Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы системной организации функций в промысловой биоакустике 18
1,1- Анализ и постановка задач системного проектирования в промысловой биоакустике 18
1.2. Используемые понятия и определения системного анализа процессов рыболовства 40
1.3. Принцип системной организации функций в применении к задачам промысловой биоакустики 47
1А Методическая база для исследований и разработок в облас ти промысловой биоакустики 56
Глава 2. Исследование биофизической структуры взаимодействия рыб с воздушно-пузырьковыми завесами (ВПЗ) 77
2.1. Биологические, аэродинамические и гидроакустические предпосылки к использованию ВПЗ в рыболовстве 77
2.2. Исследование гидроакустических характеристик ВПЗ 93
23. Анализ поведения рыб и биофизической природы их взаи модействия с ВПЗ 112
Глава 3. Исследование природных биоакустических стереотипов пове-дения, применимых в рыболовстве 120
3.1. Постановка задачи исследования 120
3,2. Материал и методы исследований 122
3-3. Результаты исследований акустической активности рыб 126
3,4. Результаты исследования акустического поведения дель финов 139
3.5. Анализ поведения гидробионтов и выбор аналогов для фи зического и технического моделирования 146
Глава 4. Биофизическое обоснование средств управления поведением рыб 159
4.1. Постановка задачи исследования 159
4.2. Изучение морфофункциональных особенностей слуха промысловых рыб 163
4.3. Исследование слуховых способностей промысловых рыб... 186
4.4. Исследование электрофизиологических и двигательных реакций рыб в ответ на акустические стимулы 201
4.5. Анализ результатов и определение требований к физиче ской структуре стимулов і 249
Глава 5. Биотехническое моделирование акустических систем для управления поведением рыб 259
5.1. Постановка задач исследования 259
5.2. Морфофункциональные характеристики органов звукоиз-лучения открытопузырных рыб и дельфинов 259
5.3. Физическое моделирование звукоформирующих органов рыб и дельфинов 270
5.4. Разработка технических моделей имитаторов звуков рыб и дельфинов, исследование их акустических характери стик 277
5.5. Разработка пневмоакустических средств интенсификации лова в условиях императивного влияния шумов судов 290
Глава 6. Исследование шумов промысловых судов и их влияния на результативность кошелькового лова 305
6.1. Постановка задачи исследования 305
6.2. Методические разработки 307
6.3. Результаты измерений акустических характеристик шумов промысловых судов 312
6.4. Исследование поведения рыб в зоне действия акустическо го поля судна 323
Глава 7. Испытания и внедрение пневмоакустических систем в техноло гиях промысла и рыбозащиты 343
7.1. Промысловые испытания пневмоакустическои системы на ставном неводном лове 343
7.2. Промысловые испытания пневмоакустическои буксируемой дистанционно управляемой (БДУ) системы на траловом лове минтая 355
7.3. Промысловые испытания и внедрение пневмоакустическои системы на кошельковом лове 363
7.4. Производственные испытания пневмоакустическои системы в целях рыбозащиты 3 74
Заключение 3 84
Библиографический список 389
- Используемые понятия и определения системного анализа процессов рыболовства
- Исследование гидроакустических характеристик ВПЗ
- Материал и методы исследований
- Изучение морфофункциональных особенностей слуха промысловых рыб
Введение к работе
Человеческий мир осознал себя цельным со всем остальным миром и эта цельность характерна для всех уровней и масштабов его деятельности. Его технологическое могущество породило новые связи в природе и обществе, а пищевые, энергетические и другие проблемы, связанные с морем, породили во взаимодействии с биосферой и гидросферой компоненты техносферы, которыми определяется ответственность инженерных решений за рациональную экс-плуатацию сырьевой базы океана.
Существующие строгие методы расчета и проектирования в рыболовстве допускают абстрагирование процесса лова, упрощение механизмов взаимодействия объекта лова с внешней средой и техникой промысла. Это лишает проект живого физического содержания и снижает, как правило, его практическую ценность.
Цельная рыбопромысловая система необъяснима только законами гидродинамики и вероятностным результатом. Для живых систем характерен признак сложных организованных систем. В то же время биотехническая система рыболовства, обладающая наибольшей сложностью, чаще характеризуется простой суммой ее частей, т.е. абстрагируются функциональные связи между живой и технической средой.
Основоположник науки о промышленном рыболовстве проф. Ф.И. Баранов [9] обратил внимание разработчиков техники лова на необходимость учета особенностей поведения рыб, а проф. В.Р. Протасов [112, 114] подвел научную базу под феноменологию поведения рыб, придавая исключительную важность физиологическим основам поведения в физических полях орудий лова, судов и средств управления.
Представляя лов рыб как процесс управления гидробионтами, техническими средствами и состоянием среды, В.Н. Мельников [93, 96] рекомендует этот предмет исследований рассматривать в аспекте современной кибернетики. Действительно, при постановке исследований технологических процессов лова
чрезвычайно важно/принимать поведение объекта лова и результат лова за случайный или закономерный. Поэтому анализ промысловых операций на основе фундаментальных научных дисциплин об управлении с математическим или логическим толкованием биофизических закономернортей более предпочтителен, чем альтернатива абстрагирования от них.
Но в данном подходе остаются слабые позиции при раскрытии мотиваций в исследуемых процессах. В основу анализа и разработок традиционно положена общая теория систем. Объединяя системные исследования и являясь междисциплинарной, в приложении к рыболовству она ставит те вопросы, которые вытекают из общих свойств, а не из внутреннего биофизического содержания. С этим чаще связано планирование в последовательности «синтез - анализ» систем, т.е. осуществляется исследование операций с готовым результатом. Такой подход оправдан для хорошо структурированных формализуемых задач в рыболовстве.
При использовании в управляемом технологическом процессе промысла высокопроизводительной техники с жестко заданной кинематикой традиционный подход на основе классических приемов математической теории систем позволил совершенствовать теоретическую базу промышленного рыболовства до достаточно высокого уровня [5, б, 9, 13, 24, 25, 35, 93, 94, 133, 137]. В то же время кибернетические вопросы биологии, инициированные отцом кибернетики Н. Винером [18] для прикладных наук, где биология ассимилирует с физикой и техникой, остались без глубоких проработок теоретиков промышленного рыболовства, что обеднило изучение проблемы устойчивого управления промыслом на научном уровне. Особенно остро отсутствие идейной базы сказывается в поиске приемов дистанционного управления объектом лова в динамике развития промыслового процесса.
В ретроспективный период до конца 80-х годов прошлого столетия рыболовство развивалось экстенсивным путем. Шло наращивание промысловых мощностей (размеров орудий лова, водоизмещения и мощностей промысловых судов, количества промысловых единиц на массовых объектах лова), был фак-
тически достигнут потолок добычи, лимитируемый объемами допустимого улова. Даже до перехода к рыночной экономике отрасль стремительно шла к кризису: за 10 - 12 лет после введения 200-мильных экономических зон рыбо-добывающие предприятия Дальнего Востока нарастили фондовооруженность в 1,7 раза, а фондоотдача упала на 35 - 40 %.
Обязательное для перехода к рыночным отношениям экономическое событие - смена экстенсивного пути на интенсивный путь развития - не состоялось. Отрасль погрузилась в глубокий кризис. При отсутствии оборотных средств у добывающих предприятий замена промыслового флота на более совершенный невозможна. На текущий год в рыбохозяйственном комплексе ДВФО используется в основном морально устаревший флот. Более 62,1 % численности флота со сверхнормативным сроком службы, т.е. подлежит списанию.
Тихоокеанским центром стратегических разработок рассматривается способ повышения их конкурентоспособности на ближайшую перспективу. Предложен сценарий продления срока службы за счет применения методов и средств интенсификации лова (наращивание объемов вылова без увеличения затрат топлива, промысловых мощностей и при сокращении их количества, т.е. списании изношенных) и более глубокой переработки улова (выпуск конкурентоспособной продукции). В новых экономических условиях интенсификация промысла - реальный механизм повышения эффективности добывающей подотрасли.
Тенденции развития рыболовства в новых экономических условиях и закономерности слабо предсказуемого поведения сложных систем определили целесообразность формирования принципов и концепции системотехники в рыболовстве. Это обязывает в разработках технологий управляемого лова усилить методы и аппарат описания функций взаимодействия биосферы с гидросферой и техникой. При формировании структуры промысловой системы в условиях изменчивости сырьевой базы и потребностей рынка при текущей деградации техники на затянувшемся переходном периоде к рыночной экономике определилась роль рационального рыболовства, обнажились корни морального старения техники и флота, появилась острая потребность в обновлении основных
фондов рыболовства и его организационной структуры. Здесь, по понятным причинам, должен доминировать системотехнический аспект развития.
Гидроакустические эффекты присутствуют в любом промысловом процессе и формируют его динамику практически на всех этапах по основным видам лова (траловый, кошельковый, ловушечный и т.д.). Поведение биологического объекта - самая динамичная составляющая технологического процесса лова. Поэтому к промысловой биоакустике столь пристальное внимание разноплановых специалистов и устремленность в глубину познания механизмов связи с внешней средой.
Промысловая биоакустика как направление промышленного рыболовства сформировалась во второй половине прошлого столетия (70 - 90-е годы) под влиянием общих успехов в развитии гидроакустики послевоенного периода. Соперничество в этой области стимулировало общетеоретические и прикладные оборонные программы гидроакустики, судостроительная и рыбная отрасли преломляли ее методы и средства в хозяйственные направления.
Активная и пассивная локация стали основным предметом для совершенствования методов поиска и обнаружения рыбных скоплений в рыболовстве. Причем первое направление было признано судостроителями и рыбаками как перспективное и получило развитие в мировом рыболовстве в создании поисковых и навигационных эхолотов, гидролокаторов, приборов контроля орудий лова, эхоинтеграторов для научной оценки запасов биоресурсов; второе - до конца 70-х годов считалось перспективным, обросло большим массивом информации об акустической активности рыб, материал систематизирован, и основной итог этим работам подведен в монографиях Е.В. Шишковой [141] и АЛО. Непрошина [100]. Но из-за непреодолимых проблем помехозащищенности промысловых и научных судов направление было исключено из программ государственного инвестирования.
Изучение способов воздействия на поведение гидробионтов с помощью акустических сигналов открывает перспективу широкого хозяйственного использования новых методов: 1) в наращивании и регулировании промысловых усилий без затрат на увеличение размеров орудий лова, мощностей и размеров
промысловых судов; 2) в управляемых выростных хозяйствах марикультуры; 3) в рыбозащитных системах и сооружениях; 4) в селективном ресурсо- и энергосберегающем промысле.
Такой потенциал возможностей биоакустики для практики водопользования вызвал повышение активности в творческой среде рыбодобывающих стран. Гидроакустики, биологи, математики, специалисты в области радиоэлектроники, техники рыболовства и многие другие стали объединяться в творческие коллективы для поиска оптимальных решений на стыке традиционных наук.
В 70-х годах XX столетия на основе достижений традиционной гидроакустики в ряде рыбодобывающих стран разработаны имитаторы звуков гидро-бионтов на магнитострикционных преобразователях: сотрудниками ВНИРО [134] разработано и испытано устройство «Гринда» на кошельковом лове скумбрии, ими же создана аппаратура «Плёс», в Японии использован прибор Фиш-коллектор для привлечения рыб, а в Новой Зеландии - прибор «Акустолюр» [20] и др. Приборы не привились в практике рыболовства, т.к. не было достигнуто стабильности при воздействии на рыб их сигналов в изменчивых условиях на промысле. В то же время имеются многочисленные сведения о комбинационном и устойчивом воздействии на поведение рыб примитивных способов, основанных на использовании подручных материалов (дерево, воздушная пелена, трещотки, пустотелые банки и бусинки, брызги на поверхности воды и мн. др.) и о влиянии на результативность лова шумов судов и орудий лова [23, 112, 125, 131, 153,167].
Важно отметить, что после того, как «захлебнулась атака» с попыткой решить проблему дистанционного управления на традиционной методической основе и использовании средств современной гидроакустики, наступила «рутинная окопная работа» по созданию методической и инструментальной базы системного анализа. В СССР в середине 70-х годов прошлого века на формирование исследований и разработок в промысловой биоакустике повлиял гос. заказ по проблеме 0.74.01. «Мировой океан» Госкомитета СМ СССР по науке и
технике (раздел «Гидробионика»). Для ТИНРО были выделены централизованные фонды и средства с целью решения проблемных вопросов промысловой биоакустики. Автору данной работы было поручено руководство этим направлением, в ТИНРО создана лаборатория промысловой биоакустики и к разработкам привлечены специалисты смежных профессий из других организаций.
Программы научных исследований и разработок (НИОКР) были сформулированы с учетом возможности использования биологических принципов построения и функционирования систем связи гидробионтов с внешней средой при совершенствовании существующих и создании новых технических средств и технологий промысла. Такая постановка задачи заставила пересмотреть принципы планирования НИОКР [66]. Потребовался системный анализ природных адаптации гидробионтов с количественным описанием внутренних и внешних мотивов формирования поведения рыб в акустических полях [70].
Актуальность создания методических основ для НИОКР в области промысловой биоакустики обострилась с самого начала постановки прикладных задач [66]. Под влиянием общей теории систем [11] в ТИНРО первые шаги в оптимизации технических средств управления поведением рыб были связаны с математическим планированием эксперимента [27, 28]. Но из-за опасения выхолостить морской эксперимент и потерять биофизическое содержание, усилия были переориентированы на совершенствование экспериментальной базы гидробионики [66], способствующей изучению природных адаптации гидробионтов и проектированию на их основе адекватных технических средств.
На основе вышеизложенного сформирована основная цель исследований: разработка теоретических положений и экспериментальное обоснование параметров физических и технических моделей средств устойчивого управления поведением рыб (ограничение движений) в технологиях промысла, оценка их практической значимости.
Идея работы связана с выбором природных биофизических аналогов взаимодействия промысловых рыб с внешней средой, в которых поведение и
его мотивации могут способствовать совершенствованию процессов лова. Использование природных моделей как прототипов разрабатываемых приемов лова позволило спланировать НИОКР в системной последовательности раскрытия императивных факторов и их функциональной значимости при формировании природных и промысловых процессов, а также конструировать акустические средства эффективного воздействия на поведение рыб в условиях промысла.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи исследования:
разработка методики и экспериментальной базы системного анализа и гидробионических исследований в промысловой биоакустике, направленных на совершенствование технологий лова;
исследование биоакустической природы взаимодействия трехфазных сред «воздух — вода - гидробионты» на примере воздушно-пузырьковых завес, используемых в рыболовстве, и поиск природных аналогов поведения гидро-бионтов;
исследование акустической активности гидробионтов, спектральных, энергетических и временных характеристик их сигналов и выбор стереотипов акустического поведения в качестве моделей для управляемых технологий лова;
исследование свойств слуха промысловых рыб и биофизическое обоснование эффективных акустических стимулов для устойчивого управления поведением рыб в условиях влияния промысловых физических полей на результативность лова;
изучение морфофункциональных особенностей звукообразования откры-топузырных рыб и дельфинов, бионическое моделирование пневмоакустиче-ских генераторов и предложения по их использованию для интенсификации лова и рыбозащиты;
исследование акустических шумов промысловых судов, создание макета
системы снижения отпугивающих рыбу шумов и изучение поведения рыб в акустическом поле судна;
промысловые испытания и внедрение пневмоакустических систем на
ставном неводном, траловом и кошельковом лове рыб и экспериментальная
оценка эффективности их использования в рыбозащитных целях.
Поставленными задачами определен объект исследований в настоящей работе: динамично протекающие промысловые процессы, в которых методы и средства дистанционного управления поведением рыб выполняют важную функцию обеспечения последовательности операций по ограничению свободы перемещений объекта лова.
Предмет исследований - промысловая биоакустика, как раздел дисциплины «Промышленное рыболовство», изучающий звуки гидробионтов, свойства слуха промысловых рыб и особенности их поведения (отношение к орудиям лова и судам, взаимоотношение «хищник — жертва» и внутривидовые взаимоотношения) с целевой задачей устойчивого управления технологическими процессами промысла.
Среди фундаментальных основ наук о жизни и управлении автор работы отдал предпочтение общей теории функциональных систем академика П.К. Анохина [7]. Принцип системной организации функций, свойственный организации всего живого, применен автором работы при выборе методов и инструмента системного анализа природных и технологических процессов лова. Определение системо организующего фактора и структуры цели исследований упростило описание цельной биофизической и технической системы с ее сложным мотивационным комплексом. Последний сыграл определяющую роль в выборе индивидуальных свойств, характерных для вида, критериев оценки и контроля при отборе стимулов, инициирующих поведение гидробионтов в необходимой направленности.
Научная новизна работы заключается в следующем:
для решения задач рыболовства впервые применена общая теория функ-
циональных систем, что способствовало становлению принципиально нового
научного подхода к исследованию закономерностей формирования поведения
гидробионтов в условиях промысла; ^
Зі-"
обнаружены неизвестные ранее устойчивые внутривидовые коммуникативные связи сельдевых и лососевых рыб по акустическому каналу, примененные при конструировании технических средств лова и управляемого нереста;
раскрыт феномен искусной манипуляции инфразвуками и низкочастотными звуками у зубатых китов (дельфинов) во время их стайной охоты на пелагических рыб в открытом море;
экспериментально определены аудиограммы промысловых рыб дальне- Q. восточного бассейна и физический состав эффективных стимулов для создания искусственной концентрации рыб и заграждения в условиях промысла и нереста;
разработаны универсальные экспресс-методы выбора эффективных стимулов и средств управления по отношению к любым промысловым рыбам с известным трофическим статусом и мотивациями;
на обнаруженных биофизических закономерностях и бионической основе разработаны не имеющие аналогов в практике мирового рыболовства и защищены авторскими свидетельствами СССР и патентом РФ конструкции широкополосных пневмоизлучателей, генерирующие сигналы и шумы эффективного воздействия на рыб;
усовершенствована методика исследований акустических шумов промысловых судов, выбраны критерии количественной оценки мотивов поведения адекватно биологическим принципам ближней и дальней ориентации пелагических рыб в низкочастотных акустических полях;
предложен принципиально новый способ снижения отпугивающих рыбу шумов промыслового судна, позволяющий изменить спектральный состав его акустического поля и добиться сокращения дистанции реагирования косяков рыб на судно;
использованием комбинации разработанных средств пневмоакустики и
традиционной техники впервые поставлены масштабные морские испытания
способов управляемого ставного неводного лова лососей, тралового лова мин
тая, кошелькового лова сардины и тунцов, ограждение заморных участков и от
вод производителей сельди на благоприятные нерестилища.
Эффективность практического использования разработок подтверждена протоколами и актами производственных испытаний и внедрения систем.
Достоверность результатов исследований и разработок подтверждается высокой сходимостью природных биоакустических аналогов, результатов численного, биофизического, биотехнического моделирования и. показателей морских экспериментов по критериям оценки поведения рыб в опытных, природных и промысловых ситуациях. Верность физических принципов, заложенных в основу разработки пневмоакустических излучателей — имитаторов звуков гидробионтов, подтверждена практическими результатами их использования в
реальных условиях лова. Используемые измерительно-регистрационные сред-
ства аттестованы на калибровочных стендах.
Результаты исследований использованы в опытно-конструкторских разработках, в практике рыболовства и учебном процессе в следующих направлениях:
разработана, изготовлена и прошла промысловые испытания пневмоаку-
стическая система «Лосось» на ставном неводном лове лососей Камчатки, Са
халина и 10. Курил;
выводы: повышение производительности лова горбуши в заливе Анива на 273 %;
разработана и прошла промышленные испытания на траловом лове мин
тая в Беринговом и Охотском морях буксируемая дистанционно управляемая
пневмоакустическая система «Дельфин»;
выводы: при облове разреженных скоплений минтая концентрация рыб в зоне облова повышается на 150 %;
разработаны и налажено производство пневмоизлучателей (ПИ) энерге
тического воздействия на поведение рыб, на кошельковом лове тихоокеанской
сардины ими были оснащены более 140 судов в системе ВРПО «Дальрыба»;
выводы; внедрение способа предотвращения выхода рыбы из зоны замета кошельковых неводов дало суммарный экономический эффект - 3 450 тыс. руб. в ценах 1991 года;
разработана и прошла морские испытания автономно управляемая пнев-моакустическая система (АУПС) для удержания тунцов в зоне облова кошельковым неводом;
на кошельковом флоте ВРПО «Дальрыба» распространена «Методика оценки параметров поведения рыб в зоне замета кошелькового невода в акустическом поле судна», алгоритм поведения заложен в ЭВМ - тренажер замета кошелькового невода и используется в учебном процессе ГОУ «Дальрыбвтуз»;
изучены акустические шумы промысловых судов, обнаружены корреляционные связи их параметров с поведением рыб, выполнен технический проект и оборудовано судно СРТМ-800 опытной системой снижения отпугивающих рыбу шумов, эффект проверен на поведении тунцов;
выводы: дистанция реагирования тунцов на судно сокращена в 3 - 4 раза;
пневмоакустическая система «Дельфин» прошла производственные ис
пытания в ПО «Камчатрыбпром» в качестве средства предотвращения прохода
производителей сельди Корфо-карагинского стада в з-ве Корфа на заморные
участки, ПИ «Сардина» - в качестве средств концентрации сельди на искусст
венных нерестилищах со стерильным субстратом.
выводы: достигнут эффект задержания стайных сельдей на расстоянии более 1,5 - 2 км и обход ими заграждения; обыкрение на искусственном субстрате в 9,7 раз больше, чем на естественном, смертность на 2,9 % ниже.
Все эти испытания и внедрения подтверждены соответствующими актами, приложенными к диссертации.
Апробация работы. Методическая и экспериментальная часть биониче-
ских исследований ежегодно обсуждалась на комиссии по гидробионике при
ГКНТ СМ СССР по проблеме «Мировой океан» и бассейновой секции «Тихий
океан». Основные материалы диссертации докладывались на Международных,
Всесоюзных и Всероссийских конференциях и научно-технических совещаниях
по использованию физических раздражителей в рыболовстве, по теории и при
кладным вопросам гидроакустики, промысловой океанологии, на научных се
минарах и коллоквиумах BHPIPO, ТИНРО, КоТИНРО, ИЭМЭЖ АН СССР,
{Щ ГОУ Дальрыбвтуз, «Калрыбвтуз», ТОВВМУ и др., экспонировались на ВДНХ и
ИНРЫБПРОМе.
По теме диссертации опубликовано 103 печатных работы, в том числе 22 авторских свидетельства СССР на изобретения и патент РФ, тезисы 18 докладов на конференциях и совещаниях.
На защиту выносятся следующие положения:
Принципы системной организации функций в анализе и синтезе методов и средств промысловой биоакустики.
Исследование биофизической структуры взаимодействия трехфазных сред «воздух — вода - гидробионты» и выбор природных аналогов для изучения реакций промысловых объектов.
3. Исследование биоакустических стереотипов поведения окрытопузырных
рыб и дельфинов, их внутривидовых и межвидовых отношений.
* 4. Биофизическое обоснование эффективных стимулов для дистанционно-
го управления поведением рыб.
5. Биотехническое моделирование акустических систем эффективного
управления поведением рыб в условиях промысла.
Измерение акустических шумов промысловых судов, поиск корреляционных связей их параметров с поведением рыб и изучение возможности снижения их отпугивающего влияния на рыб.
Оценка эффективности использования пневмоакустических систем в технологиях управляемого лова и рыбозашиты.
организаций АН СССР и других ведомств д.т.нлБондаря Л.Ф.
В работе систематизированы материалы комплексных НИОКР, выполненных под руководством и непосредственном участии автора и его учеников к.т.н. Шибкова А.Н., к.б.н. Сорокина М.А., к.т.н. Кузнецова М.Ю., к.т.н. Кру-чинина О.Н. и к.т.н. Поленюка В .В., а также с участием коллег из институтов и
, к.б.н. Кунцовой
М.Я., к.ф-м.н. Рутенко А.Н., к.б.н. Непрошина А.Ю., к.т.н. Горелик А.И. и др. Автор работы выражает им искреннюю благодарность за участие в исследованиях и разработках.
Используемые понятия и определения системного анализа процессов рыболовства
В Большой Советской Энциклопедии (Изд. 3, т. 23, с. 475) системному анализу дается понятие как «совокупность методических средств, используемых для подготовки обоснования решений по сложным проблемам...». А сама система (от греч. systema - целое) характеризуется как «множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство» (там же, с. 463). Определение понятия «система» тесно взаимосвязано с понятиями целостности, структуры, связи, элемента, отношения, подсистемы и др.
В 50 - 60-х годах XX в. термин «systems analysis» многими переводился на русский язык, как «анализ систем» и акцент делался на объекте изучения (системе), а не на системности (приеме) рассмотрения при учете всех важнейших факторов и взаимосвязей, влияющих на решение проблемы. Это не праздный вопрос, поскольку структура и организация данной работы строится не на широко используемой общей теории систем, складывающейся из известных: теории регулирования и управления, теории вероятностей и математической статистики, теории оптимального управления, теории массового обслуживания, математической логики, теории информации, теории алгоритмов, теории автоматов и других теорий, обеспечивающих исследования операций [96], а на принципиально новом подходе для задач рыболовства, основанном на системном анализе функций в технологиях лова [70].
Под системным анализом следует понимать совокупность научных методов и практических действий при решении целевых задач рыболовства. Для системного анализа промыслового процесса характерно раскрытие основных свойств его организации.
Но цель системного анализа в конечном итоге связана с поиском и выработкой технических решений и рекомендаций. Т.е. системный анализ близок кинженерным дисциплинам. Поэтому, применяемые в промысловой биоакустикеэкспресс-методы биофизических исследований используются для определения свойств и явлений динамичного процесса, а системный анализ, как атрибут инженерной дисциплины, - для структуризации и планирования синтеза технологий управляемого промысла. Целенаправленное сочетание экспресс-методов анализа свойств и явлений с количественными оценками и описанием реальных событий очень кстати по отношению к сложному объекту исследований - динамично протекаемым промысловым процессам.
Системотехника, как самостоятельная дисциплина, в приложении к промысловой биоакустике, служит для изучения и проектирования сложных биотехнических систем. В промысловой биоакустике биофизическая и техническая архитектоника — это построение частей промысловой системы в логическую цепь для выявления главных и второстепенных факторов и связей единого целого. Она считается важным атрибутом системотехники на этапе структуризации и планирования сложных НИОКР.
Поскольку системотехника служит для синтеза сложных систем, в которых обобщаются технические подсистемы с объектами биологической и физической природы, системный анализ в данном прикладном аспекте, в отличие от исследования операций устремлен в решение проблемы устойчивости связей и управления технологическими процессами лова.
В некоторых случаях, например при испытаниях готовых технических средств в условиях промысла, возможно слияние системотехники с исследованием операций. При этом их отношения аналогичны соотношению стратегий и тактики. Стратегический критерий оценки состояния системы - поведение объекта лова, как императивный фактор формирования промыслового процесса. Ему необходимо дать определение в системном аспекте.
При воздействии на живой объект изменений внешней среды, в том числе вносимых техникой лова, его поведение подчиняется готовым программам, определяемым природными адаптациями. При этом полезный результат биологи ческой или биотехнической системы заранее готов, запрограммирован, и во взаимодействие множества факторов вступают только те компоненты множества, которые содействуют получению этого результата. Таким образом, к системе с готовым биологическим результатом более пригоден не термин «взаимо-действие», а термин «взаимоСОдействие».
Тем, кто занимается вопросами поведения водных животных, эти положения близки, так как с достаточным физическим смыслом может быть описано поведение объекта лова только в том случае, если оно объясняется на основе природных адаптации, существующих помимо воли оператора, когда внешние и внутренние мотивы поведения рассмотрены, как взаимоСОдействующие достижению цели поведения. Поведенческая модель СТИМУЛ — ОТВЕТ не раскрывает биофизическую суть процесса. Поведенческий акт совершается только тогда, когда в соответствие с формированием внутренних мотиваций (потребностей) животного попадает совокупность внешних физических изменений. Т.е. рожденная внутренняя модель полового, пищевого или защитного поведения начнет устойчиво действовать, если внешние гидрофизические условия совпали или поэтапно совпадают с созревшей программой поведения.
Поведение объекта лова в промысловой системе считается основным биологическим свойством, на котором основаны параметры техники и тактики лова, и определяется в работе как некоторый природный стереотип, выработанный в процессе длительной эволюции, характеризуемый множеством внутренних и внешних взаимоСОдействующих компонентов, способствующих достижению биологически полезного и адекватно связанного с техникой лова результата. Наибольшую динамичность всей промысловой системе придает изменчивость поведения объекта лова во времени и пространстве, которое формируется, как известно, под действием множества факторов.
Приведенные общесистемные понятия обязывают рассматривать элементы промысловой биоакустики как часть цельной промысловой системы. Иначе, можно снова, как и большинство исследователей в биоакустике, сузить задачу до оценок малозначимых для формирования промыслового процесса деталей. В этой связи, промысловую систему необходимо представлять как определенное множество взаимосвязанных элементов (биологических, гидрофизических, технических), образующее устойчивое единство и целостность за счет интегральных свойств и закономерностей взаимосодействия устойчивости процесса и достижению результативности лова.
Для промысловой системы характерно то, что в ней органически взаимосвязаны живая и техническая среды. Их невозможно в реальных условиях разделить, а в аналитическом представлении можно только абстрагировать для изучения и описания. Функции их взаимодействия привязаны к тем компонентам промысловой системы, которые данные функции выполняют. Эти функции немыслимы без структуры и внутреннего взаимодействия компонентов по той причине, что они рождаются в таком взаимодействии. Компоненты, структуру, функции нельзя представить без внешней среды, в которой существует живое и действует рыболовная подсистема. Техника промысла имеет функциональные связи с водной средой, определяемые законами гидромеханики и гидрофизики. Взаимодействие гидробионтов с водной средой определяется природными законами самоорганизации. Опосредовано, через водную среду, техника и живой объект имеют еще более динамичные связи, которыми определяется устойчивость промыслового процесса.
Исходя из общих понятий внутреннего единства, можно отметить общие черты для любой промысловой системы: возникает система взаимодействующих связей между частями целого; утрачиваются некоторые индивидуальные свойства частей при вхождении в состав целого; появляются у новой целостности (системы) новые свойства, обусловленные как свойствами основных частей целого, так и возникновением новых связей между частями.
Исследование гидроакустических характеристик ВПЗ
Для создания экспериментальных, небольших по размерам ВПЗ, используемых для аэродинамических, гидроакустических измерений и наблюдений за поведением рыб была применена легководолазная станция на НПС «Эжектор» перспективной разведки ТИНРО. Схема переоборудованного устройства дана нарис. 13. Установка работала от компрессора высокого давления ЭК-2-150(1). В баллон-ресивер (2), емкостью 40 литров нагнетался компрессором воздух до давления 60 атм. Из баллона сжатый воздух поступал через редукционный клапан (3) в полиэтиленовый шланг (5), намотанный на барабан (4). С помощью редукционного клапана можно было регулировать давление в шланге, чем обеспечивалась возможность быстрой смены условий дросселирования воздуха через мелкие калиброванные отверстия.
Для проведения экспериментальных работ до начала рейса на берегу заготавливались отрезки полиэтиленовых шлангов, перфорированные отверстиями различного диаметра, разнесенными на различные расстояния одно от другого. Сверление осуществлялось высокооборотной дрелью во избежание образования заусенец в отверстиях, а шланги, заполнялись водой под давлением для вымывания стружки во избежание образования клапанов в отверстиях.
Установка позволяла не только менять условия образования ВПЗ для изучения ее гидроакустических характеристик, но и обеспечивать при записях шу-мов и измерениях режим тишины на судне, поскольку можно было создавать достаточный запас сжатого воздуха на серию экспериментов.
Первые шаги по изучению физических качеств ВПЗ были направлены по пути выявления природы шума данного раздражителя. Для подтверждения аналитических предпосылок в 2.1. о существовании двойного механизма генерации шумов от ВПЗ (турбулентного и резонансного) необходимо было прежде всего определить общий спектральный состав этого шума. Для записей на магнитную ленту и последующего спектрального анализа была выставлена ВПЗ, образуемая при дросселировании воздуха на глубине 8 м через мелкие отверстия в полиэтиленовом шланге. Диаметр отверстий 0,4 мм. Гидрофон находился на расстоянии 1 м от ВПЗ на глубине расположения шланга.
На рис. 14 представлены спектрограммы от ВПЗ, образуемых при рабочих давлениях в шланге 2,0 атм., 4,0 атм., 6,0 атм. и 8,0 атм. Самые близкие к критическим параметры исчения воздуха при Рш=4,0 атм. (Р0/ Рш=0,45).
Сравнивая спектральные характеристики шумов, следует заметить, что все источники создают два энергетических максимума. Один - в области частот ниже 1,0 кГц, другой — в широком частотном диапазоне от 4,0 до 10,0 кГц. Низкочастотный максимум ответственен за турбулентные колебания, высокочастотный - за резонансные колебания пузырей.
Отмечается четкая связь акустических характеристик образующихся шумов с аэродинамикой процесса дросселирования воздуха. Энергия турбулентного шума вблизи отверстий достигает своего максимума при числе М близком к1.
Спектрограмма шума при Рш=4 атм. во всем диапазоне частот от 0 до 10 кГц отличается высоким уровнем его составляющих. При истечении воздуха на скорости, близкой к скорости звука, турбулизация достигает апогея, кинетическая энергия вырывающегося потока трансформируется в акустическую энергию турбулентного шума, а образование пузырей за счет дробящегося воздушного потока сопровождается их радиальными пульсациями, которые нарастают вследствие периодического воздействия турбулентных колебаний. В турбулентном шуме присутствуют составляющие, соответствующие частотному диапазону резонансных колебаний пузырей, радиусы которых околокритические, согласно нормальному логарифмическому распределению [37].
В спектре шумов ВПЗ, образуемой при околокритических параметрах истечения воздуха не только значительное приращение звукового давления во всем рассматриваемом диапазоне частот, но и значительное расширение высокочастотного максимума резонансного шума за счет увеличения количества пузырей в ВПЗ с размерами меньшими критического. Он смещен в область 7,0 кГц.
Для подтверждения турбулентной природы первоначального шума от ВПЗ, а также его ответственности за низкочастотный максимум был поставлен специальный эксперимент с попыткой исключить из общей генерации шумов источников резонансного шума. С этой целью полиэтиленовый шланг с отверстием диаметром 0,6 мм был закреплен на глубине 0,2 м. Ось струи воздуха была направлена по вертикали вверх. Таким образом, для измерений был использован участок ВПЗ, соответствующий по размерам области турбулентного перемешивания. Резонансные эффекты от пузырей исключены.
Воздух в шланг подавался под давлениями 1,2 атм.; 1,4 атм.; 1,6 атм.; 1,8 атм. и 2,0 атм., что соответствовало перепадам давления (Ро/Рш) 0,85; 0,72; 0,56 и 0,51. На рис. 15 приведены диаграммы уровней турбулентного шума, образуемого при различных режимах истечения сжатого воздуха в ВПЗ и природных процессах. Измерения произведены с помощью ИВПШ. Сравнение диаграмм уровней на рис. 15 (1) со спектральными характеристиками ВПЗ на рис. 14, убедительно доказывает, что происхождение низкочастотных колебаний в спектре шумов ВПЗ обязано турбулентному источнику.
Материал и методы исследований
При выборе объектов исследований принималось во внимание то, что исследуемые рыбы должны быть стайными и иметь общее морфологическое сходство, а также важное промысловое значение, С учетом этого отобраны следующие виды: кета (Oncorhynchus keta, WaL) горбуша (Oncorhynchus gorbuscha, WaL) тихоокеанская сельдь (Clupea harengus pallasi, Val.) дальневосточная сардина (Sardinops sagax melanosticta, Schl.) Средние линейные размеры рыб: кета - 600 - 650 мм; горбуша - 450 - 500мм; сельдь-320-350 мм; сардина - 240 - 260 мм.
Исследования по регистрации звуков проводили:1) В садках размером 7x2,5x3 м и 10x4x7 м при глубине моря 7 м.2) В открытых водоемах в местах наибольшего скопления исследуемых рыб - в заливе Петра Великого (Славянский залив), в районе о-ва Кунашир и в заливе Анива (о. Сахалин),
При проведении измерений в садках отсаженные объекты предварительно выдерживали в течение 4-6 часов для адаптации и только затем производили акустическую съемку. Гидрофон устанавливали посередине садка.
В естественных условиях в месте регистрации устанавливали контрольный буй, к которому привязывали шлюпку с источником автономного питания и аппаратурой регистрации.
Цикличность замеров акустического фона в садках и в естественных условиях была принята следующей: время записи - 2 мин,, через 30 мин. в течение суток. Всего было выполнено по три суточных станции для каждого вида рыб в садках и в естественных условиях открытого водоема.
По результатам суточных наблюдений строили усредненные диаграммы суточной акустической активности исследуемых рыб в садке и естественных условиях- Наиболее часто встречающиеся звуки объединяли в фонетические группы для удобства анализа и идентификации сигналов в процессе обработки,В качестве приемника сигналов использовался керамический гидрофон с чувствительным элементом (210 мкВ/Па) ЭП4С-4-7 со встроенным предусили-телем, имеющим коэффициент усиления 10.
Регистрация биосигналов рыб производилась с помощью аппарата магнитной записи (АМЗ), имеющего равномерную рабочую полосу частот 30 Гц- 12,5 кГц.
При обработке сигналов рыб на ЭВМ ИВК-2 использовали АМЗ, полосовой фильтр KF-1 и низкочастотный усилитель У7-1. Ввод информации осуществлялся через 8-разрядный быстродействующий аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) с момента начала сигнала, зафиксированного по счетчику АМЗ,
Квантование информации производилось частотой 2000 Гц для биосигналов кеты и горбуши, 6250 Гц для биосигналов сельди и сардины.
Введенные в ИВК-2 биосигналы длиной реализаций от 3 до 1,36 сек, воспроизводились на графическом дисплее в аналоговом виде и участки с исследуемым биосигналом, определенные по началу вступлений с точностью 5-Ю"4 сек., анализировались по программам БПФ (Фурье-анализ).Регистрация результатов обработки производилась на двухкоординатном графопостроителе «Эндим 622.01».Лналоговые выводы сигналов и их частотно-энергетические спектры имеют следующую размерность:* амплитуда аналоговых сигналов в мВ по выходу сигнала, а время в секундах; для спектров по оси абсцисс отложена частота в герцах, по оси ординат- энергетические уровни исследуемых сигналов в децибелах относительно2-10'5 Па.Спектральный анализ биосигналов производился в частотных поддиапазонах: до 1000 Гц для кеты и горбуши;* до 3125 Гц для сельди и сардины.Частотные поддиапазоны выбирались с учетом информативности биосигналов и возможностей используемой аппаратуры при анализе, С целью выявления изменчивости частотных составляющих биосигналов во времени построены динамические спектры с шагом 125 мс и 512 мс.
Объекты, место и методика исследований акустического поведения дельфинов.Для достижения цели исследований акустического поведения дельфинов потребовалась организация экспедиционных работ в районах с большим скоплением пелагических рыб, служащих для зубатых китов объектом питания. На судах перспективной разведки TPfflPO удалось многократно фиксировать звуки и поведение обыкновенных дельфинов (белобочек), нападающих на рыб-жертв [62]: в Восточно-Китайском море при охоте дельфинов на скопления сардины, в зоне течения Куросио (район Южных Курил) во время охоты дельфинов на скумбрию и в зоне Калифорнийского течения (ВЦТО) при нападении дельфинов на скопления анчоуса. Во время нерестового хода кеты в низовье р. Амур также были проведены наблюдения и зафиксированы сигналы белух, сгоняющих лососей на мелководье [73, 82].
Использовалась портативная звукозаписывающая аппаратура или бортовая с режимом наименьших шумовых помех от исследовательского судна, В период записи сигналов дельфинов с борта судна режим тишины обеспечивался выключением всех бортовых двигателей- Портативная аппаратура для записи сигналов была изготовлена в лаборатории ТИНРО. Тракт звукозаписи имел частотную характеристику с неравномерностью не более 1,5 дБ в диапазоне 0,063 - 12 кГц. Обработка записей производилась в лабораторных условиях на аппаратуре частотно-временного анализа. Сигналы белух, например, обработаны на трехмерном анализаторе спектра, изготовленном собственными силами лаборатории промысловой гидроакустики ТИНРО [99], Амплитудно-временные параметры сигналов получены с помощью самописцев уровня.
Наблюдения за поведением рыб и хищников в море осуществлялись визуально, с помощью эхолота и гидролокатора, а на р, Амур - визуально, с помощью контрольной сети и по уловам в заездке. Для проверки рабочей гипотезы использована первая грубая модель имитатора звуков дельфинов [71],
LINK4 Изучение морфофункциональных особенностей слуха промысловых рыб LINK4 \
Опытные рыбы отлавливались ставным неводом в заливе Петра Великого и доставлялись в живорыбных емкостях на береговую базу. Затем их отсаживали в опытный бассейн или вольер на полигоне, оснащенный соответствующиминструментарием для гидробионических исследований. Методики соответствовали самым высоким требованиям академических исследований ( глава 1т рис. 7,8).
Объекты исследований выбирались исходя из следующих предпосылок: объект должен быть промысловым; исследуемые объекты должны представлять разные экологические группы с разными приспособительными свойствами; морфофункциональные особенности восприятия рыб должны представлять все уровни организации слуха; рыбы должны иметь достаточную выживаемость в послеоперационный период эксперимента и при длительном содержании в аквариальных или садковых условиях, возможность сохранения основных функций, обеспечивающих природную реакцию в неволе.
Методы морфо функциональных исследований. Для изучения морфофунк-циональных особенностей слуха рыб на первом этапе отработки элсктрофизио-логических методов использован закрепленный в станке морской ерш, а затем подвижный ерш, окунь и скумбрия в бассейне. Эксперименты проводились в летний период на 30 ершах вида Sebastodes taczanowskii Steindachner массой 90 - 120 г.
Обездвиженных 0,1 %-ным (2 - 2,5 мг/г) раствором Diplocini dichloridi ершей помещали в камеру-кювету, снабженную проточной морской водой. Для препарирования использовали стереоскопический микроскоп МБС-1. Для удаления внутреннего уха срезали лоскут кожи и делали небольшое отверстие в екцито-темпоральной кости над продолговатым мозгом. С помощью тонкого пинцета удаляли из капсулы полукружные каналы вместе с мешочками утрику-люсом, саккулюсом и лагеной, расположенными под ромбовидной ямкой продолговатого мозга в районе долей Х-й и VIII-й пар головных нервов (рис. 38).
После окончания операции кость вправляли и кожный лоскут пришивали. Ерши использовались в опыте на 3 - 4-й день после операции. Для поддержания жизнеспособности оперированных рыб помещали в индивидуальные аквариумы с проточной водой. Послеоперационная выживаемость ершей была доведена до 7 дней.
Для отключения боковой линии производили двухстороннюю перерезку п. lateralis vagus непосредственно за жаберной крышкой. Для регистрации ЭКГ ванночку закрепляли в стереотаксическом приборе СЭЖ-3. Постоянный проток морской воды сохранялся. Проволочной петлей производили оттягивание 1-4-й жабер в районе желудочка, в перикардиуме иглой делали отверстие, в которое вводили униполярный платиновый электрод с диаметром кончика до 40 мкм. Индифферентный электрод закрепляли на грудном плавнике рядом с активным. Для отведения ЭКГ использовали усилитель переменного тока БПУ4-01. Сигналы визуально контролировали на осциллографе С1-48Б и регистрировали на бумажной ленте быстродействующего самопишущего прибора Н3020 со скоростью лентопротяжки 1 мм/с (модернизированная схема на рис. 10).
Раздражение боковой линии в первых экспериментах вызывали струями жидкости, омывающими главную боковую линию. В процессе исследования обнаружили (по реакциям ЭКГ и поведению рыбы) более адекватный способ стимуляции боковой линии путем быстрого стока воды (8—15 см/с) из ванноч ки, который и использовали в дальнейшем.
В морфологических исследованиях использовали препарирование и окрашивание структур слуха раствором осмиевой кислоты. Структуры внутреннего уха и боковой линии зарисовывали и фотографировали с помощью специальной микрофотонасадки МБС-1.
На свободно плавающих морских ершах реакцию на тональные и сложные акустические сигналы определяли путем снятия ЭКГ. Использованы в опытах интактные и с денервированной боковой линией ерши. Использовано 20 особей морского ерша Sebastodes tacznowskii (Steindachner) весом 400 - 500 г. Исследо-вания проводили на одиночных рыбах, помещенных в сетной садок размером 2,5x1,5x1,0 м, установленный в море на глубине 3 м. Для акустической стимуляции использовали излучатель, который находился в 8 м от садка на глубине 2 м. Предъявлялись прерывистые акустические стимулы: тональные звуки частотой 150, 800 Гц и сложные сигналы «шум винта» и «шум дождя». На рис. 39 приведены звуковые спектры сигналов «шум винта» и «шум дождя», Все сигналы и шумы имели уровень 80 дБ относительно 2-10" Па. За два часа до эксперимента стальной электрод вживлялся рыбе в карди-альную область под жаберной крышкой. Таким образом представлялась возможность одновременно регистрировать ЭКГ и дыхание. Индифферентным электродом служила стальная пластина размером 15x20 см, которая устанавливалась на дне садка.
Регистрация ЭКГ и дыхания у свободно передвигающегося объекта производилась с помощью усилителя переменного тока БПУ-4-01, осциллографа С1-48Б для визуального контроля и чернильно-пишущего осциллографа Н-3 020-5 со скоростями движения ленты 1 и 2,5 мм/с. Колебательные процессы сердечного и дыхательного циклов совпадают у морского ерша во временном отношении 1: (1,00:0,98). Их запись производилась с помощью электрокардиографа ЭКПСЧТ-4 со скоростью движения ленты 50 мм/ с.
Эксперименты проводились с 6 до 9 и с 17 до 19 ч. Опыт начинался 1-минутной регистрацией фона ЭКГ и дыхания, затем производилось излучение сигнала. Регистрация ЭКГ и дыхания заканчивалась спустя 2 мин. после предъявления стимула. Интервал между подачей стимулов составлял 20 мин., последовательность предъявляемых акустических сигналов не сохранялась.
Отключение боковой линии у подвижных объектов производили путем пе- ререзки туловищного смешанного афферентно-эфферентного нерва при его входе в стиксорбитальный канал в районе жаберной крышки. Денервированные особи использовались в опытах спустя 2-3 дня после операции. Было поставлено более 150 опытов при средней температуре воды 20 С.
Завершающий этап морф о функциональных исследований поставлен в сравнительном эксперименте на объектах с различной экологией: восточном морском окуне (донный объект) и восточной скумбрии (пелагический объект).
Эксперименты проводили с июля по сентябрь 1982 г. Рыб отдельно по видам помещали в специальный экспериментальный аквариум размером 4,0х 1,0x0,8 м, который был расположен на открытом воздухе под навесом вблизи моря, температура воды в аквариуме составляла 20 - 22 С и была близка к
