CC BY
10УДК 631.1
Башилов А.М., д.т.н., профессор Королев В.А., к.т.н., доцент
ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВИДЕОСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ АГРАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
В аграрном производстве, как и в других областях существования человеческой цивилизации, влияние цифровизации на индустриальные процессы и экономику в целом постоянно усиливается. Особенно актуальна роль цифровизации производства в решении задач реализации и широкого распространения новых прецизионных агротехнологий животноводства и растениеводства. Успешное и эффективное внедрение этих технологий не реализуемо без применения системного подхода. Системное представление современных аг-ротехнологий предусматривает анализ и синтез агроценозов - неравновесных природно-техноген-ных структур, объединяющих объекты природного происхождения (биоценозы) и техногенного (тех-ноценозы). Существование биоценозов подчинено объективным закона существования и изменения живых саморегулирующихся и саморазвивающихся природных объектов (животные, растения). Техноценозы (системы и устройства поддержки агротехнологий) создаются и совершенствуются человеком, тем не менее, их параметры и конструкции косвенно определяют законы природных структур агроценозов. Функционирование биоценозов и техно-ценозов происходит в условиях непрерывного изменения биофизиологических и технических факторов выполняемых процессов, распределённых в пространстве [1-6].
Важнейшим компонентом тех-ноценозов, в том числе, их систем управления являются цифровые аналитические видеосистемы наблюдения (ВСН) [7-10].
Цель статьи - обоснование системно-ориентированного метода практического формирования структур специализированных СВН сельскохозяйственного применения с возможностью формирования, ведения, корректировки и оперативного использования больших массивов видеоданных для управления и планирования агротехнологий.
Технологические процессы в сельском хозяйстве существенно отличаются от промышленных, они связаны с живыми биологическими объектами, а также с изменением по случайным зависимостям условий реализации. Эти объекты способны к самоорганизации, саморегулированию и саморазвитию. Трудной задачей является сбор, идентификация и анализ данных об изменениях характеристик объекта аграрного производства в конкретных условиях выполнения технологических процессов. Использование адаптированных к специфическим условиям аграрного производства СВН упростит решение поставленных задач, повысит точность и оперативность анализа данных.
Систематизация и моделированиеагроценозов
В реализациях точных (дифференцированных, целенаправленных) агротехнологий принципиально важна роль предиктивного (прогнозирующего, упреждаю-
щего) управления процессами. Такое управление базируется на всестороннем исчерпывающем использовании ретроспективных данных о выполнении подобных процессов в прошлом, в том числе, об адаптивном поведении объекта аграрного производства. Также нужна полная информации о ходе реализации выполняемого процесса. Анализ данной информации на базе методов системометрии, целеадап-тивного управления обеспечивает фиксацию, тиражирование и совершенствование алгоритмов управления структурами самоорганизующегося аграрного производства (рис. 1) [8, 10].
Согласно базовым положениям системного подхода, результативность сложной системы в целом существенно больше суммы индивидуальных результативностей отдельных компонентов. В связи с этим на практике в системах управления агропроизводства используют разнообразные биосенсорные и другие устройства [1, 11].
Рисунок 1. Структура цикла повторяющихся творческих действий совершенствования управления агротехнологиями.
Функционирование агроце-ноза должно быть информативно восприимчиво к сложности собственной структуры, к целе-адаптивно управляемым данным системометрии. В общем виде, её можно отобразить функционалом, тяготеющим к идеалу:
5 = F (А,, R, Z, С, Т) * идеал «синергетика ЕЖ и ИЖ»,
где 5 - структура цели;
А - множество компонентов агроценоза;
R - множество связей между компонентами агроценоза;
Z - множество сочетаний связанности;
С - окружение;
Т - период функционирования агроценоза;
ЕЖ - естественная жизнь;
ИЖ - искусственная жизнь.
Возможности человека наблюдать и осознавать функционально-структурную динамическую сложность агробиотехнической системы ограничены: отсутствием способности длительно и непрерывно отслеживать поведение объектов системы; недоступност-
тью наблюдать скрытые, структурно разветвлённые объекты системы; неточностью восприятия и ненадёжностью сохранения информации об объектах; ограниченностью реальных возможностей к систематизации; отсутствием достаточной чувствительности к выявлению и трансформации эффектов синергетики.
Большинство агроценозов являются плохо организованными (диффузными). В них задача установить все учитываемые компоненты и их связи с целями системы не стоит. Диффузная система управляется некоторым набором макропараметров, которые выявляются путём выборочного анализа и в последующем распространяются на всю систему.
Идеальный «слепок» биотехнической системы - её полное отображение и воспроизведение в многомерном структурно-организованном информационном пространстве (единстве). Каждый объект и каждый акт взаимных связей внутри агроценоза являются передатчиками и носителями информации «о себе», приёмниками и передатчиками информации «о другом», обеспечив мультиме-
дийную и мультиагентную связь «всех со всеми». Глобальная по масштабам, тотальная по полноте и объёмная по накопленным информационным фондам биотехническая система может быть не оптимальной при решении узко специализированных задач, но будет всегда открытой для решения изменяющегося «по жизни» спектра задач, активного использования при реорганизации управления.
Основные уровни и принципы построения автоматизированных систем видеонаблюдения интересуемых объектов в агропроизводственных зонах
Агропроизводственная зона, как концентрация биологических и техногенных структур, потоков ресурсов, - наиболее конфликтное место в агротехнологиях. До 70% агротехнологических операций производят по событийному сценарию, до 30% - по сценариям самоорганизации и стохастических управлений [10].
При контроле агротехнологических операций и действий персонала служба управления может
www.aerounion.ru I АЭРОСОЮЗ
Агроноут
Москва, +7 (499) 502-52-23 www.agro note . ги info@agronote.ru
Дифференцированное внесение семян и удобрений под ключ!
Новосибирск, (383)-344-98-06 sibaero@aerounion.ru
опираться на СВН. Построение таких систем основано на синхронизации агротехнологического расписания и видеоданных. Поток видеоизображений сопровождает информация о времени реализации агротехнологического сценария. Регистрация дополнительной текстовой или другой биометрической информации, поступающей от узловой технологической операции, интегрированная с видеоизображением, позволяет проводить анализ событий. При длительном видеомониторинге объём видеозаписи значительно возрастает и просмотр архива изображений может занять продолжительное время, а принимаемое решение по регулированию технологического процесса запаздывает или несвоевременно. Первый уровень анализа изображений и принятия решений можно определить, как слабо автоматизированный.
Сложное поведение биообъектов, непрофессиональные действия персонала и проблемы минимизации потерь качества, максимизации продуктивности и энергоресурсосбережения предопределили второй уровень развития систем видеоконтроля агротехнологических операций. Он основан на принципе описания формата события, происходящего на агротехнологическом видеотерминале (операции). Каждому из них соответствует момент видеозаписи только при «тревожных событиях». Диспетчер получает возможность в сжатые сроки производить необходимые действия, его работа становится более оперативной. К событиям, получившим статус «тревожных», автоматически привлекается внимание оператора, по ним также
Рисунок 2. Структура управления территориально распределённым аграрным производством с использованием мобильных и дистанционных СВН.
автоматически помечается и структурируется видеоинформация. Анализ архивированного потока информации происходит целенаправленно, без длительного просмотра информации, только с момента появления тревожного сигнала.
Система видеоконтроля, автоматизированная на третьем (более высоком) уровне, значительно отличается от рассмотренных систем по уровню функциональности. Она предусматривает обнаружение и распознавания тревожных ситуаций на основе внутренней информации, получаемой при непрерывном анализе потока изображений, регистрации параметров контролируемых объектов и их морфологическим признаков.
В автоматизированной системе видеоконтроля можно определять нужный набор действий с
любым объектом или набором морфологических признаков объекта при любом событии в агро-производственной зоне. Все, что происходит в кадре агропроиз-водственной зоны (движение, перемещение или исчезновение объекта, появление нового объекта, изменение формы, размера, текстуры и окраски объекта, фона окружающей среды) является событием. Все, что можно сделать в системе автоматизированного видеоконтроля и видеоадминистрирования (включить или выключить камеру, выдать предупреждение оператору, включить тревожную сигнализацию, поставить/снять датчики с наблюдения, включить/ выключить исполнительный механизм и т.д.).
Применяя специальный язык сценариев, можно определить сколь угодно сложную реакцию системы видеоконтроля на события, в том числе, с возможностью оценки состояния и поведения объектов в пространстве и времени.
Принципы построения СВН:
1. Принцип видеодетекции движения позволяет привлечь внимание оператора к перемещениям в агропроизводственной зоне. Оператор освобождается от монотонной работы, снижается вероятность того, что важное событие незамечено.
2. Принцип автоматического слежения за движущимися объектами - ра бота с истем ы с пово ротными камерами через программу наведения, сопровождение
подвижной камерой объектов, обнаруженных стационарной камерой.
3. Принцип обнаружения морфологических признаков интересуемого объекта. Основными идентификационными морфологическими признаками объектов считаются: форма, размер, площадь, периметр, ориентация, окраска, однородность поверхности, контрастные пятна дефектов, текстура, фон.
4. Принцип видеотрансляции от смежных или параллельных объектов. Видеосвязь осуществляют от двух и более удалённых объектов агропроизводственной зоны посредством локальной сети или Интернет.
5. Принцип модульности. Система имеет центральное ядро и набор функциональных модулей. Модули обеспечивают работу видеокамер и датчиков, сервисные функции - отправку данных, ав-тодозвон, предоставляют интерфейсы пользователю.
6. Принцип многоуровневой модели - все функции системы разделены на уровни: для управления оборудованием; для цифровой обработки изображений; для управления и мониторинга.
7. Принцип открытой архитектуры - модульная архитектура, многоуровневая функциональная модель и открытые интерфейсы позволяют легко наращивать функции системы, как за счёт разработки новых модулей, так и за счёт интеграции системы с уже существующими компьютеризированными системами агропредприятия.
Интегрированный видиомониторинг и видеоадминистрирование хозяйств, сельскохозяйственных территорий и агропроизводств
В системах электронно-опти че-ского контроля и управления территориально распределённым аграрным производством важную роль мест имеют дистанционные мобильные и стационарные СВН (рис. 2) [11].
Видеокамеры (ПКВН, МКВН, СПВН, ВБ, ВБПУ, БПЛА), направленные на объекты аграрного производства, выдают видеосигнал (видеокадры, видеоряды, видеопотоки). По коаксиальным кабелям и беспроводным радиоканалам видеоинформация поступает на рабочее место оператора, а ком-
мутаторы КПВ и КСС выводят её на экран монитора. Дополнительно реализуют различные автоматизированные режимы: организации и архивации видеоинформации с возможностью повторного просмотра; обнаружения траектории движения подвижных объектов; распознавания объектов по морфологическим признакам; концентрирования внимания оператора на видеокамерах, зафиксировавших отклонения поведения объектов и агротехнологических параметров.
С развитием мультисервисных сетей связи, их возможности обработки видеоданных в реальном масштабе времени значительно расширяются информационно-управляющие возможности системы регулирования аграрным производством, дополнительно включающей: дистанционное мобильное видеонаблюдение; распределённое геоинформационное моделирование; оперативное обновление геопространственной и навигационной информации; геопространственные системы видеосвязи и видеоконференции; стационарные, мобильные и передвижные комплексы техни-
IX СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ АГРАРНАЯ ВЫСТАВКА
АгроЭкспоКр ы м
20-22 АПРЕЛЯ 2021 ^
Отель йЯлта* Интурист» *
Ж?
7 !
Минисыыимтеюкжз Системы лолиы.орошетьл Р.к-пчнкчшдслк» Срыктм МШУП^ ритонмй
Г>слмда»й
виноделие и виногрлдаргтм Ц) Гс'Т й п I.-1 := Сспдеет продукция
Ш* •
4Ш
• "ЯГ
т ■
»
® expocrimea.com © +7 {978) 900 90 90
ческих средств видеотелефонной связи; средства аэрофотосъёмки местности с использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА).
В состав комплексов видеонаблюдения могут входить, как собственные средства создания муль-тисервисной сети, так и средства, обеспечивающие сопряжение с территориальными мультисер-висными сетями.
Наземные видеокамеры позволяют реализовать режим кругового наблюдения за объектами в радиусе от 10 м до 1,5 км с использованием ВБПУ, размещённого на поворотном устройстве.
Беспилотный летательный аппарат в составе мобильного комплекса обеспечивает видеонаблюдение с высоты 100-400 м в радиусе до 10 км от мобильного комплекса, обеспечивая тем самым более широкий круг обзора, по сравнению с наземными видеокамерами, а также наблюдение за объектами, доступ к которым по наземному маршруту затруднён.
Видеоинформация с камер видеонаблюдения через видеокодер поступает в систему, просматривается оператором и по его желанию любая из видеокамер может быть подключена к системе передачи по каналам связи на стационарный пункт управления СПВН. Выбор видеокамеры может производить также оператор стационарного компьютерного диспетчерского пункта.
На стационарных пунктах видеонаблюдения и управления собирается видеоинформация с нескольких мобильных комплексов. Для её отображения используется специализированный монитор, программы анализа и обработки потоков видеоцифровых изображений. Монитор позволяет отображать информацию от всех направлений видеонаблюдения, принимать управляющую информацию от видеорегистраторов, сопровождая звуковыми и световыми сигналами или командами на автоматические исполнительные устройства.
Предлагаемые технические решения позволяют построить мобильные системы дистанционного наблюдения за объектами аграрного производства и территориями любой протяжённости и размеров.
Совместное использование СВН даёт множество вариантов
получения синергетического эффекта: при оценке индивидуального состояния животного(идентификация и определение местоположения животного в стаде, индивидуальный контроль и учёт параметров животного, ведение календаря и истории животного), в процессе доения (контроль работы оператора и поведения животного), при кормлении (продолжительность поедания, пережёвывание корма, прирост живой массы), в процессе осеменения (идентификация половой охоты, наблюдение за отёлом животного), при оценке подвижности животного (контроль моциона, двигательная активность животного, поведенческие признаки) и др.
Заключение
Потенциал увеличения эффективности аграрного производства агротехнологий взначитель-ной степени определяет наличие всей необходимой информации о ходе реализуемых процессов и оперативное использование её для управления технологиями. Перспективный технически и экономически целесообразный путь формирования больших массивов данных для управления агропроцессами, в том числе, самоорганизующимися - интеграция и широкое применение СВН в информационно-управляющие системы аграрного производства. Сельскохозяйственное производство до настоящего времени имеет невостребованные ресурсы для развития и совершен-
ствования агротехнологических процессов и сервиса агропредприятий, путём более широкого использования средств видеонаблюдения в единую самоорганизующуюся систему аграрного производства. Для дальнейшего совершенствования агротехно-логических процессов, повышения скорости и безошибочности управления наиболее перспективным является разработка систем управления роботизированными агротехнологическими комплексами с использованием мобильных дистанционных систем автоматизированного видеонаблюдения, видеоаналитики, видеоадминистрирования. Новые возможности по улучшению комфортности и интеллектуальности труда могут быть обеспечены при проектировании систем управления территориально распределённым аграрным производством с использованием мобильного и дистанционного видеонаблюдения, беспилотной видеосервисной автоматики, видеороботов, удалённых веб-клиентов - включённых в единую интегрированную систему самоорганизации агропредприятия. Изложенный в статье научный подход управления ресурсами сельскохозяйственных территорий и возобновляемых агро-производств с использованием мобильных дистанционных СВН наиболее перспективный, его применение при любом способе организации сельхозпроизвод-ства будет востребовано.
Литература
1. Башилов А.М. Системологический анализ и определение самоорганизующегося агро-производства. - Научные труды ВИМ. М.: ВИМ, 2003, том 146. - 186 с.
2. Свентицкий И.И., Башилов А.М., Королев В.А. Энергетическая экстремальность самоорганизации - основа общности информационно-коммуникационных технологий. - Труды международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. 2014. Т. 1. С. 106-110.
3. Башилов А.М., Королев В.А. Системно-организованные и локально-индивидуализированные принципы управления электрифицированными растениеводческими производствами. -Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 21 (185). С. 124-131.
4. Свентицкий И.И., Башилов А.М. Теоретические начала системного развития информационной среды в АПК. - Научные труды ВИМ, т. 143, 2002, с. 16-23.
5. Sventytsky I.I, A.M. Bashilov A.M. Principles of energy-information methodology in photochemical, photobiological and photopsychobiological phenomena studying. USA, SAN DIEGO, 25 th Session of the CIE, 25 June - 2 July 2003, PROCEEDINGS, vol. 2, p. D6-56...D6-58.
6. Башилов А.М., Свентицкий И.И., Королев В.А. Универсальная модель агротехнологий. Энергетика и автоматика. 2013. № 3. С. 5.
7. Дамьяновски Владо. CCTV. Библия видеонаблюдения. - М.: Изд.: Security Focus, второе издание с дополнением и изменениями, 2018, - 470 c.
8. Башилов А.М. Электронно-оптическое зрение в аграрном производстве. Системотехника построения и применения информационных оптических технологий. - М.: РАСХН, 2005 - 312 с.
9. Башилов А.М., Кириенко Ю.И. Идентификация дефектов агропродукции и выбор оптико-электронных систем сепарации. - Вестник ВИЭСХ, 2015, №4(21), С. 52-57.
10. Башилов А.М., Загинайлов В.И. Визуализация и наблюдение системной сложности точного земледелия.- Труды Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы» (AIS'05). Научное издание в 3-х томах. - М.: Физматлит, 2005, т. 1, С.12-20.
11. Башилов А.М., Королев В.А. Видеонаблюдение и навигация в системах точного земледелия. - Вестник ФГОУ ВПО МГАУ им. Горячкина». - М.: МГАУ, 3(34), 2009, с. 7-11.
