Глава 11 Моделирование систем аквапоники

Карел Й. Кисман, Оливер Кёрнер, Кай Вагнер, Ян Урбан, Дивас Кариманзира, Томас Раушенбах и Симон Годдек

Абстракт Математические модели могут принимать очень разные формы и очень разные уровни сложности. Поэтому систематический способ постулирования, калибровки и проверки, как это предусмотрено теорией систем, может быть очень полезным. В этой главе рассматривается и демонстрируется динамическое моделирование систем аквапонных (АП) систем с теоретической точки зрения систем для каждой из подсистем системы АП, таких как резервуары для рыбы, анаэробный реактор и гидропонная (ВД) теплица. В нем также показаны связи между подсистемами, с тем чтобы в принципе можно было построить и интегрировать в повседневную практику полную модель систем AP в отношении управления и контроля систем AP. Основной задачей является выбор соответствующей сложности модели, отвечающей экспериментальным данным для оценки параметров и состояний и позволяющей ответить на вопросы, связанные с целью моделирования, такие как моделирование, проектирование эксперимента, прогнозирование и управление.

Ключевые слова Моделирование · Рециркулирующая система аквакультуры · Анаэробное сбраживание · Гидропонная теплица · Многоконтурная аквапонная система · Инструменты

Содержимое

• 11.1 Введение
• 11.2 Справочная информация
• 11.3 Моделирование РАН
• 11.4 Моделирование анаэробного сбраживания
• 11,5 Моделирование парниковых газов ВД
• 11.6 Многоконтурное аквапоническое моделирование
• 11.7 Инструменты моделирования
• 11.8 Обсуждение и выводы
• Ссылки

—

К. Дж. Кисман · С. Годдек

Математические и статистические методы (биометрис), Вагенингенский университет, Вагенинген, Нидерланды

О. Кёрнер

Лейбниц - Институт овощных и декоративных культур (IGZ), Гроссберен, Германия

К. Вагнер

Институт физической культуры, Университет прикладных наук Саарбрюккен, Саарбрюккен, Германия

J. Urban

Лаборатория обработки сигналов и изображений, Институт сложных систем, Южная Богемская

Научно-исследовательский центр аквакультуры и биоразнообразия гидроценозов, факультет рыбного хозяйства и

Защита вод, Университет Южной Чехии в Ческе-Будеёвице, Нове-Грады, Чехия

Д. Кариманзира · Т. Раушенбах

Фраунгофер IOSB-AST, Ильменау, Германия

© Автор (ы) 2019 267

С. Годдек и др. (ред.), Системы производства продуктов питания Aquaponics, https://doi.org/10.1007/978-3-030-15943-6_11

—

Ссылки

Бадиола М, Мендиола Д, Босток J (2012) Анализ рециркулирующих систем аквакультуры (РАН): основные вопросы управления. Аквак Энг 51:26 —35. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2012.07. 004

Batstone DJ, Келлер J, Ангелидаки I, Калюжный С.В., Павлостатис С.Г., Роцци А, Сандерс WTM, Siegrist H, Вавилин В.А. (2002) Анаэробное пищеварение Модель № 1 (ADM1). Водная техника Технол 45:65 —73

Уравнения Boote KJ, Jones JW (1987) для определения фотосинтеза полога на основе заданной квантовой эффективности, максимальной скорости листа, ослабления света, индекса площади листа и плотности фотонного потока. В: Biggins J (ред.) Прогресс в исследованиях фотосинтеза. Мартинус Нейхофф, Дордрехт, стр. 415—418

Бот GPA (1993) Физическое моделирование тепличного климата. В: Хашимото Y, Бот GPA, День W, Тантау HJ, Nonami H (eds) Компьютеризированная теплица. Академическая пресса, Сан-Диего, стр. 51—74

Бак-Сорлин G, De Visser PHB, Henke M, Sarlikioti V, Ven der Heijden G, Marcelis LFM, Vos J (2011) На пути к функционально-структурной модели вырезанной розы: моделирование световой среды, поглощение света, фотосинтез и помехи в структуру растений. Энн Бот 108:1121 —1134

Challa H, Bakker M (1999) Потенциальное производство в тепличной среде. В: Стэнхилл Г,

Enoch HZ (eds) Экосистемы мира 20 — Тепличные экосистемы. Эльсевье, стр. 333—347

Влияние аэрации и щелочности на качество воды и качество продукции транспортируемой тилапии — имитационное исследование. Аквак Eng:46—58

Corominas L, Riegler L, Takács I (2010) Новые рамки для стандартизированной нотации в сточных водах. J Int Assoc загрязняет воду Res 61 (4) :S841-S857

Dahl O-J, Nygaard K (1966) SIMULA: алгольский язык симуляции. Коммун ACM 9

(9) :671—678. https://doi.org/10.1145/365813.365819 de Zwart HF (1996) Анализ вариантов энергосбережения при выращивании парниковых газов с использованием имитационной модели. Вагенингенский сельскохозяйственный университет, Вагенинген, стр. 236

Delaide B, Годдек S, Кисман, KJ, Джиджакли MH (2018). Методология количественной оценки эффективности аэробного и анаэробного сбраживания ила для рециркуляции питательных веществ в аквапонике. https://popups. uliege.be:443/1780-4507 22, 12

Моделирование и моделирование водной среды обитания для биорегенеративных исследований жизнеобеспечения. Акто-астронавт 93:S.138-S.147. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013. 07.013

Эль-Машад H (2003) Солнечный термофильный анаэробный реактор (STAR) для производства возобновляемых источников энергии Кандидатская диссертация Вагенингенский университет. ISBN: 9058089533-238

Эмеренчано М, Карнейру П, Лапа М, Лапа К, Делайде Б, Годдек S (2017) Минерализация Солидос. Аквак Бюстгальтеры 21—26

Эмрих С, Суслов С, Юдекс Ф (2007) Полностью на основе агента. Моделирование распространения эпидемии с использованием любой логики. В: Материалы EUROSIM

ФАО (2016) Состояние мирового рыболовства и аквакультуры 2016. Содействие обеспечению продовольственной безопасности и питания для всех. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций, Рим

Фикара Е, Хасам С, Аллегрини А, Лева А, Мальпей Ф, Ферретти Г (2012) Анаэробные модели пищеварения: сравнительное исследование. В: Материалы 7-й Венской международной конференции по математическому моделированию 2012, стр. 1052

Fortmann-Roe S (2014) Инсайт-мейкер: универсальный инструмент для веб-моделирования и моделирования. Симул Модельная Теория Практа 47:28 —45

Frantz JM, Hand B, Buckingham L, Ghose S (2010) Виртуальный производитель: программное обеспечение для расчета затрат на отопление тепличного производства в США. ХОРТТЕХНОЛОГИЯ 20:778 —785

Galí A, Benabdallah T, Astals S, Mata-Alvarez J (2009) Модифицированная версия модели ADM1 для применения в агроотходах. Биоресурс Технол 100 (11) :2783—2790

Goddek S (2017) Возможности и проблемы многоконтурных аквапонических систем. Вагенингенский университет. https://doi.org/10.18174/412236

Goddek S, Delaide BPL, Joyce A, Wuertz S, Jijakli MH, Gross A, Eding EH, Bläser I, Reuter M, Keizer LCP, Моргенштерн R, Körner O, Verreth J, Keesman KJ (2018) Питательная минерализация и снижение органических веществ осадка и эффективность в реакторах на основе RASB-EGSB. Аквак Энг 83:10 —19. ISSN: 0144-8609

Goddek S, Keesman KJ (2018) Необходимость технологии опреснения для проектирования и калибровки многоконтурных систем аквапоники. Опреснение 428:76 —85. https://doi.org/10.1016/j.desal.2017. 11.024

Goddek S, Körner O (2019) Полностью интегрированная имитационная модель многоконтурной аквапоники: пример определения размеров системы в различных средах. Агрик Сист

Goddek S, Delaide B, Mankasingh U, Ragnarsdottir K, Jijakli H, Thorarinsdottir R (2015) Проблемы устойчивой и коммерческой аквапоники. Устойчивость 7:4199 —4224. https://doi.org/10.3390/su7044199

Goddek S, Espinal CA, Delaide B, Jijakli MH, Schmautz Z, Wuertz S, Keesman KJ (2016) Навигация в сторону развязанных аквапонных систем: подход к проектированию системной динамики. Вода (Швейцария) 8:303. https://doi.org/10.3390/W8070303

Graber A, Junge R (2009) Системы Aquaponic: переработка питательных веществ из рыбных сточных вод путем производства овощей. Опреснение 246:147 —156

Halamachi I, Simon Y (2005) Новая компьютерная имитационная модель для проектирования и управления рециркулирующими системами аквакультуры. Аквак Энг 32 (3—4) :S443-S443-S4464. https://doi.org/10.1016/j. aquaeng.2004.09.010

Hassan J et al (2016) Переходное накопление NO2 и N2O во время денитрификации объясняется предположением о диверсификации клеток стохастической транскрипцией генов денитрификации. Плос Расчетный Биол 11 (1) :e1004621

He E, Wurtsbaugh W (1993) Эмпирическая модель скорости эвакуации желудка для рыб и анализ пищеварения в рысно-бурой форели. Транс Ам Фиш Сок 122 (5) :S.717—S.730

Хенце М, Вилли Г, Такаши М, Марк Л (2002) Активированные модели ила ASM1, ASM2, ASM2D и ASM3. IWA Publishing в своей серии научно-технических докладов, Соединенное Королевство. ISBN: 1-900222-24-8

Heuvelink E (1996) Рост и урожайность томатов: количественный анализ и синтез. Кафедра садоводства. Вагенингенский сельскохозяйственный университет, Вагенинген, Нидерланды, стр. 326

Jablonsky J, Papacek S, Hagemann M (2016) Различные стратегии метаболической регуляции в цианобактериях: от транскрипционного к биохимическому контролю. Научный сотрудник 6:33024

Janka E, Körner O, Rosenqvist E, Ottosen CO (2018) Моделирование эффективности работы PSII-флуоресценции хлорофилла в ответ на свет и температуру хризантемы (Dendranthema grandiflora) с использованием многослойной листовой модели. Фотосинтетика 56:633 —640

Кариманзира D, Кисман KJ, Клоас W, Баганц D, Раушенбах T (2016) Динамическое моделирование аквапонической системы INAPRO. Аквак ENG 75:29-45. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2016.10.004

Кисман К.Дж. (2011) Системная идентификация: введение. Спрингер, Лондон

Knaus U, Palm HW (2017) Влияние биологии рыб на приливы и течения аквапонических культурных трав северной Германии (Мекленбургская Передняя Померания). Аквакультура 466:51 —63. https://doi.org/ 10.1016/j.аквакультуры.2016.09.025

Körner O, Hansen JB (2011) Онлайн-инструмент для оптимизации производства тепличных культур. Акта Хортик 957:147 —154

Körner O, Van Straten G (2008) Поддержка принятия решений для динамических стратегий борьбы с парниковым климатом. Вычислить электрон АГРИК 60:18 —30

Körner O, Aaslyng JM, Andreassen AU, Holst N (2007) Моделирование микроклимата для динамического климатического контроля парниковых газов. Хортнауки 42:272 —279

Körner O, Warner D, Tzilivakis J, Evelens-Clark B, Heuvelink E (2008) Поддержка принятия решений по оптимизации потребления энергии в европейских теплицах. Акта Хортик 801:803 —810

Körner O, Gutzmann E, Kledal PR (2017) Динамическая модель, имитирующая симбиотические эффекты в аквапонных системах. Акта Хортик 1170:309 —316

Производство биомассы и динамика питательных веществ в системе аквапоники. Аризонский университет

Liebig HP, Alscher G (1993) Комбинация моделей роста для оптимизации COSub2/sub- и температурного контроля салата. Акта Хортик 328:155 —162

Люгерт V, Thaller G, Tetens J, Schulz C, Krieter J (2014) Обзор расчета роста рыбы: многочисленные функции в рыбном производстве и их специфическое применение. Рев Аквак 8 (1) :30—42

Лупатч I, Kissil GW (1998) Прогнозирование отходов аквакультуры из культуры золотистого моря (Sparus aurata) с использованием подхода к питанию. Живая вода Акват 11 (4) :265—268. https://doi.org/10. 1016/S0990-7440 (98) 80010-7

Lupatsch I, Kissil GW, Sklan D (2003) Сравнение энергетической и белковой эффективности трех видов рыб золотистый лещ (Sparus aurata), европейский морской окунь (Dicentrarchus labrax) и белый групер (Epinephelus aeneus): энергозатраты на белковое и липидное осаждение. Аквакультур:175—189

Macal CM, North MJ (2005) Учебное пособие по моделированию и моделированию на основе агентов. //Симуляционная конференция, 2005 материалы зимы. IEEE

Madsen LO, Møller-Pedersen B, Nygaard K (1993) Объектно-ориентированное программирование на языке программирования BETA. Эддисон-Уэсли. ISBN 0-201-62430-3

Марселис LFM (1994) Рост плодов и разделение сухого вещества в огурце. Кафедра садоводства. Вагенингенский сельскохозяйственный университет, Вагенинген, стр. 173

Маккарти Дж., Левин М.И. (1965) LISP 1.5 руководство программиста. MIT Press, Кембридж

Культура желтохвостного царя (Seriola lalandi) в морской рециркулирующей системе аквакультуры (RAS) с искусственной морской водой. Аквак Eng:20—28

Pagand P, Blancheton JP, Casellas C (2000) Модель для прогнозирования количества растворенного неорганического азота, выделяемого в сточных водах из рециркулирующей системы морского окуня (Dicentrarchus labrax). Аквак Энг 22 (1—2) :S137—S153

Павлостатис С.Г., Гиральдо-Гомез Е (1991) Кинетика анаэробного лечения: критический обзор. Crit Rev Environ Управление 21:411 —490

Poorter H, Anten NP, Marcelis LFM (2013) Физиологические механизмы в моделях роста растений: нужен ли нам подход к биологии надклеточных систем. Растительные клетки Environ 36:1673 —1690

Rath T (1992) Эйнсац wissensbasierter Система зур Modellierung унд Дарстеллунг фон gartenbautechnischem Фахвиссен ам Бейспиэль де гибрид HORTEX. Ганноверский университет, Германия

Rath T (2011) Программная система zur Planung фон Heizanlagen фон Гевахсязерн. Биосистема Фахгебиет и Gartenbautechnik. Университет Лейбница Ганновер, Германия

Reyes Lastiri D, Slinkert T, Cappon HJ, Baganz D, Staaks G, Keesman KJ, (2016) Модель аквапонной системы для минимизации потребностей воды, энергии и азота. Водная научная техника wst2016127. https://doi.org/10.2166/wst.2016.127

Richie M, Haley D, Oetker M (2004) Влияние частоты кормления на эвакуацию желудка и возвращение аппетита в Tilapia Oreochromis niloticus (L.). Аквакультура 234 (1—4): S657—S673. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2003.12.012

Rusten BE (2006) Проектирование и эксплуатация реакторов биопленки с подвижным слоем в Калднесе. Аквак Eng:322—331

Sánchez-Romero A, Miranda-Baeza A, Rivas-Vega M (2016) Разработка модели моделирования динамики азота в интегрированной системе культуры креветки-макроводоросли с нулевоводным обменом. J World Aquacult Soc 47 (1) :129—138

Синха Н.К., Куста Б. (1983) Моделирование и идентификация динамических систем//Вестн. Фон Ностранд Райнхольд, Нью-Йорк

Soukup J, Macháček P (2014) Сериализация и постоянные объекты. Спрингер. https://doi.org/10. 1007/978-3-642-39323-5

Стерман Дж. (2000) Динамика бизнеса: системное мышление и моделирование для сложного мира. Макграу Хилл, Бостон

Штыс Д, Стыс Д мл., Печенкова Дж., Стась КМ, Чкалова М, Куба П, Паутсина А, Дурнеев Д, Нахлык Т, Cısa P (2015) 5iD Просмотр-наблюдение за поведением рыбной школы в лабиринтах и использование семантической и синтаксической энтропии для определения структуры школы. World Acad Sci Eng Technol Int

J Comput Electr Autom Control Inf Eng 9 (1) :281—285 ван Ooteghem RJC (2007) Оптимальная конструкция управления для солнечной теплицы. Вагенингенский университет, Вагенинген, стр. 304

Vanthoor B (2011) Метод проектирования теплиц на основе модели. Вагенингенский университет, Вагенинген, стр. 307

Waller U, Buhmann AK, Ernst A et al (2015) Интегрированная мультитрофическая аквакультура в системе нулевой рециркуляции аквакультуры для производства морских рыб и гидропонных галофитов. Аквак Инт 23:14:73

Weatherley LR, Hill RG, Macmillan KJ (1993) Моделирование процессов интенсивной системы аквакультуры. Аквак Eng:215—230

Wik TEI, Lindén BT, Wramner PI (2009) Комплексное моделирование динамической аквакультуры и очистки сточных вод для рециркулирующих систем аквакультуры. Аквакультура 287 (3/4) :361—370

Виллемс Ю.К., Polderman JW (1998) Введение в теорию математических систем: поведенческий подход. Спрингер. ISBN: 978-1-4757-2953-5

Wolfram S (1991) Mathematica: система для математики с помощью компьютера. Исследование Вольфрам, Шампанское

Йогев У, Барнс А, Гросс А (2016) Анализ питательных веществ и энергетического баланса для концептуальной модели трех петель вне сетки, аквапоники. Вода 8:589. https://doi.org/10.3390/W8120589

Зейглер Б.П., Прехофер Г., Ким Т.Г. (2000) Теория моделирования и моделирования, 2-е изд. Эльсевье, Лондон

Open Access Данная глава лицензирована в соответствии с условиями международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или формате, при условии, что вы даете соответствующий кредит первоначальному автору (авторам) и источнику, предоставите ссылку на лицензии Creative Commons и указать, были ли внесены изменения.

Изображения или другие материалы третьих лиц в этой главе включены в лицензию Creative Commons главы, если иное не указано в кредитной линии материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons главы и ваше предполагаемое использование не разрешено законом или превышает разрешенное использование, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя.

! изображение-20200929112107029