CC BY
9
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
4.3.2 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ _И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА _
Научная статья УДК 005.519.6:631
DOI: 10.24412/2227-9407-2023-5-43-56
Беспилотные технологии в системах аграрного производства
Алексей Михайлович БашиловКоролев Владимир Александрович2
12Московский авиационный институт, Москва (Россия)
1 bashilov@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0002-3290-2493
2 veshvk3@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-4088-2306
Аннотация
Введение. Высокие показатели агропроцессов достижимы при применении эффективных систем и устройств исполнительного и управленческого уровней. Алгоритм функционирования и состав систем управления целесообразно формировать из функционально ориентированных блоков самоорганизующихся многоярусных структур с горизонтальными и вертикальными взаимодействиями. По экономическим и технологическим показателям в реализациях агротехнологий на исполнительных уровнях перспективно использование беспилотных мобильных подвижных роботизированных систем наземного и воздушного базирования. Материалы и методы. Системный подход рассматривает объект аграрного производства (ОАП) как самоорганизующуюся и саморегулирующуюся структуру - агротехноценоз. Техногенные компоненты агротехноце-ноза «подстраиваются» под динамично изменяющиеся реальные параметры ОАП и условий его существования. При решении современных агротехнологических задач используют инновационные решения в части управления, применяют рабочие машины со щадящим влиянием на ОАП и окружение.
Результаты. Рассмотрены специфичные агротехнологические операции с использованием БПЛА применительно к процессам растениеводства, животноводства, а также общим для обеих отраслей. Обоснована целесообразность предпочтительного решения локальных задач управления роботизированными устройствами на нижних уровнях агротехноценозов.
Обсуждение. Биоагротехнологизация БПЛА с адаптацией поисково-преобразовательных характеристик к современным агротехнологиям значительно повысит уровень и изменит условия производства сельхозпродукции, привлечёт в отрасль молодых специалистов. Прогнозные алгоритмы управления позволяют учесть реальную динамику агропроцессов.
Заключение. Последние достижения науки и техники создали фундаментальные предпосылки развития и совершенствования роботизированного агропроизводства. В состав группы роботов целесообразно вводить БПЛА, оборудованные средствами технического зрения, мехатронно-исполнительными блоками, элементами наведения, самообучения и самоорганизации. Функции БПЛА: мониторинг территорий размещения АТЦ, контроль хода реализации агротехнологий, оперативное событийное выполнение малоэнергоёмких операций и др. Достоинства БПЛА - малая энергозатратность, экологичность, оперативность применения.
Ключевые слова: агротехноценоз, агрообъект, видеомониторинг, животноводство, инновации, летательный аппарат, локальные зоны, навигация, поиск, распознавание, роботизированный комплекс, растениеводство, структура, целеадаптивное управление, эффективность агротехнологий
Для цитирования: Башилов А. М., Королев В. А. Беспилотные технологии в системах аграрного производства // Вестник НГИЭИ. 2023. № 5 (144). С. 43-56. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-5-43-56
© Башилов А. М., Королев В. А., 2023
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License. The content is available under Creative Commons Attribution 4.0 License.
43
Вестник НГИЭИ. 2023. № 5 (144). C. 43-56. ISSN2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 5 (144). P. 43-56. ISSN2227-9407 (Print)
FI РГТШГЛI ТРГНМП1 nfllFS FI РГТШГДI FrtiifPMFIVT electrical technolog1es, electrical equipment
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx Unmanned technologies in agricultural production systems
Alexey M. BashilovVladimir A. Korolev2
12 Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia
1 bashilov@inbox.ru^ https://orcid.org/0000-0002-3290-2493
2 vieshvk@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-4088-2306
Abstract
Introduction. High indicators of agricultural processes are achievable with the use of effective systems and devices of the executive and managerial levels. The algorithm of functioning and the composition of control systems should be formed from functionally oriented blocks of self-organizing multi-tiered structures with horizontal and vertical interactions. According to economic and technological indicators, the use of unmanned mobile mobile robotic ground-based and air-based systems is promising in the implementation of agricultural technologies at executive levels. Materials and methods. The systematic approach considers the object of agricultural production (OAP) as a self-organizing and self-regulating structure - agrotechnocenosis. Technogenic components of agrotechnology «adapt» to dynamically changing real parameters of the OAP and the conditions of its existence. When solving modern agrotech-nological problems, innovative solutions are used in terms of management, working machines are used with a sparing effect on the OAP and the environment.
Results. Specific agrotechnological operations using UAVs are considered in relation to the processes of crop production, animal husbandry, as well as those common to both industries. The expediency of the preferred solution of local control tasks of robotic devices at the lower levels of agrotechnocenoses is substantiated.
Discussion. Bioagrotechnologization of UAVs with adaptation of search and transformation characteristics to modern agricultural technologies will significantly increase the level and change the conditions of agricultural production, attract young specialists to the industry. Predictive control algorithms allow us to take into account the real dynamics of agricultural processes.
Conclusion. The latest achievements of science and technology have created fundamental prerequisites for the development and improvement of robotic agricultural production. It is advisable to introduce UAVs equipped with means of technical vision, mechatronic-executive blocks, guidance elements, self-learning and self-organization into the group of robots. UAV functions: monitoring of PBX placement areas, monitoring of the implementation of agricultural technologies, operational event-based execution of low-energy operations, etc. The advantages of the UAV are low energy consumption, environmental friendliness, efficiency of application.
Keywords: agrotechnocenosis, agroobject, video monitoring, animal husbandry, innovations, aircraft, local zones, navigation, search, recognition, robotic complex, crop production, structure, goal-adaptive management, efficiency of agrotechnologies
For citation: Bashilov A. M., Korolev V. A. Unmanned technologies in agricultural production systems // Bulletin NGIEI. 2023. № 5 (144). P. 43-56. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-5-43-56
Введение
Современный этап развития агропроизводства и переработки агропродукции связан с созданием и внедрением интенсифицированных, экологически чистых, интеллектуально насыщенных технологий. В большинстве случаев реализация агротехнологий сопровождает взаимодействие с живым самоорганизующимся и саморегулирующимся объектом аграрного производства (ОАП) - растения, животные [1; 2; 3]. Номенклатура технологических операций агропроизводства чрезвычайно широка. Эти опера-
ции осуществляют в нестабильных условиях самоорганизующегося внешнего окружения. На разных стадиях развития ОАП выполняемые процессы различны, их реализуют территориально рассредоточенные технологические объекты часто при недостатке трудовых ресурсов. Параметры технологических операций в значительной степени определяют характеристики непрерывно изменяющегося ОАП.
Высокие показатели агропроцессов достижимы при применении эффективных систем и устройств исполнительного и управленческого
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
уровней, их постоянном совершенствовании [4]. Управляющие системы и устройства способны в любой момент времени рационально решать задачи распределения, планирования, оптимизации и контроля процессов, использования ресурсов [5]. Как правило, для управления требуются сложные муль-тиагентные самоорганизующиеся системы, например, с использованием сетецентрического либо другого подхода, позволяющего создавать коэволюци-онные структуры управления [6]. По экономическим и технологическим показателям в реализациях новейших агротехнологий на исполнительных уровнях перспективно использование роботизированных систем (мобильных подвижных беспилотных агрегатов наземного и воздушного базирования), новейших средств связи, технического зрения, спутниковой навигации, локального позиционирования и других унифицированных устройств, обеспечивающих оперативность и качество реализации технологических процессов. Благодаря отсутствию отрицательного влияния на объект аграрного производства (ОАП), негативных воздействий на окружающую среду, высокой оперативности и независимости применения, малому энергопотреблению и другим достоинствам, беспилотные летательные аппараты (БПЛА) эффективно «вписываются» в реализации технологий агропроизводства [7].
В статье рассмотрены некоторые технологические операции локального растениеводства и животноводства, реализация которых специфична и требует при реализации тщательного контроля. Эти операции осуществляют дистанционно и автономно, без прямого участия человека. При использовании БПЛА обеспечиваются высокая эффективность, оперативность, безопасность процессов. Также рассмотрены некоторые аспекты управления агротех-нологическими процессами.
Материалы и методы
Функционирование агротехноценозов (АТЦ) характеризуют сложнейшие стохастические режимы эксплуатации (неуправляемые изменения в окружающей среде, процессы самоорганизации и авторегулирования в ОАП, связанные с этим изменения в техногенных устройствах). Из-за недостатка оперативной информации о ходе процессов, низкой адекватности математических моделей агротехно-логий, объектов контроля и управления степень неопределённости режимов высока. Отражая внешние воздействия, система (АТЦ) сама активно воздействует на среду. Происходит взаимодействие и вза-
имоотражение среды и системы, их взаимодетерминация и взаиморецептивность. Система и среда адаптируются друг к другу. Алгоритмы управления АТЦ в ходе многошагового итеративного процесса сравнения альтернативных вариантов, выявленных недостатков, появления новых задач и требований могут совершенствоваться.
Системный подход позволяет комплексно оценить и организовать производственно-хозяйственную деятельность АТЦ, продуктивно выявить, спрогнозировать и решить проблемы, возникающие на уровне конкретных характеристик процессов, реализовывать основные функции управления. Постоянная изменчивость, сложность структуры и слабая изученность процессов внутреннего функционирования АТЦ, его взаимодействий с окружающей средой обуславливают необходимость переноса познавательно-синтезирующей (интеллектуально-интегрирующей) человеческой деятельности на технический, информационно-коммуникационный уровень. Информационно -коммуникационная система АТЦ должна обладать прогрессивной (конкурентоспособной) функцией технико-технологического развития и биоэкологической адаптации, обеспечить ему возможность приобретения способности воспринимать и создавать новые более эффективные решения, иметь внутреннюю функцию самоорганизации в виде непрерывного процесса энергоинформационного самосовершенствования, оптимизации и прогнозирования выполняемых процессов.
Значительную часть задач реализации агро-технологий могут эффективно решать группы роботов наземного функционирования и беспилотных летающих аппаратов (БПЛА) с соответствующим вспомогательным оборудованием, дислоцируемыми в зоне реализации агротехнологии [8; 9; 10; 11; 12; 13; 14]:
- робот-мастер;
- специализированные (функционально ориентированные) роботы;
- мобильная передвижная технологическая база с операционными площадками (стартовая платформа, система подзарядки, рабочее место операторов, навигация, аналитика, технология);
- станция управления;
- средства обеспечения: расходные материалы, энергоресурсы и др.
Опыт применения в агросистемах БПЛА, в частности, вертикального взлёта и посадки, пока-
i electrical technologies, electrical equipment
and power supply of the agro-industrial complex
зывает, что объёмы научно-практического задела в части группового существования и взаимодействия в структурах АТЦ роботизированных техногенных устройств и саморазвивающихся природных биообъектов ОАП, окружающей среды, не достаточны. Представляет практический интерес детальная проработка реализации специфичных агротехноло-гических процессов и операций с использованием БПЛА применительно к технологиям растениевод-
ства, животноводства, а также общим для обеих отраслей.
Результаты
Мониторинг территорий. Условием осуществления био-эко-техно-интеллектуально насыщенных технологий в растениеводстве и животноводстве является тотальный постоянный мониторинг экологических условий и параметров выполняемых технологических процессов и операций (рис. 1).
Координация с верхним уровнем управления / Coordination with the top level of management
Обработка видеоданных и сенсорной информации / Processing of video data and touch information
iL
и
К
Обобщение и анализ оперативной
информации, управление технологическими процессами, адаптация к среде / Generalization
and analysis of operational information, control of technological processes, adaptation to the environment
Выработка управляющих команд на исполнительные устройства / Generation of control commands to actuators
Формирование электронной карты территории / Formation of an electronic map of the territory
n
Определение глобальных координат, текущего положения объектов наблюдения / Determination
of global coordinates, the current position of objects of observation
Реализация технологических
операций с учётом динамических характеристик устройств, объекта наблюдения, условий функционирования / Implementation of technological operations taking into account the
dynamic characteristics of devices, the object of observation, the conditions of operation
Формирование, накопление и корректировка базы знаний о среде/ Build, build, and adjust the knowledge base about the environment
Обеспечение безопасности технологических процессов, принятие решения о действиях в нештатных ситуациях/ Ensuring the safety
of technological processes, making a decision on actions in emergency situations
Рис. 1. Задачи, решаемые системой управления группы БПЛЛ
Fig. 1. Tasks solved by the control system of the UAV group Источник: разработано авторами
После получения задания специализированные БПЛА выполняют дистанционное наблюдение за территорией расположения АТЦ (рис. 2):
- съёмка местности фото, видео или ИК-камерами;
- обработка результатов съёмки программой распознавания объектов;
- анализ данных распознавания, выбор управленческих решений.
В ходе воздушного видеообследования формируют электронную карту контролируемой террито-
рии. Одновременно выполняют распознавание находящихся здесь объектов (возделываемая культура, животные, сорные растения, посторонние объекты и др.), при необходимости автоматически вычисляют их координаты. Кроме этого, оценивают параметры технологических процессов: агробиологические характеристики возделываемой культуры, биометрические характеристики животных и т. д., обнаруживают нештатные ситуации, требующие оперативного вмешательства, и т. п. В инфракрасном спектре можно выявить животных с повышенной температурой
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
тела, при необходимости наблюдать за ними, сопровождать в заданную точку, производить соответствующие технологические операции лечения (обездвиживание, определение стадии заболевания, биохимическое / биофизическое воздействие) и др.
Обеспечение успешного функционирования рабочих агрегатов в условиях действия различных помех (разнообразие биометрических характеристик растений: цвет и размеры плодов, стеблей, листьев растений и т. д.) при решении задач навигации и других требует рассмотрения вопроса о техническом зрении. Системы технического зрения (СТЗ) должны работать, когда освещённость и величина прямой видимости предметов зависят от времени суток, погодных условий, при искусственном освещении, в закрытом помещении. Архитектуры СТЗ различны, их использование должно обеспечить передачу информации (аналоговой, цифровой) большого числа видеокамер из разных точек объекта наблюдения в систему управления, выполнить фильтрацию и предварительную обработку, собрать ценную информацию.
Информация, полученная от СТЗ, нужна при составлении и корректировке электронных карт, контроле оценки состояния и развития ОАП, текущем и перспективном планировании, выполнении агропроцессов и др. Для фотограмметрической обработки данных аэросъёмки применяют накидной монтаж, при распознавании объектов используют различные специальные методы преобразования изображений (входной информации в выходную). Так, при обработке данных и анализе изображений выполняют сжатие изображений, в контексте конкретной задачи усиливают полезную и подавляют нежелательную информацию, фильтруют данные, устраняют в них шум, улучшают качество изображений и т. п. Для каждого конкретного земельного угодья существуют оптимальные (по затратам ресурсов и времени) траектории полётов БПЛА (разбивают территорию сельхозугодия на зоны - квадраты, производят их линейное сканирование, выбирают равноудалённые кольцевые трассы (рис. 2).
Рис. 2. Траектории полётов беспилотного летающего аппарата при выполнении агротехнологических операций: а - разбивки сельхозугодия на квадраты; б - линейная проработка точек забора грунта;
в - полёты внутри кольцевой зоны Fig. 2. Flight paths of an unmanned aerial vehicle when monitoring farmland: a - dividing farmland into squares; b - linear study of soil sampling points; c - flights inside the ring zone
Источник: разработано авторами
i electrical technologies, electrical equipment
and power supply of the agro-industrial complex
СТЗ в общем случае относят к классу распределённых систем, их элементы размещают стационарно либо на подвижных мобильных агрегатах (наземных либо воздушных) и могут использовать ресурсы космического мониторинга территорий. Датчики наблюдения, при возможности, целесообразно размещать не только на подвижных наземных агрегатах, но и стационарно (на элементах инфраструктуры мобильных операторов связи (вышках, опорах и т. п.), телевышках и других высотных сооружениях). Поскольку точность подобных технических решений не достаточно высока (точность определения направления составляет не менее 0,5°, места - 250 м, время обзора - до 10 мин.), их используют при общем (постоянном) наблюдении за территориями. Для сокращения маршрутов БПЛА и времени выполнения операций на элементах инфраструктуры может быть смонтирована база дислокации БПЛА (подзарядка бортового источника электроэнергии, коммуникация). При этом БПЛА используют для усиленного наблюдения за участками контролируемой территории. С целью экономии энергии для мониторинга пастбищ, а также решения других задач, например, защиты животных от солнечного облучения на пастбищах и др., могут использоваться летающие объекты весом легче воздуха.
«Зонное» земледелие. Реализации технологий «зонного» производства продукции растениеводства предусматривают разделение территории возделывания агрокультуры на приоритетные зоны (рис. 3): семеноводство, выращивание рассады, возделывание агрокультуры (патент РФ № 2538997 С2). В каждой из этих зон одновременно параллельно взаимосвязано реализуют операции целостного технологического цикла производства продукции растениеводства. Для выполнения операций, сопровождающихся значительным потреблением энергии и не требующих немедленного исполнения, применяют передвигающиеся по полю рабочие технологические устройства (закладка рассады, возделывание растений и др.). БПЛА, напротив, задей-ствуются при выполнении малоэнергоемких, как правило, локальных операций, требующих оперативной реакции (обработка площадей, заражённых вредителями и болезнями, стимуляция развития сельскохозяйственных культур в депрессивных зонах и т. п.). Использование БПЛА обеспечивает оперативность реализации регламентируемого объёма технологических операций без негативного воздействия на ОАП и окружающую среду с гарантированным снижением потребления энергии [15; 16].
Рис. 3. Беспилотная авиационная агротехнология «зонного» типа: 1 - датчики видеонаблюдения; 2 - модуль обмена информацией; 3 - система управления; 4 - БПЛА; 5 - агроагрегат мостового типа; 6 - наземное технологическое устройство; 7 - возделываемое угодье; 8, 9, 10 - зоны семеноводства, производства рассады соответственно Fig. 3. Unmanned aerial agricultural technology of «zone» type: 1 - video surveillance sensors; 2 - information exchange module; 3 - control system; 4 - UAV; 5 - bridge type agroaggregator; 6 - ground technological device; 7 - cultivated land; 8, 9, 10 - seed production zones, seedling production, respectively Источник: разработано авторами
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
Значительное увеличение продуктивности ОАП можно обеспечить путём управления технологическими процессами по локальным зонам (патент РФ № 2617340 С2). Базовой концепцией управления здесь является учёт кооперативного биоинформационного взаимного влияния живых особей (растения, животные) друг на друга: опережающие в развитии особи стимулируют скорость развития депрессивных (ослабленных) особей, отстающие в развитии особи замедляют развитие лидирующих особей опережающего развития. Целесообразно учитывать и рационально использовать биоинформационные взаимовлияния в ходе роста и развития живых особей. Для этого на сельхозугодьях выявляют управляемые зоны размещения особей (рис. 4): лидирующих в развитии, удовлетворительных, депрессивных. В ходе управления агропроцессами формируют и усиливают положительные кооперативные
биоинформационные электрофизические и биохимические взаимодействия агрокультур (интерференции влияний отдельных особей ОАП друг на друга), зон лидирующего развития на агрокультуры в зонах удовлетворительных и депрессивных. Отрицательные (ослабляющие) взаимовлияния отдельных особей ОАП друг на друга в пограничных зонах уменьшают. В большинстве случаев технологические воздействия на особи ОАП выполняют с помощью роботизированных устройств, не оказывающих отрицательных влияний на ОАП и окружающую среду. Для этого могут применяться смонтированные на БПЛА рабочие органы для внесения гормональных препаратов, лазер и др. Контрастность информативного анатомо-морфологического параметра особей ОАП управляемых зон после выполнения операций усиления взаимовлияния особей приведены на рис. 5.
Рис. 4. Реализация агротехнологии с управлением по разнокачественным зонам: 1 - управляющий модуль; 2 - датчики видеоконтроля; 3 - сельхозугодье; 4 - БПЛА; 5 - устройство внесения гормональных препаратов; 6 - лазерное устройство; 7 - средство инфокоммуникационной связи; 8 - наземный рабочий агрегат; 9, 10, 11 - соответственно, зоны депрессивного, удовлетворительного и лидирующего развития ОАП; 12 - исполнительные органы на наземном устройстве; 13 - потоки ускоряющего биохимического и/или электрофизического взаимовлияния между особями ОАП; 14 - потоки депрессивного (ослабляющего) биохимического и/или электрофизического взаимовлияния между особями ОАП в пограничных зонах Fig. 4. Implementation of agricultural technology with control over controlled zones: 1 - control module; 2 - video control sensors; 3 - farmland; 4 - UAVs; 5 - hormonal drug application device; 6 - laser device; 7 - infocommunication communication tool; 8 - ground working unit; 9, 10, 11 - respectively, zones of depressive satisfactory and leading development of OAP; 12 - executive bodies on a ground device; 13 - streams of accelerating biochemical and / or electrophysical mutual influence between individuals of the OAP; 14 - flows of depressive (weakening) biochemical and/or electrophysical interaction between individuals of the OAP in the boundary zones
Источник: разработано авторами
(Л
о
S M И
'"d
к
о iji
О
н
0
01 •в
Интенсивность информативного признака / The intensity of the informative feature
ct
я к
ct
к я ►в-о •в
к %
к w я о
0 я ё
1 ft
4 р
о о
0
01 ft sc
о
>
я
£ ni
в S
Ii
а а
? ®
Л О*
«S а
З4 а
а
1| ». к - S
R: И
ы О
Я
р
и
tl ft
5. ? a S
к а a i
II
а* "в
S«.
S^ а
ia
К' а
Ё а ^ §
а 3
й- £
а «
ч л,
гь о
ft о о К W
я о
о
"3 5
а
а
*
а
—%
Депрессивная зона / Depressive » zone
ь ,......
Удовлетворительная i зона/ Satisfactory zone J
- - V...
\
\ t
Опережающая зона /Leading zone
i
j
I •t)
0
1
t>5
I
0
1
lb
3
0
1
I §
¡ь <0
Э
СЧ §
2 t»<
Sj
I
0
1
s
en §
2 t»<
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса ххххххх
Рис. 6. Структура устройства дистанционного контроля физиологического состояния вымени и доильных сосков сельскохозяйственных животных: 1 - блок технического зрения; 2 - блок обработки информации; 3 - база данных; 4 - блок создания зоны равномерного освещения и многостороннего контроля вымени; 5 - блок синхронизации кадров блоков технического зрения 1; 6 - рабочее место специалиста-технолога; 7 - селективные (сортировочные) ворота; 8 - зона равномерного освещения и многостороннего обзора вымени; 9 - наблюдаемое животное Fig. 6. Structure of the device for remote monitoring of the physiological state of the udder and milking nipples of farm animals: 1 - a technical vision unit; 2 - an information processing unit; 3 - a database; 4 - a block for creating a zone of uniform lighting and multilateral udder control; 5 - a unit for synchronizing the frames of technical vision units 1; 6 - the workplace of a specialist-technologist; 7 - selective (sorting) gates; 8 - a zone of uniform lighting and
multilateral review udders; 9 - observable animal Источник: разработано авторами
а a
б / b
Рис. 7. Видеоцифровые панорамные изображения дефектов вымени и сосков: а) дефекты вымени: 1 - ушибы; 2 - отёк; 3 - фурункулы; 4 - мастит; б) дефекты сосков: 1 - трещины; 2 - раны; 3 - заращение; 4 - недержание молока; 5 - папилломы; 6 - бородавки Fig. 7. Video digital panoramic images of udder and nipple defects: a) udder defects: 1 - bruises; 2 - edema; 3 - boils; 4 - mastitis; b) nipple defects: 1 - cracks; 2 - wounds; 3 - healing; 4 - milk incontinence; 5 - papillomas; 6 - warts
Источник: разработано авторами
i electrical technologies, electrical equipment
and power supply of the agro-industrial complex
Данное техническое решение повышает качество и оперативность, уменьшает стоимость технологических процессов выявления и ликвидации заболеваний сосков и вымени животных, обеспечивает возможность реализации данных процессов в режиме реального времени. Другая специфичная технологическая операция животноводства, а именно дистанционная регистрация момента появления потомства сельскохозяйственных животных, описана в патенте РФ № 2542109 С2.
Сетецентрическое управление. Системам управленческого уровня, решаемым в режиме реального времени задачи контроля, оптимизации и планирования технологических процессов, отводится важная роль [17]. Комплексное целенаправленное самоадаптирующееся управление по состоянию ОАП (реальным анатомо-морфологическим и это-логическим характеристикам биообъектов окружения) могут обеспечить мультиагентные самоорганизующиеся сетецентрические системы. Их структура - рекурсивно разворачивающаяся, самоорганизующаяся сеть самоподобных мультиагентных управляющих устройств, работающих по принципу «каждый с каждым», «равный с равным». В отличие от традиционных подходов решения задач, предусматривающих комбинаторный поиск детерминированного управления, в мультиагентных технологиях используют процессы самоорганизации множества программных компонентов, имеющих собственные критерии и ограничения, способных при функционировании к соперничеству и кооперации. При этом в процессе недетерминированных взаимодействий компонентов добиваются наилучшего консенсуса (баланса интересов, равновесия), который принимают для выполнения. Проблемы решаются локально на нижних уровнях, если возможно, либо глобально, с использованием ресурсов планировщиков более высоких уровней [18]. Изначально данные системы, являясь многоярусными, способны как к горизонтальным, так и к вертикальным взаимодействиям и общению: хозяйство - сеть крупных подразделений, крупное подразделение - сеть бригад, бригада - сеть планировщиков непосредственных исполнителей.
Данный подход позволяет создавать сложные комплексы фракталоподобных структур из автономных относительно независимых согласованно действующих блоков (планировщиков), полноценно использующих принципы самоорганизации и эволюции на всех уровнях. Именно это организует
единый сложный «организм» хозяйства с интеллектуальным управлением в режиме реального времени (патент РФ № 2444177 С2).
Структуру и алгоритм работы системы управления под конкретную задачу целесообразно формировать в виде функционально ориентированных блоков. Сервисная архитектура сети для общения между уровнями системы и согласования решений предусматривает общую информационную магистраль (шину) для обмена информацией (данные для выработки решений, встречные предложения, варианты решений, запросы и подтверждения и т. п.) [19].
Предиктивная аналитика - эффективный подход в ходе решения задач агропроизводства. При реализации прогнозного управления агротехнологи-ями информация о состоянии саморегулирующихся и адаптирующихся в соответствии с природной це-леадаптивной функцией авторегулирования живых организмов (растений, животных) может быть получена на структурном уровне от сенсоров, внедрённых в живые организмы. Возможно спрогнозировать изменение параметров и характеристик выполняемых технологических процессов возделывания растений, а при осуществлении управления процессами реализовать наиболее эффективные режимы [20].
Обсуждение
Современный рынок предлагает БПЛА для сопровождения агротехнологических процессов полеводства и животноводства: инвентаризацию земель, составление электронных карт земельного угодья, дистанционное наблюдение и контроль аг-ротехнологических параметров выполняемых процессов, борьбу с болезнями растений и животных, внесение удобрений, мониторинг объектов, отпугивание птиц и т. п. В части непосредственного выполнения технологических операций воздействий на ОАП неоспоримыми достоинствами обладают вертолётного типа БПЛА, способные «зависать» на заданное время над нужной зоной агроугодья и осуществлять необходимые действия, как по всей площади размещения растений (животных), так и избирательно (локально) на отдельных элементах ОАП.
Реализация этих способностей крайне важна и необходима для энергосберегающих экологически чистых технологий точного дифференцированного земледелия и животноводства. В отличие от использования традиционных наземных средств, имеющих значительные габариты и массу, БПЛА гораздо
электротехнологии, электрооборудование) и энергоснабжение агропромышленного комплекса'
проще встроить в новейшие гибкие аддитивные аг-ротехнологии.
Существенное повышение эффективности аг-ротехнологий возможно за счёт применения самоорганизующихся многоярусных управляющих систем, способных как к горизонтальным, так и к вертикальным взаимодействиям и общению.
Заключение
1. Современные достижения науки и техники создали фундаментальные предпосылки дальнейшего развития и совершенствования роботизированного сельскохозяйственного производства. В состав группы роботов целесообразно вводить БПЛА, оборудованные средствами технического зрения, ме-хатронно-исполнительными блоками, элементами наведения, самообучения и самоорганизации. Основные функции БПЛА: мониторинг территорий размещения АТЦ, контроль хода реализации агро-технологий, оперативное событийное выполнение малоэнергоёмких операций. Достоинства БПЛА -малая энергозатратность, экологичность, оперативность применения.
2. Беспилотные летающие аппараты способны в режиме реального времени эффективно решать задачи контроля, оптимизации и планирования технологических процессов, распределения ресурсов и т. д. Комплексное целеустремлённое самоадаптирующееся управление по состоянию ОАП (реаль-
ным анатомо-морфологическим и этологическим характеристикам биообъектов окружения) способны обеспечивать мультиагентные самоорганизующиеся коэволюционные системы (сетецентрические и т. п.). Их структура - рекурсивно разворачивающаяся, самоорганизующаяся сеть аналогичных равноправных управляющих устройств, работающих по принципу «друг с другом». В противоположность классическим подходам решения задач с комбинаторным поиском детерминированного управления, в мультиагентных технологиях задачи решают в процессе самоорганизации множества способных к конкуренции и кооперации управляющих программных компонентов. Проблемы решаются по возможности локально либо глобально (кооперативно). Данный подход организует единый сложный «организм» хозяйства с интеллектуальным управлением в режиме реального времени.
3. Рассматриваемые в статье специфичные технологические операции осуществляют дистанционно и автономно, на безопасном расстоянии без непосредственного участия человека с гарантированным положительным эффектом. Реализации аг-ротехнологий с воздуха с помощью БПЛА позволяют значительно улучшить качество выполняемых технологических процессов, увеличить объёмы производимой продукции и прибыль предприятия в целом.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Гнатюк В. И. Закон оптимального построения техноценозов : Монография. Москва-Берлин : Изд-во «Директ-Медиа». 2019. 940 с.
2. Липкович Э. И., Серегин А. А. Интеллектуализация технического оснащения АПК // Экономика, управление. 2015.№ 1. С. 63-75.
3. Громов А. И. Управление бизнес-процессами: современные методы. Монография. Люберцы : «Юрайт». 2016. 367 с.
4. Федосеев С. А. Сетецентрические аспекты современных стратегий управления производством // Прикладная математика и вопросы управления. № 4. 2016. С. 115-124.
5. Киртан Джха. Комплексный обзор по автоматизации в сельском хозяйстве с использованием искусственного интеллекта // Искусственный интеллект в сельское хозяйство. Том 2. 2019. С. 1-12. https://doi.Org/10.1016/j.aiia.2019.05.004.
6. Архипов А. Г., Горбачев М. И. Цифровая трансформация сельского хозяйства России. Коллективная монография. Москва. 2019. 80 с.
7. Свентицкий И. И. Естественно-научная основа всеединства знаний. Эксергетическая теория урожая. М. : ФГБНУ ВИЭСХ, 2015, 316 с.
8. Барталев С. А., Егоров В. А. Спутниковое картографирование растительного покрова России. М. : ИКИ РАН, 2017. 208 с.
9. Блохина С. Ю. Применение дистанционного зондирования в точном земледелии // Вестник российской сельскохозяйственной науки. 2018. № 5.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 5 (144). C. 43-56. ISSN2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 5 (144). P. 43-56. ISSN2227-9407 (Print)
FI РГТШГЛI ТРГНМП1 nniFS FI РГТШГДI FrtíífPMFWT elecirical îc^nwuluuicà, elecirical equipmei\i
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
10. Mariano Gonzalez-de-Soto, Luis Emmi Autonomous systems for precise spraying- Evaluation of a robot-ised patch sprayer // Biosystems engineering. 2016. № 146. P. 165-182.
11. Shulin Yang, Xiaobing Yang, Jianyou Mo. The application of unmanned aircraft systems to plant protection in China // Precision Agriculture. 2018. V. 19. P. 278-292. DOI: 10.1007/s11119-017-9516-7.
12. Башилов А. М., Королёв В. А. Проект комплексного применения беспилотных наземных и воздушных роботов в агротехнологиях // Вестник НГИЭИ. 2021. № 6 (121). С. 37-46.
13. Башилов А. М., Королев В. А. Аэрокоптерное управление поведением животных // Вестник НГИЭИ. 2022. № 3 (130). С. 38-49.
14. Нго К. Т., Соленая О. Я., Ронжин А. Л. Анализ подвижных роботизированных платформ для обслуживания аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов // Труды МАИ. 2017. № 95.
15. Буре В. М., Митрофанов Е. П., Митрофанова О. А. Выделение однородных зон сельскохозяйственного поля для закладки опытов с помощью беспилотного летательного аппарата // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2018. Т. 14. № 2. С. 145-150.
16. Смирнов И. Г., Марченко Л. А., Личман Г. И., Мочкова Т. В., Спиридонов А. Ю. Беспилотные летательные аппараты для внесения пестицидов и удобрений в системе точного земледелия // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2017. № 3. С. 10-16.
17. Зубарев Ю.Н. Агротехнологии XXI века. Пермь : Изд-во ИПЦ «Прокростъ», 2019. 375 с.
18. SukhanovaM. V., Miroshnikova V. V. Intelligent system for managing dynamic processes of seed preparation for sowing - «Musthave» within of the concept of digital transformation for crop production // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing. 2021. Т. 659. № 1. С. 012001.
19. Мельник Л. Г. Теория развития систем : Монография. Сумы : Университетская книга. 2016. 416 с.
20. Тихонов А. Н., Иванников А. Д. Концепция сетецентрического управления сложной организационно -технической системой. М. : МаксПресс. 2010. 136 с.
Статья поступила в редакцию 27.02.2023; одобрена после рецензирования 20.03.2023;
принята к публикации 22.03.2023.
Информация об авторах:
A. М. Башилов - д.т.н., Spin-код: 3179-4782;
B. А. Королев - к.т.н., Spin-код: 2564-9045.
Заявленный вклад авторов:
Башилов А. М. - общее руководство проектом, формулирование основной концепции исследования, проведение критического анализа материалов, осуществление критического анализа и доработка текста. Королев В. А. - перевод на английский язык, совместное осуществление анализа научной литературы по проблеме исследования, решение организационных и технических вопросов по подготовке текста, верстка и форматирование работы.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
1. Gnatjuk V. I. Zakon optimal'nogo postroenija tehnocenozov : Monografija [The Law of Optimal Construction of Technocenoses], Monograph, Moscow-Berlin : Publ. «Direkt-Media», 2019, 940 p.
2. Lipkovich Je. I., Seregin A. A. Intellektualizacija tehnicheskogo osnashhenija APK [Intellectualization of technical equipment of the agro-industrial complex], Jekonomika, upravlenie [Economics, management], 2015, No. 1, pp.63-75.
3. Gromov A. I. Upravlenie biznes-processami: sovremennye metody. Monografija [Business process management: modern methods],Monograph, Ljubercy: «Jurajt», 2016, 367 p.
XXXXXXXXXX электротехнологии, электрооборудование XXXXXXXXXX
XXXXXXX и энергоснабжение агропромышленного комплекса XXXXXXX
4. Fedoseev S. A. Setecentricheskie aspekty sovremennyh strategij upravlenija proizvodstvom [Network-centric aspects of modern production management strategies], Prikladnaja matematika i voprosy upravlenija [Applied Mathematics and Management Issues], No. 4, 2016, pp. 115-124.
5. Kirtan Dzhha. Kompleksnyj obzor po avtomatizacii v sel'skom hozjajstve s ispol'zovaniem iskus-stvennogo intellekta [Comprehensive overview of automation in agriculture using artificial intelligence], Iskusstvennyj intellekt v sel'skoe hozjajstvo [Artificial Intelligence in Agriculture], Vol 2, 2019, pp. 1-12, https://doi.org/10.1016/j.aiia.2019.05.004.
6. Arhipov A. G., Gorbachev M. I. Cifrovaja transformacija sel'skogo hozjajstva Rossii [Digital transformation of Russian agriculture], Collective monograph, Moscow, 2019, 80 p.
7. Sventickij I. I. Estestvennonauchnaja osnova vseedinstva znanij. Jeksergeticheskaja teorija urozhaja [The natural scientific basis of the unity of knowledge. Exergetic crop theory], Moscow: FGBNU VIJeSH, 2015, 316 p.
8. Bartalev S. A., Egorov V. A. Sputnikovoe kartografirovanie rastitel'nogo pokrova Rossii [Satellite mapping of vegetation cover in Russia], Moscow: IKI RAN, 2017, 208 p.
9. Blohina S. Ju. Primenenie distancionnogo zondirovanija v tochnom zemledelii [Applications of remote sensing in precision agriculture], Vestnik rossijskoj sel'skohozjajstvennoj nauki [Bulletin of Russian Agricultural Science], 2018, No. 5.
10. Mariano Gonzalez-de-Soto, Luis Emmi. Autonomous systems for precise spraying- Evaluation of a robot-ised patch sprayer, Biosystems engineering, 2016, No. 146, pp. 165-182.
11. Shulin Yang, Xiaobing Yang, Jianyou Mo. The application of unmanned aircraft systems to plant protection in China, Precision Agriculture, 2018, Vol. 19, pp. 278-292, DOI: 10.1007/s11119-017-9516-7.
12. Bashilov A. M., Koroljov V. A. Proekt kompleksnogo primenenija bespilotnyh nazemnyh i vozdushnyh robotov v agrotehnologijah [The project of integrated application of unmanned ground and air robots in agricultural technologies], VestnikNGIJeI [Bulletin NGIEI], 2021, No. 6 (121), pp. 37-46.
13. Bashilov A. M., Korolev V. A. Ajerokopternoe upravlenie povedeniem zhivotnyh [Aerial copter control of animal behavior], Vestnik NGIJeI [Bulletin NGIEI], 2022, No. 3 (130), pp. 38-49.
14. Ngo K. T., Solenaja O. Ja., Ronzhin A. L. Analiz podvizhnyh robotizirovannyh platform dlja obsluzhivani-ja akkumuljatorov bespilotnyh letatel'nyh apparatov [Analysis of mobile robotic platforms for the maintenance of unmanned aerial vehicle batteries], Trudy MAI [Proceedings of MAI], 2017, No. 95.
15. Bure V. M., Mitrofanov E. P., Mitrofanova O. A. Vydelenie odnorodnyh zon sel'skohozjaj-stvennogo polja dlja zakladki opytov s pomoshh'ju bespilotnogo letatel'nogo apparata [Identification of homogeneous zones of the agricultural field for laying experiments with the help of an unmanned aerial vehicle], Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Prikladnaja matematika. Informatika. Processy upravlenija [Bulletin of St. Petersburg University. Applied mathematics. Informatics. Management Processes], 2018, Vol. 14, No. 2, pp. 145-150.
16. Smirnov I. G., Marchenko L. A., Lichman G. I., Mochkova T. V., Spiridonov A. Ju. Bespilotnye letatel'nye apparaty dlja vnesenija pesticidov i udobrenij v sisteme tochnogo zemledelija [Unmanned aerial vehicles for the application of pesticides and fertilizers in the system of precision farming], Sel'skohozjajstvennye mashiny i tehnologii [Agricultural machinery and technologies], 2017, No. 3, pp. 10-16.
17. Zubarev Ju. N. Agrotehnologii XXI veka [Agrotechnologies of the XXI century], Perm': Publ. IPC «Prokrost#», 2019, 375 p.
18. Sukhanova M. V., Miroshnikova V. V. Intelligent system for managing dynamic processes of seed preparation for sowing - «Musthave» within of the concept of digital transformation for crop production, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2021, Vol. 659, No 1, pp. 012001.
19. Mel'nik L. G. Teorija razvitija sistem : Monografija [Theory of Systems Development], Monograph, Sumy : Universitetskaja kniga, 2016, 416 p.
20. Tihonov A. N., Ivannikov A. D. Koncepcija setecentricheskogo upravlenija slozhnoj organizacionno-tehnicheskoj sistemoj [The concept of network-centric management of a complex organizational and technical system], Moscow: MaksPrespp. 2010. 136 p.
The article was submitted 27.02.2023; approved after reviewing 20.03.2023; accepted for publication 22.03.2023.
Вестник НГИЭИ. 2023. № 5 (144). C. 43-56. ISSN2227-9407 (Print) Bulletin NGIEI. 2023. № 5 (144). P. 43-56. ISSN2227-9407 (Print)
FI РГТШГЛI ТРГНМП1 ПП1РЯ FI РГТШГДI FrtiifPMFWT electrical technologies, electrical equipment
xxxxxxxx and power supply of the agro-industrial complex xxxxxxxx_
Information about the authors: A. M. Bashilov - Dr. Sci. (Engineering), professor, Spin-code: 3179-4782; V. A. Korolev - Ph. D. (Engineering), associate professor, Spin-code: 2564-9045.
Contribution of the authors:
Bashilov A. M. - managed the research project, developed the theoretical framework, critical analysis of materials, critical analyzing and editing the text.
Korolev V. A. - translation in to English, carried out the analysis of scientific literature in a given field, made the layout and the formatting of the article, solved organizational and technical questions for the preparation of the text, made the layout and the formatting of the article.
The authors declare no conflicts of interests.
