基于物聯網的水產養殖氣象災害監測與預警模型研究

吳衛祖+劉利群+徐兵+吳振陸

摘 要 水產養殖是我國農業經濟的重要組成部分，特別是沿海和沿江農業區域，水產養殖占農業經濟比重很大。在我國絕大部分的水產養殖都是在露天池塘或水域進行的，對氣象災害的抵抗力十分微弱，據國家農業部門的統計全國每年在水產養殖方面上的損失，高達80%以上是由于氣象災害造成的，而這其中都是因為一些氣象災害來臨之前沒有得到及時的防范，因此，構建完善的水產養殖氣象監測和預警系統對提高我國水產產業水平，增加養殖企業和養殖戶的收入有著非常重要的意義。本文基于現代物聯網技術對粵西地區水產養殖氣象災害進行研究和分析，構建基于物聯網技術的水產養殖氣象災害監控系統，并且針對監控系統采集的數據進行災害監測與預警建模，構建水產養殖的氣象災害監測與預測模型，通過該模型可以有效的服務和指導粵西地區水產養殖氣象災害相關的災害監測和預警信息系統的開發。

【關鍵詞】水產養殖 災害監測 災害預警

1 引言

水產養殖作為我國沿海沿江現代農業經濟的一個重要組成部分，越來越受沿海沿江廣大養殖企業和養殖戶重視。目前我國絕大部分的水產養殖大多采用露天養殖方式，這種養殖方式投入成本低，易于推廣。但是，由于采用全露天的方式，其對自然災害的抵抗力非常低，特別是氣象災害。因此，如何提高對氣象災害的監測和預警能力，在災害來臨前提前告知養殖戶及時進行預防，成為當前水產養殖氣象災害方面急需解決的一個問題。

物聯網通過傳感器技術和信息通信技術實現了現實世界的物物相連，實時監測。通過物聯網技術可以方便快捷的構建氣象信息采集和監測網絡，采用對應的氣象信息傳感器可以實時的對目標區域的氣象信息進行實時監測和跟蹤，這為構建相關的氣象信息模型提供了極其便捷的途徑。因此，在水產養殖氣象災害監測和預警方面，可以通過物聯網技術來構建水產養殖氣象災害監測和預警網絡，對水產養殖地區的氣象災害進行實時監測和歷史跟蹤。然后后通過構建相關的監測和預警模型實現對水產養殖區域的氣象災害進行在線監測和預警，為水產養殖戶提供實時的氣象監測信息和預警信息。

2 水產養殖災害概述及相關氣象指標的設計

漁業經濟在廣東海洋經濟中占有十分重要的地位。改革開放以來，大力發展海洋和水產養殖業，廣東的水產養殖產量多年居全國首位。但是，隨著水產養殖業規模的不斷擴大，養殖行業遭受各種自然災害的風險也越來越高，比較典型的就有低溫寒災、臺風、赤潮、暴雨等。在我省水產養殖業遭受的各類自然災害中絕大部分是氣象災害，而在氣象災害中尤其以臺風、低溫寒災對我省水產養殖業的影響最為嚴重。近年來臺風、低溫等災害性天氣出現次數多，發生范圍廣，危害面積大，對我省水產養殖業造成的損失也越來越嚴重。如2015年10月強臺風“彩虹”造成廣東省湛江、茂名、陽江等9市42個縣（市、區）不同程度受災，農業和水產養殖業損失巨大；2008年初持續的低溫寒潮天氣使廣東遭遇了58年來最為嚴重的冰凍災害，造成全省受災養殖面積262.1萬畝，損失水產品產量48.4 萬噸，累計全省漁業經濟損失達61.9 億元。

本文通過對我國農業部門公布的我國北部灣、粵西地區2008年到2016年的水產養殖氣象災情進行統計分析可知，近幾年來造成該地區的水產養殖的災害性天氣過程主要有臺風、暴雨、低溫幾種，可以將風速（力）、降水量、溫度、氣壓作為氣象災害指標。

3 基于物聯網的水產養殖氣象災害監測系統的設計

基于物聯網技術，構建了一個水產養殖場氣象數據物聯網監測系統，通過該系統實現水產養殖場的氣象數據監測，進而獲取近期的水產養殖氣象信息數據。本文的水產養殖物聯網監測系統整體結構如圖1所示。該系統主要由水產養殖場氣象數據采集、水產養殖氣象災害監測預警服務中心、監測預警信息顯示屏、用戶移動設備四個部分組成，其中水產養殖場數據采集端主要負責對水產養殖場的氣象因子進行監測，并將監測到的實時數據上傳到水產養殖氣象災害監測預警服務中心，服務中心通過對數據處理，并結合氣象預報數據進行綜合分析，最后評估出災害的等級，并且對災害進行預測處理得出最近災害發生的可能性。同時系統還可以通過服務中心將監測到的數據實時發送到水產養殖用戶的手機等移動設備實現實時監測和提醒，通過手機短信、微信等網絡方式進行實時發布。

該系統由三個部分構成：

3.1 水產養殖場數據采集和傳輸系統

采用溫度傳感器、氣壓傳感器、風速傳感器和降雨量傳感器等，借助物聯網絡技術，每個水產養殖場安裝配置一個無線自組網，即時測定水產養殖場的主要氣象要素值，并通過無線自組網信息傳輸匯聚節點，利用無線或有線網絡將數據上傳至水產養殖氣象災害監測預警服務中心服務器。

3.2 水產養殖氣象災害監測預警數據分析處理系統

采用大數據技術，對水產養殖場實時數據、氣象歷史數據庫和氣象災害指標庫進行分析處理，通過氣象災害預測預警模型、GIS、氣象災害決策支持系統等進行分析，得出水產養殖氣象災害預警信息、災害分布情況及災害防御方案，為水產養殖氣象災害預測預警、災害防御提供決策支持輔助服務。

3.3 水產養殖氣象災害監測預警服務信息發布系統

水產養殖氣象災害監測預警服務中心通過互聯網，通過監測預警顯示屏、用戶手機，向水產養殖企業、水產養殖戶發布水產養殖氣象災害監測預警信息及防御方案；水產養殖企業、水產養殖戶也可以通過計算機遠程監控和實時查詢水產養殖場的氣象條件及氣象災害等。

4 基于物聯網的水產養殖氣象災害監測與預警模型設計

從水產養殖監測物聯網系統中獲取氣象信息后就可以通過構建模型，對相關的信息進行處理，根據歷史和實測數據及其統計特性，構建水產養殖氣象災害預測指標模型如下：

式中，CW、CR、CD、CT為影響因子權重，可以通過統計分析獲取；M（Wt，Rt，Dt，T）為氣象災害預測指標，通過該指標來對氣象災害進行預測；Wt表示物聯網氣象監測系統提供水產養殖區域大于臨界值的風速，小于等于臨界值時取值為W0；Rt表示物聯網氣象監測系統提供的大于臨界值的降雨量，小于等于臨界值時取值為R0；Tt為物聯網氣象監測系統提供的低于臨界值的溫度，大于等于臨界值時取值為T0；Dt為物聯網氣象監測系統提供的低于臨界值的大氣壓強，大于等于臨界值時取值為D0；t為時間，單位為小時，t-24表示從24小時前開始統計。

5 水產養殖氣象災害預警

水產養殖氣象災害預警主要通過水產養殖氣象災害預測指標模型計算結果觸發，實際預警還需根據監測預警服務中心的決策支持系統，對歷史資料及大環境下的實時氣象資料進行綜合分析，得出預警信息，并進行預警發布。水產養殖氣象災害監測預警與決策支持系統主要功能如圖2所示。

采用水產養殖氣象災害監測預警與決策支持系統進行水產養殖氣象災害監測、數據處理、預警、防災減災應急響應等。

（1）通過風速、降雨量、氣壓等傳感器測量水產養殖場相應氣象數據，采用無線傳感網絡及互聯網傳送到水產養殖氣象災害監測預警服務中心，中心通過信息收集與處理系統對物聯網監測數據進行自動處理并放入數據庫。按處理后的實測數據，并根據水產養殖氣象災害預測指標模型計算氣象災害預測指標，依此確定災害出現與否，以觸發啟動預警處理系統。

（2）根據近n年鄰近區域臺風、暴雨、風暴潮、低氣壓的歷史大數據，采用隨機過程分析、現代回歸分析等分別構建各關鍵要素單要素、綜合要素統計預測模型。

（3）根據大數據、預測模型和歷史數據、實測數據、實時數據等計算水產養殖氣象災害預測指標值。

（4）依據水產養殖氣象災害各相關實測、預測指標值，進行水產養殖氣象災害綜合分析、風險分析及管理，得出比較客觀的水產養殖氣象災害預警信息，并針對不同水產養殖氣象災害類型和等級、地域，通過短信、微信、網絡、物聯網及其他媒體等發布水產養殖氣象災害預警信息，提出水產養殖防災減災應急預案，為水產養殖專業戶、企業及當地政府提供水產養殖防災減災決策支持服務。

6 總結

本文探討了基于物聯網技術的水產養殖氣象災害監測與預警問題，分析了水產養殖的主要氣象災害因子，完成了氣象災害指標設計，并將該指標應用到氣象災害監測和預警模型中，結合水產養殖場的物聯網氣象監測系統采集的數據可以有效的實現對水產養殖場的氣象災害進行監測和預警。同時，本文還完成了水產養殖場的物聯網氣象災害監測系統、氣象災害監控和預警模型等設計，給出了詳細的系統設計結構圖和數學模型。這些系統設計和數學模型對水產養殖相關物聯網信息系統的開發具有非常重要的理論指導價值。

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