CC BY
54
УДК 592:51-76
ББК [28.691.892.26:32.871]:[44.9:45.45-52]
А. М. Лихтер, С. А. Давыдова, А. Н. Кузьмин
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА КОРМОВ ДЛЯ ЖИВОТНЫ1Х
A. M. Likhter, S. A. Davydovа, A. N. Kuzmin
DEVELOPMENT OF THE AUTOMATED SYSTEM OF CONTROL OF THE PROCESS OF ANIMAL FORAGE PRODUCTION
Рассматривается автоматизированная система по привлечению и переработке саранчи в кормовую массу для рыб и птиц. В системе для приманивания насекомых используются селективные источники электромагнитного излучения оптического диапазона, параметры которых рассчитываются на основе информационных критериев качества оптико-электронных систем, а для получения кормовой массы - инфракрасная камера подсушивания. Приведена оценка производительности установки, подтверждающая её экономическую эффективность.
Ключевые слова: автоматизированная система, корма из насекомых, саранчовые.
The paper considers the automated system of attracting and processing of locusts in a feeding ground for fish and birds. In the system the selective electromagnetic radiation in the optical range, the parameters of which are calculated on the basis of information quality criteria of the optical-electronic systems are used to attract insects, while for forage mass infrared camera drying is used.
The estimation of the productivity of installation, confirming its economic efficiency is given.
Key words: automated system, food from insects, acrididae.
Введение
В настоящее время одной из проблем, оказывающих негативное влияние на экономическую эффективность сельхозпредприятий - производителей растениеводческой продукции, является ущерб, наносимый им насекомыми-вредителями культурных растений. Борьба с ними осуществляется в основном с применением химических средств защиты, что приводит к заражению продукции, почвы и водных ресурсов ядохимикатами и, как следствие, наносит значительный вред здоровью человека и окружающей среде [1].
Одним из эффективных альтернативных способов борьбы с насекомыми-вредителями является использование технических систем управления поведением насекомых, основанных на применении физических раздражителей, которые оказывают на них привлекающее или отпугивающее воздействие [2]. Например, наиболее существенным преимуществом электрооптического способа борьбы с насекомыми-вредителями садовых растений [3-5] является уменьшение остаточных количеств ядохимикатов и их метаболитов в продукции, а также отсутствие влияния на организм человека. В связи с вышеизложенным целью исследований была разработка эффективной автоматизированной системы для передачи оптического сигнала насекомым-вредителям, в частности саранче, её накопления и переработки в кормовую массу для питания рыб и птиц в прудовых хозяйствах и фермах.
Автоматизированная система
Экономическая привлекательность рассматриваемой автоматизированной системы состоит в ее двойном назначении: борьба с саранчой и получение дешевых высокобелковосодержа-щих кормов (рис. 1).
Для защиты посадок от роя саранчи необходимо иметь совокупность нескольких установок, которые размещаются вдоль границы поля. Обнаружение насекомых осуществляется системой технического зрения 2, которая обеспечивает наведение на участок с максимальной концентрацией саранчи в рое [1, 3].
После «захвата» рецепторным органом насекомого электромагнитного излучения оптического диапазона саранча направляется к его источнику 1, засасывается внутрь ловушки с помощью вентилятора 4 и попадает на сетку, находящуюся под низким напряжением 3. В результате частичной парализации двигательных органов насекомое попадает в камеру подсушивания
8. Саранчовые, попадая в камеру подсушивания, равномерно распределяются по ровной пластине из нержавеющей стали размерами 0,8 х 0,8 м2.
2
Рис. 1. Схема автоматизированной системы для привлечения саранчи и ее переработки в кормовую массу: 1 - источники селективного оптического излучения;
2 - система технического зрения; 3 - электрическая сеть малого напряжения; 4 - вентилятор;
5 - электродвигатель с источником питания; 6 - решетка для равномерного заполнения камеры;
7 - нагреватели; 8 - камера подсушивания, 9 - съёмный бункер
Подсушивание осуществляется при инфракрасном энергоподводе посредством трубчатых галогеновых ламп 7 с плотностью теплового потока от 3 до 6,85 кВт/м2 в зависимости от количества включенных одновременно ламп (от 1 до 4). После завершения процесса подсушивания полученная кормовая масса поступает в съемный бункер 9 [6].
Соотношение между параметрами инфракрасного энергоподвода - напряжением и, плотностью теплового потока Е, длиной волны X и количеством ламп показано в таблице.
Соотношение между параметрами инфракрасного энергоподвода
Е, Вт/м2 X, мкм Количество ламп и, В
3 1,3 1 140
1,5 110
1,6 100
3,74 1,3 2 140
1,5 110
1,6 100
5,18 1,3 3 140
1,5 110
1,6 100
Для оценки производительности автоматизированной системы были выбраны следующие показатели:
- количество особей в зоне поражения может достигать до 100 шт. на 1 м2;
- масса одной особи 0,025 кг [3].
Как известно, скорость полёта саранчи колеблется от 1,8 до 33 км/ч [3], тогда средняя скорость составит 5 м/с, а радиус зоны привлечения - 5 м. В результате максимальная масса исходного сырья, поступающего в зону привлечения за 1 с для переработки, составит 7,85 кг/с, а производительность автоматизированной системы за сезон - порядка 23 т кормовой массы.
Математическая модель
Работа оптико-электронной системы управления поведением саранчи основана на математической модели процесса передачи оптической информации насекомым, позволяющей рассчитать параметры ее элементов, максимизирующие количество информации, сообщаемой за единицу времени объекту управления - саранче - в зависимости от геометрических и физических характеристик, особенностей ландшафта местности, времени года и суток.
Пропускная способность канала передачи оптической информации описывается выражением [7]:
П = ДГ • ^2 (1 + С/Ш),
где Дf - полоса частот, воспринимаемая органом зрения насекомого; С/Ш - функция «отношение сигнал/шум».
Считая, что шумы от естественных и искусственных источников излучения складываются аддитивно, приходим к общему выражению для шума [5, 8]:
Ш = Шс + Шс.3 + Шл + Шл.з + Ши.з + Ш0 + Шр,
где Ш0, Шсз, Шиз, Шлз - шумы, обусловленные отражением соответственно солнечного, лунного и искусственного излучения от облаков и земной поверхности; Шс, Шл - шумы, обусловленные излучением Солнца и Луны; Шр - шум, вызванный рэлеевским рассеянием.
При построении математической модели в первом приближении можно пренебречь шумами при отражении излучения Солнца и Луны от облаков Шо вследствие их относительно малой величины по сравнению с другими источниками шумов, а также шумом Шр, вызванным
рэлеевским рассеянием, поскольку он носит слабоселективный характер. Тогда полезный сигнал С , воспринимаемый глазом насекомого, и общий шум Ш можно представить в виде [8]:
С = m | r (X) т (X)exp (-q(X) l)dX,
l X
Ш = Шс + Шл + Шс.з + Шл.з + Ши.з,
где l = д/x2 +(h2 - h )2 , x - расстояние между селективным источником излучения и объектом управления, h - расстояние от земной поверхности до объекта управления, h2 - высота источника над поверхностью земли; А - длина волны; r (А) - функция спектральной излучательной способности селективного источника света; т(а) - функция относительной спектральной чувствительности глаза насекомого; m - коэффициент, учитывающий различие между функциями видности глаза человека и насекомого; q(A) = k(А) + а(А), k(А) - спектральный коэффициент ослабления оптического излучения атмосферой в ультрафиолетовой и видимой части спектра, a (а) = 0,83NA3 - А-4 - спектральный коэффициент рэлеевского рассеяния; N - число молекул в 1 м3; A - площадь поперечного сечения молекул, м2.
С учетом принятых выше допущений функцию «отношение сигнал/шум» можно представить в виде [5, 8]:
С
2
I r(X)т(X)exp(-q(X)l )dk
Ш I2 (Ш + Ш + Ш + Ш + Ш )
Математическое моделирование [9] позволило получить результаты, с помощью которых можно оценить эффективность работы автоматизированной системы для борьбы с саранчой в течение суток и месяца в зависимости от суммарного шума, создаваемого солнечной и лунной подсветкой (рис. 2).
а б
Рис. 2. Графики зависимости функции «отношение сигнал/шум» для насекомых с трихромным видом зрения от времени суток: а - ксеноновая лампа; б - галогенная лампа
Сутки, ч
б
Рис. 2. Продолжение: б - вольфрамовая лампа при различных значениях температуры
Выводы
1. При использовании в качестве источников излучения ламп различного типа суточный рабочий период автоматизированной системы ограничен диапазонами:
- от 0 до 5 и от 18 до 24 часов - для ксеноновой лампы;
- от 0 до 4 и от 19 до 24 часов - для галогенной лампы;
- от 0 до 4 и от 19 до 24 часов - при значениях температуры накала вольфрама ниже
1 000 К и круглосуточно - при значениях температуры накала вольфрама выше 1 000 К.
2. Значение функции «отношение сигнал/шум» для высоких значений температуры значительно больше и достигает 70 при значениях температуры порядка 2 500 К. Однако ресурс работы лампы при этом уменьшается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Леднеб Г. Р. Рекомендации по защите растений от стадных саранчовых / Г. Р. Леднев, М. В. Левченко и др. / Материалы в рамках отрасл. науч.-техн. программы Россельхозакадемии. Астрахань, 2011.
2. Мазохин-Поршнякоб Г. А. Руководство по физиологии органов чувств насекомых / Г. А. Мазохин-Поршняков. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. 456 с.
3. Макухин А. А. Роботизированный комплекс для борьбы с насекомыми-вредителями сельскохозяйственных культур с применением электромагнитного излучения оптического диапазона / А. А. Макухин, Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии: материалы Междунар. конф. / Астрахан. гос. ун-т. Астрахань, 2010. С. 67-69.
4. Пат. на полезную модель № 93 221. Устройство привлечения насекомых с использованием селективных источников электромагнитного излучения / Лихтер А. М., Плешкова Ю. А., Рогожина Ю. Н., Шагаутди-нова И. Т. 14.04.2009.
5. Плешкоба Ю. А. Управление поведением насекомых с помощью оптической фильтрации / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Проблемы управления. 2012. № 6. С. 51-55.
6. Алексанян И. Ю. Практикум по расчету процессов и оборудования химических и пищевых производств: учеб. пособие / И. Ю. Алесанян, В. Н. Лысова, Ю. А. Максименко, С. А. Давыдова. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. 348 с.
7. Лихтер А. М. Оптимальное проектирование оптико-электронных систем / А. М. Лихтер: моногр. Астрахань: Изд. дом «Астраханский госуниверситет», 2004. 241 с.
8. Плешкоба Ю. А. Модель процесса передачи оптической информации в системах управления поведением насекомых / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер // Экологические системы и приборы. 2010. № 12. С. 24-27.
9. Плешкоба Ю. А. Программный комплекс для расчета характеристик канала передачи оптической информации дневным летающим насекомым / Ю. А. Плешкова, А. М. Лихтер. № 08.01.08/220. 20.01.2011.
REFERENCES
1. Lednev G. R., Levchenko M. V. i dr. Rekomendatsii po zashchite rastenii ot stadnykh saranchovykh [Recommendations on protection of plants from grasshopper]. Materialy v ramkakh otraslevoi nauchno-tekhnicheskoi programmy Rossel'khozakademii. Astrakhan, 2011.
2. Mazokhin-Porshniakov G. A. Rukovodstvo po fiziologii organov chuvstv nasekomykh [Guideline on physiology of organs of senses of insects]. Moscow, Izdatel'stvo Moskovskogo universiteta, 1983. 456 p.
3. Makukhin A. A., Pleshkova Iu. A., Likhter A. M. Robotizirovannyi kompleks dlia bor'by s nasekomymi-vrediteliami sel'skokhoziaistvennykh kul'tur s primeneniem elektromagnitnogo izlucheniia opticheskogo diapa-zona [Robotized complex for struggle with insects harmful to agriculture plants using electro-magnetic radiation of optical range]. Ekokul'tura i fitobiotekhnologii uluchsheniia kachestva zhizni na Kaspii. Materialy Mezhdu-narodnoi konferentsii. Astrakhan, 2010, pp. 67-69.
4. Likhter A. M., Pleshkova Iu. A., Rogozhina Iu. N., Shagautdinova I. T. Ustroistvo privlecheniia nase-komykh s ispol'zovaniem selektivnykh istochnikov elektromagnitnogo izlucheniia [Device of attraction of insects using selective sources of electromagnetic radiation]. Patent RF no. 93221, 2009.
5. Pleshkova Iu. A., Likhter A. M. Upravlenie povedeniem nasekomykh s pomoshch'iu opticheskoi fil'trat-sii [Control of insects behavior using optical filtration]. Problemy upravleniia, 2012, no. 6, pp. 51-55.
6. Aleksanian I. Iu., Lysova V. N., Maksimenko Iu. A., Davydova S. A. Praktikum po raschetu protsessov i oborudovaniia khimicheskikh i pishchevykh proizvodstv [Practical training on calculation of the processes and equipment of chemical and food production]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2012. 348 p.
7. Likhter A. M. Optimal'noe proektirovanie optiko-elektronnykh sistem [Optimal projection of the optical electronic systems]. Astrakhan, Izdatel'skii dom «Astrakhanskii gosuniversitet», 2004. 241 p.
8. Pleshkova Iu. A., Likhter A. M. Model' protsessa peredachi opticheskoi informatsii v sistemakh uprav-leniia povedeniem nasekomykh [The model of the process of transmission of optical information in the systems of control of insects behavior]. Ekologicheskie sistemy ipribory, 2010, no. 12, pp. 24-27.
9. Pleshkova Iu. A., Likhter A. M. Programmnyi kompleks dlia rascheta kharakteristik kanala peredachi opticheskoi informatsii dnevnym letaiushchim nasekomym [Program complex for calculation of characteristics of the channel of transmission of optical information for day flying insects]. N 08.01.08/220, 20.01.2011.
Статья поступила в редакцию 14.03.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Лихтер Анатолий Михайлович - Астраханский государственный университет; д-р техн. наук, доцент; зав. кафедрой «Общая физика»; [email protected].
Likhter Anatoliy Mikhailovich - Astrakhan State University; Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor; Head of the Department "General Physics"; [email protected].
Давыдова Светлана Александровна - Астраханский государственный университет; канд. техн. наук; старший преподаватель кафедры «Агроинженерия, мелиорация и агроэкология»; [email protected].
Davydova Svetlana Aleksandrovna - Astrakhan State University; Candidate of Technical Sciences; Senior Lecturer of the Department "Agroengineering, Land Reclamation and Agroecology"; [email protected].
Кузьмин Анатолий Николаевич - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Промышленное рыболовство»; [email protected].
Kuzmin Anatoliy Nikolaevich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Industrial Fishing"; [email protected].
