Projekt 16576/01

Verringerung von Umweltbelastungen durch Optimierung von Fütterungsprozessen mittels Sensor zur Erfassung der Fressneigung von Nutzfischen

Projektdurchführung

automation & softwareGünther Tausch GmbH
Lindenstr. 63/TIG
17033 Neubrandenburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für die Sicherung des Nahrungsmittelbedarfs der Bevölkerung mit Fisch kommt der intensiv betriebenen Nutzfischaufzucht eine immer größere Bedeutung zu. Allerdings ist diese nur wirtschaftlich, wenn sie kosteneffizient betrieben wird. Die in Aufzuchtanlagen auflaufenden Personalkosten sind entscheidend für die Gesamtkosten. Um diese auf möglichst niedrigem Niveau halten zu können, werden vermehrt automatisierte Fischfütterungssysteme eingesetzt. Die von den Fütterungssystemen auszubringende Futtermenge wird auf der Grundlage von Wiegeergebnissen, dem Alter der in der Aufzucht befindlichen Fische und anderer Faktoren von computergesteuerten Automatisierungsanlagen bestimmt. Da die Futtermittel sehr teuer sind, kommt es auf deren optimalen Einsatz an, um die gestellten, betriebswirtschaftlichen Zielstellungen erreichen zu können. So perfekt manche Aufzuchtanlagen auch hinsichtlich der Fütterungstechnik ausgestattet sein mögen, sie sind nicht in der Lage, die tatsächliche Fressneigung der Fische in die Futtermittelkalkulation einzubeziehen. Dieser Umstand führt dazu, dass eine durch äußere Einflussfaktoren (Sauerstoffmangel, verminderte Temperatur, Krankheitskeime) bedingte Herabsetzung der Fressneigung bei Fischen während des Fütterungsprozesses grundsätzlich unerkannt bleibt. Die Folge ist, dass die zuvor berechneten Futtermengen ohne Korrektur in die Aufzuchtbecken eingetragen wer-den. Sie korrespondieren nicht mit dem Futteraufnahmevermögen der Fische. Das heißt, dass nur ein Teil des Futters durch die Fische wirklich genutzt wird, und der ungenutzte Teil auf den Boden des Fischaufzuchtsbeckens sinkt. Das hat zur Konsequenz, dass einerseits Futter verschwendet wird und sich andererseits die auf dem Boden der Fischaufzuchtsbecken befindlichen Futterreste zum Nährboden für Faulschlamm entwickeln. Der mit Fischexkrementen versetzte, giftige Faulschlamm muss entsorgt werden. Es häufen sich Umweltschadstoffe an, zu deren Beseitigung ertragsmindernde, finanzielle Mittel benötigt werden. Solange der Faulschlamm im Aufzuchtbecken verbleibt, trägt er durch die Bindung des im Wasser gelösten Sauerstoff zur Verschlechterung der Lebensbedingungen der Fische bei.
Die Abnahme des Sauerstoffgehalts im Wasser stresst die Fische und wirkt ebenfalls kontraproduktiv in Bezug auf die gestellten Aufzuchtzielstellungen. Die Verminderung von Umweltschadstoffen und die Verminderung der Aufzuchtkosten sind Herausforderungen vor denen im Interesses des Umweltschutzes als auch im Interesse der Betreiber von Fischaufzuchtsanlagen die Entwickler moderner automatisierter Aufzuchtanlagen stehen. Die Lösung beider Problemstellungen hängt von der weiterführenden Verbesserung des Fütterungsprozesses ab.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Lösung der Entwicklungsaufgabe erfolgt durch die Umsetzung folgender Arbeitsschritten:
· Hardware-, Firmwareentwicklung, Aufbau und Test eines Mikrowellensensors (Dopplerradarsensors) zur Erfassung von Lebensäußerungen der zu fütternden Fische inklusive Erzeugung eines digitalen, seriellen Datenprotokolls (Fremdleistung),
· Erarbeitung eines Konzepts zur Simulation verschiedener Verhaltensweisen von Nutzfischen im Prozess der Aufzucht, insbesondere bei Fütterungsprozessen (Fremdleistung),
· Hardwareentwicklung zur Schaffung eines netzwerkfähigen Steuerrechners für den Fütterungsautomaten,
· Durchführung von Konstruktionsleistungen (Gehäuse, Netzwerkinterface, Stromversorgung, Halterungen für Dopplerradarsensor und Web-Kamera),
· Softwareentwicklung inklusive Softwaretests (Sensordatenbankerzeugung, Sensordatenübernahmemodul),
· Planung von Versuchen zur Erfassung ethnologischer Verhaltensweisen bei Nutzfischen,
· Durchführung von Versuchen zur Klassifizierung von Verhaltensweisen der Fische und Bewertung der Versuchsergebnisse unter Einbeziehung externer, wissenschaftlicher Kapazität, Modellierung von Referenzdaten, Modul für Datenvergleich und Berechnung eines Futtermittelkorrekturfaktors,
· Softwareentwicklung zur Optimierung des Fütterungsprozesses (Festlegung des Futterzyklusses und der Futtermengen),
· Durchführung komplexer Labor- und Feldtests,
· Dokumentierung der Entwicklungsergebnisse.
Im Rahmen der Erprobung wurden folgende Methoden angewandt:
· Konzentration auf die Untersuchung von Forellen zwecks Eingrenzung der Erprobungsvielfalt,
· Durchführung von Erprobungen an zwei Aufzuchtrinnen mit annähernd gleichartigem Fischbesatz, Damit sollte Fehlinterpretationen, die bei Untersuchungen an nur einer Aufzuchtrinne möglich sind, weitestgehend vermieden werden. Die zweite zu untersuchende Aufzuchtrinne stellt quasi die Kontrollgruppe dar.
· Anwendung der Methode der Dopplerradarmessung zur Bestimmung der Fischbewegungsaktivitäten als Ausdruck der Fressneigung im Fütterungsprozess,
· Ausführung von Videoaufnahmen als Gegenmeßmethode zur Bestätigung von Messergebnissen des Dopplerradar-Sensors,
· Begleitung verschiedener Phasen des Fütterungsprozesses zur Erfassung der Fischreaktionen
· Messung der Fischaktivitäten beim Heranfahren des Fischfütterungsautomaten an die Sollaufzuchtrinne,
· Messung der Fischaktivitäten in der Sollposition,
· Messung der Fischaktivitäten bei Entfernung des Fischfütterungsautomaten von der Sollposition,
· Ermittlung störender Einflüsse durch Vergleichsmessungen an unbesetzten Aufzuchtsrinnen
· Ermittlung störender Einflüsse der Eigenbewegung des Fischfütterungsautomaten,
· Ermittlung störender Einflüsse durch das Einstreuen des Futtermittels,
· Durchführung von Erprobungen zu unterschiedlichen Jahreszeiten zwecks Erfassung des Einflusses unterschiedlicher Umgebungstemperaturen auf das Fressverhalten der zu untersuchenden Forellen


Ergebnisse und Diskussion

· Der entwickelte Dopplerradar-Sensor ist in der Lage, Fischbewegungen von Forellen während des Fütterungsprozesses zu detektieren. Aktivitäten, die mit dem Doppleradar-Sensor erfasst wurden korrespondieren mit Videoaufnahmen, die vermehrte Fischbewegungsaktivitäten zeigen.
· Die Bündelungseigenschaften der Antenne des Dopplerradar-Sensors lassen die selektive Untersuchung von Forellen innerhalb einer Aufzuchtrinne zu. Aktivitäten in benachbarten Aufzuchtrinnen haben keinen nennenswerten Einfluss auf das Messergebnis des Dopplerradar-Sensors. Das gleiche trifft auch auf Bewegungen seitlich und hinter dem Fütterungsautomaten zu.
· Sind in der Strahlrichtung des Dopplerradar-Sensors keine Bewegungsaktivitäten vorhanden, produziert der dieser auch kein Ausgangssignal.
· Die Verlangsamung der Fischaktivitäten bei niedrigen Temperaturen konnte signifikant gemessen werden.
· Die Eigenbewegung des Fütterungsautomaten und das Einstreuen des Futtermittels bedingen eine Beaufschlagung des Messsignals mit Störsignalen. Diese Störsignale wirken sich nicht in allen Sensorkanälen aus. Die Erprobungen haben gezeigt, dass die Kanäle 1 und 2 (Tiefpass: 0Hz bis 50 Hz und Bandpass: 50 bis 100 Hz) unter den konkreten Erprobungsbedingungen am wenigsten von den Störsignalen beeinflusst wurden.
· Der Dopplerradar-Sensor ist in der bisherigen Ausführung auf Grund der gewählten Filterdimensionierung (nur drei Frequenzkanäle) nicht in der Lage, detaillierte Verhaltensunterschiede, die durch Bewegungsänderungen zum Ausdruck kommen, auszumachen.
· Trotz der genannten Einschränkungen ist der entwickelte Sensor der bisher einzige seiner Art, der eine Rückkopplung zwischen Fischfütterungsautomat, dem Futterberechnungsalgorithmus und den Aktivitäten (Fressneigung) der Fische herstellen kann.
· Der Sensor kann im Rahmen weiterführender Entwicklungen verbessert werden.
· Die automation & software Günther Tausch GmbH hat den Dopplerradar-Sensor in den Prozess der Futtermittelbestimmung und -veräußerung am Erprobungsstandort Wilsen einbezogen, so dass dort bereits Effekte durch die Optimierung des Futtermittelbedarfs und die daraus resultierende Verringerung von Umweltbelastungen nutzbar sind.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die automation & software Günther Tausch GmbH hat während der laufenden Entwicklung folgende Aktivitäten zur Veröffentlichung der Entwicklungsergebnisse entfaltet:
· Darlegung der Problematik zur Optimierung von Fischfütterungsprozessen und Reduzierung von Umweltbelastungen in einem Zeitungsartikel der Zeitung Nordkurier unter der Überschrift Futter-Roboter beobachtet Fische (siehe Artikelkopie),
· Aushang eines Plakates zum besagten Thema als Bewerber um den Technologiepreis des Landes M-V, Die automation & software Günther Tausch GmbH konnte den 5. Platz in dem Wettbewerb der Technologiepreisbewerber belegen (siehe Plakat - PDF-Datei).
· Vortrag und Präsentation auf Eurotier 2002 (siehe PowerPoint-Präsentation)


Fazit

Mit der Realisierung des Entwicklungsprojektes ist erstmals eine Sensoranordnung geschaffen worden, die eine Rückkopplung zwischen Fischfütterungssystem und den Lebensäußerungen von Fischen - konkret von Forellen - ermöglicht. Damit ist ein Mangel, der von den Fischern in Bezug auf das Leistungsvermögen automatischer Fischaufzuchtssysteme erhoben wurde, beseitigt worden. Die Sensoranordnung ist noch nicht perfekt. Durch eine Fortführung der Sensorentwicklung sind jedoch Verbesserungen möglich. Diese sollten sich auf folgende Zielrichtungen konzentrieren:
· Verbesserung der Sensor-Filteranordnung zur Erreichung detailliert auflösbarer Bewegungsdaten
· Verringerung von Störeinflüssen durch eingestreutes Futter und durch die
· Eigenbewegung des Fischfütterungsautomaten.