Norwegian Autonome Subsea Pheromone trap (NASP)

Transkript

1 Norwegian Autonome Subsea Pheromone trap (NASP) Komponentenes Kakeklubb Your Extreme September 2015 Lagsammensetning Komponentenes kakeklubb består av fem entusiastiske studenter fra Fysikk og Matematikk. Vi er kanskje ensformig på studieretning, men når det kommer til fødested, bakgrunn og interesser er vi en variert kvintett. Eirik og Johan er fra hver sin kant av Bergen og kan bidra med rappkjeftede og rasjonelle argumenter i en balansert og reflektert diskusjon. Håvard og Hans Olav har byttet over fra Kjemi og kan lære oss andre en ting eller to når vi trer utenfor fysikkens og matematikkens verden. Tina tok initiativ til å samle laget og ansvaret for å melde oss på. Hun stiller også med feminin energi i en ellers macho gjeng. Ingress Helautonome undervannsfartøyer finnes, og med et forbehold om at disse videreutvikles frem til 2050 har vi løst problemer med undervannskommunikasjon, gjenkjenning av fiskearter og automatisk fiske. Konkretisering av oppgaven Vi har i denne oppgaven fokusert på fire utfordringer når det kommer til å fiske fra et autonomt fartøy. Den første er høyhastighetskommunikasjon under vann. Den andre er delt i to og omhandler å gjenkjenne fiskearter. Én omhandler hvordan man kan gjenkjenne hvilken fiskeart en stim består av automatisk, og den andre går ut på å finne en måte å sile ut for små fisk og fisk av feil art etter at fisken er fanget. Den tredje utfordringen er å finne en måte å fange fisk uten å bruke garn da dette kan være problematisk for et automatisk fartøy. Siste og fjerde utfordringen handler om lagring av fisk over lenger tid i et undervannsfartøy. 1

2 Beskrivelse av fartøyet Figur 1 viser en grov skisse av fartøyet. I tillegg til det som er illustrert vil NASP også inneholde et kontrollsenter, motor og ha et mer strømlinjeformet karosseri. Det er begrenset hvor langt inn i fartøyet sjøvann slipper inn. Innenfor fellen vil det være et transportsystem som løfter fisken ut av vannet og videre inn i fartøyet. En skanner sjekker at vi har fisket riktig fisk av riktig størrelse. Deretter transporteres fisken til lagring. Hvis det viser seg under skanningen at en fisk er for liten eller av feil fiskeslag sendes den ut i havet igjen.!"#!$#!%#!&#!'#!(# Figur 1: Feromonet løses opp mellom (1) og (2) lokker fisk inn i fartøyet ved (1). (2) viser til en traktfelle hvor fisken kommer inn, men ikke ut. Ved (3) er det et nett som løftes opp og tvinger fisken videre inn i fartøyet og skannes ved (4). Her sjekker NASP. om all fisken er av riktig art og at den ikke er for liten. Riktig fisk sendes til (6) hvor den lagres, mens feil fisk slippes ut ved (5). Kommunikasjon NASP skal ha høyhastighetskommunikasjon med operasjonssentralen i Midtfjord. Kommunikasjon under vann er utfordrende fordi elektromagnetiske bølger ikke kan brukes på samme måte som i luft. Det krever store mengder energi hvis man vil sende over lengre strekninger og frekvensen må være lav. Dermed blir overføringshastigheten for data også lavere. Under vann er det derfor vanlig å 2

3 bruke lydbølger for å kommunisere. Dette er mindre energikrevende og kan rekke lengre, men fordi lydhastigheten i vann er ca 1500 m/s bruker bølgene litt tid over lengre avstander. For eksempel vil man med 15 kilometers avstand ha en forsinkelse på 20 sekunder når man kommuniserer. For å unngå store energibehov eller forsinkelser ser vi for oss at undervannsfartøyet har en liten selvstyrt følgebåt som automatisk holder seg rett over undervannsfartøyet til en hver tid. Den kommuniserer med NASP ved hjelp av lydbølger og har videre forbindelse med operasjonssentralen gjennom luften. Den trenger altså ikke være større enn at den har plass til kommunikasjonutstyr. Trondheimsfjordens dypeste punkt er på ca 600 meter og gjør kommunikasjon uproblematisk så lenge følgebåten holder seg noenlunde over undervannsfartøyet. Med dette kan undervannsfartøyet fiske alle steder hvor den kan kommunisere med land. Dette gjelder i dag hele Trondheimsfjorden og et lite stykke ut i havet utenfor. I 2050 kan vi anta at kommunikasjonsmulighetene er enda bedre og det vil uansett være en mulighet å kommunisere via satellitt hvis man ønsker å fiske enda lenger ute i havet. Det som trengs av teknologi for å utvikle følgebåten finnes i stor grad fra før. Kommunikasjonen gjennom både luft og vann er relativt uproblematisk og det å få følgebåten til å holde seg omtrent rett over undervannsfartøyet bør heller ikke by på store utfordringer. Identifisering med ekkolodd I dagens ekkolodd har vi teknologi som identifiserer ønskede fiskearter med en nøyaktighet på 75 %[1]. Vi har stor tro på denne teknologien i kombinasjon med viten om bevegelsesmønstre vil være tilstrekkelig for å identifisere ukjente fiskestimer. Det kan være det er mulig å identifisere fiskearter utifra hvordan de beveger seg i vannet. I så fall vil det kanskje være mulig å bruke ekkolodd til å identifisere fiskeart på lengre hold enn det som vil være mulig visuelt. Åidentifisereet enkelt individs art ved bevegelsesmønstre vil være en stor utfordring. Forskjellige arter bruker musklene forskjellig når de svømmer og vil derfor sannsynligvis ha noen små forskjeller i hvordan de beveger seg, men de har også stor variasjon i oppførsel etter hvilken situasjon de er i[2]. Det kan derimot være at det er enklere å identifisere en stim av fisk, da denne gjerne har en mindre variasjon i oppførsel og kanskje bevegelsesmønstre som er mer karakteristiske for hver art. Det vil uansett kreves en omfattende datainnsamling for å kunne si om forskjellene mellom artene er store nok til å kunne identifiseres med ekkolodd. Undervannsfartøyet vil bruke flere ekkolodd plassert i så stor avstand mellom dem som mulig slik at dataene kan settes sammen til et best mulig tredimensjonalt bilde. 3

4 Hvis dette er gjennomførbart vil det bety at NASP kan oppdage en stim på lang avstand og sette kursen mot den. Etter hvert som den kommer nærmere kan den identifisere hvilken art det er og bestemme seg for om den skal fiske eller ikke, avhengig av om det er en ønsket art eller ikke. Med dette økes effektiviteten siden fartøyet ikke trenger å dra helt bort til hver stim for å finne ut om den skal fiske eller ikke. En utfordring, og mulig styrke ved bruken av ekkolodd fra undervannsfartøy er at man ikke analyserer returdataene mot et kart over havbunnen, men kan sende bølger i horisontale plan og oppover, for å identifisere fisk over og rundt fartøyet. Vi ser for oss at dette vil gi mer detaljerte data enn ekkolodd mot havbunnen. I 2050 har ekkolodd-teknologien kommet lenger slik at NASP er i stand til å skape et veldig tydelig bilde av hva som befinner seg et stykke foran den og hvordan det beveger seg. Det er forsket grundig på hvordan fiskestimer beveger seg ved hjelp av ekkolodd og merking av fisk. Dataene er grundig analysert slik at oppførselen til stimer av forskjellige arter er godt kjent og kan gjenkjennes av en datamaskin. Hvordan fange fisken Etter å ha identifisert fiskearten med en viss sikkerhet må vi få lokket fisken inn i undervannsfartøyet. Å fange fisken ved tradisjonelle metoder som garn eller krok vil være upraktisk, vi introduserer derfor fremtidens fiskemetode: Feromonfelle. Konseptet er allerede tatt i bruk for å fange innsekter, og kan adapteres til sjøen[3]. Det vil være behov for å utvikle feromoner spesielt tilpasset de ulike fiskeartene som skal fiskes. For innsekter brukes blant annet sexferomoner, men andre typer vil også kunne utvikles for fiskefangst. Feromoner vil bli sluppet ut i vannet på innsiden av en trakt-felle montert på fartøyet. Dette vil få fiskene til å svømme inn i fartøyet uten at de kommer ut igjen. Skanning av fisk I 2050 er det muligens flere utrydningtruede arter på grunn av miljøendringer og menneskelige inngrep. Derfor burde disse skilles ut hvis de tilfeldigvis skulle havne blant fangsten. Fiskene vil gå gjennom et skanningsystem etter de er fanget hvor de slippes ut hvis de ikke er bekreftet å være riktig fiskeslag. Vi har tatt for oss forskjellige metoder for å skille arter. Disse metodene kan kombineres. 4

5 Infrarød stråling Venene til mennesker er så detaljerte at man kan bruke det til å identifisere individer [4]. Avbildning av vener skjer ved å oppservere stråling fra det infrarøde spekteret. Dette brukes som sagt allerede til å skille individer av samme art. Derfor antar vi at fiskeslag har forskjellig nok veneoppbygging til at man skulle kunne skille artene. Man kan sammenligne venene til fisken med en eksempelmal på ønsket fiskeslag. De som ikke matcher blir separert og sendt ut av fartøyet. Sammenligne optiske bilder Det tas et optisk bilde av fisken som sammenlignes med bilder fra databasen. Det sammenlignes på følgende parametere: proporsjoner (mellom finner, kropp, hale, hode, øye, munn), skjellstørrelse og form, mønster og antall finner. Ultrasonisk lyd Teknologien for å sammenligne fingeravtrykk kunne brukt optisk sammenligning, men det forutsetter at fingre er rene og uskadet [5]. For å eliminere dette problemet kan man bruke ultrasoniske lydbølger (høyere frekvens enn hva mennesket kan høre). Ved å sende visse ultrasoniske lydbølger på fingeren vil man kunne penetrere epidermis (det ytterste hudlaget). Lydbølgene reflekteres så av hudlaget under, som har samme karakteristiske form. Denne teknologien har stort potensiale til å skaffe et detaljert bilde av skallstrukturen på fisken. Ved å justere bølgelengden slik at de ikke reflekteres av slimet utenpå skjellene, noe som kanskje kan skape unøyaktighet ved de andre metodene. Nær-infrarød refleksjon (NIR) spektroskopi kombinert med kjemometri Hvis man stråler et materie med bølgelengder fra 1000 nm til 2500 nm(nir) kan man observere hvor mye av hver bølgelengde som blir absorbert/reflektert. Denne informasjon kan brukes til å analysere sammensetningen av molekyler i stoffet [6]. Mer spesifikt får man en mål på hvor mange C-O, C-H, O-H-bindinger det er. Den kjemiske sammensetningen til skjellene eller overhuden/slimet er hovedsakelig laget av samme komponentene, men det skal være mulig å finne karakteristiske lysspektere for hver art. Denne informasjonen skal kunne skille artene. Bilder av fisken med de forskjellige metodene sammenlignes med input om fiskearten. Inputen i databasen tar hensyn til variasjon i arten. Noen av metodene funker bedre på noen arter enn andre, siden forskjeller mellom arter vil manifestere seg på forskjellige måter. 5

6 Lagring av fangst Etter man har sortert ut og frigjort uønsket fisk, fører man resten av fisken gjennom en automatisk elektrobedøver [7]. Undervannsfartøyet justerer spenningen etter hvilket fiskeslag det er, slik vil det bedøve mest humant. Så blir de bedøvede fiskene plassert i en intern tank med sjøvann. Dette sjøvannet sirkuleres kontinuerlig med sjøvannet utenfor for å være sikker på at oksygennivå og ph-verdi er riktig. På den måten forsikrer vi oss om at fisken er fersk og at filetene ikke får blodflekker eller andre urenheter i seg. Ved å lagre fisken med denne metoden vil NASP kunne dra på 36 timer lange tokt. Referanser [1] publication/ _wideband_sounder_for_fish_species_ identification_at_sea/links/5469f2410cf2397f782f85e6.pdf, hentet [2] &rep=rep1&type=pdf, hentet [3] hentet [4] detecting+patterns+in+images&hl=no&sa=x&ved= 0CDYQ6AEwA2oVChMI2b2jq5ecyAIVyRYsCh0PPAXm, hentet [5] hentet [6] publication/ _usefulness_of_near-infrared_reflectance_ (NIR)_spectroscopy_and_chemometrics_to_discriminate_ fishmeal_batches_made_with_different_fish_species/links/ c4d4bea pdf, hentet [7] hentet