刘光明 季延滨 孙学亮

摘要：针对传统的淡水渔业环境污染和水资源消耗严重，抗生素的滥用影响食品安全等问题，基于云计算架构，采用Java 语言开发，从养殖水质及环境自动监测控制，淡水鱼精细喂养、疾病预测及诊断等方面建立了相关系统模型，运用WebService技术、VMwar技术、统一存储技术对系统资源进行整合，采用Java+oracle技术开发了封闭循环式养殖平台。系统转变了淡水鱼的养殖方式，解决了养殖过程中存在的安全问题，节约硬件投入成本，增加经济效益，为实现淡水鱼养殖信息化提供了技术支撑。

关键词：淡水鱼；虚拟化；云计算；平台设计

中图分类号：S951.2；TP393 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）11-2755-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.052

Designs on Closed Cycle Type Platform of Freshwater Fish

Aquaculture based on Cloud Computing

LIU Guang-minga，JI Yan-binb，SUN Xue-liangb

（a. Network Information Center；b. College of Fisheries， Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384， China）

Abstract： In view of the problems in traditional freshwater fish aquaculture such as environment pollution and serious water resource consumption， food safety problem for abuse of antibiotic， based on the cloud computing architecture and Java language， the related system model was constructed including the aquaculture water quality and environmental automatic monitoring and control， freshwater fish fine feeding， disease prediction and diagnosis system model， and the system resources were integrated by using the WebService technology， VMwar technology， unified storage technology， the closed recirculating culture platform was developed by java+oracle technology. The transformation of the freshwater fish farming mode solved the safety problems during the breeding process， saved the hardware cost， increased the economic benefit， which provided technical support for realizing the informatization of freshwater fish farming.

Key words： freshwater fish；virtualization；cloud computing；platform design

在中国北方，传统的淡水鱼养殖行业一年四季都受自然因素影响，如要使淡水鱼企业摆脱自然环境的影响，就只有走工厂化封闭循环式养殖模式，实现环境因素可控，使养殖过程全年都能够正常进行，提高企业效益。封闭循环式养殖的原理是以维持良好而稳定的生态环境为主导，采取必要的水处理方法控制水质，阻断病原传播途径，放养健康幼苗，强化营养，提高抗病能力，养殖排水经沉淀、消毒、物理过滤等过程，循环使用[1]。中国的工厂化养殖开始于20世纪70年代，但是对淡水鱼养殖的内部设施建设重视不够，科研滞后于生产，早期开发的淡水鱼养殖水质自动监测系统和装置还处于一种单传感器、单参数的分析基础上，淡水鱼养殖业中的水质参数多半停留在检测程度上，多使用监测仪定期采样检测，在线监测系统很少[2]。尽管国内外已经开发了针对淡水鱼养殖各个环节的信息化系统，但是目前的系统都是独立应用于淡水鱼养殖生产中，还没有从育苗、苗种养殖、成鱼养殖及加工运输全过程的各系统集成起来进行控制的封闭循环养殖模式。

为此，针对上述问题，构建了一套基于云计算的淡水鱼封闭循环式养殖平台，该平台集成了养殖水质及环境自动监测控制，淡水鱼精细喂养、疾病预测及诊断等技术，对推动淡水鱼信息获取的标准化、数据传送网络化、数据处理模型化、精细养殖过程自动化、决策管理智能化有重大的作用和现实意义，也是淡水鱼养殖技术发展的趋势。

1 基于云计算的淡水鱼封闭循环式养殖平台设计

1.1 平台架构

平台的基本架构（图1）由数据层、支撑层和应用层三个部分组成，建立统一的架构技术体系，遵循信息服务平台总体架构、信息资源目录和交换体系等规范标准[3]。

数据层主要包括养殖的基本数据，通过视频监控、物联网等技术采集的环境、养殖个体、制品标识等监测数据，防治养殖疾病、进销存制品、管理养殖投入品等综合数据[4]。

支撑层主要是按照一定的技术标准和规范，集成传感网络、计算机网络、3S以及RFID等技术进行采集和传输淡水鱼养殖数据，同时对数据层上相关数据进行挖掘和分析，解决数据的采集、传输等问题。

应用层主要是选择淡水鱼养殖为应用领域，包括养殖环境监测、养殖过程管理、产品质量安全跟踪溯源、疫情预警预报等，根据典型用户产业活动，提炼具体需求，如养殖环境视频监控、养殖环境监测（例如鱼塘温度、pH、溶解氧、氯离子浓度、电导率等）、数据自动采集、无线通信传输和数据分析等，并在此基础上，将采集的各类监测数据建成智能养殖数据仓库，并利用分析模型和知识，可以实现养殖产品质量、养殖环境质量和效益的分析、评价和预警，为养殖生产和市场流通提供决策支持[5]。

平台具备易用性和安全性，属于B/S结构，维护方便，浏览器方式访问。用户可通过计算机网络维护和管理，工作效率得到了提高。利用J2EE技术和中间件技术，将各种开发语言的子系统集成到平台，如asp、.net、C/C++、COM、JAVA、PHP等多种开发语言。管理数据源及调度代理，使用DBMS、文本、消息、WebService等各种数据源接口技术，数据的处理、控制和表示，改变了先前设计者界面在先、代码在后的方式，避免了处理数据、程序数据功能和数据代码显示等较乱的问题，系统结构更加灵活与清晰[6]。

1.2 平台功能设计

1.2.1 水质预警系统 封闭循环式养殖场的水质预警不同于河湖及地下水的水质预警[7]。封闭循环式养殖针对的是特定的鱼种，不同鱼种的水质指标不同，甚至同一鱼种不同生长阶段的水质指标也不相同，根据鱼的生长需求建立了相应的预警指标体系（图2）。

根据封闭循环式养殖场的实际情况，水质的关键参数中，盐度、酸碱度和水温在一天中随时间的变化很小而且缓慢，因而不进行预测，由预警模块根据实测值按照预警规则进行预警[8]；溶氧的变化相对较快，对鱼的影响也较大，故需要对溶氧进行预测，利用预测值来进行溶氧指标的预警[9]。

1.2.2 精细喂养决策系统 精细喂养决策分为两个步骤：第一步，基于线性优化模型，在满足不同鱼种不同生长阶段营养需求的前提下，进行价格最优的决策。第二步，根据使用的饲料及配比，结合鱼种、生长阶段、水温、尾数、体重等信息，利用基于知识的推理，为管理者提供最优投喂时间、投喂量决策（图3）。

1.2.3 疾病预警系统 利用专家调查法，确定各种疾病各预警等级的区间，并形成预警知识规则[10]。用户通过选择鱼体情况、鱼体活动、镜检情况、发病情况，系统经过基于知识的推理和基于规则的推理，采用IF… THEN… 的推理过程得到预警等级和预警预案，帮助技术人员及时对出现的情况做出正确的反应（图4）。

1.3 数据库设计

根据平台需求，平台的中心数据库采用Oracle Database 11g Enterprise Edition，各业务系统采用SQL Server和MySQL。使用WebService技术，建立数据集成中心库，把各子业务系统数据库中的数据集成进中心库中，经过加工处理后提取所需数据，实现数据查询、统计分析的统一化和标准化。同时，保持子业务系统的原有数据库稳定运行。

中心库由疾病预警表、饲料信息表、生长需求表、防疫预警规则表等多个表组成。通过中心库信息加工形成疫情预警、精细喂养、生长需求，疾病预防规则等规则和方式，可供子业务系统查询调用。

2 基于云计算的淡水鱼封闭循环式养殖平台系统实现

2.1 短信预警系统

短信预警系统通过GSM MODEM建成，是短消息通信设备，具备短信发送和接收功能，可向用户发送接收短信[11]。系统通过USB接口连接服务器、计算机，与移动、联通、电信的短信中心通讯，通过短信息功能模块，实现短信预警系统的预警数据与手机用户的沟通和交流。

2.2 部署环境

平台系统底层设计是通过刀片机配合VMware虚拟化软件方式实现的。刀片服务器数量为4台，其中单台配置4个英特尔？誖6核E7-4807至强（R） CPU，1.86 GHz，18 MB高速缓存，5.86 GT/s，256 GB 内存（32×4GB），SAS 10000转2.5英寸硬盘500GB×4，配备2块千兆网卡模块。在每台刀片机上安装VMware虚拟化软件，凭借其较强的CPU和充足的内存，生成若干台服务器，然后在每台服务器内安装相应的操作系统、子业务系统及数据库。最后配合HA、FA容错，快照，双机备份等技术手段，达到业务系统安全、可靠及高恢复的目的，低损耗，增强了系统的多样性和运行速度。平台系统应用层运用Java与oracle方式来实现的，这样可使系统具备很强的可靠性和移植性。

2.3 平台运行保护方案

平台安全体系是覆盖面广的专业体系。对信息系统设计思想及原则动态科学地掌握，着眼点明确，原理的掌握要从管理层面到系统底层，要实现整个系统的安全和专业，必须采用一定的方式，具备内容性、理论性、层次性和前瞻性[10]。

平台系统具有严密的使用权限控制、安全线路、病毒防护、网络防火墙、网络监控系统和安全扫描、系统安全备份管理等多方面的安全方案，来设计系统整体层次安全架构，保证整个系统运行的安全。

平台用户认证在数据库内运用md5加解密方式[9]，在编程代码里面定义出信息平台最高级管理员身份认证和权限。平台按层次部署各业务系统用户，有一个最高级用户管理全平台，负责各个子系统超级用户的创建，子系统某养殖场的超级用户由各子系统的超级用户创建，本企业管理员与信息录入员由养殖场的超级用户创建，这样的层次化管理有利于落实责任。平台现处在使用初期阶段，等待系统功能进一步改善后可运用“数字签名”的方式，这样就能更好地保证平台的安全稳定运行。

2.4 系统存储

传统的分散存储架构已不能满足平台存储系统容量的高速增长和管理需求。因此，该平台系统的存储设计思路为构建统一数据中心，分步式数据处理的存储[12]。运用FCSAN技术架构划分业务系统和存储系统，提高系统的处理性能，保障平台运行的稳定。该服务平台的存储兼容性高，可以兼容全部平台、各类操作环境的存储系统[13]。

3 小结

基于云计算的淡水鱼封闭循环式养殖平台的构建可实现：用户可以通过不同的方式（手机短信、浏览器等）与平台系统交流；用户可通过模糊搜索等多种查询方法，满足用户对淡水鱼养殖实用技术信息进行快速查询[14]；信息资源丰富；淡水鱼养殖中的网络咨询服务专家系统；信息查询与推送网站超文本服务，专家实现远程培训和个性化服务。

通过对各项关键技术进行深入的研发和应用[15]，形成较完备的生产实践系统和成熟的技术理论体系，从而解决企业在生产中所遇到的风险高、经济效益低、养殖环境污染、水资源浪费、淡水鱼产品食品安全等问题，实现增加淡水鱼企业的经济效益、降低环境污染、循环利用水资源、保证淡水鱼品的食品安全，为中国从事淡水鱼健康生产提高物质基础和技术保障，从而使企业实现高效、绿色、可持续型的良性发展。

参考文献：

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