Katika aquaponics, chati za mtiririko au michoro za hisa na mtiririko (SFD) na michoro za kitanzi za causal (CLDs) hutumiwa kwa kawaida kuonyesha utendaji wa mfumo wa aquaponic. Katika zifuatazo, chati ya mtiririko na CLDs zitaelezwa.

11.7.1 Chati za mtiririko

Ili kupata ufahamu wa utaratibu wa aquaponics, chati za mtiririko na vipengele muhimu zaidi vya aquaponics ni chombo kizuri cha kuonyesha jinsi nyenzo inapita katika mfumo. Hii inaweza kusaidia, kwa mfano, katika kutafuta vipengele visivyopo na mtiririko usio na usawa na hasa kushawishi vigezo vya subprocesses. Kielelezo 11.18 kinaonyesha chati rahisi ya mtiririko katika aquaponics. Katika chati ya mtiririko, chakula cha samaki na maji huongezwa kwenye tank ya samaki, ambapo chakula kinachukuliwa na samaki kwa ukuaji, maji hutajiriwa na taka ya samaki na maji yenye utajiri huongezwa kwenye mfumo wa hydroponiki ili kuzalisha mimea ya mimea. Kutoka kwenye chati ya mtiririko, CLD iliyoonyeshwa kwenye Mchoro. 11.19 inaweza kujengwa kwa urahisi.

mtini. 11.18 Mfano wa chati ya mtiririko katika aquaponics (tu RAS na HP kubadilishana)

mtini. 11.19 Causal kitanzi mchoro (CLD) kuonyesha mifano ya kuimarisha na kitanzi uwiano ndani ya mifumo ya aquaponic. Kitanzi cha kuimarisha (R) ni moja ambayo hatua hutoa matokeo ambayo huathiri zaidi ya hatua sawa na hivyo kusababisha ukuaji au kushuka, ambapo kama kitanzi cha kusawazisha (B) kinajaribu kuleta vitu kwenye hali inayotakiwa na kuwaweka huko (k.mf. udhibiti wa joto ndani ya nyumba)

11.7.2 Miundo ya Loop ya Causal

Miundo ya kitanzi ya Causal (CLDs) ni chombo cha kuonyesha muundo wa maoni ya mfumo (Sterman 2000). Michoro hii inaweza kuunda msingi wa kuelewa mifumo tata kwa kutazama kuunganishwa kwa vigezo tofauti ndani ya mfumo. Wakati wa kuchora CLD, vigezo vinaonyeshwa kama nodes. Nodes hizi zinaunganishwa na kando, ambazo huunda uhusiano kati ya vigezo viwili ipasavyo. Kielelezo 11.19 kinaonyesha kwamba mipaka hiyo inaweza kuwa alama kama ama chanya au hasi. Hii inategemea uhusiano wa vigezo kwa kila mmoja. Wakati vigezo vyote viwili vinabadilika katika mwelekeo huo, basi mtu anaweza kuzungumza kiungo chanya cha causal. Kiungo cha causal hasi husababisha mabadiliko katika mwelekeo tofauti. Wakati wa kuunganisha nodes mbili kutoka pande zote mbili, moja inajenga mzunguko imefungwa ambayo inaweza kuwa na sifa mbili: (1) kuimarisha loop inayoelezea uhusiano causal, kujenga ukuaji kielelezo au kuanguka ndani ya kitanzi au (2) kusawazisha loop ambapo mvuto causal kuweka mfumo katika usawa . Kielelezo 11.19 kinaonyesha mfano wa aina zote mbili za loops.

Hebu tuonyeshe hili (Mchoro 11.20) kwa chati ya mtiririko wa Mchoro 11.18.

Ni dhahiri kwamba CLD na SFD ni muhimu sana kwa ufahamu wa mfumo, wakati mfano hauhitaji usahihi wa namba. Ikiwa usahihi wa namba unahitajika, mchakato unapaswa kujifunza zaidi na mchoro wa chombo cha nguvu cha mfumo (SDTD) na umeelekezwa katika programu ya nguvu ya simulation ya mfumo. Kwa mfano, CLD katika Kielelezo. 11.20 inaweza kuongezeka kwa usawa tofauti kwa SDTD (Mchoro 11.21).

Mtini. 11.20 Mfano CLD kwa RAS na HP kubadilishana

Kutoka SDTD, sasa tunaweza kuona jinsi usawa tofauti wa usawa wa virutubisho katika tank inaonekana kama. Tunajua kwamba mtiririko wa virutubisho nje ya tank ya samaki (MsubXfout/sub) lazima iwe mtiririko wa maji (Qsubfout/sub) mara mkusanyiko katika mkondo wa nje (CsubXf/sub):

$M_ {xfout} == C_ {xf} Q_ {faut} $

Kutokana tank kuchochea anatoa mkusanyiko virutubisho ya tank fink kwa:

$C_ {xf} = M_ {xf} /V_F$

Ulinganisho tofauti wa sehemu ya RAS inaweza kupatikana kwa:

$XV_F/DT=Q_ {pezi} -Q_ {faut} $

$DM_ {xf} /DT=m_ {xfin} -M_ {xfout} $,

Kielelezo 11.21 Mfano SDTD kwa RAS na HP kubadilishana

na kwa ajili ya mkusanyiko

$dc/dt= (Q_ {fin} C_ {xfin} -Q_ {faut} C_ {xf} /v_F) $

11.7.3 Programu

Mbali na lugha za msingi za kompyuta, kama vile Fortran, C++ na Python, kwa hesabu ya haraka na utekelezaji kamili wa mtumiaji, kila aina ya zana za programu za juu zinapatikana. Zana hizi za programu za juu hutoa mazingira mbalimbali, dhana na chaguzi. Tunaweza mfano vigezo hali, equations tofauti, uhusiano na loops. Aidha, tunaweza kutumia mfano kwa ajili ya uigaji, uchambuzi utulivu, optimization na kudhibiti.

Sababu kuu za kuimarisha mfumo ni kuelewa na kuidhibiti. Kwa hiyo, mfano husaidia kutabiri mienendo ya mfumo au tabia. maombi ya programu inaweza kuruhusu sisi kufanya kazi tatu matokeo: (a) modeling yenyewe, (b) uigaji wa mfano (s) na (c) optimization ya mfano na/au simulation.

Mathematica programu ni kwa ajili ya uchambuzi wa kazi ya matatizo hesabu ilivyoelezwa (Wolfram 1991). Dhana inategemea mbinu ya LISP (McCarthy na Levin 1965.), lugha yenye ufanisi sana ya programu. Syntax ni rahisi sana, na programu hii inajulikana katika hisabati, fizikia na mifumo ya biolojia. Hasa, moduli ya Ndsolf husaidia kutatua usawa wa kawaida wa tofauti, kupanga njama na kupata maadili maalum.

Vifaa sawa sana vya kutatua ODE hutolewa na Maple. Programu hii ni nguvu sana; kati ya makala yake ni mali ya mipaka matatizo ufumbuzi, ufumbuzi halisi na makadirio ya hisabati. Copasi (simulator tata ya njia) ni chombo cha programu kwa simulation na uchambuzi wa mitandao ya biochemical kupitia usawa wa kawaida wa tofauti.

Sagemath ni mfumo wa programu ya hisabati ya bure. Programu ni msingi wa Python na inawezesha simulation ya mifano ya ODE. Data2Dynamics programu ni mkusanyiko wa mbinu namba kwa upimaji nguvu modeling na ni kina mfano na data maelezo lugha. Programu inaruhusu uchambuzi wa kelele, calibration na utabiri wa kutokuwa na uhakika na ina maktaba ya mifano ya kibiolojia.

Pengine lugha bora ya simulation ni Simula (pengine haitumiki tena) na Simula 67, inayozingatiwa mwanzoni kama mfuko wa Algol 60. Hizi ndizo lugha za kwanza zinazoelekezwa kikamilifu, kuanzisha madarasa, urithi, subclasses, mtoza takataka na wengine. Mwanzoni mwa karne ya ishirini na moja, waumbaji Ole-Johan Dahl na Kristen Nygaard walipewa medali ya IEEE John von Neumann na tuzo la A. M. Turing (Dahl na Nygaard 1966).

Wazo la Simula lilikuwa kwamba vitu vina uhai; vinaanza kuwepo, kufanya uhai wao na kusitisha. Vitu hufafanuliwa kama madarasa ya jumla (msimbo wa template), na kila mfano wa kitu kama hicho kina ‘maisha’ katika simulation. Lugha ilikuwa vigumu sana kujifunza. Hata hivyo, ni inayotolewa uwezekano wa mfano michakato kitu na kitu na kukimbia simulation ya maisha yao. Simulation inaendesha kwa misingi ya matukio ya kipekee, na inawezekana kuiga vitu katika ushirikiano wa kawaida. Kazi zaidi zinaweza kuanza, kukimbia, kufuta, kuendelea na kukamilisha katika vipindi vya muda vinavyoingiliana katika michakato ya quasipalane. Vifaa vya leo hutuwezesha modeling na simulation katika nyuzi kikamilifu sambamba. Hata hivyo, dhana nyingi za Simula zilikuwa tayari kutumika kwa ajili ya maendeleo ya lugha nyingine, yaani, Java, C/C++/C\ # na maktaba ya vitu vinavyoendelea kama DOL (Soukup na Machacek 2014). Mrithi wa sasa wa Simula ni BETA, kupanua na akishirikiana na uwezekano wa urithi katika dhana za madarasa yaliyojaa (ndogo) (pamoja na wakati wa ndani) na ruwaza (Madsen et al. 1993).

Daima ni chaguo kutumia lugha yoyote ya kitu-oriented na maktaba maalum na mpango wa kanuni zote muhimu kwa mfano maalum. Kwa upande mwingine, tayari zilizopo graphical mazingira ya programu kuruhusu kubuni na kuunganisha muundo wa mfumo inatokana na maktaba ya vitu (ishara jenereta, jumla, integrator, nk), parametrize yao na kukimbia simulation katika muda virtual.

Programu nyingine maarufu ya simulation ni MathWorks Simulink, akielezea yenyewe kama chombo cha kubuni cha mfano. Mazingira inaruhusu kuchanganya na kuimarisha vitalu vilivyotanguliwa (kutoka kwa maktaba mbalimbali) na michoro katika mifumo ndogo. Programu imefanywa kwa kutumia vitalu vya graphical na uhusiano wao katika sehemu za kazi na loops za maoni. Mazingira hutumiwa sana kwa udhibiti, automatisering na usindikaji wa ishara. Uwezekano mwingine ni kuunganisha msimbo mwenyewe kutoka kwa MathWorks Matlab lugha au kutumia vifurushi mbalimbali vya zana (Jablonsky et al. 2016). Mmoja wao, Senssb, analenga uchambuzi wa unyeti na inaruhusu kuingiza mifano mingine kwa kutumia Lugha ya Markup ya Biolojia ya Systems. Kwa taswira tu ya mifano zilizopo katika Simulink, inawezekana pia kutumia mtazamaji wa mifano ya haraka sana DiffPlug. PottersWheel inasaidia modeling ya mifumo ya nguvu tegemezi, parameter calibration, uchambuzi na utabiri. Chombo cha kuvutia ni kubuni ya majaribio kwa uthibitishaji wa mfano.

Kwa mfano na uchambuzi wa mienendo ya mfumo, mkakati sawa hutumiwa na programu ya programu ya Stella Architect isee, ambapo mfano huo unajumuisha vitalu, ambavyo vinaunganishwa na mahusiano. Stella inaruhusu modeling na simulation ya aina tofauti sana ya maombi, kuanzia mahitaji ya matibabu kwa njia ya ujenzi wa ndege. Stella wakati mwingine huuzwa kama programu ithink. Programu Powersim iliundwa awali kwa madhumuni ya kiuchumi. Hata hivyo, maendeleo katika chombo kisasa zaidi, ikiwa ni pamoja na umeme, nishati ya jua au simuleringar matibabu ya madawa ya kulevya. Msanidi wa zamani wa Powersim sasa anazalisha programu sawa kwa kazi ngumu zaidi Dynaplan Smia. Vensim ni mfumo wa kutengeneza mahusiano makubwa ya data ya mifumo halisi. Nguvu ya Vensim ni kwamba inaruhusu kufuatilia causal, uchambuzi wa unyeti, calibration na simulation kubwa. Hata hivyo, programu hiyo pia ina uwezo wa kushughulika na mifumo mbalimbali rahisi na ngumu halisi (Hassan et al. 2016). True-World mfumo mienendo programu kuwezesha tata multibody nguvu uigaji katika muda kipekee na kuendelea. Modeling kimsingi huanza kutoka mizani.

Mbinu tofauti kabisa kwa modeling na simulation ni automata za mkononi au mbinu mawakala makao modeling, maarufu na Stephen Wolfram (Wolfram 1991) kama aina mpya ya sayansi. Njia hiyo wakati mwingine pia inaitwa mchezo wa maisha. Modeling ni kutekelezwa kupitia mwingiliano wa watu binafsi uhuru (Macal na Kaskazini 2005). Masimulizi yanaonyesha tabia zinazojitokeza na kwa hiyo ni maarufu sana katika mifumo ya biolojia kwa mienendo ya idadi ya watu. Chombo rahisi kwa msingi (na ya juu, pia) mfano wa wakala na simulation ni programu ya NetLogo, ambapo maelezo rahisi na parametrization huunda mifano yenye nguvu. programu inaruhusu taswira ya maendeleo wakati na kelele introduktionsutbildning (Stys et al. 2015). Programu imeandikwa katika Java, ambayo wakati mwingine hupunguza kumbukumbu iliyopo. Pengine jitihada kubwa katika modeling mbalimbali wakala ilifanyika kwa maendeleo ya programu Wolfram, ambayo ni muendelezo wa Mathematica maarufu, na zana kupanuliwa kwa modeling na simulation. Ina kuweka simulink-kama modeling katika suti ya kuvutia zaidi na pia inajenga uwezekano wa modeling wakala makao na zana zaidi kwa ajili ya taaluma nyingine hisabati (takwimu multivariate, madini data, kimataifa optimization).

AnyLogic ni programu ya kuvutia sana kwa matatizo ya mtiririko — habari, fedha, trafiki, vifaa na madini. Simulation hutatua tatizo la mtiririko bora katika mfumo ulioundwa na jitihada ndogo na ufanisi mkubwa. Dhana zilizotumiwa ni mienendo ya mfumo na modeling ya wakala na ya busara ya tukio. Pia hutoa mahuluti kati ya dhana tofauti modeling. Programu hiyo ni muhimu, kwa mfano, katika uigaji wa kuenea kwa janga (Emrich et al. 2007).

Mwingine wakala makao modeling chombo ni Insight Maker, kwa simulation ya idadi ya watu kushirikiana katika kijiografia au mtandao nafasi. Programu inasaidia graphical mfano ujenzi, matumizi ya dhana nyingi, iliyoingia scripting na optimization toolset (Fortmann-Roe 2014).

Kwa modeling yenyewe, maelezo ya vigezo vya serikali, ufumbuzi wa ODE, parametrization na uchambuzi wa utegemezi wa muda, kundi la kwanza la programu, kutoka Mathematica hadi Matlab, inaweza kutumika bila kusita. Wao huwakilisha zana za nguvu kwa madhumuni ya mfano. Katika kesi ya uchambuzi ngumu zaidi, kama vile kuhusiana na data kubwa, simulation, kelele introduktionsutbildning, optimization, unyeti na stochastics zinahitajika zana ya juu zaidi, na mbinu kitu-oriented, kuwashirikisha pia introduktionsutbildning juu katika lugha ya programu syntax