Повышение эффективности обнаружения и определения координат крабовых скоплений на основе использования гидроакустических средств шумопеленгования

Объектом исследования является поиск путей повышения эффективности обнаружения и определения координат скоплений камчатского краба, являющегося одним из наиболее ценных объектов промысла и составляющего важную статью экспорта России.

Известно, что 90% вылова и переработки крабов в России, приходится на Дальневосточный регион, при этом еще в 1995 г. около 60% от общего вылова составлял камчатский краб [8, 70].

Актуальность проблемы. Промысел камчатского краба в последние годы характеризовался наращивание объемов вылова, с одной стороны, и недостатком внимания к проблемам сохранения и воспроизводства промысловых запасов краба, с другой. Естественным результатом этого стало резкое сокращение продуктивного стада камчатского краба [73]. В сложившихся условиях остро встала проблема поиска новых, экологически безопасных технологий, обеспечивающих повышение эффективности поиска и определения координат крабовых скоплений, определение их численности.

Камчатский краб является высокоподвижным промысловым объектом, в течение года осуществляет сезонные миграции. Протяженность миграционных районов у берегов Камчатки достигает 100 миль, а распределение крабов внутри районов является неравномерным. В период кормовых миграций камчатский краб группируется в косяки из десятков и сотней особей. В местах благоприятного обитания скапливаются в промысловые скопления сотнями тысяч особей на нескольких морских милях [19]. В этих условиях результат промысла зависит от выбора места постановки орудий лова.

Одной из мер государственного регулирования промысла камчатского краба, направленных на обеспечение рационального использования его запасов является определение объемов допустимых уловов (ОДУ). Для определения ОДУ необходимо знать фактический запас краба.

В процессе добычи краба значительная доля усилий падает на процедуру поиска его промысловых скоплений. Высокая стоимость и низкая эффективность проводимой в настоящее время промысловой разведки (на фоне резкого снижения численности камчатского краба в традиционных районах промысла) диктуют необходимость создания новых эффективных средств поиска и разработки методик оценки запасов камчатского краба.

Актуальной проблемой является также поиск немаркированных1 (утерянных и браконьерских) крабовых ловушек. Использование ловушек на промысле краба, решив одну экологическую проблему (повреждения непромысловых особей), породило другую, связанную с систематической утратой порядков крабовых ловушек (далее — «порядков» [см. п. 1.3]). Анализ результатов работы добывающих предприятий Приморья на крабовом промысле за период с 1995 по 2000 годы показал, что суда теряют за год в среднем до 20% своих орудий лова [6, 10]. Потери орудий лова обусловлены неблагоприятными гидрометеорологическими условиями в период промысла (дрейфующие льды, шторма, течения и т. д.), непреднамеренным повреждением снастей вследствие большой концентрации судов в промысловом районе, физическим износом орудий лова и слабой технической оснащенностью судов. В случае обрыва сигнальных вех найти немаркированный «порядок» практически невозможно.

Ущерб только от потери орудий лова составляет около 12 500 долларов на каждые 100 т продукции [6].

Потерю крабовых «порядков» следует рассматривать не только как экономическую неудачу, но и как реальную угрозу экологическим системам, биологическим ресурсам рыболовства, а, следовательно, продовольственной безопасности общества. По оценкам [10] ущерб, наносимый утратой двух.

1 Немаркированный «порядок» (ловушка) — «порядок», место постановки которого не обозначено на поверхности моря установленным образом (см. п. 1.3). порядков" (средние ежегодные потери одного судна) экологической системе, составляет не менее 430 ООО долларов. Экологическая проблема становится все более актуальной по мере дальнейшего развития прибрежного рыболовства [42]. Обусловлено это тем, что промысловые концентрации крабов из года в год наблюдаются, как правило, на одних и тех же достаточно ограниченных участках акватории. Потерянные орудия лова в районах массового обитания крабов, на путях их миграций, нереста становятся для них «могильниками», так как многие, попав в ловушки, не могут самостоятельно их покинуть. В этой связи Приказ Госкомрыболовства РФ № 344 от 28 декабря 2000 г. в статье 7.13 предписывает: «При промысле крабов обеспечить поиск и подъем утерянных порядков, а так же отдельных ловушек, с записью о принятых мерах в судовом и промысловом журналах».

Проблема поиска немаркированных «порядков» становится шире, если учесть, что ежегодно наблюдается рост браконьерства. Браконьеры зачастую используют немаркированные орудия лова.

Анализ публикаций и реального состояния средств и методов обнаружения камчатского краба на промысловых судах показывает, что кроме крабовых ловушек и донных тралов никаких средств обнаружения крабовых скоплений и оценки их запасов в распоряжении рыбаков практически нет. Поиск утраченных порядков крабовых ловушек ведется с использованием «кошек» и является крайне не продуктивным, а поиск браконьерских «порядков» вообще не ведется. Таким образом, наряду с проблемой промысловой разведки возникает проблема поиска немаркированных крабовых «порядков».

В этой связи создание высокопроизводительных экологически безопасных методов и средств поиска промысловых крабовых скоплений, позволяющих отслеживать изменения промысловой обстановки в реальном времени, определять координаты зоны обитания и численность краба, а также решать задачу обнаружения немаркированных орудий лова является актуальной задачей.

Из отечественной и зарубежной литературы [5, 9, 56, 87, 88, 90, 97] известно, что крабовые скопления являются достаточно мощным источником шумоизлучения. В этой связи большой интерес представляет возможность использования современных гидроакустических технологий, в частности, средств шумопеленгования для поиска крабовых скоплений и немаркированных «порядков» крабовых ловушек, заполненных крабом, по их шумовому полю.

Первые публикации биоакустических исследований с целью выяснения возможности обнаружения морских гидробионтов по издаваемым ими шумам появились в 60-х, 70-х годах прошлого столетия [84−90]. Данные этих публикаций подтверждают факт излучения крабами акустических сигналов.

Проведенные во ВНИРО исследования показали возможность и эффективность пеленгования морских биошумов. В 1971 г. появился первый промышленный образец рыбошумопеленгатора (РШП) «Чайка», который был установлен на гидроакустическом судне «Поиск» и передан в опытную эксплуатацию [89].

Однако, по ряду объективных причин РШП «Чайка» не получает дальнейшего развития и на промысловых судах в настоящее время не устанавливается. Наряду с организационными и экономическими трудностями это было связано:

— с отсутствием средств вычислительной техники, позволяющих обеспечить автоматизацию процесса идентификации обнаруженных крабовых скоплений по их шумовому полю;

— с невозможностью определения в реальном времени пространственных географических координат обнаруженных крабовых скоплений;

— с невозможностью оценки численности обнаруженных крабовых скоплений при реализованном в РШП «Чайка» способе шумопеленгования.

Актуальность задач повышения эффективности добычи камчатского краба и улучшения экологического состояния промысла, а также прогресс в развитии вычислительных средств, используемых для построения систем шумопеленгования, сделали актуальной задачу разработки новых методов промысловой разведки, оценки запасов и поиска немаркированных орудий лова с применением современных гидроакустических средств шумопеленгования.

Данная работа и посвящена решению этой актуальной задачи. Цель исследований — поиск и разработка эффективных и экологически безопасных способов обнаружения и определения координат крабовых скоплений, оценки их запасов на основе использования современных гидроакустических систем шумопеленгованияразработка структуры и выбор основных параметров системы шумопеленгования, обеспечивающих высокую эффективность поиска.

Для реализации поставленной цели в работе были рассмотрены и решены следующие задачи:

1. Рассмотрены существующие методы, средства поиска и оценки запасов камчатского краба.

2. Проведен анализ биологических особенностей камчатского краба и его промысловых скоплений, определяющих формирование шумового поля.

3. Выполнен анализ описанных в литературе данных по шумоизлучению камчатского краба в традиционных районах промысла.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования шумов камчатского краба.

5. Разработана модель шумоизлучения одиночного краба, шумового поля крабовых скоплений и шумового поля крабов, находящихся в крабовых ловушках (далее — шумовое поле ловушек).

6. Предложен экологически безопасный способ обнаружения и определения в реальном времени координат скоплений камчатского краба и оценки их промысловых запасов по шумовому полю крабов.

7. Разработана структурная схема и обоснован выбор основных параметров шумопеленгатора-крабоискателя, реализующего предложенный способ.

8. Проведено математическое моделирование крабопоисковой системы. Проведены численные эксперименты по оценке эффективности предложенного средства поиска и выполнен сравнительный анализ эффективности предложенного и традиционно используемых способов.

9. Разработаны методика организации поиска и оценки промысловых запасов камчатского краба и методика обнаружения немаркированных крабовых ловушек.

Методы исследования. При выполнении работы проводились теоретические, натурные и полунатурные экспериментальные исследования. Использовались статистические методы обработки экспериментальных данных, методы математического моделирования.

Достоверность выносимых на защиту результатов, подтверждается применением известных аналитических и численных методов решения задач, согласованностью полученных автором экспериментальных данных с материалами других авторов.

Метрологическая достоверность натурных экспериментов обеспечивалась применением калиброванных измерительных средств.

Обоснованность основных результатов работы подтверждается знакомством с ними научной общественности путем публикации их в отечественных изданиях и представления на международных и отечественных научно-технических конференциях.

Научная новизна. Научной новизной обладают следующие защищаемые в работе результаты:

— способ обнаружения и определения в реальном времени координат скоплений камчатского краба по шумовому полю крабов, основанный на использовании экологически безопасных гидроакустических средств шумопеленгования;

— оценка численности камчатского краба по его шумовому полю;

— структура шумопеленгатора-крабоискателя (ШПК) с малогабаритной приемной антенной;

— методика выбора основных параметров ШПК, учитывающая акустические характеристики шумоизлучения крабовых скоплений и орудий его лова;

— имитационная модель шумового поля крабовых скоплений;

— математическая модель крабопромысловой системы, позволяющая выполнить сравнительную оценку эффективности предложенного и традиционных способов оценки численности камчатского крабаПрактическое значение работы. Предложенный способ поиска с применением ШПК с заданной структурой, параметрами и перечнем решаемых задач позволяет:

— вести промысловую разведку скоплений камчатского краба и поиск немаркированных крабовых ловушек с привлечением малотоннажных судов, составляющих большую часть рыболовного флота;

— вести промысловую разведку и поиск немаркированных орудий лова при движении судна, что существенно повышает производительность поиска по сравнению с существующими методами и средствами;

— определять местоположение промысловых скоплений камчатского краба в реальном времени, и, как следствие, повысить эффективность промысла в целом за счет постановки орудий лова в местах наибольших промысловых скоплений камчатского краба;

— повысить экологическую безопасность промысла камчатского краба за счет отсутствия физического контакта с объектом в процессе поиска и обнаружения утерянных и браконьерских орудий лова. Личный вклад автора. Автору принадлежат разработка и анализ эффективности нового способа обнаружения в реальном времени промысловых скоплений камчатского краба и находящихся на дне моря немаркированных крабовых ловушек по их шумовому полю, разработка методик, а также организация и получение основных результатов экспериментальных исследований, их обработка и анализ.

Автором разработан и изготовлен действующий макет аппаратуры для проведения экспериментальных исследований характеристик шумовых полей крабовых скоплений в натурных условиях. С учетом результатов эксперимента в обеспечение математического моделирования крабопоисковой системы автором разработана имитационная модель шумоизлучения одиночного краба, шумового поля крабовых скоплений и шумового поля крабов, находящихся в крабовых ловушках.

На основании результатов математического моделирования крабопоисковой системы и численных экспериментов автором разработаны методические рекомендации по использованию шумопеленгатора-крабоискателя для поиска немаркированных орудий лова, промысловых скоплений камчатского краба и оценки их запасов.

В работах, выполненных в соавторстве, автор принимал равноценное участие в постановке задач, в анализе и интерпретации результатов экспериментов и моделирования.

Апробация работы и публикации.

Основная часть материалов диссертации докладывалась и обсуждалась на международных и отечественных научно-технических конференциях и семинарах в период с 1999 по 2004 гг., в частности, на:

— международной научной конференции «Рыбохозяйственные исследования Мирового океана» (г. Владивосток, 1999 г.);

— шестой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (г. Санкт-Петербург, 2002 г.);

— международной научно-практической конференции «Рыбохозяйственное образование Камчатки в XXI веке» (г. Петропавловск-Камчатский, 2002 г.).

— седьмой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.);

— региональной научно-практической конференции «Экономические, социальные и экологические проблемы Охотского моря и пути их решения» (г. Петропавловск-Камчатский, 2004 г.).

— международных научных чтениях «Приморские зори — 2005 г.», посвященные 10-летию со дня основания ТАНЭБ (г. Владивосток, 2005 г.). Инновационный проект «Шумопеленгатор-крабоискатель» был представлен на III Международном салоне инноваций и инвестиций (г. Москва, 4−7 февраля 2003 г.) и получил там награду «Золотая медаль Салона» и диплом.

На 2-й Международной рыбопромышленной выставке «Рыбные ресурсы.

— 2003″ в г. Москве инновационный проект «Шумопеленгатор-крабоискатель» получил диплом.

Получен патент на изобретение: Шумопеленгатор для поиска скоплений крабов [Текст]: Пат. 2 240 577 Рос. Федерация: МПК7 G 01 S 15/02, 15/96 / И. В. Красников, Я.С. Карлик- № 2 002 132 913- Заяв. 06.12.02- Опубл. 20.11.04, Бюл. № 32- 4 е., 2 л. ил.

По материалам диссертации опубликовано 21 работа, в том числе 12 докладов на научно-технических конференциях. В этих работах автором выполнены теоретические расчеты и модельные исследованиявсе экспериментальные исследования выполнялись при непосредственном и активном участии автора.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Ее общий объем составляет 183 страницы, включая 35 рисунков, 21 таблицу и список литературы из 98 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Разработана имитационная модель шумового поля крабовых скоплений, на основе которой проведено математическое моделирование и выполнен сравнительный анализ эффективности предложенного и наиболее точного из традиционных способов поиска и оценки численности промысловых запасов камчатского краба — метода траловых съемок. Принятые в модели характеристики шумоизлучения крабовых скоплений отвечают полученным в результате натурных экспериментов.

2. Анализ результатов численных экспериментов показал, что при выбранных параметрах шумопеленгатор-крабоискатель обеспечивает обнаружение как одиночных крабов (индикаторное отношение «сигнал / помеха» около 2), так и более мощных источников излучения — крабовых скоплений и ловушек.

3. Сравнение предложенного в работе способа поиска и оценки крабовых скоплений с применяемым в настоящее время методом траловых съемок, выполненное по основному (производительность поиска) и двум дополнительным критериям эффективности (достоверность и экологичность), показало, что предложенный акустический способ по всем трем критериям превосходит традиционный способ траловых съемок: производительность поиска крабовых скоплений с использованием предлагаемого в работе способа более чем на порядок превышает производительность применяемого в настоящее время метода траловых съемокпогрешность оценки численности камчатского краба при использовании предложенного акустического способа существенно меньше (в 3−5 раз) чем при использовании метода траловых съемок. с экологической точки зрения донное траление является неселективным и наносит значительный ущерб флоре и фауне шельфа. При использовании предложенного акустического способа непосредственное физическое воздействие на объект промысловой разведки и окружающую среду отсутствует.

4. Разработаны методики поиска и оценки промысловых запасов камчатского краба и обнаружения немаркированных крабовых ловушек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Разработан новый способ обнаружения камчатского краба с использованием гидроакустических средств шумопеленгования, позволяющий обнаруживать и определять в реальном времени местоположение крабовых скоплений и немаркированных крабовых ловушек. Предложенный способ характеризуется отсутствием непосредственного физического воздействия на объект промысловой разведки и отличается от известных использованием шумопеленгатора с развитым веером остронаправленных ХН, позволяющим вести наблюдение в заданном секторе углов и определять в реальном времени географические координаты акустически активных объектов.

2. Разработана структура шумопеленгатора-крабоискателя с малогабаритной приемной антенной, что позволяет размещать его на малотоннажных судах, составляющих большую часть крабодобывающего флота. Сформулирован состав задач и обоснован выбор основных технических параметров шумопеленгатора-крабоискателя.

3. Выполнен анализ публикаций по экспериментальному исследованию характеристик шумового поля камчатского краба в натурных и полунатурных условиях. Разработана методика проведения и представлены результаты дополнительных натурных экспериментов по анализу уровня, спектрального состава и других характеристик шумоизлучения камчатского краба. К новым результатам относятся полученные при проведении натурных экспериментов характеристики уровня и спектра шумоизлучения крабов в области частот от 4 до 9 кГцвременные характеристики акустической активности камчатского краба, уровни и характер шумоизлучения крабовых ловушек и др .

4. Показано, что диапазон частот спектра шумоизлучения камчатского краба составляет от 0.05 до 20.00 кГцуровни и спектральный состав шумов изменяются в широких пределахдлительность издаваемых шумов изменяется случайным образом в диапазоне значений от миллисекунд (щелчок) до нескольких секунднаибольшую повторяемость имеют сигналы с длительностью около 1 сдоля времени акустической активности камчатского краба составляет от 25 до 75% при средней акустической активности около 44%- типичные для крабов значения приведенного абсолютного уровня шумоизлучения лежат в диапазоне от 7.5−10″ 3 до 3−10″ 2 Па/^frii. характеристики шумоизлучения крабов, находящихся в крабовых ловушках, значительно отличаются от шумоизлучения отдельных особейэти шумы имеют непрерывный характер, уровни сигналов в зоне ловушек превышают уровни суммарного шумоизлучения того же количества особей, находящихся вне ловушек, в 2.5 раза.

5. Выполнен анализ помеховой обстановки в районе промысла. Установлено, что основной помехой работе шумопеленгатора-крабоискателя являются шумы крабопромыслового судна, при этом численная оценка уровня помехи в точке приема для типовых крабопромысловых судов составляет величину порядка 1.5−10″ 2 Па1^Гц.

6. Разработана имитационная модель шумового поля одиночного краба, крабового скопления и крабовых ловушек, учитывающая типовые характеристики их спектров шумоизлучения, уровней и других параметров, полученных при проведении натурных экспериментов.

7. Показано, что при выбранных параметрах шумопеленгатора-крабоискателя, заданных уровнях шумоизлучения одиночного краба, крабовых скоплений и ловушек, при реальных уровнях помех работе крабопоисковой системы обеспечивается надежное обнаружение как одиночных крабов (превышение на индикаторе отношения сигнал/помеха в.

1.5-^2 раза), так и более мощных источников излучения — крабовых скоплений и ловушек.

8. Проведено математическое моделирование крабопоисковой системы и выполнены численные эксперименты, анализ результатов которых показал, что предложенный в работе способ обнаружения и оценки численности крабовых скоплений обеспечивает повышение производительности поиска по сравнению с применяемыми в настоящее время способами более чем в 60 разпогрешность определения численности промысловых запасов камчатского краба по сравнению с наиболее точным на настоящий момент способом траловых съемок при этом снижается более чем в 4 раза.

9. Выявлены основные источники погрешностей предложенного способа и выработаны рекомендации по методике ведения поиска с применением шумопеленгатора-крабоискателя для их снижения.

10. Разработаны методики поиска и оценки промысловых запасов камчатского краба, обнаружения немаркированных крабовых ловушек предложенным способом.

11. Полученные в работе результаты носят общий характер и могут быть использованы при проектировании систем обнаружения других видов акустически активных гидробионтов на дне моря.

12. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при создании опытного образца шумопеленгатора-крабоискателя.