CC BY
5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Т, МИН
• Температура воды Температура поверхности установки
■■^"Температура воздуха
Рис. 3 - Результаты опыта № 1
Тем не менее заданные условия не помешали нагреть воду за час на 11,4°С.
Выводы. Полученные результаты подтверждают возможность нагрева воды за счёт теплоты, производимой животными. Использование данного ресурса позволит сэкономить затраты на электрическую энергию не снижая производительности и не увеличивая себестоимость производства продукции.
Для нормальной производительности и жизнедеятельности крупного рогатого скота необходимо поддерживать оптимальную температуру [6—9]. Считается, что оптимальная температура находится в диапазоне +5... + 15°С. Повышение температуры вызывает ухудшение качества молока [10].
Устройство может выступить как охладитель воздуха в животноводческом помещении, при избыточном тепловыделении, не влияя негативным образом на микроклимат.
Литература
1. Нурминский И.Н. Применение подогрева и циркуляции воды в установках для поения скота посредством автопоилок: дис. ... канд. техн. наук. Улан-Уде, 1975.
2. Радько В.А., Крашенникова Т.И. Влияние температуры (питьевой) воды на продуктивность животных // Научно-
Т, мин
• Температура воды Температура поверхности установки
■■^^Температура воздуха
Рис. 4 - Результаты опыта №2
технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства. 1979. № 3. С. 19-22.
3. Орищенко И.В. Обоснование параметров и режимов работы групповой автопоилки для крупного рогатого скота: дис. ... канд. техн. наук. Зерноград, 2012.
4. Дулепова Ю.М. Обоснование возможности применения нового энергосберегающего устройства для нагрева воды // Вестник НГИЭИ. 2017. № 6 (73). С. 61-68.
5. Макарова Ю.М., Маслова А.А., Осокин В.Л. Оптимизация потребления электрической энергии сельскохозяйственными предприятиями путем внедрения новых устройств водопод-готовки // Устойчивое развитие АПК регионов: ситуация и перспективы: сб. науч. труд. по матер. междунар. науч.-практич. конф. 2-4 июня 2015 г. В 2 т. Тверь: ТГСХА, 2015. С. 172-174.
6. Понизовкин Д.А. Обоснование параметров устройства местной вентиляции коровника для тёплого времени года: дис. ... канд. техн. наук. М., 2015.
7. Гудкин А.Ф. Влияние воздушного режима на продуктивные качества животных // Современные вопросы интенсификации кормления, содержания животных и улучшения качества продуктов животноводства: матер. конф., посвящ. 80-летию МВА им. К.И. Скрябина. М., 1999. С. 127-129.
8. Зайцев A.M., Жильцов В.И., Шавров А.В. Микроклимат животноводческих комплексов. М.: Агропромиздат, 1986. 192 с.
9. О связи температуры, влажности, подвижности воздуха с продуктивностью и морфобиохимическими показателями крови телок / В.К. Никодимов [и др.]// Рациональные системы энерго- и теплоснабжения микроклимата и использование лучистой энергии на животноводческих фермах и комплексах. Новосибирск: Сиб. отд. ВАСХНИЛ, 1981. С. 98-101.
10. Голосов И.М. Микроклимат животноводческих ферм. Л.: Лениздат, 1974. 120 с.
Математическая модель исследования и повышения функциональной надёжности операторов биотехнических систем в животноводстве
Е.М. Асманкин, д.т.н., профессор, Ю.А. Ушаков, д.т.н, профессор, В.А. Ротова, к.т.н, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
В последнее время большое внимание уделяется системному подходу изучения надёжности биотехнических систем, где основным звеном является человек-оператор: оператор машинного доения, стригаль, чесальщик пуха коз, техник-осеменатор и т.д. [1—9]. Основное направление этих работ сводится к определению функционально -программной, временной и параметрической надёжности, позволяющей выполнять предписанные
алгоритмы в соответствии с программой, своевременно и с требуемой точностью [4, 5].
Однако вопросу психофизиологического состояния человека как неотъемлемой части оценки его рабочей деятельности, определяющей качество функционирования системы «человек — машина — животное», практически не уделялось внимание.
Материал и методы исследования. Известен метод определения психофизиологического состояния операторов сложных систем «человек — машина» по согласованности потока Ем информации, по-
ступающих средств предъявления информации с потоком РЧ информации, воспринимаемой, перерабатываемой и реализуемой оператором.
р > р + р + р (1) 1 Ч — 1 М ^ 1 Р ^ 1 п
где ¥Р — объём речевой информации, бит;
Рп — объём письменной информации, бит.
При РЧ < РМ + рр + Рп человек допускает ошибки (пропуски сигналов, их искажение, задержка в передаче информации) или наблюдается отказ от решения текущей задачи.
Используемые в этом случае для описания качества деятельности операторов, приведённые критерии своевременности РРв, точности могут характеризовать состояние исполнителя -наблюдателя, управленца, статиста.
В связи с этим для оценки психофизиологического состояния операторов, трудовая деятельность которых связана с расходом физической энергии, необходима методика, связывающая в первую очередь контроль действия сердечно-сосудистой системы, сенсорно-моторных характеристик и органов физиологического обмена (дыхания, потовыделения).
Ведущая характеристика физиологического состояния, состояние и качество регулирования сердечно-сосудистой системы могут быть определены по частоте пульса, величине давления Рсист и Рдист, а также по данным электрокардиологических исследований электрической активности сердца (последовательных периодов Т между зубцами Я —Я, совокупности зубцов Р—О—Я—Т).
Гистографический показатель психофизиологической надёжности человека-оператора НГЛН, отображающий средний уровень функционального состояния и характеризующий его эмоциональную напряжённость, может быть определён по выражению [3—6]:
/V /V /V
где г — интервалы Я—Я длины I, г =1...п; I I — длины участков ЭКГ, мм; V — скорость протяжки ленты электрокардиографа, мм/с;
Ы= г1 + г2+...+гп — общее число интервалов. В условиях дефицита времени изменение функционального состояния человека-оператора, как нестандартный случайный процесс, может быть охарактеризовано модифицированной функцией сердечного ритма:
п
Е/&)- «с- «1 ч ]2
р (« а1) = , (3)
0 1 )
где а0, а1 — числовые значения модифицированной функции сердечного ритма, вычисляются по соответствующим методикам для каждого режима деятельности г, (г = 1,2,..., Ы);
а0 — начальный уровень функционального состояния;
а1 — конечный уровень функционального состояния на -м режиме деятельности, к <г< Ы;
1к — продолжительность к-го режима деятельности;
1п — номинальный период следования подсчитанных импульсов; п — число подсчитанных импульсов.
В физическом смысле функция Р(а0, а1) выражает напряжённость оператора, сопровождающую его рабочую деятельность.
Сенсомоторные характеристики в процессе работы операторов рассматриваемых процессов будут исследоваться с помощью разработанных эргографов, адаптированных к конкретной трудовой деятельности исполнителей, с учётом специфики труда, техническая новизна которых защищена патентами на изобретение и проходящих лабораторные испытания.
Результаты исследования. В настоящее время создан экспериментальный образец прибора для снятия показателей трудовой деятельности чесальщика пуха коз и стригаля овец. Научно обоснован, разработан и создан прибор для определения физиологического состояния и расхода физической энергии исполнителя по уровню потоотделения.
Этот прибор включает в себя электронные датчики контроля числа движений и их продолжительности, скоростных и силовых характеристик развиваемых рукой исполнителя, температуры кожного покрова, пульсометр для оперативного контроля числа сердечных сокращений и артериального давления, характер ритмично напрягаемых и расслабляемых основных групп мышц (статической и динамической мышечной работы).
Полученные в результате экспериментальных исследований данные будут использованы при определении обобщённого показателя физиологической напряжённости операторов биотехнических систем в животноводстве и в качестве рекомендаций по прогнозированию и повышению их функциональной надёжности, как обобщенного показателя качества работы [7—9].
Интегральный показатель качества работы человека-оператора, учитывающий его психофизиологическое состояние, может быть представлен в виде:
Е ) • К>*) Е \_МТг) + ) ] • К<п)
П* = —-+ -, (4)
к1 к2
где к1 — число основных параметров, определяющих точность выдерживания режима в фиксируемых точках;
к2 — число заданных основных параметров, определяющих характеристики данного режима;
х(и) — моментные отклонения основных параметров исследуемого процесса (трудовой деятельности) исполнителя в конкретных регистрируемых точках;
М(АЛ2), с(тъ) — статические показатели, характеризующие средние отклонения параметров от заданных значений и их вариантность; К(П1), К(Л2) — весовые коэффициенты, соответствующие заданным функционально-временным и параметрическим показателям трудовой деятельности человека-оператора; (П1), (П2) — индексы, отражающие соответствие (принадлежность) входящих в выражение параметров к временным и параметрическим (точностным) характеристикам трудовой деятельности исполнителя соответственно.
При использовании данного выражения для сравнительной оценки функционально-программной надёжности человека-оператора, т.е. при выполнении тех же операций, но в других организационно-технологических условиях, вводится третий показатель к3, что существенно усложняет методику расчёта и требует разработки специальной математической модели и программы.
При проведении производственного эксперимента возникает вопрос об отборе исследуемых объектов (животных) в таком количестве, которое обеспечивало бы достоверность полученных результатов. Рассматривать всё поголовье является нецелесообразным, достаточно ограничиться выборкой, по результатам эксперимента над которой можно было бы достоверно судить обо всём поголовье. Для того чтобы выбранная группа животных как можно полнее отображала характеристики всего стада, она должна быть достаточно представительной или репрезентативной [6]. Репрезентативность выборки достигается случайным отбором особей из стада, что обеспечивает равную возможность для всех животных попасть в состав выборки.
Аналитическая зависимость (функция роста) между ростом исследуемого показателя и временным рядом данных описывается уравнением логистического роста [4, 5]:
Ш - Ж0ец', (5)
где Ж — сухая масса вещества (г);
Ж0 — исходное значение сухой массы вещества (г) в момент времени I=0; ? — время (мес.);
ц — параметр, определяющий темп роста.
По виду данной зависимости можно судить, что имеет место экспоненциальный рост с начальным темпом, равным ц.
Отклонение темпа роста может быть представлено как сумма п элементарных отклонений:
Ц „ =Ё х, ,
(6)
х2 — отклонение, вызванное перепадами температур;
х3 — отклонение, вызванное влиянием влажности воздуха;
х4 — отклонение, вызванное наследственно -стью;
х5 — отклонение, вызванное качеством ухода за животным и т.д.
Число п этих элементарных отклонений весьма велико, как и число п причин, вызывающих суммарное отклонение цп. Таким образом, на темп роста ц влияет множество случайных факторов, влияние каждого из которых в отдельности незначительно и им можно пренебречь.
Слагаемые х1, х2,х3,..., хп являются независимыми случайными величинами, сравнимыми по порядку своего влияния на рассеивание суммы. К примеру, х1 ограничено нормами питания по ГОСТу; х2 и х3 обусловлены сельскохозяйственной зоной; х4 — породой особей в стаде; х5 — требованиями по уходу и т.д.
Выполняются все условия центральной предельной теоремы и можно утверждать, что случайная величина цп — суммарное отклонение темпа роста исследуемого показателя распределено нормально.
Математическое ожидание темпа роста исследуемого признака равно ц. Зная, что случайная величина цп распределена нормально, можно с вероятностью 0,9973 утверждать, что ее отклонение от математического ожидания не превысит 3а, т.е. цпе (ц—3а; ц+3а) при норме ошибки вычислений в инженерных расчётах 3—5%.
Составим интервальный вариационный ряд, в котором распределим значения варьируемого признака — количество сухого вещества, образовавшегося в течение года, и соответствующая частота появления признака. Интервалы варьирующего признака определим, исходя из возможных значений темпа роста и уравнения логистического роста [4—6].
Разобьём вариацию на равные классовые интервалы. Для дальнейшего вычисления численных характеристик, согласно рекомендации Д. Юла и М. Кендэла [10], следует выделять 15—20 классов, независимо от числа наблюдений. Величина классов определяется делением размаха варьирования признака на число классов:
1 = -
К
(7)
1=1
где цп — суммарное отклонение темпа роста; х1 — отклонение, вызванное рационом питания животного;
где I — величина классового интервала;
хтах — максимальная варианта совокупности; хт1п — минимальная варианта совокупности.
Составим вариационный ряд, приняв к рассмотрению лишь те классы (интервалы), для которых частота появления признака (число животных) отлична от нуля, исходное значение сухой массы вещества — Ж0, время образования сухой массы — I месяцев, число животных — п = 20.
О точности средних показателей, которыми оценивают результаты наблюдений, можно судить по значению коэффициента 08 — показателя точности определения средней:
508 =-х 1сс%, (8)
_ х
х — выборочная средняя, находится по формуле:
1 п
х = ~Е хп • (9)
п 7=1
— статистическая ошибка выборочной средней, выражается в формуле:
где
S- =
I (X - x)2
(10)
п(п -1)
Для данной конкретной выборки можно подсчитать значения выборочной средней и статистическую ошибку выборочной средней. Показатель точности определения средней 08 не должен превышать 5%. Это будет означать, что результаты наблюдений вполне удовлетворительны при объёме выборки, равной п [4—6].
Вывод. Предложенная математическая модель позволит определить количество объектов исследований п для производственных испытаний. Данная выборка будет репрезентативной, а результаты исследований, полученные для данного количества
объектов (животных), будут адекватно отображать
характеристики всего поголовья.
Литература
1. Поздняков В.Д., Ротова В.А., Салыкова О.С. К вопросу исследования сложных биотехнических систем // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 1 (39). С. 36-37.
2. Поздняков В.Д., Ротова В.А. Модели и моделирование биотехнологических процессов в животноводстве // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2008. № 1 (17). С. 98-101.
3. Хлопко Ю.А., Осипова А.М. Математическая модель функционирования биотехнической системы процесса механической обработки кожного покрова животного // Фундаментальные исследования. 2014. № 11 (ч.3). С. 534-539.
4. Ротова В.А. Совершенствование технологии и технического средства для механизированного вычёсывания пуха коз: дис. ... кан,д. техн. наук: 05.20.01. Оренбург, 2009. 146 с.
5. Ротова В.А., Ушаков Ю.А. Механизированное вычёсывание пуха у коз. Совершенствование технологии и технического средства // Palmarium academic Publishing. Saarbrucken (Deutschland), 2014. 215 с.
6. Ротова В.А., Ушаков Ю.А., Данилова Н.Г. Математика для экономистов: методические указания для практических занятий: учеб.-методич. пособие. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2015. 152 с.
7. Ушаков Ю.А. Сохранение качества молока инженерными методами / Ю.А. Ушаков, О.Н. Терехов, Г.П. Василевский [и др.] // Достижения науки и техники АПК. 2014. № 5. С. 53-56.
8. Ушаков Ю.А. Инженерные методы обеспечения качества молока: дис.....докт. техн. наук: 05.20.01. Оренбург, 2011. 376 с.
9. Поздняков В.Д. Повышение надёжности и эффективности функционирования операторов механизированных процессов животноводства: дис. ... докт. техн. наук. Оренбург, 2006. 452 с.
10. Юл Д.Э., Кендэл М.Дж. Теория статистики. М., 1960. 779 с.
Методика исследования повышения функциональной надёжности операторов животноводства
В.А. Шахов, д.т.н, профессор, ЮА Ушаков, д.т.н., профессор, В.А. Ротова, к.т.н., ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ; А.М. Калимуллин, к.т.н., ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ
Эффективное внедрение прогрессивных технологий и эксплуатация современных высокопроизводительных, экономичных машин сдерживается возможностями и способностями управляющего ими человека. Положительное решение данной проблемы в сельском хозяйстве (АПК) немыслимо без комплексного учёта всех факторов, в том числе повышения уровня профессиональной подготовки человека (оператора) как одного из наиболее важных элементов систем «человек — техника», «человек — машина — животное» и др.
Материал, методы и результаты исследования. Накопленный опыт разработки и эксплуатации человеко-машинных систем в высокотехнологичных отраслях народного хозяйства (энергетика, авиация, космос и т.д.) и относящийся к биотехническим (биотехнологическим) системам в животноводстве позволяет определить логическую структуру последовательности решения круга задач, направленных на повышение функциональной надёжности исполнителя — оператора (человека).
На первом этапе необходимо изучить и получить систему математических выражений, определяющих взаимосвязь характеристик анализаторов человека, от которых будут существенно зависеть эффективность функционирования рассматриваемой системы, восприятие визуальной информации, скорость её переработки, характеристика слухового вестибулярного и тактильного аппаратов, характеристика речеобразующего тракта, скорость переработки информации, оперативная, кратковременная и долговременная память, двигательная реакция человека (простая и сложная) на различные раздражители, координация движений, показатели психофизиологической надёжности и т.д.
Полную и достоверную информацию содержат работы Н.В. Адамовича, Н.С. Белоцицкого, В.П. Зинченко, В.И. Костюка, Б.Ф. Ломова, Г.М. Зараковского, В.М. Мунипова, И.Е. Цибу-левского, а также результаты собственных исследований применительно к специфике рассматриваемого процесса [1—9].
На втором этапе необходимо разработать алгоритмическую модель и дать математическое описание влияния на деятельность человека возмущающих воздействий окружающей среды, факторов
