CN114895731A

CN114895731A - 一种基于数字孪生的养殖监测系统及方法

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Publication number: CN114895731A
Application number: CN202210394174.5A
Authority: CN
Inventors: 林国义
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-04-15
Filing date: 2022-04-15
Publication date: 2022-08-12

Abstract

本发明公开了养殖监测技术领域的一种基于数字孪生的养殖监测系统及方法，包括：接收监测水域及养殖区域内的实时环境信息参数和养殖信息；基于养殖信息调取同类历史养殖方案，计算历史养殖方案中环境信息参数影响值；基于环境信息参数影响值和实时环境信息参数，确定本养殖方案投入产出比例预测值和优化建议后，发送至用户端；响应于用户端反馈了控制指令时，基于控制指令通过自动控制系统调节养殖环境中的可调控装置，对环境信息参数进行调节；响应于用户端无反馈时，基于优化建议通过自动控制系统调节养殖环境中的可调控装置，对环境信息参数进行调节。本发明通过预测养殖方案投入产出比例并给出优化建议，便于养殖户基于养殖指导进行调整。

Description

一种基于数字孪生的养殖监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字孪生的养殖监测系统及方法，属于养殖监测技术领域。

背景技术

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

在水产养殖中，以虾类养殖为例，养殖户需要监测的环境信息参数较多且均会影响水产养殖产量，例如水质的好坏会直接影响到龙虾的健康生长和发育，溶解氧的含量关系着虾类食欲、饲料利用率、虾类生长发育速度等，光照时间长短、强弱决定着虾类生长的繁殖周期和生产质量，PH值过低、水体呈酸性会引起虾类虾鳃病变，氧的利用率降低造成虾类生病或者水中细菌大量繁殖，氨氮含量超高会影响虾类生长，过高则会造成虾类中毒死亡，合适的水温对虾的生长也起到重要作用。综上，水产养殖对养殖户的专业度要求较高，养殖户初期一般很难通过人工方式对上述环境信息参数实时把握，导致产量较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于数字孪生的养殖监测系统及方法，通过预测养殖方案投入产出比例并给出优化建议，便于养殖户基于科学的养殖指导进行调整。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种基于数字孪生的养殖监测方法，包括：

接收监测水域及养殖区域内的实时环境信息参数和养殖信息；

基于养殖信息调取同类历史养殖方案，计算历史养殖方案中环境信息参数影响值；

基于环境信息参数影响值和实时环境信息参数，确定本养殖方案投入产出比例预测值和优化建议后，发送至用户端；

响应于用户端反馈了控制指令时，基于控制指令通过自动控制系统调节养殖环境中的可调控装置，对环境信息参数进行调节；

响应于用户端无反馈时，基于优化建议通过自动控制系统调节养殖环境中的可调控装置，对环境信息参数进行调节。

进一步的，所述监测水域及养殖区域内的实时环境信息参数由采样装置和物联网监测系统监测得到，所述采样装置包含温度传感器、光照强度传感器，水体溶解氧、PH值、氨氮含量、亚硝酸盐含量、水温探头，所述物联网监测系统为在养殖区域内设置可移动监控设备。

进一步的，所述环境信息参数影响值的计算公式为：

其中，Y为环境信息参数影响值，X为比较方案的投入产出比例，Z为基准方案的投入产出比例，S为某一环境信息参数比例变化，A为比较方案的某一环境信息参数值，B为基准方案的某一环境信息参数值，a为比较方案的某一环境信息参数值增长率，b为基准方案的某一环境信息参数值增长率。

进一步的，所述本养殖方案投入产出比例预测值的计算公式为：

其中，K为本养殖方案投入产出比例预测值，C为本养殖方案环境信息参数，c为本养殖方案环境信息参数增长率，M₀表示影响值众数

进一步的，所述影响值众数的计算公式为：

式中，L表示影响值集合的精确下限，U表示影响值集合的精确上限，fa为与影响值集合下限相邻的频数，fb为与影响值集合上限相邻的频数，i为组距。

进一步的，所述影响值集合为多个同类历史养殖方案作为比较方案与所述基准方案对比计算得到的影响值形成的集合。

进一步的，所述自动控制系统能够控制监测水域及养殖区域内的水口电磁阀、增氧泵、天窗开启和关闭。

第二方面，本发明提供了一种基于数字孪生的养殖监测系统，包括：

数据接收模块：用于接收监测水域及养殖区域内的实时环境信息参数和养殖信息；

环境信息参数影响值计算模块：用于基于养殖信息调取同类历史养殖方案，计算历史养殖方案中环境信息参数影响值；

投入产出比例预测模块：用于基于环境信息参数影响值和实时环境信息参数，确定本养殖方案投入产出比例预测值和优化建议后，发送至用户端；

反馈调节模块：用于响应于用户端反馈了控制指令时，基于控制指令通过自动控制系统调节养殖环境中的可调控装置，对环境信息参数进行调节；

自动调节模块：用于响应于用户端无反馈时，基于优化建议通过自动控制系统调节养殖环境中的可调控装置，对环境信息参数进行调节。

第三方面，本发明提供了一种基于数字孪生的养殖监测装置，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

一、本发明通过对养殖户提供的养殖信息，以及通过采样设备监测得到的实时环境信息参数，预测养殖方案投入产出比例并给出优化建议，便于养殖户基于科学的养殖指导进行调整，避免了养殖户通过人工方式对上述环境信息参数实时测量的麻烦，另外，当养殖户未及时对养殖参数进行调整控制时，本方案可以通过自动控制系统调节养殖环境中的可调控装置，对环境信息参数进行调节，避免了用户在养殖过程中由于偶尔疏忽造成的养殖损失。

二、本发明依设计规划、控制模式及管理系统三构面一体化，从养殖环节导入智慧养殖关键技术，透过跨域结合，开发模块化设计系统、物联网环控模块、节省工搬运机械与人机辅具、集参数化智能产销管理信息共通平台，并减少一半以上人力需求，以有效掌控水产养殖环境，优化水产养殖，发展标准化、高效化之水产养殖产业。以提升水产养殖技术与整合技术能量，落实产业化，达成水产养殖产量提升目标。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的基于数字孪生的养殖监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

请参阅图1，本实施例提出了一种基于数字孪生的养殖监测方法，首先，通过在养殖水域中及周围设置采样装置和物联网监测系统采集环境信息参数后，发送至用户的移动终端发出对应的提示，以实现对环境信息参数的精准把握，然后，用户结合物联网智能管理系统，通过智能化控制系统对养殖水域进行控制调节，进而提升水产养殖产量。

采样装置包含温度传感器、光照强度传感器，水体溶解氧、PH值、氨氮含量、亚硝酸盐含量、水温探头，用于监测水域影响虾类生长的各类环境信息参数，及时消除不利因子。物联网监测系统为在养殖区域内设置可移动监控设备，可实现现场环境实时查看、远程实时监控、视频信息可回看、传输和存储，及时发现养殖过程碰到的问题，查找分析原因，确保安全生产。物联网监测系统可24小时全天候监测养殖水域水体温度，当温度高于或低于设定范围时，系统自动报警，并将现场情况通过简讯发到用户手机上，监控界面弹出报警信息。用户可通过重新设置，自动打开水温控制设备，当水温恢复正常值时，系统又会自动关闭。

物联网智能管理系统在一轮养殖管理前，需要首先接收用户的养殖类别信息，依据该种水产品在各以往养殖阶段的长度与重量关系，养殖环境因素与饵料养分的吸收能力、摄取量的关系、方案投入产出比例等建立历史养殖方案资料库，进行细致分析，根据水产品的生长过程，分析各阶段投放料情况，给出养殖方案。物联网智能管理系统可以对养殖方案进行预测优化，包括：

S1、调取已存储的同类历史养殖方案，选择一个同类历史养殖方案作为基准方案，选择其余方案中任意一个同类历史养殖方案作为比较方案；

S2、获取两个方案中环境信息参数的比例变化和投入产出比例变化，计算各环境信息参数对实际养殖投入产出比例的影响值，影响值计算公式如下：

继续多次选择其余任意一个同类历史养殖方案作为比较方案与上述基准方案对比计算影响值，得到一组影响值集合，再求取集合中的众数，计算公式为：

式中，M₀表示影响值众数，L表示影响值集合的精确下限，U表示影响值集合的精确上限，fa为与影响值集合下限相邻的频数，fb为与影响值集合上限相邻的频数，i为组距；

S3、结合本养殖方案和基准方案的环境信息参数以及影响值众数，确定本养殖方案投入产出比例预测值，对本养殖方案中环境信息参数提出环境信息参数优化建议，投入产出比例预测值计算公式为：

其中，K为本养殖方案投入产出比例预测值，C为本养殖方案环境信息参数，c为本养殖方案环境信息参数增长率。

智能化控制系统可实现根据养殖方案中的环境信息参数，自动控制换水、增氧、增温、增料等设备的运行，满足严苛的水产养殖环境条件要求，实现精细化饲养，减少不必要的损失，同时可以节省用电，降低生产成本。智能化控制系统具体包括自动控制系统和手机远程管理系统，其中：

自动控制系统：控制水口电磁阀、增氧泵、天窗自动开启和关闭等一系列养殖环境中的可调控装置。

手机远程管理系统：手机控制是养殖物联网控制系统的另一种便捷控制方式，用户预先在智能型手机上下载物联网系统，通过手机上的客户端，用户可以远程查看设施环境数据和设备运行情况，还可以分析数据，方便灵活管理。远程数据实时查看功能；自动化控制功能；各类预警功能，物联网智能管理系统通过手机远程管理系统向用户给出的养殖方案和优化建议，若用户在指定时间间隔内未对优化建议进行确认或拒绝，系统默认用户接受该优化建议并启动自动控制系统进行养殖管理。

下面结合具体的环境信息参数监测对系统的控制操作进行说明，虾类养殖中需要监测水域水质，水质的好坏直接影响到龙虾的健康生长和发育，养殖过程中，池水的pH值保持在7.5～8.5之间，透明度为30cm～40cm，要经常加注新水，定期泼洒生石灰溶液，调节水质，防止病害发生及脱壳不遂等，水域水质监测包括：

(1)溶解监测

溶解氧的含量关系着虾类食欲、饲料利用率、虾类生长发育速度等，当水体溶解氧含量降低时，系统会自动打开增氧泵增氧。

(2)PH值监测

PH值过低，水体呈酸性，会引起虾类虾鳃病变，氧的利用率降低，造成虾类生病或者水中细菌大量繁殖。系统安装PH值测试探头，当水体PH值超过正常范围时，水口阀门自动开启，进行换水。

(3)氨氮含量监测

养虾池塘中的氨氮来源于饵料、水生动物排泄物、肥料及动物尸体分解等，氨氮含量超高，会影响虾类生长，过高则会造成虾类中毒死亡，给生产带来重大损失系统监测氨氮含量，超出正常值范围时，就要对养殖区进行清洁或换水。

虾类养殖中还需要监测水域环境，包括：

(1)光照检测

光照时间长短、强弱决定着虾类生长的繁殖周期和生产质量，光照系统会自动计算水域养殖时虾类需要的光照时间长短，是否需要开关天窗。

(2)温度监测

温度是影响水产养殖的重要环境因素之一，这其中包括进水口温度，池内温度，养殖场空气温度等。根据经验总结，在适合的水温范围内，计算好合适的水温，对虾的生长起到重要作用，

本方案能更好的规避传统的水产养殖大量使用人工，浪费人力，增加成本、因为信息采集不及时和残缺，导致能源使用的浪费问题。本方案与传统的水产养殖相比其优势在：

1、自动检测养殖区含氧量，无需24小时增氧，当氧量不足时，系统会自动打开增氧泵；养殖区温度过高时，天窗自动开启散热

2、自动化控制：根据水质，自动进行换水。

最后，依设计规划、控制模式及管理系统三构面一体化，从养殖环节导入智慧养殖关键技术，透过跨域结合，开发模块化设计系统、物联网环控模块、节省工搬运机械与人机辅具、集参数化智能产销管理信息共通平台，并减少一半以上人力需求，以有效掌控水产养殖环境，优化水产养殖，发展标准化、高效化之水产养殖产业。以提升水产养殖技术与整合技术能量，落实产业化，达成水产养殖产量提升目标。

实施例二：

一种基于数字孪生的养殖监测系统，可实现实施例一所述的一种基于数字孪生的养殖监测方法，包括：

实施例三：

本发明实施例还提供了一种基于数字孪生的养殖监测装置，可实现实施例一所述的一种基于数字孪生的养殖监测方法，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤：

实施例四：

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，可实现实施例一所述的一种基于数字孪生的养殖监测方法，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤：

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于数字孪生的养殖监测方法，其特征是，包括：

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的养殖监测方法，其特征是，所述监测水域及养殖区域内的实时环境信息参数由采样装置和物联网监测系统监测得到，所述采样装置包含温度传感器、光照强度传感器，水体溶解氧、PH值、氨氮含量、亚硝酸盐含量、水温探头，所述物联网监测系统为在养殖区域内设置可移动监控设备。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的养殖监测方法，其特征是，所述环境信息参数影响值的计算公式为：

4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的养殖监测方法，其特征是，所述本养殖方案投入产出比例预测值的计算公式为：

其中，K为本养殖方案投入产出比例预测值，C为本养殖方案环境信息参数，c为本养殖方案环境信息参数增长率，M₀表示影响值众数。

5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的养殖监测方法，其特征是，所述影响值众数的计算公式为：

6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的养殖监测方法，其特征是，所述影响值集合为多个同类历史养殖方案作为比较方案与所述基准方案对比计算得到的影响值形成的集合。

7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的养殖监测方法，其特征是，所述自动控制系统能够控制监测水域及养殖区域内的水口电磁阀、增氧泵、天窗开启和关闭。

8.一种基于数字孪生的养殖监测系统，其特征是，包括：

9.一种基于数字孪生的养殖监测装置，其特征是，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

10.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。