Класи інформаційно-технічних систем оперативного моніторингу стану сільськогосподарських угідь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра інформаційно-технічних та природничих дисциплін

Київський кооперативний інститут бізнесу і права

Классы информационно-технических систем оперативного мониторинга состояния сельскохозяйственных угодий

кандидат технічних наук, доцент

Анотація

Ключові слова: класи, інформаційно-технічні систем оперативного моніторингу, стан сільськогосподарських угідь, конструкція Олександра Броварця, розумні технології, агропромислове виробництво.

Аннотация

Одним из перспективных направлений является обеспечение необходимых качеств выполнения технологических процессов за счет получения высшего (в сравнении с физиологичными возможностями человека) уровня информации и оперативного управления рабочими процессами машин и на основе этого переход к новым прогрессивным технологиям с использованием «умных» сельскохозяйственных машин. Потому возникает необходимость в их разработке и использовании информационно-технических систем оперативного мониторинга состояния.

Ключевые слова: классы, информационно-технические систем оперативного мониторинга, состояние сельскохозяйственных угодий, конструкция Александра Броварца, умные технологии, агропромышленное производство.

One of perspective directions is providing of necessary internals of implementation of technological processes due to the receipt of higher (by comparison to physiology possibilities of man) level of information and operative working processes control of machines and on the basis of it transition to new progressive technologies with the use of «clever» agricultural machines. That is why there is a necessity in their development and use of the informatively-technical systems of the operative monitoring of the state of agricultural lands of construction of Brovarets Alexander.

Key words: classes informatively-technical systems of the operative monitoring, state of agricultural lands, construction of Brovarets Alexander, clever technologies agroindustrial production.

Постановка проблеми

Огляд сучасних літературних джерел та наукових розробок [1] показує, що останніми роками відбувається процес інтеграції натурального (органічного або біологічного), біодинамічного, екстенсивного, інтенсивного (промислового) та no-till землеробства з новітніми технологіями, зокрема з інформаційно-технічними системами оперативного моніторингу стану сільськогосподарських угідь. При цьому останній напрям є найбільш актуальним та перспективним для умов України.

Важливою задачею оперативного моніторингу стану сільськогосподарських угідь є так званий «management units» -- територіальних одиниць з подібними параметрами просторової неоднорідності, де повинні використовуватися однотипні технології обробітку сільськогосподарських культур. Ці технології є основою роботи системи прийняття рішень «decision-making systems», яка дозволяє прийняти ефективні оперативні рішення на основі оперативних даних про агробіологічний стан ґрунтового середовища.

Неоднорідність ґрунту можна представити як ієрархічну підпорядкованість явищ. Питання про шкалу вимірювання неоднорідності. Звичайно, неоднорідність порівняно просто вираховується, коли порівнюються об'єкти вимірюються кількісно і при цьому використовуються кількісні критерії. Неоднорідність вважають фактором, відповідальним за біорізноманіття, тому що завдяки їй формується екологічна складова і забезпечується багатогранність організмів ґрунту [2].

Крупні агрохолдинги зробили ставку на використання стандартних рішень задач планування на основі використання так званих «коробочних продуктів» (1С, Парус, Oracle EBS та ін.) [5]. Але, на жаль, типові рішення не забезпечують реалізації принципу взаємозв'язку перспективного, поточного і оперативного планування та ефективного керування агробіологічним потенціалом сільськогосподарських угідь.

За межами типової системи інформаційного забезпечення процесів планування залишаються задачі, пов'язані з вибором оптимальних рішень, оцінки альтернативних варіантів розвитку і т.д.

У більшості сільськогосподарських підприємств, що використовують для автоматизації функцій планування системи операційного управління (розроблених на основі як типових, так і індивідуальних проектів) не можуть уникнути головного недоліку даного типу інформаційних систем: зміщення акцентів у бік поточного планування [4].

Очевидно, що за таких умов виникає необхідність у принципово нових підходах до ведення агропромислового виробництва, що полягає у забезпеченні належної якості виконання технологічних операцій. Якість виконання технологічних операцій є інтегральним показником ефективності виробництва сільськогосподарської продукції в межах агробіологічного поля. Необхідна якість виконання основних технологічних процесів у рослинництві забезпечується за рахунок інтегрованих інформаційно-технічних систем оперативного моніторингу агробіологічного стану сільськогосподарських угідь [13-15].

Сучасне сільськогосподарське виробництво передбачає широке використання автоматизованих систем для моніторингу стану сільськогосподарських угідь.

Один з головних підходів при застосуванні сучасних технологій землеробства -- оптимізувати урожайність і забезпечити екологічну якість сільськогосподарської продукції із врахуванням варіабельності зон управління сільськогосподарським полем (рис. 1). Знання певної структура варіабельності ґрунтового покриву дозволяє прийняти ефективні рішення для управління агробіологічним потенціалом сільськогосподарських угідь [1].

Рис. 1. Схема сучасного управління агробіологічним потенціалом агропідриємтвом

Таким чином, схема сучасного управління агробіологічним потенціалом сільськогосподарського агропідприємства (рис. 1) передбачає наявності загальних елементів: склад технологічних матеріалів, виробництво та склад нафтопродуктів та сільськогосподарських підприємств та новітніх елементів для ефективного функціонування сільськогоспоарського виробництва шляхом підвищення якості виконання технологічних операцій.

Зокрема важливим елементом цих технологій є безперервний моніторинг стану сільськогосподарських угідь за трьома напрямками: супутниковий моніторинг (реалізація за допомогою супутників), аеоромоніторинг (з використанням літальних апаратів) та ближній моніторинг (за допомогою рухомих транспортних засобів). Така організація дає можливість сформувати модель стану агробіологічного потенціалу поля та прийняти керівнику (інженеру, агроному, начальнику відділ, голові господарства, начальнику відділу при міністерстві) прийняти ефективні рішення для управління агробіологічним потенціалом поля. Причому керівник може проводити аналіз рішень дистанційно незалежно від власного місця розміщення з використанням мобільних обчислювальних засобів. Отримання достовірних даних можливо лише з використанням новітніх систем та науково обґрунтованих підходів до управління агробіологічним потенціалом поля.

Закономірним за сучасних умов розвитку техніки та ринкових відносин, що характеризуються розвитком інформаційних технологій і неухильним зростанням цін на енергоносії, є використання нових технологій для моніторингу, застосування яких дає можливість одержувати значний економічний ефект завдяки оптимальному використанню виробничих засобів і технологічних процесів. Невід'ємною складовою сучасного сільського господарства є моніторинг агробіологічного та фіто санітарного стану сільськогосподарських угідь перед сівбою, протягом вегетації та при збиранні врожаю (рис. 2).

Рис. 2. Схема реалізації сучасних технологій землеробства

Завдання сучасного землеробство є забезпечення належної ефективності сільськогосподарського виробництва шляхом інтеграції сучасних передових механіко-конструктивних та інформаційно-технічних систем для прийняття ефективного оперативного управлінського рішення.

Система знарядь землеробства трансформувалася в ході розвитку людства. Основою переходу від однієї системи землеробства до іншої була економічна ефективність і технічний прогрес. Ці дві на перший погляд прості речі дали можливість здійснити перехід на принципово новий рівень, забезпечуючи при цьому принципово нові можливості, забезпечити оптимальні умови функціонування та використання сучасних інформаційно-технічних систем оперативного моніторингу стану сільськогосподарських угідь (рис. 2).

Розумне землеробство

Особливістю розумного землеробства є використання не лише автоматизованих машинно-тракторних агрегатів, а і розумних сільськогосподарських машин, які виконують технологічну операцію, зокрема індивідуальний привід виконавчих органів. При виконанні технологічної операції такі машини використовують архіви масиву даних про агробіологічний стан сільськогосподарських угідь та якість виконання технологічної операції, і мають специфічні робочі органи, які керують процесом виконання технологічної операції. Зараз розпочинається зародження даної розумної системи землеробства.

З цією метою досить широко використовують різні датчики оперативного контролю якості ви конання технологічних операцій (спектрометри, електропровідні властивості). Зараз зароджуються системи для технологій розумного землеробства. Але за попередніми оцінками володіння такими системами дає можливість зменшити норму винесення технологічного матеріалу (добрив, насіння) при цьому зменшити витрати на 20-30% шляхом оптимізації внесення технологічного матеріалу.

На сучасному етапі розроблено досить багато машин для часткової реалізації технологій розумного землеробства. Одним із найважливіших елементів застосування технологій розумного землеробства є оперативний збір та реєстрація місцевизначеної інформації (агробіологічної та фітосанітарної) про стан агробіологічний стан сільськогосподарських угідь. Існуючі технології моніторингу базуються на застосуванні різних способів і засобів збору місцевизначеної інформації і відповідного спеціалізованого обладнання.

Моніторинг -- комплекс наукових, технічних, технологічних, організаційних та інших засобів, які забезпечують систематичний контроль (стеження) за станом сільськогосподарських угідь.

У цьому сенсі набуває актуальності розробка та використання принципово нового класу сільськогосподарських машин -- технічних систем оперативного моніторингу стану сільськогосподарських угідь.

У зв'язку із цим важливим завданням є розробка і обґрунтування класів технічних систем оперативного моніторингу стану сільськогосподарських угідь залежно від видів виконуваних технологічних операцій.

Метою даного дослідження є розробка ефективної технологічної системи інформаційно-технічної системи оперативного моніторингу стану сільськогосподарських угідь на основі конструкції Олександра Броварця.

Виклад основного змісту дослідження

Пропонуються наступні класи технічних систем оперативного моніторингу стану сільськогосподарських угідь. На початковому етапі пропонується шість класів, які потім матимуть підкласи та наступну надбудову.

Клас 1 -- TSM 1.1. Автоматичний ґрунтовий пробовідбірник конструкції Олександра Броварця TSM 1.1.

Клас 2 -- TSM 2.1. Твердомір конструкції Олександра Броварця TSM 2.1.

Клас 3 -- TSM 3.1. Пристрій для визначення електропровідних властивостей ґрунтового середовища конструкції Олександра Броварця TSM 3.1.

Клас 4 -- TSM 4.1. Ударник конструкції Олександра Броварця TSM 4.1.

Клас 5 -- TSM 5.1. Метеостанція конструкції Олександра Броварця TSM 5.1.

Клас 6 -- TSM 6.1. Пристрій для визначення прогину стебел конструкції Олександра Броварця TSM 6.1.

Далі розглянемо основні конструктивні елементи кожного з представлених класів.

Клас 1 -- TSM 1.1. Автоматичний ґрунтовий пробовідбірник конструкції Олександра Броварця TSM 1.1.

Автоматизований пробовідбірник ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва та реалізації прогностично-компенсаційної технології змінних норм внесення технологічного матеріалу (добрив, насіння), забезпечує оперативний моніторингу стану ґрунтового середовища зі стаціонарним базуванням під час робочого процесу, відбору проб ґрунту, шляхом удосконалення його конструкції з досягненням технічних результатів: надійності та універсальності конструкції для забезпечення кріплення до будь- яких транспортних засобів, швидкість та якість виконання технологічного процесу відбору пробу ґрунту на глибину до 500 мм, підвищення точності відбору проб ґрунту, мобільність конструкції пробовідбірника та оперативність відбору зразків ґрунтових проб при виконанні агрохімічного обстеження шляхом моніторингу агробіологічного стану ґрунтового середовища сільськогосподарських угідь, підвищення родючості ґрунтів та збільшення урожайності шляхом застосування прогностично-компенсаційної технології локально-дозованого внесення технологічного матеріалу (добрив, насіння).

Рис. 3. Автоматизований пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва

На рис. 3 представлено автоматизований пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва, рис. 4 -- схема розміщення циліндру автоматизованого пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця із змінними місткостями для ґрунту виконаних у вигляді бюксів, рис. 5 -- місткість для приймання ґрунту виконана у вигляді змінного бюксу для ґрунту автоматизованого пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва.

Автоматизований пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва (рис. 3) складається з: лонжеронів кріплення до автомобіля 1, на кінці яких розміщуються тримачі 2, для кріплення вертикальної рами 3, на який розміщуються рама пробовідбірника 4, з регулювальними пластинами 5, кріпленням у транспортному положенні 6. У рамі пробовідбірника 4 розміщується монтажні отвори для кріплення вісі нижньої пластини 7. Пробовідбірник складається з нижньої пластини 7, до якої за допомогою трьох напрямних 8 кріпиться верхня пластина 9 з електродвигуном 10. Електродвигун 10 приводу вала 11, який забезпечує переміщення середньої рухомої пластини 12 з електродвигуном 13 приводу вала бура 14. На кінці валу бура розміщується муфта 15 яка тримає бур 16 довжиною до 500 мм. До середньої рухомої пластини 12 кріпляться два напрямні вали 17, які верхньою частиною фіксуються на середній рухомій пластини 12, а у нижній пластині приєднуються до вісі циліндру 18.

Також до середньої рухомої пластини 12 кріпляться два вали 19, які приєднуються до нижньої рухомої пластини 20 з напрямними у пазах якої проходить вісь циліндра 18. На вісі циліндра 18 розміщується важіль 21, який забезпечує автоматичне перевертання циліндру, за допомогою штифта 22, що розміщується на пазах напрямними у нижній рухомій пластині 20 (рис. 4).

Рис. 4. Схема розміщення циліндру автоматизованого пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця із змінними місткостями для ґрунту виконаних у вигляді бюксів

моніторинг сільськогосподарський угіддя

У нижній частині циліндра 18 розміщується місткість для приймання ґрунту виконана у вигляді змінного бюксу для ґрунту 23. Для фіксації у робочому положенні використовується розтяжка 24 (рис. 4). Автоматизований пробовідбірник ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва працює наступним чином: з використання лонжеронів кріплення до автомобіля 1 відбувається їх приєднання до транспортного засобу, який виконує рух по заданому маршруту відбору зразків ґрунтових проб. З використанням тримачів 2, які розміщуються на кінцях лонжеронів 1, відбувається регулювання висоти вертикальної рами 3 та пробовідбірника в цілому.

Пробовідбірник конструктивно містить нижню пластину 7, яка приєднана до рами 4, на якій відбувається кріплення трьох напрямних 8 та верхньої пластини пластина 9 з електродвигуном 10. Електродвигун 10 жорстко з'єднаний з валом 11, який обертаючись переміщує середню рухому пластина

12 з електродвигуном 13 приводу вала бура 14 довжиною до 500 мм. Таким чином відбувається піднімання та опускання конструкції пробовідбірника.

Через нижню пластину 7 проходять, два напрямні вали 17, які верхньою частиною фіксуються на середній рухомій пластини 12 з електродвигуном 13, а у нижній пластині приєднуються до вісі циліндру 18 та два вали 19, які приєднуються до нижньої рухомої пластини 20 з штифтом 22 та напрямними у пазах якої проходить вісь циліндра 18 з важелем 21, який забезпечує автоматичне перевертання циліндру 18 при підніманні шляхом зачеплення важеля 21 за штифт 22 (рис. 4).

Електродвигун 10 обертає вал 11, який переміщує середню рухому пластина 12 з електродвигуном 13 приводу вала бура 14. На кінці валу бура розміщується муфта 15, яка забезпечує жорстке тримання бура 16 під час відбору проб ґрунту.

При опусканні середньої пластини 12 з використанням електродвигуна 13 в рух приводиться вал бура 14, на якому розміщується муфта 15, яка жорстко тримає бур 16. Бур 16 обертаючись проходячи через отвір у циліндрі 18 занурюється в ґрунт та забезпечує потрапляння ґрунту у середину циліндру 18.

Два напрямні вали 17, два вали 19, рухома пластина 20 утворюють пристрій для заглиблення в ґрунт, та забезпечують тримання циліндру 18 та центрування бура 16.

На рамі пробовідбірника 4 приєднані регулювальні пластини 5, які з використанням розтяжки 21 дають змогу забезпечити вертикальне розміщення пробовідбірника запропонованої конструкції. При транспортуванні даного пробовідбірника розтяжку 21 знімають, а пробовідбірник фіксують до кріплення у транспортному положенні 6. У рамі пробовідбірника 4 розміщується монтажні отвори для кріплення вісі нижньої пластини 7. На вісі циліндра 18 розміщується важіль 21, який при підніманні циліндра 18 торкається до штифта 22 і забезпечує обертання та автоматичне перевертання циліндру 18, за допомогою штифта 22. У нижній частині циліндра 18 розміщується місткість для приймання ґрунту виконана у вигляді змінного бюксу для ґрунту 23, який після формування проби ґрунту знімається, нумерується та передається разом з ґрунтом на аналіз до лабораторії, а до нижньої частини приєднується інший аналогічний бюкс для ґрунту 23 (рис. 5). Для фіксації автоматизованого пробовідбірника конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва у робочому положенні використовується розтяжка 24.

Рис. 5. Місткість для приймання ґрунту виконана у вигляді змінного бюксу для ґрунту автоматизованого пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва

Технічним рішенням винаходу є забезпечення оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища з використанням автоматизованого пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва зі стаціонарним базуванням під час робочого процесу, забезпечення мобільності конструкції пробовідбірника та оперативності відбору зразків ґрунтових проб на глибину до 500 мм при виконанні агрохімічного обстеження шляхом моніторингу агробіологічного стану ґрунтового середовища сільськогосподарських угідь, підвищення родючості ґрунтів та збільшення урожайності шляхом застосування прогностично-компенсаційної технології локально-дозованого внесення технологічного матеріалу (добрив, насіння). З використанням автоматизованого пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва можливо забезпечити економічну ефективність відбору проб ґрунту за рахунок збільшення продуктивності праці в 1,5-2,5 рази, підвищенні точності відбору проб ґрунту одночасно по всіх горизонтах і при зниженні затрат праці на 35-40% за рахунок впровадження нових технічних рішень, що відкриває нові можливості для реалізації прогностично-компенсаційної технології змінних норм внесення технологічного матеріалу (добрив, насіння).

Автоматизований пробовідбірник ґрунту конструкції Олександра Броварця для оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища із стаціонарним базуванням під час робочого процесу:

- електропровід виконавчих робочих органів;

- монтаж / демонтаж протягом 2-х хвилин;

- зручний у використанні;

- легкий (загальна вага -- 90 кг);

- висока швидкість відбору проб.

Робоча глибина автоматизованого пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця для для оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища із стаціонарним базуванням під час робочого процесу роботи від 10 до (30) 50 см (залежно від бура).

Спеціально сконструйований бур має розмір, який дозволяє отримати 250-350 гр. зразка з 10-14 міні проб, що відповідає вимогам лабораторії для аналізу. Швидкість відбору -- 40 проб на годину по 10 міні проб в пробі. Таким чином за годину можна зробити 400 міні проб.

Конструкція автоматизованого пробовідбірника ґрунту конструкції Олександра Броварця для оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища із стаціонарним базуванням під час робочого про- цесурозроблена для транспортних засобів високої прохідності, квадроциклів.

Автоматизований пробовідбірник ґрунту конструкції Олександра Броварця для оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища із стаціонарним базуванням під час робочого процесу може використовує електропровід, що значно спрощує використання, забезпечує всесезонне використання.

Автоматизований твердомір конструкції Олександра Броварця для оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища із стаціонарним базуванням під час робочого процесу живиться від акумулятора 12-вольта, 4 А.

Автоматизований пробовідбірник ґрунту конструкції Олександра Броварця для сучасних технологій сільськогосподарського виробництва, який включає пробовідбірник, обладнаний пристроєм для заглиблення в ґрунт, місткістю для приймання ґрунту, згідно пропонованого нами рішення, складається з нижньої пластини, трьох напрямних, верхньої пластина, привідного електродвигуна середньої рухомої пластини, електродвигуна приводу вала, муфти кріплення бура до привідного валу, двох напрямних валів, які з'єднані з нижньою рухомою пластиною з напрямними та штифтами, двох валів, які верхньою частиною фіксуються на середній рухомій пластині, а у нижній частині приєднуються до вісі циліндру, з приєднаним до нього важелем та розміщеній у нижній частині циліндру місткості для приймання ґрунту виконаної у вигляді змінного бюксу для ґрунту.

Клас 2 -- TSM 2.1. Твердомір конструкції

Олександра Броварця TSM 2.1

Автоматизований твердомір конструкції Олександра Броварця для оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища із стаціонарним базуванням під час робочого процесу до класу технічних систем оперативного контролю, які дозволяють у режимі реального часу оперативно отримати інформацію про поточний стан ґрунтового середовища.

Особливістю даного твердомір є його модульна будова, що дозволяє йому працювати у ручному та автоматичному режимах (з використанням електронних пристроїв та транспортних засобів високої прохідності). Проста та надійна конструкція твердоміра дозволяє його оперативно налаштовувати на відповідний режим роботи. Твердомір конструкції Олександра Броварця працює на глибину до 500 мм. Вага -- 4,5 кг.

В основу запропонованої розробки поставлена технічна задача автоматизувати твердомір для оперативного моніторингу стану ґрунтового середовища зі стаціонарним базуванням під час робочого процесу шляхом удосконалення його конструкції з досягненням технічного результату -- спрощення конструкції та підвищення точності виміру показника твердості ґрунту.

Сфера використання твердоміра конструкції Олександра Броварця:

- у сільському господарстві (оперативний контроль якості виконання технологічних операцій, визначення твердості ґрунту на присадибних ділянках, виявлення ґрунтової підошви тощо);

- у лісовому та садово-парковому господарстві