蜂巢恒温调控机理研究

The homeothermy regulation mechanism study of honeycomb not only is the hot issues in honeybee science, but also provides extremely important revelation for the human cognition and environmental improvement. Although many research results have shown that the honeybee is able to adjust the temperature of honeycomb, little is known about the detail temperature regulation mechanism of honeycomb. In this project, we will use Apis cerana cerana and Apis mellifera ligustica as research objects, and investigate the relationships among the different location temperature of honeycomb and buzzers quantity as well as morphology structure in the variously environmental temperature change patterns using the modern information theory, physiology technology, ecology and behavioral science. We will also further use the complex network theory to study the dynamic characteristics of regulating thermostat process of the honeybee colony, finding the relationship between morphology structure and dynamics connotation, and detecting the potential effects of time, position, quantity, morphology and network dynamics of swarm on regulation of honeycomb isothermal. In addition, we will try to reveal the temperature adjustment mechanism of honeybee colony based on the point of view of quick synchronous and information transmission as well as local and global comprehensive balance. Based on these above researches, we will, respectively, explore the effect of worker instars, box structure, buzzer hives space, hivebody, Apis cerana cerana and Apis mellifera ligustica on the patterns of temperature regulation of honeycomb. Thus, this project results will not only provide the important basis for scientific beekeeping, improving quality and output of bee products, but also provide new ideas for human cognitive and environmental renovation.

蜂巢的恒温调控机理不仅是蜂学研究的热点问题，而且对人类的认知、环境改造也具有非常重要的借鉴价值。现有研究结果只表明蜜蜂具有调节蜂巢温度的功能，未能进一步揭示蜜蜂调节蜂巢温度的机制。本项目以中华蜜蜂和意大利蜜蜂为研究对象，将蜜蜂生理/生态/行为学、现代信息理论和技术有机结合，研究多种环境温度变化模式中蜂巢各处的温度与蜂群数量、形态结构的关系，并应用复杂网络理论研究蜂群调温过程的动力学特性，探讨形状结构与动力学内涵之间的联系，揭示蜂群的时间、位置、数量、形态、网络动力学等特征与蜂巢恒温之间的规律，尝试从快速同步和信息传输、局部和全局综合平衡等角度解释蜂群的调温机制。在此基础上，研究工蜂日龄、箱体结构、蜂巢空间、巢脾、意大利蜜蜂与中华蜜蜂等对巢温调控的差异性规律。本课题的研究成果将为科学养蜂、提高蜂产品的质量和产量提供科学依据，同时也为人类的认知、环境改造提供新思路。

蜂巢恒温调控机理是蜂学研究的热点问题，现有研究只表明蜜蜂具有调节蜂巢温度的功能，未能进一步揭示其恒温调控机制。本项目将蜜蜂行为/生态/生理学、现代信息理论及电子/计算机技术有机结合，从新的角度揭示蜂巢调温机制。主要研究内容及成果包括：.1，蜂巢全蜂房温度调控实验装置研制。①设计了基于微传感器阵列的蜂巢温度监测模块，可实时采集蜂箱内立体均匀分布的30点温度和箱外环境温度。②设计了全覆盖式巢脾温度采集模块，对单张巢脾2880个蜂房温度进行实时、高精度、无干扰检测。③设计了蜂巢视频监测和蜜蜂图像处理模块，实现了蜜蜂图像获取和蜂群数量、形态结构自动提取。④采用新型蜂箱设计并集成上述3个模块，构建了蜂巢视频—温度监测系统。⑤在自然环境和冷库环境下开展调温实验，获得大量数据。.2，蜜蜂调温过程的仿真研究。以蜜蜂智能体及蜂巢温度场为仿真对象，模拟了越冬期蜂群的调温过程，获得不同蜂群规模、初始环境温度以及蜜蜂个体移动规则对温度调节的影响规律，拓展了常规的人工观测和实验测量的研究方法。.3，调温实验数据的动态分析和可视化研究。针对调温实验获得的大量数据，进行均值、方差和直方图等单通道分析，以及相关、偏相关等多通道分析，并采用图形用户接口进行直观显示。结果表明，当环境温度剧烈变化时蜂巢中心保持在34．8℃左右，蜂群为适应温度变化自主地通过抱团聚集来保持中心温度相对稳定，且温度分布与位置具有较大关联性。.4，图像-温度融合的蜂巢温度调节分析。采用聚类分割、分块和邻域像素赋值等算法提取时间及位置对应的蜂群图像矩阵和蜂房温度矩阵，计算每一帧图像与温度矩阵之间的相关系数和互信息量，从而建立相关系数及互信息量时间序列曲线。该方法提高了对蜂巢温度调节过程的解析效果。.5，蜂巢温度复杂网络分析。①针对蜂群“网络”的分析和定量计算问题，提出一种新的两级优化的连续域蚁群算法，较大程度地提高了优化性能。②运用复杂网络理论和方法研究意大利蜜蜂发育周期内巢脾温度的变化规律。针对蜜蜂发育周期连续26日龄的巢脾温度数据，构建巢脾温度网络，并计算温度网络的度、聚类系数和平均路径长度，研究表明，巢脾温度的网络表达与蜜蜂发育过程相符，且网络测度值可区分关键发育阶段。. 上述研究初步揭示了蜂巢调温过程及机理，并具有重要的应用价值。