CC BY
7УДК 631.171
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ МАШИН В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОГО РЕГИОНА
КАЗАХСТАНА
Бобков Сергей Иванович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией механизированных технологий, Костанайский филиал ТОО «Научно-производственный центр агроинженерии»
(110008, Казахстан, г. Костанай, пр. Абая 34, Тел. 8-(7142) 55-81-46, E-mail: sergbobkov@mail.ru)
Рецензент: Зеленин А.Н. - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 9089282546, E-mail: agron@mail.ru)
Ключевые слова: системный подход, комплекс машин, технология, производительность труда, система точного земледелия.
Аннотация. В статье говорится о необходимости системного подхода при обосновании оптимальных комплексов машин и оборудования для возделывания сельскохозяйственных культур в системе точного земледелия северного региона Казахстана. Обоснованный комплекс машин позволит повысить производительность труда и качество проведения сельскохозяйственных работ. В рамках системного подхода разработанные оптимальные комплексы машин и оборудования для производства сельскохозяйственных культур в системе точного земледелия будут учитывать применение современных средств механизации, прогрессивные технологии и цифровые системы и оборудования для точного земледелия, а также размер хозяйств и уровень технической оснащенности региона.
SYSTEM APPROACH FOR SUBSTANTIATION OF OPTIMUM COMPLEXES OF MACHINES IN THE SYSTEM OF PRECISION AGRICULTURE IN THE CONDITIONS OF
THE NORTHERN REGION OF KAZAKHSTAN
Bobkov S. I. - candidate of technical science, head of the mechanized technologies laboratory,
Kostanai branch LLP «Research and production center of agroengineering»
(110008, Kazakhstan, Kostanai, Abai str. 34, Office number 8-(7142) 55-81-46, E-mail: sergbobkov@mail.ru)
Reviewer: Zelenin A. N. - candidate of technical sciences, associate professor, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Ekaterinburg, Karl Liebknecht str., 42 tel. +7 9089282546, E-mail: agron@mail.ru)
Keywords: system approach, complex of machines, technology, labor productivity, system of precision agriculture.
Summary
In the article is told about the need of system approach for substantiation of optimum complexes of machines and equipment for the agricultural crops cultivation in the system of precision agriculture in the northern region of Kazakhstan. Substantiated complex of machines allows the labor productivity and quality of agricultural works to be increased. As part of a systematic approach the developed optimal complexes of machines and equipment for the production of crops in the precision farming system will take into account the use of modern means of mechanization, advanced technologies and digital systems and equipment for precision farming, as well as the size of farms and the level of technical equipment of the region.
Введение
В современных условиях аграрного производства существует необходимость в обеспечении прибыльности и максимальной отдачи при возделывании сельскохозяйственных культур и отрасли в целом. Это возможно за счет рационального использования машинно -тракторного парка и применения различных прогрессивных агротехнологий, в частности, технологий с использованием элементов системы точного земледелия [1].
Однако, разнообразие почвенно-климатических условий, выращиваемых культур, условий хозяйствования, парка техники в северных и южных областях Казахстана усложняют шаблонное применение элементов точного земледелия и цифровизации сельского хозяйства путем простого переноса опыта его использования из развитых стран Европы, Австралии и Северной Америки. Потребителям в мире предлагается широкий ассортимент технологий и технических средств для систем точного земледелия. Появляются новые датчики, программы и методы измерений. Новые технологии и устройства вытесняют старые. Эффективность применения каждого элемента технологии различна. Ряд технологий находит ограниченное применение даже в таких странах развитых странах как США, Канада. При этом для развития технологии точного земледелия в ряде развитых стран производятся исследования направленные, как на разработку новых цифровых систем, так и адаптацию к условиям применения технических средств и оборудования, оценку эффективности их применения.
По оценкам американских экспертов, основными барьерами к внедрению технологии точного земледелия в США являются дополнительные затраты (35% респондентов), недостаточно высокое получение экономического эффекта (48%), сложность адаптации существующих технологий к системе точного земледелия (18%), недостаток профессионализма (29%) [2]. В Казахстане наряду с вышеуказанными барьерами дополнительной преградой является сложности с сервисом, отсутствие необходимой квалификации специалистов, недостаток информации о
технологиях и оборудовании для точного земледелия, современных технических средствах механизации сельского хозяйства.
Проблема также заключается в том, что зачастую в хозяйствах начинают работать без хорошо продуманного плана действий. Сельскохозяйственные машины и оборудование покупаются на основе рекламы без учета пригодности их использования в системе точного земледелия, без возможности подключения бортовых компьютеров, без возможности автоматической регулировки норм внесения удобрений, гербицидов, и т.д. По ряду техники есть проблемы по совместимости. Для исключения таких пробелов необходимо пошагово внедрять технологии с элементами точного земледелия. Изучение возможности внедрения таких агротехнологий в условиях Казахстана в разрезе регионов и по основным сельскохозяйственным культурам обеспечит наработку опыта их использования, позволит получить реальные показатели работы машинно-тракторных агрегатов, датчиков, оборудования, систем и программ, оценить эффективность их применения. Для этого необходим системный подход, позволяющий комплексно решать имеющиеся проблемы. Для реализации системного подхода к внедрению точного земледелия в АПК, обеспечивающего повышение производительности и эффективное использование всех составляющих элементов, целесообразна разработка оптимальных комплексов машин и оборудования для производства культур в системе точного земледелия.
Цель и методика исследования.
Такая работа в настоящее время проводится в Костанайском филиале ТОО «НИЦ агроинженерии» совместно с ТОО «НПЦЗХ им. А.И. Бараева», целью которой является -обеспечение эффективности производства основных сельскохозяйственных культур в северном регионе Казахстана (рисунок 1).
Эффективность использования машин и оборудования в системе точного земледелия может быть достигнута при учете взаимодействия различных факторов в рамках системного подхода на основе анализа проблемосодержащей и проблеморазрешающей систем в последовательности, представленной на рисунке 2. Общая методика проведения работ основывается на системном анализе производственного процесса как системы с учетом всех необходимых внутренних взаимосвязей.
При этом эффективность функционирования машинно-тракторного парка, может быть достигнута при учете взаимодействия различных факторов, в рамках системного подхода на основе изучения рассматриваемого производственного процесса, как системы с учетом всех необходимых внутренних взаимосвязей элементов, взаимосвязей объектов с внешней средой, внешних взаимосвязей с другими объектами для достижения определенной цели.
Как известно, исследование сложных систем построено на двух системных принципах: принципе декомпозиции и принципе внешнего дополнения [3,4]. Принцип декомпозиции основан на том, что для повышения точности описания любую систему третьего порядка можно
расчленить на ряд менее сложных подсистем и элементов, исследование и описание которых производится на нижестоящих методологических уровнях.
Проводя декомпозицию цели работы, мы приходим к тому, что для обеспечения эффективности производства основных сельскохозяйственных культур в северном регионе Казахстана необходимо обеспечить эффективность функционирования машинно-тракторного парка (МТП) агроформирований региона.
Обеспечить эффективность функционирования МТП в различных природно-производственных условиях северного региона Казахстана
Обеспечить требуемый уровень производительности МТА в системе точного земледелия при возделывания с х культур
Обеспечить своевременность выполнения
работ при возделывании с/х культур с учетом дефицита механизаторских кадров
Обеспечить минимальные потери при выполнении сельскохозяйственных работ
Обеспечить эффективность производства основных сельскохозяйственных культур в северном регионе Казахстана
Обеспечить качество при выполнении с/х работ машинно-тракторными агрегатами в системе точного земледелия
Обеспечить минимальные затраты при
выполнении с/х работ машинно-тракторными агрегатами в хозяйствах северного региона Казахстана
Обосновать оптимальный комплекс машин и оборудования для комплексной механизации возделывания культур в системе точного земледелия, обеспечивающих повышение производительности труда до 2-2.5 раз на основных технологических операциях
Рисунок 1 - Декомпозиция цели исследований
Для обеспечения эффективности его функционирования необходимо добиться своевременности проведения сельскохозяйственных работ за счет повышения уровня производительности МТП. При этом повышение производительности может обеспечиваться за счет применения элементов системы точного земледелия. В свою очередь необходимо обеспечить качество выполнения работ машинно-тракторными агрегатами в системе точного земледелия. Кроме того, для достижения данных показателей, необходимо учитывать размеры хозяйств и уровень их технической оснащенности, что напрямую связано с проведением работ в допустимые агротехнические сроки.
Своевременное проведение сельскохозяйственных работ позволит снизить потери продукции, что при обеспечении качества выполнения технологических операций в системе точного земледелия приведет к снижению совокупных затрат при производстве сельскохозяйственных культур.
Добиться этого возможно за счет достижения основной нижестоящей цели выполнения работы, которая заключается в обосновании оптимальных комплексов машин и оборудования для производства сельскохозяйственных культур в системе точного земледелия, обеспечивающих повышение производительности до 2,0-2,5 раз (рисунок 1).
Результаты исследования
С позиций системного подхода сложную систему будем рассматривать на основе анализа проблемо-содержащей и проблемо-разрешающей систем с четырех качественно различных методологических уровней (рисунок 2):
I уровень - технико-эксплуатационные характеристики машин и обору-дования [элементарный уровень];
Рисунок 2 - Методология исследований и разрешения проблемы в рамках системного подхода при обосновании оптимальных комплексов машин
II уровень - процессы функционирования МТА на различных технологических операциях в системе точного земледелия [подсистемный уровень];
III - процессы функционирования МТА в системе точного земледелия в условиях хозяйств региона [системный уровень];
IV - технологические регламенты и оптимальный комплекс машин и оборудования [метасистема (надсистема) - деятельность].
В зависимости от иерархии уровня изменяются его свойства. Методология изучения первого уровня базируется на технических науках, законах механики, математической статистики. На этом уровне необходимо собрать статистическую информацию и установить законы распределения показателей, характеризующих условия работы, технико-эксплуатационные параметры сельскохозяйственной техники (тракторов, комбайнов, посевных машин, почвообрабатывающих орудий и т.д.), характеристики цифровых систем, приборов и оборудования для точного земледелия, используемых в регионе (создать базу данных).
Объектом исследования второго уровня являются операции, в нашем случае - это отдельные технологические операции, на которых задействованы машины и оборудование. Этот уровень рассматривается как подсистема более сложного уровня - третьего уровня, который рассматривается как система. На системном уровне изучается функционирование комплексов машин и оборудования в разных природно-производственных условиях различных типов хозяйств региона с учетом всех технологических операций при возделывании сельскохозяйственных культур. На этапах второго и третьего уровней происходит моделирование процессов функционирования МТА, т.е. разрабатывается экономико-математическая модель эффективности использования комплексов машин применительно к различным условиям работы. Сложная система - метасистема (надсистема) объединяет подсистемный и системный уровни. Применительно к комплексу машин метасистема определяет работу МТА в обширной зоне (в данном случае во всем северном регионе Казахстана), при которой изучается и даётся оценка эффективности их использования с учетом природно-производственных условий всех хозяйств зоны, применительно ко всем технологиям возделывания различных культур. Такой подход в полной мере отвечает принципу внешнего дополнения при рассмотрении сложных систем.
Все четыре уровня системного подхода неразрывно связаны между собой в рамках детального описания первого уровня, операционных исследований, объединяющих элементарный, подсистемный и системный уровни, а также концептуальных исследований, включающих в себя результаты исследований системы и метасистемы.
При этом детальные исследования направлены на анализ качества подсистем, для комплекса машин - это качественный и количественный состав используемых и перспективных машин и оборудования для точного земледелия. Операционные исследование преследует цель более подробного изучения вариантов использования комплексов машин в рамках подсистемы и системы. Концептуальные исследования устанавливают общие тенденции развития и использования комплексов машин и оборудования.
Следует также отметить, что сами по себе элементы точного земледелия не являются главной причиной повышения производительности и качества выполнения работ, а лишь способствуют этому. Повышение производительности может быть достигнуто за счет комплексного применения современных высокопроизводительные машинно-тракторных агрегатов
в ресурсосберегающих технологиях совместно со средствами цифровизации сельского хозяйства. Например, невозможно добиться хороших результатов, используя дорогостоящее цифровое оборудование с устаревшими тракторами тяговых классов 3 -5.
Проведенный анализ состояния машинно-тракторного парка на основе статистических данных показывает, что, например в Акмолинской области (одной из основных зерносеющих областей северного региона Казахстана), при наличии общего количества тракторов более 15000 шт., на возделывании и уборке культур при выполнении различных технологических операций реально используются около 14300 тракторов различных тяговых классов. При этом преобладают тракторы тягового класса 1,4 и 2 (44,2%), применяющиеся в основном при возделывании пропашных, кормовых культур и овощей, доля площадей которых намного меньше по сравнению с зерновыми культурами. Доля тракторов общего назначения тягового класса 4, которые необходимы для средних хозяйств, составляет всего 9,9%, а доля тракторов общего назначения тягового класса 5, которые применятся в средних и крупных хозяйствах, составляет 28,3%, а тракторы тягового класса 6 и 8, необходимые для крупных хозяйств - всего 6,9% (таблица 1). Кроме того, тракторы тягового класса 3 и 4 представлены в основном устаревшими моделями ДТ-75М и Т-4А, а тракторы класса 5 - представлены тракторами К-700А и К-701, которые подлежат списанию.
При этом тракторы различных тяговых классов составляют основу машинно-тракторного парка и определяют весь шлейф сельскохозяйственных машин к ним для выполнения всех необходимых технологических операций для реализации прогрессивных технологий.
Анализ парка уборочной техники показал, около 58% от общего количества имеющихся комбайнов составляют комбайны 3 класса с пропускной способностью 5-6 кг/с, 4 класса с пропускной способностью 7-8 кг/с - около 24%, а доля высокопроизводительных комбайнов класса 5 и выше с пропускной способностью 8-12 кг/с - 17,2% (таблица 2). Кроме того, комбайны 3 класса представлены в основном устаревшими моделями Енисей-1200 и СК-5 Нива.
Таблица 1 - Структура тракторного парка по области
Тяговый класс Номинальное тяговое усилие, кН Мощность двигателя, кВт Количество
%
1,4-2 12,6-27,0 45-125 44,2
3 27,0-36,0 111-167 10,7
4 36,0-45,0 139-208 9,9
5 45,0-54,0 167-250 28,3
6-8 54,0-72,0 194-333 6,9
Итого - - 100,0
Таблица 2 - Структура комбайнового парка по области
Класс комбайна Пропускная способность, кг/с Мощность двигателя, кВт Количество
%
3 5-6 103 58,3
4 7-8 145 24,5
5 8-9 164 17,2
6 11-12 235
Всего - - 100
При этом на основании ранее проведенных исследований установлено, что повысить производительность на 60-80% в северном регионе Казахстана возможно за счет применения современных тракторов тягового класса 6-8. А в сочетании с использованием минимальной технологии обработки почвы, предусматривающей применение прямого посева - в 1,9-2,2 раза [5,6]. Кроме того, для своевременного выполнения уборочных работ в благоприятных погодных условиях необходимо применение комбайнов класса 4-5, а при неблагоприятных погодных условиях приоритет по эффективности следует отдать комбайнам класса 5 -6 [7].
Выводы
Все вышесказанное говорит о том, что назрела необходимость в техническом и технологическом переоснащении региона. А для широкого применения средств цифровизации в АПК Казахстана необходим системный подход, обеспечивающий эффективное использование всех составляющих элементов земледелия. В рамках системного подхода разработанные оптимальные комплексы машин и оборудования для производства сельскохозяйственных культур в системе точного земледелия будут учитывать применение современных средств механизации, прогрессивные технологии и цифровые системы и оборудования для точного земледелия, а также размер хозяйств и уровень технической оснащенности региона.
Библиографический список
1. Жалнин, Э.В. Точное земледелие - концепция успеха // Сельский механизатор. 2010. №12. С. 10-11.
2. Bruce Erickson and David A. Widmar // Precision agricultural services dealership survey results / Purdue university. 2015 - 37 p.
3. Бусленко, Н.П. Моделирование сложных систем / Н.П. Бусленко. М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1978. 400 с.
4. Перегудов, Ф.И., Тарасенко, Ф.П. Введение в системный анализ / Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. М.: Высшая школа, 1989. 320 с.
5. Бобков, С.И. и др. Зависимость совокупных затрат от номинальных тяговых усилий тракторов на посеве и основной обработке почвы при возделывании сельскохозяйственных культур / С.И. Бобков, М.А. Плохотенко // Достижение науки - агропромышленному
производству: Материалы LIII межд. науч.-технической конф. Челябинск: ЧГАА, 2014. ч. 2. С. 20-26.
6. Астафьев, В.Л. и др. Резервы повышения производительности труда и снижение затрат денежных средств при работе тракторных агрегатов / В.Л. Астафьев, М.А. Плохотенко, С.И. Бобков // Международная агроинженерия: Научно-технический журнал. Алматы, 2015. Вып. 4. С. 4-18.
7. Астафьев, В.Л. и др. Оценка эффективности зерноуборочных комбайнов различных классов в условиях Северного Казахстана / В.Л. Астафьев, Э.В. Жалнин // Сельскохозяйственные машины и технологии, 2018. Т. 12. № 3. С. 66-70.
Bibliographic list
1. Jalnin, E.V. Precision farming is a concept of success // Rural machine operator. 2010. №12. P. 10-11.
2. Bruce Erickson and David A. Widmar // Precision agricultural services dealership survey results / Purdue university. 2015 - 37 p.
3. Buslenko, N.P. Modeling complex systems / N.P. Buslenko. М.: The main edition of the physical and mathematical literature of the publishing house « The science », 1978. 400 p.
4. Peregudov, F.I., Tarasenko, F.P. Introduction to Systems Analysis / F.I. Peregudov, F.P. Tarasenko. М.: Graduate School, 1989. 320 p.
5. Bobkov, S.I. and other. The dependence of total costs on the nominal traction efforts of tractors for sowing and primary tillage when cultivating crops / S.I. Bobkov, М.А. Plochotenko // Achievement of Science - Agricultural Production: Materials of the LIII international scientific-practical conference. Cheliyabinsk, 2014. part 2. P. 20-26.
6. Astafyev, V.L. and other. Reserves for increasing labor productivity and reducing the cost of money when working tractor units / V.L. Astafyev, М.А. Plochotenko, S.I. Bobkov // International Agricultural Engineering: Scientific and technical journal. Almati, 2015. part 4. P. 4-18.
7. Astafyev, V.L. and other. Evaluation of the effectiveness of combine harvesters of various classes in the conditions of Northern Kazakhstan / V.L. Astafyev, E.V. Jalnin // Agricultural machinery and technology, 2018. P. 12. № 3. P. 66-70.
