【技术实现步骤摘要】
：本专利技术属于水生态保护，具体涉及一种多态仿自然鱼道系统及其设计运行方法。
技术介绍
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技术介绍
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1、水电工程建设引发的河流生态困局正引起普遍关注，由此带来的河流连通性下降、河流生境破碎化等问题对全球范围内淡水鱼类的生存与繁衍构成了重大挑战。在生态文明建设的大背景下，我国各大流域几年内陆续规划、建成、完善了一系列鱼类救护措施。
2、由于过鱼目标种类较多，各种鱼的形态、生理基础和行为特征不同，游泳能力和上溯行为存在种间差异，导致同一鱼道中各种鱼类上溯效果不一。在鱼道中可能形成对大个体鱼类上溯水流刺激不够，而对小个体鱼类上溯形成流速障碍的情况，进而导致同一种类不同大小个体上溯效果不同。因此，目前的过鱼设施运行效果远未达到预期。相较于传统技术型鱼道，仿自然鱼道通过还原天然水流状态，具有更广的鱼类适用性和更高的过鱼效率。如何利用好仿自然鱼道这一优势，在鱼道内部营造满足多种鱼类上溯，满足不同种类或同一种类不同大小、不同行为特征鱼类的上溯，即多目标过鱼，依旧是近期生态水力学研究的热点与难点，相关专利技术成果有望细化仿自然鱼道的水力设计标准。
技术实现思路
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技术实现思路
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1、专利技术目的，本专利技术旨在解决现有技术中存在的不足，提供一种多态仿自然鱼道系统及其运行方法，能针对不同的水流流态，不同类型的目标鱼类种群，精细追踪鱼类上溯过程中偏好的上溯轨迹和休息区域，通过调节多态流场塑造模块，营造满足多种鱼类上溯的喜好流场，促进鱼道内过鱼效率，更好地保护流
2、技术方案，解决上述技术问题，本专利技术提出一种多态仿自然鱼道系统，该系统包括多态流场塑造模块(1)、鱼群追踪模块(2)、过鱼评估模块(3)、控制模块(4)；
3、多态流场塑造模块(1)由多个子流场塑造模块(11)组成，通过铺设组合多个子流场塑造模块(11)，用以还原水流状态，并构造满足多种鱼类上溯需求的流场；
4、所述鱼群追踪模块(2)由多个复合摄像头(21)组成，包含主摄像头(211)和辅摄像头(212)，并且，主摄像头(211)和辅摄像头(212)的光心均垂直于多态流场塑造模块(1)平面，用于拍摄追踪鱼群上溯过程中的运动轨迹；
5、所述过鱼评估模块(3)用于识别出目标鱼类的运动轨迹和休息区域，包括3d轨迹生成单元(31)，鱼类运动学计算单元(32)、机器学习训练单元(33)、流场监测单元(34)；
6、所述控制模块(4)根据过鱼评估模块(3)的结果，调整多态流场塑造模块(1)以满足不同鱼类上溯的共性和水力学需求。
7、进一步的，所述子流场塑造模块(11)由立柱结构(111)、滚珠装置(112)、底座(113)、齿墙结构(114)组成，所述立柱结构(111)通过滚珠装置(112)与底座链接，所述立柱结构(111)可通过滚珠装置(112)在底座上移动以实现不同位置的布设需求，所述底座(113)通过齿墙结构(114)与河床底部固定。
8、进一步的，该方法包括如下步骤：
9、s1，根据目标鱼群的体长、生长状态、侧线感知区域范围将每一个子流场塑造模块划分为多个网格单元，其中，子流场塑造模块的划分是基于三维直角坐标系，划分后的各个网格单元记为c(i，j，k)，其中，每个网格单元的纵向、横向、垂向长度dx，dy，dz，具体用以下公式计算得到：
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13、式中，δ1，δ2，δ3分别为三个方向上的体长修正系数，rx，ry，rz分别为三个方向上侧线感知区域的范围大小，bh为目标鱼群的平均体长，lt分别为目标鱼群的平均生长周期；
14、s2，在每次目标鱼群上溯过程中，鱼群追踪模块(2)根据复合摄像头(21)中主摄像头(211)和辅摄像头(212)记录的目标鱼群上溯视频，并逐帧标记视频中鱼类质心位置，建立鱼类二维坐标数据阵列dateset-1和dateset-2；根据二维坐标数据阵列dateset-1和dateset-2，3d轨迹计算单元(31)建立鱼类三维坐标数据阵dateset-3；
15、s3，通过鱼类三维坐标数据阵dateset-3，鱼类运动学计算单元(32)计算每个δt时刻内的鱼类的游泳距离δs，相对移动距离d，瞬时游泳速度v，瞬时游泳加速度a计算，计算鱼类在每个网格单元的持续时间tl，根据持续时间tl与阈值时间tv对比判断；
16、如果tl>tv，则判定该网格单元为休息区域网格单元cellr；
17、如果tl<tv，则判定该网格单元为运动区域网格单元cells；
18、s4，根据s3中判定的休息区域网格单元cellr和运动区域网格单元cells，以此构建整个多态流场塑造模块内的鱼类运动轨迹和鱼类休息区域的范围；
19、s5，根据每次目标鱼类以及目标鱼类运动轨迹和鱼类休息区域构建数据库，以目标鱼的类别为输入，以鱼类运动轨迹和鱼类休息区域为输出，机器学习训练单元(33)对神经网络进行训练，获得能够根据鱼的类别识别出鱼类运动轨迹和鱼类休息区域的神经网络模型；
20、s6，将目标鱼类输入到步骤s5中训练好的神经网络模型中得到目标鱼类的鱼类运动轨迹和鱼类休息区域，根据目标鱼类上溯的运动轨迹和休息区域，控制模块(4)联合流场监测单元(34)调节滚珠装置移动立柱保证每一个流场塑造模块满足目标鱼类的流速需求。
21、进一步的，所述需求包括在鱼类运动轨迹处流场的速度不超出目标鱼类的最大游泳速度，休息区域流场的速度不超出目标鱼类的静息游泳速度。
22、进一步的，每个子流场塑造模块划分后的网格单元总数由以下计算公式得到：
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24、式中，∑c(i,j,k)为每个子流场划分后网格单元总数量，i，j，k分别为网格单元沿纵向、横向、垂向序列数，a，b，c分别为沿纵向、横向、垂向网格可划分数，dx，dy，dz分别为子流场塑造模块的三向尺寸。
25、进一步的，步骤s2中，3d轨迹计算单元将二维坐标数据阵列转换为鱼类三维坐标数据阵列，包括以下步骤：
26、s21，对复合摄像头(21)中主摄像头(211)和辅摄像头(212)的参数进行相机标定，相关参数包括相机的焦距、主点偏移、畸变系数以及旋转矩阵和平移向量；
27、s22，建立主、辅摄像头坐标与dateset-1和dateset-2鱼类质心坐标的特征关联，利用相机旋转矩阵和平移向量参数将dateset-1和dateset-2的鱼类二维质心坐标转换为相应的质心世界坐标；
28、s23，使用转换后的质心世界坐标与主、辅摄像头坐标进行三角测量以得到相对于水槽空间的鱼类三维坐标数据阵dateset-3。
29、进一步的，步骤s3中，所述游泳距离δs，相对移动距离d，瞬时游泳速度v，瞬时游泳加速度a计算分别由以下公式计算：
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【技术保护点】
1.一种多态仿自然鱼道系统，其特征在于，该系统包括多态流场塑造模块(1)、鱼群追踪模块(2)、过鱼评估模块(3)、控制模块(4)；
2.根据权利要求1所述的一种多态仿自然鱼道系统，其特征在于，所述子流场塑造模块(11)由立柱结构(111)、滚珠装置(112)、底座(113)、齿墙结构(114)组成，所述立柱结构(111)通过滚珠装置(112)与底座链接，所述立柱结构(111)可通过滚珠装置(112)在底座上移动以实现不同位置的布设需求，所述底座(113)通过齿墙结构(114)与河床底部固定。
3.根据权利要求1或2所述的一种多态仿自然鱼道系统实现的多态仿自然鱼道的运行方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的多态仿自然鱼道的运行方法，其特征在于，所述需求包括：在鱼类运动轨迹处流场的速度不超出目标鱼类的最大游泳速度，休息区域流场的速度不超出目标鱼类的静息游泳速度。
5.根据权利要求3或4所述的多态仿自然鱼道的运行方法，其特征在于，每个子流场塑造模块划分后的网格单元总数由以下计算公式得到：
6.根据权利
7.根据权利要求3或4所述的多态仿自然鱼道的运行方法，其特征在于，步骤S3中，所述游泳距离ΔS，相对移动距离D，瞬时游泳速度V，瞬时游泳加速度a计算分别由以下公式计算：
...【技术特征摘要】
1.一种多态仿自然鱼道系统，其特征在于，该系统包括多态流场塑造模块(1)、鱼群追踪模块(2)、过鱼评估模块(3)、控制模块(4)；
2.根据权利要求1所述的一种多态仿自然鱼道系统，其特征在于，所述子流场塑造模块(11)由立柱结构(111)、滚珠装置(112)、底座(113)、齿墙结构(114)组成，所述立柱结构(111)通过滚珠装置(112)与底座链接，所述立柱结构(111)可通过滚珠装置(112)在底座上移动以实现不同位置的布设需求，所述底座(113)通过齿墙结构(114)与河床底部固定。
3.根据权利要求1或2所述的一种多态仿自然鱼道系统实现的多态仿自然鱼道的运行方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
4.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：戴杰，龚轶青，韩成银，华学坤，董兆华，盛维高，钱存斌，仲子夜，许锋，高欢，杨吉，梁豪杰，孟小敏，姚旺，万景红，郭赞赞，戴启璠，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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