Научная статья на тему 'АГРАРНЫЕ ЭЛЕКТРОРОБОТИЗИРОВАННЫЕ МОДУЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ'

АГРАРНЫЕ ЭЛЕКТРОРОБОТИЗИРОВАННЫЕ МОДУЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
27
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АГРОТЕХНОЛОГИЯ / ОБЪЕКТ АГРАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА / АГРАРНАЯ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННАЯ РОБОТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА / МОДУЛЬ / СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Королёв Владимир Александрович, Башилов Алексей Михайлович

Агропроизводство требует выполнения широкого спектра различных технологических операций. Для разных видов продукции и условий реализации агротехнологии конкретный перечень и порядок проведения операций определяют технологические карты. Этапы агротехнологий сложны, трудоёмки и различны по применяемому оборудованию. Состав оборудования для механизации производственно-технологических процессов единого завершённого технологического цикла обслуживания объекта аграрного производства регламентирован «Системами машин…» - комплексными наборами взаимоувязанных по производительности и технологическому процессу, часто, специализированных рабочих машин. Наличие широкой номенклатуры рабочих машин, часть которых специализированы и используются в течение года кратковременно, сложность их применения в нештатных ситуациях и др. увеличивают стоимость агропродукции, снижают её качество и объёмы производства. В условиях роста цен на жидкое топливо, значимости решения экологических проблем, увеличения объёмов выпуска органического продовольствия устранение указанных недостатков может обеспечить использование модульных технологических систем. Цель работы - формализация концепции применения в агропроизводстве энергоэффективных электрифицированных роботизированных устройств на основе модульных структур, способных в ходе реализации агротехнологий оперативно трансформироваться под условия конкретной технологической задачи. Метод исследования - системный подход, принципы трансформируемости, модифицируемости и адаптируемости оборудования к реальным условиям функционирования. Системы модульных структур приобретают эмерджентные свойства, благодаря чему спектр выполняемых ими задач существенно расширяется. При формировании систем под конкретные условия реализации основным является экономический критерий, техническое выполнение модулей должно удовлетворять требованиям разумной достаточности: технологические возможности, ресурс, размеры и масса не должны быть избыточными, потребление энергии и других ресурсов минимально.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Королёв Владимир Александрович, Башилов Алексей Михайлович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

AGRICULTURAL ELECTRIC ROBOTIC MODULAR STRUCTURES

Wide range of different technological operations are performed in the conditions of agricultural production. For different types of products and conditions for the implementation of agricultural technology, a specific list and procedure for conducting operations are determined by technological maps. The stages of agricultural technologies are complex, time-consuming and different in the equipment used. The composition of the equipment for the mechanization of production and technological processes of a single completed technological cycle of servicing an agricultural production facility is regulated by "Machine systems..." - complex sets of interrelated in productivity and technological process, often specialized working machines. The presence of a wide range of working machines, some of which are specialized and used during the year for a short time, the complexity of their use in emergency situations, etc. increase the cost of agricultural products, reduce its quality and production volumes. In the context of rising prices for liquid fuels, the importance of solving environmental problems, increasing the volume of organic food production, the elimination of these shortcomings can ensure the use of modular technological systems. The purpose of the work is to formalize the concept of application in agricultural production of energy-efficient electrified robotic devices based on modular structures that can quickly transform under the conditions of a specific technological task during the implementation of agricultural technologies. Research method - a systematic approach, the principles of transformability, modifiability and adaptability of equipment to real operating conditions. Systems of modular structures acquire emergent properties, due to which the range of tasks performed by them is significantly expanded. When forming systems for specific implementation conditions, the main one is the economic criterion, the technical performance of the modules must meet the requirements of reasonable sufficiency: technological capabilities, resource, size and mass should not be excessive, consumption of energy and other resources is minimal.

Текст научной работы на тему «АГРАРНЫЕ ЭЛЕКТРОРОБОТИЗИРОВАННЫЕ МОДУЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ»

Вестник аграрной науки Дона. 2022. Т. 15. № 1 (57). С. 65-77. Don agrarian science bulletin. 2022. 15-1(57): 65-77.

Научная статья УДК 631.152

doi: 10.55618/20756704_2022_15_1 _65-77

АГРАРНЫЕ ЭЛЕКТРОРОБОТИЗИРОВАННЫЕ МОДУЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ

Владимир Александрович Королёв1, Алексей Михайлович Башилов1

1 Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), г. Москва, Россия, mai@mail.ru

Аннотация. Агропроизводство требует выполнения широкого спектра различных технологических операций. Для разных видов продукции и условий реализации агротехнологии конкретный перечень и порядок проведения операций определяют технологические карты. Этапы агротехноло-гий сложны, трудоёмки и различны по применяемому оборудованию. Состав оборудования для механизации производственно-технологических процессов единого завершённого технологического цикла обслуживания объекта аграрного производства регламентирован «Системами машин...» -комплексными наборами взаимоувязанных по производительности и технологическому процессу, часто, специализированных рабочих машин. Наличие широкой номенклатуры рабочих машин, часть которых специализированы и используются в течение года кратковременно, сложность их применения в нештатных ситуациях и др. увеличивают стоимость агропродукции, снижают её качество и объёмы производства. В условиях роста цен на жидкое топливо, значимости решения экологических проблем, увеличения объёмов выпуска органического продовольствия устранение указанных недостатков может обеспечить использование модульных технологических систем. Цель работы - формализация концепции применения в агропроизводстве энергоэффективных электрифицированных роботизированных устройств на основе модульных структур, способных в ходе реализации агротех-нологий оперативно трансформироваться под условия конкретной технологической задачи. Метод исследования - системный подход, принципы трансформируемости, модифицируемости и адаптируемости оборудования к реальным условиям функционирования. Системы модульных структур приобретают эмерджентные свойства, благодаря чему спектр выполняемых ими задач существенно расширяется. При формировании систем под конкретные условия реализации основным является экономический критерий, техническое выполнение модулей должно удовлетворять требованиям разумной достаточности: технологические возможности, ресурс, размеры и масса не должны быть избыточными, потребление энергии и других ресурсов минимально.

Ключевые слова: агротехнология, объект аграрного производства, аграрная электрифицированная роботизированная система, модуль, система управления

Для цитирования: Королёв В.А., Башилов А.М. Аграрные электророботизированные модульные структуры // Вестник аграрной науки Дона. 2022. Т. 15. № 1 (57). С. 65-77.

Original article

AGRICULTURAL ELECTRIC ROBOTIC MODULAR STRUCTURES

Vladimir Aleksandrovich Korolev1, Aleksei Mikhailovich Bashilov1

1Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia, mai@mail.ru

© Королев В.А., Башилов А.М., 2022

Abstract. Wide range of different technological operations are performed in the conditions of agricultural production. For different types of products and conditions for the implementation of agricultural technology, a specific list and procedure for conducting operations are determined by technological maps. The stages of agricultural technologies are complex, time-consuming and different in the equipment used. The composition of the equipment for the mechanization of production and technological processes of a single completed technological cycle of servicing an agricultural production facility is regulated by "Machine systems..." - complex sets of interrelated in productivity and technological process, often specialized working machines. The presence of a wide range of working machines, some of which are specialized and used during the year for a short time, the complexity of their use in emergency situations, etc. increase the cost of agricultural products, reduce its quality and production volumes. In the context of rising prices for liquid fuels, the importance of solving environmental problems, increasing the volume of organic food production, the elimination of these shortcomings can ensure the use of modular technological systems. The purpose of the work is to formalize the concept of application in agricultural production of energy-efficient electrified robotic devices based on modular structures that can quickly transform under the conditions of a specific technological task during the implementation of agricultural technologies. Research method - a systematic approach, the principles of transformability, modifiability and adaptability of equipment to real operating conditions. Systems of modular structures acquire emergent properties, due to which the range of tasks performed by them is significantly expanded. When forming systems for specific implementation conditions, the main one is the economic criterion, the technical performance of the modules must meet the requirements of reasonable sufficiency: technological capabilities, resource, size and mass should not be excessive, consumption of energy and other resources is minimal.

Keywords: agrotechnology, agricultural production facility, agrarian electrified robotic system, module, control system

For citation: Korolev V.A., Bashilov A.M. Agricultural electric robotic modular structures. Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don agrarian science bulletin. 2022; 15-1(57): 65-77. (In Russ.)

Введение. Реализации агротехноло-гий предусматривают системное применение рабочих машин - комплексного набора взаимоувязанных по производительности и технологическому процессу разнообразных, часто, специализированных устройств, обеспечивающих комплексную механизацию производственно-технологических процессов единого завершённого технологического цикла обслуживания объекта аграрного производства (ОАП). Наличие широкой номенклатуры рабочих машин, значительная часть которых из-за специализации на выполнение конкретных технологических операций используют в течение года небольшой промежуток времени, а также другие факторы, значимо увеличивают стоимость конечной продукции агропроизводства.

К недостаткам современных агротех-нологий следует отнести не всегда эффективную обратную связь между результатами выполнения технологических операций и условиями их реализации. Технологические карты, излагающие перечень, последова-

тельность выполнения и параметры операций конкретных агротехнологий, не всегда позволяют оперативно подстраивать параметры агропроцессов под реальные условия реализации. Поскольку агропроцессы выполняют в среде меняющихся стохастических параметров (ОАП, внешние воздействия и др.), часто при отклонении процессов от требуемых не удаётся оперативно сформировать эффективный комплект рабочих машин, нужное управление. Таким образом, эффективность реализации агро-технологий не всегда максимальна, реальные затраты различных ресурсов увеличены [1-4].

В условиях роста цен на жидкое топливо, значимости решения экологических проблем, в том числе, важности увеличения объёмов выпуска органического продовольствия, позитивный мировой опыт ведения сельхозработ часто связан с расширением использования энергоэффективных высокопроизводительных аграрных электрифицированных роботизированных систем (АЭРС).

Практический опыт свидетельствует о перспективах применения АЭРС в реализациях новых индустриальных агротехнологических систем дифференцированного животноводства и земледелия, программируемого урожая, геоинформационных и т.д. Весьма целесообразно применение АЭРС для работы во вредных для человека условиях (внесение удобрений, подготовка посадочного материала, борьба с болезнями растений и животных и т.д.), а также для замены тяжёлого физического труда (сбор урожая, прополка и др.), функционирования в круглосуточном режиме [5-9].

Реальный практический интерес представляет задача замены широкой номенклатуры агротехнологического оборудования модульными многоцелевыми агрегатами АЭРС. При этом в цифровых АЭРС могут применяться спутниковые системы, беспилотные летающие аппараты, новейшие сенсорные устройства, системы технического зрения с возможностью формирования двух- и трёхмерных структур объектов и т.д. Системы управления АЭРС при работе в стохастических условиях должны обладать способностями когнитивного анализа и приспособляемости. При формировании АЭРС под конкретную задачу и определённые условия её реализации основным является экономический критерий, техническое выполнение модулей должно удовлетворять требованиям разумной достаточности: технологические возможности, срок службы, размеры и масса не должны быть избыточными, потребление энергии и других ресурсов минимально.

Важные показатели АЭРС-технологий: адаптация к реальным условиям агропро-цессов, обеспечение высокого качества и объёмов продукции, сокращение его потерь, затрат различных видов ресурсов, в том числе, невосполнимых, улучшение экологической обстановки и уменьшение деградации окружающей среды в зоне функционирования, сокращение числа немеханизированных операций. При изменении условий реализации агропроцессов, отклонении ха-

рактеристик ОАП от требуемых и т.п. оперативно и адаптивно изменяют состав системы.

Методика исследований. Современная практика создания оптимальных систем агропроизводства базируется на использовании фундаментальных методов системного анализа. Происходящие здесь обмен и преобразование энергии, вещества, информации, связанные с изменениями ОАП и техногенными воздействиями на него при реализациях агротехнологий, рассматриваются, как управляемый общесистемный процесс в открытых системах - агротехно-ценозах (АТЦ). В АТЦ самоорганизующиеся природные процессы (изменения ОАП и в окружающей среде) определяют техногенные воздействия на параметры выполняемых технологических операций [10].

Рассмотрение сложных открытых систем, аналогичных АТЦ, предусматривает их анализ и синтез как единого целого, обладающего эмерджентными свойствами [11, 12]. Вначале АТЦ рассматривается состоящим из биоценоза и техноценоза1, а затем, при решении реальных задач применения технологического оборудования и управления процессами производства агропродук-ции, в составе техноценоза выделяют более мелкие компоненты. Эти компоненты при применении АЭРС целесообразно рассматривать как набор функционально законченных модулей, структура компонентов постоянно обновляется в зависимости от решаемой задачи и условий её выполнения.

Реализуемые в практике агропроиз-водства технологические процессы с определённой степенью достоверности можно разделить на стационарные, выполняемые при отсутствии управлений; квазистационарные, сопровождаемые статическим регулированием; динамические, обеспечиваемые стохастическим управлением. Каждый стохастический агропроцесс может рас-

Компоненты техноценозов (самостоятельные динамические системы) рассредоточены в пространстве, их функционирование распределено во времени и осуществляется в условиях стохастических, часто, не полностью управляемых внешних воздействий, отсутствия достоверной информации о параметрах процессов [10].

сматриваться в течение непродолжительного промежутка времени как детерминированный либо квазистационарный. Так, параметры воздействий на ОАП определяют текущие параметры выполняемого процесса, движение робота может осуществляться по определённому маршруту, либо траекторию движения определяет робот и т.п.

Все законы эволюции и развития природных структур энергоэкономичны. Эффективные техногенные системы также должны быть энергоэкономичны. В конструкциях техногенных устройств должны быть использованы принципы развития и функционирования природных структур. При управлении техногенными системами возможна обратная (био-техно) аналогия, определяющая необходимый ход эволюции природных структур АТЦ [10-12].

Результаты исследований и их обсуждение. Традиционно состав техноце-нозов определяют агрегаты «Системы машин...», исходя из вида ОАП, технологии его получения, климатических факторов региона. Последовательность формирования техноценоза на базе АЭРС принципиально меняется, его структуру и поведение описывает нестабильный вектор с переменными параметрами и числом координат (реальные параметры ОАП и реальные условия реализации агропроцессов).

Структуризация и трансформация системы объектов агротехноцено-за. Проектирование системно-интегрированных информационно насыщенных агро-технологий основывается на использовании постоянно обновляющегося интеллектуального ресурса современной науки, перспективных ранее не применявшихся образцов техники. Структуру сложно функционирующих природно-техногенных самоорганизующихся систем аграрного производства представляют в виде относительно самостоятельных компонентов, объединённых иерархическими интерактивными не обязательно стабильными связями.

При глобальном рассмотрении ядро новых аграрных знаний объединяют трен-

ды совершенствования агросистемы. Каждая из составляющих ядра включает иерархически связанные уровни реализации технологии (плоскости фигуры). Тренды ядра взаимосвязаны, взаимозависимы и объединены структурой объёмной геометрической фигуры (куба, пирамиды с разным числом рёбер и т.п.).

При конкретизации технологии структура (уровни) ядра новых аграрных систем детализируются, например (рисунок 1):

- системно организованный иерархически выстроенный ОАП (ОП) - ребро ОП, характеризующее уровни управления, а именно, структурированные 1, слабо структурированные 2, неструктурированные 3;

- информационно-интеллектуальные системы знаний (СЗ) - ребро СЗ, характеризующее уровни знания и технологии, а именно, системные 1, недостаточные 2, несистемные 3;

- исполнительные структурно организованные системы действий (СД) - ребро СД, характеризующее уровни действия при функционировании машин и агрегатов техноценоза, а именно, системно организованные 1, упорядоченные 2, хаотические 3.

Рёбра фигуры и плоскости между рёбрами ядра характеризуют определяющие направления развития и совершенствования АТЦ. Ближе к основанию фигуры (нижние подуровни) группируются элементы слабоорганизованной системы: менее совершенные, более простые технические устройства и технологические решения. При перемещении от основания фигуры к центру координат (устремление в направлении совершенствования системы) технологии и исполнительные агрегаты при некотором усложнении закладываемых в них технических решений совершаются, приобретают способности частичной адаптации к реальным условиям реализации агротех-нологий. В непосредственной близости с вершиной фигуры группируются высокоэффективные реализации интеллектуальных агротехнологий (зона результативных

действий). Направление вектора совершенствования системы предопределяет трансформацию (совершенствование и интеллектуализацию) технологий и технических средств агропроизводства. Например,

нижний уровень фигуры (ОП1-СД1-СЗ1) соответствует техническим средствам обработки почвы на заре человечества, верхний уровень (СОЗ-СДЗ-СЗЗ) - современным решениям.

1/

/ У

- j> - ж

-.о

/J

Ж

ж -

ж

Г А Л

V

г

сд

и îf fil ai I

1

S E g ®

. о m S i-, о щ

У

S 9L Щ -g1

«■S»

I I

ï S о Je

II 03 ^

E "G

0 %

1 |

S .S

tr ID

э -Tj

"3

а s f) tb ® й О

л -it

1 Е Щ

Е \ ? 1 и

' о С

ф О

£ а

C3

«sr

#

ОП - система объектов аграрного производства; СЗ - система знаний и технологий;

СД - система машин и агрегатов Рисунок 1 - Модуль кубической метрики основных направлений совершенствования АТЦ

при создании интеллектуальных АЭРС

OP - system of objects of agricultural production; SK - system of knowledge and technologies;

SD - system of machines and units Figure 1 - The module of cubic metrics of the main directions of improvement of the ATC

in the creation of intelligent AEDs

Пространство кубической метрики трендов изменения АТЦ (рисунок 1) позволяет сформулировать задачи, решаемые в ходе эволюции системы знаний, изменения техногенных устройств, совершенствования агротехнологий:

1. Оптимизация оперативного управления. В технологиях животноводства актуальны: назначение рационов, контроль и управление состоянием особей, эффективное обеспечение отдельных операций (осеменений, отёлов и т.п.), осуществление мероприятий по обслуживанию животных; в инженерной службе - маршруты перемещения роботов раздачи кормов в условиях за-

крытого содержания, ферм по культурным пастбищам, перемещение животных по территориям, выполнение технического текущего обслуживания и замены оборудования и т.д.

2. Формирование базы данных оперативного и стратегического управления: инновационные базы по направлениям деятельности объекта (кибертехнологии, энергоснабжение, мехатроника, зоотехника, ветеринария, экономика и т.п.): обработка, обновление, хранение оперативной информации.

3. Стратегическое планирование и перспективное управление предприятием

(финансовые, административные, технические ресурсы, инновационная трансформация предприятия). На этом уровне работает бизнес-план.

Показанное на рисунке 1 трёхмерное пространство ядра новых аграрных знаний подтверждено научно-техническими инновационными решениями, изложенными в патентах Российской Федерации (№ 2045181, 2060643, 2350068, 2423042, 2432734, 2430499, 2432727, 2471338, 2486747, 2488264, 2490888, 2492609,

2492609 2538997 и др.).

Процесс творческого изобретательства многогранен и может постоянно пополняться, следуя интерактивной и итеративной схеме нахождения и накопления новых знаний (рисунок 2) с функцией обмена информацией. Системы, основные компоненты которых адаптивны к стохастическим условиям реализации и постоянно изменяющимся параметрам технологических процессов, способны к самосовершенствованию.

Познаваемое Knowable

Рисунок 2 - Основные системообразующие ресурсы и связи при проектировании обновлённых, информационно-интеллектуально насыщенных агротехнологий

Figure 2 - The main system-forming resources and connections in the design of updated, information-intellectually saturated agricultural technologies

Процедуры проектирования, рассмотренные на рисунках 1, 2, являются исходной основой формирования трансформируемо-сти АЭРС, её многофункциональности и организации интеллектуального управления, а также модифицируемости и адаптируемости

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

технологии к реальным условиям реализации.

Трансформируемость и многофункциональность АЭРС. Под АЭРС, в зависимости от уровня её пространственной метрики агротехнологии (см. рисунок 1), подразуме-

ваем роботизированную систему, группу устройств либо отдельную многофункциональную машину, обеспечивающую выполнение комплекса технологических операций цикла производства агропродукции.

В зависимости от решаемой задачи структуры АЭРС и их модули можно строить либо на базе стандартных (известных) устройств либо сформировывать специальные устройства под решение конкретных задач. В обоих случаях необходимы интеллектуальные модули роботизированных устройств, систем управления.

Стандартные технические решения предполагают применение оборудования [11-12]:

- специализированного малой и средней мощности: для выполнения трудоёмких, в том числе сезонных, операций в поле, теплицах, на фермах и т.п. Здесь используют устройства существующих агрегатов (тракторов, комбайнов и др.): транспортные базы, рабочие органы, средства управления, автовождения, навигации и др.;

- индустриального (например, на базе комплексов «Стационар», мостовых систем, дождевальных машин и др.), подобных по составу, режимам функционирования к крупным промышленным структурам. АЭРС индустриального типа обеспечивают выполнение групп различных технологических операций. Установленная мощность оборудования здесь может составлять сотни кВА;

- геоинформационных систем точного (дифференцированного) агропроизводства. Здесь, совместно с описанными системами, применяют перспективные информационные технологии, новейшие электронно-управляющие устройства, средства технического зрения совместно с устройствами космического мониторинга, роботизированные исполнительные агрегаты, в том числе, беспилотные и др.

Формирование АЭРС в условиях решения конкретных производственных задач предусматривает её реализацию в виде комплекта функционально законченных

устройств, объединяемых в специализированные комплексы.

В общем случае АЭРС содержит определяемый назначением комплект различных одиночных либо групп однотипных функционально ориентированных модулей, состав и соотношение которых, а также техническое исполнение соответствует условиям реализации агротехнологии. Как правило, минимальный (базовый) комплект включает модули электроснабжения, рабочих органов, сенсорного управления, коммуникационные. Мобильные АЭРС комплектуют модулями перемещения, ориентации в пространстве (СТЗ, лидар и др.). В дополнение к базовым, при необходимости, могут создаваться специальные модули для решения конкретной задачи.

Таким образом, отдельные модули технологических устройств АЭРС выполняют по принципу функция-блок, что обеспечивает возможность совместного либо селективного выполнения функций отдельным блоком. Такая структура удобна для приспособления к реальным условиям реализации агропроцессов, при модернизации и расширении функциональных возможностей оборудования и т.д.

Расширение возможностей, получение нужных характеристик АЭРС обеспечивают объединение однотипных функционально ориентированных модулей в группу. Из модулей электроснабжения ограниченной мощностью формируют источник электроснабжения заданной (увеличенной) мощности, объединение нескольких модулей перемещения (модулей рабочих органов) увеличивают производительность системы, например, при выполнении пахотных работ, прополке полей, уборочных работах и т.д.

Конструктивные и схемотехнические решения используемых модулей увеличивают гибкость структуры применения системы. Так, в модулях электроснабжения предусматривают пофазную и поблочную унификацию, применение комбинированного устройства для регулирования однофазных и трёхфазных нагрузок различного характе-

ра (тяговый привод, поддержание микроклимата, обработка зерна, осветительные приборы и др.). Модуль транспортной базы, кроме исполнений наземного базирования, может быть реализован в виде беспилотных летающих устройств.

Модули перемещения мобильных подвижных АЭРС в основном используются при работе на значительном удалении от основных коммуникаций хозяйства, как базовые. Транспортные агрегаты этих модулей доставляют технологические модули в зону функционирования. Далее система управления формирует АЭРС требуемого назначения и конфигурации, в частности, технологические модули, специализированные мобильные подвижные устройства. При этом базовый модуль выполняет задачи автономной базы подзарядки систем электроснабжения вспомогательных модулей, средств коммуникации с системой управления верхнего уровня и совмещает их с функцией «мастера» - управления технологическими модулями для активного воздействия на ОАП.

Наличие в устройствах АЭРС разнообразных взаимозаменяемых модулей (рабочих органов, источников питания, датчиков и других элементов) позволяет использовать схемы, отличные от применяемых в традиционных устройствах, организовать пороговые принципы защиты технологической защиты (выполняемых агропроцессов, состояния электрических и механических устройств), технологическое и ресурсное прогнозирование, изменять тип выполняемых технологических операций и т.п.

Не все агрегаты в агропроизводстве используют длительное время. Для сокращения затрат на хранение оборудования в отдельных случаях могут изготавливаться модули однократного (сезонного) использования. В будущем для формирования этих модулей могут применяться низкозатратные технические решения, например, с использованием 3Д-принтеров.

При формировании АЭРС под конкретную задачу и условия её реализации

основным является экономический критерий, технические реализации модулей должны удовлетворять требованиям разумной достаточности: технологические возможности, ресурс, размеры и масса не должны быть избыточными, потреблять минимум энергии и других ресурсов.

Организация интеллектуального управления АЭРС. Практика агропроизвод-ства показывает, что аналитическая, техническая и информационная поддержка процессов функционирования здесь не всегда эффективна, а использование активного интеллектуального управления не всегда возможно из-за:

- осуществления управляющих воздействий не непосредственно на стохастич-ный на параметрическом и алгоритмическом уровнях ОАП, а на конкретные элементы его техногенной части. При этом условия управления, часто в не полностью определенных условиях функционирования, постоянно меняются (недостаток текущей и априорной информации о показателях процессов и оборудования, не известные уравнения управляемых объектов и внешних воздействий);

- сложности контроля ряда параметров выполняемых процессов и характеристик исполнительных устройств;

- сложности оценки потенциальных результатов, прогнозирования процессов;

- отсутствия единых методологических принципов и системного описания АТЦ, построения моделей управления структурами агропроизводства с адекватной компенсацией оперативной и стратегической неопределённостей;

- отсутствия направленности средств аналитической, информационной и технической поддержки выполняемых процессов на обеспечение эффективного функционирования самоорганизующихся структур;

- ограничения функций адаптивного целевого управления экономическими, технологическими, информационными, техническими и другими факторами.

Алгоритм управления АЭРС должны характеризовать изменчивость структуры, способность адаптации к конкретным условиям реализации, а также зависимость от подуровня совершенства системы.

Требования к управлению АЭРС:

- множества состояний объекта управления (5 = {51, ...,5П}) и критериев качества управления (К = {К1,..., Кп}) пересекаются: ^65 при I > 1 или 5п к * 0;

- множество S определяется множеством допустимых режимов (С = С1 п С2... п < где hj - действующие ограничения 0>1), накладываемые на параметры режимов;

- множество S должно быть способно оперативно адаптироваться к условиям нештатных состояний (технологических процессов и режимов, не описанных технологическими картами).

Теория оптимального управления техногенным оборудованием, режимы работы которого соответствуют теореме Вейер-штрасса, базируется на принципах экстремального действия Эйлера, теории оптимального управления Л.С. Понтрягиным, вариационного исчисления и др. Применительно к АТЦ необходимой составляющей теории оптимального управления является его общесистемная биотехноэнергетическая адаптивная модель. При реализации конкретных задач расчётные модели АТЦ, описывающие в общем управляемом процессе природные (биоценоз) и техногенные (тех-ноценоз) структуры, должны:

- формировать множества контрольных параметров всех этапов процессов сопровождения ОАП при учёте реализуемой стратегии функционирования, действия стохастических воздействий макроокружения (внешние условия реализации, изменения ОАП и т.п.);

- отражать текущее состояние технологических процессов, их предысторию, среднесезонные изменения и взаимосвязи параметров процессов, формировать упре-

ждающие управляющие воздействия и прогнозировать их последствия;

- характеризовать особенности техно-технических реализаций систем, расход всех видов используемых ресурсов;

- прогнозировать объёмы производства и качество ОАП с учётом управляемости технологических процессов;

- предлагать использование природных источников энергии (эксэргии солнечного излучения, почвенного и водного потенциалов, природных кормов и т.д.).

В АЭРС высокоэффективных техноце-нозов искусственные адаптивные технико-технологические способности адаптации техногенного оборудования к характеристикам развития ОАП для достижения заданных потребительских целей в реальном це-лелогическом изменении выполняемых процессов формируют алгоритмы функционирования системы управления. В этих условиях, кроме опережающего превентивно адаптирующегося к прогнозу развития самоорганизующихся структур биоценозов управления техногенной частью АТЦ, важна возможность приспособления состава (структур) технологического оборудования к текущим условиям реализации процессов. Готовность адаптации техногенного оборудования к биоэкотехнологиям отражается как логические соотношения адаптивных действий сохранения наследуемости выполняемых операций и эволюции конкретных видов сельскохозяйственной продукции. Многократное повторение операций в циклах технологических процессов с фиксацией полученного на практике опыта в системно организованной производственной базе повышает качество и способность оборудования к адаптации в различных условиях функционирования [11, 12]. В АЭРС необходима многоуровневая адаптивная система управления. При формализации алгоритмов управления процессами рассматриваются взаимосвязанные компоненты АТЦ: самоорганизующаяся - «ОАП - внешняя среда» и управляемая детерминированной - «воздействия - технические средства», режимы

функционирования первой структуры определяют режимы компоненты «ОАП - внешняя среда».

Этапы формирования структуры АЭРС под конкретные цели и задачи:

- уточняют назначение и функции системы, способы и алгоритмы действий достижения цели функционирования, глобальную цель описывают подмножествами частных целей для конкретных (последовательных во времени) состояний, прогнозируемых ситуаций, а также компонентов АТЦ;

- анализируют множества этапов и режимов функционирования, компонентов системы и их целевое назначение и т.п.;

- определяют структуру системы, типы технических средств реализации и управления технологическими процессами, уточняют требования к параметрам технологического процесса, характеристикам технических средств реализации, их взаимодействию;

- формализуют критерии оценки функционирования АТЦ и его компонентов, оценивают соответствие их цели и задачам функционирования (многокритериальные задачи);

- разрабатывают проекты технических средств реализации и управления технологическими процессами.

В качестве стохастической модели состояния АТЦ эффективны эксергетические модели агропроизводства - функции пространственно-временной структуры, вероятностные характеристики которых определяют внешние случайные возмущения, а также ретроспективная информация о реализациях аналогичных процессов [10, 12]. В ряде случаев при рассмотрении стохастических процессов для техногенной части АТЦ допустим переход к моделям модульной структуры. Техноценоз - упорядоченное множество функционально ориентированных модулей, взаимодействующих друг с другом, обменивающихся энергией, информацией и ресурсами. Модули АЭРС - составная часть модели АТЦ.

Специфика применений наложила отпечаток на используемое программное обеспечение систем управления АЭРС. Важным требованием к программному обеспечению является его гибкость, надёжность и эффективность, оперативная (в режиме реального времени) реакция на изменения параметров и условий реализации выполняемых процессов. Специальные алгоритмы управления реальными процессами изменения ОАП или его частей, протекающие в условиях чрезвычайно сложной и многоуровневой природы ОАП, в АЭРС обеспечиваются за счёт многозадачности и многопо-точности (конвейеризации) программного обеспечения. Отдельные задачи (в зависимости от приоритета, внешних и внутренних событий реальных процессов и т.п.) выполняют конкретные части задачи управления объектом, используя совместно вычислительные ресурсы системы. Известны алгоритмы распределения ресурсов между задачами, рассмотрение которых не входило в задачи данной статьи.

Заключение. Решение задач им-портозамещения, повышения эффективности агропромышленного комплекса связано с внедрением простых малозатратных по энергии, материальным и человеческим ресурсам технологий. Реализация указанных задач может быть обеспечена, в том числе, за счёт применения энергоэффективных высокопроизводительных аграрных электрифицированных роботизированных систем.

При использовании АЭРС возможна замена значительной части используемого в настоящее время агротехнологического оборудования модульными многоцелевыми агрегатами. Состав технологического оборудования при выполнении конкретного аг-ропроцесса формируется непосредственно перед началом его реализации и корректируется в ходе выполнения агропроцессов, исходя из реальных условий реализации, а также реальных характеристик ОАП и АЭРС.

Рассмотренная топология АЭРС обеспечивает:

- масштабируемость (расширение функциональности, возможность реконструкции системы без нарушения её работы), концентрацию в системе исключительно необходимых действий;

- возможность поэтапного и пофраг-ментного внедрения модулей по технологическим соображениям и мере готовности;

- высокую унификацию процессов комплектования, сервисного обслуживания, наладки и тестирования технологического оборудования с минимальными затратами времени и материальных ресурсов;

- высокую экономичность, рентабельность, оперативность при расширении функциональности систем за счёт использования дополнительных модулей;

- низкие затраты на текущее обслуживание и восстановление оборудования.

АЭРС, построенные по модульному принципу, приобретают эмерджентные свойства, благодаря чему спектр выполняемых ими задач существенно расширяется.

Список источников

1. Краусп В.Р. Разработка индустриальной электророботизированной агротехнологии производства продовольствия органик // Инновационные технологии АПК России - 2015: материалы III конференции в рамках 9-го Международного биотехнологического форума-выставки «РосБиоТех-2015». Ассоциация "ТППП АПК", 2015. С. 18-21. (In Russ.)

2. Обзор цифровых технологий для агропромышленного комплекса: от ГИС до интернета вещей. https://integral-russia.ru/2020/07/30/ tsifrovaya-platforma-razvitiya-gropromyshlennogo-kompleksa-kontseptsiya-i-osnovnye-tezisy/ (Дата обращения 02.12.2021). (In Russ.)

3. Быков В.Л., Быков Л.В., Новород-ская М.В., Пущак О.Н., Шерстнева С.И. Применение данных дистанционного зондирования для информационного обеспечения системы точного земледелия // Вестник Омского государственного аграрного университета. 2016. № 1 (21). С. 146-154. (In Russ.)

4. Роботизация в сельском хозяйстве. Будущее агропроизводства. https:// habr.com/ru/ company/ruvds/blog/559448/ (Дата обращения 02.12.2021). (In Russ.)

5. Косогор С.Н., Архипов А.Г., Мото-рин О.А., Горбачев М.И., Суворов Г.А., Труф-ляк Е.В. Цифровая трансформация сельского хозяйства России: офиц. изд. М.: ФГБНУ «Ро-синформагротех», 2019. 80 с. (In Russ.)

6. Липкович Э.И., Серёгин А.А. Интеллектуализация технического оснащения АПК // АПК: экономика, управление. 2015. № 1. С. 6375. (In Russ.)

7. Чуйкин К.А. Влияние дронов и искусственного интеллекта на сельское хозяйство // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2018. Т. 2. № 4 (14). С. 389-391. (In Russ.)

8. Kirtan Jha, Aalap Doshi, Poojan Patel, Manan Shah. A comprehensive review on automation in agriculture using artificial intelligence // Artificial Intelligence in Agriculture. June 2019. Vol. 2. Р. 1-12 https://doi.org/10.1016/j.aiia.2019.05.004.

9. Ya'nan SUN, Huiyuan WANG. Face recognition based on circularly symmetrical gabor transforms and collaborative representation // In: Multimedia and Image Processing (ICMIP), 2017 2nd International Conference. IEEE, 2017. P. 103107. Doi:10.1109/ICMIP.2017.32.

10. Башилов А.М., Королёв В.А. Системно-организованные и локально-индивидуализированные принципы управления электрифицированными растениеводческими производствами // Альтернативная энергетика и экология: Международный научный журнал. 2015. № 21 (185). С. 124-131.

11. Башилов А.М. Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии в аграрном производстве // Техника и оборудование для села. 2015. № 2 (212). С. 2-6.

12. Башилов А.М., Королёв В.А. Моделирование процессов управления в АПК // Вестник аграрной науки Дона. 2019. № 4 (48). С. 49-54.

References

1. Krausp V.R. Razrabotka industrial'noy elektrorobotizirovannoy agrotekhnologii proizvod-stva prodovol'stviya organik (Development of an industrial electro-robotic agricultural technology for organic food production). Innovatsionnye tekhnologii APK Rossii - 2015: materialy III kon-

ferentsii v ramkakh 9-go Mezhdunarodnogo bio-tekhnologicheskogo foruma-vystavki «RoSBiO-Tekh-2015». Assotsiatsiya "TPPP APK", 2015, pp. 18-21. (In Russ.)

2. Obzor tsifrovykh tekhnologiy dlya ag-ropromyshlennogo kompleksa: ot GIS do internet veschey (Overview of digital technologies for the agro-industrial complex: from GIS to the Internet of things). https://integral-russia.ru/2020/07/30/ tsifrovaya-platforma-razvitiya-agropromyshlen-nogo-kompleksa-kontseptsiya-i-osnovnye-tezisy/ (Data obrascheniya 02.12.2021). (In Russ.)

3. Bykov V.L., Bykov L.V., Novorodskaya M.V., Puschak O.N., Sherstneva S.I. Primenenie dannykh distantsionnogo zondirovaniya dlya informatsion-nogo obespecheniya sistemy tochnogo zemlede-liya (Application of remote sensing data for information support of the precision farming system). Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016; 1 (21): 146-154. (In Russ.)

4. Robotizatsiya v sel'skom khozyaystve. Buduschee agroproizvodstva. (Robotization in agriculture. The future of agricultural production). https:// habr.com/ru/company/ruvds/blog/559448/. (Data obrascheniya 02.12.2021). (In Russ.)

5. Kosogor S.N., Arkhipov A.G., Motorin O.A., Gorbachev M.I., Suvorov G.A., Truflyak E.V. Tsifrovaya transformatsiya sel'skogo khozyaystva Rossii (Digital transformation of Russian agriculture): ofits. izd. M.: FGBNU «Rosinformagrotekh», 20193, 80 p. (In Russ.)

6. Lipkovich E.I., Seregin A.A. Intellektua-lizatsiya tekhnicheskogo osnascheniya APK (Intel-lectualization of the technical equipment of the agro-industrial complex). APK: ekonomika, uprav-lenie. 2015; 1: 63-75. (In Russ.)

7. Chuykin K.A. Vliyanie dronov i is-kusstvennogo intellekta na sel'skoe khozyaystvo (Impact of drones and artificial intelligence on agriculture). Aktual'nye problemy aviatsii i kos-monavtiki. 2018; 2. 4(14): 389-391. (In Russ.)

8. Kirtan Jha, AalapDoshi, Poojan Patel, Manan Shah A comprehensive review on automation in agriculture using artificial intelligence. Artificial Intelligence in Agriculture. June 2019; Vol. 2: 1-12. https://doi.org/10.1016/j.aiia.2019.05.004.

9. SUN Ya'nan, WANG Huiyuan. Face recognition based on circularly symmetrical gabor transforms and collaborative representation. In: Multimedia and Image Processing (ICMIP), 2017 2nd International Conference. IEEE, 2017, pp. 103-107. Doi: 10.1109/ICMIP.2017.32.

10. Bashilov A.M., Korolev V.A. Sistemno-organizovannye i lokal'no-individualizirovannye printsipy upravleniya elektrifitsirovannymi raste-nievodcheskimi proizvodstvami (System-organized and locally-individualized principles of management of electrified crop production). Al'ternativ-naya energetika i ekologiya: Mezhdunarodnyy nauchnyy zhurnal. 2015; 21(185): 124-131. (In Russ.)

11. Bashilov A.M. Innovatsionnye lazernye, opticheskie i optoelektronnye tekhnologii v agrar-nom proizvodstve (Innovative laser, optical and optoelectronic technologies in agricultural production). Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2015; 2 (212): 2-6. (In Russ.)

12. Bashilov A.M., Korolev V.A. Modeliro-vanie protsessov upravleniya v APK (Modeling of management processes in the agro-industrial complex). Vestnik agrarnoy nauki Dona. 2019; 4 (48): 49-54. (In Russ.)

Информация об авторах

В.А. Королёв - кандидат технических наук, доцент, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), г. Москва, Россия. Тел.: +7-903-280-71-38. E-mail: vieshvk@yandex.ru.

А.М. Башилов - доктор технических наук, профессор, Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет), г. Москва, Россия. Тел.: +7-926-114-92-84. E-mail: bashilov@inbox.ru.

[й] Королёв Владимир Александрович, vieshvk@yandex.ru.

Information about the authors

V.A. Korolev - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia. Phone: +7-903-280-71-38. E-mail: vieshvk@yandex.ru.

A.M. Bashilov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia. Phone: +7-926-114-92-84. E-mail: bashilov@inbox.ru.

Korolev Vladimir Aleksandrovich, vieshvk@yandex.ru.

Вклад авторов. Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Contribution of the authors. All authors made an equivalent contribution to the preparation of the article. The authors declare no conflict of interest.

Статья поступила в редакцию 21.01.2022; одобрена после рецензирования 24.02.2022; принята к публикации 25.02.2022.

The article was submitted 21.01.2022; approved after reviewing 24.02.2022; accepted for publication 25.02.2022.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.