一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法及系统

本发明涉及鱼群游泳行为能耗分析和循环水养殖系统投喂量方法领域，尤其是涉及一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法及系统。

背景技术：

1、循环水养殖系统(recirculating aquaculture system，ras)是一种新型养殖模式，通过一系列水处理单元将养殖池中产生的废水处理后再次循环回用。其可以解决水资源利用率低的问题，相对于传统水产养殖系统可节约90％-99％的水资源，还可以为养殖生物提供稳定可靠、舒适优质的生活环境，为高密度养殖提供了有利条件，此类系统，也被认为是未来渔业的必然发展趋势。在循环水养殖模式，除去前期的设备成本外，饲料是养殖成本的主要部分，在现有的投喂方法中，大多都是向鱼群投喂足量的饲料以保证生长不受影响。这种投喂方式，虽然能够保证鱼群摄入足够的能量，但是这种方式会导致饲料残留，不仅增加了不必要的饲料成本，而且还会增加循环水系统中的水处理成本。此外，足量的食物还会破坏鱼群的个体间的游泳协作，从水动力学的观点来看，鱼在水中集群游泳可以节省个体鱼的能量消耗，但是当食物充足时，鱼群中的个体有能弥补多余能量消耗的食物来源，这会导致部分个体脱离集群游泳，出现不必要的游泳能耗，降低养殖的饲料转化率，使养殖收益降低。

2、通过观察发现，饥饿的鱼类个体通过增加游泳协作来减少自身不必要的游泳能耗，而在一段时间的进食后，鱼群中就会出现脱离集体独自行动的个体。这表明，一定的饥饿程度会促进鱼类个体间的协作，而在有一定量进食后，鱼类个体拥有了支付额外游泳能耗的能力，此时该个体就独自游泳的可能。因此，为了避免鱼群的协作游泳被破坏同时节约饲料，我们需要确定这一饥饿程度，在每次投喂时通过投喂不过量的饲料使鱼群保留一定饥饿程度，来促进鱼群的游泳协作。

3、综上，本发明提出一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法。通过将一次足量饲料分多次投喂，构建有限重复博弈，来确定适合的饥饿程度，利用得到的饥饿程度进一步确定科学的饲料投喂量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供了一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法及系统，为循环水养殖的投喂提供良好的技术支持。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法，所述方法是利用鱼群饥饿程度与摄食游动策略的联系，所述摄食游动策略为协作游泳进食与不协作游泳进食，基于摄食游动的重复博弈，确定鱼群中出现不协作游泳进食时鱼群不同策略之间的收益关系，结合鱼群的能量摄入和消耗来量化饥饿程度，最后根据希望鱼群保持的饥饿程度h与饱食投喂量m确定后续投喂量。

4、进一步的，方法包括如下：

5、在循环水养殖池内放入超过24h未摄食即空腹状态的养殖鱼群，鱼群个体数目为n，体型基本一致，确定该鱼群的饱食投喂量m，每次投喂量为m，其中m＝mt，t为重复投喂次数；在第n+1次投喂时鱼群中出现不协作游泳进食，即鱼群采用此策略的总收益大于鱼群前n+1次均协作游泳进食策略的总收益，基于此可以确定鱼个体第n+1次投喂为不协作游泳进食策略的收益大于为协作游泳进食策略的收益。

6、进一步地，采用进食的能量收益及游泳能量消耗量化收益，并根据鱼个体在第n+1次投喂时两种不同策略的收益关系，量化确定鱼个体所能承担的最大能量消耗以及支付额外游泳能耗的能力，用1减去二者之反比即饥饿程度，以此作为鱼群的饥饿程度。

7、进一步地，测量鱼群在整体协作游泳进食的情况下完成一次投喂的进食需要的耗氧量为其中能量消耗与耗氧量之间的换算系数为f1，则鱼群中的个体完成一次协作进食的消耗为：

8、

9、获得的能量收益gan与个体摄入的饲料有关，相关系数为f2，则鱼群中的个体完成一次协作进食的能量收益为：

10、gan＝f2×m/n

11、则，第n+1次投喂鱼个体协作游泳进食策略下收益为：

12、

13、当检测到在第n+1轮投喂过程中，鱼群中出现采用不协作游泳进食策略的个体时，通过高清相机确定所述个体中的任一个在第n轮投喂中的进食量与第n+1轮投喂中的进食量，确定进食收益提高比例s，即第n+1轮投喂中的进食量与第n轮投喂中的进食量之比，此时该个体完成一次不协作进食的能量收益为：

14、gan′＝s×f2×m/n

15、令该个体在第n+1轮投喂过程中的耗氧量为则此时该个体完成一次不协作进食的消耗为：

16、

17、则，第n+1次投喂鱼个体不协作游泳进食策略下收益为：

18、

19、由收益关系d≥c，得到：

20、

21、则希望鱼群保持的饥饿程度h为：

22、。

23、

24、进一步地，在确定希望鱼群保持的饥饿程度h后，之后的每次投喂的投喂量mp即可确定为：

25、mp＝h×m。

26、

27、一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法，包括直接按照适宜饥饿程度h的计算公式，进行测量其中对应参数，之后按照每次投喂量mp投喂至饱食投喂量m即可。

28、一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲系统，包括循环水养殖系统，高清相机，led灯，计算机，耗氧量检测装置，投饲设备与plc控制器；

29、高清相机安装于循环水养殖系统上方，并且与计算机连接，确保能够监测鱼群行为，led灯用于为高清相机补光，plc控制器的输出端与投饲设备连接；所述计算机根据上述任一项所述的方法确定投饲量，并传输至plc控制器。

30、本发明的发明原理为：

31、摄食行为和游泳行为都是鱼类基础的行为模式，分别关系着鱼类的能量摄入和能量消耗，除此之外，鱼类的饥饿程度也会影响鱼类对摄食游泳策略的选择，当鱼类处于空腹状态时无法承担非协作游泳进食策略额外支出的游泳能耗，而当饥饿程度下降到一定范围后，鱼类个体会根据自己的喜好选择不同摄食游泳策略；利用饥饿程度与摄食游动策略的内在联系，定义摄食游动的重复博弈的同时结合鱼群行为来量化饥饿程度。结合饥饿程度h与饱食投喂量m制定新的投喂方法。

32、本发明的一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法，充分利用养殖鱼类自身行为信息来反映鱼类个体在协作游泳以及摄食策略之间的选择，摆脱传统投喂可能导致的饲料浪费，实现循环水养殖中投喂量的精准控制，在满足养殖鱼群生长所需的能量供给的同时，有效提高循环水养殖的生产效率。

技术特征：

1.一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法，其特征在于，所述方法是利用鱼群饥饿程度与摄食游动策略的联系，所述摄食游动策略为协作游泳进食与不协作游泳进食，基于摄食游动的重复博弈，确定鱼群中出现不协作游泳进食时鱼群不同策略之间的收益关系，结合鱼群的能量摄入和消耗来量化饥饿程度，最后根据希望鱼群保持的饥饿程度h与饱食投喂量m确定后续投喂量。

2.根据权利要求1所述的基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法，其特征在于，方法包括如下：

3.根据权利要求2所述的基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法，其特征在于，采用进食的能量收益及游泳能量消耗量化收益，并根据鱼个体在第n+1次投喂时两种不同策略的收益关系，量化确定鱼个体所能承担的最大能量消耗以及支付额外游泳能耗的能力，用1减去二者之反比即饥饿程度，以此作为鱼群的饥饿程度。

4.根据权利要求3所述的基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法，其特征在于，测量鱼群在整体协作游泳进食的情况下完成一次投喂的进食需要的耗氧量为其中能量消耗与耗氧量之间的换算系数为f1，则鱼群中的个体完成一次协作进食的消耗为：

5.根据权利要求1所述的基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法，其特征在于，在确定希望鱼群保持的饥饿程度h后，之后的每次投喂的投喂量mp即可确定为：

6.一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法，其特征在于，包括直接按照适宜饥饿程度h的计算公式，进行测量其中对应参数，之后按照每次投喂量mp投喂至饱食投喂量m即可；

7.一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲系统，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种基于重复博弈的循环水养殖鱼类智能投饲方法及系统，该方法包括构建重复博弈，基于重复博弈的纳什均衡策略，确定研究阶段不同策略之间的收益关系，最后根据收益关系以及饥饿程度与鱼群摄食行为中的能量摄入以及消耗的内在联系，量化饥饿程度以及确定投喂量。本发明用以确定促进鱼群协作游泳摄食行为的投喂量的重复博弈方法简单有效，能有效降低当前通过鱼类生物总量结合养殖经验决定投喂量所造成的饲料浪费，能在充分满足鱼类生长所需能量的同时，有效促进鱼群个体的协作游泳摄食行为，避免养殖水质恶化，提高养殖效益，符合现代水产养殖的发展需求。

技术研发人员：赵建,马赫睿吉,张彦峰,孙侦龙,文彦慈,朋泽群,叶章颖,朱松明
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16