本發(fā)明涉及水產(chǎn)養(yǎng)殖，更具體涉及一種基于重整化群的魚群行為臨界現(xiàn)象識別方法。

背景技術：

1、傳統(tǒng)上，統(tǒng)計物理學基于系統(tǒng)的哈密爾頓量和統(tǒng)計分布，研究大量個體組成系統(tǒng)的集體行為。相變與臨界現(xiàn)象作為系統(tǒng)最顯著的集體行為，其理論研究以序參量作為出發(fā)點。水產(chǎn)養(yǎng)殖過程是涉及氣候、生命、生態(tài)、環(huán)境、社會等多項因素的復雜系統(tǒng)，魚群的集體行為及相變臨界現(xiàn)象與各項因子密切相關，分析系統(tǒng)的臨界因素是否接近或處于臨界點，以及不同臨界因素之間是否存在關聯(lián)，是復雜系統(tǒng)研究中的重大科學問題。目前，對于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，缺乏其哈密爾頓量、統(tǒng)計分布、序參量的認知。因此，本發(fā)明開展面向水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的魚群行為臨界現(xiàn)象識別算法研制，通過養(yǎng)殖魚群的集體行為，研判其生長過程對應的各類狀態(tài)，進而分析養(yǎng)殖對象生長規(guī)律及病害表現(xiàn)特征，促進水產(chǎn)養(yǎng)殖提質(zhì)增效。該方法在鳥群、人群、蜂群等群體行為臨界識別有一定的應用，尚未發(fā)現(xiàn)在魚群臨界行為分析識別的相關研究。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明需要解決的技術問題是提供一種基于重整化群的魚群行為臨界現(xiàn)象識別方法，探明水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的哈密頓量、統(tǒng)計分布及序參量，實現(xiàn)系統(tǒng)臨界狀態(tài)的準確表征，進而分析養(yǎng)殖對象的生長規(guī)律、病害表現(xiàn)特征，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的提質(zhì)增效提供科學依據(jù)。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案如下。

3、一種基于重整化群的魚群行為臨界現(xiàn)象識別方法，包括以下幾個步驟：

4、a.基于重整化群理論和統(tǒng)計物理學方法，確定大型水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)系統(tǒng)的哈密爾頓量、統(tǒng)計分布及序參量；

5、b.通過模擬計算來識別魚群的活動性質(zhì)；

6、c.通過施加外部或內(nèi)部擾動因子，觀察魚群行為的變化，確認系統(tǒng)的相變點與臨界點，以及魚群行為對這些變化的響應機制和適應過程；

7、d.結合系統(tǒng)相變臨界點，分析養(yǎng)殖魚群的集體行為所對應的活動狀態(tài)，建立行為-狀態(tài)映射關系矩陣，反映魚群行為與活動狀態(tài)之間的對應關系，為養(yǎng)殖者提供準確的判斷依據(jù)。

8、進一步優(yōu)化技術方案，所述步驟a中，哈密爾頓量是通過分析魚群的運動軌跡、速度、加速度動力學參數(shù)，結合養(yǎng)殖環(huán)境的水質(zhì)、溫度、光照環(huán)境因子進行構建；

9、考慮最近鄰兩個魚體的相互作用，系統(tǒng)的哈密頓量用下式表示

10、?????????????????????（1）

11、式中，n為魚體個數(shù)，σn和σn’分別為相鄰兩個魚體自旋轉(zhuǎn)參數(shù)，j為交換積分常數(shù)，h為外環(huán)境場，n和n'分別為相鄰兩個格點的序號；

12、第一項模擬兩個魚體之間的相互作用能，第二項模擬外界環(huán)境對魚體的作用能；當魚群存在外界捕食或被捕食壓力時，壓力效應要與魚群活動相互作用；因此，在外環(huán)境場h中加入一項壓力等效場，壓力等效場hp可表示為

13、??????????????????????????（2）

14、式中，p為外捕食壓力參數(shù)，m為外環(huán)境場參數(shù)，λ為外環(huán)境場對魚群行動狀態(tài)的影響系數(shù)，μ0表示魚群行動狀態(tài)的傳遞速率，λ和μ0均由實驗觀測數(shù)據(jù)進行擬合得到，且

15、?????????????????????????????（3）

16、式中，λs為外環(huán)境場對魚群行動狀態(tài)的影響系數(shù)的最大值，ms為外環(huán)境場參數(shù)最大值，λs和ms均由實驗測得；這樣，系統(tǒng)的哈密頓量變?yōu)?/p>

17、??????????????（4）。

18、進一步優(yōu)化技術方案，所述步驟a中，統(tǒng)計分布是通過對魚群行為數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到各個狀態(tài)的概率分布函數(shù)，通過實驗觀測和計算模擬獲取魚群的行為數(shù)據(jù)，然后運用核密度估計法對數(shù)據(jù)進行處理和分析，計算各個狀態(tài)的概率分布。

19、進一步優(yōu)化技術方案，所述統(tǒng)計分布的方法為：設魚群中任意一個魚體占據(jù)格點為n，它的三個坐標為i，j，k，記n=(i，j，k)，且

20、?????????????????????????（5）

21、在此約束下，定義周期邊界條件為：

22、?????????（6）

23、式中，a(i，j，k)為魚體占據(jù)格點n=(i，j，k)上任意一個觀察量，且有，

24、?????????（7）

25、σn為第n條魚的自旋轉(zhuǎn)方向參數(shù)，σ（i，j，z）為占據(jù)格點n=(i，j，k)魚體的自旋轉(zhuǎn)方向參數(shù)；

26、模型中，若兩個魚體占據(jù)格點之間的距離為一個間距單位，則這兩個格點為最近鄰相互作用對，養(yǎng)殖系統(tǒng)哈密頓量表示為所有最近鄰相互作用對的求和計算，即：

27、?（8）

28、h代表外環(huán)境場參數(shù)；

29、則要求解狀態(tài)量的系綜平均值及其隨時間變化的平均值，則必須要服從如下分布概率函數(shù)：

30、????????????????????（9）。

31、進一步優(yōu)化技術方案，所述步驟a中，序參量是能夠反映魚群整體行為和動態(tài)變化的參數(shù)，包括系統(tǒng)總能量、平均速度、密度和集群程度；表征水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)相變的臨界指數(shù)序參量能量e的表達式如下：

32、?????????（10）

33、式中，si和sj分別為第i個和第j個格點位置上的魚體格點旋轉(zhuǎn)態(tài)，si和sj只取值為+1或-1，分別對應于旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)；j為與交換積分常數(shù)，由實驗你擬合得到；在定義了系統(tǒng)哈密爾頓量并確認了序參量后，考慮一個由n個魚體格點構成的三維立方群集系統(tǒng)，每個格點的自旋為si，它的兩個取值為±1；si取1，表示自旋向上，si取-1，表示自旋向下；因此，這個系統(tǒng)的一個狀態(tài)用如下序列描述：

34、???????????????（11）

35、基于此序列對應的哈密頓量公式，采用步驟b進行迭代計算得到最終的系統(tǒng)總能量值。

36、進一步優(yōu)化技術方案，所述步驟b中，在模擬魚群的活動性質(zhì)時，以式（11）定義系統(tǒng)狀態(tài)序列的初始值，取溫度點為反轉(zhuǎn)溫度j/kt，k為玻爾茲曼常數(shù)，t為溫度，魚群模擬計算包括以下步驟：

37、b1.給出三維魚群格點系統(tǒng)的規(guī)格大小l×l×l，溫度j/kt的起始值和外壓力場h的大??；任選一個魚群點陣排列作為系統(tǒng)的初始狀態(tài)，由每一個格點及其最近鄰格點的自旋可計算轉(zhuǎn)移概率，當格點為邊界格點時，利用周期邊界條件確定其最近鄰格點；

38、b2.產(chǎn)生一個[0，1]之間的隨機數(shù)，隨機數(shù)與轉(zhuǎn)移概率進行比較，判斷格點自旋態(tài)是否接受翻轉(zhuǎn)；

39、b3.確定晶格系統(tǒng)所有格點的狀態(tài)分布，即完成一個計算單步；

40、b4.重復步驟b2、b3即循環(huán)足夠的計算單步，使系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)，此后以每隔若干計算單步抽取一個狀態(tài)為樣本，計算樣本的能量，抽取足夠多的樣本，求得狀態(tài)量的統(tǒng)計平均值；

41、b5.在溫度或外壓力場值上加上一個增量作為新的值，重復上述步驟，最后得系統(tǒng)總能量值和外環(huán)境場的變化關系。

42、進一步優(yōu)化技術方案，所述步驟c中，擾動因子包括捕食狀態(tài)變化、飼料變化和溫度變化。

43、進一步優(yōu)化技術方案，所述步驟c中，相變點和臨界點的確定方法為，通過改變擾動因子，通過步驟b得到系統(tǒng)能量值與外界環(huán)境溫度的變化關系，能量驟然下降為系統(tǒng)相變點，投餌活動等效于在魚群系統(tǒng)外加了一個捕食正反饋能量場，隨著投餌量的增加，系統(tǒng)的臨界點也在增加，說明養(yǎng)殖系統(tǒng)對溫度上限的耐受力也有所提高。

44、進一步優(yōu)化技術方案，所述步驟d中，通過模型計算系統(tǒng)總能量與各類養(yǎng)殖相關參數(shù)相互變化關系，以能量突變作為臨界點進行區(qū)分，能量越高代表魚群越活躍，能量值為零表示魚群死亡，選擇溶解氧、營養(yǎng)鹽、氮磷、酸堿度變量進行計算，判斷臨界點出現(xiàn)的數(shù)值，該數(shù)值表述魚群系統(tǒng)能承載的參數(shù)最大值，超過該值魚群則無法繼續(xù)生存。

45、由于采用了以上技術方案，本發(fā)明所取得技術進步如下。

46、本發(fā)明提供的一種基于重整化群的魚群行為臨界現(xiàn)象識別方法，通過信息交換和保護個體免受侵害，來響應外界因素并進行隨機變化，當魚群在兩種結構和功能不同的狀態(tài)之間的臨界點上運作時，其中一些特征可能會出現(xiàn)，從而導致對外部刺激的最大響應和信息的有效傳播，如何由數(shù)據(jù)出發(fā)研究復雜養(yǎng)殖系統(tǒng)的魚群行為及相變與臨界現(xiàn)象，探明復雜水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的哈密頓量與序參量，實現(xiàn)系統(tǒng)的臨界狀態(tài)表征，是從系統(tǒng)論視角出發(fā)研究水產(chǎn)養(yǎng)殖問題的關鍵卡點。

47、本發(fā)明用于研判養(yǎng)殖對象在不同生長環(huán)境下的生長特點，旨在探明水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的哈密頓量、統(tǒng)計分布及序參量，實現(xiàn)系統(tǒng)臨界狀態(tài)的準確表征，進而分析養(yǎng)殖對象的生長規(guī)律、病害表現(xiàn)特征，為水產(chǎn)養(yǎng)殖的提質(zhì)增效提供科學依據(jù)。