CC BY
52
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 86. С. 147-156.
8. Плаксин И.Е., Трифанов А.В. Модульная животноводческая ферма // Сельский механизатор. 2012. № 7. С. 28-29.
9. Плаксин И.Е., Трифанов А.В.Использование естественной системы вентиляции на модульных фермах для повышения эффективности производства свинины в личных приусадебных и крестьянско-фермерских хозяйствах // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 2 (12). С. 140-144.
10. Плаксин И.Е., Трифанов А.В. Малогабаритный свинарник для содержания животных на глубокой подстилке // патент на полезную модель RUS 149256 19.08.2014
11. Плаксин И.Е., Вторый С.В., Ланцова Е.О. Опытно-производственная проверка установки для мониторинга параметров микроклимата в технологическом модуле для откорма поросят // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 4 (14). С. 218-222.
12. Нормы технологического проектирования птицеводческих предприятийНТП-АПК 1.10.05.002-01
13. http://kuHnarnayakniga.ru/news/za-2015-god-proizvodstvo-myasa-indeyki-vyroslo-bolee-chem-na-tret.html
14. http://www.vedomosti.ru/business/news/2016/01/19/624541-proizvodstvo-indeiki-potrebleniya-myasa
УДК 631.862
Е.В. ШАЛАВИНА, канд. техн. наук; А.Ю. БРЮХАНОВ, канд. техн. наук;А.М. ВАЛГЕ, д-р техн. наук
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВКИ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
Проведен анализ растениеводства и животноводства в Ленинградской области (по районам). Определены наиболее перегруженные районы по количеству животноводческих/птицеводческих предприятий - только в 2 районах имеется недостаток площадей для внесения всего количества образующегося навоза и помёта это Выборгский район 11230 га и Кировский район 43643 га. Была построена матрица расстояний, объемов поставок и
161
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал.
_ИАЭП. 2016. Вып. 88._
потребления азота по хозяйствам Кировского и близлежащего к нему Тосненского района. В данных районах расположены (с учетом скорректированной массы получаемого в предприятиях азота на величину собственного потребления): 4 поставщика азота - 13555 тонн азота в год; 11 потребителей азота - 3403 тонны азота в год. Количество поставляемого азота значительно превышает количество потребляемого. Поэтому для разработки математической модели транспортировки и использования органических удобрений необходимо использовать метод линейного программирования. Для решения задачи исходные данные были представлены в виде формализованной задачи линейного программирования. Решение задачи было выполнено по программе, написанной на языке программирования Fortran, в соответствие с которым получаемый объем органического удобрения распределяется между всеми потребителями (растениеводческими предприятиями). По данным двум районам (Тосненский и Кировский) осталось неиспользованных 10152 тонны азота. Данная масса азота приходится на органические удобрения, полученные на основе куриного помета с ЗАО «ПФ Синявинская» и ЗАО «ПФ Северная».
Ключевые слова: экологическая безопасность; математическая модель; обращение с навозом; органические удобрения.
E.V. SHALAVINA, Cand Sc. (Engineering); A.Yu. BRIUKHANOV, Cand. Sc. (Engineering); A.M. VALGE, DSc (Engineering)
MATHEMATICAL MODEL OF ORGANIC FERTILIZER TRANSPORTATION
The plant and livestock production in Leningrad Region was analized by districts.The districts with the biggest number of livestock/poultry farms were identified. Only two districts lack the land to apply the whole amount of produced animal/poultry manure -Vyborg district (11230 ha) and Kirovsky district (43643 ha). The matrix of distances and nitrogen supply and consumptionamounts was created for the farms in Kirovsky and the nearest to it Tosnensky districts. With due account of the adjustedamount of produced and self-consumed nitrogen on the farms the four nitrogen suppliers (13555 tones of nitrogen per year) and eleven nitrogen consumers (3403 tones of nitrogen per year) were identified in these districts. The amount of supplied nitrogen significantly exceeds the amount of consumer nitrogen. So to create a mathematical model of transportation and application of organic fertilizers the linear-programming technique was used. To handle this problem the initial data was presented as a formalized task of linear programming. The problem was solved with the programme in Fortran language, according to which the received amount of organic fertilizer is distributed between all the consumers (plant production farms). In two districts under investigation (Tosnensky and Kirovsky) 10152 tons of nitrogen were left unused. This amount of nitrogen accounts for the organic fertilizers
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
produced from poultry manure from two poultry factories - Siniavinskaya and Severnaya.
Key words: environmental safety; mathematical model; manure handling; organic fertilizer.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема обращения с отходами агропромышленного комплекса особенно остро стоит в Ленинградской области (занимающей ведущее место в Российской Федерации именно в животноводстве и птицеводстве), поскольку практически вся территория региона является водосборным бассейном Балтийского моря. Птицефабрики, фермы КРС и свиноводческие комплексы оказались в сложной экологической ситуации, так как накапливаемый помет и навоз стал серьезным источником загрязнения окружающей природной среды [1;2].
В настоящее время все чаще животноводческие/птицеводческие комплексы строятся в отдалении от растениеводческих комплексов. Возникает проблема рационального использования получаемого органического удобрения. Необходимо так организовать транспортировку органического удобрения от поставщиков (животноводческие и птицеводческие предприятия) к потребителям (растениеводческие предприятия), чтобы максимально использовать сохраненные в удобрении питательные вещества и не ухудшить экологическую ситуацию на предприятиях [3 ;4].
В Ленинградской области находятся: 121 ферма КРС, 15 свиноферм и 14 птицефабрик. С них ежегодно образуется 5040,72 тыс. тонн навоза/помета[5;6]. Получаемое органическое удобрение вносится на поля под сельскохозяйственные культуры и под кормовые травы [7].
На основе проведенного анализа, были определены массы азота в получаемом органическом удобрении (рисунки 1, 2, 3).
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. ИАЭП. 2016. Вып. 88.
Рис. 1. Данные по количеству образующегося за год азота в органическом удобрении из навоза КРС по районам Ленинградской области (тонны)
Рис. 2. Данные по количеству образующегося за год азота в органическом удобрении из свиного навоза по районам Ленинградской области (тонны)
Рис. 3. Данные по количеству образующегося за год азота в органическом удобрении из куриного помета по районам Ленинградской области (тонны)
Применяя существующие рекомендации Не1сот (170 кг/га азота), была рассчитана максимальная доза внесения для каждого типа органического удобрения (полученного от КРС, свиней или птицы). Получив дозу внесения (тонн на гектар) и зная общую площадь сельскохозяйственных земель в каждом районе, определена потенциальная возможность полного использования навоза и помёта по районам Ленинградской области и потенциал по их использования.
Полученные данные представлены в виде карты ЛО (рис. 4.).
Рис. 4. Карта Ленинградской области - баланс азота на уровне районов
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
Из карты видно, что на всю Ленинградскую область только в 2 районах имеется недостаток площадей для внесения всего количества образующегося навоза и помёта это Выборгский район 11230 га и Кировский район 43643 га.Остальные районы Ленинградской области имеют достаточное количество сельскохозяйственных угодий для внесения всего образующегося на их территории навоза и помёта. В целом по Ленинградской области имеется резерв сельскохозяйственных угодий для внесения органических удобрений по максимальной дозе азота (170 кг/га) рекомендуемой HELCOM для регионов Балтийского моря в количестве 33632 га [8].
МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ
Решим задачу транспортировки и использования органического удобрения для Кировского района и близлежащего от него Тосненского района.
Поскольку часть животноводческих/птицеводческих хозяйств как сами производят азот, так и потребляют его в растениеводстве, скорректируем массы получаемого в предприятиях азота на величину собственного потребления (табл.1, табл. 2).
Таблица 1
Откорректированные данные по поставщикам азота_
Масс а азота в год, т
Обозначение Район Предприятие Тип Местоположение
А8 Тосненский ООО"СП" Восход", айрширы КРС Деревня Трубников 55,1
А9 Тосненский ООО "София" КРС Деревня Поги 9,8
А10 Тосненский ООО "Рюрик -Агро" Свиноферма Деревня Нурма 953,9
А11 Тосненский Агрохолдинг "Пулковский" Свиноферма Город Тосно 174,7
А12 Кировский ЗАО "ПФ Синявинская" Птицефабрика Поселок Приладожский 4848
А13 Кировский ЗАО "ПФ Северная" Птицефабрика ПГТ Синявино 7514
Таблица 2
Откорректированные данные по потребителям азота_
Обозначение Район Предприятие Местоположение Масса азота в год, т
В1 Кировский СПК «Дальняя поляна» Село Путилово 128
В2 Кировский ЗАО "Всеволожская селекционная станция" Город Кировск 13
В3 Кировский ЗАО "Ладога" Деревня Сухое 193
В4 Кировский ООО "АГРОФИРМА" ПГТ Приладожский 3,6
В5 Тосненский СПК ПЗ"Детскосельский" Поселок Шушары 555
В6 Тосненский ПК"Шушары" Поселок Шушары 155,6
В7 Тосненский ЗАО"ПХ им. Тельмана" Поселок Тельмана 538
В8 Тосненский ЗАО"Агротехника" Поселок Сельцо 575
В9 Тосненский ЗАО"Любань" ПГТ Любань 531
В10 Тосненский ООО"СП" Восход" Деревня Трубников 386
В11 Тосненский ООО "Петрохолод. Аграрные технологии" Село Ушаки 324
На основании табл. 1 и 2 получаем матрицу для решения задачи транспортировки и использования органического удобрения (таблица
3).
Таблица 3
Матрица расстояний и объемы поставок и потребления азота по хозяйствам
Потребители азота, т
Поставщики В1 В2 В3 В4 В5 В6 В7 В8 В9 В10 В11
Наим. Кол-во 128 13 193 4 555 156 538 575 531 386 324
А13 7514 25 8 51 17 44 44 40 57 77 89 63
А12 4848 10 24 36 0 62 62 58 66 84 97 70
А11 175 72 54 100 69 48 48 28 6 30 43 5
А10 953 82 51 110 67 53 53 37 15 39 52 14
А9 10 88 57 105 73 45 45 26 30 58 71 30
А8 55 107 84 130 100 95 95 74 14 15 0 38
Из табл. 3 видно, что количество поставляемого азота значительно превышает количество потребляемого. Поэтому для решения задачи необходимо использовать метод линейного программирования (ЛП).
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
Для решения задачи, данные табл. 3 необходимо представить в виде формализованной задачи линейного программирования (ЛП). Если обозначить количество объектов наличия ресурсов через m, потребление ресурсов через n, наличие ресурсов в i-м объекте через Ai, количество потребляемых ресурсов j-м объектом через Bj, затраты на доставку единицы ресурса от i-го объекта - поставщика к j-му объекту - потребителю через Cij и объемы ресурсов, поставляемые от каждого поставщика каждому потребителю через Xij, то структурную экономико-математическую модель можно записать следующим образом:
1. Целевая функция:
М N
CijXij ^ min
i=l j=l
2. Ограничения по поставщикам:
г м
^ Xfl > Ai
¿=i < м
У Xi2 > А2
3. Ограничения по потребителям:
( N
^ Х1; = В1
;=i < N
^ Х2; = В2
РЕЗУЛЬТАТЫ
После формализации задача линейного программирования имеет следующие показатели:
- количество неизвестных - 66
- количество неизвестных уравнений - 17
- количество уравнений с ограничением « < » - 6
- количество уравнений с ограничением « = » - 11
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
Для решения задачи линейного программирования разработаны различные методы. Наиболее распространенным является симплекс метод, модифицированный симплекс метод и др. [9].
Для решения задач линейного программирования имеются специальные программные разработки. Задачу можно также решать в системе EXCEL [10;11].
Решение задачи в нашем случае выполнено по программе, написанной на языке программирования Fortran.
Для решения задачи в отдельном файле формируются исходные данные (с.1). Программа считывает исходные данные и производит расчеты. В результате расчетов программа рассчитывает для проверки исходных данных (с. 2, 3, 4). Расчеты выполняются методом интеграции (последовательного приближения). В результате расчетов рассчитывается следующая информация:
- значение целевой функции;
- оптимальное решение (значения неизвестных, вошедших в оптимальный план);
- двойственные оценки переменных;
- значения ограничений и остатки ресурсов (с. 4).
Решение задачи программа выдает одним сплошным вектором и по распечатке трудно читается. Поэтому для анализа результаты расчетов записаны в таблицу исходных данных (табл.4).
Таблица 4
Результаты расчетов программы_
Потребители азота, т
Поставщики В1 В2 В3 В4 В5 В6 В7 В8 В9 В10 В11
Наим. Кол-во 128 13 193 4 555 156 538 575 531 386 324
А13 7514 0 13 0 0 555 156 538 0 292 331 0
А12 4848 128 0 193 4 0 0 0 0 0 0 0
А11 175 0 0 0 0 0 0 0 0 175 0 0
А10 953 0 0 0 0 0 0 0 565 64 0 324
А9 10 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0
А8 55 0 0 0 0 0 0 0 0 0 55 0
Наиболее наглядно результаты можно представить в графическом виде (рис. 5.).
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. ИАЭП. 2016. Вып. 88.
ПОСТАВЩИКИ
ОСТАТОК
ПОТРЕБИТЕЛИ
ОСТАТОК
В1 (128)
В2 (13)
В3 (193)
^ г-
55 ^
~4
В8 (575)
В9 (531)
В10 (386)
В11 (324)
.... / ... А* В4 (4) 0
5629 А13 (7514) <
535* В5 (555) 0
4523 А12 (4848) <
W 7s<?ä
В6 (156) 0
0 А11 (175) ' \ Чь
\ \ \ * "4
В7 (538) 0
Рис. 5. Графическое отображение решения задачи линейного
программирования
ВЫВОДЫ
В результате проведенной работы проанализировано состояние животноводства и растениеводства в Ленинградской области. Определено, что на всю Ленинградскую область только в 2 районах имеется недостаток площадей для внесения всего количества образующегося навоза и помёта это Выборгский район 11230 га и Кировский район 43643 га.
Построена матрица расстояний и объемов поставок и потребления азота по хозяйствам Кировского и Тосненского районов.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_
В данных районах расположены (с учетом скорректированной массы получаемого в предприятиях азота на величину собственного потребления):
- 4 поставщика азота - 13555 тонн азота в год;
- 11 потребителей азота - 3403 тонны азота в год.
Для разработки математической модели транспортировки и использования органических удобрений выбран метод линейного программирования. Решение задачи выполнено по программе, написанной на языке программирования Fortran, в соответствие с которым получаемый объем органического удобрения распределяется между всеми потребителями (растениеводческими предприятиями). По данным районам (Тосненский и Кировский) осталось неиспользованных 10152 тонны азота. Данная масса азота приходится на органические удобрения, полученные на основе куриного помета с ЗАО «ПФ Синявинская» и ЗАО «ПФ Северная».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Брюханов А.Ю. Повышение эффективности использования навоза путем автоматизированного проектирования вариантов технологий приготовления органических удобрений и их внесения в почву: дисс. канд. техн. наук. Санкт-Петербург. 2009. 193 с.
2. Попов В.Д., Максимов Д.А., Брюханов А.Ю. Инженерные методы решения проблем устойчивого развития сельхозпроизводства // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2011. № 4. С.4-8.
3. Рекомендации по организации и проведению производственного экологического контроля систем переработки и использования навоза (помета) / А.Ю. Брюханов, Д.А. Максимов, Х. Хухта, Э.В. Васильев, В.Б. Минин, И.А. Субботин / Под ред. А.Ю. Брюханова. СПб.: ИАЭП, 2012. -53с.
4. Рекомендации по обоснованию экологически безопасного размещения и функционирования животноводческих и птицеводческих предприятий / А.Ю. Брюханов, Д.А. Максимов, Э.В. Васильев, Е.В. Шалавина, И.А. Субботин, А.С. Оглуздин, Х. Хухта, Р.А. Уваров / Под ред. А.Ю. Брюханова. СПб.: ИАЭП, 2015. 52 с.
5. Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В., Васильев Э.В. Методика укрупненной оценки суточного и годового выхода навоза/помета // Молочнохозяйственный вестник. 2014. № 1 (13). С. 78-85.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._
6. Брюханов А.Ю., Шалавина Е.В. Анализ образования и накопления животноводческих отходов в Ленинградской области // Экологические проблемы использования органических удобрений в земледелии - Сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Владимир. ФГБНУ ВНИИОУ, 8-10 июля. 2015. С.310-317.
7. Васильев Э.В., Шалавина Е.В., Оглуздин А.С. Повышение эколого-экономической эффективности процесса использования жидкого органического удобрения в условиях Северо-Западного Региона // Кишоварз. 2014. Т.1. С.31-33.
8. Слободянюк П.А., Уваров Р.А. Использование компьютерного моделирования оптимизации распределения площадей для внесения органических удобрений // Проблемы механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства. 2014. № 6. С.139-142.
9. Вентдель Е.С. Исследование операции. М.: Советское радио, 1972. 552 с.
10. Валге А.М. Исследование систем EXCEL и Matead при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства (методическое пособие). ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии. СПб.: 2013. 200 с.
11. Валге А.М. Обработка данных в Excel на примерах. ГНУ СЗНИИМЭСХ РАСХН. Санкт-Петербург, 2010. 100 с.
УДК 631.862
Е.В. ШАЛАВИНА, канд. техн. наук; А.Ю. БРЮХАНОВ, канд. техн. наук
ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕРОВ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПЕРВИЧНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ОТСТОЙНИКА ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ СВИНОГО НАВОЗА
