基于繁殖质量评估的南美白对虾育种环境调控方法及系统与流程

本发明涉及水产养殖，特别涉及一种基于繁殖质量评估的南美白对虾育种环境调控方法及系统。

背景技术：

1、南美白对虾因其生长快、抗病力强等特点，已成为我国海水养殖的主导品种。育种环节作为产业链的源头，其环境控制的精准性直接决定了幼虾孵化存活率与仔虾变态同步率。目前，传统的育种池环境调控多采用“全局均一化”模式，即通过池底均匀分布的曝气管和循环水系统维持整体水质指标（如溶解氧、温度）的稳定。然而，由于池内存在水流死角和光照不均，导致物理化学环境呈现显著的空间异质性，不同区域的繁殖质量差异巨大。

2、现有技术存在以下缺陷：首先，缺乏空间分辨率的感知能力，无法识别池内的“高繁殖力核心区”与“低繁殖力边缘区”，导致调控资源浪费；其次，调控手段单一且被动，通常仅依据单一参数的阈值进行反馈调节，忽略了溶解氧脉冲与钙离子波动等关键因子对虾类蜕皮与变态的协同影响，响应滞后明显；最后，现有方法未建立水质参数与繁殖质量的动态耦合模型，难以根据实时繁殖状态进行前瞻性干预。因此，亟需一种能够量化繁殖质量空间分布、解析水质-繁殖力耦合机制，并实现分区差异化自适应调控的方法，以解决当前育种效率低、仔虾同步性差的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述至少一个技术问题，本发明提出了一种基于繁殖质量评估的南美白对虾育种环境调控方法及系统。

2、本发明第一方面提供了一种基于繁殖质量评估的南美白对虾育种环境调控方法，包括：

3、获取南美白对虾育种池内多个监测节点的多维环境参数与预设时间段内的幼虾孵化存活率数据、仔虾变态同步率，根据所述幼虾孵化存活率数据、仔虾变态同步率计算每个监测节点对应区域的繁殖质量，得到繁殖质量空间分布初评数据；

4、基于dbscan聚类算法对所述繁殖质量空间分布初评数据进行聚类操作，识别育种池内的繁殖质量区域特征，结合多维环境参数构建水质-繁殖力耦合分布特征；

5、根据所述水质-繁殖力耦合分布特征确定南美白对虾育种池内循环水支管的布设密度与微孔曝气装置的倾斜角度，构建分区差异化环境调控单元的布局方案；

6、按照所述布局方案运行环境调控单元，实时监测预设时间段内相同繁殖质量特征区域的溶解氧脉冲频率与钙离子波动振幅的协同变化数据，根据所述协同变化数据计算繁殖质量提升滞后系数，得到环境调控响应特征；

7、根据所述环境调控响应特征动态调整分区差异化环境调控单元的运行参数，当繁殖质量提升滞后系数大于预设阈值时，基于lstm网络的短期环境参数预测模型，输出未来预设调整时间段的环境参数修正量，得到自适应调控指令集。

8、本方案中，所述获取南美白对虾育种池内多个监测节点的多维环境参数与预设时间段内的幼虾孵化存活率数据、仔虾变态同步率，根据所述幼虾孵化存活率数据、仔虾变态同步率计算每个监测节点对应区域的繁殖质量，得到繁殖质量空间分布初评数据，具体为：

9、基于布设于育种池内的多组监测节点同步采集各节点覆盖区域内的水温、溶解氧浓度、ph值、氨氮含量、亚硝酸盐含量及钙离子浓度的多维环境参数；

10、统计各监测节点覆盖区域内预设时间段内完成孵化的幼虾总数与南美白对虾初始产卵总数的比值得到幼虾孵化存活率数据，统计各监测节点覆盖区域内同一批次仔虾完成蚤状幼体向糠虾幼体变态的时间偏差在设定区间内的个体数量与仔虾总数量的比值得到仔虾变态同步率；

11、将幼虾孵化存活率数据与仔虾变态同步率进行加权融合，以加权融合结果作为对应监测节点覆盖区域的繁殖质量量化值，将所有监测节点对应的繁殖质量量化值按照各监测节点在育种池内的空间坐标进行配准映射，构建携带空间位置标识的繁殖质量空间分布初评数据。

12、本方案中，所述基于dbscan聚类算法对所述繁殖质量空间分布初评数据进行聚类操作，识别育种池内的繁殖质量区域特征，结合多维环境参数构建水质-繁殖力耦合分布特征，具体为：

13、提取繁殖质量空间分布初评数据中每个监测节点对应的空间坐标与繁殖质量量化值，以空间坐标为样本点的位置参数、以繁殖质量量化值为样本点的属性参数构建待聚类数据集；

14、设置dbscan聚类算法的邻域半径与最小邻域样本数，遍历待聚类数据集中的所有样本点，将邻域内包含样本点数量不小于最小邻域样本数的样本点标记为核心点，将位于核心点邻域内但未达核心点判定条件的样本点标记为边界点，将不属于任何核心点邻域的样本点标记为噪声点，将相互连通的核心点与归属其邻域的边界点划分为同一簇类，每个簇类对应育种池内一个繁殖质量特征区域；

15、根据各簇类内所有样本点的繁殖质量量化值的均值确定对应繁殖质量特征区域的等级，根据各簇类所覆盖的空间范围计算对应繁殖质量特征区域的面积占比，得到包含空间边界、质量等级、面积占比的繁殖质量区域特征；

16、将每个监测节点的多维环境参数按照空间坐标与所属繁殖质量特征区域进行关联匹配，对同一繁殖质量特征区域内的所有监测节点的水温、溶解氧浓度、ph值、氨氮含量、亚硝酸盐含量及钙离子浓度分别进行均值计算，得到每个繁殖质量特征区域对应的平均水质参数集；

17、以繁殖质量特征区域的空间边界为基准，将平均水质参数集与对应繁殖质量特征区域的等级、面积占比进行空间叠加映射，构建携带水质参数与繁殖质量等级对应关系的水质-繁殖力耦合分布特征。

18、本方案中，所述根据所述水质-繁殖力耦合分布特征确定南美白对虾育种池内循环水支管的布设密度与微孔曝气装置的倾斜角度，构建分区差异化环境调控单元的布局方案，具体为：

19、根据水质-繁殖力耦合分布特征中各繁殖质量特征区域的空间边界、质量等级、面积占比及平均水质参数集，计算相邻繁殖质量特征区域之间溶解氧浓度、钙离子浓度、氨氮含量及亚硝酸盐含量的空间梯度，构建各繁殖质量特征区域的水质交换需求矩阵；

20、根据所述水质交换需求矩阵计算各繁殖质量特征区域边界处的水质补偿方向及水体交换贡献值，根据各繁殖质量特征区域的面积占比、空间边界长度及水体交换贡献值确定对应区域循环水支管的单位面积覆盖需求，将各繁殖质量特征区域的单位面积覆盖需求映射至育种池空间坐标，确定各繁殖质量特征区域对应的循环水支管布设密度；

21、根据各繁殖质量特征区域的平均溶解氧浓度、平均钙离子浓度及对应循环水支管的布设密度，计算各循环水支管出水形成的局部水流方向，并结合各繁殖质量特征区域与相邻繁殖质量特征区域之间的水质补偿方向，确定各区域目标水流合成方向，根据所述目标水流合成方向计算微孔曝气装置释放气泡上升轨迹与目标水流合成方向之间的夹角关系，确定各繁殖质量特征区域对应微孔曝气装置的倾斜角度；

22、将各繁殖质量特征区域对应的循环水支管布设密度及微孔曝气装置倾斜角度按照对应空间边界进行位置配准，生成各繁殖质量特征区域相互衔接的分区差异化环境调控单元布局方案。

23、本方案中，所述按照所述布局方案运行环境调控单元，实时监测预设时间段内相同繁殖质量特征区域的溶解氧脉冲频率与钙离子波动振幅的协同变化数据，根据所述协同变化数据计算繁殖质量提升滞后系数，得到环境调控响应特征，具体为：

24、按照所述布局方案中针对各繁殖质量特征区域标定的循环水支管布设密度与微孔曝气装置倾斜角度，驱动对应分区差异化环境调控单元运行，在育种池内筛选出所有具有相同质量等级的繁殖质量特征区域构成同特征区域集合；

25、在同特征区域集合内的每一繁殖质量特征区域中，获取溶解氧浓度时序数据与钙离子浓度时序数据，对所述溶解氧浓度时序数据进行滑动窗口峰值计数得到单位时间内的溶解氧脉冲频率，对所述钙离子浓度时序数据进行希尔伯特变换提取瞬时幅度包络，计算所述瞬时幅度包络的方差并开平方根得到钙离子波动振幅；

26、将同特征区域集合内所有繁殖质量特征区域的溶解氧脉冲频率与钙离子波动振幅分别进行两两差分运算，构建跨区域溶解氧脉冲频率差异矩阵与跨区域钙离子波动振幅差异矩阵；

27、计算所述跨区域溶解氧脉冲频率差异矩阵中所有元素绝对值的均值作为溶解氧脉冲离散度，计算所述跨区域钙离子波动振幅差异矩阵中所有元素绝对值的均值作为钙离子波动离散度；

28、对同特征区域集合内的每一繁殖质量特征区域，提取该区域在环境调控前的繁殖质量量化值作为初始繁殖质量基准值，在环境调控运行达到所述预设时间段后，重新计算该区域的繁殖质量量化值作为调控后繁殖质量值，计算所述调控后繁殖质量值与所述初始繁殖质量基准值的差值得到单区域繁殖质量提升量；

29、计算同特征区域集合内所有单区域繁殖质量提升量的标准差作为跨区域繁殖质量提升离散度；

30、以所述溶解氧脉冲离散度与所述钙离子波动离散度确定协同响应偏离度，将所述跨区域繁殖质量提升离散度与所述协同响应偏离度的比值作为该同特征区域集合对应的繁殖质量提升滞后系数，得到表征相同繁殖质量特征区域间调控非一致性的环境调控响应特征。

31、本方案中，所述根据所述环境调控响应特征动态调整分区差异化环境调控单元的运行参数，当繁殖质量提升滞后系数大于预设阈值时，基于lstm网络的短期环境参数预测模型，输出未来预设调整时间段的环境参数修正量，得到自适应调控指令集，具体为：

32、提取环境调控响应特征中各同特征区域集合对应的繁殖质量提升滞后系数，筛选大于预设阈值的待优化同特征区域集合，调取该集合内各繁殖质量特征区域的平均水质参数集、循环水支管布设密度及微孔曝气装置倾斜角度，同步提取调控运行期间的溶解氧浓度时序数据、钙离子浓度时序数据、水温时序数据及对应时段的繁殖质量量化值序列，按时间戳对齐拼接构建训练样本集；

33、以连续历史时间步的环境参数作为输入、滞后一个时间步的繁殖质量量化值作为监督标签，训练lstm网络的短期环境参数预测模型至收敛，将待优化同特征区域集合当前的溶解氧浓度时序数据、钙离子浓度时序数据及水温时序数据输入训练完成的模型，输出未来预设调整时间段内各时间步的溶解氧浓度预测值、钙离子浓度预测值及繁殖质量量化值预测值；

34、计算未来预设调整时间段内繁殖质量量化值预测值的累计增量，将该累计增量与预设繁殖质量提升目标值比对，当累计增量小于预设繁殖质量提升目标值时，以繁殖质量量化值预测值达到预设繁殖质量提升目标值为优化目标，确定各时间步所需的溶解氧浓度修正量与钙离子浓度修正量，结合对应繁殖质量特征区域的水质交换需求矩阵，计算得到循环水支管流量调整量与微孔曝气装置曝气强度调整量；

35、将所述溶解氧浓度修正量与钙离子浓度修正量及循环水支管流量调整量与微孔曝气装置曝气强度调整量按对应繁殖质量特征区域的空间边界映射，生成携带空间坐标标识的自适应调控指令集，驱动对应分区差异化环境调控单元按指令调整运行参数，同时将繁殖质量量化值预测值反馈至lstm网络模型，对模型参数进行在线更新以适应育种池环境动态变化。

36、本发明第二方面还提供了一种基于繁殖质量评估的南美白对虾育种环境调控系统，该系统包括：存储器、处理器，所述存储器中包括基于繁殖质量评估的南美白对虾育种环境调控方法程序，所述基于繁殖质量评估的南美白对虾育种环境调控方法程序被所述处理器执行时，实现如上述任一项所述的基于繁殖质量评估的南美白对虾育种环境调控方法的步骤。

37、本发明公开了一种基于繁殖质量评估的南美白对虾育种环境调控方法及系统。该方法采集育种池多节点的环境参数及幼虾孵化存活率、仔虾变态同步率，计算繁殖质量空间分布；利用dbscan算法聚类分析，构建水质-繁殖力耦合分布特征；据此差异化布设循环水支管密度及微孔曝气装置倾角，形成分区调控布局。运行中监测溶解氧脉冲频率与钙离子波动振幅的协同变化，计算繁殖质量提升滞后系数以量化调控响应。当滞后系数超阈值时，调用lstm模型预测未来环境参数并输出修正量，生成自适应指令集。本发明解决了传统调控空间均一性强、响应滞后的问题，显著提升了南美白对虾的孵化存活率与仔虾变态同步率。