鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法

1.本发明属于生态水利技术领域，特别涉及一种鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法。


背景技术：

2.水电开发破坏了河流之间的连通性，阻隔了鱼类的洄游通道，对鱼类生长、繁殖和原有生境都产生了重大的影响。为了恢复鱼类迁徙通道，保护河流生物多样性。人们通过修建过鱼设施（上行和下行）帮助鱼类顺利绕过障碍物。传统的鱼道设计依赖于“构建和测试范式”，从比选结构中进行选择。这种方法成本高、效率低。因此急需一种数值模拟的方法，用于鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟，在降低成本的同时，优化过鱼设施设计，降低鱼的死亡率，提高过鱼效率。


技术实现要素：

3.鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，能够更加准确和高效的模拟预测鱼道内鱼类的游泳行为。
4.为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：一种鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，步骤为：步骤s1：定义鱼道内鱼类游泳行为模式：在鱼道模型中进行放鱼实验，通过摄像机记录鱼道内的游泳行为；步骤s2：三维计算流体力学模型的开发和测试：通过三维数字模拟仿真获取鱼道的三维精细化流场并和实际的流场进行率定，获取和真实鱼道相一致的三维水力学流场，所述的三维水力学流场是基于欧拉视角的流场；步骤s3：鱼道内鱼类游泳行为模型开发和测试：定义模拟的鱼在模拟流场中的游泳行为模式，并将其和真实的鱼的游泳行为进行对比，不断调整虚拟鱼上溯角度范围、运动速度、水力值偏好以及行为类别等参数，直至调试到和真实鱼的运动轨迹类似。优选地，步骤s1中，放鱼试验过程为：步骤s1.1，将试验鱼放入适应区适应10-25 min；步骤s1.2，待适应结束后，开启适应区的闸门，并开启摄像头记录实验鱼在鱼道内的自主上溯行为；步骤s1.3，若实验鱼完全通过鱼道，记为该实验鱼上溯成功，即该条鱼的实验结束；步骤s1.4，若实验鱼在60min以内仍未上溯成功，则记该鱼上溯失败，换下一条实验鱼；步骤s1.5，在实验结束后，测量实验鱼的体长和体重数据，同时记录和提取鱼类在鱼道内的上溯行为, 所述的上溯行为包括持续游泳速度、临界游泳速度、爆发游泳速度以及真实运动轨迹。
5.优选地，摄像机的数量和安装要求为：在鱼道模型的正上方和侧方均布置多个摄像机，具备能够拍下鱼的全部运动视野，用以获取鱼的三维运动轨迹。
6.优选地，步骤s2中，三维计算流体力学模型的开发和测试过程是基于flow3d软件构建鱼道的三维水动力模型并获取鱼道内的流场数据，步骤如下：步骤s2.1，首先按照真实鱼道的尺寸构建三维模型；步骤s2.2，然后对模型进行网格划分；步骤s2.3，接着采用流速仪获取真实流场数据对模型进行网格无关性与模型定率验证；步骤s2.4，最后将率定后的流场数据导出为需要的格式供编程使用。
7.优选地，步骤s3中，鱼道内鱼类游泳行为模型开发和测试是基于多重水力学条件和边界效应的鱼道内鱼类游泳行为模型算法，该算法的过程为：步骤s3.1，首先生成鱼的初始位置，采用数字化方法模拟鱼在空间中是一个质点；步骤s3.2，然后通过for语句按行读取整个流场点数据（该数据是一个mxn的txt数据，其中m代表流场的网格点数，n代表鱼的属性，如坐标x、y、z以及流速等），获取鱼感受野周围半径为r的圆上（感受圆）的流场信息以及边界信息；步骤s3.3，按照设计的行为偏好规则（鱼会选择感受圆上水力因子值和偏好值的差最小的点作为上溯方向，且优选上溯方向的点；但是当水流速度超过鱼的游泳能力时候，选择顺流而下的行为；鱼遇到边界会进行转向行为）进行行为选择，该水力因子包括水流速度、湍动能等；通过感受获取流场环境后，鱼会选择一个游泳行为模式，然后在水流中按照一定的方向和速度进行移动；步骤s3.4，再接着更新鱼的位置，并对其进行边界判断；步骤s3.5，最后判断是否上溯成功或者到达截止时间。
8.优选地，游泳行为模式包括以下几种：1）逆着水流方向向鱼道上游移动；2）顺着水流方向朝着鱼道下游移动；3）保持在原地不动；4）在垂直方向上向下或者向上移动。
9.优选地，感受野为椭圆形状，其尺寸和鱼的体长相关，一般是1.0-2倍鱼的体长。
10.优选地，游泳行为模式选择是基于鱼的水动力条件以边界偏好进行的，模拟鱼会计算感受野范围内的流场及边界条件，然后选择最佳的方向和合适的速度进行移动，直到游出鱼道或者疲劳。
11.本发明可达到以下有益效果：1）本发明提出了一种鱼道内鱼类上溯行为模拟方法，解决了传统结构范式高成本低效率的鱼道设计建设方法；2）本发明顾及多重水力因子及边界效应，大大提高了鱼类行为模拟的准确性；3）本发明中的鱼的游泳速度可以根据流场的条件进行动态的条件，使得模拟游泳行为和实际更为一致；4）本发明可以模拟鱼的三维运动轨迹，模拟结果可以为鱼道设计和优化提供技术支撑。
附图说明
12.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明模拟方法整体流程图；图2为本发明放鱼实验鱼道装置示意图;图3为本发明鱼道三维数值模拟示意图；图4为本发明鱼感受野示意图；图5为本发明考虑多重水力学条件和边界效应的鱼道内鱼类游泳行为模型算法示意图；图6为本发明模拟鱼轨迹平面示意图。
13.图7为本发明鱼道内模拟三维轨迹示意图。
14.图8为本发明模拟鱼和真实鱼轨迹对比示意图。
15.图中：a
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水泵；b
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变频器；c
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转动轴；d
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管道末端连接部位；e
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水槽；f
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尾门。
具体实施方式
16.优选的方案如图1至图6所示，一种鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，步骤为：步骤s1：定义鱼道内鱼类游泳行为模式：在鱼道模型中进行放鱼实验，通过摄像机记录鱼道内的游泳行为；步骤s2：三维计算流体力学模型的开发和测试：通过三维数字模拟仿真获取鱼道的三维精细化流场并和实际的流场进行率定，获取和真实鱼道相一致的三维水力学流场，所述的三维水力学流场是基于欧拉视角的流场；步骤s3：鱼道内鱼类游泳行为模型开发和测试：定义模拟的鱼在模拟流场中的游泳行为模式，并将其和真实的鱼的游泳行为进行对比，不断调整虚拟鱼上溯角度范围、运动速度、水力值偏好以及行为类别等参数，直至调试到和真实鱼的运动轨迹类似；所述的模拟鱼是基于拉格朗日视角的鱼，是一个具鱼类行为的质点。
17.优选地，步骤s1中，鱼类游泳行为实验是：选择符合实验要求的鱼种和数量（例如：所述的鱼道模型为竖缝式鱼道，在竖缝式鱼道内进行鱼类游泳行为实验，鱼类为单尾目标实验鱼），在流动水槽中进行游泳行为实验，并记录包括鱼的体长、体重、持续游泳速度、临界游泳速度以及爆发游泳速度在内的指标，通过摄像机记录鱼的真实运动轨迹并进行轨迹提取。放鱼试验过程为：步骤s1.1，将试验鱼放入适应区适应10-25min；步骤s1.2，待适应结束后，开启适应区的闸门，并开启摄像头记录实验鱼在鱼道内的自主上溯行为；步骤s1.3，若实验鱼完全通过鱼道，记为该实验鱼上溯成功，即该条鱼的实验结束；步骤s1.4，若实验鱼在60min以内仍未上溯成功，则记该鱼上溯失败，换下一条实验鱼；步骤s1.5，在实验结束后，测量实验鱼的体长和体重数据，同时记录和提取鱼类在鱼道内的上溯行为, 上溯行为包括持续游泳速度、临界游泳速度、爆发游泳速度以及真实运动轨迹。
18.优选地，摄像机的数量和安装要求为：在鱼道模型的正上方和侧方均布置多个摄像机，具备能够拍下鱼的全部运动视野，用以获取鱼的三维运动轨迹。
19.优选地，步骤s2中，三维计算流体力学模型的开发和测试过程是基于flow3d软件构建鱼道的三维水动力模型并获取鱼道内的流场数据，步骤如下：步骤s2.1，首先按照真实鱼道的尺寸构建三维模型；步骤s2.2，然后对模型进行网格划分；步骤s2.3，接着采用流速仪获取真实流场数据对模型进行网格无关性与模型定率验证；步骤s2.4，最后将率定后的流场数据导出为需要的格式供编程使用。
20.优选地，步骤s3中，鱼道内鱼类游泳行为模型开发和测试是基于多重水力学条件和边界效应的鱼道内鱼类游泳行为模型算法，该算法的过程为：步骤s3.1，首先生成鱼的初始位置，采用数字化方法模拟鱼在空间中是一个质点；步骤s3.2，然后通过for语句按行读取整个流场点数据（该数据是一个mxn的txt数据，其中m代表流场的网格点数，n代表鱼的属性，如坐标x、y、z以及流速等），获取鱼感受野周围半径为r的圆上（感受圆）的流场信息以及墙壁边界信息（鱼距离前、左、右三个方向的距离）；步骤s3.3，按照设计的行为偏好规则（鱼会选择感受圆上水力因子值和偏好值的差最小的点作为上溯方向，且优选上溯方向的点；但是当水流速度超过鱼的游泳能力时候，选择顺流而下的行为；鱼遇到边界会进行转向行为）进行行为选择，该水力因子包括水流速度、湍动能等；通过感受获取流场环境后，鱼会选择一个游泳行为模式（如上溯或者顺流而下），然后在水流中按照一定的方向和速度进行移动。在选择游泳行为模式时候，由于算法顾及多重水力因子以及边界效应（鱼到墙壁的距离），因此可以更准确的模拟鱼类的游泳行为，获取更精准的鱼类运动轨迹步骤s3.4，再接着更新鱼的位置，并对其进行边界判断；步骤s3.5，最后判断是否上溯成功或者到达截止时间。
21.优选地，游泳行为模式包括以下几种：1）逆着水流方向向鱼道上游移动；2）顺着水流方向朝着鱼道下游移动；3）保持在原地不动；4）在垂直方向上向下或者向上移动。
22.优选地，感受野为椭圆形状，其尺寸和鱼的体长相关，一般是1.0-2倍鱼的体长。
23.优选地，游泳行为模式选择是基于鱼的水动力条件以边界偏好进行的，模拟鱼会计算感受野范围内的流场及边界条件，然后选择最佳的方向和合适的速度进行移动，直到游出鱼道或者疲劳。
24.实施例1：在本实施例中，本发明所提出鱼道及放鱼实验示意图如图2，正式放鱼实验开始前，将单尾目标实验鱼放入适应区适应20min，待适应结束后，提升适应区前的筛网的同时开启两个方向的摄像头，开始记录实验鱼在鱼道内的自主上溯行为。如果实验鱼完全通过鱼道，记为该实验鱼上溯成功，即该条鱼的实验结束；若实验鱼在实验时间1小时 内仍未上
溯成功，则记该鱼上溯失败，换下一条实验鱼。在实验结束测量实验鱼的体长和体重数据。同时为记录和提取鱼类在鱼道内的上溯行为，如游泳速度以及运动轨迹等。
25.在本实施例中的整体框架如图2所示。
26.三维计算流体力学模型的开发和测试是基于flow3d软件构建鱼道的三维水动力模型并获取鱼道内的流场数据，首先按照真实鱼道的尺寸构建三维模型，然后对模型进行网格划分，接着采用流速仪获取真实流场数据对模型进行网格无关性与模型定率验证，最后将率定后的流场数据导出为需要的格式供编程使用。
27.如图3所示，在本实施例中，鱼道内鱼类游泳行为模型开发和测试是基于本发明所提出的考虑多重水力学条件和边界效应的鱼道内鱼类游泳行为模型算法，如图4所示。算法具体过程如下，首先生成鱼的初始位置，然后遍历整个流场点数据，获取鱼感受野（图4）周围6个点的流场信息以及边界信息（鱼的前左右三侧的墙距），按照设计的行为偏好规则进行行为选择，选择行为按照一定的速度和方向进行移动，再接着更新鱼的位置，并对其进行边界判断，最后判断是否上溯成功或者到达截止时间。
28.基于该算法可以获取模拟鱼在三维模拟鱼道中的游泳路径，然后将该路径和真实鱼道的真实鱼类的游泳路径进行叠加分析（图6），对算法进行改进，直至具有较高的模拟准确率。
29.最后将该模型应用到鱼道设计或者真实鱼道优化中，基于上溯轨迹和上溯成功率数据来指导鱼道设计和优化。
30.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，其特征在于：、步骤s1：定义鱼道内鱼类游泳行为模式：在鱼道模型中进行放鱼实验，通过摄像机记录鱼道内的游泳行为；步骤s2：三维计算流体力学模型的开发和测试：通过三维数字模拟仿真获取鱼道的三维精细化流场并和实际的流场进行率定，获取和真实鱼道相一致的三维水力学流场，所述的三维水力学流场是基于欧拉视角的流场；步骤s3：鱼道内鱼类游泳行为模型开发和测试：定义模拟的鱼在模拟流场中的游泳行为模式，并将其和真实的鱼的游泳行为进行对比，不断调整包括虚拟鱼上溯角度范围、运动速度、水力值偏好以及行为类别在内的参数，直至调试到和真实鱼的运动轨迹类似。2.根据权利要求1所述的鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，其特征在于：步骤s1中，放鱼试验过程为：步骤s1.1，将试验鱼放入适应区适应10-25min；步骤s1.2，待适应结束后，开启适应区的闸门，并开启摄像头记录实验鱼在鱼道内的自主上溯行为；步骤s1.3，若实验鱼完全通过鱼道，记为该实验鱼上溯成功，即该条鱼的实验结束；步骤s1.4，若实验鱼在60min以内仍未上溯成功，则记该鱼上溯失败，换下一条实验鱼；步骤s1.5，在实验结束后，测量实验鱼的体长和体重数据，同时记录和提取鱼类在鱼道内的上溯行为, 所述的上溯行为包括持续游泳速度、临界游泳速度、爆发游泳速度以及真实运动轨迹。3.根据权利要求2所述的鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，其特征在于：摄像机的数量和安装要求为：在鱼道模型的正上方和侧方均布置多个摄像机，具备能够拍下鱼的全部运动视野，用以获取鱼的三维运动轨迹。4.根据权利要求1所述的鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，其特征在于：步骤s2中，三维计算流体力学模型的开发和测试过程是基于flow3d软件构建鱼道的三维水动力模型并获取鱼道内的流场数据，步骤如下：步骤s2.1，首先按照真实鱼道的尺寸构建三维模型；步骤s2.2，然后对模型进行网格划分；步骤s2.3，接着采用流速仪获取真实流场数据对模型进行网格无关性与模型定率验证；步骤s2.4，最后将率定后的流场数据导出为需要的格式供编程使用。5.根据权利要求1所述的鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，其特征在于：步骤s3中，鱼道内鱼类游泳行为模型开发和测试是基于多重水力学条件和边界效应的鱼道内鱼类游泳行为模型算法，该算法的过程为：步骤s3.1，首先生成鱼的初始位置，采用数字化方法模拟鱼在空间中是一个质点；步骤s3.2，然后通过for语句按行读取整个流场点数据，获取鱼感受野周围半径为r的圆上的流场信息以及边界信息，半径为r的圆即为感受圆；步骤s3.3，按照设计的行为偏好规则进行行为选择，该水力因子包括水流速度、湍动能等；通过感受获取流场环境后，鱼会选择一个游泳行为模式，然后在水流中按照一定的方向和速度进行移动；所述的行为偏好规则为：鱼会选择感受圆上水力因子值和偏好值的差最
小的点作为上溯方向，且优选上溯方向的点；但是当水流速度超过鱼的游泳能力时候，选择顺流而下的行为；步骤s3.4，再接着更新鱼的位置，并对其进行边界判断；步骤s3.5，最后判断是否上溯成功或者到达截止时间。6.根据权利要求1所述的鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，其特征在于：游泳行为模式包括以下几种：1）逆着水流方向向鱼道上游移动；2）顺着水流方向朝着鱼道下游移动；3）保持在原地不动；4）在垂直方向上向下或者向上移动。7.根据权利要求6所述的鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，其特征在于：感受野为椭圆形状，其尺寸和鱼的体长相关。8.根据权利要求7所述的鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，其特征在于：游泳行为模式选择是基于鱼的水动力条件以边界偏好进行的，模拟鱼会计算感受野范围内的流场及边界条件，然后选择最佳的方向和合适的速度进行移动，直到游出鱼道或者疲劳。

技术总结
一种鱼道内鱼类上溯游泳行为模拟方法，步骤为：步骤S1：定义鱼道内鱼类游泳行为模式：在鱼道模型中进行放鱼实验，通过摄像机记录鱼道内的游泳行为；步骤S2：三维计算流体力学模型的开发和测试：通过三维数字模拟仿真获取鱼道的三维精细化流场并和实际的流场进行率定，获取和真实鱼道相一致的三维水力学流场，所述的三维水力学流场是基于欧拉视角的流场；步骤S3：鱼道内鱼类游泳行为模型开发和测试：定义模拟的鱼在模拟流场中的游泳行为模式，并将其和真实的鱼的游泳行为进行对比，不断调整相关参数，直至调试到具有较高的正确率，能够更加准确和高效的模拟预测鱼道内鱼类的游泳行为。准确和高效的模拟预测鱼道内鱼类的游泳行为。准确和高效的模拟预测鱼道内鱼类的游泳行为。


技术研发人员：石小涛 陈小龙 谭均军 白艳勤 罗佳 王渊洋 舒蒋鹏 王永猛 蒋永强
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/25