基于Java的稻虾综合种养决策支持系统研究与开发

摘要

　　稻虾综合种养是助推乡村产业振兴和农业供给侧结构性改革的新兴产业之一。本文针对目前稻虾综合种养信息化、智能化决策平台缺乏的现实需求，在稻虾综合种养相关理论知识的支持下，基于Java及XML语言和PhotoshopCS6、exe4j等软件，经系统需求分析与可行性分析、知识信息收集、要素分析、模型分析、UI设计、功能设计、代码编译等步骤，开发了单机版和手机版双平台稻虾综合种养决策支持系统，为稻虾综合种养绿色高效技术的推广应用提供了信息化平台支撑。主要研宄结果如下：

　　（1）基于水稻叶龄模式、群体质量、精确定量栽培与克氏原螯虾生长发育规律和生态健康养殖技术以及稻田综合种养相关成果，建立了稻虾综合种养历史沿革、产业现状、技术规范、专家知识、品种介绍、产品信息等知识库或数据库，创新构建了包括稻虾连作模式下水稻基本苗、精确施肥、病虫害防治与克氏原螯虾苗种投放、饲料投放、水质评价、病虫害防治以及共性的经济效益计算等在内的决策模型库，由此形成了严密的系统逻辑架构，为稻虾综合种养决策支持系统的研发创造了前提条件。

　　（2）基于Java面向对象编程语言及其平台，结合水稻、克氏原螯虾及其综合种养相关成果，集成研发了稻虾综合种养决策支持系统单机版和手机版软件。上述系统集基础知识普及、精准决策支持、相关产品推荐、专家知识获取、新型装备、系统帮助与程序使用手册等功能于一体。经测试与应用，其界面友好，内容丰富，功能可用性、可靠性和可维护性强，分别获得了国家版权局计算机软件著作权（2019SR1369214、2020SR1613507），是新型农业经营主体自主学习与自主决策的信息化优质平台。

　　关键词：水稻；克氏原螯奸；稻田综合种养；决策支持系统

目录

　　第一章绪论

　　稻虾综合种养是指在保障水稻达到产量要求的前提下，将水稻种植与克氏原螯虾养殖有机结合，变单一种植或养殖为高质高效生态种养的绿色循环农业模式。因其具有经济效益显著、生态增绿突出、业内反响良好等综合优势，使其得到了许多新型农业经营主体的认可和应用。作为农业供给侧结构性改革的新着力点，近年来其在国内20多个省（区、市）发展迅猛[1-2].因此，加快稻虾综合种养发展进程，规避种养环节水稻与淡水小龙虾的生产问题，促进稻虾综合种养高质量发展，不仅有助于创建新型生态循环农业体系，增加绿色优质农产品供给，而且可针对性解决务农收入少、肥药水等资源利用率低、稻田环境恶化、农产品质量安全水平不高等一系列问题，真正实现一田多收、一水多用，对加快我国水稻水产深入融合发展具有重大的现实意义[3_5].结合近几年农业信息化发展大势，十分有必要为稻虾综合种养引入信息化发展元素，以提高农渔作业效率，降低生产成本，提高管理质效，实现科技兴稻促渔A'然而，稻虾综合种养实践中尚存在稻田改造不规范、沟坑占比过大（环沟种养易超标）、重虾轻稻、过量施肥、农药使用不合理、机械化及信息化程度低等问题，一定程度上引起了业内对于其影响粮食安全与水土环境安全的担忧，既不利于水稻绿色高质高效生产，又造成淡水小龙虾生态健康养殖隐患，造成耕地等宝贵资源巨大浪费。笔者调研也发现，大部分种养户只偏重于水稻种植或淡水小龙虾养殖单一方面，并未真正实现水稻与淡水小龙虾种养有机结合，偏离了政府鼓励支持发展稻虾综合种养的初心[^].因此，依托水稻生长发育规律和优质高产栽培技术，结合淡水小龙虾养殖技术等，借助现代信息化技术手段，强化稻虾综合种养从业者对稻虾综合种养产业规范发展与科学种养的意识，为他们提供科学有效的决策支持与种养建议，是解决上述问题的有效途径之一[1M2].目前针对稻虾综合种养的决策支持系统研发尚少见报道。已有的相关系统仅能单一地指导水稻种植或淡水小龙虾养殖，难以满足多产融合和农业供给侧结构性改革的发展需要[13_15].

　　此外，以往的决策支持系统大多仅为PC单机版或网络版或手机版之一，未能顾及多元化应用场景，制约了系统普及应用[16_17].为此，本文基于Java编程语言和XML可扩展标记语言等，研发了单机版和手机版双平台稻虾综合种养决策支持系统，集成发展历程、技术规范、决策支持、产品中心、知识园地、新型装备等功能，使之具有易于使用、易于扩展、易于维护的特点，服务一线农技工作者和稻虾综合种养生产经营人员，成为稻虾综合种养者的"好帮手"和"e智囊",具有研究的新意和必要性。

　　1稻虾综合种养研究进展

　　2015、2016、2017、2020年中央一号文件强调"种养结合""稻田综合种养",为稻虾综合种养指明了前进方向，注入了强大动力。稻虾综合种养以稻为主，兼顾水稻生产与淡水小龙虫下养殖，在把握单一水稻种植规律和淡水小龙奸养殖规律的基础上，研究连作种养模式下的差异，才能掌握稻虾综合种养自身的规律，发挥稻虾综合种养多方面优势，提高低洼地、冷浸田、沼泽地、盐碱地等资源利用率，保证水稻生产稳定，实现稻虾双赢，促进农业增绿、农民增收。《中国小龙虾产业发展报告》（2020）显示，2019年中国淡水小龙虾产业总产值达4110亿元，其中，淡水小龙虾养殖业产值约710亿元，淡水小龙虾养殖总产量达208.96万t,养殖总面积128.6万hm2.按养殖模式分，淡水小龙虾稻田养殖占比最大，产量为177.25万t,养殖面积为103.6万hm2[18].全国稻虾生态种养面积从2017年的56.67万hm2,已发展到2019年的110.53万hm2,年均增长率达39.66%.从全国看，湖北、安徽、湖南、江苏、江西5个淡水小龙虾养殖大省继续保持增长，其中浙江省湖州和嘉兴等地在地方政府政策导向下稻虾种养模式迅速发展，2019年实现盈利的种养殖户占比80%以上[19-21].

　　1.1水稻栽培技术研究进展

　　稻米是许多文化的基石，是生命与富足的象征。我国是世界栽培稻起源地，有着悠久的种植史。水稻在我国历史农耕文化长河中占有重要地位[22_23],孕育了"稻饭羹鱼""鱼米之乡"深厚的文化，承载着今天国民，尤其是南方人民主粮的重任，是国家粮食安全体系的重要组成部分。经持续攻关突破，我国水稻栽培技术取得了显著成就，在大面积水稻因种高产优质栽培上取得了突出成效，为保障国家粮食安全、促进农民增产增收奠定了技术基础[24].

　　建国初，我国水稻栽培以总结经验为主，后形成了以"小、壮、高""叶龄模式"为代表的高产栽培技术理论体系，揭示了栽培技术与高产之间的关系及其机理机制第一次绿色革命让矮杆水稻进入了人们的视野，通过选择合理的水稻株型、提高种植密度，使得水稻产量显著提升。杂交稻品种的选育成功又大幅增加了水稻的每穗粒数和千粒重，使得水稻源库关系进一步协调[25-26].20世纪90年代，水稻栽培上从育秧到田间管理都出现了新技术，如旱育秧、宽窄行、氮肥后移、干湿交替等。水稻栽培有关的理论体系也取得重大突破，如群体质量理论、源库理论、精确定量栽培理论与技术等[27-29].

　　进入新世纪以来，国家为农业发展提供了巨大支持，国家粮食丰产科技工程、国家重点研发计划"粮食丰产增效科技创新"重点专项等项目的实施，促进了国内众多栽培技术的创新研发与落地推广应用，为我国粮食持续丰产增效提供了强大驱动力。此外，又出现了种类更多的农业发展新方向，包括智慧稻作、生态稻作、休闲稻作等[3<?n,展现了水稻生产与时俱进的强大活力。随着信息技术和电子制造业的快速进步，农业正成为信息化建设的风口与主战场。地理信息系统、遥感技术、北斗导航系统、人工智能系统等均可在水稻生产领域一展身手、发挥效用。我国国土辽阔，各地区的土壤环境和气候条件差异较大，适宜种植的水稻品种类型也各不相同，利用地理信息系统可在全国范围进行合理的水稻种植布局规划%.随着我国自主研创的北斗导航系统布局完成与全球化应用服务开展，以及5G技术加速推广，芯片定位更加准确可靠，信息传递速度空前增强。设计定位导航程序植入芯片，即可实现农用机械的无人导航驾驶，有助于提高全时域水稻生产作业效率。目前市场上己有自主精准导航的无人植保机、无人施肥机、无人插秧机、无人联合收割机等投入规模化水稻生产应用[33].利用无人机的高清航拍功能，辅以高精确度的图像识别算法，能对水稻生产进行全方位监测与生长发育诊断。基于无人机的遥感技术监测对象更全面，视野相对宽阔，速度更快，效率更高，识别准确度也更高，能快速高效发现生产问题，减少损失[34].

　　此外，依靠虚拟仿真技术可以模拟水稻生长的最佳环境，探索实现更高产更优质的途径，减少试验投入成本[35].由计算机软件辅助的信息采集、决策支持、农事服务等，也为水稻生产活动注入了强大活力，助力新时代水稻精准化和智能化发展[36].

　　1.2克氏原螯虾养殖技术研宄进展

　　克氏原螯虾俗称淡水小龙虾，原产于墨西哥、美国等国家，后通过物种入侵途径进入我国[37].淡水小龙虾是高蛋白、低脂肪、味鲜肉细的传统水产品P8].近年来，在新消费的推动下，淡水小龙虾因其口味多样、价位适中，故已成为国民餐桌上老少皆宜的网红食品。已知早在1880年法国便开始鳌虾产业化养殖，是全球最早创办淡水小龙虾养殖场的国家。20世纪50年代，美国路易斯安那州等开始进行淡水小龙虾产业化商品化养殖。从1988年开始的13年间，美国养殖总面积超过6.3万hm2,年均产量约4万t.20世纪70年代，西班牙、葡萄牙等国开始淡水小龙虾养殖，2002年前年均产量各约30001.

　　澳大利亚1960年开始研宄淡水小龙虾养殖，全国300余个螯虾养殖场每年可生产5000t淡水小龙虾[3943],其中包括克氏原螯虾和澳洲淡水小龙虾等。20世纪90年代我国出现了第一批淡水小龙虾加工企业，主要生产虾仁和提炼甲壳素等产品，其中部分产品实现了出口创汇。进入新世纪后，国内淡水小龙虾的消费需求快速上升，湖北、湖南、安徽、江苏、江西等省先后成为淡水小龙虾主产区，其中稻虾综合种养是主要养殖方式。根据淡水小龙虾生活习性与生长发育规律，国内已总结出了成套的养殖技术[44"47】。2007年国内淡水小龙虾总产量仅为26.55万t,2017年产量则已达112.97万t.2018年和2019年，国内淡水小龙虾总产量分别达到163.87万t和208.96万t,进入了快速增长上行阶段。由于政策的推动与市场需求的强力拉动，使得淡水小龙虾成为江苏省十大主推养殖品种之一[48]近

　　年来，由于淡水小龙虾在新消费的驱动下市场需求上升，价格持续走高，因而激发了从业人员的养殖热情，"龙虾市""龙虾镇""龙虾村"应运而生，但发展中的相关问题也逐渐显露，引起了有关方面的重视。在生产环节养殖户普遍采取捕大留小、分批收获上市的作业方式，加剧了淡水小龙虾优良性状退化，大规格偏少，小规格偏多，实际种养效益提振乏力。部分农户违规使用药物，少量不良商家违法使用洗虾粉等问题也有存在[4547'49].稻虾综合种养作为农业供给侧结构性改革的重要抓手，其本质是立足于粮食安全，优化农产品供给结构，帮助农民増收致富。但将常规稻田改造为稻虾田需要开挖沟坑，为此需占用10%以内的耕地面积，尽管存在边际效应补偿，但势必对水稻产量造成一定影响。由于稻谷单价远低于淡水小龙虾价格，且生长周期长、生产流程与田间管理复杂，因而种养户对淡水小龙虾养殖的关注度远大于种稻，导致种稻与养虾的主次发生扭曲，适度发展稻虾综合种养被提上日程[50"51].

　　虾稻田改造需贯彻专门的技术规范，一般配有边沟、防逃网、内外双埂、进排水口等，因而耕地改造和租赁费用较高。力口之，虾稻田农机作业困难、淡水小龙虾市场价格波动大、2020年受新冠肺炎疫情的影响、淡水小龙虾塘口价低等均限制了稻虾综合种养规模的进一步扩大[52_5.

　　2农业决策支持系统研究进展

　　2.1国外农业决策支持系统研究进展

　　2.2国内农业决策支持系统研究进展

　　3论文研宄内容和技术路线

　　3.1论文研究内容

　　3.2技术路线6#敎献

　　第二章系统目标与设计

　　1系统目标

　　2开发环境

　　2.1平台选择

　　2.2平台优势

　　3功能设计

　　4界面设计

　　4.1平台配置

　　4.2界面构建

　　5代码编译

　　参考文献

　　第三章稻虾综合种养决策支持系统单机版程序实现与应用

　　1发展历程模块18U发展历程内容

　　1.2功能界面182技术规范模块

　　2.1技术规范内容

　　2.2功能界面

　　3决策支持模块

　　3.1水稻基本苗决策

　　3.2水稻精确施肥决策

　　3.3病虫害防治决策

　　3.4虾苗投放量决策

　　3.5饲料投放量决策

　　3.6水质评价决策

　　3.7经济效益计算

　　4产品中心模块

　　4.1产品中心内容

　　4.2功能界面

　　5知识园地模块

　　5.1知识园地内容

　　5.2功能界面326小结与讨论

　　6.1小结

　　6.2讨论

　　参考文献

　　第四章稻虾综合种养决策支持系统手机版程序实现与应用

　　1产业现状模块

　　1.1产业现状内容

　　1.2功能界面

　　2技术规范模块

　　2.1技术规范内容

　　2.2功能界面

　　3决策支持模块

　　3.1水稻基本苗决策

　　3.2水稻精确施肥决策

　　3.3病虫害防治决策

　　3.4虫下苗投放量决策

　　3_5饲料投放量决策

　　3.6水质评价

　　3.7经济效益计算

　　4产品中心模块

　　4.1产品中心内容

　　4.2功能界面

　　5新型装备模块

　　5.1新型装备内容

　　5.2功能界面

　　6知识园地模块

　　6.1知识园地内容

　　6.2功能界面

　　7小结与讨论

　　7.1小结

　　7.2讨论

　　参考文献

　　第五章结论与讨论

　　1结论

　　稻虾综合种养是近年来全国各地兴起的生态循环农业模式之一。本文针对目前稻虾综合种养信息化、智能化决策平台缺乏的现实需求，在稻虾综合种养相关理论知识的支持下，基于Java及XML语言和PhotoshopCS6、exe4j等软件，经系统需求分析与可行性分析、知识信息收集、要素分析、模型分析、UI设计、功能设计、代码编译等步骤，开发了单机版和手机版双平台稻虾综合种养决策支持系统，为稻虾综合种养绿色高效技术的推广应用提供了信息化新平台支撑。主要研究结果如下：

　　（1）基于水稻叶龄模式、群体质量、精确定量栽培与克氏原螯虾生长发育规律和生态健康养殖技术以及稻田综合种养相关成果，建立了稻虾综合种养历史沿革、产业现状、技术规范、专家知识、品种介绍、产品信息等知识库或数据库，创新构建了包括稻虾连作模式下水稻基本苗、精确施1巴、病虫害防治与克氏原螯虾苗种投放、饲料投放、水质评价、病虫害防治以及共性的经济效益计算等在内的决策模型库，由此形成了严密的系统逻辑架构，为稻虾综合种养决策支持系统的研发创造了前提条件。

　　（2）基于Java面向对象编程语言及其平台，结合水稻、克氏原螯虾及其综合种养相关成果，集成研发了稻虾综合种养决策支持系统单机版和手机版软件。

　　上述系统集基础知识普及、精准决策支持、相关产品推荐、专家知识获取、新型装备、系统帮助与程序使用手册等功能于一体。经测试与应用，其界面友好，内容丰富，功能可用性、可靠性和可维护性强，分别获得了国家版权局计算机软件著作权（2019SR1369214、2020SR1613507），是新型农业经营主体自主学习与自主决策的优质平台。本文的创新点在于：

　　（1）建立了稻虹综合种养相关知识库、数据库，创建了稻虾连作模式下水稻和克氏原螯虾种养相关的决策模型库。

　　（2）基于Java等语言，研发了单机版与手机版稻虾综合种养决策支持系统，服务不同用户群体，利于先进适用技术普及推广

　　2讨论

　　（1）稻虾综合种养绿色高效发展须以"稳粮增收"为前提，以"不与人争粮，不与粮争地"为基本原则，兼顾水稻与淡水小龙虾生产。在稻虾连作模式下，其茬口衔接、水稻品种选用（突出抗倒性）、肥料施用量、田间灌溉、绿色防控、水质评价等各个环节皆区别于单一的水稻种植模式。江苏作为水稻大省，南北跨度大，苏南、苏中、苏北的温光水土气等资源差距较大，因此在水稻品种选择、肥料运筹、绿色防控等方面存在明显不同，而本研宄主要是基于江苏省盱眙县、安徽省天长市等稻虾综合种养的实践所得和国内稻虾综合种养研究进展而研发的，故在其他很多省份及地区的决策过程中恐有一定程度的偏差，需要在稻虾连作种养实践中，结合实际合理优化决策结果，进行科学种养生产。

　　（2）本研宄开发的稻虾综合种养决策支持系统虽整合了大量数据信息知识且支持智能化决策，但所研发的系统尚缺乏自主收集信息并整合的功能，如增加品种信息、专家知识等仍需要开发者操作，可通过版本升级加以解决。此外，受限于系统后台管理的工作量和安全性，本系统的用户之间沟通交流不便，用户无法获知并借鉴其他用户的经验，在后续的研究中可以架构云端服务器，为用户提供讨论区，以进一步优化决策支持系统的用户体验。

　　（3）稻虾综合种养的主要模式是稻虾连作、稻虾共作和一稻多虾。本系统主要适用于稻虾连作模式。由于稻虾共作和一稻多虾模式下淡水小龙虾活动范围和稻虾茬期变化，因而在苗种投放决策、饲料投喂决策、病虫害防治决策等方面，难以做到科学匹配。未来可通过专项研究，在决策界面添加其他模式的决策功能，以真正实现系统的通用性和机理性，进而提升系统价值。

致谢

　　时光荏苒，三年硕士研究生生涯即将结束。很荣幸跨专业考入扬州大学农学院作物栽培学与耕作学学科学习。导师高辉副教授为我制订了全面的硕士研究生培养计划。

　　从盱眙基地田间地头到课堂内、实验桌前、图书馆中，我逐渐掌握了稻虾综合种养生产技术要点与多种农机操作技术等。后在导师的指导下进一步提高了编程水平，结合稻虾综合种养理论知识学习与一线实践所得，完成了硕士学位论文。

　　在学术论文与学位论文写作过程中，导师必字字斟酌，细致修改，使我的论文写作水平得到很大提高，收益良多。在此向导师深表谢意！感谢张洪程院士、戴其根教授、霍中洋教授、许轲教授、魏海燕教授、郭保卫副教授、胡雅杰讲师等给我的关心指导和帮助。感谢窦志博士后、徐强博士和张延发、李阳阳、陈泽、郭哈伦、陈林荣、周翌城、陆尧等学友，在我系统研发和盱眙驻点实践期间给予的支持和帮助，为我顺利完成系统研发与论文写作创造了条件，从中也收获了千金难换的友情。感谢我的父母和姐姐多年来给予我的关心和鼓励。在我成功时，勉励我戒骄戒躁。

　　在我遇到挫折和挑战时，又劝我再接再厉。正是他们的无私关爱与全力支持，使得我不断取得进步，勇于攀登高峰。言有尽而情无涯。在此向所有给予我帮助、关心的老师、同学和家人，以及答辩委员会的各位专家教授表示衷心的感谢！

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