一种仿生态式鱼道模拟系统和方法与流程

本发明涉及鱼类生态研究领域，具体涉及一种仿生态式鱼道模拟系统和方法。

背景技术：

1、鱼道，就是供鱼类洄游的通道，由于人类活动破坏了鱼类洄游的通道而采取的补救措施，一般通过在水闸或坝上修建人工水槽来保护鱼类的习性。而在修建鱼道的过程中，如何确保不同鱼类能顺利洄游成功，鱼道的长度和倾斜角度设计是关键，倾斜角度过大，鱼类洄游消耗过大，甚至一些小体型的鱼类无法洄游成功，鱼道过长，鱼类的体能不够，也无法洄游成功。并且，在鱼道内由于个体之间的相互影响，也会限制鱼类洄游的成功率。传统鱼道试验在过鱼效果上存在一定的局限性，无法完全模拟自然河流的复杂环境，所以，亟需提出一种仿生态式鱼道模拟系统和方法，来研究鱼道建设对鱼类洄游的影响效果。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种仿生态式鱼道模拟系统和方法。

2、为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

3、提供一种仿生态式鱼道模拟系统，其包括鱼道本体；鱼道本体上依次设置有倾斜调整系统、供水系统、仿生鱼机器人、阻力模块和控制系统；

4、倾斜调整系统用于调整鱼道本体的倾斜角度，倾斜调整系统与控制系统电连接；

5、供水系统内设置有温度调控模块，供水系统用于向鱼道本体内提供不同流速、流量的循环河水，温度调控模块用于调控河水的温度，供水系统与控制系统电连接；

6、仿生鱼机器人用于模拟不同鱼类在鱼道本体内游动的状态，仿生鱼机器人通过无线模块与控制系统通信连接；

7、阻力模块用于安装在鱼道本体内作为鱼游动的障碍；

8、控制系统内设置有电源模块，为整个系统提供电源。

9、提供一种采用上述仿生态式鱼道模拟系统对鱼类在鱼道内游动状态进行模拟的方法，其包括以下步骤：

10、s1：构建温度调控模块对供水系统内河水的温度进行调控的水温调控模型；

11、s2：根据江、河内鱼类进入鱼道的季节和时间习性，温度调控模块对供水系统内河水的温度调控到对应温度后，向鱼道本体内供河水，使鱼道产生适合不同鱼类游动的流水；

12、s3：构建仿生鱼机器人游动时关节的控制模型和波动幅值与速度的关系函数；

13、s4：将仿生鱼机器人放入鱼道本体内，并使仿生鱼机器人在鱼道本体内能稳定游动，作为鱼类在鱼道本体内游动时的同类障碍，采集当前倾斜角度下鱼道本体内河水的流动速度v，作为仿生鱼机器人的游速v′；

14、s5：将游速v′输入控制模型和关系模型中，计算仿生鱼机器人中关节波动的波幅和角频率，将波幅和角频率作为仿生鱼机器人的控制参数输入控制系统中，对仿生鱼机器人执行控制；

15、s6：取活体的目标鱼放入鱼道本体内，使目标鱼在当前倾斜角度下从鱼道本体底部游到顶部所需的时间和游速；并将目标江、河内的主要的成熟鱼类均放入当前倾斜角度下的鱼道本体内，并记录每种鱼类下从鱼道本体底部游到顶部所需的时间和游速；

16、计算鱼类从鱼道本体内溯游成功的成功率p1：其中，n1为溯游成功的鱼类数量，n1为放入鱼道本体内的鱼类总量；设置成功率的阈值p阈值，若p1≥p阈值，则将当前鱼道本体的倾斜度和长度作为在目标江、河内的设置鱼道的倾斜度和长度的参考值；若p1<p阈值，则执行步骤s7；

17、s7：根据所有溯游成功的鱼类所需的时间和游速，计算鱼类溯游过程中关于时间、游速的难度系数f1和f2；

18、

19、其中，e为溯游成功的鱼类编号，ve为溯游成功的第e种鱼类的溯游速度，v0-e为第e种鱼类的极限游速，t0-e为第e种鱼类可持续游动的极限时长，te为第e种鱼类的溯游时间；

20、s8：设置关于时间、游速的难度系数阈值f1阈值和f2阈值；

21、若f1<f1阈值，则判定当前鱼道本体的倾斜角度过大，降低鱼道本体的倾斜角度，返回步骤s4-s6，评估鱼道本体的倾斜角度是否可以作为参考值；

22、若f1≥f1阈值，则判定当前鱼道本体的倾斜角度可以作为在目标江、河内的设置鱼道的倾斜度的参考值；

23、若f2<f2阈值，则判定当前鱼道本体的长度过大，降低鱼道本体的长度，返回步骤s4-s6，评估鱼道本体的长度是否可以作为参考值；

24、若f1≥f2阈值，则判定当前鱼道本体的倾斜角度可以作为在目标江、河内的设置鱼道的倾斜度的参考值。

25、进一步地，水温调控模型为：

26、

27、其中，q0为供水系统内能维持鱼道本体内目标水位运行的最低水量，q1为当前时间t需要向供水系统内添加的水量，q2为当前时间t供水系统内剩余的水量，t1为添加的水量的水温，t2为供水系统内的水温，t0(t)为河水在自然条件水温随时间的波动函数，δl为鱼道本体的长度，α为河水经过鱼道本体时的降温系数，β为添加水过程中的温度波动系数，t为水温调控的时间，s(t)为光照随时间的波动函数，γ为光照对河水温度的影响系数，当时间t处于白天时γ取正、晚上时γ取负，tout(t)为水温调控模型对河水温度进行调控的目标温度。

28、进一步地，控制模型为：

29、θi(t)＝xi(t)+ri(t)cos[φi(t)+φi]；

30、其中，i为仿生鱼机器人上的关节编号，θi(t)为关节i的输出角度随摆动周期t的变化函数，xi(t)关节i的偏执函数，ri(t)为关节i的波幅函数，φi(t)为关节i的相位函数，φi为关节i的相位差；

31、关系函数为：

32、

33、其中，h(v′)为与仿生鱼机器人游动过程中游速v′相关的波幅包络线系数，ω为关节波动的角频率，k为关节的波动系数，x为关节的长度。

34、本发明的有益效果为：本发明可以模拟出自然环境下的河水在鱼道内流动的水温和流速，可以更清晰模拟出鱼类在鱼道内洄游的效果，更加准确、合理的模拟出自然鱼道内的真实环境，为自然环境中江、河内鱼道建设提供重要的数据支撑，提高鱼类洄游过程中的通过率和生存率，使鱼道建设适应生态差异，保障水利工程上下游生态系统的连通性。

技术特征：

1.一种仿生态式鱼道模拟系统，其特征在于，包括鱼道本体；所述鱼道本体上依次设置有倾斜调整系统、供水系统、仿生鱼机器人、阻力模块和控制系统；

2.一种采用权利要求1所述的仿生态式鱼道模拟系统对鱼类在鱼道内游动状态进行模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的仿生态式鱼道模拟系统对鱼类在鱼道内游动状态进行模拟的方法，其特征在于，所述水温调控模型为：

4.根据权利要求2所述的仿生态式鱼道模拟系统对鱼类在鱼道内游动状态进行模拟的方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种仿生态式鱼道模拟系统及方法，模拟系统包括鱼道本体；所述鱼道本体上依次设置有倾斜调整系统、供水系统、仿生鱼机器人、阻力模块和控制系统；采用模拟系统对鱼类在鱼道内游动状态进行模拟的方法包括步骤S1‑S8。本发明可以模拟出自然环境下的河水在鱼道内流动的水温和流速，可以更清晰模拟出鱼类在鱼道内洄游的效果，更加准确、合理的模拟出自然鱼道内的真实环境，为自然环境中江、河内鱼道建设提供重要的数据支撑，提高鱼类洄游过程中的通过率和生存率，使鱼道建设适应生态差异，保障水利工程上下游生态系统的连通性。

技术研发人员：李海英,黄真理,熊小琴,刘思妤
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5