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基于视觉感知的工厂化养殖智能投喂管理决策方法研究

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基于视觉感知的工厂化养殖智能投喂管理决策方法研究

作者：杨金汇重庆工商大学

学位级别：硕士

工厂化循环水养殖模式（Recirculating Aquaculture System,RAS）作为一种新型养殖模式，不仅能够摆脱地域、气候等自然资源的限制，而且可以循环利用养殖水资源，污染少效益高，是实现水产养殖业可持续发展的重要途径。由于RAS的养殖... 详细信息

工厂化循环水养殖模式（Recirculating Aquaculture System,RAS）作为一种新型养殖模式，不仅能够摆脱地域、气候等自然资源的限制，而且可以循环利用养殖水资源，污染少效益高，是实现水产养殖业可持续发展的重要途径。由于RAS的养殖密度普遍较高，养殖周期相对较短，因此饵料成本与投喂成本能够占到养殖总成本的60%以上。针对养殖过程中最重要的投喂环节，如何实现智能化的精准适量投喂，提高投喂效率，降低人工投喂成本是行业发展当前面临的重大挑战。为此，本文借助重庆工商大学国家智能制造服务国际科技合作基地所搭建的RAS真实试验平台，以淡水石斑鱼（Cichlasoma managuense）为主要对象，采用图像边缘检测、目标检测等计算机视觉关键技术，提出一套服务于RAS的智能投喂管理决策方法。本文所开展的研究工作主要包括以下三个方面：　　第一，本文对投喂视频样本进行预处理，建立图片样本库。首先，通过循环水养殖池上方预置的视频采集硬件对2021年9月15日至10月15日的淡水石斑鱼人工投喂视频进行采集。其次，采用基于视频内容帧间差分的关键帧提取算法对投喂视频进行预处理，建立包含24000张投喂图像的原始图像数据集。最后，根据石斑鱼体长测算方法、水体残饵状态分析方法以及鱼群摄食频率检测方法的研究需要，分别挑选相应数量的图像数据集进行预处理与人工标记，建立图片样本库。　　第二，本文采用Canny边缘检测算法，构建鱼群生长状态测算方法。首先，提出了基于边缘检测的淡水石斑鱼体长测算方法，使用Canny算子对数据集图像进行透视变换，通过HSV值识别养殖池中心排污管作为长度“参照物”，使用Canny算子检测中心排污管的轮廓和淡水石斑鱼标记框，将石斑鱼标记框顶点坐标结合中心排污管坐标和实际长度构建转换函数，得到石斑鱼实际体长。其次，提出了基于回归分析的鱼群体重测算方法，采用人工测量方式获取320组淡水石斑鱼的体长和体重数据，利用SPSS软件进行曲线回归分析，拟合多个曲线后得到幂函数的拟合优度最高，根据幂函数曲线得到淡水石斑鱼体长—体重关系式，并与实际的10组体长体重数据进行对比，平均误差率约为4.56%。最后，结合淡水石斑鱼体长测算方法与体长—体重关系式提出了鱼群体重测算方法，通过不同数量的图像数据集输出结果测算平均体长，进而预测鱼群体重。在图像数据集为1000张时，对比鱼群实际重量，预测准确率约为87%。　　第三，本文基于卷积神经网络理论，建立鱼群精准投喂决策模型。首先，提出了水体残饵状态分析方法，在预先建立好的数据集基础上，利用改进后的VGG16网络进行训练与预测，模型训练在8个epoch达到最优，AP值约为0.917，AUC值约为0.93。其次，提出了鱼群摄食频率检测方法，在预先标记好的图像数据集基础上，利用YOLOv5s网络进行训练与预测，模型训练在60个epoch达到最优，mAP值约为0.954。最后，结合鱼群体重、水体残饵状态分析方法、鱼群摄食频率检测方法，构建了鱼群精准投喂决策模型，采用SPSS软件对人工投喂实验得到的40组投喂量和摄食频率进行曲线拟合，得到投喂量和投喂频率的关系式，并设计了投喂决策判断流程图。在30天的投喂对比实验中，采用人工模拟投喂方法对精准投喂决策进行模拟，对比传统人工定时定量的投喂方式，在鱼群增重率近似的情况下，人工模拟精准投喂决策的投喂方式30天累积的残饵量比传统人工投喂方式减少了约360g，累积残饵量约为传统人工投喂方式的36.56%。　　本文通过在RAS真实试验平台上的视频采集及投喂实验，构建了基于视觉感知的精准投喂决策模型，以探究在RAS养殖场景下的智能化投喂管理决策方法。本研究有利于提高工厂化循环水养殖投喂管理决策的水平，同时也能够为后续水产养殖中投喂管理决策的智能化研究提供新思路。

关键词：工厂化循环水养殖智能投喂卷积神经网络边缘检测图像分类目标检测

基于深度学习的鱼类摄食强度探测与智能投喂系统研究

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基于深度学习的鱼类摄食强度探测与智能投喂系统研究

作者：冯双星广西大学

学位级别：硕士

中国是水产养殖大国,但并不是养殖强国。在养殖过程中,自动化和信息化程度较低,关键的投喂等作业仍以时序控制为主,造成饲料浪费和成本增加。因此,高效、精准的投喂系统尤为重要。前人研究表明,对鱼群摄食强度进行精准的探测,可有助于... 详细信息

中国是水产养殖大国,但并不是养殖强国。在养殖过程中,自动化和信息化程度较低,关键的投喂等作业仍以时序控制为主,造成饲料浪费和成本增加。因此,高效、精准的投喂系统尤为重要。前人研究表明,对鱼群摄食强度进行精准的探测,可有助于实现投料量的精确控制,进而控制饵料成本,提高生产效率。针对以上问题,本研究以工厂化循环水养殖的虹鳟鱼为研究对象,利用深度学习和机器视觉技术,提出了一种实时、高精度、轻量级的3D Res Net-Glo Re鱼群摄食强度探测算法,并开发了基于鱼群摄食强度分级的智能投喂系统,可以有效克服光照度不均、鱼类运动等对图像处理带来的挑战,有助于提高投饵过程中的自动化和智能化水平,具体的研究内容如下:（1）提出了一种实时、高精度、轻量级的3D ResNet-GloRe鱼群摄食强度探测算法,可以有效捕捉由鱼类运动引起的水花、纹理等特征,并以此为据实时探测视频流中鱼群的摄食强度。首先对轻量级Glo Re模块进行3D拓展,将3D Res Net网络中的Residual block修改为3D Glo Re模块,形成3D Res Net-Glo Re网络。3D Glo Re模块通过交互空间中的图卷积实现关系推理,提升了网络的判别精度;同时,在保证精度的前提下对视频进行抽帧处理,降低了模型参数量与计算量,提高了训练和识别的速度。实验结果表明,本算法对四类摄食强度的分类准确率达到92.68%,比经典的3D ResNet算法提高了4.88%。同时Parameters参数下降46.08%,GFLOPs参数下降44.10%,可以每秒预测17次鱼群摄食强度。（2）开发了鱼群摄食强度实时检测系统,研发了基于摄食强度分级的智能投喂系统。结合3D Res Net-Glo Re算法和pyqt5技术,鱼群摄食强度实时检测训练系统实现了模型训练和实时监测鱼群摄食强度的功能。智能投喂系统包括饲料箱、下料装置、抛料装置以及智能调速模块。调速模块进行四段速的程序设置,对下料装置进行调速控制,使下料装置的四档速度对应鱼群摄食强度四种等级。通过实时检测系统对鱼群摄食视频流进行识别,获取鱼群的摄食强度标签,并给予相应的投喂指令,控制智能投喂系统实现准确、实时的分级投喂。最终实现按鱼类需求自动调节投饵速度,达到精细化饲养,降低成本的目的。

关键词：摄食强度 3D ResNet-GloRe 水产养殖深度学习智能投喂

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基于物联网技术的宠物智能投喂系统设计

物联网技术 2023年第12期13卷 109-111页

作者：李冰乳李帅东刘昕洋陈自力郑州电子信息职业技术学院河南中牟451450 新疆政法学院信息网络安全学院新疆图木舒克844000

生活中很多人喜欢在家饲养犬猫等宠物,但有时因工作需要长时间外出,不能及时投喂食物,严重影响宠物的健康。针对以上现象,文中设计了一款基于物联网技术的宠物智能投喂系统。该系统采用物联网技术,以STC89C52RC单片机为核心,通过新浪云... 详细信息

生活中很多人喜欢在家饲养犬猫等宠物,但有时因工作需要长时间外出,不能及时投喂食物,严重影响宠物的健康。针对以上现象,文中设计了一款基于物联网技术的宠物智能投喂系统。该系统采用物联网技术,以STC89C52RC单片机为核心,通过新浪云服务器ESP8266模块连接,远程控制舵机SG90、水泵智能投喂食物,控制DS18B20传感器、红外学习模块调节宠物生存环境的温度,从而解决了由于时间、距离关系而无法照顾宠物的现实问题,保障了宠物的健康。

关键词： 51单片机智能投喂无线模块物联网 DS18B20 PWM

基于云平台的渔业养殖投喂与监测装置设计与实现

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科学技术创新 2022年第34期 109-112页

作者：陈蔚然张华珺潘博皖西学院电气与光电工程学院安徽六安237000

中国鱼类的销售主要来源于人工养殖,其次来源于人工捕获,当前鱼类的养殖,出现了养殖品种质量下降,养殖捕捞产量降低,养殖收益较低等问题。中国的水产品出口长期在国际贸易中处在重要地位,但目前市场上的渔业养殖以人工养殖为主,与自动... 详细信息

中国鱼类的销售主要来源于人工养殖,其次来源于人工捕获,当前鱼类的养殖,出现了养殖品种质量下降,养殖捕捞产量降低,养殖收益较低等问题。中国的水产品出口长期在国际贸易中处在重要地位,但目前市场上的渔业养殖以人工养殖为主,与自动化养殖相比有诸多缺点,为使养殖户的利益最大化,自动化养殖装置应运而生。利用本产品在渔业养殖中实现智能投喂与实时监测的目的,改变养鱼者现有的投喂、监测方式,以期达到一种事半功倍的效果,体会智能化在实际生活中的应用。

关键词：渔业养殖云平台传感装置实时监控智能投喂

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智能型虾塘移动式投饵装置研发与试验

智能型虾塘移动式投饵装置研发与试验

作者：程文平上海海洋大学

学位级别：硕士

随着消费者对虾类产品需求量的日益增加,虾类养殖已成为水产养殖中的重要组成部分。其中,饵料在养殖过程中是最直接的可控成本,如何确保饵料抛洒的均匀性,减少浪费,实现虾塘养殖的智能投喂是虾类养殖过程中亟待解决的关键问题。由于觅... 详细信息

随着消费者对虾类产品需求量的日益增加,虾类养殖已成为水产养殖中的重要组成部分。其中,饵料在养殖过程中是最直接的可控成本,如何确保饵料抛洒的均匀性,减少浪费,实现虾塘养殖的智能投喂是虾类养殖过程中亟待解决的关键问题。由于觅食习性的差异,养虾需要全塘投喂,所以养虾饵料泼洒方式有别于养鱼,养鱼可以用固定式投饵机,虾类养殖当前多以人工岸边泼洒或撑船泼洒为主,耗时费力,作业效率不高。随着劳动力资源不断减少,人工费用不断上涨,在水产养殖领域经济效益起伏不定的实际情况下,若不能提前做好相关技术储备和创新,该行业将无法完成柔性转换,阻碍自身的优化升级。上海有近4万亩虾塘,全国有上百万亩[1],具有巨大的市场需求,研发一种高效的智能投喂装置将具有广阔的前景。我国虾类养殖在技术方面已经取得了较大的进步,但是在“精确”养殖还很不足,存在着过分依靠养殖人员的经验问题。饵料投喂方面,由于需要均匀遍洒,主要还是依靠人力进行,劳动力耗费大,效果不能令人满意。目前国内还没有适合于解决虾类养殖过程中饵料投喂问题的装备支撑,而且这些装备还必须满足相对恶劣的现场应用环境,保证高可靠和易用。为解决这一问题,必须选择核心点进行突破,依托信息化、物联网等新技术,对相关装备进行攻关。本文针对虾塘饵料投喂不均、投喂方式落后等问题,研制简单易于操作的智能型虾塘移动式投饵装置。该装置结合滚塑成型、北斗自主导航、自动投饵和太阳能持续供电等技术进行开发,真正实现易操作、高可靠性下的智能化运作,通过自主投喂提高工作效率。本论文的主要研究内容和取得的成果如下:1)提出以双体船为载体,基于北斗自主导航定位和双螺旋桨推进技术的智能型虾塘移动投饵装置的总体设计方案,并对各功能系统进行合理化布局设计。2)采用双体船“一体化”设计的概念,对船体型线和料箱进行优化设计,利用滚塑成型工艺完成双体船和料箱的加工制造。整体装置设计参数为:船长1800mm,型宽1200mm,型高1000mm,片体高350mm,最大吃水深度240mm。完成对整个装置负载结构参数的校核,以及装置重心和浮心的估算。通过装置动力系统设计,确定以2个150W直流电机带动双螺旋桨的驱动方式,完成投饵装置移动功能。3)分别对投饵机下料系统和抛料系统进行结构优化设计。该投饵系统选用偏心抖动的下料方式和转盘高速离心抛洒的抛料方式完成投饵。对偏心抖料系统进行建模,利用铰链四杆机构分析计算出抖料盘的最优振幅区间为1.26～1.68mm;对抛料盘进行运动仿真分析,抛料盘最优折弯角度为12o,借助陆上抛料试验验证优化效果,结果表明,优化后的投饵系统在抛料均匀性和破碎率方面有了明显改善,达到了优化效果。4)完成装置控制系统的设计。对自主导航定位模块进行精度测试,完成北斗自主导航定位模块选型,最终选定定位精度为0.82m的MN110模块。基于北斗导航技术开发回转式路径规划纠偏控制算法、区域自适应投饵控制算法以及航速自适应投饵控制算法,按照装置功能系统的控制需求实现对主控板卡和电机驱动板卡的开发,促使装置依靠指令的自我反馈完成智能投喂。5)采用太阳能板持续充电的方式完成对装置的供电。经计算,决定采用2块最高充电电压为18V,额定功率为180W的单晶硅太阳能板和一组铅酸蓄电池(共120Ah)形成持续供电系统,保证整个装置的正常运行,避免用户频繁进行电力补给所带来的不便,促进无人化操作的实现。6)以上海海锋水产养殖合作社为基地,将自主研发的智能型虾塘移动式投饵装置组装调试后进行虾塘现场试验,以验证装置的可靠性和可行性。试验主要测试4个项目,第一,测试装置的最大航偏量以验证回转式路径纠偏控制算法的实用性和装置的可行性;第二,测试装置在极限运行状态下的性能指标参数,获取包括航行时长、航速、投饵量以及饵料抛洒分布密度等值的适用区间;第三,验证航速自适应投饵控制算法的可行性;第四,验证区域自适应投饵控制算法的可行性。上述试验结果为该装置的推广与应用提供了基本的依据。

关键词：虾类养殖虾塘移动式投饵装置北斗自主导航智能投喂

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深海网箱养殖装备关键技术研究进展

机械工程师 2015年第10期 134-138页

作者：宋瑞银周敏珑李越张惠娣林躜浙江大学宁波理工学院浙江宁波315100 太原科技大学太原030024

由于近海浅水网箱养殖的日益饱和、鱼类品质下降,为拓展研制海域,提高海产品品质,发展深水海域网箱养殖得到日益重视。针对深水海域网箱养殖装备中突出的问题如网箱抗浪、能量供给、饵料投喂等技术发展现状及存在的问题进行了介绍与探讨... 详细信息

由于近海浅水网箱养殖的日益饱和、鱼类品质下降,为拓展研制海域,提高海产品品质,发展深水海域网箱养殖得到日益重视。针对深水海域网箱养殖装备中突出的问题如网箱抗浪、能量供给、饵料投喂等技术发展现状及存在的问题进行了介绍与探讨,并分析了深水网箱最新研究进展及发展趋势。

关键词：深水海域网箱养殖装备抗浪智能投喂能量供给