唐 榮，陳 軍，劉世晶，湯濤林

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室，上海 200092)

飼料投喂是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目標(biāo)是實現(xiàn)期望的生長速率、減少飼料浪費[1-4]。常用的投飼管理方式是根據(jù)水溫和個體規(guī)格等來估算日投飼率[5]，但魚類等水生動物的攝食受多種因素影響，例如飼料成分、水環(huán)境狀況、養(yǎng)殖密度和生產(chǎn)操作等[6-33]。因此，試圖建立一個精確的實用投飼模型是非常困難的。

目前常用的投飼作業(yè)方式是采用機械設(shè)備執(zhí)行定時定量投飼作業(yè)，在沒有考慮魚類自身狀態(tài)和外部環(huán)境變化的情況下，容易導(dǎo)致投飼不足或過量投飼。為了實現(xiàn)精準(zhǔn)投飼管理，必須引入反饋控制措施，理想方式是根據(jù)魚類的食欲實時調(diào)整投飼量。但現(xiàn)有的技術(shù)手段無法直接測量魚類食欲，在實際養(yǎng)殖中主要依靠人工觀察魚群攝食狀態(tài)，對人力和技能提出了很高要求。采用自動監(jiān)測技術(shù)可以準(zhǔn)確測量魚類攝食狀態(tài)并進行量化，替代人力觀察和判斷。目前常用的監(jiān)測技術(shù)主要是機器視覺和聲學(xué)方法。機器視覺方法主要原理是采集魚類攝食活動相關(guān)影像，進行圖像分析，提取與攝食狀態(tài)相關(guān)的特征變量。但養(yǎng)殖水體大多比較渾濁，影響觀測距離和成像質(zhì)量[34]。有學(xué)者采用安裝在魚池上方的攝像機觀測魚群在水面的攝食活動作為投飼控制依據(jù)，但有些魚類攝食時并不聚集在水面上，機器視覺監(jiān)測方法適用范圍有限[35]。聲學(xué)方法是利用聲波來觀測魚類的攝食狀態(tài)，聲波在水中衰減小且不受水體渾濁影響，觀測距離遠，適用性較好[36]。根據(jù)測量方法和觀測目標(biāo)不同，聲學(xué)攝食狀態(tài)監(jiān)測方法主要分為殘余飼料檢測、魚群空間分布監(jiān)測和攝食聲音監(jiān)測。

1 研究進展

1.1 基于殘余飼料檢測的投飼反饋技術(shù)

基于目標(biāo)聲學(xué)反射原理[37]，采用聲吶技術(shù)探測水下飼料顆粒。換能器把電信號轉(zhuǎn)換為聲波發(fā)射到水中，聲波遇到飼料顆粒發(fā)生反射產(chǎn)生回波，回波能量被換能器接收并變換成電信號，對電信號進行分析判斷是否出現(xiàn)殘余飼料。針對殘余飼料檢測的研究主要集中于海上網(wǎng)箱。相比于池塘、室內(nèi)水池等狹小水體，網(wǎng)箱內(nèi)外具有充裕的觀測空間，雜波也較少，可以獲得較好的檢測效果。換能器一般設(shè)置在網(wǎng)箱內(nèi)部靠近網(wǎng)底的水層或網(wǎng)箱底部以下水層，按照一定間隔發(fā)射超聲波束，未被攝食的飼料掉落至網(wǎng)箱下方，從超聲波束內(nèi)經(jīng)過時即被探測到。

Juell等[38-39]在評估網(wǎng)箱養(yǎng)殖鮭魚的最大攝食量時首次采用回聲探測器來檢測殘余飼料，實驗表明回聲能量與飼料數(shù)量呈線性關(guān)系，可以根據(jù)累積的回聲能量值來估算殘余飼料數(shù)量，并作為反饋信號來調(diào)整投飼量和投飼速率。后續(xù)實驗改進了探測裝置，換能器向水平方向發(fā)射360°超聲波束來探測飼料顆粒，累計回聲能量超過設(shè)定閾值時停止投飼[40]。換能器周圍加裝了一個圓柱形網(wǎng)籠，同時通過設(shè)置換能器接收窗口時間，將探測區(qū)域限定在網(wǎng)籠空間內(nèi)，從而減少魚類造成的干擾。上述研究為解決飼料浪費問題開辟了新的途徑，但由于使用模擬式回聲探測器，信號處理手段有限，不能定量測算飼料數(shù)量，只能探測殘余飼料變化趨勢。

Tim和Susana等[41-42]分別采用數(shù)字式聲吶監(jiān)測網(wǎng)箱下方的飼料顆粒并通過專用算法對殘余飼料進行量化分析。前者測量了不同尺寸的飼料顆粒在不同水流速度下的下沉速度，同時開發(fā)了基于通量法的殘余飼料量化算法。后者通過試驗得到飼料尺寸與聲學(xué)目標(biāo)強度間的線性關(guān)系，根據(jù)蹤跡線形狀特征和目標(biāo)強度來區(qū)分回聲圖中飼料、魚類和氣泡信號，采用單回波檢測方法提取單個飼料目標(biāo)并識別其回聲蹤跡線，提高了飼料量化精度。BioSonics公司在Tim等[41]的研究基礎(chǔ)上開發(fā)了兩套投飼監(jiān)控系統(tǒng)原型機，分別部署在智利和美國的養(yǎng)殖場開展測試。該系統(tǒng)主要由數(shù)字式掃描聲吶、海流計以及計算機組成，開發(fā)了專用的控制軟件和殘余飼料監(jiān)測軟件。海流計測量水流方向和速度用于預(yù)測殘余飼料下沉軌跡。數(shù)字式聲吶安裝在旋轉(zhuǎn)裝置上并呈水平方向布置在網(wǎng)箱下方，旋轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動聲吶轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水平掃描和傾斜角調(diào)整。聲吶采用200 kHz、6°波束角的單波束換能器，能夠探測25m范圍內(nèi)的飼料顆粒。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，聚集在聲吶探測范圍內(nèi)的小型野生魚類會對測量產(chǎn)生干擾。

國內(nèi)海上網(wǎng)箱養(yǎng)殖起步較晚，因此相關(guān)研究很少。劉麗珍等[43]在設(shè)計深水網(wǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)時提出了采用殘余飼料收集器配合水下?lián)Q能器進行殘余飼料監(jiān)測的設(shè)想。馬長震等[44]根據(jù)類似的原理設(shè)計開發(fā)了一種剩余飼料監(jiān)測系統(tǒng)，通過網(wǎng)箱底部的收集盤來收集殘余飼料。換能器設(shè)置在收集盤下方，向上發(fā)射超聲脈沖，隨著飼料堆積厚度加大，回波的強度和寬度都加大。當(dāng)飼料剩余量超過設(shè)定限值時停止投飼，從而減少飼料浪費。該系統(tǒng)采用計算機和多路收發(fā)機實現(xiàn)對多個網(wǎng)箱投飼作業(yè)的同步控制，但由于收集盤面積有限，無法收集全部殘余飼料。在水流較大的情況下，檢測到的殘余飼料量可能遠少于實際數(shù)量。

1.2 基于魚群空間分布監(jiān)測的投飼反饋技術(shù)

在網(wǎng)箱養(yǎng)殖條件下，魚群在網(wǎng)箱內(nèi)的分布情況往往與其食欲相關(guān)。通過監(jiān)測魚群的空間分布情況可以為投飼控制提供反饋信息。魚群空間分布監(jiān)測方法與殘余飼料探測方法的原理相同，不同的是將魚群作為探測目標(biāo)。

國內(nèi)外學(xué)者對養(yǎng)殖魚類的行為進行了大量觀察和研究[45]，其中挪威海洋研究所和奧斯陸大學(xué)等研究機構(gòu)在20世紀(jì)80年代使用聲吶觀測鮭魚在網(wǎng)箱內(nèi)的活動[46]，發(fā)現(xiàn)魚群在網(wǎng)箱內(nèi)的聚集位置與饑餓程度、攝食節(jié)律等直接相關(guān)。Floen等[47]觀察了魚類在網(wǎng)箱內(nèi)的水平和垂直運動，初步研究了投飼策略等外部因素對魚群位置分布的影響。Juell等[48]采用回聲探測系統(tǒng)來監(jiān)測魚群在網(wǎng)箱內(nèi)的分布情況，將觀測空間內(nèi)回聲強度變化作為魚群水平運動的象征，同時通過對不同深度水層內(nèi)回聲強度的檢測來監(jiān)控魚群的垂直分布情況。研究結(jié)果表明在網(wǎng)箱中大西洋鮭的空間分布和饑餓水平之間具有很強的相關(guān)性。Bjordal等[49]監(jiān)測了大西洋鮭在網(wǎng)箱中的分布情況，并根據(jù)投飼機附近魚群聚集密度來調(diào)整投飼作業(yè)。Ferno等[50]發(fā)現(xiàn)投飼開始時魚群快速游向上方并隨著投飼過程推進逐漸下降至深水區(qū)，并根據(jù)該現(xiàn)象開發(fā)了一種自動投飼控制系統(tǒng)，在魚群下降至某一深度時停止投飼。

上述研究大多采用回聲探測器進行試驗，設(shè)備較為簡單，僅作數(shù)據(jù)采集與分析，缺少專用的監(jiān)測軟件和控制裝置，難以用于實際養(yǎng)殖生產(chǎn)。Lindem等[46]在前期研究基礎(chǔ)上開發(fā)了一套名為“網(wǎng)箱之眼”的探測系統(tǒng)應(yīng)用于商業(yè)養(yǎng)殖，在每個網(wǎng)箱下方設(shè)置一個向上觀測的寬波束換能器，通過計算同步獲取12個換能器的回聲圖并控制12套投飼機。該系統(tǒng)對投飼期間魚群在水面附近水層內(nèi)的分布情況進行監(jiān)測來分析攝食狀態(tài)，當(dāng)攝食活動減弱至預(yù)定水平時停止投飼。該系統(tǒng)提供了3種不同的投飼管理方式。一是全自動投飼，系統(tǒng)在預(yù)設(shè)的時間啟動投飼，根據(jù)魚群活躍性所表征的食欲自動確定投飼持續(xù)時間。二是交互式投飼，使用者手動啟動投飼，并根據(jù)屏幕上顯示的魚群活躍性來決定何時停止投飼。三是按照表格投喂，即根據(jù)一張基于水溫和魚類個體規(guī)格的投飼計劃表來投飼。用戶可以根據(jù)實際情況選擇合適的投飼方法。

國內(nèi)網(wǎng)箱養(yǎng)殖起步較晚，在網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚類監(jiān)測方面的研究和應(yīng)用較少。相關(guān)學(xué)者開展了網(wǎng)箱魚群生物量探測技術(shù)研究，用于監(jiān)控網(wǎng)箱內(nèi)魚群生物量、生長情況等，為投飼養(yǎng)殖管理提供參考，但沒有針對魚類攝食狀態(tài)在線監(jiān)測和投飼反饋控制進行研究[51-60]。

1.3 基于攝食聲音監(jiān)測的投飼反饋技術(shù)

魚類發(fā)出的聲音是其行為的表現(xiàn)形式之一，在魚類的繁殖、競爭、社交及攝食等活動中具有重要作用[61]。魚類在攝食過程中由于快速游動、吞食飼料等動作而發(fā)出聲音，這些聲音與其攝食行為和饑餓程度密切相關(guān)，可以根據(jù)攝食聲音強度來估計魚類食欲，進而作為控制投飼的反饋信號。

20世紀(jì)中期就有學(xué)者對魚類攝食過程中的游泳聲音進行了測量和研究[62]。Phillips等[63]采用水聽器采集了虹鱒攝食時的聲音，將攝食聲音作為控制虹鱒行為的信號。Lagardère等[64]發(fā)現(xiàn)大菱鲆攝食時的聲音強度隨著攝食活動強度的變化而變化。其中7～10 kHz頻段的攝食聲音受到的干擾很小，可用于監(jiān)測攝食活動強度。試驗表明攝食時的聲音強度與飼料需求呈線性關(guān)系，可以作為投飼反饋信號[65]。魚類攝食時的聲音特征取決于進食方式。褐鱒和虹鱒等快速游泳性捕食魚類采用向前游動結(jié)合吸食的方式，往往伴隨著水花飛濺聲和強烈的拍尾聲[63]。Lagardère等[66]發(fā)現(xiàn)褐鱒和虹鱒攝食聲音的最大聲能集中在4～6 kHz頻率范圍，可以作為投飼反饋控制信號。Berk等[67]在研究墨西哥灣白對蝦聲音的過程中發(fā)現(xiàn)其攝食時的聲音頻譜主要集中在2～8 kHz，可以用于監(jiān)測其攝食活動。為了深入研究攝食聲音的發(fā)聲機理，Daniel等[68]采用水聽器和高速攝像機對水池內(nèi)斑節(jié)對蝦攝食時發(fā)出的聲音及其動作進行同步監(jiān)測，找到了斑節(jié)對蝦上顎咀嚼飼料顆粒時產(chǎn)生的頻率為3～7.6 kHz的攝食特征信號。實驗表明該攝食特征信號出現(xiàn)的次數(shù)與飼料消耗量之間存在線性關(guān)系，可以用來估算飼料消耗量。José 等[69]采用相同的觀察方法發(fā)現(xiàn)凡納濱對蝦的攝食聲音是由上顎切碎飼料時發(fā)出，頻率范圍大約為3～40 kHz。澳大利亞的AQ1系統(tǒng)有限公司開發(fā)了用于對蝦養(yǎng)殖的聲學(xué)投飼反饋控制系統(tǒng)[70]。該系統(tǒng)由水聽器、控制器、投飼機、計算機軟件等組成。水聽器安裝在投飼區(qū)域水面下方，在投飼過程中系統(tǒng)通過檢測對蝦攝食的聲音來監(jiān)測其攝食活動，通過自適應(yīng)算法來控制投飼量，可以應(yīng)用于多種類型的養(yǎng)殖場和養(yǎng)殖品種。最新的產(chǎn)品包括用于對蝦投飼控制的SF200和用于魚類投飼控制的SF500。Ullman等[71-73]在評估凡納濱對蝦養(yǎng)殖投飼管理效果的試驗中對AQ1聲學(xué)反饋系統(tǒng)的養(yǎng)殖效果進行了測試。實驗結(jié)果表明使用AQ1反饋系統(tǒng)的實驗組消耗的飼料最多，產(chǎn)出的對蝦個體規(guī)格也最大。相比傳統(tǒng)人工投飼方法，使用自動投飼系統(tǒng)可以進一步提高產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。

國內(nèi)相關(guān)的研究較少，湯濤林等[74]通過構(gòu)建聲學(xué)監(jiān)測平臺，采集了羅非魚攝食過程中產(chǎn)生的聲音信號，通過分析發(fā)現(xiàn)在0～6 kHz頻段內(nèi)攝食聲音可區(qū)分于背景噪聲，聲功率與攝食活力呈正相關(guān)，能夠反應(yīng)攝食活力的變化趨勢，可用于對投飼作業(yè)的反饋控制。

2 問題與討論

魚類等養(yǎng)殖對象的攝食規(guī)律和攝食狀態(tài)除了受自身食欲的支配，還與養(yǎng)殖模式等管理因素直接相關(guān)。在一種養(yǎng)殖模式下研究得到的投飼反饋控制閾值往往難以直接應(yīng)用至其他模式，需要針對各種養(yǎng)殖模式分別進行研究試驗。即使對于同一個養(yǎng)殖系統(tǒng)，當(dāng)養(yǎng)殖條件改變時，原有的攝食監(jiān)測與投飼反饋控制系統(tǒng)很可能失效，必須進行硬件和軟件上的修改才能繼續(xù)使用，導(dǎo)致成本增加。

2.1 殘余飼料監(jiān)測技術(shù)

基于聲學(xué)的飼料探測方法適用于網(wǎng)箱養(yǎng)殖，通過對殘余飼料的在線監(jiān)測實現(xiàn)對魚群食欲的間接測量。該方法以殘余飼料為監(jiān)測對象，不關(guān)注魚類攝食方式和行為特征，適用于大多數(shù)養(yǎng)殖品種，但有效性受到多種因素影響。首先，剩余飼料必須從換能器的探測區(qū)域內(nèi)通過才能被檢測到。不同的水流速度和方向會導(dǎo)致單位時間內(nèi)進入探測區(qū)域的飼料顆粒數(shù)量發(fā)生變化。投飼速率和投飼區(qū)域的變化也會導(dǎo)致進入探測區(qū)域的剩余飼料數(shù)量出現(xiàn)波動。其次，換能器探測區(qū)域內(nèi)的氣泡和魚群會干擾測量結(jié)果。在觀測區(qū)域下方安裝擋板可以阻擋上升的氣泡，但吸附在飼料表面的小氣泡也會導(dǎo)致回聲能量強度變化[40]。此外，飼料儲存條件會影響其中氣體和水分含量，從而改變飼料密度、質(zhì)地等特性，導(dǎo)致聲學(xué)強度變化。目前聲學(xué)方法只能探測含水率低、牢固性好的干性飼料，浮性飼料或濕性軟飼料則不適用。

2.2 魚群空間分布監(jiān)測技術(shù)

基于聲學(xué)的魚群空間分布監(jiān)測技術(shù)主要針對網(wǎng)箱養(yǎng)殖，與殘余飼料監(jiān)測方法相比，該方法能直觀的反應(yīng)出魚類的食欲狀態(tài)，同時監(jiān)測目標(biāo)回聲信號強，容易去除糞便、氣泡等干擾，也不易受水流影響。處理回聲信號時不需要進行累計，因此不存在重復(fù)計數(shù)問題。與食欲相關(guān)的行為模式主要是魚群在垂直方向上的分布變化，但前提是要選取合理的水層深度梯度作為魚群聚集程度的判斷指標(biāo)，這需要通過大量試驗進行探索。同時，不同的養(yǎng)殖品種在投飼時的行為特性也不相同，需要分別進行研究。網(wǎng)箱周圍出現(xiàn)捕食者、天氣及水流變化等環(huán)境因素也會影響魚類攝食時的行為。此外，在針對魚類的探測過程中，超過90%的回聲能量是由魚鰾產(chǎn)生的[75]。因此，無鰾魚以及蝦類的聲學(xué)目標(biāo)強度很小，使用聲學(xué)方法直接監(jiān)測其攝食行為較為困難。

2.3 攝食聲音反饋技術(shù)

攝食聲音監(jiān)測法是一種被動聲學(xué)監(jiān)測方法，設(shè)備配置簡單、成本較低，但使用該方法需要解決兩個難點。首先是要找到與攝食相關(guān)的特征聲音。不同養(yǎng)殖品種的攝食聲音具有不同的特征，養(yǎng)殖密度、投飼方式、飼料規(guī)格等也會影響攝食方式，從而導(dǎo)致攝食聲音的變化。因此，需要針對不同的養(yǎng)殖場景分別進行監(jiān)測試驗來尋找特征聲音。其次是需要從復(fù)雜的背景噪聲中提取特征聲音信號。這需要盡可能消除或減少噪聲干擾。在工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)中，水流和水泵、增氧機等設(shè)備會產(chǎn)生低頻噪聲，對于室外養(yǎng)殖池塘，除了設(shè)備和水流造成的噪聲，降雨等氣象因素造成的聲音也需要考慮。測量時通常根據(jù)頻率來區(qū)分攝食聲音和噪聲。如果噪聲頻段和攝食聲音頻段重疊率較高，會影響對攝食特征聲音的提取。在小型水槽內(nèi)能控制環(huán)境因素以減少噪聲干擾。但由于小型水槽的物理限制，混響、共振等效應(yīng)會造成測量結(jié)果失真。因此，要盡量避免待測聲音頻譜與水槽的共振頻率接近，同時可以使用吸聲材料減少信號反射導(dǎo)致的混響效應(yīng)[76]。

3 總結(jié)與展望

基于聲學(xué)方法的投飼反饋技術(shù)關(guān)鍵是通過監(jiān)測養(yǎng)殖對象的攝食狀態(tài)來估算其食欲，隨著數(shù)字式聲吶和水聽器等新型傳感器的發(fā)展以及數(shù)據(jù)處理方法的進步，聲學(xué)監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性將不斷提高。同時魚類生理和行為等相關(guān)領(lǐng)域的深入研究也有助于提升攝食狀態(tài)與飼料需求間的匹配度，更加準(zhǔn)確地實現(xiàn)投飼反饋控制。但在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，養(yǎng)殖條件復(fù)雜多變，影響因素眾多，還需要進一步深入探索相關(guān)技術(shù)以及綜合應(yīng)用方法，提高投飼反饋技術(shù)的成熟度和實用性。目前來看，主要有以下兩種途徑：

(1)多傳感器測量與數(shù)據(jù)融合。針對不同養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖條件，將聲學(xué)監(jiān)測方法與機器視覺、光電法等其他方法相結(jié)合，同時集成養(yǎng)殖環(huán)境在線監(jiān)測等技術(shù)，進行多種傳感器綜合測量。通過對多種測量數(shù)據(jù)的融合處理，為投飼控制提供更加全面、準(zhǔn)確的反饋信息。

(2)反饋技術(shù)與投飼量預(yù)估方法集成應(yīng)用。對于養(yǎng)殖魚類，其最大攝食率往往超過其最佳攝食率，單純依靠攝食狀態(tài)反饋控制容易導(dǎo)致過量投飼。因此，在投飼作業(yè)前應(yīng)該通過生長模型等預(yù)估方法確定基準(zhǔn)投飼量，投飼作業(yè)過程中結(jié)合反饋控制技術(shù)，在基準(zhǔn)投飼量基礎(chǔ)上根據(jù)監(jiān)測信息實時調(diào)整投飼量，從而實現(xiàn)合理、準(zhǔn)確的投飼管理。

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