CC BY
14
УДК 636.2 DOI 10.22314/27132064-2023-1-78
ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
A.Ю. Брюханов, доктор технических наук, член-корреспондент РАН Э.В. Васильев, кандидат технических наук
Е.В. Шалавина, кандидат технических наук ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: shalavinaev@mail.ru
М.Ю. Охтилев, доктор технических наук, профессор АО «НИО ЦИТ «Петрокомета» E-mail: mail@petrocometa.ru
B.Н. Коромысличенко, кандидат технических наук ООО «ЦиТ "Петроинт»
E-mail: info@petroint.ru
Реферат. Рассмотрен пример успешного применения цифровых технологий мониторинга и управления органическими отходами животноводства, разработанных на базе интеллектуальной аналитической программной платформы. Приведены результаты применения данного подхода для решения агроэколо-гических проблем. Конечный результат представлен интерактивной программой, позволяющей вести мониторинг обращения с отходами животноводства/птицеводства и осуществлять координацию использования органических удобрений с учетом эколого-экономических показателей. Исследования и получение конечного результата базировались на использовании следующих методических подходов: обработка экспертных знаний и формирование алгоритмов определения оптимальных технологий переработки отходов и использования органических удобрений, web-серверный доступ пользователей, микросервисная технология доступа к геоинформационным ресурсам. Интерактивная программа реализует функции ведения базы данных, организации логистики, формирования сводного отчета (цифрового паспорта), получение аналитических данных о материальных ресурсах и техническом оснащении. Созданный пилотный объект может стать основой для создания государственной системы мониторинга и управления побочными продуктами животноводства, которых в России только в виде навоза и помета образуется не менее 580 млн тонн в год. Полученная в результате работы программы информация позволяет составлять Планы технологического и технического перевооружения сельскохозяйственных предприятий в соответствии с требованиями природоохранного законодательства и с перспективой перехода на НДТ. Ключевые слова: экологическая безопасность, цифровые и интеллектуальные технологии, сельское хозяйство, органические удобрения, программа, план технологического и технического перевооружения.
Для цитирования: Инструмент для мониторинга экологического состояния и устойчивого развития сельскохозяйственного производства / Брюханов А.Ю. и др. // Техника и технологии в животноводстве. 2023. № 1(49).
C. 78-84. EDN UKCKMG
Введение. Проблемы экологической безопасности окружающей среды в настоящее время по своей значимости вышли на одно из первых мест среди глобальных вызовов при развитии общества. Согласно стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной указом Президента РФ от 01.12.2016 № 642, возрастание антропогенных нагрузок на окружающую среду до масштабов, угрожающих воспроиз-
водству природных ресурсов, и связанный с их неэффективным использованием рост рисков для жизни и здоровья граждан являются одним из важнейших вызовов, требующих научно-технических решений. Президентом РФ 8 февраля 2021 года издан указ о мерах реализации государственной научно-технической политики в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений.
Интенсивное животноводство содержит ряд серьезных угроз, которые не ограничиваются только территорией фермы, а непосредственно связаны с прилегающими зонами и косвенным образом влияют на экологические условия всего региона в целом. Они затрагивают все компоненты природной среды - живые организмы, воздух, почву и воду (поверхностные воды, грунтовые воды, атмосферные осадки). Более того, отрицательные последствия индустриального животно-
По ряду направлений Россия выполнила задачи продовольственного обеспечения и создала предпосылки к увеличению экспорта. Президент России поставил задачу к 2024 г. увеличить экспорт агропродовольственной продукции до 45 млрд долл. США. В 2020 г. он составлял около 25 млрд долл. США. Высокие показатели сельхозпроизводства в России достигаются за счет использования интенсивных технологий и строительства крупных животноводческих комплексов. Такой путь развития приводит к образованию значительных объемов навоза и помета, расположенных на локальных территориях.
За последние годы в России образуется порядка 580 млн тонн навоза и помета в год, из которых рационально используется не более 30%. Неэффективное использование органических отходов может привести к потере питательных веществ (по оценке ИАЭП): азота - 2,2 млн т/год; фосфора - 0,36 млн т/год. В этой связи оценка, прогнозирование и регулирование антропогенного воздействия на окружающую среду от интенсивных
водства имеют не только экологическое, но и социальное, экономическое и правовое значение [1-5].
Главной задачей последних лет было восстановление продовольственной безопасности нашей страны после негативных последствий 90-х годов. Годовой надой молока на 1 корову на конец 2020 г. составил 6730 кг, самообеспеченность молоком составила 84%. Средняя яйценоскость 1 курицы-несушки -312 яиц в год (рис. 1).
-10 стран-
машинных технологий производства сельскохозяйственной продукции, основанные на изучении тенденции развития системы природопользования и перспектив хозяйственного и научно-технического развития общества, в сегодняшних условиях становятся одними из приоритетных задач [6, 7]. Реализация данных задач должна основываться на интеллектуальных системах [8-10]. Экологически безопасному использованию навоза и помета могут способствовать внедрение цифровых систем мониторинга и управления органическими отходами, которые позволят, помимо оперативной оценки, получить исходный материал для обоснования направлений модернизации производства.
Цель работы - разработка инструмента для мониторинга экологического состояния и устойчивого развития сельскохозяйственного производства.
Материалы и методы. Как показывает мировой опыт, важно обеспечить мониторинг образования отходов животноводства. Мониторинг может помочь организовать ло-
т
Россия входит в ТОП-5 стран-производителей
Поголовье - 25,2 млн гол. Более 5 млн т в живом весе
РГ
Россия входит в ТОП-10 стран_производителей_
¥
Россия входит в ТОП _производител
Поголовье - 18,1 млн гол. Производство молока - 30,3 млн т
Поголовье с.-х. птицы - 557 млн гол. Производство на убой - более 5 млн т
Рис. 1. Основные показатели выполнения Доктрины продовольственной безопасности РФ
по состоянию на 2021 год
гистику, связанную с использованием органических удобрений, и подготовить обоснованные предложения для технологической модернизации и развития производства.
Правильно спланированная и реализованная логистика применения органических удобрений, спроектированная на балансе питательных веществ, позволяет обеспечить долгосрочную устойчивость сельских территорий. Очень важной функцией является логистика распределения органических удобрений от сельскохозяйственных предприятий с избытком органических удобрений к сель-хозорганизациям с потребностью в органических удобрениях с учетом нормативов нагрузки питательными веществами и данных о распределении нагрузки питательных веществ на сельскохозяйственных землях.
Ограничивающим фактором при внесении удобрений является общий азот (170 кг на гектар) и общий фосфор (25 кг на гектар). Когда один из индикаторов (общий азот или общий фосфор) достигнет предельного значения, программа подаст сигнал. Показатель, чье предельное значение достигается первым, считается наиболее значимым при расчете дозы внесения органических удобрений. Предельные значения данных показателей могут задаваться пользователем программы в зависимости от региона, выращиваемых культур и состояния почв.
Для решения рассматриваемых задач целесообразно применение цифровых интеллектуальных технологий, осуществляющих функции мониторинга и управления. Данный функционал может быть реализован на базе интеллектуальной аналитической программной платформы. Интеллектуальная аналитическая программная платформа предоставляет разработчикам единую технологическую среду (комплекс технологий, готовых программных решений и инструментальных средств), обеспечивающую в рамках выбранной методологии разработки поддержку полного жизненного цикла прикладного решения. В нашем случае это - решение задачи организации мониторинга и управления для обеспечения экологической безопасности сельскохозяйственного произ-
водства. Рационально выстроенная система работы с навозом/пометом и полученным на его основе органическим удобрением повышает экологическую безопасность сельскохозяйственного производства. Технологии, задействованные при работе с навозом/пометом и полученным на его основе органическим удобрением, должны минимизировать эмиссии в окружающую среду и обеспечивать поддержание плодородия почв сельскохозяй-ственных земель, получение прибавок урожая в растениеводстве и кормопроизводстве.
В основе любой динамической системы стоят такие блоки, как мониторинг, оценка, прогнозирование и управление. Для достижения экологической устойчивости сельскохозяйственных экосистем необходимо создание комплексной системы агромонито-ринга, управления инженерными и организационными решениями. На этой основе был реализован цифровой инструмент, обеспечивающий мониторинг образования навоза/помета и координацию использования (оборота) органических удобрений сельскохозяйственными предприятиями Ленинградской области. Схема архитектуры ПО системы отображения результатов представлена на рисунке 2. Система содержит экспертную базу данных, веб-серверный доступ пользователей, микросервисную технологию доступа к геоинформационным ресурсам.
Результаты и обсуждение. В 2020-2021 гг. ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, ООО «ЦИТ «Петро-ИНТ» и АО «НИО ЦИТ «Петрокомета» совместно с Комитетом по агропромышленному и рыбохозяйственному комплексу Ленинградской области разработали интерактивную программу для мониторинга образования органических удобрений и их эффективного использования (свидетельство о гос. регистрации программы ЭВМ №2021617771 от 19.05. 2021) (рис. 3).
Интерактивная программа построена на базе созданных цифровых паспортов сельских территорий, алгоритмов сбора и обработки информации, моделей прогнозирования с учетом сценариев технологического развития и стратегий управления.
Рис. 2. Схема архитектуры ПО системы отображения результатов мониторинга производства и координации использования органических отходов сельхозпредприятиями Ленинградской области
Рис. 3. Интерфейс первой страницы интерактивной программы
В работе рассмотрены два сценария. Сценарий I - применяемые технологии (пассивное компостирование твердого и полужидкого навоза/помета; длительное выдерживание жидкого навоза и стоков). Сценарий II -предлагаемые технологии, соответствующие НДТ (разделение жидкого навоза и стоков на фракции с последующей отдельной переработкой твердой и жидкой фракций в конечные продукты). Такой цифровой инструмент позволяет оценивать текущую ситуацию и моделировать сценарии развития и их влияние на экологическую устойчивость агроэко-систем. Алгоритм программы реализует принцип баланса питательных веществ и позволяет оптимизировать межхозяйственные связи отдельных сельхозтоваропроизводителей с целью достижения условий экологической устойчивости. Функционал программы также позволяет собирать статисти-
ческую информацию по субъектам Российской Федерации и оценивать эффективность работы с органическими удобрениями.
Основное назначение программы - обеспечение информационной поддержки органов исполнительной власти и руководителей сельскохозяйственных предприятий в части повышения экологической и производственной эффективности при подготовке и использовании органических удобрений в сельском хозяйстве Ленинградской области. Программа реализует не только функцию «Мониторинг», но и функцию «Логистика» - распределение всего получаемого органического удобрения между предприятиями-поставщиками, где образуется удобрения больше, чем используется на собственных полях, и предприятиями-потребителями, которым необходимо удобрения больше, чем они производят. Программой осуществляется фор-
мирование сводного отчета: обобщенные сведения о потоках органических удобрений и материально-техническом оснащении для реализации системы логистических связей.
Программа позволяет определить индивидуальную (по хозяйствам) и общую (район, область) потребность в хранилищах и площадках для компостирования с учетом требуемого объема, технических средствах для подготовки, транспортировки и внесения органических удобрений (твердых - ТОУ и жидких - ЖОУ), формируя тем самым аналитический блок для оценки сценариев технологического развития и принятия управленческих решений (рис. 4).
Основным критерием при экологической оценке технологий является масса сохраненных питательных веществ в органическом удобрении. При этом оцениваются также эмиссии в окружающую среду и потенциальная возможность возврата очищенной жидкости на сельхозпредприятие (для использования на технические нужды). Электронные паспорта, сформированные программой для каждого сельскохозяйственного предприятия, района и всего региона, содержат подробную информацию о том, как достичь оптимального баланса питательных веществ и необходимой материально-технической и ресурсной поддержки. Полученная в результате работы программы информация позволяет составлять Планы технологического и технического перевооружения сельскохозяйственных предприятий в соответствии с тре-
бованиями природоохранного законодательства и с перспективой перехода на НДТ на период до 2025 г. (таблица 1). В таблице представлены два сценария. Сценарий I -применяемые технологии. Сценарий II -предлагаемые технологии, соответствующие НДТ. За счет перехода на НДТ можно снизить общую площадь открытых площадок компостирования в 2,3 раза, при этом сэкономив за год 1 млн т влагопоглощающего материала. Благодаря этому, количество тракторов уменьшается в 2,5 раз, количество машин для внесения ТОУ - в 2,6 раз, количество фронтальных погрузчиков - в 1,2 раза.
14 -
12 10
8
6
4
0
98 комплексов 9 свиноводческих 7 птицеводческих КРС региона комплексов предприятий региона региона
И Масса навоза/помета с комплекса, млн т в год
□ Масса общего азота в навозе/помете, тыс. т в год
□ Масса общего фосфора в навозе/помете, тыс. т в год
□ Потенциальная масса жидкости, возвращенной на комплекс, млн т в год
Рис. 4. Оценка сельскохозяйственных предприятий Ленинградской области
Таблица 1. План технологического и технического перевооружения сельхозпредприятий в соответствии
Название Сценарий I Сценарий II
Общее количество предприятий, шт. 134
- предприятия крупного рогатого скота 98
- птицеводческие предприятия 7
- свиноводческие предприятия 9
- растениеводческие предприятия (получение удобрений от птицефабрик) 20
Влагопоглощающий материал для компостирования, млн т в год 1,4 0,39
Общая площадь гидроизолированных площадок компостирования, млн м2 1,78 0,77
Общая вместимость навозохранилищ, тыс м3 120 1545
Количество технических средств, шт. - тракторы 662 258
- машины для внесения ТОУ 640 242
- машины для внесения ЖОУ 114 216
- фронтальные погрузчики 118 98
В результате перехода на Сценарий II при увеличении капитальных затрат всего в 1,1 раз эксплуатационные затраты за год снизятся в 2,2 раза (таблица 2).
Таблица 2. Затраты при реализации сценариев,
Заключение. В результате работы создан инструмент информационной поддержки органов исполнительной власти и руководителей сельскохозяйственных предприятий в части повышения экологической безопасности при использовании органических удобрений в сельском хозяйстве. Реализованный цифровой инструмент является наглядным примером применения информационных технологий для решения экологических задач в сельском хозяйстве. Разработанная программа позволяет накапливать статистические данные, обеспечивая постоянный мониторинг сельскохозяйственного производства, и на основании полученных данных осуществлять прогнозирование экологической устойчивости сельских территорий.
Дальнейшее применение данного цифрового инструмента в Ленинградской области позволит области занять лидирующую позицию в части внедрения современных цифровых интеллектуальных технологий для прогнозирования и планирования экологической устойчивости сельскохозяйственного производства. В дальнейшей перспективе разработанная система может быть масштабирована и для других, интенсивных по животноводству и птицеводству, регионов Российской Федерации. Координировать работу цифрового инструмента может Минсельхоз России. Созданный пилотный объект может стать основой для создания государственной систе-
мы мониторинга и управления побочными продуктами животноводства, которых в России только в виде навоза и помета образуется не менее 580 млн т в год. Программа позволяет определить индивидуальную (по хозяйствам) и общую (по району, области) потребность в хранилищах и площадках для компостирования с учетом требуемого объема, в технических средствах для подготовки, транспортировки и внесения органических удобрений (твердых и жидких), формируя тем самым аналитический блок для оценки сценариев технологического развития и принятия управленческих решений. Полученные в результате работы цифрового инструмента данные по мониторингу сельскохозяйственного производства Ленинградской области приняты за основу для подготовки плана модернизации отрасли животноводства в части подготовки и использования органических удобрений на основе навоза и помета.
Литература:
1. Nitrogen losses from dairy manure estimated through nitrogen mass balance and chemical markers / A. Hristov etc. // J. Environ. Qual. 2009. Vol. 38(6). P. 2438-2448.
2. Метод решения экологических проблем при обращении с навозом и помётом / Брюханов А.Ю. и др. // Молочнохозяйственный вестник. 2017. № 3. С. 84-96.
3. Методы решения экологических проблем в животноводстве и птицеводстве / Брюханов А.Ю. и др. // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2019. Т. 13. № 4. С. 32-37.
4. Иванов Ю.А. Результаты научных исследований по механизации и автоматизации животноводства // Техника и технологии в животноводстве. 2021. № 1. С. 4.
5. Приоритетные направления научно-технического развития отечественного тракторостроения / Лачуга Ю.Ф. и др. // Техника и оборудование для села. 2021. № 2(284). С. 2-7.
6. Иванов Ю.А., Миронов В.В. Экологические проблемы современного животноводства // Проблемы механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства. 2015. № 8. С. 9-13.
7. The Agricultural Innovation under Digitalization / Dubois M. ete. // Handbook of Research on Business Transformations in the Era of Digitalization. 2019. P. 276-303.
8. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов / Охтилев М.Ю. и др. М., 2006. 408 с.
9. Digital methods for agromonitoring and nutrient load management in the Russian part of the Baltic Sea catchment area / Briukhanov A. etc. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 578. P. 1-7.
млн руб.
Название Сценарий I Сценарий II
Капитальные затраты
Строительная часть 11273,6 16339
Оборудование 9689,4 6640
Итого 20963 22979
Эксплуатационные затраты
Влагопоглощающий материал 2106 580
Дизельное топливо 515,2 422,1
Зарплата и техобслуживание 2630 1412
Итого 5251,2 2414,1
10. Обзор состояния исследований задач автоматизированного проектирования интеллектуальных систем поддержки принятия решений при управлении сложными объектами на всех этапах жизненного цикла / Бахмут А. и др. // Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Самара, 2018. С. 307-313. Literatura:
1. Nitrogen losses from dairy manure estimated through nitrogen mass balance and chemical markers / A. Hristov etc. // J. Environ. Qual. 2009. Vol. 38(6). P. 2438-2448.
2. Metod resheniya ekologicheskih problem pri obrashc-henii s navozom i pomyotom / Bryuhanov A.YU. i dr. // Molochnohozyajstvennyj vestnik. 2017. № 3. S. 84-96.
3. Metody resheniya ekologicheskih problem v zhivotno-vodstve i pticevodstve / Bryuhanov A.YU. i dr. // Sel'sko-hozyajstvennye mashiny i tekhnologii. 2019. T. 13. № 4. S. 32-37.
4. Ivanov YU.A. Rezul'taty nauchnyh issledovanij po me-khanizacii i avtomatizacii zhivotnovodstva // Tekhnika i tekhnologii v zhivotnovodstve. 2021. № 1. S. 4.
5. Prioritetnye napravleniya nauchno-tekhnicheskogo raz-vitiya otechestvennogo traktorostroeniya / Lachuga YU.F.
i dr. // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2021. № 2 (284). S. 2-7.
6. Ivanov YU.A., Mironov V.V. Ekologicheskie proble-my sovremennogo zhivotnovodstva // Problemy mekha-nizacii agrohimicheskogo obsluzhivaniya sel'skogo ho-zyajstva. 2015. № 8. S. 9-13.
7. The Agricultural Innovation under Digitalization / Dubois M. ets. // Handbook of Research on Business Transformations in the Era of Digitalization. 2019. P. 276-303.
8. Intellektual'nye tekhnologii monitoringa i upravleniya strukturnoj dinamikoj slozhnyh tekhnicheskih ob"ektov / Ohtilev M.YU. i dr. M., 2006. 408 s.
9. Digital methods for agromonitoring and nutrient load management in the Russian part of the Baltic Sea catchment area / Briukhanov A. etc. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 578. P. 1-7.
10. Obzor sostoyaniya issledovanij zadach avtomatiziro-vannogo proektirovaniya intellektual'nyh sistem podder-zhki prinyatiya reshenij pri upravlenii slozhnymi ob"ekta-mi na vsekh etapah zhiznennogo cikla / Bahmut A. i dr. // Problemy upravleniya i modelirovaniya v slozhnyh siste-mah. Samara, 2018. S. 307-313.
AN INSTRUMENT FOR ENVIRONMENTAL STATE AND AGRICULTURAL PRODUCTION'S SUSTAINABLE
DEVELOPMENT MONITORING A.Y. Bryukhanov, doctor of technical sciences, RAS corr.-member E.V. Vasiliev, candidate of technical sciences E.V. Shalavina, candidate of technical sciences IAEP - a filial of FGBNY FNAC VIM M.Y. Okhtilev, doctor of technical sciences, professor AO"NIO CIT "Petrokometa"
V.N. Koromyslichenko, candidate of technical sciences OOO "CIT "Petroint"
Abstract. An example of digital technologies' successful application for livestock organic waste monitoring and management developing on the intelligent analytical software platform's basis is considered. The results of this approach for agroecological problems' solving are presented. The final result by an interactive program is presented allowing the livestock/poultry waste management's monitoring and organic fertilizers use coordinating, taking into account environmental-and-economical indicators. Research and the final result's obtaining was based on the following methodological approaches using: expert knowledge processing and the waste processing's optimal techno -logies algorithms formatting for organic fertilizers determine and use, web-server's user accessing, microservice technology for geoinformation resources' accessing. The interactive program the database maintaining, logistics organizing, a summary report (digital passport) generating, analytical data on material resources obtaining and technical equipping functions is implementing. This given pilot facility can become a state system for animal byproducts' monitoring and managing creation basis, that there in Russia only at least 580 million tons per year in manure and ding's kinds are formed. The information obtained as a result of this program allows to make plans for agricultural enterprises' technological and technical re-equipment in accordance with the environmental legislation's requirements and the NDTprospect's switching.
Keywords: environmental safety, digital and intelligent technologies, agriculture, organic fertilizers, program, plan of technological and technical re-equipment.
For citation: An instrument for environmental state and agricultural production's sustainable development monitoring / Bryukhanov A.Yu. et al. // Machinery and technologies in livestock. 2023. No. 1(49). p. 78-84. EDN UKCKMG
Заявленный вклад авторов: А.Ю. Брюханов - общий контроль, создание черновика рукописи и редактирование (раздел - заключение); Э.В. Васильев - методология, концептуализация, создание черновика рукописи и редактирование (раздел - материалы и методы); Е.В. Шалавина - проведение исследования, создание черновика рукописи и редактирование (разделы - введение, результаты исследования); М.Ю. Охтилев, В.Н. Коромысли-ченко - обзор литературы и редактирование. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
