Современные подходы к автоматизации рационального выбора адаптивных агротехнологий

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11119 УДК 631.171:633.1

Современные подходы к автоматизации рационального выбора адаптивных агротехнологий*

А. в. гостев, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник

А. и. ПыХтин, кандидат технических наук, инженер-программист

Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии, Курский федеральный аграрный научный центр, ул. Карла Маркса, 70 б, Курск, 305021, Российская Федерация

Резюме. Работу проводили на базе лаборатории систем земледелия Курского федерального аграрного научного центра на основе результатов собственных научных исследований, а также анализа и обобщения современной научной литературы по вопросу рационального выбора адаптивных технологий возделывания 10 зерновых культур (озимые и яровые пшеница и ячмень, озимая рожь, яровой овес, горох посевной, просо посевное, гречиха, кукуруза на зерно) для различных условий Российской Федерации.В результате проведенного обобщения определили наиболее эффективные условия применения технологий, способствующие рациональному использованию имеющихся ресурсов, сформулировали критерии, нормативы и требования эффективности наиболее значимых технологических приёмов современных агротехнологий, а также подходы к автоматизации и алгоритм их рационального выбора,спроектировали схемы и структуры базы данных системы поддержки сельхозтоваропроизводителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания ведущих зерновых культур. Структура базы данных «Системы поддержки...» представлена тремя блоками: исходной информации, нормативной информации и расчетных алгоритмов. На сегодняшний день проведена работа по наполнению блоков исходной и нормативной информации, а также созданию алгоритма рационального выбора оптимальной адаптивной технологии возделывания культуры, ключевого этапа этой научно-исследовательской работы. Внедрение разработки в производственный процесс открывает возможности для максимально эффективного использования имеющегося почвенно-климатического потенциала территорий и материально-технической базы с целью обеспечения высокорентабельных устойчивых урожаев зерновых культур.

Ключевые слова: автоматизация, агротехнология, агротех-нологический прием, ресурсное обеспечение, рациональный выбор.

Для цитирования: Гостев А. В., Пыхтин А. И. Современные подходы к автоматизации рационального выбора адаптивных агротехнологий // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 11. С. 71-74. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11119.

Особенность адаптивно-ландшафтного земледелия заключается в многовариантности агротехнологий, обусловленной многообразием выращиваемых культур и почвенно-климатических условий России [1]. На сегодняшний день накоплен значительный объем результатов исследований, анализ которых позволяет обоснованно подойти к процессу адаптации технологий возделывания сельскохозяйственных культур применительно к различным регионам Российской Федерации [2, 3, 4, 5]. Отечественным сельхозтоваропроизводителям необходимо более активно использовать эти сведения для повышения эффективности производства, а ученым - для транс-

фера новых знаний и совершенствования имеющихся подходов к проектированию научно-обоснованных агротехнологий следует более активно разрабатывать и распространять современные информационно-технологические продукты в виде экспертных систем поддержки принятия решений по наиболее важным агротехнологическим вопросам.

Цель исследований - на основе обобщения, анализа и систематизации экспериментальных данных разработать современные подходы к автоматизации, алгоритм и структуру базы данных Системы поддержки сельхозтоваропроизводителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания зерновых культур применительно к условиям Европейской части Российской Федерации.

Условия, материалы и методы. Разработка программного обеспечения по рациональному выбору адаптивной технологии возделывания сельскохозяйственной культуры для ЭВМ (рис. 1) - конечный этап в процессе оптимизации зональных агротехнологий, реализуемый через получение, анализ и обобщение новых знаний о закономерностях формирования урожайности и качества получаемой продукции в зависимости от почвенно-климатических и материальных условий в

1

рис. 1. Схема разработки системы поддержки сельскохозяйственных производителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур для различных условий Российской Федерации.

*Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-1064.2018.11.

рамках общей концепции ресурсосбережения в агропромышленном производстве.

При проведении исследования использовали системный подход, логический и математический анализ накопленного материала, метод экспертных оценок, теорию систем управления базами данных, методологию проектирования информационных систем.

Объектом исследования выступали адаптивные агротехнологии возделывания зерновых. Исходя из результатов Всероссийской сельскохозяйственной переписи, проведенной в 2016 г. [6], наибольшие посевные площади в стране занимают следующие зерновые культуры: пшеница (27,8 млн га), ячмень (8,4 млн га), овес (3,0 млн га), кукуруза на зерно (2,9 млн га), рожь (1,3 млн га), гречиха (1,2 млн га), горох (1,1 млн га), просо (0,4 млн га). Поэтому их взяли за основу для реализации поставленной цели.

Методология формирования рационального выбора адаптивных агротехнологий заключалась в последовательном преодолении факторов, лимитирующих урожайность культуры и качественные показатели продукции при соблюдении принципов ресурсосбережения и экологичности технологий.

Под понятием «адаптивная агротехнология» мы подразумеваем комплекс эффективных агротехнических приемов возделывания сельскохозяйственной культуры, направленный на сохранение или повышение плодородия почвы и получение высокого уровня качественной и биологически безопасной продукции с оптимальными затратами труда и средств, с учетом почвенно-климатических, ландшафтных и материально-технических условий, сложившихся на конкретной территории.

Необходимость применения адаптивного подхода к процессу выбора агротехнологий обусловлена несколькими причинами:

разнообразие почвенно-климатических условий по регионам Российской Федерации;

различия в уровне обеспеченности сельхозтоваропроизводителей материальными ресурсами;

разработка новых и усовершенствование существующих принципов формирования структуры посевных площадей и севооборотов в современных условиях рыночной экономики;

разработка нового поколения сельскохозяйственных машин и орудий, позволяющих учитывать особенности рельефа и состояние посевов, способствующих повышению производительности труда;

появление новыхсортов и гибридов сельскохозяйственных культур, видов удобрений и средств химической защиты растений, подходов к их применению, новые представления о размещении микро- и макроэлементах по слоям почвы, их миграции и др.

Алгоритм выбора адаптивных агротехнологий основан на последовательном преодолении факторов, ли-

митирующих формирование наиболее рентабельной урожайности культуры с высокими качественными показателями при соблюдении принципов ресурсосбережения. К числу таких факторов можно отнести природно-климатическую зону, тип почвы, содержание гумуса, степень проявления эрозионных процессов, кислотность, севооборот, системы удобрений и обработки почвы, засоренность и др. Причем количество таких факторов может возрастать в зависимости от типичности условий и биологических требований возделываемых культур. Поэтому для наиболее точного построения алгоритма выбора адаптивной агротехнологии необходимо формировать соответствующую базу данных, включающую в себя нормативно-справочную информацию, способствующую рациональному выбору высокорентабельных адаптивных агротехнологий на основе поэтапного подбора агротехнических приемов с учетом следующих подходов:

оптимизация максимально возможного количества технологических приемов для различных групп сельскохозяйственных культур с научным обоснованием целесообразности применения каждого;

определение выходных показателей технологии (прогнозируемого уровня урожайности, себестоимости продукции, энергоемкости) на основе их упрощенного расчета;

использование упрощенной модульной структуры базы данных системы поддержки принятия решений по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания зерновых культур, позволяющей избежать перечисления огромного количества вариантов используемых машин, пестицидов и удобрений.

Результаты и обсуждение. В результате анализа накопленного экспериментального материала многолетних полевых опытов Курского федерального аграрного научного центра и обобщения данных других научно-исследовательских учреждений различных регионов Европейской части Российской Федерации, а также практических результатов многих сельскохозяйственных предприятий, впервые выявили наиболее эффективные условия рационального выбора адаптивных технологий возделывания зерновых культур,

БЛОК ИСХ0ДН0И ИНФОРМАЦИИ

Агроклиматические показатели:

> количество годовых осадков (мм. / год),

> сумма температур выше 10°С.

Характеристики рабочего (элементарного) участка:

М

Адресные:

название хозяйства, номер бригады/отделения, номер поля, координатная

Ландшафтные:

природно-климатическая зона, экспозиция склона, уклон, напряженность эрозионных процессов

Почвенные:

тип и подтип почвы, содержание гумуса, кислотность почвы (рНксО

Агротехническая информация:

сорт/гибрид возделываемой культуры и культура, предшествующая ей в севообороте (предшественник), используемые дозы удобрений и способ основной обработки почвы под предшественника, планируемая урожайность, степень засоренности, сроки до планируемого посева культуры

БЛОК РАСЧЕТНЫХ А ЛГОРИТ МОВ

подбор адаптивной

технологии возделывания выбранной культуры; ориентировочный расчет экономической эффективности технологии; ориентировочный расчет эн ер гети ческой эффективности технологии.

БЛОК НОРМАТИВНОМ ИНФ ОРМАЦИИ

> затраты труда (чел/час),

> затраты FCM (кг),

> потребность в удобрения (кг. д. в.),

> потребность в пестицидах (л или кг)3

> производительность при выполнении

агр отехн ол оги ческого приема (г/час или т/час),

> потребность в электроэнергии (кВт/час).

Рис. 2. Структура нормативно-справочной базы данных системы поддержки сельхозтоваропроизводителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания зерновых культур.

рис. 3. Блок-схема алгоритма выбора оптимальной агротехнологии

способствующие рациональному использованию имеющихся ресурсов сельхозтоваропроизводителей, на базе которых разработали подходы к автоматизации рационального выбора адаптивных агротехнологий. На основе последних предложили структуру базы данных, а затем алгоритм системы поддержки сельхозтоваропроизводителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания зерновых культур.

Структура нормативно-справочной базы данных системы поддержки сельхозтоваропроизводителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания зерновых культур представлена тремя блоками: исходной информации, нормативной информации и расчетных алгоритмов (рис. 2).

В связи с тем, что область применения «Системы поддержки...» - Европейская часть Российской Федерации, то анализ и обобщение данных многолетних и краткосрочных полевых опытов по разработке и оптимизации технологий, либо отдельных приемов возделывания зерновых культур можно проводить для 8 регионов: Северного, Северо-Западного, Центрального, Волго-Вятского, Центрально-Черноземного, Северо-Кавказского, Средневолжского и Нижневолжского. Естественно, каждый из них характеризуется значительным разнообразием как почвенно-климатических, так и ландшафтных условий, что также следует учитывать при формировании блока исходной информации.

Блок нормативной информации включает в себя 6 основных критериев, определяющих эффективность

и ресурсосберегающую направленность применяемых агротехнологий: затраты живого труда (чел.-ч), затраты ГСМ (кг), потребность в удобрениях (кг д.в.) и пестицидах (л или кг), производительность техники (га/ч или т/ч), а также потребность в электроэнергии (кВт-ч). При заполнении блока нормативной информации и определении значений критериев целесообразно использовать региональные регистры технологий возделывания сельскохозяйственных культур (например, Регистр технологий производства зерна в Центральном районе Нечерноземной зоны России [3] или Регистр технологий производства зерновых, зернобобовых, крупяных и масличных культур в Волгоградской области(система технологий) [5]).

Блок расчетных алгоритмов представлен тремя алгоритмами: рационального выбора адаптивной технологии возделывания культуры (для выбранных условий), ориентировочных расчетов экономической и энергетической эффективности агротехнологий.

Алгоритмы расчета экономической и энергетической эффективности агротехнологий автоматизированы с использованием общепринятых методик [8, 9].

Алгоритм рационального выбора оптимальной адаптивной технологии возделывания культуры (рис. 3) разработали впервые. Он включает следующие этапы:

имеется множество сельскохозяйственных культур С = (с), j = 1 ,NV множество агротехнологий А = (ak), j = \N2, множество показателей P = (p), j = 1,Л/3;

перед началом работы системы задают и вносят в базу данных функции (как правило, в табличной форме) соответствия агротехнологий для каждого показателя в разрезе различных сельскохозяйственных культур fak (c,, x). Если показатель не используют для оценивания агротехнологии определенной культуры, то \/k(fak(cj,xi) = О) . Также задают бинарные функции ftk(c, x), значение которых равно 1, если показатель pt для агротехнологии С может принимать значение x. В противном случае ftk(c,, X)=0. Эти функции позволяют отсеивать агротехнологии, несовместимые с важными показателями (например, наличием необходимого количества сельскохозяйственной техники, рабочей силы и др.);

пользователь выбирает анализируемую культуру с

и вводит значения показателей x = (x1,x2,...,xf.....xNJ;

для каждой агротехнологии вычисляется значение

FÀCj.x) = 5Х

находится максимальное значение S = max-

если значение S соответствует нескольким агро- минеральных удобрений, 50 кг ГСМ, 0,5 кг гербицидов,

технологиям с погрешностью е, задаваемой админи- 0,1 кг фунгицидов, наличии на 100 га посевов 2 ед. трак-

стратором системы, то есть |s-Fk(c;,x)| <е для двух и тора, 1,5 ед. плугов, 0,5 ед. культиваторов, 0,8 ед. жаток

более значений k, то выбирается наименее затратная валковых, 1 ед. комбайна алгоритм, в связи с ограничен-

с экономической точки зрения агротехнология. ностью материальных ресурсов, выдает рекомендацию

Алгоритм был апробирован на базе Регистра техноло- по использованию технологии базового типа, несмотря

гий возделывания зерновых культур [7] путем сравнения на возможность применения интенсивной технологии,

решений, предлагаемых соответствующей програм- соответствующей природным ресурсам. Такое решение

мой, с мнением четырех ученых-экспертов Курского оптимально и с точки зрения ученых-экспертов. федерального аграрного научного центра на тех же ис- выводы. В результате проведенных исследований

ходных данных. При этом комбинации исходных данных спроектирована и разработана структура базы данных

были поделены на «очевидные», то есть те, по которым «Система поддержки сельхозтоваропроизводите-

решение всех ученых-экспертов совпадало, «неочевид- лей по рациональному выбору высокорентабельных

ные», для которых выбор оптимальной агротехнологии адаптивных технологий возделывания зерновых

отличался, и «приемлемые», которые ученые-эксперты культур», освоение которой в производстве будет

определили как допустимые варианты агротехнологий. способствовать генерации, оптимизации и реали-

Результаты апробации алгоритма показали, что в 95 % зации имеющихся агротехнологических решений с

случаев программа находила решения, совпадающие с учетом вариабельности почвенно-климатических и

мнением ученых-экспертов для «очевидных» вариантов, ландшафтных условий аграрных территорий, а также

в 100 % случаев рекомендации программы не находили материально-технического обеспечения товаропро-

недопустимые решения, в 90 % случаев для «неочевид- изводителей. Предложены современные подходы к ав-

ных» вариантов программа находила решения, которые томатизации и алгоритм рационального выбора адап-

ученые-эксперты оценили как приемлемые. Например, тивных технологий возделывания ведущих зерновых

для культуры гречиха на продовольственные цели по культур, способствующие объект-ориентированному

предшественнику «пропашные культуры», при планируе- подбору наиболее целесообразных агротехнологий,

мом уровне урожайности 16 ц/га, среднем уровне эффек- оптимизации норм внесения минеральных удобрений

тивного плодородия почвы, сильной засоренности поля и пестицидов, потребностей в горюче-смазочных ма-

сорняками, применении вспашки, средней устойчивости териалах, позволяющих снизить негативное влияние

сорта к полеганию и осыпанию, обеспеченности в расчете на агроэкосистемы и окружающую среду, а также по-

на 1 га посевов 5,5 чел.-ч живого труда, N30P30K30 кг д.в. высить рентабельность производства.

Литература.

1. Гуреев И. И., Климов Н. С. Автоматизация проектирования системы машин в адаптивно-ландшафтномземледелияя// Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2013. № 2. С.75-78.

2. Регистр ресурсо-энергосберегающих технологий производства продукции растениеводства для Рязанской области (система технологий) / С. Я. Полянский, А. М. Пестряков, Е. В. Гуреева и др. Рязань: ГНУ Рязанский НИИСХ, 2007. 327 с.

3. Лобачевский Я. П., Войтович Н. В., Егоров В. Г. Регистр технологий производства зерна в Центральном районе Нечерноземной зоны России. М.: ГНУ НИИСХ ЦРНЗ, 2003. 220 с.

4. Актуальность создания регистров технологий возделывания масличных культур/Г. Н. Черкасов, И. Г. Пыхтин, А. В. Гостев и др. // Достижения науки и техники. 2014. Т. 28. № 12. С. 3-4.

5. Регистр технологий производства зерновых, зернобобовых, крупяных и масличных культур в Волгоградской области (система технологий) / А. С. Овчинников, Ю. Н. Плескачев, И. Б. Борисенко и др. Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. 147 с.

6. Всероссийская сельскохозяйственная перепись 2016 года. Предварительные итоги: статистический бюллетень. М: ИИЦ «Статистика России», 2016. 70 с.

7. Регистр технологий возделывания зерновых культур для Центрального Черноземья / И. Г. Пыхтин, А. В. Гостев, Л. Б. Нит-ченко и др. // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RUS 2013660929 от 01.08.2013.

8. Драгайцев В. И. Методика экономической оценки технологии и машин в сельском хозяйстве. М.: ВНИИЭСХ, 2010. 146 с.

9. Методика энергетического анализа технологических процессов в сельском хозяйстве. М: ВИМ, 1995. 95 с.

Modern Approaches to the Automation of Rational Choice of Adaptive

Agrotechnologies

A. V. Gostev, A. I. Pykhtin

All-Russian Research Institute of Farming and Soil Protection from Erosion, Kursk Federal Agrarian Scientific Center, ul. Karla Marksa, 70 b, Kursk, 305021, Russian Federation

Abstract. The research on the rational choice of adaptive cultivation technologies for 10 grain crops (winter and spring wheat and barley, winter rye, spring oat, pea, millet, buckwheat, maize) for different conditions of the Russian Federation was carried out on the basis of the laboratory of agricultural systems of the Kursk Federal Agricultural Research Center. The investigation was based on the results of the authors own research, as well as the analysis and generalization of current scientific literature. As a result of the generalization, the most effective conditions for the application of such technologies, contributing to the rational use of available resources were identified. Criteria, standards, and requirements for the effectiveness of the most important technological methods of modern agricultural technologies were formulated. Approaches to automation and an algorithm of their rational choice were developed. The work on designing scheme and the structure of the database support system for agricultural producers on the rational choice of highly adaptive technologies for the cultivation of key crops was carried out. The structure of the database "Support Systems..." was represented by three blocks: a block of initial information, a block of normative information and a block of calculated algorithms. The work to fill the blocks of initial and normative information, as well as to create an algorithm for rational selection of the optimal adaptive technology of crop cultivation, a key stage in this study, was done. The introduction of the created development into the process of agricultural production will allow agricultural producers to use available soil and climatic potential of the territories, material and technical resources in the most effective way in order to obtain highly profitable sustainable crop yields. Keywords: automation; agricultural technology; resource support; rational choice.

Author Details: A. V. Gostev, Cand. Sc. (Agr.), leading research fellow (e-mail: gav33@list.ru); A. I. Pykhtin, Cand. Sc. (Tech.), programmer engineer.

For citation: Gostev A. V., Pykhtin A. I. Modern Approaches to the Automation of Rational Choice of Adaptive Agrotechnologies. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 11. Pp. 71-74 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11119.