CC BY
188
8. Устройство для обработки семян защитно-стимулирующими веществами: пат. на изобретение RUS 2250589 31.12.2003 / Г.Г. Маслов, А.Л. Мечкало, С.М. Борисова, Е.И. Трубилин, Ш.Н. Богус
9. Штанговый малообъемный опрыскиватель для обработки полевых культур: пат. на изобретение RUS 2060661 / Г.Г. Маслов, В.Н. Цыбулевский, А.Д. Таран., Н.И. Волошин.
E-mail: [email protected]
350044 г. Краснодар, ул. Калинина, д. 13, Кубанский ГАУ Тел.: (861) 221-59-42
УДК 631.171:004.896
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Е.В. Труфляк, д-р техн. наук, профессор ФГБОУВО «Кубанский ГАУ», Россия, г. Краснодар
В статье представлены элементы машинно-технологического обеспечения сельского хозяйства. Освещены краткие исторические сведения развития механизации и автоматизации сельского хозяйства. Приведены примеры современной многофункциональной посевной техники, новых моделей тракторов и зерноуборочных комбайнов. Рассмотрен современный дизайн сельскохозяйственных машин и представлен обзор роботизированных систем, используемых в сельском хозяйстве. Проанализированы причины отставания развития интеллектуальных технических средств в Российской Федерации.
Ключевые слова: точное земледелие, точное сельское хозяйство, робототехника.
Введение
Природные ресурсы являются основой жизни человека [1]. Современное развитие сельского хозяйства ориентировано более на рост производительности, чем на рациональное природопользование. Однако в настоящее время наступил такой период, когда целостный подход значительно предпочтительнее, поскольку в его рамках можно решать проблемы, связанные со сложностью пищевой цепи.
Население планеты постоянно растет (рисунок 1). Если в 2008 году было 6,5 млрд. человек, в 2011 -7 млрд., а по прогнозу к 2050 г. -9 млрд., к 2100 г. - 10 млрд.
Число людей в мире растет примерно на 70-80 млн. человек в год.
Никогда на планете еще не жило одновременно такое количество людей.
На основании прогнозов сельскохозяйственное производство к 2050 г. должно увеличиться на 70% [1].
Рисунок 1 - Рост населения в мире (миллиардов человек)
Материалы и методы
Анализ рынка сельскохозяйственной техники показывает, что, несмотря на высокую энерговооруженность сельского хозяйства высокоразвитых стран, идет активный процесс ее обновления, замены на более прогрессивную и производительную [2, 3, 4, 5, 6].
Производители сельскохозяйственной техники активно ведут работы по повышению качества и надежности техники, улучшению машинных технологий, более широкому внедрению почвозащитных технологий, защите окружающей среды и почв от неблагоприятных воздействий машин.
В настоящее время широкое применение в сельском хозяйстве находят электроника, агроинформа-тика, интеллектуальные, автоматизированные и роботизированные системы.
Вообще, начало автоматизации сельского хозяйства связано с промышленным производством электроники в 70-х годах XX века (таблица 1), а уже через пару десятков
лет распространение получило так называемое точное земледелие в Японии, США и Европейских странах. Оно было связано с использованием навигационной космической системы GPS для автоматического вождения техники и мониторинга урожайности.
Важнейшим принципом создания современной сельскохозяйственной техники является обеспечение ее высокой производительностью и качественным выполнением работ в оптимальные агротехнические сроки с высокой точностью и с минимальными затратами материально-технических средств.
В настоящее время достигнут высокий технико-технологический уровень при производстве сельскохозяйственной техники. Фирмы, производящие технику, постоянно совершенствуют ее, заметно расширили работу по созданию машин для новых прогрессивных, высокоэффективных, ресурсосберегающих технологий, внедрению точного сельского хозяйства.
Точное сельское хозяйство характеризуется повышением урожайности и качества сельхозпродукции, сокращением эксплуатационных расходов, повышением эффективности управленческих решений на основе анализа данных, улучшением условий труда, минимизацией экологического ущерба и затрат в результате точного внесения удобрений и пестицидов.
Таблица 1 - Краткие исторические сведения о развитии механизации и автоматизации сельского хозяйства
Год Событие
90-е годы XIX века Начало механизации сельского хозяйства
1917 г. Henry Ford & Son Corporation стали производить трактора типа Fordson
1924 г. На тракторах появился вал отбора мощности для привода сельхозмашин
1927 г. Стала применяться гидравлика на тракторах для подъема орудий
1932 г. Появились резиновые тракторные колеса
1938 г. Фирмой Massey Harris создан первый самоходный комбайн
70-е годы XX века Промышленное производство электроники
90-е годы XX века Начало применения точного земледелия (Япония, США, Европейские страны). Использование навигационной космической системы GPS для автоматического вождения техники и мониторинга урожайности
1996 г. Фирма John Deere предложила систему позиционирования DGPS с точностью 1-2 метра
2000 г. Точность позиционирования повысилась до 30 см
2004 г. Точность позиционирования составляла до 10 см
В последние годы точное сельское хозяйство распространилось и на динамично развивающееся животноводство: точное животноводство (Precision Livestock Farming) с его отраслями - точное молочное скотоводство (Precision Dairy Farming), точное свиноводство (Precision Pork Farming) и точное птицеводство (Precision Poultry Farming) (рисунок 2).
Повышение производительности труда с меньшими затратами, согласно [2], достигается за счет следующего:
- внедрение интенсивных и высоких технологий;
- широкое применение многофункциональных машин, выполняющих одновременно до девяти операций [7, 8];
- увеличение ширины захвата машин и орудий: плуги - до 17 корпусов, опрыскиватели - до 45 м, машины для внесения минеральных удобрений - до 36-50 м, жатки зерновые - до 12 м, свеклоуборочные комбайны - 9 рядков и др.;
- повышение грузоподъемности: машины для внесения органических удобрений - до 24 т, прицепы -30 т и более;
- увеличение вместимости бункеров у свеклоуборочных комбайнов - до 40 м , зерноуборочных -до 12 м и др.;
- применение новых рабочих органов (использование специальных конструкционных материалов, способов упрочнения, оригинальное конструктивное исполнение рабочих органов и др.) [9, 10, 11, 12, 13];
Рисунок 2 - Структура точного сельского хозяйства
- широкое применение электроники;
- рост мощностей двигателей: тракторов - до 453 кВт (616 л. с.), зерноуборочных комбайнов - до 431 кВт (586 л. с.), кормоуборочных - до 735 кВт (1000 л. с.).
Точное земледелие дает возможность обеспечить более тщательную обработку почвы, создать оптимальные условия для регулирования процессов в почве, проводить точный посев, использовать ультра-малообъемное опрыскивание [14], оптимизировать процесс уборки урожая, снижать затраты труда и количество вносимых удобрений и пестицидов, а также топлива и других материальных ресурсов.
Для этого создаются сельскохозяйственные машины, снабжен-
ные системами управления и контроля, которые дают возможность решать в положительной степени несколько проблем: качество продукции, послеуборочная очистка и сортировка зерна, повышение качества посевного материала, экономическая эффективность производства и защита окружающей среды [15]. Для создания комфортных и безопасных условий труда механизаторов совершенствуются кабины, органы управления и контроля режимов работы, улучшаются тепло- и шумоизоляции, обзорность, снижается вибрация в зоне оператора, соблюдаются требования эргономики.
Рассмотрим для примера кабину комбайна Lexion фирмы Claas, которая обеспечивает механизатору свободу движений и круговой обзор.
В кабине создаются хорошие условия для комбайнера благодаря наличию климат-контроля, низкому уровню шума и регулируемой в трех положениях рулевой колонки.
Пневмоподвеска с автоматическим контролем высоты комбайна Lexion 770 гасит до 40% колебаний и адаптируется к весу комбайнера.
Пневматическая двойная поясничная опора удерживает спину оператора в нужном положении. Подогрев сиденья оснащен автоматическим термостатом. Кожаное сиденье также может быть оборудовано пневмоподвеской, обогревом и вентиляцией.
В кабине комбайна имеется также полноценное кресло для помощника комбайнера со встроенным холодильником.
Система освещения комбайна Lexion 770 обеспечивает видимость всей рабочей зоны и компонентов машины в темное время суток.
Совершенствование претерпела и панель управления комбайна Lexion 770 [16].
Отечественный завод ООО «КЗ «Ростсельмаш» также провел усовершенствования по всему ассортименту своей техники [17]. На рынке представлены машины с новыми элементами дизайна и усовершенствованными техническими характеристиками.
Изменения затронули машины всех классов производительности -все зерноуборочные комбайны ООО «КЗ «Ростсельмаш» снабжаются новым улучшенным рабочим местом
(кроме моделей Acros 550, Vector и Niva).
Электроника в сельскохозяйственных машинах выполняет не только чисто информационные функции, но и является средством управления работой как узлов и систем машин, так и всего машинно-тракторного парка.
Усовершенствования в области электроники, сенсорной техники и программного обеспечения определяют характер сельскохозяйственных технических инноваций и ведут к расширению автоматизации рабочих процессов в растениеводстве с целью организации более эффективной, качественной, точной, экологичной и экономичной работы.
Появление электроники позволило создавать мобильную технику, которой можно управлять на расстоянии и работающую по заданным программам.
В последние годы появилось новое направление развития технических средств - фитотехнология, которое заключается в создании «умных» машин, работающих дистанционно автоматически по заданным программам в конкретном месте и в конкретное время [3].
Фитотехнология ставит целью повысить эффективность применяемой техники, создавая связь растений с машиной. Иными словами, создаются роботы или роботоплат-формы, управляемые дистанционно.
Такие страны как США, Германия, Голландия, Швеция и другие, в которых автоматизация и механи-
зация сельского хозяйства широко используется, начинают частично переходить к автоматизированному сельскохозяйственному производству без участия человека.
Основной рабочей силой на таком производстве будет робот, который может быть как мобильным, так и стационарным [18, 19]. Внедрение роботов позволит существенно повысить продуктивность и рентабельность сельского хозяйства - уменьшить себестоимость продукции, что особенно актуально на сегодняшний день, когда стоимость продовольствия с каждым годом возрастает.
Применение робототехники позволяет заменить человека при тяжелых, монотонных операциях, при этом сокращаются потери рабочего времени, связанные с человеческим фактором.
Зарубежные фирмы применяют новые технологии, которые используются также и при производстве сельскохозяйственной техники. Так, например, на заводе фирмы Ьешкеп (Германия) трудоемкая и опасная технологическая операция шлифования отвалов плуга была заменена роботизированной системой, которая выполняет самостоятельно всю технологическую цепочку без участия человека.
Роботы могут заменить не только человека, но и сельскохозяйственные машины, которыми управляет человек.
Рассмотрим примеры использования роботизированной техники, используемой в сельском хозяйстве.
Фирмой Amazone после успешного исследовательского проекта робота BoniRob продолжается разработка двух новых проектов.
Полевой робот BoniRob имеет самостоятельную систему навигации - на небольших опытных растениеводческих полях он может не только определять GPS-координаты отдельных растений, но и составлять карты по проделанной работе, подготавливая необходимую документацию, значительно ускоряя труд растениеводов, создавая большую статистическую базу.
Группой датских ученых-агрономов спроектирован робот HortiBot, оснащенный компьютером и GPS-модулем, предназначенный для прополки сорняков. Причем участие человека сведено только к перемещению робота на другой участок и запуску нужной программы.
Робот-фермер Prospero способен определять необходимое место посева, вырывать лунку для семян и сеять их. В конструкции робота также предусмотрена возможность для внесения удобрений.
Интересным представляется разработка Ханнеса Зееберга, сконструировавшего полностью программируемого робота RoboTrac, который предназначен для обработки почвы, посева, опрыскивания и удаления сорняков.
Избирательная система автономного опрыскивания может сни-
зить использование пестицидов до 80%.
Одной из сложностей при уборке урожая овощных культур является то, что нет двух одинаковых плодов - каждый имеет свою уникальную форму, размер и цвет. Освещение, которое изменяется в течение дня и ночи, способствует тому, что каждый фрукт или овощ выглядит в разных условиях по-разному. Многие зеленые овощи, например зеленая фасоль, выглядят так же, как кусты, на которых они растут.
Для того чтобы понять организацию в рамках визуального беспорядка сельскохозяйственных растений, ученые работают над интеллектуальными системами зондирования. Мультиспектральные камеры, которые анализируют длину волн света, отражающегося от объектов, могут быть использованы для нахождения закономерности, которая позволяет роботу понять, что он видит.
Робот собирает урожай, после того как происходит его идентификация.
Французский робот бургундского изобретателя Кристофа Мил-лота Wall-Ye V.I.N. с четырьмя колесами, двумя руками и шестью камерами, способен обрезать до 600 виноградных лоз в день. Робот выполняет обрезку и удаление молодых побегов, а также сохранение и накапливание данных о состоянии почвы, плодов и лозы.
Робот Wall-Ye 1000 mobile (Франция) также обеспечивает автономную обрезку виноградников.
Компания из Сан-Диего Vision Robotics занимается разработкой роботов, работающих в паре, которые собирают фрукты с деревьев. Первый робот сканирует деревья и создает объемную карту местоположения и размера каждого фрукта, вычисляя наилучший порядок, в котором можно убрать фрукт. Второй -содержит специальные захватывающие элементы, способные убирать плоды без их травмирования. Первый робот сканирует и отправляет информацию второму, который убирает плоды.
Роботизированная платформа для прополки грядок ecoRobotix (Швейцария) работает на основе передовых алгоритмов распознавания сорняков, имеет роботизированные руки, передовые сенсорные технологии, беспроводную связь.
Система для взятия почвенных образцов AutoProbe компании Agrobotics (США) представляет собой буксируемый механизм, который обеспечивает последовательное, точное и цельное взятие образцов почвы.
Система NewGuideConnect -разработка, делающая возможным совместное использование двух тракторов, один из которых работает без тракториста (компания AGCO Fendt, США).
Производство и использование систем точного земледелия в России пока находится на достаточно низком уровне. Это прежде всего связано с дополнительными затратами,
среди которых можно выделить следующие:
- затраты на сбор данных (карты, глобальные системы позиционирования (ГСП), сенсоры);
- затраты на менеджмент данных (техника и программное обеспечение);
- затраты на специальную технику для точного выполнения агро-приемов и навигацию (ГСП-управляемые машины и оборудование для дифференцированной обработки почвы, посева, внесения удобрений, средств защиты растений и др.).
Выводы
Проведя краткий обзор интеллектуальных технических средств, использующихся в сельском хозяйстве, можно отметить, что за рубежом активно ведется разработка роботизированных систем. Россия, обладающая значительными сельскохозяйственными площадями, не должна отставать в этом вопросе от ведущих мировых держав.
Выделим основные причины отставания развития интеллектуальных технических средств АПК Российской Федерации.
Прежде всего, отечественная промышленность практически не занимается производством роботизированных систем, машин, механизмов, электрооборудования и приборов для применения точного земледелия.
Первоначальные затраты на новые технологии далеко не всем хозяйствам и фермерам в финансовом плане доступны.
Существует недостаток квалифицированных специалистов по точному земледелию, так как учебные заведения практически не готовят их. Во многих учебных заведениях отсутствует необходимое оборудование для проведения занятий.
В целом отсутствует программа и координация по развитию точного земледелия в стране.
Однако, анализируя данные федеральной службы государственной статистики [20], с 2000 года можно заметить тенденцию роста использования передовых производственных технологий, в том числе и в сельском хозяйстве (рисунок 3).
Также заметен небольшой рост и разработанных передовых производственных технологий в Российской Федерации (рисунок 4).
Однако на представленный вопрос есть и другое мнение - новые технологии с точки зрения энергетических затрат окажутся тупиковой ветвью развития сельского хозяйства [21].
Рассматривая системно процесс создания, развития, внедрения и использования новых технологий с точки зрения затрат, то сегодня на производство продовольствия тратится гораздо больше энергии, чем мы получаем взамен.
Рисунок 3 - Используемые передовые производственные технологии в целом по Российской Федерации
Рисунок 4 - Разработанные передовые производственные технологии в целом по Российской Федерации
Традиционное сельское хозяйство с этой точки зрения значительно выигрышней.
Если экстенсивное сельское хозяйство затрачивало 1 килокалорию энергии, чтобы произвести от 5 до 10 килокалорий энергии, заключенной в продукте питания, то сего-
дня затрачивается 10 и более (до 500) килокалорий энергии, чтобы произвести 1 килокалорию продовольствия [22].
Однако остановить прогресс уже невозможно и, несмотря на большие затраты, человечество готово мириться с этим.
Список литературы
1. Труфляк Е.В. Точное земледелие: учеб. пособие / Е. В. Труфляк, Е. И. Трубилин; Кубан. гос. агр. ун-т. - Краснодар, 2015. - 383 с.
2. Черноиванов В.И. Мировые тенденции машинно-технологического обеспечения интеллектуального сельского хозяйства: науч. изд./ В.И. Черноиванов, А.А. Ежевский, В.Ф. Фе-доренко. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2012. - 284 с.
3. Рунов Б.А. Основы технологии точного земледелия. Зарубежный и отечественный опыт / Б.А. Рунов, Н.В. Пильникова. . - 2-е изд., исправ. и доп. - СПб.: АФИ, 2012. - 120 с.
4. Точное сельское хозяйство (Precision Agriculture): учеб.-практ. пособие / под ред. Д. Шпаара, А. В. Захаренко, В. П. Якушева. -СПб.- Пушкин, 2009. - 397 с.
5. Щеголихина Т.А. Современные технологии и оборудование для систем точного земледелия: науч.-аналит. обзор / Т.А. Щеголихина, В.Я. Гольтяпин. - М.: ФГБНУ «Росинформаг-ротех», 2014. - 80 с.
6. Юдина Е.М. Перспективы создания отечественных комбинированных агрегатов для обработки почвы / Е.М. Юдина, М.О. Юдин, И.А. Журий // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. 2015. - № 1. - С. 46-50.
7. Юдина Е.М. Комбинированный агрегат / Е.М. Юдина, Л.В. Холявко, И.А. Журий // Перспективы развития науки и образования: сб. науч. тр. по материалам Международной науч.-практ. конф.: в 8 частях. Ч. IV. - М.: ООО "АР-Консалт", 2015. - С. 147-149.
8. Маслов Г. Многофункциональный уборочный агрегат / Г. Маслов, А. Палапин, Н. Ринас // Международный сельскохозяйственный журнал. - 2014. - № 1-2. - С. 16-19.
9. Влияние прочности компонентов электрохимических композитов на их износостойкость / Г.В. Гурьянов, Ю.Е. Кисель, Е.М. Юдина и др. // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2013. -№43. - С.303-306
10. Трубилин Е.И. Альтернативный режущий аппарат механических косилок / Е.И. Труби-
E-mail: [email protected]
350044 г. Краснодар, ул. Калинина, д.
Тел.: (8918)-481-94-46
лин, И.С. Труфляк, Е.В. Труфляк // Техника и оборудование для села. - 2012. - № 2. - С. 10.
11. Труфляк Е.В. Ресурсосберегающие процессы уборки кукурузы на основе новых конструктивно-технологических решений: дисс. ... д-ра техн. наук / Е.В. Труфляк. - Краснодар, 2011.
12. Труфляк Е.В. Механико-технологическое обоснование повышения производительности кукурузоуборочных машин: монография / Е.В. Труфляк. - Краснодар: КубГАУ, 2009. - 501 с.
13. Сеялка для рядкового высева семян: пат. 2530497 Рос. Федерация: МПК7А 01 С 7/00 / Е.В. Труфляк, Д.С. Яркин, С.С. Яркин; заявитель и патентообладатель Кубанский ГАУ. -№2013119350/13; заявл. 25.04.2013; опубл. 10.10.2014, Бюл. №28.
14. Таран А.Д. Преимущества ультрамалообъ-емных опрыскивателей / А.Д. Таран // Сельский механизатор. - 2014. - № 8 (66). - С. 10.
15. Припоров Е.В. Эффективная очистка семян подсолнечника / Е.В. Припоров, В.Д. Шафоростов, И.Е. Припоров // Сельский механизатор. - 2014. - № 1 (59). - С. 15.
16. Труфляк Е.В. Современные зерноуборочные комбайны: учеб. пособие / Е.В. Труфляк, Е.И. Трубилин. - Краснодар: КубГАУ, 2013. -320 с.
17. ООО КЗ «Ростсельмаш» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rostselmash.com, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.
18. Шаныгин С.В. Роботы, как средство механизации сельского хозяйства / С.В. Шаныгин // Известия высших учебных заведений. -2013. - № 3. - С. 39-42.
19. Робототехника [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.robo-hunter.com, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.
20. Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gks.ru, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.
21. ЗАО «Газета.Ру» [Электронный ресурс]. -Режим доступа
http://www.gazeta.ru/science/2012/04/28_a_4566 861^т1, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус
13, Кубанский ГАУ
