飼料的利用率，減少浪費。海洋的潮汐信息可以有國家海洋局網(wǎng)站獲得，具有可靠的來源。

第二步計算單尾魚的經(jīng)驗投餌量:

根據(jù)上述投餌決策模型，可得單尾魚的經(jīng)驗投餌量(EF)由魚體大小(W)和投餌率(Fr)決定:

式中:W指魚體大小，由上述魚類的生長模型能夠計算出某時間節(jié)點上某種魚的體重和體長的關(guān)系。通過水下攝像設(shè)備和傳感器可以獲得單尾魚的實際體長，進行計算，獲得單尾魚的體重，即魚體大小，作為投餌決策的基礎(chǔ)。

圖1 投餌決策模型

Fr代表投餌率，是指每日所投飼料量占養(yǎng)殖魚體重的百分數(shù)[9]。根據(jù)每種魚的最佳投餌率進行投喂，不僅能夠提高飼料的利用率，更有利于魚的生長。不同種類的魚，最佳投餌率不同[10];相同種類的魚，在不同的重量區(qū)間內(nèi)最佳投餌率不同。經(jīng)過水產(chǎn)科學院長期的研究已經(jīng)掌握了不同魚類的最佳投餌率與魚重量區(qū)間的關(guān)系，為精準投喂提供科學依據(jù)。

第三步計算單尾魚的推薦投餌量:

由于魚類生長與水環(huán)境、飼料、天氣、病害等密切相關(guān)[11]，因此，魚類的投喂量需要考慮環(huán)境的影響，根據(jù)上述投餌決策模型，可得單尾魚的推薦投餌量(RF)的計算公式:

式中:Ic代表影響系數(shù)，是指環(huán)境因素，如:溫度、溶氧量、潮汐等對魚類攝食量的影響大小。通過溫度、溶氧等各種傳感設(shè)備，收集魚類生長環(huán)境影響因子的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)因子影響的大小建立相關(guān)系數(shù)，通過疊加計算，獲得綜合的影響系數(shù)[12]。

第四步計算單個網(wǎng)箱的投餌量:

根據(jù)傳感設(shè)備，能夠獲得單個網(wǎng)箱中魚的個數(shù)N，因此，單個網(wǎng)箱的投餌量TF為:

基于此模型設(shè)計與開發(fā)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖管理系統(tǒng)能夠提供科學的投喂決策。

2 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的必然性和可行性

根據(jù)上述分析，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖受多方面因素的影響，是一個非常復雜的過程，具有以下特點:

(1)式(1)～(3)指出魚類生長與養(yǎng)殖時間呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。另外，網(wǎng)箱的管理需要根據(jù)不同海域環(huán)境進行布局。利用傳統(tǒng)的手工規(guī)劃和計算已經(jīng)不能滿足深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的大規(guī)?；?，因此，采用信息系統(tǒng)實現(xiàn)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的管理是必須的。

(2)魚類在不同的生長階段，體重和體長不同，對環(huán)境的適應程度存在較大差異，餌料的需求量每次也不盡相同，投餌時刻和投餌量隨時間動態(tài)變化[13];另外，由于自然災害、海水腐蝕等對網(wǎng)箱的破壞，隨著時間的變化網(wǎng)箱的管理也會發(fā)生變化[8]。手工管理不能滿足這種動態(tài)需求，因此，采用信息系統(tǒng)管理深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖是必要的。

由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，攝像設(shè)備、傳感技術(shù)被應用于漁業(yè)養(yǎng)殖中。通過物聯(lián)網(wǎng)可以獲得精準的漁業(yè)養(yǎng)殖信息，唯一深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的數(shù)字化建設(shè)提供保障。

2.2 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計目標

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的總體目標是實現(xiàn)深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的數(shù)字化管理，整個系統(tǒng)將成為集數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控、多層次數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和決策支持等多功能于一體的深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研發(fā)公共服務平臺，實現(xiàn)全方位、多層次的現(xiàn)代化管理。

2.3 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的架構(gòu)

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)由基礎(chǔ)設(shè)施層、系統(tǒng)安全層、系統(tǒng)服務層、數(shù)據(jù)集成層組成，涉及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、投餌管理、客戶網(wǎng)箱管理、權(quán)限管理、生產(chǎn)方案管理和咨詢管理等子系統(tǒng)，如圖2所示。實現(xiàn)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域、養(yǎng)殖品種、產(chǎn)量、網(wǎng)箱數(shù)量等數(shù)據(jù)的共享和交叉檢索，對政府、企業(yè)、科研機構(gòu)、養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶全面開放運行，向全社會提供深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖資訊、決策支持等各類信息服務。

圖2 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的架構(gòu)

2.4 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

圍繞深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的需求，包括政府、養(yǎng)殖企業(yè)、養(yǎng)殖戶、科研院校等各級人員的需求，建設(shè)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)技術(shù)信息服務平臺設(shè)計，包含多個子系統(tǒng):

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng):對深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實現(xiàn)全面管理，包括魚類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、海域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、客戶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)箱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、飼料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等。主要實現(xiàn)了傳感設(shè)備、攝影設(shè)備采集的各類數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和查詢等功能，為系統(tǒng)的建立和運行以及實時監(jiān)控提供基礎(chǔ)。

(2)投餌管理子系統(tǒng):對深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的投餌決策過程進行管理，包括模型管理、影響因子管理和投餌決策管理。模型管理根據(jù)魚類的生長模型分為魚類體長生長模型、魚類體重生長模型和生長模型修正，是投餌決策過程的基礎(chǔ);影響因素管理分為影響因子類型管理、信息管理和系數(shù)管理，是投餌決策的重要組成部分，對影響投餌的因子進行量化管理;投餌決策管理根據(jù)生長模型分為投餌時間管理、魚重量修正、投餌率、影響因素系數(shù)值、投餌決策和歷史投餌記錄，是投餌決策過程的核心部分，不僅提供智能精準的投喂方案，并與歷史記錄進行對比，獲取更加合理的決策支持。該部分實現(xiàn)了投餌決策的精準投喂，提高魚類的養(yǎng)殖效益。

(3)客戶網(wǎng)箱管理子系統(tǒng):網(wǎng)箱是深海養(yǎng)殖的主體，該子系統(tǒng)包括個人客戶管理、網(wǎng)箱管理、批次管理、預警管理和清雜管理，是深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的核心。網(wǎng)箱管理以個人客戶為單元，包括客戶個人信息管理和服務管理是，為網(wǎng)箱管理提供基礎(chǔ)信息;網(wǎng)箱管理是該子系統(tǒng)的核心，包括網(wǎng)箱的選型、分組和維護管理，實現(xiàn)了網(wǎng)箱全過程管理，為養(yǎng)殖戶提供及時的網(wǎng)箱信息指導;批次管理是根據(jù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的特點將網(wǎng)箱標記為不同的批次，便于記錄和統(tǒng)計，包括批次的公式管理、死魚管理和飼料管理，該部分實現(xiàn)了網(wǎng)箱的精細化管理;預警管理包括死魚預警管理、臺風預警管理和赤潮預警管理，能提醒養(yǎng)殖戶做好相關(guān)準備，減少損失。

(4)權(quán)限管理子系統(tǒng):包括用戶管理、角色管理、權(quán)限管理和用戶－角色管理、角色－權(quán)限管理。根據(jù)用戶的不同分為管理員和普通用戶，根據(jù)使用對象的不同分為政府、科研機構(gòu)、養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶等角色，根據(jù)不同的功能劃分權(quán)限，使各類用戶通過不同的角色分配權(quán)限。

(5)生產(chǎn)方案決策子系統(tǒng):為養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶提供生產(chǎn)方案決策管理和養(yǎng)殖收益管理，用戶可以根據(jù)自己的養(yǎng)殖預期計算生產(chǎn)方案和相關(guān)收益，為養(yǎng)殖過程提供風險預測。

(6)資訊管理子系統(tǒng):為養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶提供深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖方面的資訊信息，包括供求信息管理、新聞管理、政策法規(guī)和行業(yè)信息，提供各類資訊的審核和發(fā)布功能。

3 系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

在系統(tǒng)分析與設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，實現(xiàn)對深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的開發(fā)。

3.1 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)使用基于Java的開源框架，其核心為Model－View－Controller(簡稱MVC)框架，其開發(fā)環(huán)境如表1所列。

表1 深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

3.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

通過上述技術(shù)完成了深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)的開發(fā)，以下對該系統(tǒng)的主要頁面和功能進行介紹。

3.2.1 主要頁面介紹

該系統(tǒng)具有友好的人機交互接口，便于用戶操作。已經(jīng)部署在服務器上，通過訪問 http://202.116.147.216:8080/sswx/網(wǎng)站可以看到該系統(tǒng)的門戶網(wǎng)站。以下主要對門戶網(wǎng)站的首頁進行介紹，方便用戶使用。

門戶網(wǎng)站為用戶提供了各種各樣的內(nèi)容，包括養(yǎng)殖信息、網(wǎng)箱信息、科普信息、養(yǎng)殖環(huán)境、工程設(shè)計、養(yǎng)殖決策、災害預防、供求信息、統(tǒng)計分析等欄目，如圖3所示，各類用戶可以根據(jù)自己的需要訪問不同的頁面。在首頁為用戶提供了豐富多彩的信息，包括熱點關(guān)注、最新資訊、供求信息、行業(yè)動態(tài)、網(wǎng)箱基礎(chǔ)知識，養(yǎng)殖技術(shù)等，用戶通過瀏覽這些信息，不僅可以增加用戶的養(yǎng)殖知識，以便更加科學的養(yǎng)殖，還可以掌握該領(lǐng)域的最新動態(tài)和養(yǎng)殖需求。同時，還提供了登陸和注冊功能，根據(jù)注冊時驗證的不同用戶，如政府、科研機構(gòu)、養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶等，登陸后為各類用戶提供更多相應的功能。

圖3 門戶網(wǎng)站的首頁

3.2.2 主要功能介紹

根據(jù)黑盒和白盒測試，系統(tǒng)各個功能模塊運行穩(wěn)定，與本地和異地數(shù)據(jù)庫、傳感設(shè)備、攝像設(shè)備等均銜接良好，實現(xiàn)了各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享。能夠滿足如下要求。

(1)對深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖中環(huán)境及關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供實時監(jiān)控及預警，實現(xiàn)了投喂量與投喂時間的精準控制。實現(xiàn)對多種魚類生長模型的管理和調(diào)整，為科學養(yǎng)殖提出有力的理論支持;提供精確的投喂時間和投喂量，實現(xiàn)科學喂養(yǎng)。

(2)對網(wǎng)箱進行狀態(tài)追蹤、型號管理，為智能網(wǎng)箱輔助設(shè)計、智能選型、選址等提供決策支持。通過對養(yǎng)殖批次管理，實現(xiàn)全面的養(yǎng)殖過程跟蹤管理，對養(yǎng)殖過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供預警功能，幫助養(yǎng)殖企業(yè)和用戶及時發(fā)現(xiàn)、解決問題，規(guī)避風險。

(3)為政府提供實時養(yǎng)殖數(shù)據(jù)統(tǒng)計。通過養(yǎng)殖管理系統(tǒng)，政府可以及時掌握第一手的實時養(yǎng)殖統(tǒng)計數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶的總體生產(chǎn)情況，從而更好的履行輔助、監(jiān)管職能，更快速、準確制定管理決策;同時政府可通過系統(tǒng)實現(xiàn)快速通知，發(fā)布自然災害等相關(guān)公告，和養(yǎng)殖相關(guān)的法律法規(guī)，幫助養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶規(guī)避養(yǎng)殖中的生產(chǎn)和經(jīng)濟風險，協(xié)助養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶合理地調(diào)整養(yǎng)殖種類結(jié)構(gòu)，更好地履行政府職能。

(4)為科研機構(gòu)搭建完整的實驗平臺。通過養(yǎng)殖管理系統(tǒng)科研機構(gòu)搭建完整的實驗平臺，構(gòu)建貼近現(xiàn)實的養(yǎng)殖投餌模型，優(yōu)化養(yǎng)殖過程，使養(yǎng)殖決策更科學化，利用先進的養(yǎng)殖科學技術(shù)和知識，結(jié)合實際，幫助養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶提高喂養(yǎng)效率和收益率。

(5)為養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶提供養(yǎng)殖資訊服務。通過養(yǎng)殖管理系統(tǒng)，養(yǎng)殖企業(yè)和養(yǎng)殖戶可以獲得各類養(yǎng)殖資料、養(yǎng)殖知識，獲取國內(nèi)外最新的海洋養(yǎng)殖資訊;進行各類病蟲害防治咨詢、網(wǎng)箱智能選型、選址等決策支持，從而有效地進行科學養(yǎng)殖，提高產(chǎn)值產(chǎn)量;通過平臺可以快速地獲取各種自然災害通知，學習海洋養(yǎng)殖相關(guān)的法律法規(guī)，規(guī)避各類風險;同時可更快速的調(diào)整養(yǎng)殖種類和結(jié)構(gòu)，獲取更高的經(jīng)濟收益。

4 結(jié)語

深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖管理系統(tǒng)是深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的一個重要輔助方式和手段，該系統(tǒng)在政府、科研機構(gòu)、養(yǎng)殖企業(yè)、養(yǎng)殖戶之間實現(xiàn)有效的信息流通機制，資源和知識共享，為我國開展深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖提供先進的信息服務支撐。通過本系統(tǒng)的構(gòu)建，預期為我國開展深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖提供先進的信息技術(shù)支撐，促進深海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的提高。

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