Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Общий анализ биофизических процессов в системах управления ловом рыбы 16
1.1. Характеристика систем управления ловом рыбы 16
1.2. Характеристика элементов систем управления ловом рыбы 20
1.3. Характеристика промысловых физических полей элементов систем управления ловом рыбы 24
1.4. Особенности рецепции рыб и действия промысловых физических полей на объект управления 26
1.5. Особенности ориентации и поведения рыбы как объекта управления в зоне действия промысловых физических полей 37
1.6. Определение параметров промысловых физических полей элементов систем управления ловом рыбы 38
1.7. Особенности управления биофизическими процессами в системах лова рыбы с применением промысловых физических полей 41
Основные выводы по главе 1 47
ГЛАВА 2. Общая характеристика обоснования эффективности управления биофизическими процессами в системах лова рыбы 49
2.1. Общие принципы биофизического обоснования эффективности орудий и способов промышленного рыболовства 49
2.2. Общая характеристика влияния биофизических процессов на уловистость и производительность лова 62
2.3. Влияние биофизических процессов на селективность лова 68
2.4. Постановка задачи исследования 72
Основные выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3. Влияние световых полей естественного происхождения на управление биофизическими процессами в системах лова рыбы 76
3.1. Значение и виды светового режима 76
3.2. Количественная оценка световых полей естественного происхождения 79
3.3. Применение результатов гидрооптических исследований для оценки светового режима и эффективности управления 82
3.4. Влияние уровня естественной освещенности в водоемах на распределение промысловых рыб по глубине 94
3.5. Влияние уровня естественной освещенности в водоемах на структуру и размеры скоплений промысловых рыб 97
3.6. Влияние уровня естественной освещенности в водоемах на показатели вертикальных миграций рыбы 101
3.7. Влияние уровня естественной освещенности в водоемах на выбор видай показатели орудий и способов лова 104
3.8. Влияние уровня естественной освещенности в водоемах на показатели эффективности систем управления ловом рыбы 110
Основные выводы по главе 3 112
ГЛАВА 4. Управление биофизическими процессами в системах лова рыбы с применением световых полей контрастов 114
4.1. Характеристика световых полей контрастов с учетом управления биофизическими процессами 114
4.2. Влияние световых полей контрастов на выбор вида, области применения и параметров орудий лова 120
4.3. Влияние световых полей контрастов на уловистость и производительность орудий лова 127
4.4. Влияние световых полей контрастов на селективность орудий лова 138
Основные выводы по главе 4 140
ГЛАВА 5. Управление биофизическими процессами в системах лова рыбы с применением световых полей 142
5.1. Общая характеристика применения световых полей в системах лова рыбы 142
5.2. Характеристика световых полей подводных источников в системах лова рыбы 145
5.3. Характеристика световых полей надводных источников в системах лова рыбы 156
5.4. Влияние световых полей искусственного происхождения на выбор вида, области применения, параметров орудий и способов лова... 159
5.5. Влияние световых полей искусственного происхождения на уловистость и производительность орудий лова 172
5.6. Влияние световых полей искусственного происхождения на селективность лова 180
Основные выводы по главе 5 183
ГЛАВА 6. Управление биофизическими процессами в системах лова рыбы с применением электрических полей 185
6.1. Значение и общая характеристика применения электрических полей в системах лова рыбы 185
6.2. Характеристика электрических полей, применяемых при управлении биофизическими процессами в системах лова рыбы 188
6.3. Влияние электрических полей на выбор вида, области применения, параметров орудий и способов лова 191
6.4. Влияние электрических полей на уловистость и производительность лова 195
6.5. Селективные свойства электрических полей 198
6.6. Влияние электрических полей на селективность лова 202
Основные результаты и выводы по главе 6 204
ГЛАВА 7. Управление биофизическими процессами в системах лова рыбы с применением гидродинамических полей 206
7.1. Значение и общая характеристика применения гидродинамических полей 206
7.2. Характеристика гидродинамических полей естественного происхождения 210
7.3. Характеристика гидродинамических полей сетных орудий лова...211
7.4. Характеристика гидродинамических полей всасывающих насосов215
7.4. Характеристика гидродинамических полей нагнетающих насосов 218
7.6. Влияние гидродинамических полей на выбор вида, области применения, эффективных параметров орудий и способов лова .222
7.7. Влияние гидродинамических полей на уловистость и производительность орудий лова 227
7.8. Влияние гидродинамических полей на селективность лова 232
Основные результаты и выводы по главе 7 240
ГЛАВА 8. Управление биофизическими процессами в системах лова рыбы с применением акустических полей 243
8.1. Значение и общая характеристика применения акустических полей 243
8.2. Влияние акустического фона 251
8.3. Характеристика акустических полей сетных орудий лова 252
8.4. Характеристика акустических полей средств интенсификации лова 254
8.5. Влияние акустических полей на выбор вида, области применения, эффективных параметров орудий и способов лова 263
8.6. Влияние акустических полей на уловистость и производительность лова 267
8.7. Влияние акустических полей на селективность лова 271
Основные результаты и выводы по главе 8 273
ГЛАВА 9. Управление биофизическими процессами в системах лова рыбы с применением полей растворенных и взвешенных веществ, тепловых полей 275
9.1. Значение и общая характеристика применения полей растворенных и взвешенных веществ, тепловых полей 275
9.2. Характеристика полей растворенных и взвешенных веществ, тепловых полей 280
9.3. Характеристика воздушно-пузырьковых завес 284
9.4. Математическое моделирование и экспериментальное определение параметров полей растворенных и взвешенных веществ 287
9.5. Математическое моделирование и экспериментальное определение параметров тепловых полей 292
9.6. Влияние воздействия полей растворенных и взвешенных веществ, тепловых полей на выбор вида, области применения, эффективных параметров орудий и способов лова 294
9.7. Влияние полей растворенных и взвешенных веществ, тепловых полей на уловистость и производительность лова 298
9.8. Влияние полей растворенных и взвешенных веществ, тепловых полей на селективность лова и промысла 300
Основные результаты и выводы по главе 9 302
Основные результаты и выводы по диссертации 304
Библиографический список 306
Приложение
- Характеристика систем управления ловом рыбы
- Общие принципы биофизического обоснования эффективности орудий и способов промышленного рыболовства
- Количественная оценка световых полей естественного происхождения
- Характеристика световых полей контрастов с учетом управления биофизическими процессами
Введение к работе
Одной из актуальных проблем в теории управления процессами с высокой степенью неопределённости поведения объекта управления является разработка теоретических основ анализа, методов моделирования и совершенствования систем управления с биологическим объектом как управляемой подсистемой. В свою очередь, одной из основных задач промышленного рыболовства является повышение эффективности управления системами лова рыбы и их автоматизация.
Для решения этих проблем важное значение имеет обоснование и разработка биофизических методов расчета характеристик промысловых физических полей и параметров структурных звеньев рыбопромысловых систем для совершенствования на биофизической основе управления системами лова рыбы и их автоматизации.
Как известно, системы управления с биологическим объектом в качестве управляемой подсистемы относятся к сложным кибернетическим системам. Управление в таких системах и подходы к изучению таких систем значительно отличаются от управления в технических системах (работы Н. Винера, В.И. Габрюка, А.В. Когана, Б.П. Мантей-феля, Дж. Милсула, Н.П. Наумова, В.Н. Новосельцева, Д.С. Павлова, В.Г. Рошабека, А.В. Рубина, О.Г. Чораяна и др.). Эти исследования привели к формированию биотехнического направления промышленного рыболовства и рыбохозяйственной кибернетики, которые основаны и развиваются в Астраханском государственном техническом университете (работы В.Н. Мельникова). Большое количество работ посвящено физическим полям в водоемах, рецепции и ориентации рыб, оценке действия промысловых физических полей на рыбу, поведению рыб под действием физических раздражителей (работы Н.Н. Андреева, Ф.И. Баранова, В.А. Ионаса, В.И. Кудрявцева, В.Н. Лукашова, В.Н.
Мельникова, И.В. Никонорова, Д.С. Павлова, Э.Т. Преля, В.Р. Протасова, А.И. Трещева и других авторов).
За последние годы появились новые работы по биофизическим проблемам промышленного рыболовства, существенно поднялся уровень фундаментальных и биотехнических исследований в рыболовстве, изменились условия рыболовства, повысились требования к эффективности лова, возникли новые аспекты биофизических проблем, связанные с разработкой информационно-измерительных комплексов АСУ процессами лова, которые необходимо решать в современных условиях и на современной научной базе.
Анализ ранее выполненных работ показывает, что в них в недостаточной степени проявляется практическая направленность исследований, не в полной мере отражается значение управления биофизическими процессами при лове различными способами, не на должном уровне и не всегда с учетом современных условий лова дана количественная характеристика физических полей элементов систем управления ловом и оценка их энергетического и информационного воздействия на объект лова, отсутствуют новые данные о поведении и распределении объекта лова, а также управляющей способности физических полей в зоне действия орудий лова, не всегда показано влияние промысловых физических полей на выбор вида, области применения и показатели эффективности технических средств и способов лова рыбы, а также уловистость, производительность и селективность лова. Но основной недостаток этих исследований состоит в несистемном подходе к решению задач, связанных с комплексным воздействием промысловых физических полей на рыбу, с оценкой и совершенствованием управления процессами лова рыбы на биофизической основе. Вот почему в современных условиях исследования, посвященные проблеме повышения эффективности управления биофизическими процессами и автоматиза-
ции в системах лова с биологическим объектом как управляемой подсистемой с учетом действия на него промысловых физических полей, весьма актуальны.
Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления кафедры « Электрооборудование и автоматика судов» (ЭАС) ГОУ ВПО Астраханский государственный технический университет (АГТУ) и является составной частью научных исследований, которые проводятся во ВНИРО, АГТУ, АГУ, бассейновых научно-исследовательских и учебных институтах рыбного хозяйства России и за рубежом.
Цель и задачи диссертации
Цель диссертации — разработка теоретических основ анализа, методов моделирования, совершенствования управления биофизическими процессами и автоматизации в системах лова рыбы
Соответствующая указанной цели научно-техническая проблема может быть сформулирована следующим образом - обоснование комплексных методов оценки влияния промысловых физических полей на процесс лова рыбы, исследование и выбор эффективных параметров управляющих воздействий на различные виды рыб и разработка перспективных автоматизированных систем управления процессами лова рыбы из условия улучшения промысловых, экологических и экономических показателей.
Основные задачи диссертации:
разработка методологических основ управления биофизическими процессами в системах лова рыбы на основе решения задач и алгоритмов оперативного управления;
разработка систем автоматизированного управления биофизическими процессами при лове рыбы с комплексным применением промысловых физических полей;
- разработка общих принципов биофизического обоснования эффек
тивности способов и технических средств лова с учетом системного
подхода к управлению биофизическими процессами при лове рыбы;
—оптимизация устройств и каналов для измерения и передачи текущей информации при реализации алгоритмов оперативного управления биофизическими процессами в системах лова рыбы; разработка методов математического моделирования промысловых физических полей с целью уточнения и оптимизации их действия на объект лова при управлении биофизическими процессами в системах лова рыбы;
исследование энергетических и информационных характеристик и параметров промысловых физических полей различной модальности как факторов, определяющих эффективность управления объектом лова;
оценка и оптимизация влияния управляющего действия промысловых физических полей на выбор вида, области применения и параметров технических средств и способов лова рыбы;
исследование и оптимизация влияния промысловых физических полей при управлении биофизическими процессами в системах лова рыбы на производительность и селективность лова.
Методы исследований
Поставленные в диссертации задачи решены на основе теоретических и экспериментальных исследований с применением основных идей и методов теории управления процессами, рыбохозяйственной кибернетики, математического моделирования, теории операций, теории вероятностей и математической статистики, биофизических и биотехнических основ промышленного рыболовства, физики моря и т.д.
Проверку и оценку результатов теоретических исследований проводили путем сравнения с результатами модельных и натурных экспериментальных исследований по специально разработанным методикам.
Научная новизна и теоретическая ценность работы
Научная новизна и теоретическая ценность работы в целом заключается в разработке основ анализа и обосновании параметров систем управления, в которых в качестве управляемой подсистемы выступает биологический объект - рыба. В том числе:
уточнены теоретические основы автоматизации и управления процессами с биологическим объектом как управляемой подсистемой;
разработаны промысловые системы управления биофизическими процессами на основе решения задач и алгоритмов оперативного управления;
разработаны общие методы анализа биофизических процессов в системах управления ловом рыбы;
разработаны методы оптимизации устройств и каналов для измерения и передачи текущей информации при реализации алгоритмов оперативного управления биофизическими процессами в системах лова рыбы;
разработаны общие принципы и методы биофизического обоснования эффективности способов и технических средств лова рыбы при системном подходе к процессу лова;
получены математические модели промысловых физических полей различной модальности в зоне орудий лова, адаптированные к анализу и синтезу систем управления процессом лова;
уточнены методы энергетической и информационной оценки и оптимизации действия промысловых физических полей на объект лова как элемент системы управления процессом лова рыбы;
разработаны способы и алгоритмы оперативного управления биофизическими процессами в системах лова с комплексным применением промысловых физических полей;
уточнены способы и результаты оценки влияния и оптимизации управления биофизическими процессами в системах лова с комплексным применением промысловых физических полей на выбор вида, области использования, эффективных параметров технических средств и способов лова рыбы;
получены новые результаты оценки влияния и оптимизации характеристик промысловых физических полей на производительность и селективность лова.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Практическая ценность результатов работы состоит в повышении эффективности лова рыбы путем совершенствования управления биофизическими процессами и автоматизации в системах лова рыбы.
В частности, можно использовать:
методы анализа биофизических процессов в системах лова рыбы - на всех стадиях научно-исследовательских работ, для подготовки технической документации при разработке способов, технических средств и систем управления ловом рыбы;
общие принципы биофизического обоснования эффективности способов и технических средств лова рыбы как элементов систем управления ловом - на всех стадиях проектирования технических средств лова;
энергетические и информационные характеристики промысловых физических полей в зоне орудий лова — для выбора места и времени лова, эффективных параметров орудий и средств интенсификации лова как источников промысловых физических полей;
усовершенствованные методы оценки действия промысловых физических полей на объект лова, количественной оценки поведения объекта лова, новые способы и алгоритмы управления биофизическими процессами в системах лова с комплексным применением промысловых физических полей - в практике научно-исследовательских работ при разработке АСУ процессами лова;
результаты количественной оценки влияния и оптимизации действия промысловых физических полей на выбор вида, области применения и эффективных параметров технических средств и способов лова рыбы — в практике проектно-конструкторских работ, работы органов рыбоохраны и непосредственно в практике лова;
результаты исследований и оптимизации управляющего действия промысловых физических полей на уловистость, производительность и селективность лова - для улучшения промысловых, экологических и экономических показателей в практике лова и разработке рыбоохран-ных мероприятий;
результаты расчета оптимальных параметров каналов передачи информации объекту управления и оптико-электронных устройств информационно-измерительных комплексов АСУ процессами лова рыбы - для улучшения промысловых, экологических и экономических показателей в практике лова и разработке рыбоохранных мероприятий.
Результаты исследований внедрены на Астраханской сетевязальной фабрике для совершенствования проектирования и постройки орудий лова; в ОАО «Мурманская фабрика орудий лова» для проектирования новых конструкций разноглубинных тралов для различных районов Мирового океана, а также для совершенствования систем управления режимами их работы; в дельте Волги и на Северном Каспии в системе организаций Астрыбакколхозсоюза для совершенствования лова речными закидными неводами, сетями, крупными и мелкими ловушками; на
Астраханской базе морского лова, в ОАО «Камызякская рыбопромышленная компания», ООО РК «Каспрыбфлот», ООО «Каспрыбпром» для повышения эффективности лова каспийской кильки рыбонасосными установками и конусными подхватами; в ООО «Рыбколхоз Волна Революции» для оптимизации параметров операций лова кошельковыми неводами, длины кошельковых неводов, а также для определения характеристик акустических излучателей в воротах кошельковых неводов; в ООО «Центр развития рыболовства и аквакультуры» (ТРАЛ ЦЕНТР ВЕСТ) для разработки конструкции донных и разноглубинных тралов, оценки их эффективности, выбора оптимальных параметров трала; при подготовке инженерных и научных кадров по различным специальностям в Астраханском государственном техническом университете и по физико-математическим, естественнонаучным и инженерным образовательным программам и специальностям в Астраханском государственном университете. Акты о применении результатов диссертационной работы приведены в Приложении.
Апробация работы
Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на еже
годных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава Астраханского государственного техниче
ского университета и Астраханского государственного университета за
период с 2000 года по 2007 год, на Всероссийской конференции «Мето
ды и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза,
2001), на Международной конференции, посвященной 70-летию АГТУ
(Астрахань, 2001), на Межрегиональной конференции "Научные разра
ботки ученых - решению социально-экономических задач Астраханской
области" (Астрахань, 2001), на IV Международной научно-практической
конференции "Новые информационные технологии в региональной ин-
фраструктуре и образовании" (Астрахань, 2001), на Международной научно-технической конференции, посвященной 20-летию Атырауского университета (Атырау, 2001), на Международной конференции, посвященной памяти профессора В.Н. Войниканис-Мирского (Астрахань, 2003), на Международной конференции "Водные биоресурсы России: решение проблем их изучения и рационального использования" (Москва, 2003), на Международной конференции" Математическое моделирование процессов промышленного рыболовства" (Астрахань, 2004), на Международной конференции "Повышение эффективности использования водных биологических ресурсов Мирового океана" (Москва, 2005), на Международной конференции "Перспективы Международного рыболовства и рыболовства Каспийского бассейна" (Астрахань, 2005), на семинаре «Совершенствование лова и управления запасами промысловых рыб» (Астрахань, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 61 печатная работа, в том числе 3 монографии, 3 учебных пособия для вузов и 15 работ в изданиях, в которых ВАК РФ рекомендуется публикация основных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, девяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы, составляющего 246 наименований, и приложения. Основная часть диссертации изложена на 332 страницах, включает 63 рисунка и 8 таблиц, приложение - 13 страниц.
На защиту выносятся:
- теоретические основы автоматизации и управления процессами с биологическим объектом как управляемой подсистемой;
промысловые системы управления биофизическими процессами на основе решения задач и алгоритмов оперативного управления;
общие методы анализа биофизических процессов в системах управления ловом рыбы;
общие принципы и методы биофизического обоснования эффективности способов и технических средств лова рыбы при системном подходе к процессу лова;
результаты оптимизации устройств и каналов для измерения и передачи текущей информации при реализации алгоритмов оперативного управления биофизическими процессами в системах лова рыбы;
математические модели промысловых физических полей различной модальности в зоне орудий лова, адаптированные к анализу и синтезу систем управления процессом лова;
методы энергетической и информационной оценки и оптимизации действия промысловых физических полей на объект лова как элемент системы управления процессом лова рыбы;
способы и алгоритмы оперативного управления биофизическими процессами в системах лова с комплексным применением промысловых физических полей;
способы и результаты оценки влияния и оптимизации управления биофизическими процессами в системах лова с комплексным применением промысловых физических полей на выбор вида, области использования, эффективных параметров технических средств и способов лова рыбы;
результаты оценки влияния и оптимизации характеристик промысловых физических полей на производительность и селективность лова.
Характеристика систем управления ловом рыбы
Биофизические исследования в промышленном рыболовстве в со временных условиях целесообразно строить на системном кибернетиче ском подходе [25, 65]. В этом случае лов рыбы рассматривают как про цесс управления техническими средствами лова, объектом лова и усло виями внешней среды в водоеме в системе управления ловом с учетом взаимосвязи физических и биологических процессов. Такой подход со ответствует общему принципу развития науки [189, 213], рыбохозяйст венных исследований, намеченному в работах [40,41, 76,144,140, 157,229].
Целью систем управления ловом является повышение эффектив „ ва1їн ности лова (производительности, уловисто S b e e jK сти5 селективности, экономических показате-/647 Л Щ лей) с учетом заданных критериев эффектив f 1 \ ./ j ности. Эта цель может быть достигнута 4 " "сРе " / управлением отдельными элементами систем. "" Так, в системах управления объектом лова Рис. 1.1. Схема системы управления процессами ло- управляющая подсистема включает орудия варыбы лова и другие технические средства лова, управляемая - объект лова. В системах управления процессом лова в качестве управляемых могут выступать отдельные технические средства, объект лова и даже водная среда в водоеме (рис. 1.1.).
Все промысловые системы принято различать по характеру изменения регулируемых показателей и принципу действия [150]. По первому признаку различают промысловые системы стабилизации, программные и следящие, а по второму - различные варианты разомкнутых систем и систем с обратной связью. Все виды систем находят применение в рыболовстве, хотя использование некоторых из них, например, следящих, самонастраивающихся, пока ограничено, в частности, из-за сложности и неблагоприятных условий для самообучения [68].
При системном подходе большое значение приобретает не только изучение отдельных элементов системы управления процессом лова или объектом лова, но и исследование взаимосвязи и взаимодействия этих элементов [163,171, 232].
Каждый из элементов рассматриваемых систем управления и их взаимосвязи имеют прямое отношение к биофизическим исследованиям. Так, технические средства лова, прежде всего орудия лова, являются источниками различных промысловых физических полей — световых полей контрастов, гидродинамических, акустических и т.д.
Объект лова способен воспринимать промысловые физические поля различной модальности, накапливать и перерабатывать информацию, которую эти физические поля несут.
Внешняя среда в водоеме служит источником образования разнообразных физических полей и средством передачи сигналов различной физической природы от одного элемента системы к другому.
Из краткого анализа свойств элементов орудий лова следует их глубокая взаимосвязь, прежде всего, на основе биофизических процессов (БФП) [146].
Биофизические исследования в промышленном рыболовстве связаны с решением ряда серьезных задач, которые должны решаться учеными различного профиля - физиками, биологами, биофизиками, математиками, специалистами в области управления процессами, теории операций, промышленного рыболовства и т.д. [74].
Перечислим основные задачи биофизических исследований [94, 111]: - анализ промысловых физических полей, действующих на объект лова в процессе лова; - исследование особенностей рецепции промысловых рыб; изучение особенностей действия физических полей на рыбу; исследование особенностей ориентации рыбы в физических полях с учетом свойств физических полей и особенностей их восприятия; - оценка размеров, формы и структуры зоны действия физических полей по различным признакам; - изучение поведения рыбы в физических полях различной интенсивности, структуры и положения в водоеме; - качественная оценка управляющего действия физических полей на рыбу; - разработка и анализ систем управления объектом лова и процессом лова с учетом особенностей образования и существования физических полей и их действия на рыбу; - количественная оценка элементов систем управления объектом лова и их взаимодействия; - разработка методов расчета и проектирования устройств для образования физических полей с необходимыми параметрами; - уточнение параметров устройств для образования физических полей с учетом других видов обоснования таких устройств; - разработка способов и уточнение области применения устройств для образования физических полей с учетом условий внешней среды в промысловых водоемах и других факторов; - исследование влияния физических полей на параметры орудий лова (кроме параметров технических средств образования физических полей); - оценка влияния биофизических процессов на эффективность лова, прежде всего, уловистость, производительность и селективность лова В наиболее общем случае задачи биофизических исследований возникают при разработке новых способов лова с применением физических раздражителей, когда необходимо решать практически все перечисленные задачи. В остальных случаях круг решаемых задач уже, но, так или иначе, связан с изучением промысловых физических полей и их воздействия на объект лова.
Общие принципы биофизического обоснования эффективности орудий и способов промышленного рыболовства
Решение проблемы совершенствования управления БФП в системах лова рыбы во многом зависит от полноты и точности характеристики элементов систем лова с учетом специфики составляющих этих систем - технических средств лова, объекта лова и условий внешней среды в водоеме [78, 96,135].
Технические средства лова в общем случае включают исполнительные устройства (орудие лова, средства механизации, промысловые суда); измерительные устройства - для получения данных о показателях процесса лова, например, физических полей, скорости перемещения орудия лова; устройства сравнения данных о действительных и необходимых показателях процесса; усилительные устройства, которые результаты рассогласования между действительными и необходимыми показателями процесса подают на исполнительные устройства для изменения их параметров, положения, ориентации [3, 202, 203, 230].
Все элементы технических средств лова характеризуются рядом параметров и показателей. В нашем случае технические средства выступают как источники промысловых физических полей. Источником промысловых физических полей являются не только элементы орудия лова, но и суда. Частично или полностью физические поля судов находятся в зоне действия орудия лова. Остальные элементы технических средств лова в основном служат для оценки поведения, распределения и состояния объекта лова, поддержания необходимых параметров физических полей, их положения и временных показателей работы, закона перемещения орудия лова и т.д. [212].
Одной из важнейших задач технических средств лова является выработка управляющего сигнала для поддержания необходимых показателей объекта лова или эффективности лова.
В простых системах управления объектом или процессом лова для выработки соответствующих управляющих воздействий используются непосредственно данные о положении, параметрах перемещения и состояния объекта лова. В более сложных системах применяют устройства сравнения для оценки рассогласования действительных и наиболее рациональных значений показателей промысловых физических полей, перемещения технических средств лова, показателей объекта лова. Выработка управляющего сигнала по результатам рассогласования является весьма сложной задачей, которую наиболее эффективно можно решить только с применением управляющих вычислительных машин [29, 53].
Объект лова как звено системы управления ловом можно считать биологической адаптивной системой с соответствующими входами и выходами, которая под влиянием внешних воздействий (прежде всего, промысловых физических полей) изменяет физиологическое состояние, поведение, распределение, состав, численность, чтобы поддержать свою жизнеспособность [27, 82,130].
Объект лова как элемент системы управления при биофизических исследованиях отличается следующими свойствами [4, 94, 111]: - реакция рыб на внешние воздействия зависит от физиологического состояния рыб, условий внешней среды, биотических взаимоотношений и, в общем случае, случайна; - наиболее часто объект лова является совокупностью рыб, внешние воздействия на которые неодинаковы, переменны во времени и пространстве; - иногда неизвестен механизм действия физических полей на рыбу, что затрудняет выработку соответствующих управляющих воздействий; - в общем случае в процессе лова на рыбу действуют физические поля различной физической природы, соотношение между действием которых на рыбу часто изменяется в пространстве и времени; - одна из проблем оценки реакции рыбы на действие различных физических полей заключается в перемещении рыбы в пространстве и времени; - физические поля могут оказывать на объект лова энергетическое и информационное воздействие, при этом соотношение между их влиянием на объект лова не всегда возможно разделить [133]; - физические поля иногда одновременно влияют на несколько возбудимых органов и тканей рыб, а объект лова как биологическая система характеризуется несколькими показателями, что затрудняет функциональное расчленение рыбы на составные части и раздельное их изучение [162]; - характер и степень воздействия физических полей на рыбу зависит не только от интенсивности, но и продолжительности воздействия, скорости изменения в пространстве и времени, особенности действия полей по различным направлениям [42]; - объект лова как сложная биологическая система часто отличается не линейностью и может выступать как усилительное звено, звено с за паздыванием, апериодическое, инерционное, интегрирующее звено [125, 128].
Внешняя среда в водоеме - пространство, где происходит процесс управления ловом. Значительно реже она служит управляемым элементом, если параметры этой среды изменяют.
В качестве поля управления внешняя среда выступает как источник промысловых физических полей и как канал для передачи внешних воздействий на объект лова или элементы технических средств. Во втором случае при решении биофизических задач управление параметрами внешней среды направлено на улучшение характеристик внешней среды. Такое управление должно приводить к повышению эффективности управляющего действия физических полей и условий передачи управ ляющих сигналов. Важно, что к управлению параметрами условий внешней среды можно условно отнести также выбор времени, места и глубины лова с учетом необходимых свойств внешней среды.
Внешнюю среду можно считать функциональным звеном с различным соотношением между входными и выходными сигналами. Так, при лове с применением электрических и световых полей внешняя среда выступает как усилительное звено; при образовании гидродинамических полей, полей растворенных и взвешенных веществ - запаздывающим звеном, так как выходной сигнал, по сравнению с входным, запаздывает на некоторое время. При неизменных условиях внешней среды и положении источников поля до рассматриваемой точки водоема поле управления считают стационарным звеном. Если же в процессе лова условия внешней среды и положение объекта лова относительно источника поля изменяются, то поле управления считают нестационарным звеном с переменными параметрами. Если физическое поле образовано несколькими источниками, то поле выступает как нелинейное звено, часто с сочетанием характеристик других видов звеньев [239].
Количественная оценка световых полей естественного происхождения
Для решения задач промышленного рыболовства из гидрооптических характеристик наибольшее значение имеет освещенность (облученность) плоскости определенной ориентации и на определенной глубине [239, 240]. Такую освещенность предложено определять по формуле [94,111]: Е{Н)= JB(e,(p, Н )cos edddtp ,=0 0=о г (3.1) где (р - текущий азимутальный угол, отсчитываемый от нормали к горизонтальной плоскости; в - текущий угол между нормалью к горизонтальной плоскости и направлением падающего излучения; Н — глубина расположения площадки; В - яркость излучения в направлении, определяемом углами ср и в.
При диффузном освещении на глубине лова, когда тело распределения яркости осесимметрично относительно вертикали, из выражения (3.1) получают частную и более распространенную формулу для оценки освещенности верхней горизонтальной плоскости на заданной глубине [94, 111]: "Л Е(Н)= \в(в,Н) costf sin0 W. (3.2) о При относительно небольшой необходимой точности определения светового режима в водоеме подводную освещенность на глубине лова Н определяют по элементарной формуле [240]: „=0ехр(-авН), (3.3) где Е0 - подповерхностная освещенность, лк; ссв — показатель вертикального ослабления света в водоеме, 1/м.
Показатель вертикального ослабления света ссв зависит, в основном, от прозрачности воды и структуры светового поля. Для практических расчетов ав удобно выразить через относительную прозрачность воды Хс. В среднем считают, что авХс =1,6-1,8. Эта зависимость не верна, если на глубине лова существенно влияние света, отраженного от грунта [214,215,216,217,218].
Подповерхностная освещенность зависит от положения Солнца или Луны на небе, состояния облачности и поверхности моря. В дневное время она колеблется от 10 до 5-10 лк, в сумерки - от 10" до 10 лк, ночью - от 10"4 до 10"2 лк.
В районах морского лова относительная прозрачность воды по диску Секки Хс обычно лежит в пределах от (5-6) м до 20 м.
Конкретные данные о прозрачности воды можно найти в инструкциях и наставлениях по лову в отдельных промысловых районах. Обобщенные сведения о прозрачности воды содержатся в «Атласах океанов». Для сугубо ориентировочных расчётов можно принять следующие усреднённые за год значения относительной прозрачности воды в некоторых промысловых районах: СВА - 12 м, СЗА - 13 м, ЮВА -14 м, ЦВА -18 м, ЮВТО -15 м, Антарктика - (15-20) м. [94,111].
Прозрачность воды изменяется в пространстве и времени. Особенно велики колебания прозрачности воды в шельфовых районах, где она зависит от расстояния до берега, ветрового и волнового режима. В умеренных и северных широтах наблюдаются существенные сезонные колебания прозрачности воды.
В тропической зоне сезонная изменчивость относительной прозрачности не велика и обычно не превышает (10-15) %. В умеренных и субпо лярных широтах глубина видимости диска Секки в течение года часто изменяется в 1,5—2,0 раза, и её колебания необходимо учитывать при обосновании параметров тралового лова, выделяя, по крайней мере, зимние и летние месяцы лова (Атлас океанов. Тихий океан, 1974; Атлас океанов. Атлантический и Индийский океаны, 1977).
Расчётное значение относительной прозрачности воды Хс при определении светового режима в водоемах можно определять с погрешностью до (8-10) % при оценке высоты скоплений с точностью ±1,0 м, если Хс 10 м, и с точностью ±2 м, если Хс 10 м. При определении дальности реакции на элементы орудий лова важно знать, превышает ли относительная прозрачность воды (10-12) м. Если превышает, то при дневном режиме освещения дальность реакции при любой прозрачности воды максимальна и равна (8—10) м, если меньше, то в условиях зрительной ориентации она равна в среднем (0,7-0,8) Хс. Таким образом, точность оценки прозрачности воды при определении дальности видимости и дальности реакции рыбы на элементы орудий лова имеет значение только при прозрачности воды менее (8-Ю) м, когда погрешность оценки может достигать (10-15) % [94, 111].
В основном, в связи с дальностью и степенью видимости элементов рыболовной системы и образованием световых полей источников искусственного освещения имеют значение угловое распределение и спектральный состав света.
Для оценки светового режима в водоемах и решения некоторых практических задач угловое распределение света часто характеризуют отношением освещенностей горизонтальной площадки на глубине снизу и сверху. Это отношение колеблется от 0,06-0,1 в малопрозрачных внутренних водоемах до 0,01-0,02 в прозрачных морских водоемах [94, 111,143].
Из-за парности органа зрения рыбы и большой неравномерности распределения света по различным направлениям световые поля естественного происхождения обладают высокой ориентирующей способностью.
Характеристика световых полей контрастов с учетом управления биофизическими процессами
Рассмотрим световые поля контрастов и особенности их восприятия, в основном, в связи с влиянием зрительной ориентации рыб на управляющую способность орудий лова, производительность и селективность лова. Материалом этого параграфа служат многочисленные исследования по оценке световых полей контрастов, зрительной рецепции и ориентации рыб, их поведения в световых ПОЛЯХ контрастов [13, 132, 141, 143, 145, 150, 190, 191, 194, 195, 196, 204]. Эти исследования в нашей работе систематизированы, обобщены и дополнены с учетом цели и задач диссертации [94,111].
Рыба способна воспринимать объект, если он отличается по яркости и цветности от фона, на котором объект рассматривается. Наибольшее значение имеет яркостный контраст, так как с увеличением расстояния до объекта цветовой контраст в мутной среде убывает быстрее, чем яркостный [214].
Порог контрастной чувствительности для пелагических рыб при дневном световом режиме равен 0,01-0,03, а для донных рыб 0,1-0,2. Контрастная чувствительность глаза рыбы зависит от освещенности в водоемах. Некоторые данные о влиянии освещенности на порог контрастной чувствительности рыб приведены в работе [141] и обобщены нами (рис. 4.1). Из этих данных следует, что при освещенности менее (10 -10"5) лк рыба не различает контрасты яркости и несветящиеся предметы, а при освещенности более (10-10 ) лк контрастная чувствительность глаза рыб одинакова и соответствует минимальному значению при дневном режиме освещения. стью лучей в толще воды в направлении, противоположном направлению линии зрения рыбы, и в большой степени зависит от направления линии зрения. Яркость фона значительно больше, когда орудие лова рассматривается снизу вверх, и меньше, если рыба видит его сверху вниз [210, 218].
Орудия лова в основном состоят из цилиндрических элементов (сетные нити, веревки, канаты) и видны как объекты с неравномерным распределением яркости по периметру. Яркостный контраст таких элементов определяется яркостью участка поверхности, который наиболее отличается от яркости фона.
Яркостный контраст зависит от окраски элементов орудий лова, углового распределения яркости в водоеме, ориентации элементов и, в частности, от посадочного коэффициента сетного полотна [246].
Во всех случаях величина яркостного контраста сетного полотна с фоном велика, так как из-за большой неравномерности распределения яркости в воде по различным направлениям нельзя добиться слияния с фоном всех участков одноцветного непрозрачного элемента орудия лова цилиндрической или сферической формы.
Чтобы непрозрачные элементы орудий лова имели наименьшую видимость, их окрашивают в серый цвет. Действительно, цветность лучей в воде по различным направлениям даже на небольших глубинах примерно одинакова. Поэтому не избирательно отраженные от серой поверхности лучи в любом случае по цветности хорошо совпадают с лучами фона. Следовательно, серая поверхность в водоеме практически не имеет цветового контраста с фоном.
Если рыба рассматривает элемент орудия лова в горизонтальном направлении, а относительная прозрачность воды Хс= (3 - 15) м, то коэффициент отражения серой поверхности наименьшей видимости [148,150]: А, = 5тП или рн = 5-JY (4л)
Когда рыба рассматривает элемент орудия лова снизу вверх на ярком фоне лучей, идущих вниз, то в любом случае наименьшую видимость имеют белые элементы. Напротив, если элемент рассматривается сверху вниз на темном фоне, то наименьшей видимостью обладают темные элементы с коэффициентом отражения 0,1-0,2.
Наибольшую видимость имеют черные элементы, если коэффициент отражения поверхности наименьшей видимости в воде рн 0,18-0,20, и белые, если рн 0,18-0,20.
В последние десятилетия получили распространение элементы орудий лова из мононитей. Они менее заметны в воде, чем элементы орудий лова из непрозрачных материалов. Яркостный контраст мононитей может быть равен 0,10-0,15, тогда как для непрозрачных нитей он обычно превышает 0,5 [94, 111]. Материалы из прозрачных мононитей обычно окрашивать не следует. Малопрозрачные нити (за исключением случаев использования их в водах с относительной прозрачностью Хс (0,6-0,8) м желательно окрашивать в серый цвет с коэффициентом отражения поверхности, зависящим от прозрачности воды и мононитей, а также их диаметра [141]. На рис. 4.2 приведены уточненные нами зависимости коэффициента отражения сетного полотна наименьшей видимости в воде из непрозрачных и полупрозрачных нитей для водоемов с различной прозрачностью воды [94, 111,143].
Похожие диссертации на Управление биофизическими процессами в системах лова рыбы
