水产养殖系统外文翻译.doc

《Application of an expert system to monitoring and control in aquaculture》
外 文 翻 译
专家系统在水产养殖监测和控制方面中的应用
David D. Harris,Feng Zhang,Peter H. Sydenham

摘 要 当任何测量任务接近于所需要的学科观点时,我们发现,这个学科通常包含一系列的数据，而且这个学科被解释为一整套的控制语言。现在的应用程序中,测量和控制水质是鱼健康育种的基础。这也是之前所说控制的基础,实时提供测量数据,对于确保鱼的健康来说是很重要的在。
计算机把简化专家系统的应用作为基础控制，以此来进行实时监控和控制。这篇文章论述了计算机的基础发展、分布式监测和建立专家控制系统。该系统集成了启发式和实时变化的知识，增强了自动决策的基础。
该系统一个重要的特佂是,仅仅使用简单的计算机技能，直接通过访问专家系统的创建者, 就能改变系统的应用程序和操作规程。并允许陌生的用户，通过构建“传感器知识”来简化传感器的设计和操作，或指定所需的传感器，并通过系统提供的要求来建立它们。
测量和仪表系统中心(MISC)是一个澳大利亚南部大学的研究中心，它的目标是发展更好的测量方法和设备。所有项目的基础方法就是运用。最近，这个研究中心正与澳大利亚南部的渔业部门开展一个项目，这个项目将把这方面的专业知识与特定应用程序应用到水产养殖的监测和控制当中。
关键词 专家系统、监测和控制、知识库、用户交互
1 背景
为了体现该地区一套以知识为基础的方法论，有必要开发一个基本的应用程序。2 当前的水产养殖实践
从海洋网箱到陆地上的池塘，世界各地普遍存在水产养殖。无论淡水或海洋鱼类都是养殖的对象,包括鳍鱼、甲壳类和软体动物等。然而一些常见的问题出现在这一课题中：
•通常水产养殖设施的成本很高。
•水产养殖的可行性操作依赖于劳动力和运营成本。
•因为典型工业过程的差异和水产养殖情况，传统工业过程的方法和控制工程并不能简单的应用,
•对鱼的生理和行为的了解,尤其是在集约农业的情况下,通常是有限的、局部的。
•在鱼类生长的实验和建模过程中，对鱼类生长缓慢的原因进行监测和控制具有一定的难度。
•根据大量有关养鱼类生长的不同数据可以得出，鱼是非常敏感的，如不能保证水质，可以在很短的时间内造成鱼类的大量死亡或绝产。
•渔民对计算机控制设备有强烈的依赖，因为它们具有处理鱼类养殖相关的大量数据的能力。
3 水质
饲养鱼的目的是培养健康的鱼。毫无疑问，影响鱼健康的最重要的因素之一是他们所生活水题环境。水质取决于物理、化学和生物因素的影响。这些因素影响着水的使用;这些因素影响到鱼的生存、繁殖、增长、生产或管理。许多系统参数相互影响，比养殖人员所了解的复杂的多。
可测量发挥重要作用的物理参数包括：
•溶解氧
•温度
•溶解氨(NH 3和NH4)
•pH值
•盐度
•浊度
根据养殖的鱼类种类及环境不同，水的质量包括这些因素的不同组合。
4 基于专家系统的监控和控制系统
4.1 理想系统
一个理想的养殖监控系统应该有能力监测整个鱼类活动范围。一个理想的计算机“助手” ,应该可以推断鱼的生长和市场趋势。目前,一个精通电脑的用户，可以结合现有软件获得这样的数据，尽管这样一个友好的用户“助手”不可以利用，但我们不应该忽略了一个事实,那就是，任何监测技术和控制系统都有自己所能够完成的任务。例如,控制水质并不是目标本身。鉴于上述问题，理想的监测控制系统应提供:
•具有连续测量和记录的功能,所有的可测量的参数对鱼的健康是很重要的。
•用户可以容易的去修改系统设置，并根据测量数据做出系统决策。,
•设置用户控制操作系统警报或报告
•记录鱼类的生长和健康的数据。
•记录其他相关数据,特别是饲养和气象方面。
水质也受到池塘布局、当地盛行风、鱼的种类和密度、藻类,底层土壤和各种其他因素的影响。理想的系统应该考虑到这些因素之间的差异,进行人性化的监测和控制。
5 当前的技术
水产养殖行业在水质监测方面存在许多相关设备供应商。研究表明，在一些高端的商业市场会有使用计算机进行水产养殖监测和控制的系统，，汉森5就是这样的一个系统。仪器供应商通常会结合该项目所能得到的利益提供建议和咨询服务，并使用他们的设备完成完整的系统任务。
研究人员已经用计算机采集6种测量数据并分析。MacKinlay 7的额外商业软件包(如电子表格)是完成这项工作的强有力工具。技术媒体描述了安装使用计算机监测和控制的方法,但是这种类型的安装通常需要帮助，因为计算机专家系统通常是定制的。因此,在高端市场,大量资本成本是可以接受的,因为它可以使你的水产养殖厂得到全面有效的监测和控制。在低端市场,资本是有限的，同时也没有相关系统可以解决这个问题。
除了上面描述的情况与计算机技术,同时还有一个问题是实现系统测量和过程监测的核心。首先,虽然有大量销售的技术工具文献，但在选择与规范仪器的使用上，没有专业知识的帮助与指导。
第二缺乏标准化的通信系统，使其形成一个完整的监测网络,这个问题的出现使水产养殖业有待观察。
第三,仪器的成本往往很高,仪器和备件的可用性也是一个问题。
6 以知识为基础的概念
6.1 关键概念
鱼民需要从鱼的生活环境中获得知识，这些知识要么被农民利用，要么被系统系统利用来控制环境。为解决上述问题,我们将大量的概念运用到水产养殖操作的知识系统当中。这些关键概念包括基于规则的传感、规则、用户可访问性和传感器设计的知识,为此我们将在下面进行一一讨论。
6.2 基于规则的传感
知识永远是上下文相关的。通常的意义上，特定的传感器读数依赖于其他因素,以及与其他传感器读数相互关系。 在一定的背景下,为其提供一个测量系统的模型。
为操作这样一个基于规则的模型，专家系统提供了一个监测和控制的方便方法。然而,作为运营商却不是一个完整的控制系统，通常应用此程序的很少。比如麦克纳马拉所描述的就是一个典型的例子。水温传感器测量的仅仅是一个简单的数字。难道这个数字就代表鱼类的健康程度么？其他因素比如鱼的种类、溶解氧含量等都是相关的。值得注意的是，读数精度的影响往往较小。
巴伯表示,知识可以被认为是一个转换运算符,映射信息(证据)信息(结论)。有关鱼的动态转化代表模型如图1所示

图1 监测和控制系统相关数据信息传递流程图
一个人在做一个模型的过程或规则时，他通常会建立一个这样的仪器系统，只是没有意识到事实。虽然它比较容易获得而且非常详细,但测量仪器很难获得一个简洁的语句进行渔场操作。因为他们更好的定义为数字，所以往往认为前者比后者被更重要。Houvenaghe112模型就描述了这样的发展,并突出了一些实际困难。
专家系统为其提供了一个良好发展。系统决策显然是根据人类与启发式知识相结合的测量数据所做的。该系统模拟了一个信息收集和处理的这么一个过程。
7 规则
它必须有三种类型的基本规则应用到监控系统当中:
•具体来说，技术规则的本质不能改变，专家系统的本质就是将硬件编码，从而通过接口功能实现。
•通常鱼类的养殖规则反映了当前（高度变化）的知识状态。体现这个规则的一个例子是，在温度范围为16.5～18.5°C，鲍鱼（软体动物）生长最好。值得注意的是，这个规则是直到最近的研究结果才成为已知。
•渔场具体规则。它可能是一个通风装置，用于增加溶解氧含量，使渔场配置更有效。
这是一个专家系统中最基本的规则。然而，鱼类繁殖规则必须随着知识的进步而不断更新，而特定的规则要求更好的被渔民利用到渔场之中。
8 用户可访问性
无论监控系统是否会被渔民广泛应用到实际当中，最根本的则是取决于使用的容易程度。混淆或歧义引起灾害，系统必须是完全自然的和友好的使用才能起到最大的保护。这一领域的人机接口是一个重要的研究领域,实现一个真正的友好和明确的工作环境是一个简单但是费时的任务。汉森5描述了在一个大的系统中，解决这一问题的途径。对于较小的系统，我们认为开发一个特殊界面是一个不合理的方法。耗费的时间的同时可能还造成资源浪费。此外,如果一个“现成的”界面，可以完成手头的任务，将极大地加快完成任务的时间,从而也不需要建立一个新的界面。
在我们的例子中,专家系统方案的选择很大程度上考虑到这一点。英国使用它是因为它简便实用,同时也可以在个人电脑上运行。通过了解接口的布局和简化界面设计的规则操作。我们发现它没有难以使用的电子表格软件。
9 传感器设计
专家系统结合鱼类生长环境数据，指定传感器网络以及单个传感器。MISC集团开发了大量标准化格式的软件包。给定一个完全集成的具有强大规则库的系统，拥有相对简单的知识水平就可以获得。

图2。鱼缸水质控制系统安装示意图
指定传感器的性能和规则库的数据是有必要的，这是向系统提供产品说明和购买适当传感器简单的一步。农民自己制作产品尚处发展阶段。在这里自己的产品没有得到进一步的发展，除非农民具有很高的才能、低成本的仪器、以及维修农场的能力和完整的系统服务。
10 测试系统
10.1 系统描述
系统由一台个人电脑,一组水质传感器,传感器信号发送器,通信总线和水质报警设备等组成。布局规律如图所示2。
10.2 软件
个人电脑的核心系统和执行所有计算和数据管理等控制操作之外。所需的软件可以分为两个基本类别:实时性和实用性。实时软件包括专家系统和各种用c语言编写的接口开发程序。专家系统通过通信总线上的设备提供接口程序。专家系统进行整个系统模型的数据响应和时间维护。在任何时候这些程序都正常运行。实时软件监测控制的部分,包括接口,数据库管理器(数据库)。专家系统支持整个系统模型，按照协议获得并响应相关数据。
设施还提供初始系统设置、传感器替换, 校准传感器工作范围和修改操作时间表等。然而,令人期待的是，用户将通过直接操作专家系统的规则实现这些步骤,而不是通过一个特殊的接口。
这里使用的软件工程战略是开发通用软件,它可以快速和轻松地定制监测和控制任务,以及较为复杂的各种应用程序。
11 操作规程
小规模专家系统正在使用一个温度传感器和溶解氧传感器来控制鲍鱼池中的增氧机和冷水机组设备。鲍鱼水族馆是一个空调实验室,所以,水温22°C,这对鲍鱼太热。显然没有昼夜变化的效果。系统并不局限于这种小规模的操作,它可以扩展到数以万计的传感器和执行器节点,并且每一个都具有携带大量设备的能力。
监测溶解氧读数为例:
•统根据预先设定的时间表查询一个需要的时间，
•通信系统发送信号指令，打开传感器数字传输功能
•系统在预定时间等待传感器读数稳定然后再接收数据。
•在阅读温度的同时,系统还会使用一个内部规则推导出数据表格。
•当系统接收到的读数低于设定的值时。
•系统启动充氧装置。
•同时不断监测数据。
•当溶氧量读数超过90%饱和度时，增氧机关掉,如此反复进行。
注意,用户可以改变这些规则不需要任何编程,只需对芯片进行编辑。
12 数据库操作
与数据库接口一起建立了数据日志记录功能。所有从传感器读取的参数和系统响应和采样时间和日期都存储在数据库中。如果一个参数的限制程序在注解字段写着“* *”字样，那是为了吸引用户的注意力。日期索引允许从一个用户输入的日期和时间开始扫描，可以按照日期/时间顺序(向前或向后)排序。但进一步提供索引记录是不可取的。当然,用户也可以构建其他指数数据库。
13 芯片实现
如上所述,我们使用芯片,是因为我们感觉使用简单，懂电脑的人只要经过小小的训练就能够使用。为了其内部规则开发和最后的演示,它也有一个良好的用户界面,它可以给用户开发专家系统。通过数字总线传感器，实现芯片沟通。使用I2C系统,是因为飞利浦所有必要的功能是提供智能芯片。传感器上携带传感器信号调节电路。是为了向用户提供一系列的新功能。
14 测试和结果
系统模拟用户数据输入传感器输出过程已经大约三个月了。该系统能够将计算机与传感器相结合，并且能够完整的按照预先设定的程序进行操作。表明该系统能够监测和控制鲍鱼的整个生长环境
15 传感器接口
虽然原理简单,但专家系统的接口和总线接口之间出现了许多问题I这主要与使用c语言编写的接口程序有关。这是由于C语言编译器选择的局限性越来越复杂。一旦解决，这些问题将不再发生。
操作界面有两个方面的用户界面,操作界面和接口界面。操作使用界面是用户简单地使用该系统,而不修改它。晶芯片为系统建设者提供了一个用户界面,这个用户界面很好的使用了图形和颜色。用户界面包括信息、数据输入、菜单、帮助和简单的图形。
16 用户操作规则
用于设置规则库和修改它的接口规则，虽然很容易被使用,但也有一些未经训练的“陷阱”。接口允许用户生成一个规则结构,但并不控制该结构的形成。系统操作尤其是更新,极大地促进了用户创建一个混乱的规则网络。不幸的是,清理这样的规则是一个相当复杂的任务,因此了解更多的专家系统结构比创造一个良好的结构更重要。这样用户访问规则结构当然是可能的,甚至是简单的, 用户经训练创建解决非常复杂的问题的规则它也同样容易。
17 计算系统内存需求
在这个应用程序中,芯片有两个接口程序,运行数据库接口和总线接口,这两个接口同时常驻内存。这使得个人计算机内存容量要有巨大需求。提供相应的预警信号可以使其扩展。当然,克服640 kb的限制很容易被实现。
18 摘要和结论
这项研究表明,使用一个很可行的专家系统作为一个监测和控制系统的基础,有许多重要的潜在的好处。这些好处在一定程度上为实现良好的用户界面上提供了直接的参考信息。原则上,系统可编程逻辑控制器和微处理器的功能可用好几年，这些功能只有在专业人员那里可以实现。渔场很少有这种能力。我们相信使用一个易于使用的专家系统克服这一障碍,提供这种技术的域用户技术技能是在较低的水平。
19 致谢
戴维哈里斯是由澳大利亚研究委员会的国家研究奖学金赞助,冯张在南澳大利亚大学工作期间由中华人民共和国山东省农业科学研究所赞助。南澳大利亚渔业在水族馆的供应,动物,海水和饲料,以及整个项目的建议和帮助。

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