Выбор и обоснование параметров экологического состояния агроэкосистемы для мониторинга технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур

УДК 631.171 Доктор техн. наук А.Б. КАЛИНИН

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

АГРОЭКОСИСТЕМЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

Агроэкосистема, технологические процессы, функционирование сельскохозяйственных машин, оценка экологического состояния

Проблема рационального природопользования в агроэкосистемах предполагает дальнейшую экологизацию земледелия и его адаптивную интенсификацию [1]. Определяющая роль в решении данной проблемы принадлежит применяемым в хозяйствах технологиям производства.

В настоящее время в мировой практике производства продукции растениеводства наметилась тенденция к реализации высокоинтенсивных технологий, в которых в ходе выполнения технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур имеется возможность управлять продукционно-качественным процессом. Такие технологии относятся к типу точных (прецизионных). Они создают предпосылки к внедрению концепции «Разумного сельского хозяйства». Важнейшим положением этой концепции является экологизация технологических процессов производства, техническое оснащение которых составляют интеллектуальные сельскохозяйственные машины [2,3]. Такой подход к производству продукции растениеводства существенно ускоряет переход к адаптивно-ландшафтным системам земледелия.

Высокие технологии предполагают в заданных агроландшафтах с учетом их мелкомасштабной неоднородности рациональные способы подготовки почвы и ухода за растениями, обеспечивающие заданные параметры почвенного состояния; точный высев семян с соблюдением требуемой площади питания растений и глубины заделки; оптимальный расход средств химизации с учетом потребностей растений в питательных веществах и препаратах для защиты растений от сорняков, вредителей и болезней.

Функционирование машин в таких технологиях должно обеспечивать допустимую техногенную нагрузку на элементы агроландшафта, регламентируемую нормативами экологических ограничений [1]. При этом на данном этапе формирования показателей экологического нормирования, в первую очередь, должны выполняться нормативы, регламентируемые агротехнологическими требованиями к функционированию соответствующих машин. Строгое соблюдение этих нормативов при выполнении технологических процессов позволяет обеспечить необходимое качество среды обитания не только в самом arpo ландшафте, но и за его пределами.

Существенно повысить экологическую безопасность машиноиспользования при функционировании сельскохозяйственной техники возможно с помощью автоматизированной системы оперативного контроля, позволяющей проводить мониторинг параметров экологического состояния агроландшафта непосредственно в ходе выполнения машинами технологического процесса и, в случае необходимости, своевременно принимать решение о его поднастройке, обеспечивая тем самым минимизацию рисков при антропогенном воздействии на агроэкосистему. Такая система будет являться составной частью комплексной автоматизации интеллектуальной сельскохозяйственной машины. Её задачами будет получение оперативной информации о фактическом состоянии контролируемого объекта; принятие на основе этой информации решения об отнесении объекта к той или иной из заданных категорий его состояния; накопление этой информации для последующей оценки и прогнозирования экологического состояния агроландшафта и формирования, при необходимости, поднастроечного (управляющего) воздействия. На основе результатов такого мониторинга принимаются решения по управлению работой автоматизированных (интеллектуальных) машин, функционирующих на основе взаимодействия с глобальной навигационной спутниковой системой [2, 3].

При создании таких систем мониторинга следует учитывать специфику условий функционирования машин, заключающуюся в том, что выполняемые ими технологические процессы протекают под воздействием изменяющихся случайных возмущений, обусловленных многочисленными и разнообразными факторами. Это создает сложность, а подчас и недоступность получения информации о параметрах, характеризующих условия функционирования машин.

Для выбора и обоснования информативных параметров контроля при мониторинге экологического состояния агроэкосистемы необходимо провести анализ и синтез технологических процессов, имеющих место при производстве сельскохозяйственных культур как объектов автоматизированной системы.

С этой целью рассмотрим структуру типизированных технологических процессов производства овощных культур и картофеля, представленных в Федеральном регистре технологий производства продукции растениеводства. Высокая интенсификация технологических процессов при производстве этих культур требует рассматривать их как наиболее вероятные объекты повышенного уровня техногенного воздействия. Независимо от вида производимой культуры технология складывается из двух этапов. Первый включает технологические модули, выполнение которых осуществляется при возделывании культуры до получения растений, готовых к уборке, а второй - технологические модули, выполняемые при уборке с получением готовой продукции и закладки её на хранение.

Рассмотрим технологический процесс возделывания отмеченных культур. Его можно представить в виде трех сложных технологических модулей: а) подготовки почвы к посеву (посадке), включая и внесение средств химизации; б) посева (посадки); в) ухода за посевами (посадками). Виды агроприемов, составляющие технологические модули, сроки и последовательность их проведения зависят от типа агроландшафта, возделываемой культуры, выбранной технологии и её технического оснащения.

Таким образом, обобщенную структурно-функциональную модель технологического процесса возделывания овощных культур и картофеля можно представить в виде трехэлементного объекта контроля [4]. Блок-схема модели показана на рис. 1.

Рис.1. Блок-схема обобщенной структурно-функциональной модели технологического процесса

возделывания овощных культур и картофеля

На входе первого элемента - технологического модуля подготовки почвы к посеву (посадке) действуют векторные функции Рь X] и и^ При этом Б] определяет условия функционирования машин для обработки почвы и химизации с составляющими в виде неровностей поверхности поля 2ш0) и сопротивления почвы 1^0), т.е. = {Т\и(\.), 1^(1:)}; Х1 характеризует ход технологического процесса применяемых машин с переменными в виде их поступательной скорости У |(1:), буксования или скольжения приводных колес 81(1). Она также учитывает изменение уровня средств химизации в ёмкости машины Н^) и их физико-механические свойства, в первую очередь, такие как объемная масса уО). Таким образом, X! = {У |(1:). 81(1), Н(1:), у,(1:)}. III представляет собой управляющие воздействия в автоматизированных машинах и настройки в виде установочных величин рабочей скорости Нуь передаточного отношения механизма привода питателя дозирующей системы машины химизации Нь положения исполнительного механизма дозатора машины химизации Н.,,. регулятора заданной глубины хода рабочих органов машин для обработки почвы и заделки в нее средств химизации НЬ1, а также рабочей ширины захвата Ны. Следовательно III = {НУь Н1Ь Н.,1. Ны, НВ1}.

Выходом первого элемента модели будет векторная функция Уь Она включает технологические параметры, характеризующие технологическую надежность и экологическую безопасность функционирования машин для обработки почвы и применения средств химизации, используемых при подготовке её к посеву (посадке) овощей и картофеля. Главными составляющими векторной функции У] являются равномерность распределения средств химизации в виде расходов удобрений и почвенных пестицидов на единице площади поля величины перекрытия в

смежных проходах П^), а также глубина хода рабочих органов для обработки почвы и заделки в неё средств химизации а^), степень крошения или плотность почвы 5|(1:), конфигурация рядков ур{$), т.е.

у1 = {Чиа),п1(1), а1(4 з^ура».

Для второго элемента модели, представляющего технологический модуль посева (посадки) овощей и картофеля входными переменными будет векторная функция У1 ={ди(1:), П^), а^), З^), ур0)}, а также векторные функции Р2, Х2 и и2. Входная векторная функция Р2 включает в себя те же компоненты, что и Рь но в общем случае количественные характеристики отдельных компонентов будут другими, т.е. Р2 = {ХщЧХ), Я2(1:)}. Составляющие векторной функции Х2 характеризуют ход технологического процесса работы посевных (посадочных) машин, изменение уровня посевного (посадочного) материала и средств химизации в соответствующих емкостях технических средств, а также их физико-механические свойства, т.е. Х2= {У200, е2(1:), Н2(1), у20)}. Компонентами векторной функции и2 являются управляющие воздействия в автоматизированных технических средствах и соответствующие настройки посевных (посадочных) машин, т.е. 112 = {НУ2, Н12, Н,2. НЬ2, НВ2}. Выходная векторная функция У2 второго элемента модели включает технологические параметры, характеризующие технологическую надежность и экологическую безопасность функционирования машин для посева (посадки) в виде расходов на единицу площади посевного (посадочного) материала и средств химизации qF2(t), величины перекрытия в смежных проходах П2(1:), глубины заделки семян, рассады, клубней и средств химизации а20), плотности почвы 520), конфигурации рядков ур0), т.е. У2

= {ЧР2а), п2о), а2а), 52а), Ура)}.

На входе элемента 3 модели технологического модуля ухода за посевами (посадками) действуют векторные функции У2 = ^зО:), ГЬО). а20), 52(1:), ур(1:)}; Р2 условий функционирования машин, включающая составляющие Ъ\^О) и Яз(1), но с другими характеристиками; Х3, характеризующая ход технологического процесса, физико-механические свойства средств химизации и их уровень в соответствующих ёмкостях технических средств с переменными УзО), 8з(1:), Н,(1:). у3(1), а также 11з, определяющая управляющие воздействия и настройки машин с компонентами Н , ,. Н13, Н5з, Ньз, Нвз и Нсз (настройка защитной зоны). Выходная векторная функция У3 включает технологические параметры, определяющие технологическую надежность и экологическую безопасность функционирования машин для ухода за посевами (посадками) в виде расходов средств химизации на единицу площади qF3(t), глубины рыхления почвы и заделки средств химизации а3(1), плотности почвы 53(1:), величины перекрытия в смежных проходах П3(1:) и ширины защитной зоны СзЮ.

Следует отметить и существенные особенности технологических процессов, входящих в соответствующие технологические модули, имеющие место при возделывании овощных культур и картофеля:

а) возделывание на ровной и профилированной (гребнях или грядах) поверхностях, что определяет структуру ряда компонентов векторной функции Б]; б) выполнение отдельных технологических процессов в модулях осуществляется со сдвигом во времени; в) случайный характер всех входных и выходных переменных; г) экологизация технологических процессов подготовки почвы, внесения средств химизации, посева (посадки) предполагает применение широкого спектра технических средств, включая комбинированные агрегаты, приспособленных к разнообразным природным и хозяйственным условиям и функционирующих на основе взаимодействия с глобальной навигационной спутниковой системой.

Такое представление технологического процесса возделывания дает возможность рассматривать каждый отдельный технологический процесс соответствующего технологического модуля как многомерный объект, преобразующего входные векторные функции Р,. X,. II! в выходную У;. Каждый компонент у, выходной векторной функции У; любого процесса, входящего в соответствующий технологический модуль, определяется в общем случае всеми или частью входных воздействий. Однако учесть все входные воздействия, влияющие на ход отдельных процессов, практически невозможно. Приходится ограничиваться лишь главными и определяющими воздействиями, а остальные относить к неконтролируемым воздействиям. Таким образом, рассматриваемые технологические модули и процессы их составляющие, реализуемые соответствующими машинами, следует отнести к системам с неполной априорной информацией. При этом выбор компонентов векторных функций часто диктуется не степенью их влияния на выходные переменные, а возможностью их измерения.

Представленная обобщенная структурно-функциональная модель технологического процесса возделывания овощных культур и картофеля, блок схема которой показана на рис.1, позволяет рассматривать этот процесс в виде функционального преобразователя с соответствующими операторами Аъ ставящими в однозначное соответствие входные и выходные переменные:

К1= А1[РьХьи1], ) У2 = л2[уг,р2,х2,и2],\

У3 = А3[У2,Р3,Х3,и3].)

Это позволяет нам для каждого из рассмотренных технологических модулей, в зависимости от состояния агроладшафта, используемой технологии возделывания соответствующей культуры и применяемого для её реализации комплекса технических средств, построить свои разветвленные модели функционирования технологических процессов, имеющих место при работе отдельных машин, входящих в комплекс.

При создании автоматизированной системы мониторинга параметров экологического состояния агроэкосистемы прежде всего необходима экспериментальная информация о компонентах V,- выходных векторных функций У1,У2,Уз рассмотренной модели. На основании накопленной информации могут быть установлены информативные параметры для мониторинга технологических процессов и выбраны принципы их контроля. Важной задачей, которую также необходимо решать при создании такой системы, является разработка нормативов экологических ограничений, позволяющих обеспечивать оптимальную техногенную нагрузку на элементы агроландшафта при функционировании сельскохозяйственных машин. При этом в первую очередь должна быть решена задача установления технологических нормативов, чтобы создать предпосылки для экологически безопасного земледелия [1]. С этой целью необходимо обосновать систему допусков на компоненты у^ выходных векторных функций представленной структурно-функциональной модели.

Несмотря на различия технологических процессов функционирования почвообрабатывающих машин, выполняющих агроприемы соответствующего технологического модуля, модели их согласно приведенной на рис.1 блок-схеме имеют много общего, поскольку основными входными возмущениями являются неровности поверхности поля ZIl1(i) и сопротивление почвы Я,(1:). а выходными параметрами - степень крошения или плотность почвы 5^1) и глубина обработки а,(1:). При создании профилированной поверхности выходным параметром модели следует принять также конфигурацию рядков ур{$). Для почвообрабатывающих машин, используемых при уходе за посевами (посадками) овощных культур и картофеля, в качестве выходного параметра принимается также ширина защитной зоны С^). Особенностью этих моделей является недоступность получения оперативной информации о таких переменных, как 1^(1:) и 5,(1:). Поэтому для получения операторов

моделей технологических процессов функционирования почвообрабатывающих машин приходится пользоваться информацией о других переменных, которые коррелированы с исходными Я,(1:) и 5,(1:). Таким информативным показателем сопротивления почвы может служить твердость почвы на глубине хода рабочих органов [5, 6, 7]. Следует отметить также, что твердость почвы коррелирована с её плотностью [4].

Технологические процессы внесения удобрений, пестицидов, а также посева (посадки), реализуемые соответствующими машинами являются более сложными объектами. Для построения моделей технологических процессов функционирования этих объектов достаточно в качестве основных входных переменных принять составляющие векторной функции Рь а в качестве выходных переменных - показатели, составляющие соответствующие векторные функции У; и характеризующие технологическую надежность и экологическую безопасность. Так, для анализа технологического процесса функционирования машины, выполняющей внутрипочвенное внесение средств химизации, может быть принята модель изменения состояния потока агрохимикатов, создаваемого дозирующим аппаратом и другими рабочими органами, вплоть до заделки их в почву. Для такой модели машина химизации может быть условно разбита на три звена (рис. 2): дозирующий аппарат (включая ёмкость для агрохимикатов), тукопроводы (для твердых сыпучих материалов) или питательные трубки (для жидких материалов) и заделывающие рабочие органы (сошники, подкормочные ножи).

Рис.2. Блок-схема модели технологического процесса функционирования машины для внутрипочвенного внесения средств химизации

Совокупность этих элементов образует модель дозирующе-распределительной системы машины химизации. Эта модель находится под воздействием переменных ZIll(t) и Я,(1:). настроек в виде установочной величины рабочей скорости Ну,. передаточного отношения механизма привода питателя дозатора Ни, положения исполнительного механизма дозатора Н, . и регулятора заданной глубины заделки в почву средств химизации НЬ1, рабочей ширины захвата НВ1, а также воздействий, характеризующих ход технологического процесса:У^) и в^), физико-механические свойства у,(1:) и уровень в ёмкости Н,(1:) средств химизации. На выходе звена 1 получаем поток агрохимикатов (^х!^) с соответствующими числовыми характеристиками (средним значением, дисперсией и коэффициентом вариации). Туко проводами (питательными трубками) 2 поступающий от дозатора поток агрохимикатов преобразуется в поток q2l(t) со своими характеристиками. Заделывающие рабочие органы 3, установленные на определенную глубину хода в свою очередь преобразуют поток агрохимикатов q21(t) в выходной поток qз1(t), поступающий в почву 4. Взаимодействие заделывающих рабочих органов с почвой на соответствующей рабочей скорости приводит к случайному распределению средств химизации в ней по длине гона 1 в виде расхода и глубины заделки а,(1).

В связи с тем, что выходные переменные рассмотренных моделей, характеризующие технологическую надежность и экологическую безопасность технологических процессов функционирования сельскохозяйственных машин, представляют собой случайные в вероятностно-статистическом смысле процессы, то при их мониторинге оценку экологического состояния

агроэкосистемы следует проводить с использованием основных положений теории выбросов случайных процессов и контроля динамических систем. Для практических расчетов в качестве обобщенной оценки технологической надежности и экологической безопасности технологических процессов функционирования сельскохозяйственных машин удобно использовать соотношение Ед = 1 — Рд. Здесь Ед - средняя относительная длительность пребывания контролируемого параметра вне поля допуска А, причем Ед = Ед + Ед, где Ед = п+/п и Ед = п~/п— относительные

длительности пребывания контролируемого параметра, соответственно, выше верхней границы допуска и ниже нижней границы допуска; п+ и п~- число выбросов процесса за верхнюю и нижнюю границы допуска А; п - общее число измерений; Рд - средняя относительная длительность пребывания контролируемого параметра в поле допуска А.

Литература

1. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. - М.: КолосС, 2011 - 443 с.

2. Черноиванов В.И., Ежевский A.A., Федоренко В.Ф. Мировые тенденции машинно-технологического обеспечения интеллектуального сельского хозяйства. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2012. - 284 с.

3. Черноиванов В.И., Ежевский A.A., Федоренко В.Ф. Интеллектуальная сельскохозяйственная техника. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2014. - 124 с.

4. Лурье А.Б., Еникеев В.Г., Теплинский ИЗ. Курсовое и дипломное проектирование по сельскохозяйственным и мелиоративным машинам. - Л.: Агропромиздат, 1991. -224 с.

5. Калинин А.Б. Критерии и методы оценки выполнения агротехнических требований к параметрам почвенного состояния в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур на основе статистической интерпретации реологической модели почвы и устройства контроля качества её обработки: Дис... доктора техн. наук. - СПб., 2000. - 362 с.

6. Смелик В.А. Критерии оценки и методы обеспечения технологической надежности сельскохозяйственных агрегатов с учетом вероятностной природы условий их работы: Дис. доктора техн. наук. - СПб.,1999. - 561 с.

7. Теплинский И.З. Разработка и исследование автоматической системы регулирования пахотного агрегата с трактором «Кировец К-701»: Дис... канд. техн. наук. - Л.,1976. - 126 с.

УДК 631.173 Аспирант A.B. ЖИРНЫЙ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДИКИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ГИДРОНАСОСА НА ОСНОВЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ СТЕНДОВЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЯХ

Гидравлическая система, гидронасос НШ-50Д-ЗЛ, температура, скорость изменения температуры, инфракрасное изображение, тепловизор, рабочая жидкость

В современных тракторных и других сельскохозяйственных машинах много гидрофицированных узлов, агрегатов и систем. От их технического состояния во многом зависят надежность и эксплуатационные показатели техники.

Гидравлическая система - это техническая система, состоящая из устройств, находящихся в непосредственном контакте с рабочей жидкостью. В гидравлических системах насос имеет важнейшее значение, т.к. являясь источником энергии, он под давлением подает рабочую жидкость в распределительное устройство, которое распределяет и регулирует ее поток и давление. В сельскохозяйственной технике наиболее широкое применение получили насосы шестеренного типа (НТТТ) Выпуск насосов типа Hill от общего числа выпускаемых насосов в РФ составляет 22,8%. Процентное количество выпускаемых насосов типа НТТТ для сельскохозяйственной техники - 16%. Доля неисправностей среди всех элементов гидропривода для шестеренных насосов составляет 20%. Коэффициент внезапных отказов гидроэлементов от отказов по гидросистеме - 0,3. Коэффициент функциональной значимости - 0,275. Для дальнейших исследований был выбран гидронасос НТТТ-50Д-ЗЛ.

Для диагностирования шестеренных насосов гидравлических систем сельскохозяйственной техники предлагается рассмотреть и проанализировать инфракрасное излучение исследуемых