本發(fā)明涉及一種基于智能控制的新型黃顙魚運輸方法，屬于黃顙魚運輸技術領域。
背景技術：
黃顙魚(pseudobagrusfulvidraco)，俗稱昂刺魚、黃鴨叫等，屬鯰形目，鲿科，黃顙魚屬，由于該魚沒有肌間刺，蛋白含量較高而成為我國的主要小型經(jīng)濟魚類。目前我國黃顙魚年產量已突破40萬噸，市場上需求黃顙魚苗量超過60億尾以上，但是黃顙魚的產地主要集中在長江和珠江等流域，我國西北地區(qū)的黃顙魚產量很少，因此需要一種適合長途運輸黃顙魚的方式來擴大黃顙魚的消費市場。黃顙魚胸鰭和背鰭有帶鋸齒的硬刺，如何保證其運輸安全，是一項急需解決的問題。麻醉處理方法普遍用于黃顙魚運輸(常用ms-222作為麻醉劑)，但該方法有如下缺陷：ms-222溶液呈酸性，會增加運輸水中某些金屬元素和有機污染物的毒性；麻醉初期，ms-222對黃顙魚具有刺激作用，會引發(fā)糞便排出；麻醉劑的刺激可導致處于亞健康的黃顙魚死亡，死魚不僅會污染水質，也會消耗水體溶解氧，若缺乏對水體溶氧，ph等水質指標的監(jiān)測，沒有及時調整水環(huán)境的調控策略，將會導致更多的活魚死亡；傳統(tǒng)麻醉運輸方法，設有增氧、溫控設備以控制麻醉劑的作用條件，但因其工作在水體表面，濕度過大常導致設備故障，若缺乏監(jiān)測設備，將不能保證麻醉劑的作用條件；空氣中的污染物溶于水中會污染水質，甚至可能對麻醉劑產生影響。另外，劇烈震動可能導致黃顙魚相互刺傷。
傳統(tǒng)黃顙魚麻醉運輸?shù)乃|評價方法往往通過線性函數(shù)模型或者單因素的方法來進行，人為主觀臆斷的因素較大，不能全面評價水質情況，不能及時做出決策分析。運輸中的水質問題與酸堿度(ph)、溶解氧(do)、氨氮(tan)有緊密聯(lián)系。運輸中，水體do值低于其窒息點，魚類會缺氧致死。ph值達10以上或4以下時，會損壞呼吸器官的表皮細胞進而影響魚的呼吸。非離子氨進入魚體后，對酶水解反應和膜穩(wěn)定性產生明顯影響，表現(xiàn)出呼吸困難，昏迷、甚至致死等現(xiàn)象。
遠程監(jiān)控設備通常在家電、通訊、金融、自動化和其他領域的產品應用上較豐富，且出現(xiàn)了集成gps、gis、gprs等技術的農資運輸過程的監(jiān)控管理設備，但上述設備價格昂貴且在數(shù)據(jù)傳輸時需要耗費大量數(shù)據(jù)流量，產生大量費用，不適合大范圍推廣。
技術實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：針對上述技術問題，本發(fā)明提供了一種基于智能控制的黃顙魚運輸系統(tǒng)，創(chuàng)新性地將智能控制技術，數(shù)值模擬方法運用到傳統(tǒng)的黃顙魚麻醉運輸中，旨在解決傳統(tǒng)黃顙魚麻醉運輸方法無法精準實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測與調控的難題。
技術方案：本發(fā)明公開了一種基于智能控制的新型黃顙魚運輸方法，使用麻醉劑將黃顙魚麻醉后放入活魚箱內，箱體內部包括水體以及漂浮于水體表面的船體，船體內部設有核心控制部件，其連接有設于水體內部的溶氧、ph和溫度傳感器，以及設于水體外部的震動、噪聲和空氣質量傳感器，用于實時捕捉箱內環(huán)境信息；水體內還設有溫控設備，船體上設有負離子空氣凈化裝置；此外，還包括終端設備，用于接收和處理傳感器信號以及控制船體移動，最終通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡建模對黃顙魚運輸水質進行評價，實現(xiàn)黃顙魚運輸過程中的水質精準調控。
所述麻醉劑為濃度80～90mg/l的ms-222麻醉劑。
所述負離子空氣凈化裝置包括負離子發(fā)生器與負離子發(fā)射器，為避免負離子對系統(tǒng)產生靜電干擾，用防靜電屏蔽袋將負離子發(fā)生器與負離子發(fā)射器隔離開，負離子發(fā)射器向活魚箱內不間斷發(fā)射負離子，用于凈化活魚箱內的空氣。
所述震動和噪聲傳感器，能夠監(jiān)測活魚箱內的強烈震動與噪聲以提醒駕駛員減速慢行。
所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡為三層bp神經(jīng)網(wǎng)絡。
所述活魚箱內壁還設有海綿墊，船體的船身被防靜電屏蔽袋包裹，船體底部設有直流電機。
所述核心控制部件內部還設置有無線通信模塊，用于與終端設備接收和發(fā)送信號。
具體的技術方案如下：
1、將停食2～3天的活體黃顙魚放入濃度為80～90mg/l的ms-222進行麻醉；將麻醉后的黃顙魚，放入內壁設有彈性海綿防撞裝置的活魚箱內，黃顙魚的運輸密度為28～29g/l，在活魚箱內設置凈化水質的過濾器；運輸車上的充氧機不間斷的為活魚箱內充氧，活魚箱內設有溶氧、ph和溫度傳感器，可以實時監(jiān)測活魚箱內的溶氧、ph、溫度的變化情況，并將水質參數(shù)實時傳遞到駕駛倉內的終端屏幕，并將活魚箱溫度控制在20～22℃；活魚箱內設有震動、噪聲傳感器，駕駛室內的監(jiān)控設備可以實時捕捉活魚箱內的環(huán)境信號，活魚箱內的強烈震動與噪聲信號傳遞到終端設備上可實時提醒駕駛員減速慢行；活魚箱內設有空氣質量傳感器，監(jiān)控設備可以實時捕捉活魚箱內的空氣質量情況；活魚箱內有負離子空氣凈化裝置，可持續(xù)凈化空氣。
2.人工神經(jīng)網(wǎng)絡建模，實現(xiàn)精準水質管理，其步驟是：
(1)在實際運輸前選取若干條活體黃顙魚，在一定大小的容器內，加入適量麻醉劑，置于振動臺上，采集溶氧、ph和氨氮值。人工神經(jīng)網(wǎng)絡建模時涉及到的運輸時間、溫度、密度、規(guī)格、水源、麻醉劑濃度與實際運輸一致。
(2)將采集到的數(shù)據(jù)通過matlab軟件建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，通過不斷訓練確定隱含層神經(jīng)元個數(shù)及訓練函數(shù)，直到網(wǎng)絡達到期望誤差為止。
(3)在實際運輸時，在網(wǎng)絡輸出超過ⅲ類水質等級的時間段加入水質凈化劑來調控水質。
負離子空氣凈化器是近年來發(fā)展起來的廣泛用于家庭室內空氣凈化的裝置。在醫(yī)學界，負離子被確認是具有殺滅病菌及凈化空氣的有效手段。其機理主要在于負離子與細菌結合后，使細菌產生結構的改變或能量的轉移，導致細菌死亡。目前，傳統(tǒng)運輸方法只考慮水質對黃顙魚的影響，并未考慮空氣對黃顙魚運輸時的間接影響，空氣凈化裝置在黃顙魚運輸中尚未得到推廣使用。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(artificialneuralnetwork,ann)通過模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡中信號的輸入、傳遞、激活、依照大量人工神經(jīng)元相互連接，不斷調整神經(jīng)元之間的權值來計算，具有較強的非線性切分能力。基于以上的優(yōu)點，人工神經(jīng)網(wǎng)絡在過去常用于環(huán)境指標預測和評價。但將人工神經(jīng)網(wǎng)絡用于黃顙魚運輸水質評價的研究尚未見報道。
技術效果：相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明方法具有以下優(yōu)勢：
1.信息全面，包含運輸過程中的水質數(shù)據(jù)(氨氮含量、溶氧、溫度)，同時監(jiān)測駕駛室內的噪聲、震動、空氣質量情況，實時監(jiān)測水體污染、設備損壞、不良路況、麻醉劑副作用導致的不良影響，單一的黃顙魚麻醉運輸方法，極有可能因為在麻醉運輸時缺乏監(jiān)測，沒有及時采取措施而造成活魚大量死亡。
2.采用端到端的無線射頻模塊，無需產生網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量，適合大范圍推廣。
3.在一定密度、溫度下，確定了用于黃顙魚運輸?shù)淖钸mms-222濃度，使麻醉劑在不傷害魚體的同時獲得最大的存活率。
4.實現(xiàn)空氣質量的檢測，當空氣質量較差時，系統(tǒng)運行活魚箱內的負離子空氣凈化器，可凈化空氣，防止對水質的進一步污染，突破了傳統(tǒng)運輸方法在空氣污染調控上的不足。
5.通過bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡對黃顙魚運輸水質進行評價，突破了黃顙魚運輸過程中的水質精準調控難題。
6.監(jiān)測系統(tǒng)可由移動終端操控，自由移動，無需架設多個傳感器實現(xiàn)多點測量。
附圖說明
圖1：本發(fā)明所涉及的監(jiān)測與控制設備的立體結構示意圖，其中包括海綿墊1、溫度傳感器2、ph傳感器3、溶氧傳感器4、防靜電屏蔽袋5、stc15單片機6、負離子發(fā)射器7、震動傳感器8、噪聲傳感器9、空氣質量傳感器10、終端設備11、直流電機12、溫控設備13、負離子發(fā)生器14、無線通信模塊15；
圖2：本發(fā)明所涉及的bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的網(wǎng)絡進化過程圖，bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡迭代到193步時達到期望誤差，誤差為8.8839e-9；
圖3：本發(fā)明所涉及的bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的網(wǎng)絡結構圖，人工神經(jīng)網(wǎng)絡為三層bp(backpropagation)神經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡，網(wǎng)絡結構為3-7-1，網(wǎng)絡訓練函數(shù)為l-m(levenberg—marquardt)，輸入層到隱含層的傳遞函數(shù)為sigmoid函數(shù)，輸出層選取purelin函數(shù)作為傳遞函數(shù)。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發(fā)明所述的技術方案給予進一步詳細的說明，但有必要指出以下實施例只用于對發(fā)明內容的描述，并不構成對本發(fā)明保護范圍的限制。
實施例1：
1.黃顙魚運輸監(jiān)測與控制設備的開發(fā)
本發(fā)明核心控制部件為stc15單片機6(中國宏晶)，通過編寫at指令與無線通信模塊進行串口通信。無線通信模塊15自發(fā)射wifi信號與駕駛室內的終端設備11建立連接。溫度傳感器2、ph傳感器3、溶氧傳感器4用于采集水質數(shù)據(jù)。其中溫度傳感器(ds18b20，美國)為防水型溫度探頭，根據(jù)技術手冊的時序圖編寫驅動程序。ph傳感器，溶氧傳感器(原電池型)均采集模擬信號，通過stc15單片機自帶的模數(shù)轉換模塊將模擬信號轉換為數(shù)字信息信號，通過繪制標準曲線(已知標準溶液ph，do值與傳感器實際電壓值的函數(shù)關系)換算出實際ph和do值。為避免ph與do傳感器兩種電化學傳感器發(fā)生串擾，加入電源隔離模塊用于電源隔離。震動傳感器8、噪聲傳感器9、空氣質量傳感器10均為數(shù)字型傳感器，震動傳感器、噪聲傳感器應預先設定一定的閾值，當震動頻率或噪聲分貝大于一定閾值時，觸發(fā)低電平，實時傳遞到駕駛艙內的終端設備上，提醒駕駛員減速慢行。空氣污染嚴重，系統(tǒng)打開負離子發(fā)生器14，通過負離子發(fā)射器7凈化運輸箱內的空氣。單片機放入泡沫船內。船底部有兩個直流電機12，通過終端設備11控制電機，達到多點采樣的目的。船身被防靜電屏蔽袋5包裹，避免靜電和濕度過大對系統(tǒng)產生干擾。為防止活魚相互撞傷，箱體四周加上海綿墊1。溫控設備13用于控制水溫。
2.黃顙魚麻醉處理方法
a)麻醉濃度的確定
(1)試驗材料
試驗選取的黃顙魚取自江蘇南京市水產科學研究所祿口基地。黃顙魚為人工繁殖的同一批黃顙魚，體重為(28±5.26)g，暫養(yǎng)于南京市水產科學研究所飼養(yǎng)池內，缸內do＞5.0mg/l，自然光照，飼養(yǎng)培育3周。黃顙魚每天投喂魚苗微粒子飼料(山東升索漁用飼料研究中心，中國山東)2次(上午8:00，下午5:00各一次)，正式試驗前停食2天，確定健康無病后進行試驗。
(2)試驗方法
黃顙魚組(c0為對照組未加麻醉劑，c1～c5組加入麻醉劑)：2017年5月9日，氣溫18～29℃，稱取0g、0.1g、0.2g、0.325g、0.40g、0.45g、0.475g、0.50g、0.55g的ms-222麻醉劑及等量碳酸氫納，后加入5l池塘水，配制成濃度為0mg/l、20mg/l、40mg/l、65mg/l、80mg/l、90mg/l、95mg/l、100mg/l、110mg/l的麻醉劑，分別倒入盛有黃顙魚的小盆中，記錄入麻時間(魚進入盆內到魚呼吸頻率幾乎為零，側翻于水面的時間)、復蘇時間(放入清水中，恢復正常呼吸頻率的時間)、存活率(置于麻醉液中八小時后的存活率)。篩除不能使魚體麻醉或使魚致死的濃度，如表1、2所示。通過綜合分析入麻時間、復蘇時間、運輸后的存活率，本發(fā)明選用80～90mg/l的麻醉劑。
表1不同ms-222濃度對黃顙魚的麻醉效果
表2運輸實驗結束后不同ms-222濃度下黃顙魚的存活率
b)具體運輸方法
(1)停食
運輸前對黃顙魚停食2-3天，使其消化道排空，減少運輸過程中排泄物，降低耗氧量，防止污染水源。選擇無病、健壯、無傷的個體作為運輸對象以提高存活率。
(2)麻醉方法
在提前刷洗干凈經(jīng)過消毒處理的空置運輸水箱中注滿降溫至20～22℃的養(yǎng)殖用水，用氧氣泵增氧，使水中溶解氧含量不低于10mg/l。在水中加入80～90mg/l的ms-222麻醉劑。當箱體中的黃顙魚活動能力基本停止時用手托住魚體離開水面，當魚體不動或僅鰓蓋微動，表明魚體已處于麻醉狀態(tài)，可以進行運輸。模擬運輸8小時，每隔2小時用多功能水質測定儀(multi340i，wtw，德國)測定水體do值與ph值，用水樣瓶(500ml)取水樣50ml，用氨氮測定儀(hi96715，hanna，意大利)測定水樣氨氮值，并記錄以建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型。
(3)復蘇方法
運輸結束后，從活魚箱中取出黃顙魚，將其置于暫養(yǎng)池中15-20min進行調溫，運輸水體與池水溫差不超過1℃時，即可將黃顙魚放入水池中。
3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的建立
(1)樣本的生成與預處理
參照《地表水環(huán)境質量標準》(gb3838.2002)的水質評價標準(見表3)及專家調查問卷，通過matlab2014a的linspace函數(shù)等隔均勻分布方式內插水質指標標準數(shù)據(jù)，隨機生成500個訓練樣本。
表3運輸水質分類標準
為了加快收斂必須對數(shù)據(jù)進行歸一化，本發(fā)明采用matlab2014a工具函數(shù)mapminmax進行樣本的歸一化。mapminmax的數(shù)學公式為：
函數(shù)mapminmax逐行地對數(shù)據(jù)進行標準化處理，將每一行數(shù)據(jù)分別標準化到區(qū)間[ymin,ymax]內，如果某行的數(shù)據(jù)全部相同，此時xmax＝xmin，則matlab內部將此變換變?yōu)閥＝y(tǒng)min。其中xmax，xmin分別是訓練樣本的最大值與最小值。
(2)bp網(wǎng)絡輸入層與輸出層的確定
本發(fā)明選取了do，tan和ph三個直接關系黃顙魚運輸中死亡率的指標作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入。神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出為水質分類等級在[0,1]上的映射。如表4所示。
表4水質等級標準
(3)bp網(wǎng)絡傳遞函數(shù)的確定
不同的傳遞函數(shù)，具有不同的泛化能力。根據(jù)實際水質情況隱含層選取sigmoid函數(shù)，即在matlab2014a中的tansig函數(shù)，輸出層選取purelin函數(shù)作為傳遞函數(shù)。
(4)bp網(wǎng)絡隱含層的構建
根據(jù)kolmogorov定理的描述，一個包含隱層的3層bp網(wǎng)絡，只要隱含層節(jié)點數(shù)足夠多，便能逼近任意非線性函數(shù)，因此本研究網(wǎng)絡隱含層數(shù)為3。目前隱含層的神經(jīng)元個數(shù)的確定沒有固定公式，若隱含層的神經(jīng)元太少，網(wǎng)絡的精度不夠，容錯能力較差，隱含層神經(jīng)元個數(shù)太多，又會出現(xiàn)“過擬合”現(xiàn)象。因此本研究采用試錯法來確定隱含層節(jié)點數(shù)。由表5所示，當隱含層的節(jié)點數(shù)為7時網(wǎng)絡的均方誤差最小為，因此本研究選擇隱含層的神經(jīng)元個數(shù)為7。
表5神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練
(5)bp神經(jīng)網(wǎng)絡訓練函數(shù)的確定
bp網(wǎng)絡中選取合適的訓練函數(shù)尤為重要，訓練函數(shù)如果選取不好，網(wǎng)絡的收斂速度會很慢，并且容易陷入局部最優(yōu)解。傳統(tǒng)的bp神經(jīng)網(wǎng)絡算法本質上以誤差平方和為目標函數(shù)，bp網(wǎng)絡隨著訓練能力的增強，泛化能力也逐漸增強，但達到某一極限時，會出現(xiàn)“過擬合”的現(xiàn)象。通過比較分析本文采用了l-m(levenbergmarquardt)算法(即matlab中的trainlm函數(shù))，試驗結果如表6所示。
表6不同訓練函數(shù)的bp神經(jīng)網(wǎng)絡均方誤差
(6)bp神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練
本研究采用數(shù)值計算軟件matlab2014a，工具函數(shù)newff來建立網(wǎng)絡模型，訓練過程如表7所示。
表7bp網(wǎng)絡的訓練結果
訓練結果顯示最佳網(wǎng)絡結構為3-7-1，見圖3，即輸入層為神經(jīng)元個數(shù)3，隱含層神經(jīng)元個數(shù)為7，輸出層神經(jīng)元個數(shù)為1。網(wǎng)絡訓練3次，最小誤差為8.8839e-9，迭代到193步時候達到期望誤差，網(wǎng)絡進化過程見圖2。
(7)黃顙魚運輸水質評價結果
bp神經(jīng)網(wǎng)絡的真實值與預測值的對比見表8。結果顯示，在選取的5個點中，bp神經(jīng)網(wǎng)絡沒有出現(xiàn)誤判，網(wǎng)絡整體良好。
表8bp網(wǎng)絡的預測結果與期望結果對比
通過bp神經(jīng)網(wǎng)絡綜合分析水質的變化，水質等級越高，表明水質污染越嚴重。黃顙魚麻醉運輸水質評價結果見表9。
表9bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡水質評價結果
注：c0、c1、c2、c3、c4、c5表示ms-222麻醉劑的濃度分別為0mg/l、80mg/l、90mg/l、95mg/l、100mg/l、110mg/l。