CC BY
80
УДК 620.186:63
СТРАТЕГИЯ НАУЧНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЗВИТИЯ НАНО- И ИНТЕРНЕТ-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА АПК В ХХ1 ВЕКЕ
© 2009 г. акад. РАСХНД.С. Стребков, д-р техн. наук, проф. В.Р. Краусп
Всероссийский институт электрификации All-Russian Research Institute
сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) of Electrification of Agriculture
В статье отражены ситуация и стратегические направления развития научного обеспечения нанотехнологий и интернет-технологий в АПК. Показаны перспективы интенсификации производства в молочном скотоводстве, обработке зерна и в повышении качества выпускаемой продукции с использованием интернет- и нанотехнологий.
Ключевые слова: молочный и мясной скот, солнечная энергия,
сельскохозяйственные машины, нанотехнологии, интернет-технологии, интенсификация, диагностика и лечение животных, защита растений.
Nanotechnologies in an agricultural engineering allow developing new high technologies of biofuel, to increase efficiency of a solar energy conversion in electric energy, to new create materials for agricultural machines, means of diagnostics and treatment of diseases of animals and protection of plants. Integrated development nanotechnologies and internet-technologies there intensification APK.
Key words: food security, milk and meat cattle breeding, biofuel, nanotechnologies, solar energy, development, agricultural machines, diagnostics and treatment, poultry keeping.
В ХХ! веке развиваются высокоточные сельскохозяйственные технологии в животноводстве и растениеводстве. Свое место в них должны занять нано- и интернет-технологии.
В Россельхозакадемии по отделению механизации, электрификации и автоматизации координация научных исследований по нанотехнологиям и интернет-техно-логиям возложена на Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ). В отделении организованы научно-методические советы по нанотехнологиям и интернет- (инфокоммуникационным) технологиям.
Цель настоящей статьи - показать направления научных исследований в области нанотехнологий и интернет-техноло-гий, определить место их применения в современном механизированном и автоматизированном производстве и дать методику количественной оценки влияния этих нововведений на интенсификацию и экономическую эффективность
сельскохозяйственного производства на примере молочного скотоводства.
В основу развития исследований положен постулат: применение
нанотехнологий придает новое качество производственному процессу, улучшает свойства производимой продукции, обеспечивает повышение
производительности труда и
экономической эффективности
производства.
В современных рыночных условиях важно выбирать сельскохозяйственные объекты, в которые выгодно вводить нанотехнологии и интернет-технологии и при этом обеспечивать высокую эффективность их применения.
В области нанотехнологий формулировка научных задач предполагает многодисциплинарность, то есть участие в их постановке и решении физиков, химиков, биологов, математиков, специалистов по электронике, зоотехников, агрономов, механиков, электриков, руководителей хозяйств. Итенсификация производства в АПК с использованием нанотехнологий дает наибольший эффект в
высокоорганизованном производстве, где выбраны основные резервы повышения производительности труда и улучшения качества продукции. Биообъекты -
животные, растения, семена и другие -являются основными звеньями в
производстве сельскохозяйственной
продукции. Поэтому разработка и
применение нанобиотехнологий - одно из центральных направлений развития нанотехнологий для повышения эффективности производства
сельхозпродукции в АПК.
Нанотехнологии активно развиваются в США, Германии, Японии, Китае. В Российской Федерации сформированы научные программы развития
нанотехнологий в промышленности и сельском хозяйстве.
В нашей стране организациями РАН разработана концепция развития нанотехнологий до 2010 г., в которой приведены определение нанотехнологий и перспективные области применения [1].
Известно, что биологические объекты имеют следующие размеры: вирусы - 10 нм; белковая молекула (радиус спирали молекулы ДНК) -
1 нм; биоклетка - 10000 нм; эритроцит крови, кишечная палочка - 1000 нм;
яйцеклетка - 100000 нм. Для сравнения атом водорода - 0,1 нм или 1 Ангстрем.
Принятый в международной практике НАНО диапазон 1-100 нм. На рисунке 1 показаны перспективные направления развития нанотехнологий в отраслях промышленности, медицине, ветеринарии, биологии и в сельском хозяйстве [2]. В информационных системах
разрабатываются сверхминиатюрные
(карманные) ЭВМ для ведения баз данных о животных, машинах, оборудовании и ресурсах и других целей. В ветеринарной медицине и биологии создаются биодатчики для диагностики различных заболеваний животных и «адресной доставки лекарств» к больному органу.
Рис. 1. Области применения нанотехнологий
В энергетике создаются топливные и солнечные элементы, в экологии -наноприборы для оценки чистоты почвы, воздуха и сельскохозяйственной продукции.
В нашей стране для АПК начаты работы по следующим перспективным проектам.
• Разработка электронной
нанотехнологии сверхраннего мониторинга
и профилактического лечения мастита в стаде коров [4]. Патент ВИЭСХ № 2359639 от 27.06.2009 г.
• Разработка комплекса
наноэлектронных «лабораторий на чипе» с биосенсорами для мониторинга зараженности зерна токсинами плесневых грибов и создание наноадсорбентов и оборудования для поточной очистки
партий зерна от микотоксинов [4]. Патент ВИЭСХ № 2369437 от 10.10.09 г.
• Разработка технологии получения нано- и микроструктурированных лекарственных средств, кормов и комовых добавок на принципах управляемой волновой турбулизации.
• Создание износо- и
коррозионностойких наноструктурных покрытий с применением электроискровых технологий для восстановления и упрочнения деталей гидроагрегатов сельхозтехники.
• Создание солнечных элементов с
КПД, превышающим 20%, и фотоконверторов для взаимного
преобразования оптической и
электрической энергии [3].
Имеется еще целый ряд разработок и заделов по нанотехнологиям,
перспективным для сельского хозяйства. Так, например, научными институтами АПК разработано более 100 наименований электротехнологий. Все они основаны на воздействии световых потоков,
электромагнитных и электростатических полей, высокочастотных колебаний и других видов энергий на животных, растения, микроорганизмы.
В ряде литературных источников их называют наноэлектротехнологии.
Осуществлять в них не только электромагнитные и световые воздействия, но и наноконтроль жизненного состояния биоклеток после воздействия - задача ученых и разработчиков
наноэлектротехнологий.
В области интернет-технологии решаются задачи управления научными исследованиями и производством. Разработан и проходит апробацию сайт Отделения механизации, электрификации и автоматизации, в котором объединены и отражены научные работы институтов. Заинтересованными организациями и лицами вызывается информация о работах НИИ Отделения по запрашиваемому вопросу или теме. Устанавливается взаимный интерес и по результатам проведенной НИОКР заключаются контракты. В настоящее время обсуждается проект создания интернетсайта Россельхозакадемии в целом, что открывает большие возможности для продвижения академических научных
достижений. Однако предстоит еще очень много сделать, прежде чем рыночный механизм реализации научной продукции заработает в полную силу и станет эффективным. Главное состоит в том, чтобы сайты НИИ содержали информацию о новых машинах и оборудовании, о созданной научной продукции. В качестве примера можно привести сайт: www.
viesh.narod.ru. В меню на главной странице сайта выделены разделы: наука, новые разработки, молочное скотоводство, птицеводство, пчеловодство, приборы и системы автоматизации,
инфокоммуникационные системы АПК.
В XXI веке обычные проводные телефоны вытесняются мобильными сотовыми телефонами, в которые встраиваются цифровые фотокамеры, вычислительные системы, устройства SMS передачи данных и телеуправления производством. Цифровая сотовая связь позволяет легко перекачивать информацию в компьютеры. По-новому строятся системы управления научными
исследованиями, опытно-конструкторскими работами и
производствами. Большинство процессов сбора, передачи и обработки информации компьютеризировано. Получают развитие базы данных и базы знаний. Однако в сельском хозяйстве интернет-технологии делают только первые шаги, но за ними будущее.
Целью управления является
получение большего количества и лучшего качества продукции при
энергоресурсоэкономии (или сбережении).
Стратегия управления производством формулируется на многолетнем интервале. Поэтому каждое производство должно иметь бизнес-план развития на 10-15 и более лет. Стратегия и бизнес-план с позиций управления производством являются в определенной мере синонимами (близкими по смыслу).
Управлять - значит выдерживать стратегию и предвидеть отклонения от стратегического плана (бизнес-плана) для управляемого объекта. Общая стратегия управления делится на частные стратегии специалистов: агронома, зоотехника,
ветеринара, энергетика, механика, электрика, работников планового отдела и др. Наука в перспективе создает
математические имитационные модели и компьютерные программы, позволяющие имитировать ситуации и выбирать наилучшее решение. Имитационные модели - это сложные вероятностные зависимости в объектах с использованием генераторов случайных чисел,
позволяющие проигрывать ситуации на интервале 10-15 лет. И каждое решение связано с определенным риском. Оценивать вероятность рисков позволяет теория игр с активным и пассивным игроком.
Системы управления строятся по иерархическому принципу. Стратегия (бизнес-план) управления составляется, начиная с текущего, реального времени хозяйствования (с сегодняшнего состояния) и поэтапно, чаще всего с годовым циклом, предусматривает совершенствование технологий и системы управления производством.
Стратегия развития
автоматизированных технологий
животноводства направлена на
интенсификацию труда обслуживающего персонала (руководителей, зоотехников, ветеринаров, инженеров, операторов и др.) за счет создания и внедрения новой, в том числе компьютеризированной техники и интенсификации биологического
конвейера.
Управление предприятием в
современных условиях не ограничивается внутренними информационными связями, а имеет выходы во внешние организации. На рисунке 2 показана информационная взаимосвязь с районными и областными организациями. Информационная система предприятия, представляющая собой локальную вычислительную сеть с АРМами специалистов и индивидуальными базами данных, через систему коммуникаций и связи - интернеттехнологии, радиосвязь,
электронную и обычную почту, телефон, телетайп, спутниковую связь, сотовую связь и другие выходит на районные и областные организации. Взаимосвязь с
ними дает возможность регулировать внешние взаимоотношения и операции, необходимые для управления
производством.
Основной мировой тенденцией в развитии автоматизированных технологий в животноводстве является создание и реализация завершенных
автоматизированных технологических комплексов (АТК), сдаваемых заказчику в готовом к эксплуатации виде «под ключ».
Интенсификация
сельскохозяйственного производства
Современное сельскохозяйственное производство является экстенсивным. Сократились объемы производства молока, мяса, кормов, не используются многие пахотные земли, снижается качество продукции.
Обеспечение продовольственной безопасности страны требует принятия действенных мер государственного, муниципального масштаба и, в том числе, широкого внедрения в
сельскохозяйственное производство
достижений научно-техни-ческого
прогресса.
Интенсификация напрямую связана с количеством используемой информации в управлении производством, с ее качеством и своевременностью получения и применения [4].
Интернет- и нанотехнологиии на животноводческих фермах, комплексах и птицефабриках в XXI веке чаще всего используются в информационных целях для получения более точной и оперативной диагностики заболеваний животных и птицы, интенсификации производства, повышения производительности труда и улучшения качества продукции.
В результате создаются наукоемкие, компьютеризированные, роботизированные технологии.
Рассмотрим научно-методический подход к оценке эффективности применения интернет- и нанотехнологий на примере молочного животноводства.
Рис. 2. Инфокоммуникационная взаимосвязь управляемого предприятия
с внешними организациями
Рис. 3. Производительность труда и уровень механизации и автоматизации
при разных технологиях
В молочном животноводстве России применяют технологии привязного содержания (93%); комбинированные (автоматическая привязь с доением на доильных установках 2%); беспривязного содержания (5%). Беспривязные технологии в перспективе могут быть конвейерными и робототехническими.
Выбор технологий в молочном животноводстве связан с реализацией резервов роста производительности труда. На рисунке 3 показана связь между видами технологий, уровнем механизации и автоматизации и реализуемыми резервами сокращения трудозатрат.
Затраты труда от привязного содержания до роботизированных
технологий снижаются от 8-9 чел.-ч/ ц до 0,50,8 чел.-ч/ц молока. При этом уровень
механизации и автоматизации возрастает от 15-17% до 90%.
На рисунке 4 приведен график поэтапного развития интенсивных технологий в молочном скотоводстве.
4 6 8 Ю 12 14 16 18
Рис. 4. Поэтапное развитие и интенсификация технологий молочного животноводства
По оси абсцисс отложены интервалы времени и темпы интенсификации производства. По оси ординат (слева) -этапы развития и совершенствования технологий, связанные с повышением уровня автоматизации, введением новых контролируемых параметров и приборов. По той же оси справа - резервы повышения эффективности производства и его интенсификации. На этапе 9 наблюдается приближение к пределу интенсификации. На этапе рекордные удои коров, максимально используется генетический потенциал животных, применяются роботизированные
технологии свободного содержания коров, компьютерное управление производством и достигается максимальная
производительность труда
обслуживающего персонала. Для оценки степени использования генетического потенциала животных, профилактического контроля и лечения животных от ряда болезней (мастит, стрессы), для приготовления индивидуальных
сбалансированных кормосмесей
используются нанотехнологии. На этапе 3 и последующих этапах эффективны наноприборы диагностики сверхранних форм мастита, нанолекарства
профилактического лечения и их адресной доставки к больному органу. На этапах 4-7 необходимо очищать корм от микотоксинов нанотехнологическими
методами. При достижении этапов 5-9 следует применять нанотехнологии генной инженерии, позволяющие целенаправленно вести формирование племенного ядра стада и оценивать его генетический потенциал.
Интернет-технологии обеспечивают оптимизацию управления при выборе решений по воспроизводству стада, селекционно-племенной работе, оценке рынка кормов и скота, при реализации высококачественной продукции. Для этого используется компьютерная система «СЕЛЭКС» [7] и информационноаналитическая система в мясном скотоводстве России, направленная на
интенсификацию производства в этой отрасли [8].
Выбор вида нанотехнологий и информационных технологий на каждом этапе нуждается в обосновании. Для учета многих изменяющихся факторов применим многодисциплинарный системный подход,
который ведется с использованием математической модели, отражающей зависимость затрат на единицу продукции в автоматизированном
(компьютеризированном с использованием интернет-технологий и нанотехнологий) производстве.
АКстр + АК°
о _____а.т а.
г(Км; Ка) + Ск (1 ±Р) + АСж (1 ±а) + Сз (1 ±е) +
[100 + С + А%с + v + П(t)]Gm-100 24м + Ст (1 ± Кт ) + Сэ (1 ± Кэ ) + Ен (К + Кж + Ка ) - М ~ Т[п, Ц (Р)] ~ Н [100 +С + А%(Т +v + n(t)]Gm -100-2%м '
>
где АКсаТ - отчисления от стоимости строительной части на амортизацию и текущий ремонт, руб.; АК0абт - отчисления
от стоимости технологического
оборудования на амортизацию и текущий ремонт;
Ск - затраты на корм, руб.; С3 - зарплата обслуживающего персонала; АСЖ -единовременные затраты и ежегодные расходы на формирование продуктивного стада фермы, руб.; Ст,С - затраты на топливо и электроэнергию; Еи -нормативный коэффициент эффективности капиталовложений (Ен = 0,12); Км, Кж, Ка
- капитальные затраты на
механизированную ферму (базовый вариант, с которым идет сравнение), на промышленное стадо, на автоматизацию, руб.; С - процент повышения продуктивности животных за счет раздоя при индивидуальном нормировании
кормов с авансированием на восходящей части лактационной кривой; А - общий процент заболеваний животных в промышленном стаде; с - средний процент потери годовой продуктивности в связи с заболеванием животных (10-25%); X - процент сокращения ущерба в результате ранней диагностики
заболеваний (30-50%); v - повышение продуктивности животных в результате поддержания биологических ритмов и соблюдения распорядка дня (оперативная служба может обеспечить v = 2 -10%); П (t) - функция повышения
продуктивности стада в результате
целенаправленного ведения
зоотехнической и племенной работы; G -
средний годовой удой на ферме, ц; m -число животных на ферме; М - стоимость мяса, сдаваемого государству при выбраковке животных, руб.; Т[п;Ц(Р)] -функция ценности телят (п - число телят, Ц(Р) - их ценность от показателя Р племенных качеств); Н - ценность
реализованного навоза, руб.; %м -коэффициент перевода получаемого молока в нормализованное с учетом жирности и качества.
Для анализа влияния введения в поточные линии и зооветеринарные системы управления стадом животных нанотехнологий и интернет-технологий на экономическую эффективность фермы необходимо знать пределы изменения величин, входящих в За.
Отчисления на амортизацию и текущий ремонт АКст, АКоабт составляют постоянную долю от капитальных затрат на механизацию, строительную часть и автоматизацию и находятся по справочным изданиям.
Затраты на корм Ск зависят от вида корма, затрат на его производство, норм выдачи и других факторов. При автоматизации Ск могут возрастать или снижаться пропорционально
коэффициенту J3. Возрастание может происходить в результате интенсификации кормления животных, увеличения потерь. Уменьшение возможно при устранении перерасхода, применении корма, полученного по рецепту нанотехнологий, и других факторов. Так, при индивидуальном нормировании основных и концентрированных кормов коровам снижается их удельный расход на единицу
получаемой продукции. Уменьшение происходит вследствие применения нанотехнологий, компьютерных
технологий и баз знаний. В результате удается уменьшить затраты корма на 518% при р = 0,05 - 0,18.
Зарплата обслуживающего персонала С при разных видах и уровнях
автоматизации по сравнению с механизированным производством может расти или снижаться, пропорционально коэффициенту +е. Снижение затрат живого труда при автоматизации одновременно приводит к общему росту С за счет повышения квалификации
персонала, появления новых служб эксплуатации автоматики и расширения аппарата управления фермой.
Ориентировочно 0,1 <s <0,2 .
Ежегодные расходы на формирование продуктивного стада фермы АСж зависят от эффективности ведения зоотехнической и ветеринарной работы, совершенства технологии содержания животных, породы и других факторов. Чем больше срок эксплуатации (использования) животных, тем меньше величина АСЖ. При автоматизации, информатизации и применении нанотехнологий для
диагностики и лечения заболеваний срок использования животных, как правило, повышается, но могут встретиться случаи, когда на автоматическом комплексе выгодно идти на сокращение этого срока.
При механизированном производстве АСж = 0,2 — 0,3Кж (срок использования
tx = 3 - 5 лет; Кж - капитальные вложения
в стадо фермы). В результате автоматизации и применения интернеттехнологий и баз знаний АСЖ будет
изменяться пропорционально а,
ориентировочно лежащего в пределах — 0,3 < а < +0,05; затраты на топливо и электрическую энергию Ст, Сэ - при автоматизации животноводческого
комплекса снижаются на 5-15% (
К = Кт = 0,05 — 0,15 ). При применении нано- и интернет технологий эти затраты могут быть сокращены до 30%.
Анализ составляющих затрат на производство молока показывает, что при автоматизации, информатизации и
применении нанотехнологий можно получить два вида эффектов: разовые
(постоянные) и переменные
(многократные).
Разовые эффекты характерны тем, что могут быть реализованы только один раз при вводе автоматизированной фермы в эксплуатацию. За счет их техникоэкономические показатели, изменившись только раз, остаются примерно
постоянными. Сюда можно отнести эффекты от организации труда,
автоматизации приготовления и раздачи кормов, улучшения условий микроклимата, снижения стоимости оборудования, средств механизации и автоматизации, сокращения расходов электроэнергии, топлива и других факторов.
Переменные (многократные)
эффекты при автоматизации, применении нанотехнологий и интернет-технологий достигаются при совершенствовании селекционно-племенной работы,
внедрении достижений генной инженерии, повышении ветеринарного контроля, улучшении условий содержания и оптимизации физиологического состояния животных.
При расчете экономического эффекта от автоматизации важно знать не только его абсолютную величину, но и составляющие. По ним можно проследить истоки экономического эффекта и правильно распределить капитальные вложения в подсистемы автоматизации, интернет-техно-логий и нанотехнологий.
Системный подход дает возможность рассчитать изменение затрат на многолетнем интервале работы фермы. Тогда можно получить зависимость 3(t), которая на многолетнем интервале может иметь минимум или предельно допустимое значение. Это значение принимается за искомое. Аналогично решаются задачи интенсификации производства в других отраслях животноводства [6].
В заключение следует отметить, что инновационные технологии,
интенсифицирующие производство АПК с применением интернет- и нанотехнологий, предполагают совершенствование и развитие всего производственного комплекса, в который входят здания, машины, оборудование, пашни,
обслуживающий персонал, животные,
системы управления и другие объекты. При этом ставится цель - получение заданного количества и качества производимой продукции.
Интенсификация производства
достигается совокупностью приемов, методов и средств научно-технического прогресса: механизации, автоматизации,
химизации, генетики, биологии с расчетом эффективности каждого фактора по системным математическим моделям предприятий. Таков основной путь научного обеспечения развития интенсивных сельскохозяйственных технологий в ХХ1 веке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Концепция развития нанотехнологий на период до 2010 г. - М.: Минобрнауки, РАН, 2006.
2. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. - М.: БИНОМ, Лаборатория знаний,
2007.
3. Strebkov D.S. Nanotechnologies in the Agricultural Engineering // Proceedings of the 6th Research and Development Conference of Central and Eastern European Institutes of Agricultural Engineering (CEE AgEng). Lithuania, June 30 - July 02, 2009.
4. Краусп В.Р. Стратегия автоматизации и информатизации управления сельскохозяйственным производством. Теория, интернент- и нанотехнологии, практика. -М., 2008.
5. Ерохин М.Н., Балабанов В.И., Стрельцов В.В., Цыпцын В.И., Сафонов В.В., Федоренко В.Ф., Буклагин Д.С., Голубев И.Г. Нанотехнологии и наноматериалы в агроинженерии: учебное пособие. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008.
6. Фисинин В.И., Калашников В.В., Багиров В.А. Научное обеспечение развития животноводства России в 2008-2012 гг. // Достижения науки и техники АПК. - 2008. - № 10.
7 Эрнст Л.К. Роль биологии в развитии животноводства в 21 веке // Достижения науки и техники АПК. - 2008. - № 10.
8. Амерханов Х.А. Информационно-аналитическая система в мясном скотоводстве России. - М., 2003.
9. Попов В.Д. Использование интенсивных технологий в животноводстве и решение экологических проблем.
10. Proceedings of the 6th Research and Development Conference of Central and Eastern European Institutes of Agricultural Engineering ( CEE AgEng). Lithuania, June 30-July 02, 2009.
