CC BY
14
УДК 631.3:528.8:681.518
0.0. БРОВАРЕЦЬ*
ДИНАМ1ЧНА МОДЕЛЬ КЕРУВАННЯ ЯК1СТЮ ВИКОНАННЯ ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ОПЕРАЦ1Й 13 ВИКОРИСТАННЯМ ТЕХН1ЧНИХ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГУ У РОСЛИННИЦТВ1
Нацiональний утверситет 6iopecypciB i природокористування Украни, Кшв, Украна_
Анотаця. Запропонована динам1чна модель керування яюстю виконання технолог1чних операций Í3 використанням техмчних систем оперативного мониторингу у рослинництв1 для забезпечення керованого агроб1олог1чного стану альськогосподарських уг1дь Í3 використанням прогностично-компенсацтног технологи' диференщйованого внесення технолог1чного матер1алу. Ключов1 слова: техтчна система оперативного мониторингу, прогностично-компенсащйна тех-нологгя.
Аннотация. Предложена динамическая модель управления качеством выполнения технологических операций с исполъзованием технических систем оперативного мониторинга в растениеводстве для обеспечения управляемого агробиологического состояния сельскохозяйственных угодий с использованием прогностически-компенсационной технологии дифференцированного внесения технологического материала.
Ключевые слова: техническая система оперативного мониторинга, прогностически-компенсационная технология.
Abstract. It was offered dynamic model of quality management of implementation of technological operations using the technical operational monitoring systems in crop growing for providing the guided agrobiological state of agricultural lands using forecasting and compensative technology of the differentiated introduction of technological material.
Keywords: technical operational monitoring systems, forecasting and compensative technology.
1. Вступ. Постановка проблеми
Належне керування агробюлопчним станом грунтового середовища неможливе без про-гнозування динамши змши його стану. На сучасному етат найбшьш широко використо-вують традицшш системи мошторингу, основан на лабораторному аналiзi. Таю методи досить точш, проте i вартюш з точки зору затрат. Також щ системи мають досить великий недолш - швидкють визначення агробюлопчних параметрiв, зокрема, вмюту поживних речовин у грунта Все це в кшцевому випадку впливае на доcтовiрнicть шформацп та ефек-тившсть прийняття ршення. Проте навiть володiння такою шформащею не може забезпе-чити належно'1 якоcтi виконання технологiчних операцш вiдповiдно до агробiологiчного стану грунтового середовища. Саме тому виникае необхщшсть у розробщ динамiчноï мо-делi керування якicтю виконання технологiчних операцш iз використанням технiчних систем оперативного мошторингу у рослинницга для забезпечення керованого агробюлопч-ного стану сшьськогосподарських yгiдь iз використанням прогностично-компенсацшно'1 технологи диференцiйованого внесення технологiчного матерiалy
Мета досл1дження - розробка методики розрахунку та побудови динамiчного управлшня якicтю виконання технологiчних операцiй iз використанням технiчних систем оперативного мошторингу у рослинницга для забезпечення керованого агробюлопчного стану ciльcькогоcподарcьких yгiдь шляхом реалiзацiï прогностично-компенсацшно'1 технологи диференцшованого внесення технологiчного матерiалy.
Аналгз останнгх дослгджень i публгкацгй. Сьогодш досягти icтотного пiдвищення ефективноcтi ciльcькогоcподарcького виробництва лише удосконаленням конструкци ма-шинно-тракторних агрегатiв неможливо. Тому нагальною необхщшстю е пiдвищення яко-
© Броварець О.О., 2016
ISSN 1028-9763. Математичш машини i системи, 2016, № 3
сп виконання технолопчних операцiй за рахунок проведення мошторингу стану сшьсько-господарських угщь, адже традицiйнi системи мошторингу стану сшьськогосподарських угiдь не забезпечують належно!' продуктивностi та якостi. Найбшьшу ефективнiсть монь торингу варiабельностi параметрiв грунтового середовища на сучасному етат показали сенсорнi системи вимiрювання електропровщносп та електромагштно'1 шдукцп стану сшьськогосподарських упдь та системи техшчного зору (реалiзацiя за допомогою спектромет-рiв). Показники, отриманi з використанням даних таких систем, можна використовувати як опосередковаш даш про варiабельнiсть параметрiв стану грунтового середовища.
У зв'язку з цим виникае необхщшсть у розробцi та дослiдженнi техшчних систем монiторингу стану сiльськогосподарських упдь у сучасних технологиях рослинництва, ви-користання даних, якi дають можливють забезпечити задану якiсть при виконанш техноло-пчно!' операцп.
Одним iз таких напрямiв е використання опосередковано!' шформаци про стан грунту з надшним алгоритмом перерахунку тако'1 шформацп в об'ективно необхiднi даш, на-приклад, такi, як рiвень поживних речовин, гумусу, вологостi, мшроелементсв у грунтi то-що. Ефективними опосередкованими даними стану грунту можуть бути показники елект-рично'1 провщносп грунту, величина дiелектричноi проникностi, магштш властивостi то-що. Важливим аспектом, також, е вимiрювання властивостей i встановлення складу грун-тових газiв як можливих iндикаторiв стану грунту.
Структура грунту змшюеться у значних межах на багатьох сшьськогосподарських полях. Фiзичнi властивосп грунту, як, наприклад, грунтова структура, мають прямий ефект на водомютюсть, емнiсть катiонного обмшу, урожайнiсть тощо. Поживнi речовини, що мiстяться у грунтi, використовуються рослиною i !'х вмiст у грунт зменшуеться. Загально-прийнятою характеристикою вмюту поживних речовин у грунтi е вмют азоту, наявнiсть якого значною мiрою визначае урожайнiсть. Картографiя грунтово'1 електрично!' провщно-стi широко використовуеться як ефективний зааб вiдображення грунтово'1 структури i ш-ших грунтових властивостей [1].
Швидкий опис мшливосп сiльськогосподарських угiдь - важливий компонент для зональних методiв управлiння. Точне сшьське господарство вимагае точних даних про вмют поживних речовин, яких бракуе у груш!, щоб досягти максимального прибутку при найменших затратах. Очевидно, що датчик грунтово! електропровщносп - корисний iн-струмент у картографп грунтiв, щоб iдентифiкувати обласп варiабельностi грунтових властивостей [2].
Розвиток сшьськогосподарського виробництва вимагае оперативного забезпечення певнох врожайностi на основi контролю наявних поживних речовин у груш! Мобiльна установка для вимiрювання грунтових властивостей була розроблена та використана для детальноi картографii грунтово'1 електричног провiдностi. Вимiрювання було зроблено про-тягом раннього та тзнього сезону, коли рiвень грунтово'1 вологи близький до вологомют-костi поля. Результати, засноваш на просторовому аналiзi грунтових властивостей шляхом вимiрювання електропровщносп грунту, дають можливють розробити рекомендацп щодо стратегГ! керування агробiологiчним потенщалом поля [3].
Вiдомо, що Укра'на мае один iз самих високих показниюв родючостi грунтiв у свт. У той же час, питанню охорони родючосп грунтiв не придшяеться належно! уваги. Про-гресують рiзнi види руйнування i деградацii трунив: еродованiсть, iнтенсивнiсть мiнералi-зацii гумусу, переущшьнення рiллi, пiдкислення та осолонцювання рашше нейтральних грунтiв - основна риса укра'нських земель на сьогодш [4, 5].
Для ефективного регулювання стану природного середовища, збереження високо! якостi бiосфери i здатностi природи до вщтворення значущу роль набувають, у першу черту, ефективш методи еколопчного монiторингу - системи спостережень, ощнки i прогнозу стану природного середовища [6].
Сшьськогосподарське поле - складна динамiчна система, стан яко! залежить вiд агробюло-гiчного стану сiльськогосподарських угiдь та рослин i фiзичноi ди на !'х робочi органи сiльськогосподарських машин. Для забезпечення ефективного керування таким станом необхщно використовувати агробiологiчнi знання про поле (розподш поживних речовин, твердють, урожайнiсть тощо) та використовувати сучасш технiчнi системи оперативного мошторингу стану сiльськогосподарських угiдь. Використання техшчних систем оперативного монiторингу дозволяе забезпечити динамiчне управлiння якiстю виконання техноло-гiчних операцiй. Данi, отримаш вiд таких систем, використовують для синтезу завдання для оперативного керування сшьськогосподарськими машинами при забезпеченш керова-ного агробiологiчного стану сiльськогосподарських угщь шляхом реалiзацii прогностично-компенсацшно!' технологи диференцiйованого внесення технологiчного матерiалу. Таким чином, для динамiчного управлiння яюстю виконання технологiчних операцiй iз викорис-танням технiчних систем оперативного мошторингу у рослинницга для забезпечення ке-рованого агробiологiчного стану сiльськогосподарських упдь шляхом реалiзацii прогнос-тично-компенсацшно!' технологи диференцiйованого внесення технологiчного матерiалу необхщно визначити послщовшсть дiй по управлшню об'ектом (сiльськогосподарським угiддям). Необхiдно забезпечити максимум або мшмум заданого значення при забезпеченш належного функщонування сшьськогосподарсько!' машини [7-14].
У загальному випадку якють виконання технологiчних операцш мае нескiнченну систему обмежень при вщкритш множинi агробiологiчних параметрiв. У такому разi для забезпечення динамiчного управлiння якiстю виконання технологiчних операцш необхщно синтезувати ряд фiзичних дш для забезпечення керованого агробiологiчного стану сшьсь-когосподарських угiдь. Важливою складовою ефективного функщонування тако! системи е використання техшчних систем оперативного мошторингу у рослинницга, яю б функщ-онували в автоматичному режимi. Тому першочерговим завданням е визначення методики оперативного мошторингу та мехашко-конструктивних параметрiв тако! системи. Отже, необхiдно синтезувати ланцюжок дш для забезпечення функци мети (динамiчне керування якiстю виконання технолопчних операцiй) з використанням автоматичного керування за допомогою даних вщ технiчних систем оперативного монiторингу у рослинницга.
На початковому етапi розглянемо оптимiзацiю агробiологiчного ресурсу при пос-тiйних технiчних ресурсах. Тобто, умова буде виконуватися для певного набору машино-тракторних агрегатiв, що виконують ту чи шшу технологiчну операцш. Але при цьому буде враховуватися ступшь !'х впливу (або величини дii) на агробiологiчний стан грунтового середовища. Отже, повинна виконуватися умова неприсутносп спшьного виробництва, що полягае в тому, що результат технолопчного процесу е виконання певного набору стандартных пунктв технологичного процесу без !'х впливу один на одного та додаткового втручання в запланований технолопчний процес.
Основною метою дано! роботи е дотримання необхщного балансу вщношення ви-трати/прибуток, що включае в себе методи ршення задач технологичного вибору, розподь лення обмежених ресурав i проблеми спшьного виробництва благ.
7 = (71,72,...,7и)г, (1)
де Т - оператор транспонування.
Припустимо, маемо агробюлопчне поле з набором параметр!в т . У будь-якому технологичному процесс ресурс 7 внтрачаеться в об'ем1 У" 1 впливае на юнцеву ефектив-
шсть в об'ем1 У'. Таким чином, ефектившсть використання ресурсу ], У- складае У\ — У" . Технолопчний процес виконання дано! технологично! операцп виражаеться вектором У:
У цьому технологичному процес ресурс ] представлено як елемент затрат, якщо
У >0. Якщо У= О, то слщ вважати, що ресурс ] не мае вщношення до даного виробни-
цтва. Таким чином, базисний процес ^яльносп) визначаеться множиною агробiологiчних параметрiв т постшних коефiцiентiв, а ступiнь його впливу на використання виражено рiвнем дiяльностi.
Припустимо, що число техшчно необхщних технолопчних операщй для забезпе-чення базового вирощування сшьськогосподарських культур р1вно п' одиниць. Тод1 процес ] можна задати вектором
А (а а ,•••,а )Т, (2)
] к 1] ' 2 ] ' ' т] / ' V >
де через А. позначено результат виробництва при умов^ що рiвень дiяльностi X. являе собою невщ'емну величину Х^ >0. При цьому загальний (сумарний) вплив на вирощування сшьськогосподарських культур згидно з технолопчним процесом складае
7 = ХхД+Х,хА + .... +X хА + Х , хА+, +... + Х хА . (3)
11 7. ¿. п п п+1 п+1 п п у 7
Матрицю А складемо iз таких введених векторiв:
А = (А1,А2,...,А). (4)
Вектор рiвня дiяльностi (рiвностей виробництва) процесу ] позначимо як X . Тодi формула набувае вигляд
У = АХ, Х> 0 . (5)
Матрицю А називають технологичною матрицею вирощування сшьськогосподар-ських культур. Очевидно, що якщо у формулi У замiнити на Ь або А, то вона перетвориться в систему обмеження задачi лшшного програмування, яка мютить вектор коефще-нтiв при додаткових або штучних змiнних. Вектор коефщешив при додаткових змiнних Аи+1,..., Ап+т у теори анал1зу д1яльносп називають утшпзащею, оскшьки його суть полягае в безплатнш утилiзацii зайвих продукпв i ресурсiв. При використаннi технологично! матриц^ яка виражае вмют иоживних речовин у груши, матрищ коефщ1ешив ирямих затрат А модел1 необхщних технолопчних затрат на виробництво продукцп рослинництва I — А, а матриця коефщ1ешив ирямих затрат А узагальнено! модел1 Леонтьева - матриця Е — А .
Якщо обмеження виразити формулою (5), то можливий вибiр рiзних функцш мети. Тут ми зупинимося на цшьовш функцп Кантровича. Вектор виробництва сшьськогосподарських культур за певним технолопчним процесом позначимо У, розiб'емо на двi складов!: постшну У 1 перемшну, а коефщенти змшноТ частини технологичного процесу позначимо як , ,..., (Хт. Максим1зацп буде шдлягати наб1р кожного випуску р1зних вщцв продукцп в його змшнш частиш, який ми позначимо як Ъ .
Оскшьки У. = Zaj + К , цшьову функщю отримання максимально! врожайносп при
вирощуваннi сшьськогосподарських культур за певним технолопчним процесом можна записати у вигляд1
Тодi задача лшшного програмування отримання максимально!' врожайносп при ви-рощуваннi сшьськогосподарських культур за певним технологiчним процесом бути запи-
сана таким чином: У х>оз Z>0^
де Z —>• max, т а= ava2,...,am . (7)
3. Висновки
Динамiчне управлiння якiстю виконання технологiчних операщй Ï3 використанням техшч-них систем оперативного мониторингу у рослинництвi для забезпечення керованого агро-бiологiчного стану сшьськогосподарських упдь шляхом реалiзащï прогностично-компенсащйно'' технологи диференцiйованого внесення технолопчного матерiалу може функцiонувати в автоматизованому режима Для забезпечення керування системою в авто-матизованому режимi маемо систему «машина-мошторинг-поле».
За допомогою дано'' моделi можна вирiшити проблему оптимального використання технологичного та агробюлопчного ресурсу для досягнення максимального ефекту при виборi при умовi обмеженого використання цих ресурав.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Lund E.D. Applying nitrogen site-specifically using soil electrical conductivity maps and precision agriculture technology / E.D. Lund, M.C. Wolcott, G.P. Hanson // The scientific worldjournal (Scientific World Journal). - 2001. - Vol. 1, Suppl. 2. - P. 767 - 776.
2. Масло 1.П. Автоматизована система мошторингу родючосп грунту та локально-дозоване використання х1мпрепарат1в / 1.П. Масло, В.Г. Мироненко // Вюник сшьськогосподарсько' науки. -1998. - № 5. - С. 56 - 58.
3. Пастушенко С.И. Оптимизация сельскохозяйственных технических систем / С.И. Пастушенко // Техшка АПК. - 1999. - № 8. - С. 12 - 15.
4. Техшка для землеробства майбутнього / В.В. Адамчук, В.К. Мойсеенко, В.1. Кравчук В.1. [та ш.] // Мехашзащя та електрифшащя сшьського господарства. - Глеваха: ННЦ „1МЕСГ". - 2002. - Вип. 86. - С. 20 - 32.
5. Сучасш тенденци розвитку конструкцш сшьськогосподарсько' техшки / За ред. В.1. Кравчука, М.1. Грицишина, С.М. Коваля. - К.: Аграрна наука, 2004. - 398 с.
6. Мироненко В.Г. Техшчш засоби забезпечення якосп виконання технолопчних процешв у рос-линницга / Мироненко В.Г. - К.: НАУ, 2005. - 271с.
7. Броварець О.О. Модель реал1заци прогностично-компенсацшно' технологи змшних норм внесення технолопчного матер1алу з використанням шформацшно-техшчних систем мошторингу стану сшьськогосподарських упдь / О.О. Броварець // Науковий вюник Нащонального ушверсите-ту бюресурав i природокористування Укра'ни. - К., 2014. - Ч. 2, Вип. 196. - С. 111 - 122.
8. Пастушенко С.И. Оптимизация сельскохозяйственных технических систем / С.И. Пастушенко // Техшка АПК. - 1999. - № 8. - С. 12 - 15.
9. Техшка для землеробства майбутнього / В.В. Адамчук, В.К. Мойсеенко, В.1. Кравчук [та ш.] // Мехашзащя та електрифшащя сшьського господарства. - Глеваха: ННЦ „1МЕСГ". - 2002. - Вип. 86. - С. 20 - 32.
10. Гуков Я.С. Автоматизированная система локально-дозированного внесения удобрений, мелиорантов и средств защиты растений / Я.С. Гуков, Н.К. Линник, В.Г. Мироненко // Труды 2-й МНПК по проблемам дифференциального применения удобрений в системе координатного земледелия. - Рязань, 2001. - С. 48 - 50.
11. Myronenko V., Dubrovin V. Rizeni pracovnich procesu ekologicke techniky / V. Myronenko, V. Dubrovin // Sbomik prednasek VUZT "Zemedelska technika a biomasa 2004". - Praha, 2004. - Т. 5. -
Р. 71 - 75.
12. Мироненко В.Г. Техшчш засоби забезпечення якосп виконання технологiчних пpоцесiв у рос-линництв1 / Мироненко В.Г. - К.: НАУ, 2005. - 271 с.
13. Научный отчет УНИИМЭСХ. Разработать средства и системы автоматического контроля и управления мобильными сельскохозяйственными машинами с использованием микропроцессорной техники / Л.И. Гром-Мазничевский, В.А. Коваль, В.Г. Мироненко [и др.]. - № гос. регистрации 81096003. - К., 1990. - 124 с.
14. Броварець О.О. 1нформацшш технологи та техшчш засоби нового поколшня для мошторингу й забезпечення якосп виконання технолопчних процешв при вирощуванш сшьськогосподарських культур / О.О. Броварець // Хранение и переработка зерна. - 2013. - № 6 (171). - С. 37 - 42.
Стаття над1йшла до редакцп 20.04.2016
