CC BY
4в
№ 3(19), 2015
Экономика
229
УДК 638.145.42
Трошков А. М. , Токарева Г. В. Troshkov A. M., Tokareva G. V.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПЧЕЛАМИ -РАЗВЕДЧИКАМИ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ
RESEARCH ON THE POSSIBILITY OF SCOUT BEES CONTROL BASED ON INFORMATION TECHNOLOGIES AND PHYSICAL LAWS
В статье представлено исследование возможности управления пчелами-разведчиками магнитным полем, основанных на законах Фарадея и Лоренца. Учитывая современное состояние микропроцессорной техники и информационных технологий техническое решение исследовательского проекта вполне допустимо, а схемотехническое устройство работоспособно. Исследование по модели управляемости пчелами и предварительный расчет показали о сокращении времени мониторирования участков местности и эффективности динамики медоносных продуктов.
Ключевые слова: биометрическая конфигурационная обработка, биологический организм, пчелы-санитары, пчелы-разведчики, клетка Фарадея, закон Лоренса, программная платформа.
The article presents the research on the possibility of scout bees control using magnetic field based on Faraday's and Lorentz's laws. Taking into account the modern condition of microprocessor engineering and information technologies the technical solution for the research project is quite justifiable and schematic-based device is efficient. Research on bees control model and preliminary calculation revealed reduction of time spent for land parcel monitoring and efficiency of honey products dynamics.
Key words: biometric configuration processing, living organism, nurse bees, scout bees, Faraday cage, Lorentz's law, software platform.
Трошков Александр Михайлович -
кандидат технических наук, доцент кафедры информационных систем
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8(8652) 24-04-88
E-mail: a_troshkov@mail.ru
Токарева Галина Викторовна -
кандидат экономических наук, доцент кафедры
экономической теории и прикладной экономики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Te л.: 8(8652) 35-64-40
E-mail: tokarewagalia@yandex.ru
Troshkov Alexander Mikhailovich -
Ph. D. in Technical Sciences, Docent of Department
of Information Systems
Stavropol State Agrarian University
Stavropol
Tel.: 8(8652) 24-04-88 E-mail: a_troshkov@mail.ru
Tokareva Galina Viktorovna -
Ph.D. in Economics, Docent of the Department of economic theory and applied economics Stavropol State Agrarian University Stavropol
Tel.: 8(8652) 35-64-40 E-mail: tokarewagalia@yandex.ru
Каждая пчела в облаке функционирования пчелосемьи четко выполняет только свои определенные обязанности. Пчелы-разведчики ищут новые источники пищи. Пчелы-солдаты, которых ученые обнаружили только в 2012 году, работают в качестве охранников всю свою жизнь. Также есть и пчелы-санитары, отвечающие за очищение улья от мертвых пчел. Но существуют и самые удивительные особи, которые могут менять свои рабочие места на протяжении своей жизни. При этом происходят химические изменения в их мозге. Строение пчелы сложный биологический организм, который в модели можно представить как системное специализированное устройство, рисунок 1.
Рисунок 1 - Строение пчелы - системное специализированное устройство
Медоносные пчелы способны распознавать биометрические параметры черты лица людей. Они видят все очертания лица: брови,
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
губы и уши. Это называется «биометрическая конфигурационная обработка», которая помогает специалистам информационных технологий улучшить технологию распознавания лица. Пчелы используют солнце в качестве компаса. Но когда облачно, то они ориентируются по поляризованному свету, используя специальные фоторецепторы, чтобы различить, где находится солнце в небе. Человечество научилось использовать подобную систему: в солнечные дни их навигация работала при помощи солнечных часов, но при пасмурной погоде «солнечные камни» (куски кальцита), которые действуют по принципу фотоаппарата Polaroid, помогали им не сбиться с курса. Пчелы имеют логистические маршруты передвижения, причем исследования показали от цветка к цветку они движутся по кратчайшему маршруту. Математики называют это «задача коммивояжера» и при решении таких логистических задач применяют компьютер и специализированное программное обеспечение. Такие механизмы принятия решений нейронными сетями мозга и коллективами общественных животных во многом сходны. В обоих случаях происходит нечто вроде «балансового анализа», исход которого зависит от равновесия сил между группами возбудимых объектов (нейронов или особей), получающих разную информацию из окружающей среды и голосующих за одно из нескольких возможных решений. Анализ научных результатов показывает, что ключевая особенность нейронных сетей, способных принимать решения, - на взаимное торможение - характерна и для пчелиного облака, выбирающего место для кормления и поселения. Пчелы-разведчики не только танцуют, приглашая рой лететь в облюбованное ими место, но и при помощи специальных сигналов «убеждают» оппонентов (разведчиков, агитирующих за другое решение) прекратить свой «танец». Взаимное торможение (стоп-сигнал) повышает надежность системы принятия решений, помогая рою избежать ошибочных маршрутов. Стоп-сигнал состоит в том, что пчела тыкается головой в танцующую разведчицу и очень быстро (с частотой около 350 Гц) вибрирует крылышками в течение 150-200 мс, издавая характерное резкое жужжание, которое можно засекать с применением селекторного устройства. Разведчица, получившая стоп-сигнал, обычно не прекращает танец немедленно, но ожидаемая продолжительность танца снижается по мере роста числа полученных стоп-сигналов. При помощи математического моделирования рассчитано, что взаимное торможение радикально снижает вероятность того, что пчелы «зависнут» между двумя равноценными альтернативами и не сможет прийти ни к какому решению. Устойчивое равновесие сил между пчелами-разведчиками, в модели возникает, только в том случае, если пчелы в ходе информационного магнитного сигнала подают стоп-сигналы другим разведчицам. Взаимные информационные «раз-
ногласия» обеспечивают достижение баланса. Если альтернативы абсолютно равноценны, то решение в итоге принимается случайным образом. Сходство механизмов принятия решений пчелосемьей и нейронными сетями мозга очевидно в ходе исполнения алгоритма взаимного обмена сигнальными конструкциями. Система алгоритмизации мозга, сделанного из нейронов, и биологического организма - пчелосемья, объясняется тем, что в ходе эволюции обе системы были оптимизированы отбором для надежного и эффективного принятия оптимальных решений. Существенную роль в информационном общении играет механизм генерации пчелами электрических полей и это связано со свойствами покрова их тела заряжаться электрическим зарядом и нести его на себе. Этому способствуют многочисленные волоски, которыми густо покрыто тело пчелы. В условиях замкнутого пространства улья заряженные пчелы образуют электрическую оболочку, которая надежно экранирует защищенное ею пространство («клетка Фарадея»). Пчелы широко используют свой заряд при сборе пыльцы, выборе маршрутов полетов и для вентиляции улья, образовав цепочку, определяемую суммарным зарядом всех пчел. Пчелы-разведчицы почти всегда «танцуют» в глубине улья, где достаточно темно и их коллеги вряд ли могут разглядеть все движения, исходя из этого можно сделать вывод о передачи информации с помощью электрических полей /сигналов/. Принцип работы «клетки Фарадея» очень простой - при попадании замкнутой электропроводящей оболочки в электрическое поле свободные электроны оболочки начинают двигаться под воздействием этого поля. В результате противоположные стороны клетки приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле. «Клетка Фарадея» защищает только от электрического поля, а статическое магнитное поле будет проникать внутрь. Таким образом, этот эффект можно проектировать в устройствах управления пчелой с основной величиной Е - электрического поля.
nF К:
(1)
где F- число Фарадея.
Проектируя систему управления пчелой и используя эффект «Клетки Фарадея», с физической точки зрения можно в качестве дополнительной величины применить закон Лоренца. Сила Лоренца - сила, с которой электромагнитное поле согласно классической (неквантовой) электродинамике действует на точечную заряженную частицу. Иногда силой Лоренца называют силу Д действующую на движущийся со скоростью V заряд q лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу - со стороны электромагнитного
к
:№ 3(19), 2015
Экономика
231
поля вообще, иначе говоря, со стороны электрического Е и магнитного В полей. В Международной системе единиц (СИ) Г выражается как:
Б = д (Е + [V х В], Если электрический заряд пчелы выразить через д, то вполне допустимо воздействие, а значит и управление зарядом. Если рассматривать заряд пчелы как частный случай, то для непрерывного распределения заряда, сила Лоренца принимает вид:
сШ = ф (Е + V х В), (3)
где (Б - сила, действующая на маленький элемент (д.
Принимая во внимание, что сила Лоренца перпендикулярна скорости и поэтому она не совершает работы, не изменяет модуль скорости заряда и его кинетической энергии, но направление движения изменяется, что необходимо применить как воздействие на заряд пчелы.
нее разведанные медоносные растения или опыляемые плодоводческие культуры. Расчет направления на медоносные участки предлагается производить с помощью программной платформы, рисунок 3.
Рисунок 3 - Образец расчета параметров для принятия решения о движении в сторону медоносных и опылительных участков
Полная сила, которая действует на пчелу, слагается из электрической и магнитной сил: = дЕ^ + дс (4)
где В^ - вектор, указанного направления,
- заряд тела пчелы,
- вектор электрического поля.
дЕ -
Расчет электрического поля, который будет воздействовать на заряд пчелы, предлагается производить по формуле: Я
(5)
Е =
4 П£
где
до пчелы
в магнитном
Рисунок 2 - Действие силы Лоренца
Если левую руку пчеловод располагает так (рисунок 2), чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная движению заряда (заряд пчелы), входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца Р л. Таким образом в проекте предлагается направлять ориентацию летка улья или мобильный леток на зара-
г - расстояние поле,
д - заряд тела пчелы,
80 - постоянная величина равная 8,85*10 -12.
Зная величину Е - практически можно регулировать магнитный поток с помощью переменной катушки. Исследования и теоретические расчеты показывают, что воздействие на пчел-разведчиков предлагается проводить разово, лучше на рассвете, а коррекцию осуществлять по мере необходимости с компасом при смене медоносов кратковременно, рисунок 4.
Рисунок 4 - Порядок определения направления движения пчелы
Предложенный расчет направления дви- менением мобильных телефонов имеющих жения пчел осуществляется с автоматизиро- возможность устанавливать информационные ванного рабочего места-пчеловода, и с при- приложения, по алгоритму программы.
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
Литература
1. Seeley Thomas D., Visscher Kirk P., Schlegel Thomas, Hogan Patrick M., Franks Nigel R., Marshall James A. R. Stop signals provide cross inhibition in collective decision-making by honeybee swarms // Science. 2012. V. 335. P. 108-111.
2. Теоретическая модель определения направления полёта пчёлами для мониторинга медоносности с/х культур и управления процессом передачи информации в пчелосемью / А. М. Трошков, В. П. Герасимов, В. И. Сапожников, О. Н. Кусаки-на // Вестник АПК Ставрополья. 2014. № 3 (15). С. 45-51.
3. Тепловизорная визуализационная диагностика функционирования особей пчелосемьи / А. М. Трошков, В. И. Сапожников, В. В. Дальвадянц, Д. С. Фити-сов // Современные тенденции в сельском хозяйстве: сб. тр. II Междунар. науч. Интернет-конф. Казань: ИП Синяев Дмитрий Николаевич, 2013. С. 80-83.
4. Трошков А. М., Авилова М. К., Буланова Т. Н. Тепловизорная визуализационная диагностика функционирования особей пчелосемьи / Информационные системы и технологии как фактор развития экономики региона : сб. тр. науч. конф. Ставрополь, 2013. С. 148-150.
5. Трошков А. М., Богданова С. В. Повышение эффективности работы пчел регуляцией микроклимата улья // Научная жизнь. 2012. № 4. С. 6-10.
6. Трошков А. М., Богданова С. В., Ермакова А. Н. Информационные технологии в управлении функционированием биологического организма - пчелиная семья // Вестник АПК Ставрополья. 2014. № 3 (15). С. 40-44.
References
1. Seeley Thomas D., Visscher Kirk P., Schlegel Thomas, Hogan Patrick M., Franks Nigel R., Marshall James A. R. Stop signals provide cross inhibition in collective decisionmaking by honeybee swarms // Science.
2012. V. 335. P. 108-111.
2. Theoretical model of flight direction finding by bees for monitoring nectar bearing capacity of agricultural crops and managing the process of information transfer to a bee colony/ A. M. Troshkov, V. P. Gerasimov, V. I. Sapozhnikov, O. N. Kusakina // Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2014. № 3 (15). P. 45-51.
3. Infrared imaging diagnostics of bee colony members functioning / A. M. Troshkov, V. I. Sapozhnikov, V. V. Dalvadyants, D. S. Fitisov // Modern trends in agriculture: proceedings of the III nternational scientific onlineconference. Kazan: Private entrepreneur Sinyaev Dmitrii Nikolaevich, 2013.P.80-83.
4. Troshkov A. M., Avilova M. K., Bulanova T. N. Rared imaging diagnostics of bee colony members functioning / Information systems and technologies as a factor of regional economy development : proceedings of Scientific conference. Stavropol,
2013.P.148-150.
5. Troshkov A. M., Bogdanova S. V. Increasing efficiency of bees operation by beehive microclimate regulation// Scientific life. 2012.№4.P.6-10.
6. Troshkov A. M., Bogdanova S. V., Ermakova A. N. Information technology in management of living organism functioning- bee colony // Agricultural Bulletin of Stavropol Region.
2014.№3(15).P.40-44.
