CC BY
9
УДК 636.3+512.581 DOI 10.51794/27132064-2021-2-11
АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ БИОМАШСИСТЕМАМИ
В ЖИВОТНОВОДСТВЕ
Н.М. Морозов, доктор экономических наук, профессор, академик РАН Р.А. Мамедова, кандидат технических наук
В.И. Черноиванов, доктор технических наук, профессор, академик РАН Ю.А. Цой, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» E-mail: femaks@bk.ru
Аннотация. Представлена структура разноплановых задач управления биомашсистемой в течение жизненного цикла. Из схематического изображения молокоотдачиу коров видно, что для процесса доения характерны три периода. Первый период I - скрытая фаза рефлекса молокоотдачи. Действие доильного аппарата не должно вызывать отрицательных реакций, вместе с тем необходимо обеспечить безопасную по возможности стимуляцию молокоотдачи с использованием пониженного вакуума в межстенной камере доильного стакана. Второй период II - активный период рефлекса молокоотдачи. Отсасывающая способность доильного аппарата на этом участке должна быть максимальной в допустимых пределах, под которыми понимается соблюдение условий безопасного режима доения для молочной железы вымени коровы и одновременно предельно допустимой максимальной скорости молокоотдачи. Заключительный, третий период III - период угасшего рефлекса и окончательного додаивания. В этот момент аппарат должен быть крайне безопасен, т. к. защитные ресурсы молочной железы понижены. Предложенный фирмой BouMatic тест для оценки качества выполнения персоналом операции подготовки вымени к процессу доения показывает, что если оператор добросовестно выполнил преддоильную подготовку вымени животного и вызвал полноценный рефлекс молокоотдачи, то в первые 5 секунд скорость доения в среднем должна быть не менее 1,5 л в минуту, за первые 2 минуты должно быть выдоено не менее 75% молока. Ключевые слова: биологическое звено, молокоотдача, бимодальное молоковыведение, стимуляция, полнота выдаивания.
Важнейшей частью системы управления биомашсистемой (БМС) является управление технологическими процессами. Еще в начале XX века профессор А.В. Чаянов писал, что "... сельское хозяйство - это использование человеком солнечной энергии, падающей на землю". Отличительной особенностью биологического звена БМС является его многоэтапный жизненный цикл, в растениеводстве это - всходы, рост, созревание; в животноводстве - его смысловые аналоги: воспроизводство, рост, половое созревание, осеменение, запуск, отел и выращивание ремонтного молодняка. С точки зрения классификации технологические процессы в БМС следует отнести к дискретно-непрерывным. Основанием для такого выбора является следующее обстоятельство: каждый биологический элемент БМС индивидуален и требует индивидуального подхода; с другой стороны,
для двух других элементов БМС (машины и человека) уход за множеством биологических объектов представляется непрерывным процессом. Переход между этапами жизненного цикла биологического звена не носит дискретного характера во времени, а является диалектическим переходом количества в качество. Для каждого этапа жизненного цикла характерны свои процессы и режимы. Переход с одного этапа на другой, если есть контроль, с позиции управления БМС не представляет проблем и является тривиальной задачей.
Учитывая биологические и технологические особенности, с точки зрения задач управления, производству каждого продукта будет соответствовать своя биомашсистема. По конъюнктурным соображениям для большинства хозяйств характерно наличие нескольких отраслей. Перечисленные особен-
ности функционирования БМС обуславливают в течение жизненного цикла две разноплановые задачи управления (рис. 1) - на начальном этапе при обосновании и планировании производства того или иного продукта и управление технологическими процессами после принятия такого решения.
Однако в ряде этапов жизненного цикла биологических звеньев БМС есть быстротекущие многофакторные процессы; от качества, своевременности и быстроты решения управленческих задач будет зависеть конечный результат функционирования БМС, то есть количество и качество полученной сельскохозяйственной продукции. К таким про-
цессам в растениеводстве можно для примера отнести защиту растений и уборку урожая. Для защиты растений используют мобильные опрыскиватели. Во время движения машинно-тракторного агрегата необходимо учитывать неравномерность высоты растений, температуру и влажность воздуха, скорость и направление движения воздушных масс на поле, состояние рельефа поля. Причем, что очень важно, эти задачи должны решаться в каждой БМС, то есть, грубо говоря, серийность внедрения решений будет большой. То же самое можно сказать о процессе уборки. В животноводстве характерный пример - процесс доения.
Рис. 1. Классификация и управление биомашсистемами
Методика. Согласно современной теории лактации в результате механических и термических воздействий на рецепторы вымени возникают нервные возбуждения, которые по волокнам наружного семенного нерва достигают спинного мозга [1, 2]. Здесь нервные сигналы раздваиваются, как показано на рисунке 2.
Одни по короткой дуге возвращаются к мышечным элементам молочной железы ци-стернального отдела. В результате расслабления цистерны выводится молоко из самой цистерны (цистернальная порция). Первая фаза возникает через 2-6 секунд и продолжается 25-30 секунд.
----Путь вымени по кровеносному руслу
< ■ Механические и термические воздействия на вымя
Рис. 2. Схематическое изображение рефлекторной регуляции молокоотдачи у коров: 1 - спинной мозг; 2 - гипофиз; 3 - надпочечники; 4 - молочная железа
По второй длинной дуге нервные импульсы передаются к гипофизу, который выделяет в кровь гормон окситоцин. Окситоцин, поступивший в кровь, достигает молочной железы, вызывает сокращение миоэпители-альных мышц альвеол, что обеспечивает выведение молока из альвеол. Необходимая для молокоотдачи концентрация окситоцина в крови поддерживается очень короткий период - от 2 до 5 минут. Разрушение окситоцина сопровождается прекращением рефлекса мо-локоотдачи. Это явление служит физиологическим основанием для очень важного правила доения: доить нужно быстро, чтобы полноценно использовать время действия рефлекса молокоотдачи [3].
Окситоцин вызывает повышение внутри-выменного давления, необходимого для выделения молока в процессе доения. По мнению физиологов, если судить по величине внутрицистернального давления, молоковы-делительный рефлекс у коров составляет 4-5 мин. В среднем считают, что при нормальных условиях доения давление начинает снижаться после того, как выдоят 50% молока. За 4-5 минут корова должна отдать не менее 80-90% молока удоя [4, 5].
Из графика на рисунке 3 видно, что для процесса доения характерны три периода. Первый период I - скрытая фаза рефлекса молокоотдачи. Действие доильного аппарата (исполнительного механизма) должно не вызывать отрицательных реакций, вместе с тем необходимо обеспечить безопасную по возможности стимуляцию молокоотдачи среди используемых факторов - пониженный вакуум, соотношение тактов и высокочастотные импульсы в межстенной камере доильного стакана по типу доильного аппарата с вибропульсатором [6].
Второй период II - это активный период рефлекса молокоотдачи. Отсасывающая способность доильного аппарата на этом участке должна быть максимальной в допустимых пределах. В этот период быстрое освобождение молочной железы является наилучшим стимулятором акта молокоотдачи, главной предпосылкой для более полного и чистого выдаивания. Под максимально допустимым
пределом отсасывающей способности доильного аппарата нужно понимать его границы между гарантией безопасности режима доения для молочной железы вымени животного, с одной стороны, и возможной максимальной скорости молоковыведения, с другой стороны. В режиме непрерывного отсоса вакуум под соском может быть снижен до величины тонуса сфинктера, а в межстенной камере доильного стакана разрежение на 100-150 мм меньше. Сосковая резина находится в полусжатом состоянии, что будет препятствовать наползанию. Такая схема реализована В.М. Радоманским в двухрежим-ном трехтактном доильном аппарате с положительной обратной связью для кобыл, который выпускается серийно. При снижении интенсивности молокоотдачи доильный аппарат переходит на обычный режим или на трехтактный режим. При переходе на режим непрерывного отсоса, по данным В.М. Радо-манского, максимальная скорость доения превышала среднюю в 2-2,5 раза.
/у
x_ У
/ // III
Время доения
Рис. 3. Кривая, характеризующая выведение молока из молочной железы во время доения, по Л. Райяману: х - начало доения; у - максимум истечения молока; z - линия додоя; I, II, III - фазы доения; А, В, С - количество молока, полученное в каждой фазе
Заключительный, третий период III. Это период угасшего рефлекса и окончательного додаивания. В этот период аппарат должен быть крайне безопасен, т.к. защитные ресурсы молочной железы понижены. Это особенно важно по причине неравномерного развития долей вымени.
Результаты и обсуждение. Для возникновения полноценного рефлекса молокоот-дачи необходим энергичный массаж вымени и сильные сжатия соска, поскольку нервные окончания заложены глубоко в коже соска, а также в слизистой оболочке соска и цистерны. Качественное выполнение этой важнейшей операции зависит от добросовестности оператора, т. е. от «человеческого фактора». На крупных фермах с использованием высокопроизводительных доильных установок этот фактор может оказать достаточно сильное влияние на продуктивность и производство молока в целом [7, 8].
Фирмой BouMatic для оценки качества выполнения персоналом этой операции предложен тест, построенный на вышеизложенных положениях физиологии лактации коров. Суть этого теста заключается в следующем: если оператор добросовестно выполнил преддоильную подготовку вымени животного и вызвал полноценный рефлекс молоко-отдачи, то в первые пять секунд скорость доения в среднем должна быть не менее 1,5 литров в минуту, за первые две минуты должно быть выдоено не менее 75% молока (таблица 1). Эти показатели рекомендуются стандартом ISO 5707-2007.
В таблице 2 представлены показатели, ха-растеризующие квалификацию и профессиональные навыки дояра, в зависимости от которых начисляется его зарплата [6]. Сегодня среди специалистов широко распространено мнение, что наилучшим решением для доения коров являются доильные роботы [7, 8].
Безусловно, определенные основания для таких выводов есть. Однако исследования доильных роботов выявили и некоторые вопросы. В частности, фактическая продолжительность преддоильной подготовки вымени не соответствует существующим рекомендациям и составляет в среднем 2,7 минуты. Средняя продолжительность доения одной коровы составила 7,7 минуты, что также не соответствует рекомендациям стандарта ISO 57-01. В одном из хозяйств Вологодской области эксплуатируются на разных фермах три вида доильных установок: доильные роботы, доильные залы и молокопроводы. При одинаковой продуктивности коров средняя продолжительность выдаивания одной коровы наибольшая в доильных роботах [6].
Таблица 2. Показатели оценки квалификации _и профессиональных навыков дояра
Показатели Суммарные значения Номер доильного станка
20 21 24 23 22
Количество повторных подсоединений доильных стаканов 5 2 0 1 2 0
Холостое доение 18 4 3 2 4 5
Произвольное спадание доильного аппарата 46 7 4 16 8 11
Ручной режим 13 3 3 5 2 0
Преждевременное отключение доильного аппарата 1 0 1 0 0 0
Наука и передовой опыт показывают, что интенсификация режимов выдаивания во второй период позволит сократить продолжительность выдаивания. Средняя продолжительность доения составила 7,7 минуты. Схематично процесс молоковыведения состоит из двух частей: вначале идет процесс выдаивания цистернальной порции молока, а затем (основной) - альвеолярной части. Ниже (рис. 4) показаны кривые бимодального молоковыведения [9]. На рисунке 4б приводится кривая скорости молоковыведения при доении кобыл, впервые полученная Сайги-ным И.А. в 1962 г. [10], характерная для подавляющего количества животных. Она отражает все элементы процесса молоковыве-
Таблица 1. Показатели оценки качества _работы дояра [6]_
Показатели Среднее Номе р доильного станка
значение 20 21 24 23 22
Скорость моло-
коотдачи, л/мин.
0-1,5 1,6 1,5 1,7 1,6 1,8 1,3
1,5-3,0 3,6 4,0 4,0 3,5 3,4 3,0
3,0-6,0 3,0 3,4 3,4 2,9 3,2 2,1
Кол-во молока за
первые 2 мин., л 6 6 7 6 6 5
Относительная
доля молока за
первые 2 мин., % 81 72 74 86 86 93
дения: 1\ - продолжительность времени выдаивания цистернальной порции; t2 - продолжительность времени латентного периода, определяемого с момента начала воздействия рук, доильного аппарата или жеребенка на сосок до наступления рефлекса моло-коотдачи; tз - продолжительность времени холостого или сухого доения; t4 - продолжительность времени молоковыведения альвеолярной порции; t5 - продолжительность времени полного доения.
а)
V, л!мин.
Г\ 1
- h .L 13
„ ' ti
^ г 5 „
б)
Рис. 4. Кривая скорости бимодального молоковыведения: а - при доении коровы [9]; б - при доении кобыл [10]
Из графика на рисунке 4б видно, что продолжительность холостого доения тем больше, чем меньше объем цистернальной порции вымени. Для большинства животных он незначительный, поэтому продолжительность холостого режима практически равна латентному периоду, который колеблется в пределах 25-65 секунд [10]. При наступившем рефлексе молокоотдачи скорость моло-ковыведения резко возрастает и держится на определенном уровне, а затем падает до нуля. Таким образом, длительность полного доения складывается в основном из двух со-
измеримых периодов времени - латентного и рефлекторного. В работе А. Dzidic [11] экспериментально установлено, что в одноместном доильном роботе в зависимости от промежутка времени между доениями и, соответственно, степени заполнения вымени молоком продолжительность и полнота доения зависят от продолжительности преддо-ильной стимуляции (рис. 5).
03
и о
4 о
5 а о Е-О С :К К Ж
ч:
tu а и
15-
ПЗ
И 14)-
О
Е-
О
С !.5 ■
л
Е- '
и
о d.U -
а
О ■
и
и .t. -
«
03
Щ
о
и
S
с -
п .
0
ас в ■
к
S
^—'
« в ■
s
ж
tu
о
ч: 4 ■
«
S
tu
а
CQ 2 -й -
- О FC 3
---т---FC*
FC 5
Способ обработки вымени
FC г FCi
... О ..
— -V — ■ re 4
Щ ВЛ 86
Способ обработки вымени
FCE Fca
■ ■ -о ■ ■ -
— -V — FCl
ВО В1 В2 СП
Способ обработки вымени Рис. 5. Кривые доения при различных способах обработки вымени: В0 - нет стимуляции; В2 - два цикла стимуляции; В4 - четыре цикла стимуляции; В6 - шесть циклов стимуляции при различной степени наполнения вымени: FC2 - 20,1-40%; FC3 - 40,1-60%; FC4 - 60,1-80%; FC5 - 80,1-100%
Последняя определялась количеством проведенных циклов по стимуляции, продолжительность каждого из которых составляла 16 секунд со средней продолжительностью 4 секунды на каждый сосок. По мнению Dzidic А. [11], в хорошо наполненном вымени (6080%) для стимуляции достаточно 2 циклов, в то время как в менее заполненном (20-40%) -4-6 циклов. Этой группе коров при отсутствии тактильных воздействий соответствовал минимальный поток молока.
Поскольку количество циклов стимуляции назначалось в экспериментах случайным образом, независимо от степени заполнения вымени и продолжительности времени между дойками, можно считать среднюю продолжительность доения коровы в доильных роботах, обычно приводимую в статьях, как среднюю по всей группе, в т. ч. у коров с менее заполненным выменем и, соответственно, минимальным потоком молока. Как следует из работы [11], увеличение количества циклов стимуляции позволит увеличить поток молока и тем самым сократить время доения животного.
Существует мнение, что быстрый вывод молока в период бурной молокоотдачи (вывода альвеолярной порции) сам по себе является стимулирующим фактором для процесса молоковыведения. Среди методов, обеспечивающих стимуляцию и интенсификацию процесса выдаивания, можно отметить следующие: изменение соотношения тактов, переход на режим непрерывного отсоса, воздействие на биологически активные точки, введение высокочастотных колебаний при пульсировании сосковой резины и др. Все они в разное время по отдельности проверялись экспериментально и получили положительную оценку [9-11].
Выводы. Отличительной особенностью биомашсистем эргатической системы является наличие биологического звена (растение, животное), обладающего в силу генетической обусловленности жизненными циклами. Технико-экономические и временные аспекты управления биомашсистемами (БМС), как целенаправленная деятельность человека по производству продуктов пита-
ния, обуславливает две задачи управления технико-экономического характера на стадии планирования и управления при выполнении технологических процессов в жизненных циклах, в т. ч. быстротекущих многофакторных процессов, требующих в ряде случаев использование элементов искусственного интеллекта.
Литература:
1. Watters R., Bruckmaier R., Crawford H. The effect of manual and mechanical stimulation on oxytocin release and milking characteristics in Holstein cows milked 3 times daily // Journal of dairy science. 2015. № 98-3. P. 1721.
2. The effect of 2 different premilking stimulation regimens, with and without manual forestripping, on teat tissue condition and milking performance in Holstein dairy cows milked 3 times daily / Wieland M. etc. // Journal of dairy science. 2020. № 103-10. P. 9548-9560.
3. A longitudinal prospective cohort study investigating the association of premilking stimulation and teat-end shape on milking characteristics and teat tissue condition in dairy cows / Wieland M. etc. // BMC Vet. Res. 2019. № 15. P. 58.
4. Neuheuser A. Technical note: Reduced pulsation chamber vacuum at normal pulsation rate and ratio provides adequate prestimulation to induce oxytocin release and milk ejection while simultaneous milk flow is prevented // Journal of dairy science. 2017. № 100-10. P. 8609-8613.
5. Bueso-Rodenas J. Automatic Prestimulation on Dairy Goats: Milking Efficiency and Teat-End Status // Animals. 2021. № 11-1. P. 121.
6. Технологические основы алгоритмизации и цифрового управления процессами молочных ферм / А.Ю. Измайлов и др. М: Инфра-М, 2019. 208 с.
7. Decreased milk yield is associated with delayed milk ejection / Erskine R. etc. // Journal of dairy science. 2019. № 102-7. P. 6477-6484.
8. A randomized trial to study the effect of automatic cluster remover settings on milking performance, teat condition, and udder health / Wieland M. etc. // Journal of dairy science. 2020. № 103-4. P. 3668-3682.
9. Фатхутдинов А. Классическая теория машинного доения и новые параметры в условиях добровольного роботизированного доения. URL: https://www.dany-news.ru/news/klassicheskaya-teoriya-mashinno-godoeni-ya-i-novye-html
10. Сайгин И.А. Зоотехнические основы молочного коневодства. Л., 1962. 36 с.
11. Dzidic A., Weiss D. Oxytocin release, milk ejection and milking characteristics in a single stall automatic milking system // Livestock Production Science. 2004. № 86. P. 61-68.
Literatura:
1. Watters R., Bruckmaier R., Crawford H. The effect of manual and mechanical stimulation on oxytocin release
and milking characteristics in Holstein cows milked 3 times daily // Journal of dairy science. 2015. № 98-3. P. 1721.
2. The effect of 2 different premilking stimulation regimens, with and without manual forestripping, on teat tissue condition and milking performance in Holstein dairy cows milked 3 times daily / Wieland M. etc. // Journal of dairy science. 2020. № 103-10. P. 9548-9560.
3. A longitudinal prospective cohort study investigating the association of premilking stimulation and teat-end shape on milking characteristics and teat tissue condition in dairy cows / Wieland M. etc. // BMC Vet. Res. 2019. № 15. P. 58.
4. Neuheuser A. Technical note: Reduced pulsation chamber vacuum at normal pulsation rate and ratio provides adequate prestimulation to induce oxytocin release and milk ejection while simultaneous milk flow is prevented // Journal of dairy science. 2017. № 100-10. P. 8609-8613.
5. Bueso-Rodenas J. Automatic Prestimulation on Dairy Goats: Milking Efficiency and Teat-End Status // Animals. 2021. № 11-1. P. 121.
6. Tekhnologicheskie osnovy algoritmizacii i cifrovogo upravleniya processami molochnyh ferm / A.YU. Izmaj-lov i dr. M: Infra-M, 2019. 208 s.
7. Decreased milk yield is associated with delayed milk ejection / Erskine R. etc. // Journal of dairy science. 2019. № 102-7. P. 6477-6484.
8. A randomized trial to study the effect of automatic cluster remover settings on milking performance, teat condition, and udder health / Wieland M. etc. // Journal of dairy science. 2020. № 103-4. P. 3668-3682.
9. Fathutdinov A. Klassicheskaya teoriya mashinnogo do-eniya i novye parametry v usloviyah dobrovol'nogo robo-tizirovannogo doeniya. URL: https://www.dairy-news.ru/ news/klassicheskaya-teoriya-mashinnogo-doeniya-i-novy-e-html
10. Sajgin I.A. Zootekhnicheskie osnovy molochnogo ko-nevodstva. L., 1962. 36 s.
11. Dzidic A., Weiss D. Oxytocin release, milk ejection and milk-ing characteristics in a single stall automatic milking system // Livestock Production Science. 2004. № 86. P. 61-68.
ASPECTS OF LIVESTOCK BIOMACHSYSTEM MANAGEMENT N.M. Morozov, doctor of economics, professor, RAS Academician R.A. Mamedova, candidate of technical sciences
V.I. Chernoivanov, doctor of technical sciences, professor, RAS Academician Yu.A. Tsoi, doctor of technical sciences, professor, RAS Corresponding Member FGBNY «Federal Scientific Agroengineering Center of VIM»
Abstract. The diverse tasks' structure of biomashsystem management during its life cycle is presented. From cows' milk flow schematic image, it can be seen that milking process by three periods is characterized. The first period I -is the milk flow's reflex latent phase. The milking machine's action it shouldn't cause negative reactions, however, it is necessary safe, if possible, milk flow stimulation ensure by a reduced vacuum in the inter-wall chamber of the milking cup using. The second period II - is the active period of the reflex milk flow. The milking machine's suction capacity on this area it should be maximum within the permissible limits, that means compliance with cow gland's safe milking regime conditions and at the same time the maximum permissible milk speed transferring. The final, third period III - is the extinct reflex period and the final milking completion. At this moment, this device should be extremely safe, because of the milk gland's protective resources are reduced. The BouMatic company's test proposed for udder preparation's quality by personnel of milking process performed assess had shows that if the operator faithfully performed the animal's udder pre-milking preparation and a full-fledged milk-giving reflex had caused, then in the first 5 seconds the milking speed on average it should be at least 1,5 liters per minute, and in the first 2 minutes at least 75% of the milk it should be milked.
Keywords: biological link, milk flow, bimodal lactation, stimulation, complete milking.
