- 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, определены цели и задачи диссертации, дана оценка ее научной новизны, теоретической и практической ценности, приведена общая методика, апробация, объем и содержание работы, положения диссертации, которые выносятся на защиту.

ПЕРВАЯ ГЛАВА диссертации посвящена общему анализу биофизических процессов в системах лова рыбы. В отличие от других исследований анализ выполнен, прежде всего, с учетом системного подхода к процессу лова, управляющей способности промысловых физических полей естественного и искусственного происхождения в зоне орудий лова и задач повышения эффективности управления биофизическими процессами в системах лова рыбы.

Дана характеристика современных аспектов биофизических проблем промышленного рыболовства при системном подходе к процессу лова. Установлены основные задачи биофизических исследований как задач анализа и управления биофизическими процессами в системах лова рыбы с учетом действия на объект лова промысловых физических полей.

Выявлены общие особенности объекта лова, технических средств лова, условий внешней среды в промысловых водоемах в связи с задачами управления биофизическими процессами в системах лова с применением физических полей (рис.1). Исследованы общие показатели физических полей орудий лова, физических средств интенсификации лова и естественного происхождения в зоне орудий лова с учетом их управляющей способности. Описаны источники этих полей, особенности образования, существования, регулирования и исследования полей расчетными и другими методами.

Рис. 1. Схема системы управления процессом лова рыбы.

Обобщены данные об особенностях рецепции рыб, приведена энергетическая и информационная оценка действия физических полей на рыбу, исследовано влияние этих особенностей на управление техническими средствами лова и объектом лова.

Разработаны или уточнены способы количественной оценки энергетического и информационного воздействия полей на рыбу, предложена методика структурной и параметрической оптимизации канала передачи оптического сигнала при воздействии на рыбу световых полей естественного или искусственного происхождения с применением информационных критериев качества и метода внешней фильтрации.

Рис. 2. Биофизические процессы (БФП) в системе управления ловом рыбы.

Получены новые данные об ориентации и поведении объекта лова в зоне действия промысловых физических полей, об управлении поведением рыбы в процессе лова. Предложены способы математического описания поведения объекта лова в физических полях орудий лова и средств интенсификации лова как элемента системы управления процессом лова. Установлены общие особенности определения размеров, формы и структуры промысловых физических полей в зоне орудий лова с учетом характера биофизических процессов (БФП) в системе управления ловом рыбы (рис.2). Уточнены особенности управления системами лова с использованием направляющих, задерживающих и дезориентирующих функций физических полей, управления по принципу наименьшего воздействия, путем изменения двигательной активности рыбы и уменьшения влияния на рыбу вредных посторонних воздействий.

ВТОРАЯ ГЛАВА диссертации посвящена общей характеристике обоснования показателей эффективности (критериев качества) функционирования систем управления ловом с учетом действия на рыбу промысловых физических полей. В этой главе уточнены общие принципы обоснования показателей эффективности технических средств лова и способов промышленного рыболовства с учетом действия физических полей на рыбу. Исследованы особенности выбора при таком обосновании модальности физических полей, интенсивности (мощности, производительности) источников образования полей, качественного состава излучения или массы управляющего сигнала, модуляций сигнала, применения нескольких источников поля, выбора времени и места лова, показателей перемещения источников физических полей и т.д.

Для оценки влияния различных биофизических процессов в системах управления ловом на уловистость орудий лова и производительность лова предложено использовать общие математические модели производительности лова. Такие модели в развернутом виде после преобразований содержат показатели взаимосвязи физических и биологических процессов в системах управления ловом и могут быть использованы для решения задач текущего управления этими процессами. Рассмотрены наиболее перспективные схемы управления БФП в системах лова (рис. 3 а, б). Разработаны способы оценки влияния биофизических процессов в системе управления ловом на величину обловленного объема водоема и обловленного объема скопления. Показаны особенности такого влияния для основных случаев образования обловленного пространства при различных способах лова и управления БФП в системах лова рыбы.

Рис. 3, а. Схема управления БФП в системах лова с хорошо определяемыми статическими процессами без обратной связи с ограничениями или без ограничений.

Исследовано влияние биофизических процессов на улавливающую способность орудий лова. Показано, что изучение такого влияния особенно эффективно с применением общих и частных статистических моделей уловистости. Приведены примеры влияния биофизических процессов на вероятность ухода рыбы из зоны облова и коэффициент уловистости орудий лова при различных способах лова. Установлено, как управление объектом лова влияет на коэффициент уловистости орудий лова.

Рис. 3, б. Схема адаптивного управления БФП в системах лова без обратной связи с применением улучшаемой модели процесса.

Показано, что результирующая селективность комплексного действия нескольких видов физических полей в зоне орудия лова при управлении этими полями в общем случае не является суммой селективного действия отдельных полей.

На основе методов статической оптимизации сформулирована задача управления биофизическими процессами в системах лова рыбы в виде:

найти такой вектор (1)

при котором, с учётом ограничений

(2)

показатель эффективности процесса лова (критерий качества управления) принимает экстремальное значение согласно

или

, (3)

где - соответственно регулируемые и нерегулируемые переменные; - параметры, которые могут меняться во время лова.

Эту задачу предложено решать путем декомпозиции систем управления ловом на отдельные подсистемы, в каждой из которых функционирует тот или иной биофизический процесс управления объектом лова, с последующим их синтезом с учетом комплексного воздействия на рыбу промысловых физических полей различной природы. В соответствии с предложенной методикой решения задачи управления БФП в конкретных системах лова дальнейшие главы диссертации посвящены анализу управления биофизическими процессами с учётом действия на объект управления тех или иных физических полей.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены особенности влияния на управление БФП в системах лова рыбы световых полей естественного происхождения. Показано ключевое биологическое и промыслово-биологическое значение естественного светового режима в водоемах для рыб различных экологических групп с учётом особенностей их световосприятия, а также определяющее влияние естественной освещенности на управляющее действие промысловых физических полей других модальностей, что проявляется в существенной зависимости от режима естественной освещённости характеристик каналов передачи информации объекту управления. Так, на рис. 4 представлен пример такой зависимости функции «отношение сигнал-шум» (С/Ш) канала передачи объекту управления оптической информации для водоёмов с различной прозрачностью Xс.

Рис. 4. Влияние режима естественной освещенности в водоеме на информационные и метрологические характеристики канала передачи оптической информации объекта управления: источник света - лампа с вольфрамовой нитью накала при температуре T = 2500 K; объект управления - килька; - коэффициент, учитывающий изменение светового режима в течение суток; глубина лова Н = 15 м; расстояние между источником света и объектом управления L = 10 м.

Исследованы различные типы светового режима в водоемах, условия их существования и колебаний в различных промысловых водоемах, влияние типа светового режима на возможность лова вообще, выбор вида орудий лова, времени и горизонта лова, управляющую способность других видов физических полей.

Для повышения эффективности управления биофизическими процессами в системах лова при реализации алгоритмов управления с учетом результатов спектрофотометрических измерений подповерхностной освещённости и освещённости в водной среде на глубине лова предложено использовать методику оптимизации параметров оптико-электронной системы на основе информационных критериев качества и оптической фильтрации сигнала.

Так, например, при измерении подповерхностной освещенности Е0(л) целевая функция «отношение сигнал - шум» выражается формулой:

, (4)

где - коэффициент, учитывающий изменение светового режима в течение суток, - функция Планка, описывающая распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела, , ; - функция относительной спектральной чувствительности фотоприемника, - угол зрения приемника, - его площадь, - диапазон длин волн, принимаемый фотоприемником.

В качестве оптических фильтров рассматривались прямоугольный фильтр, фильтры Лоренца и Гаусса в сочетании с различными селективными фотоприемниками. На рис. 5 а, б приведены примеры зависимостей (в отн. ед.) функции Ш= от положения центра л0 и ширины Д полосы пропускания фильтра при Т = 6000 К для различных пар «оптический фильтр - селективный фотоприёмник».

Дана количественная оценка влияния уровня естественной освещенности в водоемах на распределение промысловых рыб по глубине, структуру и размеры скоплений промысловых рыб, а также на показатели вертикальных миграций рыбы и управление процессом лова. Рассмотрены примеры такого влияния. Приведены математические модели для оценки глубины расположения рыбы, высоты слоя и скорости перемещения рыбы при вертикальных миграциях и выполнены расчеты по этим моделям. Эти модели использованы для определения управляющего воздействия при реализации алгоритмов управления БФП в различных системах лова (например, в системе тралового лова).

Рассмотрена задача оптимизации параметров канала считывания оптической информации при определении естественной освещенности в водной среде с прозрачностью Xс и средним значением спектрального коэффициента поглощения света на глубинах от 0 до H из условия максимума целевой функции «отношение сигнал - шум» :

Рис. 5 а, б. Зависимость функции Ш от параметров оптико - электронной системы:

а) приемник - ФЭУ-112, прямоугольный фильтр; б) приемник - ФЭУ-69, фильтр Гаусса.

, (5)

где , (6)

, (7)

- вектор оптимальных параметров, - угол зрения приемника излучения (глаза рыбы), Sр - его площадь, - функция относительной спектральной чувствительности глаза рыбы, - диапазон длин волн, принимаемый глазом рыбы.

Задача решена для рыб различных экологических групп. Некоторые результаты её решения приведены на рис. 6. Установлены особенности влияния естественной освещенности в водоемах на выбор вида и эффективные показатели различных орудий и способов лова рыбы с учетом управляющего действия физических полей на рыбу при различном уровне освещенности. Определены особенности влияния естественной освещенности в водоёмах на различные показатели эффективности управления процессом лова для основных способов лова - обловленный объем, коэффициент уловистости, производительность лова, улов на усилие. Установлено, что селективные свойства световых полей естественного происхождения связаны, в основном, с распределением естественной освещенности по глубине и, как следствие этого, с возможным расслоением рыбы по размеру, виду и полу. Соответственно, естественная освещенность в водоеме влияет на селективность управления промыслом.

Рис. 6. Зависимость функции Ш при определении освещенности в водной среде (приёмник - ФЭУ-112, фильтр Гаусса, л0 = 0,67 мкм, Д = 0,01 мкм; Чс = 3,5 м, для ставриды в состоянии световой адаптации).

Показано также, что естественный световой режим в водоёмах влияет на селективность действия всех других видов промысловых физических полей и что с уменьшением естественной освещенности в водоёмах селективные свойства других полей обычно становятся менее выраженными, а их управляющая способность падает.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены проблемы управления БФП в системах лова с применением световых полей контрастов, изменения дальности и степени видимости элементов систем управления ловом. Исследованы условия образования яркостного контраста элементов орудий лова в воде и рассмотрены особенности его количественной оценки для основных случаев образования контраста в толще воды, у поверхностей раздела и в зоне действия источников искусственного освещения. Получены данные об особенностях управления яркостным контрастом орудий лова в различных условиях его образования.

Уточнены расчетные формулы для определения дальности видимости элементов орудий лова в системе управления ловом, дана оценка влияния на нее различных факторов. Установлено, когда управление объектом лова наиболее эффективно при наименьшей, наибольшей и некоторой средней дальности видимости элементов. Разработаны способы управления видимостью орудий лова путем окраски их элементов в различный цвет и применения полупрозрачных материалов из мононитей.

Показано, что влияние световых полей контрастов на управление биофизическими процессами в системах лова рыбы и выбор вида орудий лова аналогично влиянию световых полей освещенности. Однако чаще основные особенности управления и вид орудий лова принимают с учетом светового режима в водоемах, а параметры световых полей контрастов позволяют лишь изменить область применения выбранного вида орудия лова и эффективность управления ловом.

Уточнены характер и степень влияния световых полей контрастов на оптимальные показатели элементов орудий лова - размеры, форму, относительное расположение, показатели сетного полотна. Рассмотрено такое влияние на примере ставных неводов, разноглубинных и донных тралов, донных неводов. Так, например, зависимость расчетной длины крыла ставного невода от оптимальной дальности видимости имеет вид:

, (8)

где a и b - эмпирические коэффициенты, - фактическая дальность видимости крыла. Ширину входа в ловушку H предложено определять по формуле:

, (9)

где - ширина косяка, - минимальное расстояние, на котором рыба держится от сетного полотна при заходе в ловушку.

Предложен способ количественной оценки влияния дальности видимости элементов орудий лова на вероятность ухода рыбы из зоны облова разноглубинными тралами и ставными неводами, что позволяет оценить влияние этого параметра на эффективность управления БФП в системах лова рыбы путем воздействия на улавливающую способность и производительность рыболовной системы.

На основе синтеза управляющих подсистем промысловых физических полей естественной освещённости и контрастов решена задача управления биофизическими процессами в системе лова разноглубинными тралами в следующем виде:

найти такой вектор

, (10)

при котором, с учетом ограничений:

, (11)

производительность лова (целевая функция) принимает максимальное значение согласно условию:

. (12)

Предложен алгоритм управления БФП в системе лова разноглубинными тралами (рис.7). Показано влияние световых полей контрастов и особенностей их восприятия объектом лова на селективность лова. Приведены примеры получения заданной селективности путём выбора эффективных параметров световых полей контрастов в системе управления ловом. Так, при разноглубинном траловом лове, в соответствии с математической моделью лова, уход рыбы любых размеров из предустьевого пространства трала зависит от размеров устья трала, скорости траления, условий зрительной ориентации, степени подвижности рыбы и определяется общей вероятностью по формуле:

, (13)

где - функция распределения плотности вероятности нахождения рыбы длиной в заданной точке водоёма; - коэффициент, характеризующий уход рыбы данного размера из этой зоны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Алгоритм уп-равления БФП в системе тралового лова (цикл лова).

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена проблемам управления БФП в системах лова с применением световых полей источников искусственного освещения. Уточнены показатели положительной и отрицательной реакции рыбы на свет, а также основные управляющие функции искусственных световых полей. Исследованы световые поля точечных и совокупности подводных и надводных источников. Приведены на неспектральном и спектральном уровне способы определения параметров световых полей и зоны их действия, в т.ч. с учетом ослабления света рыбой и сетным полотном. Решена задача оптимизации параметров канала передачи оптической информации объекту лова при использовании полей источников искусственного света для управления биофизическими процессами в системах лова рыбы в условиях шумов. При этом целевая функция «отношение сигнал-шум» имеет вид:

, (14)

где для подводных источников света:

, (15)

, (16)

, (17)

ср() - среднее значение показателя ослабления света на участке от 0 до L, - спектральная функция пропускания оптического фильтра с границами [ 3, 4 ], - функция спектральной пространственной плотности излучения источника искусственного света.

Соответственно, для надводных источников света величину сигнала предложено определять по формуле:

,(18)

где (л) - отношение яркости преломленного луча к яркости луча, падающего на поверхность воды под углом ; (л)- угол преломления, град; h - высота подвеса источника; I() - сила света источника в направлении угла ; Sм - метеорологическая дальность видимости. На рис. 8 а, б, в, г показано влияние на изменение функции Ш и пропускной способности П канала передачи оптической информации объекту управления таких факторов, как режим естественной освещённости в водоеме (параметр K'), прозрачность воды Xс, глубина расположения объекта лова H, расстояние между источником света и объектом лова L. Дан анализ влияния различных факторов на картину и управляющую способность световых полей надводных и подводных источников.

а) б)

Рис 8 а, б. Влияние режима естественной освещенности в водоеме на значение функций Ш и П. Источник света - лампа с вольфрамовой нитью накала при T = 2500 K; объект управления - каспийская килька; оптический фильтр - фильтр Гаусса; л02= 0,54 мкм, Д2 = 0,01 мкм, Н = 15 м, L = 10 м. Здесь .

Определены общие особенности влияния световых полей искусственного происхождения на выбор вида, области применения и эффективных параметров орудий и способов лова с использованием света.

Исследованы способы оптимизации световых трасс и световых заграждений при изменении условий лова. Рассмотрены примеры обоснования параметров и управления БФП в системах лова кошельковыми неводами и бортовыми подхватами с использованием искусственных световых полей.

в) г)

Рис 8 в, г. Зависимость функции Ш при передаче оптического сигнала в водной среде от: в) глубины лова Н; г) расстояния между источником света и объектом лова L; объект управления - килька в состоянии темновой адаптации, источник света - лампа с вольфрамовой нитью накала при температуре 2500 К, фильтр Гаусса, л02 = 0,54 мкм, Д2 = 0,01 мкм. (Для E0 приёмник - ФЭУ-112, фильтр Гаусса, л01 = 0,67 мкм, Д1= 0,01 мкм).

Установлены общие особенности влияния искусственных световых полей на уловистость и производительность лова. Рассмотрены примеры управления этими показателями при лове конусными подхватами с применением математической модели улова за ночь:

(19)

где r1 - средняя концентрация в слое рыбы в пределах зоны действия манилок и источников света у залавливающего устройства в момент их включения; r2 - средняя концентрация рыбы в объеме, из которого рыба поступает за ночь в освещенную зону при ее активных и пассивных миграциях; LM - расстояние между подводными манилками, обычно равное длине судна; RM - радиус зоны действия манилок; Нс - высота скопления рыбы; tH - время лова за ночь; tM - время работы манилок за ночь; R3 - радиус зоны действия источников света у залавливающего устройства; p - скорость миграций рыбы; - угол между направлением миграций рыбы и нормалью с линией, соединяющей подводные манилки; T - скорость течения; kт - коэффициент; ki - эмпирический коэффициент, зависящий прежде всего от силы света источников в основании конусного подхвата; kd - эмпирический коэффициент, учитывающий распределение рыбы вокруг источника в основании конусного подхвата, в том числе при опускании конусного подхвата перед подъемом для выливки улова; D - диаметр конусного подхвата; D0 - максимальный диаметр конусного подхвата, при котором улов равен 0; DM - диаметр конусного подхвата, при котором производительность лова близка к максимальной в данных условиях; KI - отношение силы света источников I к силе света источников I0, при которой получают максимальную величину улова.

Показаны особенности применения подобных моделей для управления БФП в системах лова рыбы с применением световых полей, в т.ч. для автоматизации лова. Адекватность модели подтверждена в процессе экспериментальных исследований на судах Астраханской базы морского лова. На основе синтеза управляющих подсистем полей естественной освещённости, контрастов и искусственных источников света решена задача управления биофизическими процессами в системе лова конусными подхватами с применением искусственных световых полей в виде:

найти такой вектор

, (20)

при котором, с учетом ограничений:

(21)

производительность лова за ночь (целевая функция) принимает максимальное значение согласно условию:

(22)

Некоторые результаты решения задачи управления БФП в системах лова конусными подхватами с применением искусственных световых полей приведены на рис.9. Показан характер и степень влияния ряда факторов на селективные свойства световых полей в различных условиях лова. Приведены примеры управления селективностью лова с применением таких полей. Предложен алгоритм управления БФП в системах лова конусными подхватами с применением искусственных световых полей (рис.10).

Рис.9. Зависимость целевой функции QН от силы света источников в основании подхвата I и диаметра основания подхвата D.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены особенности управления БФП в системах лова с применением промысловых электрических полей. При анализе управления БФП в системах лова с применением электрических полей рассмотрены виды промысловых электрических полей, особенности их действия на объект лова, управляющие функции и область применения электрических полей в рыболовстве. Выявлены общие особенности влияния электрических полей на выбор вида, области применения, эффективных параметров орудий и способов лова, уловистость и производительность лова. Рассмотрены примеры такого влияния в системах лова тралами, закидными неводами и рыбонасосными установками.

Рис.10. Алгоритм управления БФП в системах лова конусными подхватами с применением искусственных световых полей.

На основе анализа зависимостей порогового значения условного напряжения тела рыбы, пороговой напряженности поля от пороговой плотности тока в воде (В. Н. Мельников, А. В. Мельников, 1991):

, (23)

, (24)

, (25)

где В и р - электрическая проводимость воды и тела рыбы; - максимальное значение порогов реакций, которое наблюдается при малых значениях отн = р/В; k - эмпирический коэффициент; мин - минимальная пороговая плотность тока при больших значениях отн; - угол между направлением силовой линии поля и продольной осью тела рыбы, установлена нелинейная связь между этими величинами. При этом пороговая напряженность электрического поля и пороговая плотность тока в воде для различных реакций рыбы зависит от длины рыбы, откуда следует вывод о влиянии этих показателей на pазмеpную селективность действия электрического поля.

Получены новые данные о селективности подвижных электрических полей и при перемещении рыбы в электрическом поле. В частности, установлено, что с увеличением времени перемещения рыбы в электрическом поле благодаря утомляемости рыбы его селективное действие снижается. Показано также, что селективность действия неподвижного электрического поля выше, когда рыба подходит к полю по течению, и слабее, когда подходит против течения. Селективность в большой степени зависит также от скорости течения и интенсивности поля. Таким образом, эффективность управления селективностью лова с применением электрических полей во многом зависит от интенсивности поля, электрической проводимости воды и тела рыбы, скорости и направления течения, ориентации рыбы в электрическом поле и т.д.

В СЕДЬМОЙ ГЛАВЕ рассмотрены особенности управления БФП в системах лова с применением промысловых гидродинамических полей.

Рис. 11. Структурная схема управления процессом лова рыбонасосной установкой с комплексным применением гидродинамического, светового и электрического полей: ОЛ - объект лова; РНУ - устройство управления рыбонасосной установкой; СО - световое оборудование; СЛ - судовая лебедка; РН - рыбонасос; ЭУ - устройство для образования электрических полей; УКУ - устройство контроля и управления; ПК - звено привлечения и концентрации; ЗЗ - звено залавливания; УЗУ - звено управления перемещением залавливающего устройства: 1 - датчик положения залавливающего устройства по глубине, 2 - датчик напряжения на электродах; 3 - датчик концентрации рыбы у залавливающего устройства, 4 - датчик величины улова Qл.

Дана количественная оценка гидродинамических полей естественного происхождения, сетных орудий лова, всасывающих и нагнетающих насосов. Расстояние, на котором возможен различный характер управляющего действия прямого потока нагнетающего насоса на рыбу, предложено определять с учетом порогового значения скорости потока для той или иной реакции:

, (26)

где KV - отношение скорости потока при истечении из насадка нагнетающего насоса V0 к пороговому значению скорости VП, d0 -диаметр насадка нагнетающего насоса.

Описаны особенности влияния гидродинамических полей различного происхождения на выбор вида, области применения, параметров орудий и способов лова рыбы, а также на показатели управления техническими средствами лова. В качестве примера синтеза управляющих подсистем при комплексном воздействии на объект лова гидродинамического, светового и электрического полей рассмотрена одна из возможных схем автоматизации лова рыбонасосными установками на промысле каспийской кильки (рис.11).

Повышение эффективности работы информационно-измерительного комплекса АСУ процессом лова рыбонасосными установками достигается в результате структурной и параметрической оптимизации оптико-электронной системы (ОЭС) для отбора текущей информации о параметрах процесса (рис. 12 а, б).

а) Схема прямого отсчета