CC BY
65
УДК 631.223.2.001.891
НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ИННОВАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ С ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ СИСТЕМАМИ ДЛЯ ЖИВОТНОВОДСТВА
Ю.А. Иванов, член-корреспондент РАСХН, директор
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: [email protected]
В статье представлены разработки в области искусственного интеллекта и комплекс инновационных технологий, позволяющих управлять процессами на фермах и повысить качество производимого молока. Ключевые слова: интеллектуальные фермы, экономико-математические модели, роботизированные комплексы, интеллектуальный контроль, интеллектуальные системы управления стадом, интеллектуализация процессов приготовления и раздачи полнорационных кормосмесей, интеллектуальные системы микроклимата, микропроцессорная система управления уборкой навоза.
ГНУ ВНИИМЖ является головным научным учреждением ФАНО РФ по проблемам механизации и автоматизации животноводства, осуществляет координацию НИР в стране по разработке технологий и созданию техники нового поколения, большое внимание уделяется фундаментальным научным исследованиям.
В исследованиях учеными института используются достижения отечественной и мировой науки в области повышенных требований к качеству продукции, обеспечению условий функционирования животных с учетом физиологических потребностей, охране окружающей среды и многое другое.
Данные разработки могут быть выполнены только на основе создания и применения технологических комплексов машин с высоким уровнем автоматизации и интеллектуализации производства, обеспечивающих выполнение процессов с учетом функциониро-
вания биологических ритмов животных (самонастраивающиеся интеллектуальные машины).
Интеллект (от лат. Intellectus - понимание). В прошлом предлагалось довольно много определений интеллекта. Под современным определением интеллекта понимается способность к осуществлению процесса познания и эффективному решению проблем. Согласно академику Н.Н. Моисееву, интеллект - это, прежде всего, целеполага-ние, планирование ресурсов и построение стратегии достижения цели.
Интеллект может актуализироваться только в информационном пространстве. Объединение в понятии интеллекта категорий, связанных с познавательным процессом, соответственно предполагает изучение каждой из этих категорий в отдельности. Кроме того, должны быть рассмотрены и некоторые иные слагаемые, из которых составляется личность человека. Согласно концепции Гилфорда [1] эти способности могут быть описаны в пространстве трех переменных (рис. 1).
Данная кубическая модель - попытка определить каждую из 120 специфических способностей, исходя из трех размерностей мышления: о чем мы думаем (содержание), как мы об этом думаем (операция) и к чему приводит это умственное действие (результат). Например, при заучивании таких символических обозначений, как сигналы азбуки Морзе (Е-1-2, т.е. познание-элемент-символ), при запоминании семантических преобразований, необходимых для спряжения глагола
в том или ином времени ^-У-3, т.е. память-преобразования-семантическое) или при оценке изменений в поведении, когда необходимо пойти на работу по новому пути (А-У-4, т. е. оценка-преобразование-поведение), вовлекаются совсем различные типы интеллекта.
ОЛЕ РАЦИИ
Рис. 1. Структура интеллекта по Дж. П. Гилфорду
Интеллект как способность обычно реализуется при помощи других способностей, - способности познавать, обучаться, мыслить логически, систематизировать информацию путем ее анализа, определять ее применимость (классифицировать), находить в ней связи, закономерности и отличия, ассоциировать ее с подобной и т. д. Выделяются биофизические параметры «интеллектуальной энергетики»: количество информации, ускорение (частота, скорость) и расстояние ее передачи - с объединением их в «формулу интеллекта».
В середине XX века начинается история нового научного направления - искусственного интеллекта. Нередко искусственным интеллектом называют и простейшую электронику, чтобы обозначить наличие датчиков и автоматический выбор режима работы. Слово «искусственный» в этом случае означает, что не стоит ждать от системы умения найти новый режим работы в непредусмотренной разработчиками ситуации.
Участники Российской ассоциации искусственного интеллекта дают ему следующее определение: «Наука под названием
«Искусственный интеллект» входит в комплекс компьютерных наук, а создаваемые на ее основе технологии к информационным технологиям. Задачей этой науки является воссоздание с помощью вычислительных систем и иных искусственных устройств разумных рассуждений и действий [2].
Существует масса приложений искусственного интеллекта, каждое из которых образует почти самостоятельное направление. Интеллектуальность требуется роботам, чтобы манипулировать объектами, выполнять навигацию с проблемами локализации (определять местонахождение, изучать ближайшие области) и планировать движение (как добраться до цели). Примером интеллектуальной робототехники могут служить роботы в животноводстве в целях доения, уборки навоза, стрижки овец и т.д.
Сегодня роботизированные коровники нельзя рассматривать с позиции применения робота на каком-то одном технологическом этапе. Это комплексный подход, и поэтому требуется внести ясность в терминологию. Робот-ферма - это не только роботизированное доение, хотя производительность при переходе с линейной дойки на доильный зал увеличивается примерно в 2,1-2,2 раза. Даже при переходе с «Карусели» на «робот» производительность увеличивается еще на 30%.
В чем суть направления «Умная молочная ферма»? Это пакет технических и технологических решений, который позволяет производителю получить максимальную выгоду в количестве и качестве молока при оптимальных затратах, произвести экологически чистое молоко и продукты из него в условиях минимального потребления воды и энергии. И немаловажно - максимально заботиться о коровах, создать комфортные условия. А также благодаря автоматизации и роботизации основных процессов труд животновода становится более привлекательным.
Экономико-математические модели животноводческих предприятий. Очевидно, что устаревшие методы ведения хозяйства, применение высокозатратных, энергоемких технологий, устаревших моделей ма-
шин, несовершенного оборудования, неэффективных форм организации труда не могут обеспечить получение конкурентоспособной продукции. Необходима глубокая модернизация или новое строительство. Как правило, до 10% инвестиций в общей сумме уходит на проектные работы. Для сокращения времени на принятие управленческих решений и повышения их эффективности необходимы экономико-математические модели животноводческих предприятий, реализуемые с помощью компьютерных программ, позволяющие быстро определить технико-экономические параметры предприятия, сравнить эффективность различных технологий и технических средств, определить капитальные и эксплуатационные затраты, себестоимость продукции, ее структуру и рентабельность производства.
В качестве примера можно привести структурную (рис. 2) и логическую (рис. 3) блок-схемы разработанной во ВНИИМЖе экономико-математической модели молочно-товарной фермы, позволяющей определить рациональные технико-экономические 1- — параметры предприятия посредством изменения вводимых исходных данных и характеристик сооружений и технических средств.
Роботизированные комплексы. Специалисты молочного скотоводства понимают, что доильные роботы в наибольшей степени отвечают физиологии доения коров. Но комплекс требований к технико-экономическим показателям эффективности использования доильных установок значительно шире. Среди них - объем капвложений в систему доения, производительность операторов фермы (затраты труда на 1 ц молока), обеспечение здоровья вымени, качество молока.
ЛОГИЧЕСКАЯ БЛОК-СХЕМА ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Обратная гкять Пролуктнвк, Урожайность кормой Мощность фермы Технология годержатш Коэффициент кооперации Обрятняясвтк • 1
Поста новоч нор поголовье
| Расч И" потребностей: площядн. кормях. воде. пашне, подстилке. ветп репа рати х и пр. Цывор технологии производственны* процессов: кормления, доення. удяленни наводя н др. |
_К_
Выбор техн нческнх средств и оборудования для выбранных технологий
Расчёт технологических процессов: кормления, доения, удаления навоза и пр.
Расчйттехнико-экономических показателей процессов и всей фермы
и-
1 1 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ: !
Кшмтапьные вложенля I1- Головые эксплуатационные тятраты - '
Г.'ебегтошюстъ }9шка
Н|Ч1йЫ.1Ь. ~ - 11,1. ;
Рис. 2. Структурная блок-схема экономико-математической модели молочно-товарной фермы
Рис. 3. Логическая блок-схема экономико-математической модели молочно-товарной фермы
Практика работы хозяйств, успешно реализовавших проекты по созданию роботизированных ферм, показывает, что хозяйства, оснащенные роботами, всегда на шаг впереди конкурентов. Все это является основанием для более широкого эффективного применения роботов на фермах России.
Немногие знают, что научные разработки роботов для животноводства начались в конце прошлого столетия в Нидерландах и США. Наиболее высокие темпы коммерческих продаж роботов-дояров были зафиксированы в 2007 г. Всего в мире на начало 2007 г. существовало 4 000 роботов, а уже на начало 2008 г. насчитывалось уже более 6 000 ферм с системами автоматического доения. Перспективы в этой отрасли таковы,
что в ближайшее десятилетие число таких ферм будет быстро расти. В 2015 г. каждый 10-й голландский фермер на своей ферме будет иметь робота-дояра [3].
В мире на сегодняшний день более 1,5 млн коров доится на более чем 35 000 роботах, т. е. в год прибавляется 3 000 интеллектуальных машин.
Для снижения балансовой и удельной стоимости (объема капвложений на одну корову) фирмы освоили производство роботизированных систем с 2-5 боксами, обслуживаемыми одним роботом для надевания стаканов на соски вымени. Экономически выгоднее на ферме с 126 дойными коровами использовать роботизированную систему с тремя доильными боксами. Если на комплексе на 1000 дойных коров использовать вместо 16 однобоксовых роботов 8 роботизированных трехбоксовых систем, то это обеспечит экономию 27 млн руб. капвложений. Кроме этого, необходимо учитывать более высокие затраты на один робот, связанные с постоянным наблюдением специалиста фермы за данными компьютера и сервисным обслуживанием дилерским центром фирмы-поставщика роботов.
Доильные роботы привлекают производителей молока своими достоинствами. Их применение обеспечивает существенное сокращение ручного труда, постоянный зооветеринарный контроль состояния коров. Щадящий режим без стрессов добровольного физиологичного доения снижает заболеваемость коров маститом, повышает качество молока за счет более высокой гигиены доения и исключения из общей массы «мастит-ного» молока. Своевременное выявление коров «в охоте» и их осеменение обеспечивают сокращение межотельного периода, рост продуктивности коров за счет более частого доения в сутки по сравнению с традиционным двухразовым на 10-15%, а по сравнению с трехразовым доением части коров «на раздое» - на 5-8%. Роботизированные комплексы обеспечивают индивидуальное дозированное скармливание комбикормов; возможность своевременного принятие мер к устранению нарушений технологических процес-
сов при получении информации на мобильный телефон.
Выполненные во ВНИИМЖе расчеты показывают [4], что при определенных условиях высокая степень автоматизации технологических процессов повысит продуктивность коров, потенциально позволит организовать рентабельное производство молока, достичь на таких фермах производительности труда и экономических показателей мирового уровня: затраты труда на производство 1 ц молока - 0,7-1,2 чел-ч; производство молока на одного работника - от 115 до 290 т.
Управление стадом. Современная система управления стадом предусматривает идентификацию животных, контроль текущей молокоотдачи, индивидуальных удоев, данных о параметрах качества молока по содержанию жира, белка, крови, соматических клеток, мониторинг двигательной активности, походки животных.
Электронная система позволяет контролировать состояние здоровья животных, сигнализировать об отклонениях в процессах, выявлять охоту, управлять входными и выходными воротами, предоставлять информацию о состоянии производства и решать другие задачи.
В настоящее время только около 7% ферм в РФ оснащены такими системами, в развитых странах уровень оснащения до 98%, как в Израиле. Стоимость электронной системы управления стадом в настоящее время составляет несколько миллионов рублей, однако затраты на нее окупаются за 2-2,5 года.
Компонентный состав системы управления стадом:
1. Датчики электронной идентификации животных, которые помимо идентификации животных обеспечивают передачу в компьютер звука при пережевывании кормов, температуру тела, частоту дыхания. Это позволяет контролировать состояние здоровья поголовья, наступление «охоты» и т. д. Кроме того, идентификационные имплантаты предоставят всю информацию о здоровье животного.
2. Электронные проточные измерители потока молока отслеживает надой, проводи-
мость молока и молокоотдачу. Проточный измеритель может быть установлен отдельно или в качестве части полной компьютерной системы, которая передает и сохраняет данные в центральном компьютере:
- измерение надоя и молокоотдачи;
- измерение и отображение проводимости молока;
- информация о лактации отдельных дойных коров;
- управление входными и выходными воротами;
- возможность отправки сообщений и кодов;
- прямое подключение к автоматической идентификации;
- информирует о снятии доильного аппарата;
- обращает внимание обслуживающего персонала на проблемных коров;
- информирует о коровах, дающих молозиво, проходящих лечение антибиотиками и т. п.;
- обеспечивает возможность настройки параметров.
3. Респондеры обеспечивают:
- самое точное отслеживание активности движения;
- непрерывный контроль стада в течение 24 часов;
- лучший контроль «охоты» позволяет сократить потери у высокоудойных коров;
- уменьшение количества повторяемых осеменений благодаря точной сигнализации «охоты»;
- обнаружение коров с тихим и непродолжительным периодом охоты;
- отслеживание состояния здоровья.
4. Система определения охоты. Производит круглосуточный мониторинг активности каждой коровы и автоматически сигнализирует о наличии в стаде коров в охоте и/или коров с низким уровнем активности. Например, в системе Неайте точность определения охоты до 97%. Ясно видимое графическое обозначение наступления охоты основано на измерении активности коровы с 2-часовым интервалом. Мигающая лампа на корпусе терминала данных сигнализирует о
наличии в стаде коров в охоте, и на дисплее открывается список коров в охоте с указанием оптимального времени осеменения.
5. Устройства анализа походки. Например, Step Metrix фирмы Bou Matic Gascoigne Ме-lotte представляет собой узкую проходную платформу, при движении животного по ней фиксирует и анализирует его текущую шаговую схему движения. Компьютерный анализ на предмет выявления отклонений от нормальной схемы движения животного позволяет выявить состояния, требующие внимания обслуживающего персонала.
6. Селекционные ворота. Автоматическая система обеспечивает пропуск животного в зону, определенную для него оператором с пульта либо программой управления стадом с компьютера. Подходя к воротам, животное идентифицируется транспондером и с помощью соответствующих створок продвигается в нужном направлении.
Интеллектуальный контроль и управление продуктивностью и качеством продукции. Успешность применения интеллектуального инженерного оборудования ферм в значительной степени зависит как от определенных свойств оборудования, так и соответствующих инструментов контроля и управления продуктивностью и качеством продукции. В этой связи создание инфраструктурного механизма поддержки и развития отрасли на федеральном и региональном уровнях через повышение качества и безопасности отечественной продукции становится насущной необходимостью.
ГНУ ВНИИМЖ ведет научно-практическую работу в данном направлении, а именно в области управления качеством сырьевой базы, технологическими параметрами продуктивности и здоровья животных.
С 2007 г. работает лаборатория определения качества молока.
Данный инновационный ресурс востребован сельхозтоваропроизводителями. В лабораторию поступают пробы молока более чем из 40 хозяйств 9 областей России. Список оцениваемых параметров поступающих проб молока довольно обширный, он включает современные параметры и интерпрета-
цию результатов оценки «белок-жир-лакто-за-соматика-мочевина», а также ряд других показателей по желанию потребителя. Обработка данных ведется комплексно с помощью разработанной ГНУ ВНИИМЖ компьютерной программы, которая позволяет в оперативном режиме вести мониторинг обмена веществ у животных, сбалансированности рационов, здоровья вымени и по ряду других важных событий, происходящих на фермах.
Научно-практическая работа с измеряемыми параметрами молока является комплексной и объединяет три основных направления:
Первое - это управление продуктивностью, здоровьем вымени и качеством продукции. Оно представляет производителю в распоряжении четкие индикаторы для принятия оперативных управленческих решений.
Второе - направление регулирования цен путем независимой экспертизы, где все процедуры оценки проводятся согласно техническому регламенту, региональным стандартам и требованиям.
Третье направление - это повышение качества сырьевой базы для тех участников рынка, где пытаются сделать производство молочных продуктов оптимальным под лозунгом «из лучшего сырого молока - лучшая молочная продукция без потерь»!
Второе и третье направления работы важны для обеспечения реализации ФЦП «Развитие сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы». К сожалению, в настоящее время работы по данным направлениям ведутся по отдельным запросам.
Таким образом, отработана интеллектуальная система, которая включает комплекс научно-практических исследований, направленных на совершенствование технологий и технических средств, а также комплекс мер по обеспечению непрерывного контроля качества молочного сырья и здоровья животных. При этом высветилась важность такой системы для государства, которая с одной
стороны, заключается в систематическом контроле качества сырья, с другой - в накоплении и анализе оперативной информации по каждому животному на протяжении всей его жизни, что является основой повышения уровня молочной продуктивности в целом.
Вышеописанный инфраструктурный механизм и инженерное обеспечение его реализации является реальной поддержкой производителей молока в области системного контроля качества молока и здоровья животных для принятия эффективных управленческих решений. В совокупности это позволяет повышать эффективность производства не менее чем в 1,3 раза, а рост селекционного прогресса в молочных стадах до 10% ежегодно.
Накопленный ГНУ ВНИИМЖ научно-практический опыт по изложенным направлениям работ приблизил нас к разработке концепции научно-технической программы национальной системы независимой экспертизы молока и мониторинга качества сырья в рамках Союзного государства. Задействованное для выполнения данного направления работ оборудование является самым современным, а статус лаборатории - лучшей в СНГ. Оценочная программа лабораторных анализов в сборном молоке (молочного жира, белка и мочевины в молоке) при сопоставлении с валовым надоем позволяет иметь контрольный график (молочный). Он отражает все процессы, которые могут происходить со стадом в зависимости от протекания производственных циклов и метаболизма лактирующих коров.
Данное направление работы позволяет хозяйствам видеть многие скрытые взаимосвязи, работать над поиском решений и корректировать планы развития предприятия.
Интеллектуализация процессов приготовления и раздачи полнорационных кормосмесей. Правильное кормление коров очень важно для комплексного успеха молочной фермы. Оно влияет не только на производство молока, но также и на эффективность доения, общее здоровье коров, воспроизводство и метаболические нарушения.
Существуют системы автоматического кормления, обеспечивающие круглосуточную универсальную подачу свежего корма в соответствии с потребностями коров. Ряд систем кормления предлагает эффективное взаимодействие с системой доения.
Тем не менее, на практике рационы редко в точности соответствуют тому, что фактически попадает в кормушку или на кормовой стол животному. Процесс подготовки и раздачи кормов на фермах не является до настоящего времени полностью решенным с позиции фактических биологических потребностей животных.
С увеличением продуктивности, наряду с ростом энергозатрат в машинно-технологическом обеспечении процесса кормления животных, появились и новые лимитирующие факторы в питании животных, в частности, возникла необходимость в поддержании минимума и максимума сырой клетчатки и ее структурного значения. Сегодня базовый фактор продуктивности коров в современных технологических процессах - это эффективность рубцового пищеварения.
На рисунке 4 приведены результаты тестов о влиянии конструкции кормосмесите-ля-раздатчика на изменение структуры корма в процессе перемешивания ингредиентов кормовой смеси [6].
Лопастном Вертикальный 2 шнека 3шнека
Тест смесителей (2 Теста -утром и после обеда)
Рис. 4. Изменение структуры корма
Они свидетельствуют о том, что машинно-технологическое обеспечение процесса кормления требует решения с акцентом на сохранение достаточного количества клетчатки в рационе. ВНИИМЖ поставил для себя задачу найти ресурсоэффективное решение данного вопроса и предложить потре-
бителю не просто технику, а определенные свойства для приготовления и раздачи кор-мосмесей, а именно:
1. наряду с хорошим перемешиванием кормов, что играет исключительно важную роль, сохранить максимум эффективной клетчатки в исходных компонентах;
2. снизить энергоемкость данного технологического процесса в 1,5 раза по сравнению с зарубежными аналогами;
3. возможность выбора оптимальных режимов работы для разных типов компонентов (в зависимости от влажности, измель-ченности, спрессованости);
4. приемлемые габаритные размеры для большинства животноводческих ферм на территории стран СНГ;
5. отсутствие сложных операций при текущем техническом обслуживании, несмотря на интеллектуализацию процессов в данном виде оборудования.
В настоящее время, на основании проведенных НИР, ВНИИМЖ проводит испытания опытного образца многофункционального кормосмесителя-раздатчика кормов, который был представлен на выставке «Золотая осень» в Москве 9-14 октября 2013 г. и получил Золотую медаль. В области СВЧ разработок институтом создана установка, и в настоящее время по результатам проведенных НИР ВНИИМЖ проводит производственные ее испытания по обеззараживанию концентрированных кормов на птицефабрике (рис. 5). Устройство для непрерывной СВЧ обработки кормов [11] представлено на рисунке 6.
Рис. 5. СВЧ-установка для декстринизации компонентов зерна
УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВКОЙ СВЧ-ОБРАбОТКИ КОРМОВ
1 - СБ Ч-генератор;
2 ■ передающая линия; 3-проводящий элемент:
4 - рабочая камера;
5 - задвижка; е-заслонка;
7 - вибратор;
8 - концентраторы;
9 - распределители.
Рис. 6. Устройство для непрерывной СВЧ-обработки кормов
Установка для декстринизации сложных углеводов в кормах имеет важное производственное значение. Производство комбикормов предусматривает управление всеми технологическими процессами: загрузку и контроль расходных бункеров из центральных складов и элеваторов; поточное или дискретное дозирование компонентов; дозирование, измельчение зерновых компонентов; смешивание дозированных порций и ввод заданного веса жидких компонентов в смеситель; гранулирование сыпучих комбикормов, охлаждение, измельчение и рассев полученных гранул; автоматический забор проб для лаборатории; выдача готовых кормов в склады готовой продукции [12].
АСУТП исполняется по независимой системе процессов, что обеспечивает высокую надежность, гибкость и живучесть системы, строгое соблюдение технологии, что ведет к значительному улучшению качества продукции.
Постоянное наблюдение (мониторинг) за работой электродвигателей большой мощности вызвано зависимостью работы всего комплекса оборудования. Работа пресса является ключевым фактором организации всего процесса. Пример процессов мониторинга пресса представлен на рисунке 7.
Основные функции системы: автоматическое измерение пусковых, рабочих и холостых токов головного двигателя пресса; температурных режимов подшипников; времени работы двигателя; расход электроэнергии; уровня продукта в бункерах.
Рис. 7. Процессы мониторинга пресса
По желанию заказчика возможны дополнительные подсистемы АСУТП:
автоматическое управление прессами, экспандерами, экструдерами, дробилками; измерение, контроль, анализ и прогнозирование температуры в силосах хранения сырья и готовой продукции; учет сырья и готовой продукции; система расчета стоимости единицы комбикорма каждого рецепта в зависимости от системы сырья и затраченной электроэнергии; система связи с бухгалтерий по расчету зарплаты.
Общеизвестно, что качество концентрированных кормов имеет особую роль для птицеводства и свиноводства. В странах ЕС в технологиях содержания супоросных свиноматок сочетают оптимизацию кормления и индивидуальный подход к каждой свиноматке с их гуманным содержанием. Имея свободу движения и не испытывая стресса при поедании корма, животные чувствуют намного лучше.
Свыше 200 свиноматок в разных странах мира содержатся на фермах, использующих кормовые станции с компьютерным управлением. Каждая станция обслуживает от 65 до 70 голов. При входе на станцию по ушному микрочипу компьютер без труда иденти-
фицирует свиноматку, наполняя кормушку с учетом ее кондиций, срока супоросности и других отличительных особенностей. Выходная дверь открывается после того, как животное насытится в спокойной обстановке. Отказ от содержания свиноматок в тесных станках обеспечивает более легкие опоросы, а также способствует рождению поросят с большим весом и высокой жизнеспособностью, а продуктивный период свиноматок увеличивается на 15%, достигая 6-10 опоросов.
Необходимость разработки отечественных кормовых станций для супоросных свиноматок очевидна. Для других половозрастных групп свиней автоматизированные системы раздачи кормов сокращают влияние человеческого фактора на процесс выращивания свиней, позволяют выполнять программируемую точность выполнения задач по кормлению.
Во ВНИИМЖе ведутся работы по созданию автоматизированной системы кормления поросят-отъемышей при их погнездном бесстрессовом содержании. Разработано оборудование для бесстрессового погнездного содержания поросят-отъемышей (рис. 8).
1-рама:
1- при в одн ал ста н ция;
3-приемный бункер;
4- балка;
5-кормопровод;
6-самокормушка;
7-ста ник
Рис. 8. Оборудование для кормления и содержания поросят-отъемышей
Основой этого комплекта является станок новой конструкции. Он предназначен для содержания поросят-отъемышей одним гнездом (вместимость до 12 голов). Для подачи сухого комбикорма в расходный бункер самокормушек применяется транспортер нового типа.
Микроклимат животноводческих помещений. Задачи систем микроклимата -обеспечить нормативные параметры воздушной среды животноводческих помещений с наименьшими затратами всех видов ресурсов. Применяются системы с рекуперацией теплоты отработавшего воздуха без перемешивания со свежим воздухом, с перемешиванием и перфорированным потолком, различные решения систем микроклимата аэрационного типа. В институте проводятся исследования эффективности систем микроклимата аэрационного типа, которые функционируют лишь на основе использования энергии ветра и теплоты животных.
В настоящее время получают распространение наиболее эффективные системы газового обогрева животных. В институте разработана методика расчета аэрационных систем микроклимата. Выполнены натурные измерения параметров микроклимата на действующих фермах с помощью информационно-измерительного комплекса ВНИИМЖ. Разработаны методические рекомендации по применению аэрационных систем на животноводческих фермах.
Безотходные технологии. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на эффективность и безопасность животноводческого производства, является отлаженная безотказная технология наво-зоудаления. Не секрет, что молочный комплекс на 1200 голов, производя в год порядка 9 ООО т молока, образует и порядка 30 ООО т навоза.
С использованием микропроцессорной техники имеется возможность реализовать автоматизированную систему управления работой технических средств такого количества отходов.
В плане совершенствования подобных систем при использовании шнековых транспортеров целесообразно ввести контроль за поступлением навоза в поперечный канал, а при использовании скреперных установок -аварийное отключение с подачей информации на центральный диспетчерский пульт в случае наезда скрепера на какое-либо препятствие (животное, посторонний тяжелый
предмет). Обнаружение препятствий и бесшумная работа в сочетании с чистыми и сухими проходами обеспечивают максимальную безопасность коров и высокий уровень комфорта в здании.
В технологиях уборки навоза из помещений определяющими факторами являются физико-механические характеристики навоза, зона и скорость его накопления. Располагая такими высоконадежными техническими средствами для уборки навоза, как шнековые транспортеры, скреперная установка с гидравлическим приводом, штанговый транспортер с гидравлическим приводом, и зная закономерности транспортирования навоза вышеназванными техническими средствами, в качестве управляемого фактора рекомендовано использовать интервал между циклами уборки. При гидравлических системах уборки навоза необходимо вести постоянный контроль за уровнем образующегося донного осадка и плотностью накапливаемого навоза.
Во ВНИИМЖе разработана микропроцессорная система управления уборкой навоза из животноводческих помещений (рис 9).
Рис. 9. Микропроцессорная система управления уборкой навоза из животноводческих помещений
Она обеспечивает: заданную кратность уборки навоза в животноводческом помещении в течение суток; управление работой скребков в рабочем цикле; предотвращение травмирования животных и людей движущимися частями скрепера; защиту механизмов скрепера от механических повреждений, а электрооборудования - от перегрузок и коротких замыканий.
В процессе работы микропроцессорный контроллер в реальном времени использует следующие входные информационные сигналы:
- внутреннего таймера часового хода;
- дискретного сигнала датчика исходного положения скребка;
- дискретного сигнала датчика превышения давления масла в системе гидростанции;
- дискретного сигнала датчика текущего уровня масла в баке гидростанции;
- внутреннего таймера минутного хода времени работы скребка в текущем цикле.
Разработанное оборудование с микропроцессорным управлением имеет 100%-й уровень автоматизации, установлено в одном из хозяйств Московской области и работает уже более 6 лет.
Развитие биоиндустрии. Одним из самых наукоемких и одновременно капиталоемких направлений, обеспечивающих тесную связь науки и производства, привлекающих не только крупный, но также мелкий и средний бизнес, в мире становится биоиндустрия. В основе ее лежит сравнительно молодая наука, возникшая на стыке разнообразных технических, химических и биологических знаний - биотехнология.
В 2006 году Национальный научный фонд США совместно с министерством торговли США выпустил отчет, прогнозирующий развитие науки на 50 лет. Отчет был назван НБИК (ЖЛС) - аббревиатура из первых букв названий четырех мегатехнологий: нано-, био-, информационные и когнитивные технологии [7,8]. Эти четыре направления технологий, определяющие лицо будущего, не могут эволюционировать по отдельности, они необходимы друг другу. В этом отношении характерен вектор Курчатовского института, в котором разворачиваются исследования, затрагивающие все четыре области, и создаются НБИК-технологии. В рамках института, создавшего атомные подводные лодки и реакторы, создано гуманитарное отделение, в котором собираются специалисты «по одушевлению» - структурные лингвисты, социологи, психологи.
нортл
Одним из направлений развития биотехнологии является создание пищевых продуктов на основе культивируемой мышечной ткани с.-х. животных. Культураль-ное мясо (т. е. мясо, выращенное in vitro с использованием технологий клеточной инженерии, результатов исследований в области культур стволовых клеток, а также стремительного развития нанотехнологий) было создано как новый подход для получения белоксодержащего продукта животного происхождения. На сегодняшний день это мясо не является альтернативой традиционному животноводству, оно создается как новое перспективное направление на стыке многих наук.
Современные исследования по получению мяса in vitro возникли из экспериментов NASA. Широкомасштабная комплексная работа по созданию культурального мяса ведется в Нидерландах при финансовой поддержке правительства. Работой над этой темой занимаются ведущие ученые страны: группа ученых из Амстердама разрабатывает оптимальную питательную среду; в университете Утрехта ведутся работы с культурами клеток, в том числе стволовыми; а в университете Эйндховена разрабатываются биореакторы для наращивания культурального мяса в больших масштабах.
Результаты исследований [9], проведенных в 2011 г. по заказу ряда зарубежных организаций и фирм, показали, что в сравнении с традиционно выращиваемым мясом для производства 1000 кг культурального мяса требуется 26-33 ГДж энергии (меньше на 712%), 367-521 м3 воды (меньше на 82-96%), РШ 190-230 м3 земли (меньше на 99%), выбросы парниковых газов - 1900-2240 кг СО 2-экв. (меньше на 78-96%). Таким образом, необходимый темп расширения объема производства белка может быть достигнут за счет одновременного использования как традиционных, так и качественно новых методов производства пищи. Сравнительная диаграмма использования первичных энергетических ресурсов, земли, воды, выбросов пар-
никовых газов при производстве культурного мяса и мяса сельскохозяйственных животных представлена на рис. 10.
1 Говядина
I Баранина
о Мясо птицы
Культу рал ьнпе мясо
Рис. 10. Сравнительная диаграмма использования первичных энергетических ресурсов, земли, воды, выбросов парниковых газов при производстве культурального мяса и мяса с.-х. животных
Первые исследования, проведенные в России под руководством академика РАСХН И.А. Рогова, позволили предложить оригинальный способ накопления клеток мышечной ткани с использованием отечественных разработок. Стоит особо отметить, что способ не включает генные модификации. Уже получены научные результаты и предложена технология производства культурального мяса как нового подхода для получения бе-локсодержащего продукта животного происхождения. На рисунке 11 представлена схема технологии «Получение мяса как перспективного источника полноценного белка».
Рис. 11. Схема технологии «Получение мяса
in vitro как перспективного источника полноценного белка»
В настоящее время в российских лабораториях культуральное мясо получено лишь на поверхностных носителях. Для продвижения данной научной биотехнологической разработки сегодня требуется провести комплекс исследований и решить ряд технических задач. В частности, разработать рациональные параметры биореактора для получения мяса in vitro в культуральной среде, разработать системы контроля и управления технологическими процессами производства клеток мышечной ткани сельскохозяйственных животных in vitro как нового подхода для получения белоксодержащего продукта животного происхождения. Указанное направление научно-исследовательских работ проводит ВНИИМЖ в сотрудничестве с НИИ РАН.
В Комплексной программе развития биотехнологий в РФ до 2020 г. отмечено, что в «России полностью отсутствует система "масштабирования" научных биотехнологических разработок для целей промышленного производства и другие элементы биоэкономики, необходимые для преобразования научных знаний в коммерческие продукты. Таким образом, результаты научных исследований остаются невостребованными или превращаются в продукт, объем производства которого ограничен возможностями научной лаборатории» [10].
Учитывая нерешенность важных для страны вопросов, ВНИИМЖ в 2013 году создал отдел биотехнологий, задачей которого стало использование научно-технического потенциала института с целью создания инженерно-технологического оборудования для обеспечения современных биотехнологических разработок. Отдел разрабатывает технологические процессы (биореакторы), системы контроля и управления ими.
Развитие прикладных биотехнологий, гибких автоматизированных производственных систем и устройств и других, быстро развивающихся наукоемких отраслей, привело к дальнейшему усложнению разрабатываемых и эксплуатируемых технических устройств. Их экспериментальная отработка требует все больших затрат времени и мате-
риальных ресурсов, а в ряде случаев ее проведение в полном объеме превратилось в проблему, не имеющую приемлемого решения. В этих условиях существенное значение имеют работы расчетно-теоретического анализа характеристик таких устройств, технологий и систем. Во ВНИИМЖе при создании инженерно-технологического оборудования для обеспечения современных биотехнологических разработок применяют возможности компьютерного моделирования сложных биотехнологических процессов и систем контроля за ними. Практическая реализация возможностей компьютерного моделирования существенно повышает эффективность инженерных разработок, особенно при создании принципиально новых, не имеющих прототипов технологических машин и приборов, материалов и технологий, что позволяет сократить затраты времени и средств на использование в технике и технологиях передовых достижений физики, химии, механики и других фундаментальных наук.
Заключение
Интеллектуальные фермы - абсолютно новое направление на сельскохозяйственном рынке России. Это комплекс инновационных технологий, который позволяет повысить качество производимого молока, управлять бизнесом при помощи компьютерных технологий и делает сельское хозяйство прибыльным и престижным бизнесом. Иными словами, НИУ сегодня должны в тесном сотрудничестве с ВУЗами в определенной степени выполнять и такую миссию, как подготовка специалистов хозяйств к интеллектуальным технологиям, т. к. они приносят новые подходы, которые нужно понимать.
Изменение климатических условий и демографический рост приведут к сокращению сельскохозяйственных земель и их переносу в удаленные районы, что, в свою очередь, повлечет отдаление сельхозтоваропроизводителя от поставщиков товаров и услуг. Однако внедрение компьютерных технологий и автоматизация фермы уже сегодня позволяют удаленно управлять хозяйством через отправку соответствующих команд роботизированной технике.
Сегодня, благодаря современным технологиям, благодаря Интернету, организуется постоянное соединение с фермой и установленным на ней оборудованием с помощью ОБМ-модема, кабельного или спутникового интернета. Это позволяет хозяйству чувствовать себя уверенней. Каким образом?
Вся информация аккумулируется, и хозяйству предоставляются необходимые выводы и рекомендации. Аварийные ситуации сервисный инженер может решать дистанционно. Специалист хозяйства в этом случае направляет установленную веб-камеру на проблемный узел, сервисный инженер видит неисправность и оценивает причину таковой, подсказывает, как ее устранить. Если проблема остается, инженер выезжает на место внештатной ситуации, где и устраняет неисправность. Хозяйство благодаря удаленному доступу получает возможность сохранить работоспособность фермы, а сервисный инженер может дистанционно оценивать ситуацию.
Можно выделить два направления развития искусственного интеллекта (ИИ):
- решение проблем, связанных с приближением специализированных систем ИИ к возможностям человека, и их интеграция -усиление интеллекта;
- создание искусственного разума, представляющего интеграцию уже созданных систем ИИ в единую систему, способную решать проблемы человечества.
В настоящий момент в области искусственного интеллекта наблюдается вовлечение многих предметных областей, имеющих скорее практическое отношение к ИИ, а не фундаментальное. Многие подходы были опробованы, но к возникновению искусственного разума ни одна исследовательская группа пока так и не подошла.
В статье представлены лишь некоторые наиболее известные разработки в области искусственного интеллекта. Они обеспечивают предпринимателей комплексными решениями для бесперебойной работы отрасли, они меняют представление российских бизнесменов и сельхозтоваропроизводителей о принципах работы животноводства, что де-
лает сельское хозяйство прибыльным и престижным бизнесом.
Литература:
1. Модель структуры интеллекта Дж. Гилфорда. URL: http://trainingcity.ru/interest/articles/model_strukturyi_int ellekta_dzh._gilforda. html
2. Искусственный интеллект. URL: http://ru.wikipedia. org/ wiki/
3. Шаныгин С.В. Роботы, как средство механизации сельского хозяйства // Машиностроение. 2013. №3.
4. Кормановский Л.П., Иванов Ю.А., Текучев И.К. Тенденции применения доильных роботов // Техника и оборудование для села. 2008. №8. С. 36-38.
5. Петров Е.Б., Тараторкин В.М. Основные технологические параметры современной технологии производства молока на животноводческих комплексах (фермах). М.: Росинформагротех, 2007. 176 с.
6. Константинов А. Когнитивная революция, 21.10. 2014 г. http://i-future.liveiournal.com/449110.html
7. Константинов А., Тарасевич Г. Великая когнитивная революция, 18.10.2010 г. http://rusrep.ru/article/ 2010/10/18/cognit/.
8. Toumisto H. L. Environmental impacts of cultured meat production // Environmental Science and Technology. 2011. Vol. 45. P. 6117-6123.
9. Комплексная программа развития биотехнологий в РФ на период до 2020 года. ВП-П8-2322. М., 2012.
10. Сыроватка В.И. Интеллектуальные системы управления технологическими процессами производства комбикормов в хозяйствах // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №2(10). С. 48-60.
11. Пат. РФ №2457747. Способ тепловой обработки кормов электрофизическим методом / В.И. Сыроват-ка, Ю.А. Иванов, Т.В. Комарчук // БИ. 2012. №22.
12. Технологическое и техническое обеспечение молочного скотоводства. Состояние, стратегия развития: рекомендации / Ю.А. Иванов и др. М., 2008.
13. Текучев И.К., Иванов Ю.А. Инновационные технологии производства молока. Подольск, 2011.
14. Иванов Ю.А. Направления научных исследований по механизации и автоматизации животноводства // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2009. №1. С. 10-18.
The paper presents the development in the field of artificial intelligence and complex innovative technologies to manage processes on farms and improve the quality of milk produced. Keywords: intellectual farm, economic and mathematical models, robotic systems, intelligent control, intelligent control systems herd, intellectualization process preparation and distribution of complete feed mixtures, intelligent systems microclimate, microprocessor control system removing the manure.
