基于关键点检测的鱼类游动轨迹提取

针对现有的鱼类游动轨迹提取方法不能兼顾轨迹提取效率和准确率的局限性,提出了一种基于鱼类关键点识别与定位的鱼类游动轨迹提取方法。该方法在RetinaFace算法的基础上,通过改进网络结构和损失函数、优化锚框的尺寸设计、编解码鱼类关键点(头部点和形心点)、为鱼类目标的关键点添加额外的标注并制作成鱼类关键点数据集等改进策略,构建了基于关键点识别的鱼类轨迹提取模型。研究结果表明,本研究方法对鱼体关键点识别的精度很高,准确率、召回率、平均精度均值3项精度评价指标分别为97.12%、95.72%、96.42%;所提取的轨迹坐标平均相对偏差为MRE x(0.065%,0.092%)、MRE y(0.112%,0.011%),与鱼类的实际游动轨迹基本吻合;鱼类目标关键点的识别速度可达32帧/s,能够满足实时提取鱼类轨迹的需求。

不同电学参数和水流条件下电栅对鲤(Cyprinus carpio)的阻拦效果

脉冲直流电导阻鱼技术已被广泛应用于阻止入侵物种扩散、驱赶鱼类远离危险区域并将其引导至有利区域,如鱼道。但是脉冲直流电的有效性受多方面因素的影响,其主导因素目前尚未定论。以鲤为研究对象,在静水条件下采用4因素3水平正交实验方法分析了脉冲电压、脉冲宽度、脉冲频率和电极摆放方式的电栅拦鱼效果及其对鱼类受伤尾数的主次影响,然后选择最优组合开展不同流速下(0,0.3,0.5 m/s)的驱鱼实验,分析流速对拦鱼效果的影响。结果表明:在静水工况下,影响拦鱼电栅效率的主要因素为电极布置方式>脉冲宽度>脉冲频率>脉冲电压,电极布置为方式1(垂直水流间距80 cm)、脉冲电压140 V、脉冲频率10 Hz、脉冲宽度10 ms是拦鱼效果最佳的组合。电学参数对鲤的伤害无显著性,平均受伤尾数不超过实验鱼总数的15%。流水条件下,三种流速工况下拦鱼电栅的阻拦率无显著差异,但是随着流速的增高阻拦率呈现先降低后增加的趋势。该研究将为保护鱼类资源和防止入侵鱼类跨区域传播提供依据。

竖缝式鱼道180°转弯段隔板布置与水力特性

受枢纽布置与地形条件限制,很多鱼道工程都需要设置180°转弯段。前人研究发现180°转弯段容易出现较大的回流区并影响上溯效率,为改善转弯段水流结构,目前常用的做法是沿转弯段边墙增设垂向导板。与以往研究不同,本研究提出了一种在转弯段内增设顺水流方向导鱼隔板的布置方案。采用数值模拟对转弯段水流流场进行计算研究,结果表明隔板布置可以使主流区基本居中,回流区减小,回流区长宽比增加,转弯段内形成不同流速量值的流区,是一种可供借鉴的优化布置方式。

噪声对鱼类影响研究现状与展望

噪声会对鱼类行为和生理造成各种负面影响,研究噪声的影响在鱼类资源保护中具有重要意义。总结了噪声对鱼类听力、信息掩蔽、生理和行为等方面影响的研究现状,指出了目前的研究在实验声场场景、声波粒子运动、实验设置形式和试验周期监测等方面存在的不足,并针对当前的研究缺陷,提出了模拟真实声场场景、探测声波粒子运动对鱼类的影响、开展多样化形式的噪声暴露实验并进行周期性监测等建议,为噪声对鱼类影响的进一步研究提供思路。

基于感性工学的驾舱座椅CMF研究及中式元素设计应用

目的结合感性工学相关理论,借助眼动仪开展设计研究,实现中式驾舱座椅CMF设计优化,并为今后的相关设计实践提供借鉴依据。方法提取所研究产品的意象信息与相应的CMF设计样本,建立汽车座椅CMF设计实践过程中的感性工学评价模型,通过明确感性意象与选定样本之间的映射关系进行方案设计;结合眼动追踪技术实验进行汽车座椅CMF方案评价,获得中式汽车座椅CMF设计方案。结果将感性工学理论运用到汽车座椅的CMF设计实践中,有利于优化调整座椅CMF的设计思路;通过眼动试验能够对基于用户感性需求座椅CMF设计方案进行评价优选。结论在进行汽车驾舱的座椅CMF设计时,不仅需要从产品本身出发来考虑其设计要素、实用性与合理性,还要从用户的角度入手,从感性层面对用户进行分析研究,结合感性工学原理构建的设计流程与方法,将CMF设计实践过程中的颜色遴选、材质、表面处理等环节进行合理化调整,有利于CMF设计方案的优化。

组合隔板式鱼道水力特性数值模拟研究

鱼道是为鱼类提供洄游通道的一种重要的工程措施。基于Flow-3D采用标准RNG k-ε紊流模型和Tru-VOF追踪自由液面方法,对鱼道池室内流场进行三维紊流数值模拟,研究池室内水流流速、流态空间分布,分析鱼道的水力特性对目标鱼类洄游上溯的影响。结果表明:溢流堰与竖缝组合隔板式鱼道在设计流速v=0.75 m/s条件下,竖缝处平均流速为0.83 m/s,竖缝处流速分布范围为0.76~0.89 m/s;堰上流速为0.90~1.12 m/s,回流区流速分布范围为0.09~0.25 m/s,流速大小在鱼类的克流能力范围之内,但靠竖缝隔板处存在明显的主流贴壁现象。为此开展了池室优化方案设计,使鱼道池室流态满足鱼类上溯要求。

射频识别技术(RFID)在鱼道监测中的应用

过鱼效果的监测评价及相应技术优化是鱼道成功运行的保证。通过对比射频识别技术与其他水生生物监测技术之间的优缺点,从鱼类生理伤害度、监测精度、标签遗失率以及适用鱼类个体尺寸范围和监测成本等方面,阐述了射频识别技术在鱼道监测工作中的优越性。结合射频识别技术在鱼道内部通过效果、鱼道进口吸引效果和鱼道河流连通性修复方面的应用,概括了射频识别技术应用现状及其所包含的关键技术,加强射频识别技术的研究对鱼道监测、评价、优化具有重大意义。

静水与流水下气泡幕对异齿裂腹鱼的阻拦效应

为了探究不同水流条件下不同形式的气泡幕对异齿裂腹鱼(Schizothorax oconnori)趋避行为的影响。在黑暗环境下测试了两种流速条件(静水与流水)、三种气量(15、30、45 L/min)及两种摆放角度(与水流方向呈90°和45°)的气泡幕对异齿裂腹鱼的阻拦效果,在静水和流水条件下各设置一组空白对照(气量为0 L/min)。结果显示:(1)在静水条件下,工况2阻拦率最高(50%);在流水条件下,工况7阻拦率最高(50%)。(2)气量15 L/min时,流水及90°摆放阻拦时间显著大于其他工况;30 L/min时,静水及90°摆放阻拦时间远大于其他工况。(3)在静水和流水中,当异齿裂腹鱼尝试次数达到6次左右时对气泡幕表现出适应性,并在48min前通过气泡幕;(4)在流水中各工况下气泡幕的影响距离显著大于静水(P<0.05),即异齿裂腹鱼产生逃逸行为时距离气管的距离显著大于静水中。研究可得出结论:推荐阻拦效果最佳的组合方式为流水条件下15 L/min 90°摆放(工况7)、静水条件下30 L/min 90°摆放(工况2);气泡幕连续阻拦时间不宜超过48min。实验结果可为实际工程中气泡幕的布置提供参考。

基于视频跟踪的竖缝式鱼道内鱼类运动行为分析

竖缝式鱼道过鱼对象运动行为与鱼道池室内水力条件是否相适应是进行鱼道设计的关键。研究通过视频跟踪法对竖缝式鱼道中目标鱼的运动轨迹进行实时跟踪,获取鱼的运动加速度、运动速度,并和人工手动跟踪的鱼类运动轨迹进行对比,证明基于视频跟踪法的鱼类运动分析程序既能较好的应用于竖缝式鱼道中,获取鱼类运动行为,又可减少大量的人工操作,有助于为竖缝式鱼道设计提供重要基础数据。

基于简易PIV的圆柱绕流压力场重构

采用简易粒子成像测速仪(PIV)装置测量入口流速为14.3cm/s时圆柱绕流的速度场,运用有限容积法和直接积分法重构压力场。对比Fluent模拟速度场结果,分析简易PIV的速度场测量误差;对比Fluent模拟压力场结果,分析基于Fluent模拟速度场以及PIV实测速度场的不同算法重构压力场误差。结果表明:在简易PIV系统中,摄像机采用适合的空间分辨率与时间分辨率能有效减小速度场测量误差。基于Fluent模拟速度场数据,当给定第一边界条件时,有限容积法的压力场重构误差小于直接积分法,均方根误差分别为1.73%,8.99%;基于PIV实测速度场,有限容积法的压力场重构误差大于直接积分法,均方根误差分别为26.58%,12.72%;降低速度场误差与获取准确的边界条件均能有效提高压力场重构精度。通过采用低成本的PIV装置,探究获取流体的瞬态压力场重构方法,降低了PIV中重构压力场的成本。

鳙幼鱼4种典型游泳状态特性研究

研究鳙(Hypophthalmichthys nobilis)游泳行为特性与水流流速变化的响应关系,补充四大家鱼游泳特性指标,为四大家鱼资源保护、鱼类洄游通道建设提供参考依据。试验水温(23±0.5)℃,鳙幼鱼体长5.0~9.0 cm、体重2.5~11.5 g,游泳水槽300 mm×5 mm×75 mm,体积5 L。结果表明该体长范围鳙幼鱼的平均临界游泳速度为(0.468±0.161)m/s,平均突进游泳速度为(0.672±0.154)m/s,且绝对临界游泳速度和绝对突进游泳速度均随体长的增加而线性增加,相对突进游泳速度随体长的增加而线性减小;绝对突进游泳速度与绝对临界游泳速度存在如下关系:Uburst=1.922Ucrit+56.726;鱼类游泳行为随水流流速变化存在4种游泳状态(顶流前进、顶流后退、顶流静止、顺流而下)相互穿插现象。以鳙幼鱼为过鱼对象的鱼道池室主流流速为16.0~46.5 cm/s,鱼道高流速区的竖缝、孔口等最佳流速为46.5~85.4 cm/s。

利用域排列算法设计铌酸锂晶体实现3μm中红外波段频域纯态单光子源

中红外波段的单光子源对于下一代量子传感、量子通信和量子成像的研究非常重要.目前常用的产生中红外单光子源的方法是基于周期极化铌酸锂(periodically poled lithium niobate,PPLN)自发参量下转换过程.但是,基于普通PPLN制备的单光子源频域纯度不高,最高值只有0.82左右,会影响量子信息处理方案的保真度.本文利用域设计理论对30 mm长铌酸锂晶体的4000个域进行了定制化排列,消除了相位匹配函数中的旁瓣,获得了高斯型的分布.计算得到的单光子源的频域纯度可达0.99,可调谐范围为2.7—3.3μm.该定制极化铌酸锂(customized poled lithium niobate,CPLN)有望为中红外波段量子信息研究提供性能优异的单光子光源.

基于鱼类游泳能力的鱼道设计流速解析

短须裂腹鱼(Schizothorax wangchiachii)是黑水河流域重要的保护鱼类,为了使过鱼设施取得最佳过鱼效果,鱼类有更好的上溯路径,需要针对性探究过鱼对象的游泳能力指标;基于鱼道的水力学特性,对短须裂腹鱼感应流速、临界游泳速度、爆发游泳速度以及游泳耐力进行研究。结果表明,短须裂腹鱼的感应流速为(0.09±0.03)m/s,相对感应流速为(0.39±0.15)BL/s,流速0.04-0.14 m/s,趋流率(F)随流速(V)增大而显著增大,F=0.7576 lnV+2.485(R^(2)=0.97,P<0.01);临界游泳速度(U_(crit))为(1.41±0.18)m/s,相对临界游泳速度(U'_(crit))为(6.27±1.14)BL/s;递增流速法测得的爆发游泳速度(U_(crit))为(1.83±0.23)m/s,相对爆发游泳速度(U'_(burst))为(7.95±1.04)BL/s;固定流速法测得爆发游泳速度为1.8 m/s,持续游泳速度为1.2 m/s,在1.2-1.8 m/s耐久游速区间,持续游泳时间(T)随水流速度(V)增大而减小,lgT=-4.5015V+9.468(R^(2)=0.69,P<0.01)。结合鱼道水力学特性,推荐鱼道最小流速为0.20 m/s,高速区流速小于1.44 m/s,鱼道进口部分流速为1.20-1.44 m/s,休息池段流速为0.20-1.16 m/s。

摄食声对草鱼幼鱼的诱集作用

以草鱼(Ctenopharyngodon idellus)幼鱼为实验对象,进行了声音播放实验,旨在探究草鱼幼鱼对水下录制的草鱼摄食浮萍声音(简称摄食声)的行为反应。以不播放声音的草鱼鱼群作为对照,探讨了4种单频音(500、1000、2000和3000 Hz)和摄食声对草鱼游泳行为和在水槽内的分布的影响。结果表明:在播放单频音时,3min内草鱼的趋音游泳速度和逗留时间与对照组无显著性差异(P>0.05);在播放摄食声时,3min内草鱼的趋音游泳速度和逗留时间显著高于4种单频音组和对照组(P<0.05);在播放单频音时,20min内草鱼的平均游泳速度、水槽内的分布和趋音率与对照组无显著性差异(P>0.05);在播放摄食声时,20min内草鱼的平均游泳速度和趋音率都显著高于4种单频音组和对照组(P<0.05)。草鱼摄食声对草鱼幼鱼有诱集作用,为声音诱鱼技术研究提供了科学依据。

全双工射频识别技术的过鱼效果监测与分析

全双工射频识别系统(RFID)相较于半双工具有操作简便、数据传输方便等优势,国外广泛应用于鱼道过鱼效果评价。针对而国内相关研究较少的现状,以植有PIT标签的仿野生齐口裂腹鱼(Schizothorax prenanti)识别与否作为评判系统监测效率高低的依据,定量分析鱼体入射角度、鱼体入射范围、鱼体长大小和游泳速度对全双工射频识别系统监测效率的影响,以接收到监测数据作为因变量,构建Logistic回归模型,利用AIC模型准则筛选出最优的Logistic回归模型。结果表明,游泳速度(P=0.001)和鱼体长大小(P=0.03)与系统成功监测概率呈负相关。鱼体入射角度(0°~90°)对系统监测效率的影响不显著(P>0.05);鱼体入射范围0~10 cm的监测效率显著高于入射20~30 cm和30~40 cm(P<0.05)。为进一步提高鱼道监测效率,建议在开展实际鱼道工程监测前,应掌握鱼类基础参数(如体长)和行为(如游泳速度)数据,合理布置天线位置,将有助于为监测评估后的鱼道优化设计提供技术支撑和数据参考。

大渡河软刺裸裂尻鱼(Schizopygopsis malacanthus)游泳能力研究

探究大渡河软刺裸裂尻鱼的游泳能力,为大渡河软刺裸裂尻鱼的人工繁殖、保护以及大渡河过鱼设施建设提供参考和基础数据支持。采用递增流速法,用自制Brett-type水槽对大渡河软刺裸裂尻鱼的感应流速、临界游泳速度、突进游泳速度进行测试。结果表明,在水温范围为11.9~14.1℃条件下,体长为15.0~21.5 cm,体重为34.8~152.9 g的大渡河软刺裸裂尻鱼的绝对感应流速为0.084~0.095 m/s,相对感应流速为0.321~0.588 BL/s,相对感应游泳速度随体长增大而减小;绝对临界游泳速度(U_(crit))为0.61~1.31 m/s,相对临界游泳速度为4.16~5.08 BL/s,两者均随体长增大而增大;绝对突进游泳速度(U_(burst))为1.02~1.40 m/s,与体长关系并不显著(P>0.05),相对突进游泳速度为5.73~8.36 BL/s,随体长增加而减小。视频回放发现,实验鱼突进游泳速度测试过程分为3个阶段:第1阶段游速为0~0.4 m/s,占突进速度0~29%;第2阶段游速为0.40~0.84 m/s,占突进速度29%~60%;第3阶段游速为0.84~1.40 m/s,占突进速度60%~100%。各阶段的静止不动、平稳摆动、突进-滑行3种游泳状态所占比例有显著不同。

草鱼幼鱼周身压力与曲率相关性数值模 拟研究

为研究草鱼幼鱼稳定游泳状态下的周身流体压力与鱼体曲率的相关性,采用PIV(Particle Image Velocimetry )实测和数值模拟相结合的方式对草鱼幼鱼周身流体压力和鱼体曲率进行量化分析。结果表明,鱼体振幅曲线的三次拟合相比于传统的二次拟合曲线得到的 幼鱼周身流体压力与PIV的实测结果吻合度更高,在幼鱼的中部和尾部,鱼体的中线曲率与体表曲率呈现较为明显的线性关系( P <0.05),且前半个运动周 期内的幼鱼周身流体压力与鱼体体表和中线的曲率均呈现线性关系( P <0.05),鱼体中间部位中线曲率的变化要滞后于周身流体压力,而幼鱼尾部和头部 的中线曲率则分别与鱼体上下侧流体压力的变化趋势基本一致。

鳙幼鱼下行过坝的水力导鱼栅实验

分析不同叶片角和布置角下导鱼栅的导鱼效果,获取最优的导鱼栅布置方式,为下行过鱼设施设计提供理论依据及参考。以鳙(Aristichthys nobilis)幼鱼为研究对象,通过设置导鱼栅布置角度(15°、30°、45°)和叶片角度(15°、30°、45°、90°),在室内开展模型实验,分析鳙从导鱼旁路下行(引导成功)和从导鱼栅叶片间隙下行(引导失败)的通过率,确定最优运行工况。结果表明:在所有工况下,实验鱼均出现了顶流现象,但顶流率均小于50%;导鱼栅布置角和叶片角同为30°时,辅助鱼类下行的成功率最高,达95%;其他工况下,成功率均低于75%。导鱼栅附近的水力条件表明,流速沿着导鱼栅方向呈现波浪线上升,紊动能分布总体呈现先上升后下降的趋势,紊动能范围为0~0.0032 m^(2)/s^(2)。

仿生鱼自主游动的水动力学模拟及其影响因素分析

文中针对金枪鱼的结构和自主游动行为建立了鱼体的简化模型和鱼体摆动的计算模型,采用CFD软件并结合动网格技术开发了控制鱼体摆动的UDF程序,对鱼类自主游动行为进行了仿真模拟,研究了鱼类自主游动的机理、水流速度以及粘性对鱼游动行为的影响。通过模拟计算发现,水流速度对于鱼的游动有比较大的影响,而粘性对鱼的自主游动影响不是特别明显。研究结果可为仿生水下推进器的概念设计和性能优化提供重要的参考。

Numerical Study on Characteristics of Supercavitating Flow Around the Variable-Lateral-Force Cavitator

A control scheme named the variable-lateral-force cavitator, which is focused on the control of lift force, drag force and lateral forces for underwater supercavity vehicles was proposed, and the supercavitating flow around the cavitator was investigated numerically using the mixture multiphase flow model. It is verified that the forces of pitching, yawing, drag and lift, as well as the supercavity size of the underwater vehicle can be effectively regulated through the movements of the control element of the variable-lateral-force cavitator in the radial and circumferential directions. In addition, if the control element on either side protrudes to a height of 5% of the diameter of the front cavitator, an amount of forces of pitching and yawing equivalent to 30% of the drag force will be produced, and the supercavity section appears concave inwards simultaneously. It is also found that both the drag force and lift force of the variable-lateral-force cavitator decline as the angle of attack increases.