1、Application of an expert system to monitoring and control in aquaculture外 文 翻 譯專家系統在水產養殖監測和控制方面中的應用David D. Harris,Feng Zhang,Peter H. Sydenham摘 要 當任何測量任務接近于所需要的學科觀點時,我們發現,這個學科通常包含一系列的數據，而且這個學科被解釋為一整套的控制語言。現在的應用程序中,測量和控制水質是魚健康育種的基礎。這也是之前所說控制的基礎,實時提供測量數據,對于確保魚的健康來說是很重要的在。計算機把簡化專家系統的應用作為基礎控制，以此來進行實時監控

2、和控制。這篇文章論述了計算機的基礎發展、分布式監測和建立專家控制系統。該系統集成了啟發式和實時變化的知識，增強了自動決策的基礎。該系統一個重要的特佂是,僅僅使用簡單的計算機技能，直接通過訪問專家系統的創建者, 就能改變系統的應用程序和操作規程。并允許陌生的用戶，通過構建“傳感器知識”來簡化傳感器的設計和操作，或指定所需的傳感器，并通過系統提供的要求來建立它們。測量和儀表系統中心(MISC)是一個澳大利亞南部大學的研究中心，它的目標是發展更好的測量方法和設備。所有項目的基礎方法就是運用。最近，這個研究中心正與澳大利亞南部的漁業部門開展一個項目，這個項目將把這方面的專業知識與特定應用程序應用到水產

3、養殖的監測和控制當中。 關鍵詞 專家系統、監測和控制、知識庫、用戶交互1 背景為了體現該地區一套以知識為基礎的方法論，有必要開發一個基本的應用程序。2 當前的水產養殖實踐從海洋網箱到陸地上的池塘，世界各地普遍存在水產養殖。無論淡水或海洋魚類都是養殖的對象,包括鰭魚、甲殼類和軟體動物等。然而一些常見的問題出現在這一課題中：通常水產養殖設施的成本很高。水產養殖的可行性操作依賴于勞動力和運營成本。因為典型工業過程的差異和水產養殖情況，傳統工業過程的方法和控制工程并不能簡單的應用, 對魚的生理和行為的了解,尤其是在集約農業的情況下,通常是有限的、局部的。在魚類生長的實驗和建模過程中，對魚類生長緩慢的原

4、因進行監測和控制具有一定的難度。根據大量有關養魚類生長的不同數據可以得出，魚是非常敏感的，如不能保證水質，可以在很短的時間內造成魚類的大量死亡或絕產。漁民對計算機控制設備有強烈的依賴，因為它們具有處理魚類養殖相關的大量數據的能力。3 水質飼養魚的目的是培養健康的魚。毫無疑問，影響魚健康的最重要的因素之一是他們所生活水題環境。水質取決于物理、化學和生物因素的影響。這些因素影響著水的使用;這些因素影響到魚的生存、繁殖、增長、生產或管理。許多系統參數相互影響，比養殖人員所了解的復雜的多。可測量發揮重要作用的物理參數包括：溶解氧溫度溶解氨(NH 3和NH4)pH值鹽度濁度根據養殖的魚類種類及環境不同，

5、水的質量包括這些因素的不同組合。4 基于專家系統的監控和控制系統4.1 理想系統一個理想的養殖監控系統應該有能力監測整個魚類活動范圍。一個理想的計算機“助手” ,應該可以推斷魚的生長和市場趨勢。目前,一個精通電腦的用戶，可以結合現有軟件獲得這樣的數據，盡管這樣一個友好的用戶“助手”不可以利用，但我們不應該忽略了一個事實,那就是，任何監測技術和控制系統都有自己所能夠完成的任務。例如,控制水質并不是目標本身。鑒于上述問題，理想的監測控制系統應提供:具有連續測量和記錄的功能,所有的可測量的參數對魚的健康是很重要的。用戶可以容易的去修改系統設置，并根據測量數據做出系統決策。,設置用戶控制操作系統警報或

6、報告記錄魚類的生長和健康的數據。記錄其他相關數據,特別是飼養和氣象方面。水質也受到池塘布局、當地盛行風、魚的種類和密度、藻類,底層土壤和各種其他因素的影響。理想的系統應該考慮到這些因素之間的差異,進行人性化的監測和控制。5 當前的技術水產養殖行業在水質監測方面存在許多相關設備供應商。研究表明，在一些高端的商業市場會有使用計算機進行水產養殖監測和控制的系統，漢森5就是這樣的一個系統。儀器供應商通常會結合該項目所能得到的利益提供建議和咨詢服務，并使用他們的設備完成完整的系統任務。研究人員已經用計算機采集6種測量數據并分析。MacKinlay 7的額外商業軟件包(如電子表格)是完成這項工作的強有力工

7、具。技術媒體描述了安裝使用計算機監測和控制的方法,但是這種類型的安裝通常需要幫助，因為計算機專家系統通常是定制的。因此,在高端市場,大量資本成本是可以接受的,因為它可以使你的水產養殖廠得到全面有效的監測和控制。在低端市場,資本是有限的，同時也沒有相關系統可以解決這個問題。 除了上面描述的情況與計算機技術,同時還有一個問題是實現系統測量和過程監測的核心。首先,雖然有大量銷售的技術工具文獻，但在選擇與規范儀器的使用上，沒有專業知識的幫助與指導。 第二缺乏標準化的通信系統，使其形成一個完整的監測網絡,這個問題的出現使水產養殖業有待觀察。 第三,儀器的成本往往很高,儀器和備件的可用性也是一個問題。6

8、以知識為基礎的概念6.1 關鍵概念魚民需要從魚的生活環境中獲得知識，這些知識要么被農民利用，要么被系統系統利用來控制環境。為解決上述問題,我們將大量的概念運用到水產養殖操作的知識系統當中。這些關鍵概念包括基于規則的傳感、規則、用戶可訪問性和傳感器設計的知識,為此我們將在下面進行一一討論。6.2 基于規則的傳感知識永遠是上下文相關的。通常的意義上，特定的傳感器讀數依賴于其他因素,以及與其他傳感器讀數相互關系。 在一定的背景下,為其提供一個測量系統的模型。為操作這樣一個基于規則的模型，專家系統提供了一個監測和控制的方便方法。然而,作為運營商卻不是一個完整的控制系統，通常應用此程序的很少。比如麥克納

9、馬拉所描述的就是一個典型的例子。水溫傳感器測量的僅僅是一個簡單的數字。難道這個數字就代表魚類的健康程度么？其他因素比如魚的種類、溶解氧含量等都是相關的。值得注意的是，讀數精度的影響往往較小。巴伯表示,知識可以被認為是一個轉換運算符,映射信息(證據)信息(結論)。有關魚的動態轉化代表模型如圖1所示 圖1 監測和控制系統相關數據信息傳遞流程圖 一個人在做一個模型的過程或規則時，他通常會建立一個這樣的儀器系統，只是沒有意識到事實。雖然它比較容易獲得而且非常詳細,但測量儀器很難獲得一個簡潔的語句進行漁場操作。因為他們更好的定義為數字，所以往往認為前者比后者被更重要。Houvenaghe112模型就描述

10、了這樣的發展,并突出了一些實際困難。 專家系統為其提供了一個良好發展。系統決策顯然是根據人類與啟發式知識相結合的測量數據所做的。該系統模擬了一個信息收集和處理的這么一個過程。7 規則它必須有三種類型的基本規則應用到監控系統當中: 具體來說，技術規則的本質不能改變，專家系統的本質就是將硬件編碼，從而通過接口功能實現。 通常魚類的養殖規則反映了當前（高度變化）的知識狀態。體現這個規則的一個例子是，在溫度范圍為16.518.5°C，鮑魚（軟體動物）生長最好。值得注意的是，這個規則是直到最近的研究結果才成為已知。 漁場具體規則。它可能是一個通風裝置，用于增加溶解氧含量，使漁場配置更有效。這是

11、一個專家系統中最基本的規則。然而，魚類繁殖規則必須隨著知識的進步而不斷更新，而特定的規則要求更好的被漁民利用到漁場之中。8 用戶可訪問性無論監控系統是否會被漁民廣泛應用到實際當中，最根本的則是取決于使用的容易程度。混淆或歧義引起災害，系統必須是完全自然的和友好的使用才能起到最大的保護。這一領域的人機接口是一個重要的研究領域,實現一個真正的友好和明確的工作環境是一個簡單但是費時的任務。漢森5描述了在一個大的系統中，解決這一問題的途徑。對于較小的系統，我們認為開發一個特殊界面是一個不合理的方法。耗費的時間的同時可能還造成資源浪費。此外,如果一個“現成的”界面，可以完成手頭的任務，將極大地加快完成任

12、務的時間,從而也不需要建立一個新的界面。在我們的例子中,專家系統方案的選擇很大程度上考慮到這一點。英國使用它是因為它簡便實用,同時也可以在個人電腦上運行。通過了解接口的布局和簡化界面設計的規則操作。我們發現它沒有難以使用的電子表格軟件。9 傳感器設計 專家系統結合魚類生長環境數據，指定傳感器網絡以及單個傳感器。MISC集團開發了大量標準化格式的軟件包。給定一個完全集成的具有強大規則庫的系統，擁有相對簡單的知識水平就可以獲得。 圖2。魚缸水質控制系統安裝示意圖指定傳感器的性能和規則庫的數據是有必要的，這是向系統提供產品說明和購買適當傳感器簡單的一步。農民自己制作產品尚處發展階段。在這里自己的產品

13、沒有得到進一步的發展，除非農民具有很高的才能、低成本的儀器、以及維修農場的能力和完整的系統服務。10 測試系統10.1 系統描述系統由一臺個人電腦,一組水質傳感器,傳感器信號發送器,通信總線和水質報警設備等組成。布局規律如圖所示2。10.2 軟件個人電腦的核心系統和執行所有計算和數據管理等控制操作之外。所需的軟件可以分為兩個基本類別:實時性和實用性。實時軟件包括專家系統和各種用c語言編寫的接口開發程序。專家系統通過通信總線上的設備提供接口程序。專家系統進行整個系統模型的數據響應和時間維護。在任何時候這些程序都正常運行。實時軟件監測控制的部分,包括接口,數據庫管理器(數據庫)。專家系統支持整個系

14、統模型，按照協議獲得并響應相關數據。設施還提供初始系統設置、傳感器替換, 校準傳感器工作范圍和修改操作時間表等。然而,令人期待的是，用戶將通過直接操作專家系統的規則實現這些步驟,而不是通過一個特殊的接口。這里使用的軟件工程戰略是開發通用軟件,它可以快速和輕松地定制監測和控制任務,以及較為復雜的各種應用程序。11 操作規程小規模專家系統正在使用一個溫度傳感器和溶解氧傳感器來控制鮑魚池中的增氧機和冷水機組設備。鮑魚水族館是一個空調實驗室,所以,水溫22°C,這對鮑魚太熱。顯然沒有晝夜變化的效果。系統并不局限于這種小規模的操作,它可以擴展到數以萬計的傳感器和執行器節點,并且每一個都具有攜帶

15、大量設備的能力。監測溶解氧讀數為例:統根據預先設定的時間表查詢一個需要的時間，通信系統發送信號指令，打開傳感器數字傳輸功能系統在預定時間等待傳感器讀數穩定然后再接收數據。在閱讀溫度的同時,系統還會使用一個內部規則推導出數據表格。當系統接收到的讀數低于設定的值時。系統啟動充氧裝置。同時不斷監測數據。當溶氧量讀數超過90%飽和度時，增氧機關掉,如此反復進行。注意,用戶可以改變這些規則不需要任何編程,只需對芯片進行編輯。12 數據庫操作與數據庫接口一起建立了數據日志記錄功能。所有從傳感器讀取的參數和系統響應和采樣時間和日期都存儲在數據庫中。如果一個參數的限制程序在注解字段寫著“* *”字樣，那是為了

16、吸引用戶的注意力。日期索引允許從一個用戶輸入的日期和時間開始掃描，可以按照日期/時間順序(向前或向后)排序。但進一步提供索引記錄是不可取的。當然,用戶也可以構建其他指數數據庫。13 芯片實現如上所述,我們使用芯片,是因為我們感覺使用簡單，懂電腦的人只要經過小小的訓練就能夠使用。為了其內部規則開發和最后的演示,它也有一個良好的用戶界面,它可以給用戶開發專家系統。通過數字總線傳感器，實現芯片溝通。使用I2C系統,是因為飛利浦所有必要的功能是提供智能芯片。傳感器上攜帶傳感器信號調節電路。是為了向用戶提供一系列的新功能。14 測試和結果系統模擬用戶數據輸入傳感器輸出過程已經大約三個月了。該系統能夠將計

17、算機與傳感器相結合，并且能夠完整的按照預先設定的程序進行操作。表明該系統能夠監測和控制鮑魚的整個生長環境15 傳感器接口雖然原理簡單,但專家系統的接口和總線接口之間出現了許多問題I這主要與使用c語言編寫的接口程序有關。這是由于C語言編譯器選擇的局限性越來越復雜。一旦解決，這些問題將不再發生。操作界面有兩個方面的用戶界面,操作界面和接口界面。操作使用界面是用戶簡單地使用該系統,而不修改它。晶芯片為系統建設者提供了一個用戶界面,這個用戶界面很好的使用了圖形和顏色。用戶界面包括信息、數據輸入、菜單、幫助和簡單的圖形。16 用戶操作規則用于設置規則庫和修改它的接口規則，雖然很容易被使用,但也有一些未經

18、訓練的“陷阱”。接口允許用戶生成一個規則結構,但并不控制該結構的形成。系統操作尤其是更新,極大地促進了用戶創建一個混亂的規則網絡。不幸的是,清理這樣的規則是一個相當復雜的任務,因此了解更多的專家系統結構比創造一個良好的結構更重要。這樣用戶訪問規則結構當然是可能的,甚至是簡單的, 用戶經訓練創建解決非常復雜的問題的規則它也同樣容易。17 計算系統內存需求在這個應用程序中,芯片有兩個接口程序,運行數據庫接口和總線接口,這兩個接口同時常駐內存。這使得個人計算機內存容量要有巨大需求。提供相應的預警信號可以使其擴展。當然,克服640 kb的限制很容易被實現。18 摘要和結論這項研究表明,使用一個很可行的

19、專家系統作為一個監測和控制系統的基礎,有許多重要的潛在的好處。這些好處在一定程度上為實現良好的用戶界面上提供了直接的參考信息。原則上,系統可編程邏輯控制器和微處理器的功能可用好幾年，這些功能只有在專業人員那里可以實現。漁場很少有這種能力。我們相信使用一個易于使用的專家系統克服這一障礙,提供這種技術的域用戶技術技能是在較低的水平。19 致謝戴維哈里斯是由澳大利亞研究委員會的國家研究獎學金贊助,馮張在南澳大利亞大學工作期間由中華人民共和國山東省農業科學研究所贊助。南澳大利亞漁業在水族館的供應,動物,海水和飼料,以及整個項目的建議和幫助。20 參考文獻1 Tyss0, Arne 'Compu

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