CC BY
31
readings. Proc. Sci. Conf.] 2019: 185-188. (In Russian).
14. Rakutko S.A., Mishanov A.P., Rakutko E.N. Metodika rascheta kombinirovannogo svetodiodnogo obluchatelya dlya rastenii [Calculation method of combined LED irradiator for plants]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 95: 89-100. (In Russian).
15. Rakutko E.N., Rakutko S.A., Vaskin A.N. Metodika rascheta parametrov radiatsionnoi sredy ot svetodiodnogo fitoobluchatelya [Calculation method of radiation environment parameters created by led irradiator] Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. No. 1 (98): 71-82. (In Russian).
16. Rakutko S.A. Prostranstvennoe ras-predelenie potoka izlucheniya [Spatial distribution of radiation flux].
Blagoveshchensk: DalGAU. 1995. 24 (In Russian).
17. Kim H. H., Wheeler R. M., Sager J. C. et al. Evaluation of lettuce growth using supplemental green light with red and blue light-emitting diodes in a controlled environment: a review of research at Kennedy Space Center. Acta Horticulturae. 2006, vol. 711: 111-119.
18. Nanya K., Ishigami Y., Hikosaka S., Go-to E. Effects of blue and red light on stem elongation and flowering of tomato seedlings. Acta Horticulturae. 2012. vol. 956: 261-266.
19. Rakutko E.N., Rakutko S.A. Vyrashchivanie rassady tomata pod izlucheniem sve-todiodov s razlichnym sootnosheniem krasnogo i dal'nekrasnogo potokov [Growing tomato seedlings under radiation of leds with different ratio of red and far red flows]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2016. No. 44: 281-287. (In Russian
УДК 631.95: 631.544.4
МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧНОСТИ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ: АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Е.Н. Ракутько; А.Н. Васькин; А.П. Мишанов; А.Е. Маркова канд. с-х наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Важнейшим вопросом светокультуры является обеспечение энергоэффективности и экологичности применяемых технологических процессов. Его решение возможно путем цифровизации, внедрения новейших информационных автоматизированных систем,
оптимизации технологических процессов в теплице на основе контроля их параметров. Предложено ввести показатель энергоэкологичности светокультуры (Кээс), контроль которого является необходимым условием совершенствования, обеспечения устойчивости функционирования, повышения качества и надежности управления технологическими процессами в теплице. Раскрыта структура искусственной биоэнергетической системы светокультуры (ИБЭСС), формируемой в культивационном сооружении в результате воздействия энергетических установок на ценоз как среду обитания растений. Для различных уровней структуры ИБЭСС предложен ряд частных моделей ЭЭС. В рамках каждой модели дана своя интерпретация понятию ЭЭС, которой соответствует свой способ ее контроля. В упрощенной модели ЭЭС рассматривается как расширенная трактовка энергоэффективности и численно характеризуется величиной энергоемкости. В мультипликативной модели Кээс определяется как произведение коэффициентов экологичности и энергоэффективности, являющихся внутренними параметрами структуры ИБЭСС. В совокупной модели качественным критерием ЭЭС выступает одновременное соответствие энергетическому и экологическому критериям. В дифференциальной модели оценка ЭЭС производится по степени близости годографов векторов динамической энергоемкости, для построения которых определяют потоки энергии и вещества в светокультуре. В многомерной модели оценивают отклонение траектории развития растения в пространстве состояний от оптимальной. Рассмотрен ряд патентов на способы и устройства, обеспечивающие контроль ЭЭС. Раскрыты возможности, предоставляемые современными технологиями фенотипирования, искусственного интеллекта и машинного зрения для обеспечения контроля ЭЭС.
Ключевые слова: светокультура, модель, контроль, энергоэффективность, экологичность, энергоэкологичность
Для цитирования: Ракутько Е.Н., Васькин А Н., Мишанов А.П., Маркова А.Е. Модели, методы и средства контроля энергоэкологичности в светокультуре: аналитический обзор // АгроЭкоИнженерия. 2021. №1(106). С.25-50
MODELS, METHODS AND TOOLS FOR ENERGY AND ECOLOGICAL CONTROL IN GREENHOUSE HORTICULTURE: REVIEW
E.N. Rakutko, A.N. Vaskin; A.P. Mishanov; A.E. Markova, Cand. Sc. (Agriculture)
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
One of the challenges in greenhouse horticulture is to ensure energy efficiency and environmental friendliness of applied technological processes. The challenge can be addressed by introducing digital technologies and the latest automated information systems, and by optimising the technological processes by their parameter control. This control is a prerequisite for stability, improved quality and reliability of greenhouse technological processes. An indicator of energy and ecological efficiency
(KEEE) of greenhouse horticulture is introduced. The article describes the structure of an artificial bio-energetic system, which forms in a greenhouse as a result of the power units' impact on cenosis as a plant habitat. Several particular models of energy and ecological efficiency were developed for different levels of this system. Each model has its own interpretation of energy and ecological efficiency concept, and, consequently, specific way of control. In the simplified model, EEE has an expanded interpretation of the energy efficiency of greenhouse horticulture and is numerically characterised by the energy consumption. In the multiplicative model, it is defined as the multiplication of the coefficients of environmental friendliness and energy efficiency, which are internal parameters of the artificial bio-energetic system's structure. In the aggregate model, the quality criterion of EEE is the simultaneous compliance with the energy and environmental criteria. In the differential model, EEE is estimated by the proximity degree of the hodographs of the vectors of dynamic energy consumption, for the construction of which the fluxes of energy and matter in the greenhouse horticulture are identified. In the multivariate model, the deviation of the plant development trajectory in the state space from the optimum is estimated. The article considers some patents on methods and devices, which ensure the control over EEE in greenhouse horticulture. The opportunities provided by modern technologies of phenotyping, artificial intelligence and machine vision to ensure control of EEE in greenhouse horticulture are described.
Key words: greenhouse horticulture, model, control, energy efficiency, environmental friendliness, energy and ecology efficiency
For citation: Rakutko E.N., Vaskin A.N., Mishanov A.P., Markova A.E. Models, methods and tools for energy and ecological control in greenhouse horticulture: review. AgroEcoEngineering. 2021. No. 1(106): 25-50. (In Russian)
Введение
Современные тенденции развития отраслей АПК ориентированы на приоритет сохранения природы и экологической устойчивости при минимизации затрат энергетических и других ресурсов при производстве продукции. Производственный процесс в них является достаточно сложным обьектом управления. Контроль его состояния возможен путем цифровизации и внедрения новейших информационных автоматизированных систем. Это особенно справедливо для тепличной отрасли, уровень производства продукции в которой в настоящее время имеет большие резервы для роста. Важнейшими составляющими повышения эффективности здесь являются внедрение современного инновационного оборудования, оптимизация технологических
процессов в теплице на основе контроля их параметров.
Важнейшей задачей в тепличной отрасли является обеспечение энергосбережения в применяемых технологических процессах и их экологичности. Наиболее энергоемкой из них является светокультура, то есть выращивание растений при искусственном облучении.
Междисциплинарный энергоэкологический подход к изучению производства и потребления был введен в научный оборот лишь в самое последнее время. В рамках этого подхода во взаимосвязи рассматриваются два процесса:
использование энергии на потребности общества и последствия такого использования на окружающую среду. В большинстве работ по энергоэкологии
рассматриваются технологические и экологические вопросы производства, способы сокращения энергетических потерь с одновременным решением экологических проблем развития общества [1]. Наиболее разработанным является применение энергоэкологического подхода при оценке эффективности использования топлива. Рассмотрение энергетических (эффективность топливоиспользования) и экологических (уровень вредных выбросов при сжигании топлива) производится с единых термодинамических позиций [2].
Сообщается об опыте использования коэффициента энергоэкологичности, представляющего произведение стоимости количества полученной энергии на объем удельных выбросов загрязняющих веществ, при выборе источников энергоснабжения. Этот коэффициент учитывает одновременно экономическую и экологическую
целесообразность при выборе генерирующих источников энергии. Критерием
оптимальности выбора является наименьшее значение этого коэффициента [3].
В качестве обобщенного критерия оптимизации, учитывающего совокупность противоречивых целевых функций и налагаемых конструктивных, режимно-экологических и других ограничений, предложено использовать показатель энергоэкологической эффективности,
получаемый методом экспертных оценок [4].
Энергоэкологический подход применяют при оценке последствий чрезвычайных ситуаций различного характера, ведущих к изменению количества потребляемой предприятием мощности, эффективности ее использования и качества окружающей среды [5].
В качестве оптимальной количественной характеристики энергоэкологического
совершенства технологических систем предложен показатель безразмерной затраты энергии на снижение загрязнения окружающей среды. Это обеспечивает возможность оценки очистных устройств посредством сравнения энергозатрат, т.е. выявления в результате расчета степени их энергоэкологичности и энергоэкологической эффективности [6].
Необходимость совершенствования
сельскохозяйственных энергетических
систем, обеспечения устойчивости их функционирования, качества и надежности управления определяет актуальность разработки адекватных средств контроля и оценки их энергоэффективности и экологичности. Такая оценка возможна путем структурно-динамического анализа, исследующего конкретные взаимосвязи структурных и динамических форм их развития на фактическом материале при помощи мер динамики и структурных формирований различного уровня общности
[7].
Предложена модель энергетического объекта, взаимодействующего с природной средой, получившая название природно-технической системы. Разработаны индикаторы и индексы качества в более широком научно-обоснованном толковании, позволяющие расширить оценку
экологической обстановки [8].
Другим примером классического подхода к моделированию в данной области является концепция регулируемой агроэкосистемы, учитывающей условия световой, воздушной и корнеобитаемой сред. Модель является научно-методической базой для выяснения продукционного, адаптационного и средообразующего потенциала растений с сопутствующей биотой, а также закономерностей их взаимодействия со
средой обитания в моделируемых условиях [9].
Достоверная картина энергоэффективности и экологичности технологических процессов может быть получена путем проведения энергоэкоаудита. Реализуемые на практике раздельные методы проведения
энергетических и экологических
обследований не в полной мере учитывают вопросы взаимного воздействия этих процессов. Так, известный способ комплексного энергоэкологического
обследования энергетических и
промышленных объектов включает раздельный учет энергопроизводственных и экологопроизводственных показателей,
отражающих потоки вещества и энергии, определение и комплексную оценку коэффициентов энергоэффективности и экологической обстановки на объекте, разработку комплекса мер, одновременно обеспечивающих снижение фактического расхода энергоресурсов и уменьшение удельного количества выбросов на единицу продукции [10].
Целью данного исследования является анализ литературных источников о моделях, методах и средствах контроля энергоэкологичности светокультуры (ЭЭС).
Контроль энергоэкологичности -важнейшая задача энергоэкологии светокультуры
Термин «светокультура» означает технологию выращивания растений в искусственных условиях с применением источников света как средства энергетического воздействия. В силу больших потерь на всех этапах преобразования энергии (от источника электрического питания до конечной продукции), первостепенным вопросом здесь традиционно является контроль
эффективности ее применения.
Теоретической основой повышения эффективности использования энергии служит прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП). Эта теория с
феноменологических позиций
конкретизирует взаимодействие
сельскохозяйственных биологических
обьектов с окружающей их средой [11].
Светокультура как область научных знаний синтезирует в себе отдельные направления физики (оптика, фотометрия, электричество), технических (светотехника, электротехника, автоматика, технология), биологических (физиология растений, растениеводство, овощеводство и др.) наук и ряда других отраслей научных знаний. Привнесение экологического подхода означает учет организации и функционирование надорганизменных систем при
культивировании растений в искусственных условиях, взаимоотношения растений с окружающей средой.
Экологический подход означает изучение структуры и направленности потока вещества и энергии (субстанции) в живых системах. Живые организмы, будучи связаны с окружающей средой потоками субстанции, образуют некую общность, называемую экосистемой, изучение которой позволяет понять, что ограничивает их первичную продукцию — образование органического вещества в ходе фотосинтеза растений.
Характерной приметой современного метода познания является комплексный подход к исследованиям, расположенным на стыке отдельных научных дисциплин. Примером междисциплинарных отраслей с
применением экологического подхода являются экологическая физиология растений как наука о способах адаптации растений к условиям среды; экология
фотосинтеза, изучающая зависимость интенсивности и продуктивности
фотосинтеза от экологических факторов; экологическая фитосистемология, в круг рассмотрения которой входят ключевые структурные и функциональные
характеристики таксономических и экологических групп растений;
экологическая биоэнергетика - наука о превращениях энергии в экологических системах, рассматриваемых с позиций химической термодинамики и многие другие.
Показана целесообразность введения в научную практику нового понятия и соответствующего самостоятельного
междисциплинарного научного направления - энергоэкология светокультуры (рис. 1) [12].
Обьектом исследования этого направления является искусственная биоэнергетическая система светокультуры (ИБЭСС), формируемая в культивационном
сооружении в результате воздействия энергетических установок на ценоз как среду обитания растений.
Предметом исследования энергоэкологии светокультуры являются закономерности потоков субстанции (вещества и энергии) в ИБЭСС, а так же отдельные аспекты взаимодействия растений и факторов окружающей среды, вопросы контроля, управления и оптимизации светокультуры.
Научные основы энергоэкологии
светокультуры представляют собой систему знаний о росте и развитии растений в конкретных условиях ИБЭСС, позволяющую разрабатывать частные методики анализа и синтеза технологий светокультуры, обеспечивающих как решение задач повышения энергоэффективности (снижения энергоемкости продукции), так и
экологичности (обеспечение качества получаемой продукции, снижение воздействия на окружающуу среду.
Светокультура
Рис. 1. Место энергоэкологии светокультуры в структуре научного знания
Энергоэкология светокультуры служит основой создания наилучших доступных технологий светокультуры (НДТС). Такие технологии в контролируемых условиях культивационных сооружений различного типа выбираются для конкретных условий и требований из достигнутого уровня науки, техники и технологий по критерию минимальных удельных энергетических затрат и воздействия на окружающую среду при условии обеспечения экологически чистой конечной продукции.
Математическое описание закономерностей переноса энергии в технологическом процессе светокультуры базируется на иерархической информационной модели ИБЭСС (рис. 2).
Рис. 2. Иерархическая модель ИБЭСС
I. Первым (нижним) уровнем является модель биологического объекта (БО), в данном случае растения (Р), которая состоит из блока преобразования вещества (БПВ) и блока преобразования энергии (БПЭ). Поток энергии оптического излучения, генерируемый облучательной установкой, обеспечивает синтез органического вещества из неорганических. Измеряемыми первичными параметрами на этом уровне являются биометрические и биохимические показатели растений - относительная площадь листа, скорость истинной асиммиляции, относительная скорость роста, площадь единицы массы листьев, доля сухого вещества в листьях и т.д.
II. Вторым уровнем является модель технологического процесса облучения (ТПО) растений. Измеряемыми параметрами на этом уровне являются интенсивность, продолжительность облучения, его спектральный состав и т.д.
III. Третий уровень модели включает описание ИБЭСС в целом, с учетом всех технологических систем - полива, подкормки, экранирования, отопления, вентиляции и т.д.
IV. Четвертый уровень модели включает качественные и количественные показатели получаемой полезной продукции.
V. Пятый (верхний) уровень модели рассматривает влияние внутренних технологических процессов на внешнюю среду (загрязнение воздуха, грунтовых и поверхностных вод, почвы в районе расположения теплицы).
Входными являются материальные Мн, которые поступают на вход БПВ, и энергетические Qн потоки, которые
поступают на вход БПЭ. Материальные потоки описывают преобразования
исходного вещества в процессе производства готовой продукции. Энергетические потоки учитывают все используемые виды энергоресурсов (топливо, электроэнергия, возобновляемые источники и т.д.). Выходными являются потоки полезной продукции MK, потерь вещества AM (отходы, выбросы, сбросы) и энергетических потерь AQ.
Внутренними параметрами модели являются величины энергоемкости продукции ем, сырья гс и процесса еп, теоретически возможный vm и фактический vф выход продукции, теоретически возможный т]т и фактический КПД процесса.
На основе концепции ИБЭСС предложены ряд частных моделей ЭЭС и, соответственно, методов ее контроля. В рамках каждой модели дается своя интерпретация понятию энергоэкологичности светокультуры,
которой соответствует свой способ ее контроля. Названия моделей в какой то мере условны и призваны подчеркнуть основную суть принятого в рамках данной модели подхода. Представляется, что в дальнейших исследованиях они могут быть уточнены. К настоящему времени задача создания комплексного показателя
энергоэкологичности светокультуры
полностью не решена [13].
Модели и методы контроля энергоэкологичности в светокультуре
Упрощенная модель, в соответствии с которой ЭЭС рассматривается как расширенная трактовка
энергоэффективности светокультуры.
Логической основой такому подходу является допущение, что чем более совершенно организован любой
технологический процесс, чем более он энергоэффективен, тем более рационально
организовано движение потоков вещества и энергии в рассматриваемой системе, тем выше его экологичность [14]. Численно энергоэффективность процесса
характеризуется величиной энергоемкости
[15].
Как правило, преобразования энергии в технологических процессах могут быть представлены последовательностью ряда этапов (рис. 3).
Рис. 3. Энергоемкость как характеристика энергоэффективности
На каждом этапе неизбежно возникают потери энергии. Энергия ^, подаваемая на
начало / -го этапа, преобразуется в энергию 0г+1 на выходе этапа и энергию потерь А^ .
Обобщенным параметром, характеризующим эффективность передачи энергии на / -ом этапе ЭТП является энергоемкость этапа £г:
е =
О
QM
(1)
Понятие этапа преобразования энергии предложено распространить на элементы энергетических цепей [16]. Их
сосредоточенным компонентом является энергетический оператор. Пассивными энергетическими операторами являются элементы, не имеющие независимых источников продольных £(т) и поперечных С(г) переменных. Консервативные операторы энергетической цепи
соответствуют энергии , которая
является полезно используемой в данном энерготехнологическом процессе.
Диссипативные операторы - энергия на
которых не оказывает влияния на
результаты энерготехнологического
процесса и должна быть отнесена к потерям.
Тогда выражение для энергоемкости
I о*,, г
е(т) = 1 +
Z ß™ (г)'
(2)
Такое представление механизма
формирования энергоемкости позволило по другому сформулировать способ ее определения: численно значение
энергоемкости превышает единицу на величину отношения суммарной энергии, приходящейся на дисипативные операторы энергетической цепи, к суммарной энергии, приходящейся на консервативные операторы.
Оценка по энергоэффективности применима и для биологических процессов, например, фотосинтеза. Энергоемкость процесса фотосинтеза в светокультуре может быть определена как отношение дозы потока излучения, падающего на поверхность листьев, к массе сухого вещества, полученной в процессе фотосинтеза. Показано, что энергоемкость фотосинтеза обратно пропорциональна его
продуктивности [17]. Обработка по специально разработанной методике экспериментальных данных по
выращиванию рассады томата (Solanum Lycopersicum L.) под различными источниками света подтвердила, что спектральный состав потока существенно влияет на энергоэффективность фотосинтеза и степень использования углеродного и светового питания. Результаты измерений энергоемкости фотосинтеза могут быть использованы для сравнительной оценки эффективности источников при оптимизации процесса выращивания растений по критерию минимума энергоемкости светокультуры путем варьирования
параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов.
Данный подход может быть распространен на анализ эффективности преобразования энергии на различных этапах в блоках модели ИБЭСС. Предложены формулы для вычисления энергоемкости каждого из ее блоков [18]. Комплексная оптимизация технологического процесса облучения растений на всех этапах преобразования энергии позволяет максимизировать продуктивность светокультуры при повышении качества продукции и обеспечении энергоэффективности и экологичности производства.
Мультипликативная модель, в соответствии с которой коэффициент энергоэкологичности определяется как произведение
коэффициентов экологичности и
энергоэффективности
Т/- _ Т/'М -ГУ-'
КЭЭС - Кэ • Kэ
Q
(3)
Последние определяются через
рассмотренные выше внутренние параметры модели ИБЭСС (рис. 4) [19]. По сравнению с показателем энергоемости данный показатель позволяет более комплексно подойти к анализу использования ресурсов, так как позволяет учитывать не только энергетические, но и материальные потоки веществ, влияющие на рост и развитие растений.
Рис. 4. Потоки вещества и энергии в ИБЭСС
Коэффициент ^ является количественной
оценкой использования потока энергии источников света на превращение вещества в растении под действием излучения.
Коэффициент экологичности K
М э
характеризует вынос отдельных элементов из питательной среды и определяется по содержанию данного элемента питания в начальный Мн и конечный Mк моменты
времени. Данная методика апробирована в эксперементе по исследованию влияния доз облучения светодиодных источников на рост и развитие салата (Lactuca Sativa L.) при выращивании в закрытых помещениях. Салат выращивали по технологии малообъемной гидропоники с постоянной рециркуляцией питательного раствора в замкнутом цикле.
Выявлена функциональная связь между величиной коэффициента
энергоэкологичности, МДж-г-м" и дозой облучения [20].
Совокупная модель, в которой поток субстанций в ИБЭСС предложено характеризовань схемой Q - pt - Мвых, где Q
символизирует поток энергии, при некотором сочетании факторов внешней среды p , приводящий к получению
полезной продукции Мвых (рис. 5).
Рис. 5. К совокупной оценке энергоэффективности (слева) и экологичности (справа) светокультуры
Пусть имеется два варианта выращивания растений при сочетании факторов р1А и р^. Точки А и В соответствуют энергоемкости этих вариантов. При оптимальном
сочетании факторов р[пт энергоемкость выращивания минимальна (рис. 5, слева). Чем больше совокупность факторов отличается от оптимальной, тем большее значение принимает величина
энергоемкости.
Такой подход актуален с «технической» точки зрения, в плане обеспечения энергоэффективности путем варьирования факторов внешней среды. Однако не менее важно получение продукции надлежащего качества с «биологической» точки зрения, т.е. обеспечения экологичности. Получаемые растения должны обладать признаками или свойствами, численно характеризуемые некоторыми биометрическими параметрами или индексами !г. Рисунок 5, справа,
иллюстрирует принцип оценки
экологичности светокультуры по
соблюдению требования нахождения величин некоторых индексов (пример приведен для двух индексов /, и !2) в определенном допустимом интервале.
Пусть заданы оптимальные значения этих
/опт т опт
° и I2 , а так же их допустимые отклонения 51 и 52. Для примера показаны три варианта расположения точек на диаграмме, которым соответствуют определенные сочетания значений индексов: С^ЧЛС), ЩБД) и ЩЕ, !Е2 ) . При этом критерию экологичности удовлетворяет только точка Е, поскольку [Ц"1" -5] < ¡Е < [Г°пт + 5] и [Г™-5] <II < [Г2пт + 5]. Для точки Б это условия соблюдается лишь для второго индекса. Для точки С значения обоих индексов выходят за допустимые пределы.
Соблюдение требования
энергоэкологичности может символически быть записано в виде
ЭЭС =
[l.Эн : s(pi) ^ min, |2.Эк: I &[1°пт ±St ].
(4)
Здесь первое выражение является требованием обеспечения максимальной энергоэффективности светокультуры, при котором энергоемкость принимает минимально возможное значение.
Второе выражение задает требования нахождения индексов, характеризующих развитие растений, в области, достаточно близкой к оптимальным значениям. Это условие по сути является экологическим критерием. Тогда совокупное выполнение обоих условий выражения следует считать критерием энергоэкологичности
светокультуры [21].
В данной модели формируемый при контроле показатель является качественным и его численная оценка не предусмотрена.
Дифференциальная модель учитывает степень соответствия потоков энергии оптического излучения и вещества в процессе фотосинтеза.
Исходными данными для контроля ЭЭС в данной модели являются зависимости от времени дозы потока излучения Н = /(г), падающего на листья растения, и массы сухого вещества М = /(г), синтезируемого при этом в листе. Такие кривые получают экспериментально, по точкам, в характерные моменты времени онтогенеза растений. Пример кривых показан на рисунке 6, в квадрантах II и IV.
Далее исходные кривые перестраивают в кривые приращения дозы потока оптического излучения, потребленной растением в период выращивания ёН = / (г),
и изменения приращения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания dM = f (V) в виде соответствующих кривых с характерными точками.
В первом квадранте рисунка 6 показан итоговая кривая dH = /(dM). Может быть показано, что данная кривая является геометрическим местом конца вектора динамической энергоемкости
едт = Ш (dH / dM), то есть ее годографом.
Рис. 6. Построение годографа вектора динамической энергоемкости
светокультуры
Годограф, полученный для растений, выращиваемых в стандартных, наиболее оптимальных условиях, соответствующих НДТС, следует считать эталонным. Любые отклонения в условиях выращивания растений (температура, микроклимат, питание, облучение) в течение периода их выращивания оказывают влияние на процесс фотосинтеза и фотоморфогенеза. Особенно важно выявить влияние отклонения дозы фотонного потока оптического излучения на накопление сухого вещества. Такие отклонения, произошедшие за период
выращивания растений приводят к отклонению формы годографа от эталонной.
Пусть построено два годографа: dHO = /(dMО ) для оптимальных условий, и dHP = /(dMP) для реальных, для которых производится контроль ЭЭС. Численно степень близости годографов можно оценить по величине евклидова расстояния, среднему для всех N пар сравниваемых точек
кр _
K ЭЭС
1 N N Z \
dMp dMf
■-1
+
dHp dHf
-1
(5)
Смысл введенной формулы следующий: значение величины энергоэкологичности светокультуры в относительных единицах для данного варианта проведения технологического процесса
пропорционально степени близости годографов векторов динамической энергоемкости, оцениваемому по величине эвклидового расстояния между годографами для реальных, контроллируемых условий и для условий НДТС.
Чем меньшее значение принимает полученная величина, тем меньше годограф для реальных условий отличается от оптимального. Тем самым, введенный показатель может быть использован для контроля ЭЭС
Такой подход использован в работе [22]. По экспериментальным данным для двух условий выращивания растений строили годографы динамической энергоемкости по типу рис. 6. В качестве эталонного принимали годограф, построенный по результатам призводственного эксперимента в салатном отделении промышленной теплицы. При использовании индукционной лампы степень отклонения годографа от эталонного (Крэс =1,84) меньше, чем при использовании натриевой лампы (Крэс
2
2
=2,56), что свидетельствует о более высокой энергоэкологичности светокультуры с применением этого источника света.
Многомерная модель основана на оценке отклонений от траектории развития растения в п-мерном пространстве состояний, включая временную координату.
Рис. 7. Траектории развития растения в п-мерном пространстве состояний
Развитие растение от семени до созревания плодов может быть описано некоторой траекторией, которая при отсутствии негативных воздействий имеет вполне определенную форму (идеальная траектория И). Любые отклонения факторов окружающей среды вносят изменения в траекторию развития растений. Аналогично рассмотренной выше модели, траекторию развития растения для условий НДТС следует считать оптимальной (О). В процессе контроля энергоэкологичности строится реальная траектория развития растений (Р). По величине отклонения реальной траектории от оптимальной судят об энергоэкологичности светокультуры.
На рисунке 7 показаны примеры траекторий развития растений, используемые по предлагаемому методу для оценки энергоэкологичности светокультуры.
Численно определить значение
энергоэкологичности можно по величине евклидового расстояния, характеризующего
степень отклонения траекторий (Р) и (О), по формуле:
ТУ-Р K ЭЭС
l
Т.
-1 4P
i=1
fO (t)
dt (6)
J
где ю1 - весовой коэффициент / -го фактора;
£Р (г), (г) - величины /-го фактора
реальной и оптимальной траектории соответственно в определенные моменты времени;
Твег - период вегетации растения, дн.
Данная формула позволяет численно определить разницу между траекториями развития растений по траекториям (Р) и (О), представляющих собой набор зависимостей различных параметров от времени в п-мерном пространстве состояний. Чем выше значение полученного коэффициента, тем менее энергоэкологичным является процесс производства, тем более он уступает показателям производства для условий НДТС. Одним из наиболее важных моментов является то, что контроль ЭЭС можно проводить в любом временном интервале. Это позволит своевременно выявить отклонения от оптимальных условий светокультуры.
Методы и технические средства контроля энергоэкологичности
В лаборатории энергоэкологии
светокультуры ИАЭП получен ряд ключевых патентов на способы и устройства, обеспечивающие контроль ЭЭС.
Способ энергоэкоаудита светокультуры предназначен для использования при комплексном обследовании
энергоэффективности и экологичности светокультуры, в том числе при выращивании растений на конвейерных линиях. Способ направлен на получение
2
достоверной информации о динамике потоков продуктов фотосинтеза в растениях, выращиваемых в заданных условиях окружающей среды под действием потока излучения с заданными качественными и количественными показателями,
необходимой для оценке эффективности и последующей оптимизации
культивационного процесса. Сущность способа заключается в получении исходных данных для построения кривой годографа в координатах приращений массы сухого вещества, накопленного в листьях растения, и дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в течение периода выращивания. Об уровне энергоэкологичности светокультуры при данных производственных условиях судят по форме построенного годографа, при этом чем меньше степень отклонения кривой годографа от эталонной, тем выше энергоэкологичность светокультуры [23].
Устройство для определения энергоемкости фотосинтеза, содержащее блоки измерения облученности, задания времени облучения и фотопериода, измерения массы и площади листа растения, фиксации времени появления очередного листа на растении, сумматоры, блоки умножения, вычитания и деления, блок индикации. Технический результат состоит в обеспечении возможности оперативного определения энергоемкости фотосинтеза конкретного экземпляра растения за счет непрерывного получения и обработки информации о биометрических параметрах и облученности растения c выдачей конечного результата -энергоемкости фотосинтеза [24].
Устройство для моделирования параметров энергоэкологичности искусственной
биоэнергетической системы, содержащее источники потока вещества и потока энергии, счетчики потока вещества и потока
энергии, блоки учета рекуперации вещества и энергии, блоки определения энергетических и технологических параметров, блоки учета преобразования вещества и энергии, блок датчиков параметров, арифметико-логическое
устройство и устройство отображения информации. О параметрах
энергоэкологичности ИБЭС судят по сигналам, формируемым в блоках устройства при его работе [25].
Иерархическая информационная модель искусственной биоэнергетической системы, первый уровень иерархии которой содержит блоки параметров рыночного окружения, выбора оборудования,
энерготехнологических процессов
различного назначения,
сельскохозяйственного биологического
объекта, биологических и технических средств обеспечения, технических средств обеспечения микроклимата, возобновляемых источников энергии, блоки приборов учета потребляемой энергии, потока вещества и производимой продукции, блок управления. Второй уровень иерархии модели содержит счетчики потоков энергии и вещества, блок преобразования энергии, блок
преобразования вещества. Третий уровень иерархии модели содержит совокупность стандартных энергетических операторов, в соответствии с учитываемыми видами энергии выполненных с возможностью моделирования взаимозависимости
поперечной (ток, сила, поток и т.д.) и продольной (напряжение, скорость, давление и т.д.) координат. Работа модели заключается в формировании сигналов, соответствующим потокам вещества и энергии в системе и оптимизации режимов управления системой по критерию энергоемкости [26].
Измерительно-вычислительный комплекс периодического контроля и тестирования источников света для облучения растений, содержащий регулируемый многофазный блок питания в цепи электрического питания исследуемого источника света, блок управления шаговым двигателем,
дифракционную решетку монохроматора, фотодатчик, усилитель фототока, аналого-цифровой преобразователь, управляющий компьютер, датчики токов и напряжений в цепи электрического питания ИС, калиброванные шунты и прецизионные делители напряжения, преобразователь напряжения в цепи фототока, нормирующие усилители, коммутатор, блок буферных усилителей, который подключен к аналого-цифровому преобразователю, коммутатору, блоку управления шаговым двигателем и управляющему компьютеру. Технический результат - возможность комплексного контроля спектральных и электрических параметров источников света [27].
Лабораторный стенд для определения энергетической эффективности источников излучения для растений, содержащий клеммы для присоединения исследуемого источника, климатическую камеру, растение, блок обеспечения жизнедеятельности растения, устройство управления
облучением, датчик облученности, блок управления, датчики площади поверхности и массы сухого вещества в листе растения, первый, второй и третий преобразователи сигналов, таймер и блок индикации. Об энергетической эффективности
исследуемого источника судят по величиине энергоемкости фотосинтеза, определяемой через биометрические показатели листа растения [28].
Устройство для контроля
энергоэффективности искусственных
биоэнергетических систем, содержащее
комплект измерительных преобразователей, коммутатор, индикатор, сумматоры, двухпозиционные переключатели, делитель. При работе устройство подключают первичными преобразователями к контрольным точкам (энергетическим операторам) системы, определяют значения энергии в контрольных точках, с помощью коммутатора производят раздельное суммирование энергии с выходов преобразователей, подключенных к различным видам энергетических
операторов (консервативным и
диссипативным), формируют численное значение величины энергоемкости и отображают ее на индикаторе [29].
Анализатор спектральной энергоемкости потока оптического излучения, содержащий полихроматор с дифракционной решеткой, систему регистрации спектра, сумматоры энергии потока оптического излучения по количеству спектральных поддиапазонов, блоки деления, блоки задания нормируемых параметров энергии в спектральных поддиапазонах, блока определения максимального значения, блока индикации значения спектральной энергоемкости потока оптического излучения [30].
Способ определения энергоемкости потока оптического излучения в растениеводстве, при котором по результатам предварительных экспериментов или по литературным источникам задают нормативные для данного вида растений значения процентных долей энергии в отдельных спектральных диапазонах фотосинтетически активной радиации (ФАР); выделяют из общего потока излучения диапазон ФАР; измеряют энергию потока в отдельных спектральных диапазонах ФАР; вычисляют процентные доли энергии в отдельных спектральных диапазонах в отношении к энергии ФАР, по
предложенной формуле определяют значение энергоемкости потока оптического излучения [31].
Способ определения энергоемкости устройства электрического питания источников света, при котором задают интервалы напряжения питания в пределах наблюдаемого диапазона отклонения напряжения; находят вероятности попадания данной величины напряжения в соответствующий интервал напряжений на входе и выходе устройства электрического питания; для каждого интервала напряжения определяют коэффициент отклонения потребляемой источниками света энергии; вычисляют коэффициенты отклонения энергии на входе и выходе устройства электрического питания; определяют величину его энергоемкости как отношение коэффициента отклонения энергии на входе к коэффициенту отклонения энергии на выходе устройства электрического питания [32].
Способ энергосбережения в
энерготехнологических процессах (ЭТП), при котором разбивают весь
энерготехнологический процесс на этапы его проведения; устанавливают измерители энергии и измеряют или вычисляют энергию на каждом этапе; определяют энергоемкость этапов в исходном варианте проведения ЭТП; намечают энергосберегающие мероприятия (ЭСМ); определяются энергоемкости этапов при внедрении намеченных ЭСМ; вычисляют
коэффициенты эффективности ЭСМ; ЭТП проводят с применением таких ЭСМ на каждом этапе, что бы его общий коэффициент эффективности принимал максимальное значение [33].
Способ снижения энергоемкости при облучении растений, при котором формируют посредством источников
излучения воздействующий на растения поток оптического излучения с нормативным для растений данной культуры или текущей фазы их развития распределением энергии этого потока по фотосинтетически активным радиационным спектральным диапазонам, задают или измеряют действительные доли потока энергии каждого источника излучения в каждом спектральном диапазоне, определяют значения величины энергоемкости процесса облучения растений при использовании этих источников излучения, для облучения растений используют источники излучения с минимальным значением энергоемкости [34].
Перспективы обеспечения контроля ЭЭС на основе фенотипирования растений, искусственного интеллекта и цифровых технологий
Современные алгоритмы оптимального управления выращиванием растений в теплице требуют применения
соответствующих средств контроля. Для создания цифровой модели растения как обьекта контроля и управления необходима фиксация множества морфометрических и физиологических параметров растений и сведение первичной экспериментальной информации в единые базы данных. Это подразумевает работу с большими (порядка тысяч) экземпляров растений, но позволяет добиться максимального использования генетического потенциала растений за счет установления взаимосвязи между генотипом и фенотипом.
Предполагается, что до половины от общего количества вариаций фенотипа растений могут быть обусловлены факторами окружающей среды. Поэтому в таких масштабных измерениях необходим учет параметров среды, в которой выращиваются растния (температура, влажность, световой режим и т.д.).
На стыке биологии, информатики и инженерии в самое последнее время формируется новая область науки -феномика, основным понятием в которой является феном - совокупность форм проявления организма. В феноме отражается совокупность количественных и
качественных признаков растения на определенном этапе онтогенеза и в конкретных условиях окружающей среды. Феномика изучает закономерности процессов формирования, изменения и регуляции фенотипических проявлений растений.
Большие возможности предоставило применение в фенотипических
исследованиях методов регистрации цифровых изображений, систем машинного зрения и искусственного интеллекта. Тенденцией последнего времени является использование вместо отдельных
измерительных приборов
специализированных программно-
аппаратных комплексов (называемых феномными платформами), организованных по модульному принципу, что позволяет комплектовать их новыми компонентами, формируя необходимые функциональные возможности единого измерительного центра, адаптированного под конкретные экспериментальные нужды [35].
К настоящему времени создан и успешно развивается целый спектр феномных платформ, включающих в себя регистрирующие устройства, по своим характеристикам перекрывающие
максимально возможный на сегодняшний день диапазон неинвазивно тестируемых характеристик фенотипа. Технологический прорыв в феномике растений привел к ряду важных открытий в области
фундаментальной биологии и обозначил будущий прогресс в селекции и
сельскохозяйственной биотехнологии.
Следует отметить активное внедрение в феномику растений инновационных программных средств, инженерных решений, сенсорных и роботизированных систем.
Разработанные к настоящему времени платформы фенотипирования позволили создать технологию оценки эффективности фотосинтеза, описать фенотипические проявления для большого числа генов и связать их активность с конкретными физиологическими процессами, такими как фотосинтез, дыхание, стрессоустойчивость и контроль архитектоники побегов. Основной принцип работы феномных платформ - сбор данных, характеризующих морфологические и физиологические параметры фенотипа, их обработка и визуализация. Наиболее популярными феномными платформами являются LemnaTec (Германия), Photon Systems Instruments (Чехия), Qubit Phenomics (Канада), Phenomix (Франция), Phenospex (Австралия), Delta-T Devices Ltd. (Великобритания), Heinz Walz (Германия), WPS (Голландия), CropDesign (BASF, отделение в Бельгии), WIWAM (Бельгия), Rothamsted Research (Великобритания) и VBCF (Австрия). На их долю приходится почти 100% феномного оборудования. Российская наука в настоящее время отстает в этой области от мирового уровня [36]. Фенотипирование растений - важный инструмент для понимания их
взаимодействия с внешней средой и имеет большое значение для применения в практике растениеводства. В настоящее время эта технология находится в стадии быстрого развития.
Фенотипирование растений на основе получения цифровых моделей доказывает свою ценность не только в фундаментальной науке, но также в растениеводстве и точном земледелии, обеспечивая количественную
основу описания взаимодействия растений и окружающей среды [37].
Цифровое фенотипирование растений является ультрасовременной технологией комплексного, быстрого и прецизионного описания растений. Автоматизация процесса определения большого количества характеристик средствами компьютерного анализа изображений и показаний мультисенсорных датчиков позволяет получать разностороннюю информацию о состоянии растений под действием различных факторов, а в дальнейшем обеспечивают разработку алгоритмов оптимального управления светокультурой. Использование роботизированных систем и возможность круглогодичного выращивания экспериментальных растений позволяет многократно сэкономить рабочее время и трудозатраты, необходимые для проведения аналогичных работ в условиях «обычных теплиц» [38].
Применение феномного подхода при контроле ЭЭС позволит:
- на принципиально новом научном и методическом уровне изменять количественные признаки растений в желаемую сторону путем изменения факторов окружающей среды, в частности, световых условий выращивания;
- создать интеллектуальные теплицы с современными системами климатического контроля, источниками света, отдельыми элементами фенотипирующих платформ, а также системами сбора и обработки полученных данных на основе искусственного интеллекта;
- разработать протоколы выращивания качественной органической растительной продукции.
Заключение
Для разработки оптимальных технологии выращивания различных видов и сортов растений в светокультуре необходимо изучение влияния условий окружающей среды на биометрию, отдельные показатели которой являются диагностическими признаками состояния растений. В рамках энергоэкологического подхода оценка доли вклада воздействующих факторов среды выращивания растений в изменчивость биометрических показателей является основой оптимизации энергоэффективности светокультуры и обеспечения ее экологичности.
В искусственных условиях выращивания с применением дополнительных источников света, а особенно в случае, когда они являются единственными источниками, управление режимами облучения
предоставляет возможность влиять как на отдельные физиологические процессы в растении, так и в целом на стабильность развития растений, которая является одной из наиболее общих характеристик состояния развивающегося организма и
поддерживается на базе генетической коадаптации при оптимальных условиях развития.
Учитывая приоритетность вопросов сохранения природы и экологической устойчивости, необходимости минимизации затрат энергетических и прочих ресурсов в условиях современного высокоинтенсивного аграрного производства, важным является разработка удобного, точного и быстрого способа оценки степени влияния факторов окружающей среды на растения, методики комплексной оценки их состояния.
Произведенный обзор литературных источников показал, что
междисциплинарному
энергоэкологическому подходу к
технологическим и экологическим вопросам
производства, способам сокращения энергетических потерь с одновременным решением экологических проблем уделяется большое внимание в последнее время. Термин энергоэкология используется в работах, посвященных весьма широкому кругу проблем: при оценке эффективности использования топлива, оценке и выборе источников энергоснабжения, при оптимизации различных технологических процессов. Такой подход базируется на принятой модели рассматриваемой системы, имеющей свои особенности в зависимости от предметной области.
Наши исследования показали
перспективность такого подхода и в области светокультуры. Энергоэкология
светокультуры как междисциплинарное научное направление появилась в результате соединения научных и практических основ выращивания растений с применением источников света и экологического подхода (т.е. учета организации и функционирования надорганизменных систем при
культивировании растений в искусственных условиях, взаимоотношения растений с окружающей средой).
В рамках энергоэкологии светокультуры создана модель искусственной
биоэнергетической системы светокультуры, которая описывает формирование среды обитания растений под воздействием применяемых в теплице технологий.
Концепция наилучших доступных технологий светокультуры оказалась плодотворной в плане базы для сравнения имеющихся технологий и их лучших практик.
Для различных уровней ИБЭСС выявлен ряд частных моделей ЭЭС и, соответственно, методов ее контроля. В рамках каждой модели дана своя интерпретация понятию
ЭЭС, которой соответствует свой способ ее контроля.
Упрощенная модель рассматривает ЭЭС как производную величину от
энергоэффективности. Численной
характеристикой является величина энергоемкости.
Мультипликативная модель определяет коэффициент энергоэкологичности как произведение коэффициентов экологичности и энергоэффективности. В свою очередь, эти коэффициенты опреедяются через внутрении параметры ИБЭСС.
Совокупная модель качественно
характеризует ЭЭС как условие одновременного соблюдения условий энергоэффективности и экологичности.
Дифференциальная модель учитывает степень соответствия потоков энергии оптического излучения и вещества в процессе фотосинтеза.
Многомерная модель основана на оценке отклонений от траектории развития растения в мергомерном пространстве состояний.
Рассмотрен ряд патентов на способы и устройства, обеспечивающие контроль ЭЭС. Их использование в рамках интеллектуальной системы обеспечит энергоэффективность светокультуры и экологичности получаемой продукции за счет тонкого управления режимами выращивания растений с помощью светодиодных технологий.
В настоящее время усилия многих научных коллективов во всем мире направлены на создания междисциплинарной отрасли науки - феномики - на базе имеющегося научного задела в областях молекулярной биологии и физиологии растений, цифровых технологий, искусственного интеллекта и
математического моделирования. Разработка
методов автоматического определения фенотипических признаков необходима для проведения экспериментов по исследованию взаимосвязи генотипа и фенотипа, основанных на анализе больших массивов биометрических данных растений. Применение инструментария феномики в совокупности с светодиодными
технологиями управления стабильностью развития растений впервые предоставляет возможность создания технологий прецизионного управления их ростом и продуктивностью.
Фенотипирование является технологий феномики растений как научной
дисциплины, концентрирующейся на выявлении закономерностей формирования, организации и изменения фенотипа растения во взаимосвязи с влиянием внешних факторов. Область ее исследований лежит на стыке биологии, физиологии растений, физики, инженерии и компьютерных технологий. Применение технологии фенотипирования в агро- и биоценозах, в том числе в искусственных биоэнергетических системах (теплицах) при энерго- и экологическом мониторинге позволит обеспечить энергоэффективность и добиться повышения экологичности выпускаемой продукции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Белозеров Д.А. и др. Энергоэкология как основа устойчивого развития России: опыт, методология и перспективы: Монография. Дубна: Государственный университет «Дубна», 2017. 202 с.
2. Сорока Б.С. Использование топлива и загрязнение окружающей среды. Часть 1. Энергоэкология использования топлива и нормирование вредных выбросов. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2007. № 2. С. 39-52.
3. Субботин И.А. и др. Энергоэкологическая оценка использования различных генерирующих источников в сельском хозяйстве // Инженерные технологии и системы. 2019. Т. 29. № 3. С. 366-382.
4. Скороходов А., Полонский В. Вывод обобщенного энергоэкологического показателя эффективности использования топлива и работы котельной. Энергосбережение в Поволжье. 2013. 2003. Вып. № 1-2.
5. Большаков Б.Е., Кнауб Р.В., Шамаева Е.Ф., Игнатьева А.В. Энергоэкология катастроф как новое направление в науке устойчивого развития. Устойчивое инновационное развитие: проектирование и управление. 2018. Т. 14. № 1 (38). С. 1-31.
6. Ерёмкин А.И., Зиганшин М.Г. Совершенствование оценки санитарно-гигиенической и энергоэкологической эффективности систем очистки. Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2007. № 2 (8). С. 117-121.
7. Литовка О.П., Дедов Л.А., Павлов К.В., Федоров М.М. Структурно-динамический подход к исследованию эколого-экономических систем. Экономика промышленности. 2005. № 3(29). С. 52-63.
8. Карлин Л.Н., Музалевский А.А., Федоров М.П. Модифицированная модель природно-технической системы как элемент альтернативной стратегии охраны окружающей среды. Ученые записки
Российского государственного
гидрометеорологического университета. 2014. № 36. С.80-93.
9. Панова Г. Г. и др. Научно-технические основы оптимизации продукционного процесса в регулируемой агроэкосистеме // Агрофизика. 2011. №1. С. 29-37.
10. Федоров М.П. и др. Способ комплексного энергоэкологического обследования энергетических и промышленных объектов. Патент РФ № 2439625. 2010.
11. Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП): опыт систематического изложения. Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2009. № 12. С. 133-137.
12. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н. Энергоэкология светокультуры - новое междисциплинарное научное направление. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 90. С. 14-28.
13. Ракутько С.А. Энергоэкологичность как свойство искусственной биоэнергетической системы светокультуры. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 95. С. 77-89.
14. Купреенко А.И. Экологичность технологического процесса - фактор энергосбережения. Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2005. №6. С.20-21].
15. Ракутько С.А. Энергоемкость как критерий оптимизации технологических процессов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. №12. С. 54-56.
16. Ракутько С.А. Теория энергосбережения: научные абстракции и практическая конкретность. Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2013. № 31. С. 208-214.
17. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Оценка энергоэффективности источников оптического излучения для растений с позиций прикладной теории энергосбережения. Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2015. № 39. С. 359-366.
18. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Моделирование и численный анализ энергоэкологичности светокультуры. Сельскохозяйственные машины и технологии. 2019. Т. 13. № 3. С. 11-17.
19. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Mishanov A.P. Determination of plant developmental stability in plant lighting with hyperspectral imaging. Agricultural Machinery and Technologies. 2021. Т. 15. №1. С. 4-8.
20. Мишанов А.П., Маркова А.Е., Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Оценка энергоэкологичности светокультуры салата с использованием натурной модели искусственной биоэнергетической системы. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 91. С. 36-45.
21. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Васькин А.Н. Способ оценки оптического излучения в светокультуре по стабильности развития облучаемых растений. Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2020. № 58. С. 142-149.
22. Васькин А.Н., Ракутько С.А. Энергосбережение и энергоэкоаудит в светокультуре. Известия Санкт-
Петербургского государственного аграрного университета. 2018. № 3 (52). С. 265-273.
23. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Васькин
A.Н., Забодаев Д.П., Горбатенко Н.А. Способ энергоэкоаудита светокультуры. Патент на изобретение РФ №2645975, 28.02.2018. Заявка № 2016124940 от 21.06.2016.
24. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Аюпов М.Р. Устройство для определения энергоемкости фотосинтеза. Патент на изобретение РФ №2580361, 10.04.2016. Заявка № 2015113577/13 от 13.04.2015.
25. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Бровцин
B.Н., Мишанов А.П., Маркова А.Е. Устройство для моделирования параметров энергоэкологичности искусственной биоэнергетической системы. Патент на полезную модель РФ №161145, 10.04.2016. Заявка № 2015137460/11 от 02.09.2015.
26. Ракутько С.А. Иерархическая информационная модель искусственной биоэнергетической системы. Патент на изобретение РФ №2562421, 10.09.2015. Заявка № 2014103138/08 от 29.01.2014.
27. Ракутько С.А., Карпов В.Н., Гулин С.В., Мельник В.В. Измерительно-вычислительный комплекс периодического контроля и тестирования источников света для облучения растений. Патент на изобретение РФ № 2368875, 27.09.2009. Заявка № 2008122610/28 от 04.06.2008.
28. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Лабораторный стенд для определения энергетической эффективности источников излучения для растений. Патент на полезную модель РФ №155561, 10.10.2015. Заявка № 2015115449/10 от 23.04.2015.
29. Ракутько С.А., Жидков В.А., Пацуков А.Э. Устройство для контроля энергоэффективности искусственных биоэнергетических систем. Патент на
изобретение РФ №2528577, 20.09.2014. Заявка № 2013121159/28 от 07.05.2013
30. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Судаченко В.Н., Таличкин С.В. Анализатор спектральной энергоемкости потока оптического излучения. Патент на полезную модель РФ №119876, 27.08.2012. Заявка № 2012113017/28 от 03.04.2012.
31. Ракутько С.А. Способ определения энергоемкости потока оптического излучения в растениеводстве. Патент на изобретение РФ №2405307, 10.12.2010. Заявка № 2009126021/21 от 06.07.2009.
32. Ракутько С.А. Способ определения энергоемкости устройства электрического питания источников света. Патент на изобретение РФ №2406095, 10.12.2010. Заявка № 2009126313/28 от 08.07.2009.
33. Карпов В.Н., Ракутько С.А. Способ энергосбережения в энерготехнологических процессах. Патент на изобретение РФ №2357342, 27.05.2009. Заявка № 2008115845/09 от 21.04.2008.
34. Ракутько С.А. Способ снижения энергоемкости при облучении растений. Патент на изобретение РФ №2387126, 27.04.2010. Заявка № 2008127673/12 от 07.07.2008
35. Fahlgren N., Gehan M.A, Baxter I. Lights, camera, action: high-throughput plant phenotyping is ready for a close-up. Current Opinion in Plant Biology, 2015. No. 24: 93-99.
36. Афонников Д.А., Генаев М.А., Дорошков А.В., Комышев Е. Г., Пшеничникова Т.А. Методы высокопроизводительного фенотипирования растений для массовых селекционно-генетических экспериментов // Генетика.- 2016.- том 52.- № 7, с. 788-803.
37. Pieruschka R., Schurr U. Plant Phenotyping: Past, Present, and Future. Plant Phenomics. 2019. Vol. 2019, Article ID 7507131, 6 p.
38. Демидчик В. В. и др. Феномика растений: фундаментальные основы, программно-
аппаратные платформы и методы машинного обучения // Физиология растений. 2020. Т. 67. № 3. С. 227-245.
REFERENCES
1. Belozerov D.A. et al. Energoekologiya kak osnova ustojchivogo razvitiya Rossii: opyt, metodologiya i perspektivy: Monografiya [Energy Ecology as the Basis for Sustainable Development of Russia: Experience, Methodology and Prospects: Monograph]. Dubna: Gosudarstvennyj universitet «Dubna», 2017: 202 p. (In Russian)
2. Soroka B.S. Ispol'zovanie topliva i zagryaznenie okruzhayushchej sredy. CHast' 1. Energo-ekologiya ispol'zovaniya topliva i normirovanie vrednyh vybrosov [Fuel utilisation and environment pollution. Part 1. Energy and ecology aspects of fuel utilisation and standardising of hazardous emissions]. Energetika. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij i energeticheskih ob"edinenij SNG. 2007. No. 2: 39-52 (In Russian)
3. Subbotin I.A. et al. Energoekologicheskaya ocenka ispol'zovaniya razlichnyh generiruyushchih istochnikov v sel'skom hozyajstve [Energy and environment assessment of agricultural application of power generating sources] Inzhenernye tekhnologii i sistemy. 2019. vol. 29. No. 3: 366-382. (In Russian)
4. Skorohodov A., Polonskij V. Vyvod obobshchennogo energoekologicheskogo pokazatelya effektivnosti ispol'zovaniya topliva i raboty kotel'noj [Derivation of a generalized energy-ecological indicator of fuel efficiency and boiler operation]. Energosberezhenie v Povolzh'e. 2003. No. 1-2. (In Russian)
5. Bolshakov B.E., Knaub R.V., SHamaeva E.F., Ignat'eva A.V. Energoekologiya katastrof kak novoe napravlenie v nauke ustojchivogo razvitiya [Energy and ecological efficiency of disasters as a new direction in the science of sustainable development]. Ustojchivoe innovacionnoe razvitie: proektirovanie i upravlenie. 2018. vol. 14. No. 1 (38): 1-31. (In Russian)
6. Eryomkin A.I., Ziganshin M.G. Sovershenstvovanie ocenki sanitarno-gigienicheskoj i energoekologicheskoj effektivnosti sistem ochistki [The improvement of an estimation of sanitary and hygienic, energy and ecological efficiency of clearing systems]. Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2007. No. 2 (8): 117-121. (In Russian)
7. Litovka O.P., Dedov L.A., Pavlov K.V., Fedorov M.M. Strukturno-dinamicheskij pod-hod k issledovaniyu ekologo-ekonomicheskih system [Structural-dynamic approach to research of ecological-economic systems]. Ekonomika promyshlennosti. 2005. No. 3(29): 52-63 (In Russian)
8. Karlin L.N., Muzalevskij A.A., Fedorov M.P. Modificirovannaya model' prirodno-tekhnicheskoj sistemy kak element al'ternativnoj strategii ohrany okruzhayushchej sredy [Modified model of natural-technical system as an element of an alternative environmental protection strategy]. Uchenye zapiski
Rossijskogo gosudarstvennogo
gidrometeorologicheskogo universiteta. 2014. No. 36: 80-93. (In Russian)
9. Panova G. G. et al. Nauchno-tekhnicheskie osnovy optimizacii produkcionnogo processa v reguliruemoj ag-roekosisteme[Scientific and technical principles of production process optimization in the controlled agroecosystem]. Agrofizika. 2011. No.1: 29-37. (In Russian)
10. Fedorov M.P. et al. Sposob kompleksnogo energoekologicheskogo obsledovaniya ener-geticheskih i promyshlennyh ob"ektov [Method for a comprehensive energy and environmental survey of energy and industrial facilities]. Patent RF № 2439625. 2010. (In Russian)
11. Rakutko S.A. Prikladnaya teoriya energosberezheniya v energotekhnologicheskih proces-sah (PTEETP): opyt sistematicheskogo izlozheniya [Applied theory of energy saving in energy technological processes (PTEETP): experience of systematic presentation]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarst-vennogo agrarnogo universiteta. 2009. No. 12: 133-137. (In Russian)
12. Rakutko S.A., Markova A.E., Mishanov A.P., Rakutko E.N. Energoekologiya svetokul'-tury - novoe mezhdisciplinarnoe nauchnoe napravlenie [Energy and ecological efficiency of indoor plant lighting as a new interdisciplinary research area]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No. 90: 14-28. (In Russian)
13. Rakutko S.A. Energoekologichnost' kak svojstvo iskusstvennoj bioenergeticheskoj sistemy svetokul'tury [Energy and ecological efficiency as the property of the artificial bioenergetic system of indoor plant lighting]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 95: 77-89. (In Russian)
14. Kupreenko A.I. Ekologichnost' tekhnologicheskogo processa - faktor energosberezheniya [Environmental friendliness of the technological process - a factor of energy saving]. Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2005. No. 6: 20-21. (In Russian)
15. Rakutko S.A. Energoemkost' kak kriterij optimizacii tekhnologicheskih processov [Energy capacity as a criterion for optimizing technological processes]. Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2008. No.12: 54-56. (In Russian)
16. Rakutko S.A. Teoriya energosberezheniya: nauchnye abstrakcii i prakticheskaya konkret-nost' [Energy saving theory: scientific abstractions and practical specificity]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2013. No. 31: 208-214. (In Russian)
17. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Ocenka energoeffektivnosti istochnikov opticheskogo iz-lucheniya dlya rastenij s pozicij prikladnoj teorii energosberezheniya [The evaluation of energy effectiveness of light sources for plants according to applied theory of power saving]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015. No. 39: 359-366.
(In Russian)
18. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Modelirovanie i chislennyj analiz energoekologichnosti svetokul'tury [Simulation and numerical analysis of energy-and-ecological compatibility of indoor plant lighting]. Sel'skohozyajstvennye mashiny i tekhnologii. 2019. vol. 13. No. 3: 1117. (In Russian)
19. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Mishanov A.P. Determination of plant developmental stability in plant lighting with hyperspectral imaging. Agricultural Machinery and Technologies. 2021. T. 15. № 1. C. 4-8.
20. Mishanov A.P., Markova A.E., Rakut'ko S.A., Rakut'ko E.N. Ocenka energoekologichno-sti svetokul'tury salata s ispol'zovaniem naturnoj modeli iskusstvennoj bioenergetiche-skoj sistemy [Assessment of energy and ecological performance of indoor plant lighting of lettuce: case study of a full-scale model of artificial bio-energy system]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017. No. 91: 36-45. (In Russian)
21. Rakut'ko S.A., Rakut'ko E.N., Vas'kin A.N. A method for assessing of optical radiation in light culture on stability of irradiated plants development. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018. No. 3 (52): 265-273. (In Russian)
22. Vas'kin A.N., Rakut'ko S.A. Energosberezhenie i energoekoaudit v svetokul'ture [Energy saving and energy audits in greenhouse horticulture]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018. No. 3 (52): 265-273. (In Russian)
23. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Vaskin A.N., Zabodaev D.P., Gorbatenko N.A. Sposob energoekoaudita svetokul'tury [Method of energy-ecological audit of artificial plant lighting]. Patent on invention RF №2645975, 2018 (In Russian)
24. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Ayupov MR. Ustrojstvo dlya opredeleniya energoemkosti fotosinteza [A device for determining the energy intensity of photosynthesis]. Patent on invention RF №2580361,2016. (In Russian)
25. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Brovtsin V.N., Mishanov A.P., Markova A.E. Ustrojstvo dlya modelirovaniya parametrov energoekologichnosti iskusstvennoj bioenergeticheskoj sistemy [A device for modeling the parameters of the energy-ecological compatibility of an artificial
bioenergy system]. Useful model patent RF №161145, 2016. (In Russian)
26. Rakutko S.A. Ierarhicheskaya informacionnaya model' iskusstvennoj bioenergetiche-skoj sistemy [Hierarchical information model of an artificial bioenergetic system]. Patent on invention RF №2562421. 2015. (In Russian)
27. Rakutko S.A., Karpov V.N., Gulin S.V., Mel'nik V.V. Izmeritel'no-vychislitel'nyj kompleks periodicheskogo kontrolya i testirovaniya istochnikov sveta dlya oblucheniya rastenij [Measuring and computing complex for periodic control and testing of light sources for irradiation of plants]. Patent on invention RF № 2368875, 2009. (In Russian)
28. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Laboratornyj stend dlya opredeleniya energeticheskoj ef-fektivnosti istochnikov izlucheniya dlya rastenij [Laboratory stand for determining the energy efficiency of radiation sources for plants]. Useful model patent RF №155561, 2015. (In Russian)
29. Rakutko S.A., Zhidkov V.A., Patsukov A.E. Ustrojstvo dlya kontrolya energoeffektivno-sti iskusstvennyh bioenergeticheskih system [A device for monitoring the energy efficiency of artificial bioenergy systems]. Patent on invention RF №2528577, 2014. (In Russian)
30. Rakutko S.A., Markova A.E., Mishanov A.P., Sudachenko V.N., Talichkin S.V. Analiza-tor spektral'noj energoemkosti potoka opticheskogo izlucheniya [Analyzer of the spectral energy intensity of the optical radiation flux]. Useful model patent RF №119876, 2012. (In Russian)
31. Rakutko S.A. Sposob opredeleniya energoemkosti potoka opticheskogo izlucheniya v ras-tenievodstve [A method for determining the energy intensity of an optical radiation flux
in plant growing]. Patent on invention RF №2405307, 2010. (In Russian)
32. Rakutko S.A. Sposob opredeleniya energoemkosti ustrojstva elektricheskogo pitaniya istochnikov sveta [Method for determining the energy intensity of a device for electric power supply of light sources]. Patent on invention RF №2406095, 2010. (In Russian)
33. Karpov V.N., Rakutko S.A. Sposob energosberezheniya v energotekhnologicheskih processah [Energy saving method in energy technological processes]. Patent on invention RF №2357342, 2009. (In Russian)
34. Rakutko S.A. Sposob snizheniya energoemkosti pri obluchenii rastenij [A method for reducing energy consumption during irradiation of plants]. Patent on invention RF №2387126, 2010. (In Russian)
35. Fahlgren N., Gehan M.A, Baxter I. Lights, camera, action: high-throughput plant
phenotyping is ready for a close-up. Current Opinion in Plant Biology, 2015. No. 24: 93-99.
36. Afonnikov D.A., Genaev M.A., Doroshkov A.V., Komyshev E. G., Pshenichnikova T.A. Metody vysokoproizvoditel'nogo fenotipirovaniya rastenij dlya massovyh selekcionno-geneticheskih eksperimentov [Methods of high-throughput plant phenotyping for large-scale breeding and genetic experiments]. Genetika. 2016. Vol. 52. No. 7: 788-803. (In Russian)
37. Pieruschka R., Schurr U. Plant Phenotyping: Past, Present, and Future. Plant Phenomics. 2019. Vol. 2019, Article ID 7507131, 6 p.
38. Demidchik V. V. et al. Fenomika rastenij: fundamental'nye osnovy, programmno-apparatnye platformy i metody mashinnogo obucheniya [Plant phenomics: fundamental bases, software and hardware platforms, and machine learning]. Fiziologiya rastenij. 2020. vol. 67. No. 3: 227-245. (In Russian)
