CC BY
143
УДК 631.6:626.8
UDC 631.6:626.8
ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН
Ольгаренко Владимир Иванович
д.т.н., профессор, член-корреспондент РАСХН,
заслуженный деятель науки РФ
Ольгаренко Игорь Владимирович д.т.н., доцент
Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Россия
Ольгаренко Г еннадий Владимирович д. с.-х. н., профессор, директор Всероссийский научно-исследовательский институт систем орошения и сельскохозяйственного водоснабжения, Коломна, Россия
Игнатьев Виктор Михайлович к.т.н., доцент
Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт), Новочеркасск, Россия
В статье изложена методика выбора эффективной дождевальной техники для хозяйств конкретных зон орошения на основе использования методов многомерной статистики
Ключевые слова: ДОЖДЕВАЛЬНАЯ ТЕХНИКА, ПОКАЗАТЕЛИ, КРИТЕРИИ ВЫБОРА, МЕТОДЫ МНОГОМЕРНОЙ СТАТИСТИКИ
SPRINKLING MACHINES APPLICATION EFFICIENCY STUDY
Olgarenko Vladimir Ivanovich
Doctor of Technical sciences, corresponding member
of RAAS, honored scientist
Olgarenko Igor Vladimirovich associate professor
Novocherkassk Reclamation Engineering Institute of Donskoy State Agrarian University, Novocherkassk, Russia
Olgarenko Gennady Vladimirovich Doctor of Technical sciences, professor, director All-Russiaт Research Institute of Irrigation Systems and Agricultural Water-Supply, Kolomna, Russia
Ignatiev Victor Mikhailovich
Сandidate of Technical sciences, associate professor South-Russia State Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Novocherkassk, Russia
The article deals with the methods of efficient sprinklers choice for farms of concrete irrigation zones on the basis of multi-dimensional statistics methods
Keywords: SPRINKLING MACHINES, FACTORS, CHOICE CRITERIA, MULTIDIMENTIONAL STATISTICS METHODS
Важным направлением в значительном повышении эффективности орошаемого земледелия России является разработка и реализация новых ресурсосберегающих технологий и технических средств, обеспечивающих повышение продуктивности орошаемых земель и создание благоприятной экологической обстановки в агроландшафтах. Основополагающим в решении вышеуказанной проблемы является научно-обоснованное регулирование водно-солевого режима почв, которое реализуется с помощью соответствующих технических средств. На основе проведённых информационно-аналитических и производственных исследований, а
также данных статистической отчётности дан анализ наличия и применения имеющегося парка дождевальной техники, как на поливе сельскохозяйственных культур, так и плодово-ягодных насаждений, садовых культур, питомников для хозяйств различных форм собственности, начиная с 1980 года [1-5]. В работах показана динамика парка дождевальных машин по годам и отдельным их маркам, установлен нормативный срок их службы и разработана концепция развития техники и технологии орошения в Российской Федерации, как в целом, так и по отдельным федеральным округам [1, 4]. Наличие значительного
количества разнообразной по конструкции и назначению техники полива, а также хозяйств различных форм собственности в соответствующих почвенно-климатических зонах орошения и особенности существующих условий функционирования хозяйств, возникла острая необходимость в разработке новых методологических подходов в выборе эффективной дождевальной техники для конкретных хозяйств, на основе применения методов многомерной статистики, позволяющих дать объективную оценку точности и достоверности выбора дождевальной техники.
Проведём оценку выбора наиболее эффективной отечественной дождевальной техники, применяемой на орошаемых землях. Основные технико-экономические показатели, которых приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Технико-экономические показатели основных типов http://ej.kubagro.ru/2014/06/pdf/16.pdf
отечественных дождевальных машин
Показатели Тип дождевальной машины
1 Л н а б у К КИ-80 ДДН-70 ДДА-100МА Днепр Фрегат Кубань-ЛК ДШК64-800 (Волжанка) Шлейф ДНШ -25/900
Мощность, кВт-час 130 41 33 47 53 64 65 26 15
Расход энергии при норме полива 300 м3/га, кВт-час/га 65,7 37,0 42,0 33,0 36,7 56,4 65,0 34,0 53,0
Энергоёмкость, кВт/ч на 1 м3 воды 0,17 0,17 0,24 0,13 0,17 0,24 0,17 0,16 0,19
Площадь обслуживания, га 180 80 70 100 120 111 140 70 50
Обслуживающий персонал, единиц 4 3 1 1 0,25 0,33 2 0,5 0,4
Интенсивность дождя, мм/мин. 0,20 0,30 0,45 0,25 0,28 0,24 0,20 0,20 1,0
Стоимость машинно-смены, руб. 142 460 70 124 151 125 112 102 106
Расход, л/с 220 48 65 130 120 100 200 64 25
Показатель надёжности 0,10 0,12 0,06 0,06 0,70 0,11 0,09 0,04 0,06
Стоимость, тыс. руб. 1496,5 116,0 111,0 202,0 347,0 395,5 965,0 34,8 15,1
Коэффициент земельного использования 0,95 0,97 0,95 0,96 0,97 0,91 0,90 0,98 0,99
Металлоёмкость 239 188 107 83 111,7 166 220 84,7 462
Следует отметить, что эффективность дождевальной техники определяется системой соответствующих показателей (ГОСТ 22851-77) [8]. Поэтому для обоснования наиболее эффективной техники следует число всех технических, производственных, стоимостных и других показателей принять равным т, а число рассматриваемых альтернативных дождевальных машин (ДМ) обозначить через п, тогда значение у-го показателя для г-й ДМ имеет выражение:
Х1}, / =1 n, 7 = 1, т , (1)
где Хг7 - величина показателя, г - индекс ДМ; 7 - индекс показателя.
Показатели альтернативных ДМ образуют матрицу показателей х ,
значения которых необходимо привести к рендомизированному виду с помощью следующих формул. Максимальный показатель с положительным эффектом действия является базовым и определяется по зависимости:
тах Х17
аг) = 1 =1П , г = 1, n, 7 = 1, т . (2)
Хг}
Минимальное значение показателя с отрицательным эффектом действия - по формуле:
тт Хг 7 г = 1, п . -—
ai f ='
1 X,
i = 1,и, j = 1,да . (3)
if
Для равномерного распределения показателей формулу (2) можно представить в следующем виде:
Xi j - min Xi j
aif =----1 = 1, П ■—, i = 1, n, j = 1, да . (4)
1 max Xij - min Xij
i = 1, n i = 1, n
Значения матрицы A = {xij, i = 1, n, j = 1, m}, полученной с помощью
формул преобразования (2) и (3), принимают значения отрезка [0, 1] и рассматриваются в дальнейшем как вероятности событий выбора.
Весовые коэффициенты каждого показателя объекта qj, j = 1,да
определяются с использованием метода экспертных оценок по ^-бальной шкале j-го показателя по зависимости:
qj = > (5)
Z Q,
i=1
где j — оценка i-го показателя по ^-бальной шкале.
Аддитивный критерий оценки эффективности ДМ с весовыми коэффициентами рассчитывается по формуле:
1 да ------------
k1, =— Zqj ■ aij, i =1,n . (6)
m j=1
Для более значительного влияния показателей на значение критерия, предлагается мультипликативный критерий эффективности объекта, определяемый по зависимости:
"2 г
] =1
(7)
Аддитивный и мультипликативный критерии можно представить обобщённым критерием:
У т / \ т а- -----
к3і =— Еа] ■ аг] +(1 -у)-ПаҐ], г =1,п
т ] =1 ] =1
(8)
где у - коэффициент влияния аддитивной части критерия, при 0 < у < 1.
При выборе объекта необходимо знать приоритеты или весовые коэффициенты каждого показателя и иметь строгое их упорядочение. Матрица в этом случае получается из матрицы ранжированных значений показателя А = {аг]} путём следующих действий: для показателей с
положительным эффектом сг] = а'2]; для показателей с отрицательным
эффектом сг] = а]}.
Оптимальная стратегия выбора эффективной дождевальной машины определяется в результате сравнения показателей по следующим критериям:
аддитивный:
мультипликативный:
Р = тах_ Е с • г = 1, п ЕЕ1Сг];
- Вальда:
„ тах тт
Рз = . Л ■ Л С' ] ;
3 г = 1, п г = 1, т г]
(9)
(10)
(11)
- Сэвиджа:
Гурвица:
р = тт тах I тах
4 г = 1,п г = 1,т (г = 1,пСг] с1]
тах г = 1, п
- тт л - \ тах
Л-. :—сг] +(1 -л)-. -—сг,
г = 1,тг] 'г = 1,т г]
(12)
(13)
где Л - вес минимального значения показателя по сравнению с
наибольшим ранжированным показателем, о < Л < 1 Анализ показывает, что в критериях (9, 10), при выборе наилучшей ДМ, используются значения только одного показателя. Критерий Вальда (11) олицетворяет позицию крайнего пессимизма с выбором наихудшего варианта (т.е. перестановочный вариант). Сущность оптимизации по критерию Сэвиджа (12) - избежать большого риска при принятии решения. Критерий Гурвица (13) оценивает среднее взвешенное значение из суммы минимальных и максимальных показателей и является промежуточным между критериями успеха (9, 10) и критерия риска (11, 12).
Используя данный методологический подход можно установить критерий для идеальной дождевальной машины, при котором все рендомизированные показатели будут равны единице. В т-мерном пространстве эвклидово расстояние до идеальной ДМ выражается критерием:
2
т / \
£(1 -с,) . (14)
7
г =1
a2,..., п\,
Методика выбора эффективной ДМ позволяет исключить отдельные показатели с относительно низкими значениями коэффициентов; оценить влияние каждого количественного и качественного показателя и обосновать условия предпочтения между ними; упорядочит показатели по степени их значимости путём определения весовых коэффициентов, обеспечивающих выбор необходимых значений в условиях частичной определённости с дальнейшим вводом их в соответствующую матрицу и которые определяются по формулам:
d,J = 9} ■ Сг] , г = 1 п, 7 = 1 т , (15)
2ч = СЧ , г = 1, п, 7 = 1, т. (16)
Используя матрицы в = \лч} и X = {2г7}, элементы которых установлены по формулам (15-16), определяются показатели
дождевальной машины, используя критерии выбора (9-13).
Получив матрицу В взвешенных рендомизированных на «успех» показателей можно производить выбор ДМ для конкретных почвенноклиматических и организационно-хозяйственных условий.
Все показатели исходной матрицы X были рендомизированы и получили матрицу
0,12 0,50 0,76 1,00 0,06 0,20 0,49 1,00 0,14 0,01 0,96 0,35
0,37 0,89 0,76 0,44 0,08 0,30 0,15 0,22 0,17 0,13 0,98 0,44
0,45 0,79 0,54 0,39 0,25 0,45 1,00 0,30 0,09 0,14 0,96 0,78
0,32 1,00 1,00 0,56 0,25 0,25 0,56 0,59 0,09 0,07 0,97 1,00
0,28 0,90 0,76 0,67 1,00 0,28 0,46 0,55 1,00 0,04 0,98 0,74
0,23 0,59 0,54 0,62 0,76 0,24 0,56 0,45 0,16 0,04 0,92 0,50
0,23 0,51 0,76 0,78 0,13 0,20 0,63 0,91 0,13 0,02 0,91 0,38
0,58 0,97 0,81 0,39 0,50 0,20 0,69 0,29 0,06 0,43 0,99 0,98
1,00 0,62 0,68 0,28 0,63 1,00 0,66 0,11 0,09 1,00 1,00 0,18
Анализ данных показывает, что наиболее эффективной дождевальной машиной по критериям на «успех» - адитивным и мультипликативным, является ДМ «Кубань-ЛК», а наиболее близкими к «идеальным» - ДМ в следующем порядке: «Кубань-М», «Кубань-ЛК», «Фрегат», «Днепр».
Используя методы многомерной статистики для сравнения эффективности применения ДМ по матрице 0 взвешенных рендомизированных на «успех» показателей, можно построить латентные критерии, которые будут являться линейной комбинацией с использованием всех единичных, взвешенных или рендомизированных показателей ДМ [10].
Использование имеющихся методов снижения размерности данных, признаков, показателей или параметров объекта позволяет уменьшить число показателей при определении наиболее эффективной ДМ путём установления корреляционной связи между ними, как линейной, так и нелинейной с определением пределов взаимовлияния.
Снижение числа показателей осуществляется за счёт их низкой вариабельности с дальнейшим применением метода главных компонент,
обеспечивающего определение латентных показателей с использованием линейной зависимости:
X/ = 1г1 ■ Х1 + 1г 2 • х2 + к + !,т ■ Хт, 1 = 1,2,..., т , (17)
где - г-я компонента; ■ хг - г-й показатель, характеризующий ДМ;
■ 1и - искомые коэффициенты.
Коэффициенты ^ отыскиваются как всевозможные линейные ортогональные нормированные комбинации при условиях:
4 __ 4 _
Е 4 = 1, г = 1,4 Е I, ■ I, г, к = 1,4, I ф к . (18)
,=1 ,=1
По исходным показателям из матрицы X, была получена
ковариационная матрица, размерностью т*т. Элементами исходной
матрицы являлись размерные значения показателей ДМ.
КоэффициентБ ковариации (srl) определяются также по стандартной
зависимости:
ЕП (хгг - Хг \(хг] - Х} )
\Хгг - Х, У \Хг 7 - Х},
------------:------------, (19)
п -1
где хг, х7 - средние значения соответствующих показателей.
Для нахождения собственных значений матрицы (1) и собственных векторов в матрице ковариаций £, раскрывая определитель т-го порядка получаем полином для неизвестных 1 и проведя некоторые преобразования определяют собственные числа.
Этот процесс упрощается на основании реализации стандартной функции в системе математических расчётов МаШСАО. Проведя соответствующие операции с матрицами, получаем вначале значения собственных векторов, а затем зависимости для основного латентного показателя.
Определение относительной доли дисперсии, обусловленной только первой компонентой, производится по формуле:
& =
т
Е1 ]
]=1
Вычисление относительной доли дисперсии, обусловленной только /-ой компонентой, определяется по формуле:
1
g1 =
т
Е1 ] ]=1
(21)
Из вычисленных долей суммарной дисперсии можно сделать вывод, что вся информация об эффективности ДМ может быть получена по первой и второй главным компонентам, то есть оценка ДМ может быть рассчитана по линейной зависимости с достоверностью в 95 %. Каждая ДМ при выборе характеризуется точкой с 12-ю параметрами. Полученный ниже латентный показатель является прямой, проходящей через эти точки в 12-мерном пространстве. Изменения значений вдоль этой прямой даёт самый незначительный разброс значений точек, которые характеризуют ДМ в пространстве.
Расчёты латентных показателей были проведены с алгоритма, реализованного в среде пакета математических расчётов МаШСАО. Расчёты проводили с учётом всех 12 показателей и без учёта двух стоимостных показателей: стоимости машины и стоимости машинной смены при проведении поливов. Без учёта стоимостных показателей дождевальные машины сравнивались с помощью 10 показателей.
Полученные значения критериев в четырёх вариантах позволили провести упорядочение дождевальной техники по степени уменьшения эффективности их применения, как с учётом, так и без учёта стоимостных показателей. Достоверность сравнения вариантов по двум методам составила 97 %. Таким образом, наиболее эффективными дождевальными машинами являются четыре единицы в следующей последовательности: «Кубань-М», «Кубань-ЛК», «Фрегат», «Днепр».
Для оценки эффективности применения дождевальной техники можно использовать следующие схемы построения сложных критериев. Наряду с матрицей 0 взвешенных рендомизированных на «успех» показателей можно построить антиподную матрицу Е с показателями на «проигрыш». Используя критерии успеха, минимизации риска и расстояния, можно построить обобщённый критерий на «успех» . Затем построить обобщённый критерий на ущерб Р2, который использует
критерии «неуспеха», максимизации риска и расстояния. Отношение критериев к даёт эффективный критерий сравнения вариантов применения ДМ для проведения поливов сельскохозяйственных культур.
Анализ результатов сравнения эффективности применения дождевальных машин, с учётом создания «идеальной» машины, показывает на порядок расположения имеющейся дождевальной техники в следующей последовательности: «Кубань-М», «Кубань-ЛК», «Фрегат», «Днепр», «Волжанка».
Для выбора наиболее эффективных дождевальных машин для фермерских хозяйств были выбраны 8 отечественных единиц: «ДШ-Агрос 32»; «ДШ-Агрос 63»; «ДШ-8»; «ДШ-22»; «Карусель Мини-Фрегат»; «Мини-Кубань»; «Коломна», «Мини-Кубань ФШ» по пяти показателям:
3 3
производительность, м/ч; трудоёмкость подачи 100 м в чел-ч; потребляемая мощность, кВт-ч; стоимость машинно-смены, руб.; удельные капиталовложения, руб./га. Проведённые расчёты по разработанной методике показали, что наиболее эффективными дождевальными машинами являются: «Мини-Кубань», «Мини-Кубань ФШ», «Карусель Мини-Фрегат», «ДШ-Агрос 32», «ДШ-Агрос 62».
Литература
1. Ольгаренко Г.В., Давшан С.М., Савушкин С.С. Перспективы использования серийной и новой поливной техники в АПК России. Коломна: ФГНУ ВНИИ «Радуга», 2008. 67 с.
2. Ольгаренко Г.В. Стратегия научно-технической деятельности по разработке новой техники для орошения при реализации программы развития мелиорации // Мелиорация и водное хозяйство. 2011. № 6. С. 5-8.
3. Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г.В., Рыбкин В.Н. Эксплуатация и мониторинг мелиоративных систем: учебник для высших учебных заведений под ред. чл.-кор. РАСХН В. И. Ольгаренко. Коломна: ООО «Инлайт», 2006. 391 с.
4. Ольгаренко Д.Г. Система показателей для оценки качества полива сельскохозяйственных культур дождеванием // Мелиорация и водное хозяйство. 2014. № 2. С. 23-26.
5. Ольгаренко И.В. Информационные технологии планирования
водопользования и оперативного управления водораспределением на оросительных системах: Дисс. на соискание уч. степени докт. техн. наук. Саратов. 2013. 448 с.
6. Спинич Ю.Ф., Щедрин В.Н., Колганов А.В. Перспективные направления развития дождевальной техники // Мелиорация и водное хозяйство. 2003. № 5. С. 20-22.
7. Спинич Ю.Ф. Моделирование эксплуатационных параметров техники полива // Мелиорация и водное хозяйство. 2010. № 6. С. 16-17.
8. ГОСТ 22851-77 Выбор номенклатуры показателей качества промышленной продукции. Основные положения. М.: Стандартинформ, 1977. С. 36.
9. Игнатьев В.М. Затраты на устранение отказов поливной техники // Научная мысль Кавказа. Ростов-на-Дону. 2001. № 1. С. 20-21.
References
1. Ol'garenko G.V., Davshan S.M., Savushkin S.S. Perspektivy ispol'zovanija serijnoj i novoj polivnoj tehniki v APK Rossii. Kolomna: FGNU VNII «Raduga», 2008. 67 s.
2. Ol'garenko G.V. Strategija nauchno-tehnicheskoj dejatel'nosti po razrabotke novoj tehniki dlja oroshenija pri realizacii programmy razvitija melioracii // Melioracija i vodnoe hozjajstvo. 2011. № 6. S. 5-8.
3. Ol'garenko V.I., Ol'garenko G.V., Rybkin V.N. Jekspluatacija i monitoring meliorativnyh sistem: uchebnik dlja vysshih uchebnyh zavedenij pod red. chl.-kor. RASHN V. I. Ol'garenko. Kolomna: OOO «Inlajt», 2006. 391 s.
4. Ol'garenko D.G. Sistema pokazatelej dlja ocenki kachestva poliva sel'skohozjajstvennyh kul'tur dozhdevaniem // Melioracija i vodnoe hozjajstvo. 2014. № 2. S. 23-26.
5. Ol'garenko I.V. Informacionnye tehnologii planirovanija vodopol'zovanija i operativnogo upravlenija vodoraspredeleniem na orositel'nyh sistemah: Diss. na soiskanie uch. stepeni dokt. tehn. nauk. Saratov. 2013. 448 s.
6. Spinich Ju.F., Shhedrin V.N., Kolganov A.V. Perspektivnye napravlenija razvitija dozhdeval'noj tehniki // Melioracija i vodnoe hozjajstvo. 2003. № 5. S. 20-22.
7. Spinich Ju.F. Modelirovanie jekspluatacionnyh parametrov tehniki poliva // Melioracija i vodnoe hozjajstvo. 2010. № 6. S. 16-17.
8. GOST 22851-77 Vybor nomenklatury pokazatelej kachestva promyshlennoj produkcii. Osnovnye polozhenija. M.: Standartinform, 1977. S. 36.
9. Ignat'ev V.M. Zatraty na ustranenie otkazov polivnoj tehniki // Nauchnaja mysl' Kavkaza. Rostov-na-Donu. 2001. № 1. S. 20-21.
Таблица 1 - Технико-экономические показатели основных типов отечественных дождевальных машин
Тип дождевальной машины Мощность, кВт-час Расход энергии при норме полива 300 м3/га, кВт-час/га Энергоёмкость, кВт/ч на 1 м3 воды Площадь обслуживания, га Обслуживающий персонал, единиц Интенсивность дождя, мм/мин. Стоимость машинно-смены, руб. Расход, л/с Показатель надёжности Стоимость, тыс. руб. и я тн о и не ог н иоа ц н во 8 £ " | Металлоёмкость
Кубань-М 130 65,7 0,17 180 4 0,20 142 220 0,10 1496,5 0,95 239
КИ-80 41 37,0 0,17 80 3 0,30 460 48 0,12 116,0 0,97 188
ДДН-70 33 42,0 0,24 70 1 0,45 70 65 0,06 111,0 0,95 107
ДДА-100МА 47 33,0 0,13 100 1 0,25 124 130 0,06 202,0 0,96 83
Днепр 53 36,7 0,17 120 0,25 0,28 151 120 0,70 347,0 0,97 111,7
Фрегат 64 56,4 0,24 111 0,33 0,24 125 100 0,11 395,5 0,91 166
Кубань-ЛК 65 65,0 0,17 140 2 0,20 112 200 0,09 965,0 0,90 220
ДШК64-800 (Волжанка) 26 34,0 0,16 70 0,5 0,20 102 64 0,04 34,8 0,98 84,7
Шлейф ДНШ -25/900 15 53,0 0,19 50 0,4 1,00 106 25 0,06 15,1 0,99 462
http://ej.kubagro.ru/2014/06/pdf/16.pdf
