CN103070126A - 一种池塘养殖声控投喂方法及基于该方法的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种池塘养殖声控投喂方法，其特征在于：包括以下步骤，1）测定投喂水域的水下环境的背景噪声，建立背景的平均功率谱密度pn(m)，2）测定开始后投喂水域的声信号，计算投饲后声功率谱密度p(m)；3）投饲后声功率谱密度p(m)和背景噪声平均功率谱密度pn(m)按频率相减后得到鱼类摄食声功率谱密度；4）通过积分公式计算某一时刻的摄食功率
其中ms为起始频率，me为截止频率，并得到摄食功率-时间曲线图；5）获取摄食功率-时间的N秒均线图，并根据其上的摄食功率值分别设定加快投饲摄食功率、减缓投饲摄食功率、停止投饲摄食功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种池塘养殖声控投喂方法及基于该方法的装置，属于水产养殖技术领域。
背景技术
投饲是水产养殖中的重要环节，投饲技术不仅关系经济效益，也是实现水质调控的关键。传统投饲控制完全依靠经验和视觉观察，无法精确考虑生物量变化和环境因子的影响，随着集约化养殖迅速发展和劳动成本上升，自动投饲系统受到越来越多的关注。自动投饲系统的理论基础是鱼类投喂模型和生长模型，但是单纯基于模型的投饲控制属于开环控制，模型准确度、鱼类体质差别以及其他因素都会对其控制效果造成影响，系统需要寻找一种有效的反馈，实现闭环。
目前投饲反馈的方法主要有两类：
第一类基于残饵检测，包括红外检测和多普勒检测，由残饵率控制投饲速度和停止投饲的时间，这种检测残饵的投饲方法是对在鱼类完成进食之后残饵的密度情况进行监控，这种对残饵进行监测的投饲方法控制比较滞后，难以对饲料进行准确的投放，如果投放过多，会对养殖水体造成污染；
第二类基于鱼群位置，当鱼群离开投饲区域后停止投饲，这种投饲方法控制也比较滞后，而且无法对鱼类进食情况进行监测，仅仅监测鱼类的位置，往往不能准确的反应鱼类对饲料的需求。
研究表明，鱼类的食欲与摄食时发出的声音强度存在近似线性的关系，但是仅仅根据这层关系还是难以设计出适合的投喂系统和控制方法，因为摄食声音存在即时性，其强度波动很大，投喂系统的投喂速度根本无法与摄食声音的强度具备即时的、直接的线性的关系；同时，水下背景环境本身具有一定声音强度，要把摄食声音从背景环境中提取出来，而且要分频率、在时间轴上形成连续的动态特性，也具有很高难度。
发明内容
为了解决背景技术中所述的技术问题，利用上述这种线性关系的特性，本发明提供了一种投喂方法，构建了一个声学监测平台，监测分析池塘内鱼的摄食信号，并形成自动投饲。
本发明采取以下技术方案：
一种池塘养殖声控投喂方法，包括以下步骤，
1）测定X秒内投喂水域的水下环境的背景噪声，建立背景噪声功率谱密度，所述背景噪声功率谱密度的X秒均值定义为第一PSD；
2）测定投饲后投喂水域的水下环境的声信号，建立投饲后声功率谱密度，所述投饲后声功率谱密度定义为第二PSD，所述第二PSD沿时间轴动态变换；
3）投饲后声功率谱密度和背景噪声平均功率谱密度对应频率相减后得到摄食声功率谱密度，所述摄食声功率谱密度的定义为第三PSD；
4）通过积分公式计算某一时刻的摄食功率 
其中ms为起始频率，me为截止频率，p（m）-pn（m）即第三PSD，并得到摄食功率-时间曲线图；
5）获取摄食功率-时间的N秒均线图，并根据其上的摄食功率值分别设定加快投饲摄食功率、减缓投饲摄食功率、停止投饲摄食功率。
进一步的，实施步骤5）之前，先预估投喂总量，再根据投喂总量确定所述N秒内的投喂量，确定N秒内的投饲速度，N秒后的剩余饲料量在加快投饲时间段、减缓投饲时间段内完成投饲。根据所养鱼类品种的生长模型估计生物量、根据投饲模型估计投饲总量，并设定一个区间，在此区间内由声控系统决定，比如估计投饲量50-100公斤，前面50公斤肯定是要投的，50-100之间有系统决定是否加快或者停止投饲，到了100公斤，都要停止投饲。
进一步的，所述X秒为10秒，所述N秒为30秒。
进一步的，所述池塘养殖声控投喂的对象为罗非鱼，所述加快投饲摄食功率为0.15～0.20W，所述减缓投饲摄食功率为0.05～0.10W，所述停止投饲摄食功率为0.01～0.03W。
更进一步的，所述起始频率ms为1000Hz，截止频率me为6000Hz。
一种基于上述的池塘养殖声控投喂方法的装置，包括水听器，所述水听器置于养殖池塘投饲区域的水下，所述水听器与滤波放大器连接，所述滤波放大器与A/D转换采集卡连接，所述A/D转换采集卡与计算机主机连接，所述计算机主机与饲料投放装置连接，控制饲料投放速度。
本发明的特点在于：利用了鱼类的食欲与摄食时发出的声音强度存在近似线性的关系这一特性，提供了一种池塘养殖声控投喂方法，参见图2， 通过先测出背景环境的噪声功率X秒均值的频谱得到第一PSD，参见图3，再测出测试环境中的噪声功率频谱的第二PSD，参见图4，用测试环境中的噪声功率频谱的第二PSD减去第一PSD得到摄食噪声功率的第三PSD，参见图5，根据公式 
对第三PSD计算出摄食功率P（t），摄食功率在时间轴上跳动，为了得到较平缓的摄食功率曲线从而提高可操作性，参见图6，对摄食功率求N秒均线图，在N秒均线值上选取并设定加快投饲摄食功率、减缓投饲摄食功率，停止投饲摄食功率。
本发明的有益效果在于：
1）相对与采用基于残饵的检测及基于鱼类位置的检测的方法，采用声控的投喂方法即时性强，避免了控制上的滞后；相对与采用基于残饵的检测及基于鱼类位置的检测的方法，采用声控的投喂方法更直接、更具通用性
2）控制更加准确可靠。
3）采用软件模型的进行投喂的自动控制，效率更高。
4）克服了现有技术的众多技术困难。
5）能够广泛推广，具有极高的商业价值。
6）通过合理的饲料投放，大大提高饲料利用率，节约了饲料，避免了养殖水体被污染。
附图说明
图1是实现本发明池塘养殖声控投喂方法的装置的示意图。
图2是背景噪声功率X秒均值的频谱示意图。
图3是投饲噪声功率频谱的示意图。
图4是摄食噪声功率频谱的示意图。
图5摄食功率-时间的曲线图。
图6是摄食功率-时间的N秒均线图。
图7是摄食信号的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，声学监测平台由水听器、滤波放大器、A/D转换采集卡、计算机构成。平台使用的参考水听器为丹麦Reson公司的TC4034，可用带宽1Hz-470kHz，在40kHz以下自由场电压灵敏度级-217dB（基准值为1V/uPa），为了防止鱼游动时撞击到水听器，在水听器周围设置了隔离网；水听器接收到的信号非常微弱，现场同时存在各种噪声，在信号采样前使用KrohnHite3944进行滤波放大，KrohnHite3944有4个独立通道，可串联组成2个带通滤波器，并提供每通道40dB的放大增益；数据采集设备为NI的USB-6210,单通道最高采样率250MS/s，采样精度16bit；数据分析用的计算机配置了酷睿i7处理器和8G内存，能够满足实时计算的要求。
鱼类摄食时的活动强度明显随食欲变化，而摄食活力与声功率相关，因此期望使用某个频带内的声功率作为鱼类食欲的指标。试验平台的信号处理程序在.Net平台下开发，功能包括信号高速采集、数据缓存、数据回放、声功率谱密度（PSD）计算和摄食功率计算，声功率谱密度的实时计算使用快速傅里叶变换（FFT）实现。
试验在渔业水体净化技术和系统研究重点开放实验室的淡水养殖试验系统中进行，试验用水槽容积2.5m3，水深1.0m，水温控制在18℃-24℃。试验包括采集投饲前的背景噪声；手工方式向水面抛洒饲料，记录罗非鱼 的摄食信号和停止摄食后的噪声变化；连续投饲并观察摄食情况和摄食功率之间的关系。
试验在循环水系统内进行，噪声远大于其他养殖环境。将投饲开始前的声功率数据定义为背景噪声，其PSD如图2所示，噪声源主要包括现场设备噪声、水流噪声、鱼身体发出的噪声，其中50Hz工频及其谐波是最强的干扰源，随着频率升高，噪声功率下降。
投饲开始后可以观察到罗非鱼露出水面甚至跳出水面摄食，在监测平台上捕捉到此类信号如图7，在未滤波的情况下此类信号为宽度20ms左右的脉冲，幅度远大于噪声，很容易区分。
除了摄食动作发出的声音，还有一部分声功率是由罗非鱼摄食时加速游动造成的。这类游动时产生的声音主要集中在2kHz以内。
取投饲开始后10秒内的PSD均值与投饲前的背景噪声作比较如图3，可见罗非鱼摄食时发出的声音覆盖了0-6kHz的范围，在此范围内能够与背景噪声区分，最高有8dB的信噪比。
将摄食功率P(t)表述为: 
式中ms为起始频率，me为截止频率，P(m)为当前时刻PSD，Pn(m)为背景噪声前10秒均值的PSD。
由于实验室设备为自动控制，背景噪声非平稳，为了避免背景噪声变化的影响，测量摄食功率时设置了滤波范围为1kHz-6kHz。本次试验的水槽内有罗非鱼数量115尾，总重量约200kg，使用手工方式投料，观察饲料基本吃完后进行下一次投料，到鱼基本停止摄食时停止投饲。试验共用时10min，投饲量1.8kg，占鱼总体重的0.9%。试验期间每1s计算一次摄食功率，如图5所示，随着投饲量增加，罗非鱼的食欲下降，游动减缓，摄食功率随之下降。
由于摄食功率的改变并不连续，不能以某一时刻的功率大小作为判断投饲的依据，为了形成可以操作的投饲策略，本发明使用移动平均线，即均线来跟踪摄食功率的变化趋势。如图6所示，当移动均值超过某阈值时加快投饲，下降到设定阈值时减缓投饲，再降低到某阈值时停止投饲。由于移动平均的稳定性是以滞后性为代价的，为确保自动投饲系统可靠，除了合理选择平均时间，在投饲前应对投饲量区间进行估计。根据养殖鱼类的生长模型可进行生物量的估计，根据生物量和投喂模型可进行投饲量估计，而声控投饲的控制区间可根据情况由人工设定。
本发明的池塘养殖声控投喂方法通过软硬件结合的方式来实现。
Claims (6)
1.一种池塘养殖声控投喂方法，其特征在于：包括以下步骤，
1）测定X秒内投喂水域的水下环境的背景噪声，建立背景噪声功率谱密度，所述背景噪声功率谱密度的X秒均值定义为第一PSD；
2）测定投饲后投喂水域的水下环境的声信号，建立投饲后声功率谱密度，所述投饲后声功率谱密度定义为第二PSD，所述第二PSD沿时间轴动态变换；
3）投饲后声功率谱密度和背景噪声平均功率谱密度对应频率相减后得到摄食声功率谱密度，所述摄食声功率谱密度的定义为第三PSD；
4）通过积分公式计算某一时刻的摄食功率 
其中ms为起始频率，me为截止频率，p（m）-pn（m）即第三PSD，并得到摄食功率-时间曲线图；
5）获取摄食功率-时间的N秒均线图，并根据其上的摄食功率值分别设定加快投饲摄食功率、减缓投饲摄食功率、停止投饲摄食功率。
2.如权利要求1所述池塘养殖声控投喂方法，其特征在于：
实施步骤5）之前，先预估投喂总量，再根据投喂总量确定所述N秒内的投喂量，确定N秒内的投饲速度，N秒后的剩余饲料量在加快投饲时间段、减缓投饲时间段内完成投饲。
3.如权利要求1所述的池塘养殖声控投喂方法，其特征在于：所述X秒为10秒，所述N秒为30秒。
4.如权利要求1所述的池塘养殖声控投喂方法，其特征在于：所述池塘养殖声控投喂的对象为罗非鱼，所述加快投饲摄食功率为0.15～0.20W，所述减缓投饲摄食功率为0.05～0.10W，所述停止投饲摄食功率为0.01～0.03W。
5.如权利要求4所述的池塘养殖声控投喂方法，其特征在于：所述起始频率ms为1000Hz，截止频率me为6000Hz。
6.一种基于权利要求1所述的池塘养殖声控投喂方法的装置，其特征在于：包括水听器，所述水听器置于养殖池塘投饲区域的水下，所述水听器与滤波放大器连接，所述滤波放大器与A/D转换采集卡连接，所述A/D转换采集卡与计算机主机连接，所述计算机主机与饲料投放装置连接，控制饲料投放速度。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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