Diseño de un módulo electrónico para la crianza automatizada de peces mediante modelamiento matemático multiparamétrico que simule las condiciones básicas necesarias para la crianza, en estanques artificiales en función de parámetros fisicoquímicos

• Autores: Hernán Díaz Lopez, Yezid Vargas Gómez
• Localización: Revista UIS Ingenierías, ISSN-e 2145-8456, ISSN 1657-4583, Vol. 17, Nº. 2, 2018 (Ejemplar dedicado a: Revista UIS Ingenierías), págs. 253-268
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Electronic module design for automatic fish breeding through multiparametric mathematical modeling that simulates necessary basic conditions for breeding in artificial ponds according to physico-chemical parameters
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• Resumen
  • español

    La acuicultura es una de las actividades que, en el sector productivo, ha tenido un crecimiento económico a nivel nacional. Esta, depende del manejo que se le pueda brindar al cuerpo de agua, lo cual requiere la atención de ciertos parámetros físico-químicos como temperatura, oxígeno disuelto, pH, entre otros; para obtener el éxito de la producción. En este trabajo se muestra el estudio de varios modelos matemáticos donde se toma la calidad de agua como caso de estudio, con el propósito de simplificarlos, usando tres metodologías a través de herramientas computacionales, así como de las relaciones o evolución temporal de cada variable, expresadas a través de relaciones matemáticas correspondientes del mundo real (relaciones tecnológicas, leyes físicas, restricciones del mercado, etc.) estimando el comportamiento del proceso para determinadas condiciones.  En primera instancia se definen los parámetros para la caracterización, tales como el régimen de alimentación, biomasa, alcalinidad, aireación, efectos fotosintéticos, entre otros factores físicos, químicos y biológicos de fácil medición, en una secuencia de casos particulares. Con esto se adapta el modelo matemático tomando elementos desde su codificación en ecuaciones, las cuales permiten hacer un análisis y encontrar una expresión para su concentración en estado estacionario; mediante la relación de estas cantidades con la concentración máxima admisible, que se espera, poder condensar en un “único” modelo multifactorial que caracterice todo el proceso, buscando mantener ciertos parámetros considerados como críticos, dentro de unos límites aceptables. Esto, basados en modelos estandarizados incorporando las modificaciones o mejoras que cada uno de ellos aporta, mediante el estudio previo que ha pretendido integrar todo el proceso al interior de estanques artificiales de geomembrana, implementando herramientas de monitoreo que posibilitan el manejo estadístico, registrar cambios en los patrones, además de poder generar reportes históricos, e información importante del proceso.  Se realiza la identificación en sistemas reales haciendo uso de la herramienta “Control System Toolbox” de MATLAB a través de una versión institucional, esto permite la obtención de una cantidad de datos significativos con suficiente información de la dinámica del sistema, validando varios modelos, reduciendo la solución a la “mínima expresión”. Adicionalmente, se diseña una interfaz que facilita el ingreso de parámetros, simula diferentes escenarios de cultivo o condiciones iniciales del sistema para la estimación de las múltiples variables en un número reducido. La interfaz permite, de igual manera, determinar el número máximo de la población cultivada que el ambiente puede soportar en un periodo de tiempo, que condescienda en la adecuada operación de proyectos piscícolas de forma continua, sin afectar la salud de los peces debido en gran medida, a la falta de un instrumento para controlar la calidad del agua del proceso; de modo que minimice el impacto ambiental, mejore los beneficios comerciales, atendiendo especialmente a aquellos aspectos que más influyen en el cultivo comercial, cumpliendo con las recomendaciones sobre estabulación de los peces; el proyecto ha atendido a la necesidad de una serie de procedimientos, observaciones, así como recomendaciones al respecto.

  • English

    Aquaculture is one of the activities that in the productive sector has had economic growth at the national level. This depends on the management that can be given to the body of water, which requires the attention of certain physico-chemical parameters such as temperature, Dissolved Oxygen, pH, among others to obtain the same success of the production. In this work we show the study of several mathematical models where water quality is taken as a case study, with the purpose of simplifying them maintaining the maximum of the model, using three methodologies through computational tools, as well as relations or temporal evolution of each variable, expressed through corresponding mathematical relations of the real world (technological relations, physical laws, market restrictions, etc.) estimating the behavior of the process for certain conditions.

      In the first instance, the parameters for the characterization, such as feed regime, biomass, alkalinity, aeration, photosynthetic effects, among other physical, chemical and biological factors of easier measurement are defined in a sequence of particular cases. With this, the mathematical model is adapted by taking elements from their coding in equations, which allow an analysis of inputs / outputs to find an expression for their concentration in steady state by the ratio of these quantities to the maximum admissible concentration, which is expected, to be able to condense into a "single" multifactorial model that characterizes the whole process, seeking to maintain certain parameters considered as critical, within acceptable limits. This, based on standardized models incorporating the modifications or improvements that each one of them contributes, through the previous study that has tried to integrate all the process inside artificial geomembrane ponds, implementing monitoring tools that allow the statistical management, to register changes in the patterns, besides being able to generate historical reports, and important information of the process.

      The identification in real systems is made using the MATLAB Toolbox, obtaining a significant amount of data to ensure sufficient information of the dynamics of the system, validating several models, reducing the solution to "minimum expression". Additionally, an interface that facilitates the input of parameters is designed; it simulates different crop scenarios or initial conditions of the system for the estimation of the multiple variables in a reduced number of these. Likewise, to determine the maximum number of cultivated population that the environment can withstand in a period of time, that condenses in the proper operation of fishery projects in a continuous way, without affecting the health of the fish due to a great extent, to the lack of a control instrument to help control the water quality of the process; So as to minimize the environmental impact, improve the commercial benefits, paying special attention to those aspects that most influence the commercial culture, complying with the recommendations on fish stocking; This work being a starting point, presenting a series of procedures, observations, and recommendations.