CC BY
57
11 Morse, R. A., Boch, R. Pheromone concert in swarming honeybees (Hymenoptera: Apidae). Annals of the Entomological Society of America, 1971. 64(6): 1414-1417.
12 Eskov E.K. Akusticheskaya signalizatsiya obshchestvennykh nasekomykh [Acoustic signaling of social insects]. Moscow: Nauka. 1979: 209. (In Russian)
УДК 631 412 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10085
АНАЛИЗ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЧВЕННОГО СОСТОЯНИЯ
A.A. Устроев, канд. техн. наук; Е.А. Мурзаев
А.Б. Калинин, д-р техн. наук;
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
В настоящее время при быстро растущих темпах производства сельскохозяйственной продукции необходимо проводить анализ воздействия природных и антропогенных факторов на параметры почвенного состояния с целью повышения качественных, количественных и экологических показателей применения технологических операций. Параметрами почвенного состояния, по которым может оцениваться экологическая безопасность агроландшафтов, являются твердость, влажность и электропроводность почвы и др. Мониторинг таких показателей достигается путем использования цифровых измерительных систем, которые позволяют выполнять оценку выбранных параметров в многомерном пространстве и времени (например, по площади и по глубине), получать данные с заданной дискретностью и являются средством создания соответствующих слоев на цифровых картах полей. Выполнен аналитический обзор цифровых измерительных систем для определения параметров почвенного состояния, используемых для научных исследований и в производственных условиях. Приведены функциональные возможности, принципы работы и конструктивные особенности измерительных систем. Измерительные системы используются в научных исследованиях при создании и совершенствовании технологий возделывания сельскохозяйственных культур, а также при выборе рациональных режимов работы почвообрабатывающих агрегатов. На основе измерения параметров почвенного состояния принимаются рациональные управленческие решения использования технологических операций при производстве сельскохозяйственной продукции.
Ключевые слова: цифровая измерительная система, параметры, почвенное состояние, анализ, мобильный агрегат.
Для цитирования: Устроев A.A., Калинин А.Б., Мурзаев Е.А. Анализ цифровых измерительных систем для определения параметров почвенного состояния // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 4(97). С. 19-28
ANALYSIS OF DIGITAL MEASUREMENT SYSTEMS TO DETERMINE THE SOIL STATE
PARAMETERS 19
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ПАЭП. 2018. Вып. 97_|_
A.A. Ustroev, Cand. Sc (Engineering); E.A. Murzaev
A.B. Kalinin, DSc (Engineering);
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Under current rapidly growing agricultural production, the impact of natural and anthropogenic factors on the soil state parameters needs to be considered in order to improve the qualitative, quantitative and environmental indicators of technological operations. The soil state parameters, which can be used to assess the ecological safety of agro-landscapes, are soil penetration index, soil moisture content and electrical conductivity, etc. These parameters are monitored with the use of digital measurement system, which allow to estimate the selected parameters in the multidimensional space and time (for example, by area and by depth), and to obtain the data with a given discreteness. They are a tool for creating the corresponding layers on the digital field maps. The paper presents the results of the analytical review of available digital measuring systems, which are applied to determine the soil state parameters in research and production. The functional capabilities, operating principles and design features of the measuring systems are described. Measuring systems are generally used in research to develop and improve the crop cultivation technologies and to choose the rational operation modes of tillage units. Managerial rational decisions associated with the application of technological operations in agricultural production are made based on the measurement of soil state parameters.
Key words, digital measurement system, soil state, parameter, analysis mobile tillage unit.
For citation. Ustroev A.A., Kalinin A.B., Murzaev E.A. Analysis of digital measurement systems to determine the soil state parameters. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. 4(97). -19-28. (In Russian)
Введение
Решение продовольственной проблемы России невозможно без целесообразной научной и экологически обоснованной интенсиф икации сельскохозяйственного производства на основе рационального использования применяемых технических средств [1]. Этого можно достичь путем
природопользованием, предполагающее при проектировании перспективных
ресурсосберегающих агротехнологий
производства сельскохозяйственных
культур, жесткий учет основных положений экологического земледелия [2]. Влияние технологических операций при производстве сельскохозяйственной продукции на окружающую среду значительно и разнообразно. В большей степени данные операции подвергают изменению параметры
почвенного состояния. В связи с этим возникает необходимость оперативного мониторинга состояния почвы [3].
Одними из важнейших параметров почвенного состояния являются влажность и плотность. Плотность почвы характеризует ее структуру. Увеличение плотности почвы указывает на ее уплотнение, что влечет за собой возрастание сопротивления усвоения выпадающих осадков, увеличивая интенсивность воздействия на почву водных эрозионных процессов. При критическом снижении влажности, плотность почвы в пересчете на абсолютно сухую массу уменьшается. Это может повлечь за собой повышение степени воздействия ветровой эрозии на наиболее плодородные слои почвы. Данные явления имеют важное экологическое значение [4].
На данный момент существует множество различных методов оценки параметров степени влияния
технологических операций на
экологическую безопасность. Поскольку естественные и антропогенные факторы постоянно находятся в сложных взаимосвязях и взаимозависимостях, возникает сложность в оценке степени их влияния на окружающую среду. В связи с этим на практике все чаще применяют цифровые измерительные системы параметров почвенного состояния. Эти системы, независимо от природы и характера факторов, определяют степень их воздействия, распознают и классифицируют
[5].
Цифровые измерительные системы используют разнообразные датчики и, как правило, работают в режиме реального времени. Существующие системы измеряют свойства почвы по электрическим, механическим, электромагнитным и термическим показателям [6].
измерительных систем для определения параметров почвенного состояния при оценке экологической безопасности приемов обработки почвы с целью выбора наиболее универсальной цифровой измерительной системы для определения данных параметров, а также с целью определения возможностей использования результатов получаемых с измерительных систем.
Материалы и методы
Эффективная оценка агрофизического состояния почв, расположенных на обширных территориях, требует проведения
междисциплинарных исследований
экологических функций почв [7].
Изменение параметров уплотнения почвы выражаются через твердость почвы, которая является важной физической характеристикой, показывающей
способность почвы сопротивляться различным нагрузкам и деформациям со стороны рабочих органов машин, а также быть агротехническим показателем для оценки возможности роста и развития в ней корневых систем растений [8].
Приборы для определения параметров твердости почвы называют пенетрометрами. Пенетрометры имеют механический принцип действия (рис.1).
Информацию об уплотнении почвы пенетрометры выдают в аналоговом виде на циферблатах динамометров. В связи с этим такая технология определения твердости почвы устарела. На смену пенетрометрам пришли пенетроллогеры. Пенетроллогер, (рис. 2)- это электронный пенетрометр с регистратором данных для снятия непрерывного текстурного профиля почвы на глубину до 80 см с привязкой к GPS. Прибор выдает информацию в цифровом виде и программируется на компьютере или через панель управления. Память прибора рассчитана на 500 измерений [9].
Рис. 1. Схема внедрения конического штампа пенетрометра в почву
На рисунке 3 показан пенетроллогер американского производства, позволяющий одновременно определять не только показатели твердости почвы, но и показатели влажности и электропроводности [10].
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ПАЭП. 2018. Вып. 97_'
Рис. 2. Комплект прибора пенетроллогера
Рис. 3. Вертикальный конусный пенетроллогер для определения твердости, влажности и электропроводности
Широкую линейку приборов для определения таких параметров почвы как: влажность, температура, кислотность и твердость с возможностью одновременного создания карт полей с отображением собранных данных представляет
американская компания Veris Technologies (рис.4). Представленные компанией приборы работают по принципу измерения электропроводности почвы и агрегатируются с различными мобильными агрегатами. Это во многом сокращает трудоемкость получения данных, а так же время обработки информации. Компания так же предоставляет программное обеспечение для обработки получаемой информации с датчиков [11].
Рис. 4. Машины компании Veris для определения параметров почвенного состояния
Принцип работы таких агрегатов заключается в том, что на машине устанавливаются электроды (или щупы) опускаются в землю и измеряют показатель электропроводности (рис.5). Устанавливают щупы попарно. На одну пару щупов подается напряжение (передающие
электроды (1)), остальные щупы измеряют степень падения напряжения между ними (принимающие электроды (2)). Получаемые данные по электропроводности фиксируются регистратором данных одновременно с информацией о месте измерений.
залегания уплотнения в режиме on-line, подавать команды почвообрабатывающему агрегату на изменение глубины обработки для устранения уплотнения (рис.9).
Рис. 5. Схема работы контактного прибора для определения параметров почвенного состояния
Австрийская компания Geoprospectors разработала измерительный комплекс Topsoil Mapper, который в режиме on-line может определять такие показатели почвенного состояния как: влажность, твердость и содержание органического вещества без прямого контакта с почвой (Рис.6) [11].
Принцип работы прибора заключается в следующем. Бесконтактные сенсоры работают по принципу электромагнитной индукции. Прибор состоит из передатчика (трансмиттера) и принимающей (приемной) катушки (рис.7). При воздействии электрического поля трансмиттера на приемную катушку, в ней индуцируется электрический ток, который измеряется.
Рис. 7. Схема работы бесконтактного прибора для определения параметров почвенного состояния
Рис.8. Определение параметров почвенного состояния
Рис.6. Измерительный комплекс Topsoil Mapper
Кроме определения параметров почвенного состояния (Рис.8), устройство компании Geoprospectors может за счет обработки полученных данных о глубине
Рис. 9. On-line управление глубиной обработки почвы
Для определения параметров влажности и температуры внутри почвы, в нее устанавливают различные зонды. В настоящее время на рынке достаточно много компаний, которые занимаются
производством таких зондов, например SENTEK SENSOR TECHNOLOGIES, ADCON показанные на рисунке 10 и 11 и др. [12] [13].
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ПАЭП. 2018. Вып. 97_'
> > >
>
Рис. 10. Зонд компании SENTEK SENSOR TECHNOLOGIES
Рис.11. Зонд компании ADCON
температуры почвы, но n фиксировать такие параметры, как:
Рис.12. Принцип работы зонда
Данные зонды имеют набор датчиков скрытых в пластиковой трубке. Эти датчики создают высокочастотное электрическое поле и измеряют его изменение, которые пропорциональны динамике влажности и температуры почвы (Рис. 12). Программное обеспечение преобразует получаемую информацию в таблицы и графики [6].
Такие зонды могут быть частью более расширенного комплекса называемым метеостанцией. Метеостанции могут не только определять параметры влажности и
количество выпавших осадков; температуру окружающей среды; скорость ветра; • направление ветра.
В таблице представлены цифровые измерительные системы для определения параметров почвенного состояния и их возможности использования.
Результаты и обсуждение
Получаемые данные с различных цифровых средств измерений параметров почвенного состояния могут быть использованы в различных сферах деятельности, таких как орошаемое
сельскохозяйственной продукции, в природоохранных организациях, а также научных исследованиях (рис.13).
Современные агрегаты, определяющие данные параметры могут быть мобильными или стационарными. Мобильные агрегаты строят карты полей и одновременно наносят на них снимаемые параметры почвенного состояния. Также при помощи таких мобильных устройств можно в режиме online изменять параметры сельскохозяйственной машины при выполнении технологических операций. Если построение карт полей не требуется, то прибегают к методу "неподвижного зондирования" при помощи зондов и метеостанций. Собранные данные о динамике изменения параметров могут анализироваться с разными целями. Одной из таких целей является создание карт заданий с зонами управления, с дальнейшим использованием их при обработке почвы. Другой целью является использование получаемых данных для дальнейшего анализа применяемых технологических операций, а именно воздействие их на параметры почвенного состояния. Такие системы определения параметров почвенного состояния полезны как для
производителей, так и для научных сфер деятельности.
Таблица
Цифровые измерительные системы для определения параметров почвенного состояния
№ Компания производитель Модель Параметр твердости Параметр электропроводности Кислотность почвы Температура почвы Параметр влажности Глубина определения параметров почвенного состояния, см Температура окружающей среды Количество выпадающих осадков Определение плодородия почвы Относительная влажность воздуха GPS
1 Adcon SM1 - - - + + 150 - - - - -
Метеостанция Adcon - - - + + 150 + + - + -
2 Eijkelk amp Penetrollo-ger + - - - - 80 - - - - +
Датчик влажности почвы - - - - + 100 - - - - -
3 Veris MSP3 - + - - - 100 - - + - +
U-Series - + + - + 100 - - - - +
4 Geopro spectors Topsoil mapper + - - - + 150 - - + - +
5 Sentek Sensor Tecnolo gies EnviroSCA N Probe - - - + + 200 - - - - -
Определение параметров) почЬенного состояния
т
Л ля у продления агрегатами ö режиме on-line
Сбор данных о динамике изменений параметров почбенного состояния
Формирование задания на обработку почбы
Анализ применяемых технологий при бозделыдании с.-х. культур
Научные исследодания оснобанные на анализе данных
Рис.13. Схема использования информации о параметрах почвенного состояния
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ИАЭП. 2018. Вып. 97_
К достоинствам современных цифровых технологий для определения параметров почвенного состояния можно отнести следующее:
• быстрый анализ данных;
• быстрый сбор данных;
• высокая чувствительность датчиков;
• низкая погрешность приборов;
• возможность определения нескольких параметров одновременно.
К недостаткам таких систем можно отнести следующее:
• дорогостоящее оборудование;
• нехватка квалифицированного персонала для работы, настройки и ремонта такого оборудования.
Выводы
1. Получаемые данные с различных цифровых средств измерений параметров почвенного состояния могут быть использованы в различных сферах деятельности, таких как орошаемое
сельскохозяйственной продукции, в природоохранных организациях, а также научных исследованиях. На основе анализа состояния таких параметров принимаются рациональные управленческие решения использования технологических операций в
сельскохозяйственной продукции.
2. Наиболее универсальным устройством для определения параметров почвенного состояния является Topsoil Mapper компании Geoprospectors, позволяющее бесконтактно определять влажность почвы, твердость почвы и содержание органического вещества.
3. В связи с ограниченным объемом отечественных измерительных систем
междисциплинарных исследований и опытно-конструкторских работ по созданию подобных импортозамещающих систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Якушев В.В. Точное земледелие: теория и практика. СПб.: ФГБНУ АФИ, 2016. 364с.
2 Калинин А.Б., Кудрявцев П.П., Теплинский И.З. Снижение экологических рисков в интенсивных технологиях возделывания картофеля за счет совершенствования технологического процесса междурядной обработки // Технологии и технические средства механизированного производства
животноводства. 2017. №91. С. 79 - 86.
3 Труфляк Е.В., Трубилин Е.И. Точное земледелие: Учебное пособие. СПб.: «Лань», 2017. 376 с.
4 Уваров Г.И. Экологические функции почв: Учебное пособие. 2е изд., доп. СПб.: «Лань», 2017. 296 с.
5 Современные проблемы науки и производства в агроинженерии: Учебник /
под ред. А. И. Завражнова. СПб.: «Лань»,
2013. 496 с.
6 Шпаар Д., Захаренко А., Якушев В. и др. Точное сельское хозяйство (Precision agriculture). СПб-Пушкин, 2009. 397с.
7 Балашов Е.В., Моисеев К.Г., Рижия Е.Я. и др. Комплексная система мониторинга агрофизического состояния почв на основе результатов почвенного картирования и исследования эмиссии парниковых газов // Агрофизика. 2013. №4. С. 1-11.
8 Жданов Ю.М., Петров В.И., Корпушов С.А. Способ и устройство для измерения твердости почвы на разной глубине // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование.
2014. №2. С. 158-161.
9 Официальный сайт фирмы Eijkelkamp [Электронный ресурс]. - Режим доступа
https://ru.eiikelkamp.com. (Дата обращения: 12.11.2018).
10 Viacheslav I. Adamchuk, Raphael A. Viscarra Rossel Sensor Fusion for Precision Agriculture // Sensor Fusion - Foundation and Applications. 2011. C. 27-40.
11 Официальный сайт фирмы Veris [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.veristech.com. (Дата обращения: 12.11.2018).
12 Официальный сайт фирмы Geoprospectors [Электронный ресурс]. - Режим доступа
http ://www. geoprospectors. com. (Дата
обращения: 13.11.2018).
13 Официальный сайт фирмы Sentek sensor technologies [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.sentek.com.au. (Дата обращения: 14.11.2018).
14 Официальный сайт фирмы ADCON [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://www.adcon.com. (Дата обращения: 19.11.2018).
REFERENCES
1. Yakushev V.V. Tochnoe zemledelie: teoriya i praktika [Precision Farming: Theory and Practice]. Saint Petersburg: FGBNU AFI. 2016: 364. (In Russian)
2. Kalinin A.B. Kudryavtsev P.P., Teplinskii I.Z. Snizhenie ekologicheskikh riskov v intensivnykh tekhnologiyakh vozdelyvaniya kartofelya za schet sovershenstvovaniya tekhnologicheskogo protsessa mezhduryadnoi obrabotki [Reduction of environmental risks in intensive potato growing technologies through improvement of technological process of inter-row cultivation]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017. N 91: 79-86. (In Russian)
3. Truflyak E. V., Trubilin E. I. Tochnoe zemledelie: Uchebnoe posobie [Precision Farming: Teaching aid]. Saint Petersburg: Lan' Publ. 2017: 376. (In Russian)
4. Uvarov G. I. Ekologicheskie funktsii pochv: Uchebnoe posobie [Ecological functions of soils. Teaching aid]. Saint Petersburg: Lan' Publ. 2017: 296. (In Russian)
5. Sovremennye problemy nauki i proizvodstva v agroin^zhenerii: Uchebnik / Pod red. A. I. Zavrazhnova [Modern problems of science and production in agricultural engineering: Textbook. A.I. Zavrazhnov (ed.)]. Saint Petersburg: Lan' Publ. 2013: 496. (In Russian)
6. Shpaar D., Zakharenko A., Yakushev V. i dr. Tochnoe sel'skoe khozyaistvo (Precision agriculture). Saint Petersburg-Pushkin. 2009: 397. (In Russian)
7. Balashov E. V., Moiseev K. G., Rizhiya E. Ya. i dr. Kompleksnaya sistema monitoringa agrofizicheskogo sostoyaniya pochv na osnove rezul'tatov pochvennogo kartirovaniya i issledovaniya emissii parnikovykh gazov [Comprehensive system for monitoring the agrophysical state of soils based on the results of soil mapping and studies of greenhouse gas emissions]. Agrofizika. 2013. N 4: 1-11. (In Russian)
8. Zhdanov Yu.M., Petrov V.I., Korpushov S.A., Sposob i ustroistvo dlya izmereniya tverdosti pochvy na raznoi glubine [Method and device for measuring soil penetration index at different depths]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2014. N 2: 158-161. (In Russian)
9. Official web-site of Eijkelkamp company. Available at: https://ru.eijkelkamp.com. (accessed 12.11.2018).
10. Viacheslav I. Adamchuk, Raphael A. Viscarra Rossel Sensor Fusion for Precision Agriculture // Sensor Fusion - Foundation and Applications. 2011. S. 27-40.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ИАЭП. 2018. Вып. 97_
11. Official web-site of Veris company. Available at: http://www.veristech.com. (accessed: 12.11.2018).
12. Official web-site of Geoprospectors company. Available at: http://www.geoprospectors. com. (accessed: 13.11.2018).
13. Official web-site of Sentek Sensor Technologies company. Available at: http://www.sentek.com.au. (accessed: 14.11.2018).
14. Official web-site of ADCON company. Available at: https://www.adcon.com. (accessed: 19.11.2018).
УДК 631 58 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10086
ОБОСНОВАНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИМ
ПРОИЗВОДСТВОМ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
В.Д. Попов, д-р техн. наук, академик РАН; Д А. Максимов, канд. техн. наук; В.Б. Минин, канд. с.-х. наук; Э.А. Папушин, канд. техн. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Рассмотрены задачи, встающие перед сельскохозяйственными предприятиями планирующими воспользоваться преимуществами шестого технологического уклада. Проанализированы необходимые условия и определен возможный путь развития интеллектуального производства органической растениеводческой продукции с использованием достижений информационно-коммуникационных технологий. Предусматривается создание информационной системы управления агроэкосистемой (искусственный Arpo интеллект), собирающей оперативную информацию о состоянии окружающей среды и почвенно-растительного покрова, и руководящей комплексом роботизированных технических средств, выполняющих технологические операции возделывания сельскохозяйственных культур. Одновременно с этим будет сформирована база знаний о процессах, идущих в агроэкосистеме и способах их регулирования, а также о нормативных требованиях к производству органической продукции. В статье рассмотрены подходы к сбору оперативной информации из различных сред агроэкосистемы. С целью реализации этой концепции в ИАЭП проводятся работы по созданию информационной системы: разработана база данных экспериментальной информации, осуществляется подбор датчиков для автоматического мониторинга окружающей среды и почвенно-растительного покрова. На опытном поле ИАЭП с 2016 года развертывается органический севооборот, на котором ведутся исследования по сбору экспериментальной информации и установлению зависимостей между характеристиками почвенной среды и агротехнологическими воздействиями. Там же испытываются специализированные технические средства для органического земледелия и формируются органические технологии возделывания сельскохозяйственных культур. Для целей получения оперативной информации о метеорологической ситуации на опытном поле была установлена автоматическая метостанция DAVIS VANTAGE PR02 и разработана программа, обеспечивающая автоматическое получение метеоданных в режиме он-лайн.
Ключевые слова: агротехнология, агроэкосистема, биологизация, информационная система, почва, сельское хозяйство, органическое земледелие.
28
