ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПОЛЁТА ПЧЁЛАМИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА МЕДОНОСНОСТИ С/Х КУЛЬТУРИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ПЧЕЛОСЕМЬЮ Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

Вестник АПК

Агроинженерия -; № 3(15), 2014 " "

УДК 631.53.027:57.043

Трошков А. М., Герасимов В. П., Сапожников В. И., Кусакина О. Н.

Troshkov A. M., Gerasimov V. P., Sapozhnikov V. I., Kusakina O. N.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПОЛЁТА ПЧЁЛАМИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА МЕДОНОСНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ПЧЕЛОСЕМЬЮ

THEORETICAL MODEL OF DIRECTION FINDING

IN BEES FOR MONITORING NECTAR BEARING CAPACITY OF AGRICULTURAL CROPS AND MANAGING INFORMATION-TRANSLATION PROCESS INSIDE BEE COLONY

Проведена оценка зависимости урожайности плодово-ягодных культур от лётно-опылительной деятельности пчёл. Предложена теоретическая модель определения координат медоносных культур (растений) и способ управления направлением полёта пчел к медоносным участкам.

Ключевые слова: Медоносно-опылительная деятельность, цикл передачи информации, распределении информации, направлении движения, траектории.

The article presents theoretical model of finding areas with crops of high nectar bearing capacity and capability of managing bee's selection of direction towards nectariferous areas.

Key words: nectar-bearing and pollinating activity, cycle of information transmission, information distribution, direction, courses.

Сапожников Василий Иванович -

кандидат военных наук,

доцент кафедры прикладной информатики

Ставропольский государственный

аграрный университет, г. Ставрополь

Тел.: (8652) 35-68-53

E-mail: pi_stgau@mail.ru

Трошков Александр Михайлович -

кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной информатики Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь Тел.: (8652) 35-68-53 E-mail: pi_stgau@mail.ru

Герасимов Владимир Павлович -

кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной информатики Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь Тел.: (8652) 35-68-53 E-mail: pi_stgau@mail.ru

Кусакина Ольга Николаевна -

доктор экономических наук, профессор Ставропольский государственный аграрный университет, г. Ставрополь Тел.: (8652) 35-68-53 E-mail: pi_stgau@mail.ru

Sapozhnikov Vasily Ivanovich -

PhD in Military sciences, Docent of Department of Applied Informatics Stavropol State Agrarian University, Stavropol

Tel.: (8652) 35-68-53 E-mail: pi_stgau@mail.ru

Troshkov Alexander Mikhailovich -

Ph.D. in Technical Sciences, Docent of Department of

Applied Informatics

Stavropol State Agrarian University,

Stavropol

Tel.: (8652) 35-68-53 E-mail: pi_stgau@mail.ru

Gerasimov Vladimir Pavlovich -

Ph.D. in Technical Sciences, Docent of Department of

Applied Informatics

Stavropol State Agrarian University,

Stavropol

Tel.: (8652) 35-68-53 E-mail: pi_stgau@mail.ru

Kusakina Olga Nikolaevna -

doctor in economic sciences, professor Stavropol State Agrarian University, Stavropol

Tel.: (8652) 35-68-53 E-mail: pi_stgau@mail.ru

Анализ научных работ ученых агрономов, результаты научных конференций в области АПК Ставропольского края показывают, что Ставропольский край по почвенно-климатическим условиям является одним из ведущих в аграрном секторе в развитии приусадебного, фермерского и коллективного плодоводства. Несмотря на высокие достижения садоводов отдельных

структурных подразделений АПК СК садоводство развивается пока еще недостаточно. Урожайность садовых и ягодных культур имеет тенденцию нестабильности. В определённой мере урожайность всех растений, культивируемых в АПК Ставропольского края, зависит от опылительной деятельности пчёл. Устранение недостатков можно восполнить внедрением информационно-

технических проектов в направлении пчеловодства. Медоносно-опылительная деятельность пчелосемей еще недостаточно интенсивна и имеет резервы в повышении летно-опылительной деятельности (ЛОД). В настоящее время организации опыления сводится к условиям: подвоз пчел к посевам в определенные сроки и размещение на массивах цветущих растений. Потребность в опылениях не рассчитывается, мо-ниторинги работающих пчел на единице площади не проводятся. Исходя из этого, баланс плодово-ягодных насаждений и количества пчелиных семей не соблюдается. А ведь все виды плодовых и ягодных культур - типичные энтомофильные растения, у которых характерно специальное цветение т.е. рыльце пестика созревает раньше пыльников, что исключает возможность опыления цветков собственной пыльцой. Таким образом, влияние опыления медоносными пчелами на повышение урожайности плодово-ягодных культур высокое и это надо учитывать в агрономическом направлении АПК. Ранее уже предлагалось в целях повышения летно-опылительной деятельности внедрить автоматизированную систему оптимального управления микроклиматом улья. Предложен проект схемотехнического устройства управления отличающихся от аналогов и прототипов тем, что нагревание улья происходит за счет подогрева меда, а вентиляция $ за счет бессквозня-

ные стенки улья и нумерация пчел много лет назад помогли выяснить [6], как ведут себя пчелы - разведчики по возвращению из удачного полета. В качестве нового параметра оценки разведывательного полета предлагается ввести временнбй параметр - гоЦм (ЬОЦм - время оценки местности), а дополнительным временным параметром вводится время передачи географической информации 1пги. Под географической информацией понимается расположение на местности координат медосборных мест. Таким образом, время, затраченное для определения координат на основной медосбор оценивается:

Том = ^ (tij) = ^цм + ¿ПГИ

(1)

Исходя из (1) повышение эффективности ЛОД возможно снижением времени Тоцм, т. к.

tn,

-const и является инстинктом пчел и в на-

стоящее время пока не подлежит коррекции. Поскольку Тпги инстинктивное время и является временной постоянной в определенном пределе, то опишем его: прилетевшая пчела-разведчик начинает кружиться на соте, описывая то вправо, то влево небольшие круги, предельное время таких движений длится от нескольких секунд, до 1 минуты, затем переход на новое место на сотах и повторение кружения, отсюда цикл передачи информации Тпги представлен на рисунке 1.

1-ая сота

2-ая сота

^ движение на первом месте

(•)точка отсчета •4-

вого проветривания. Однако исследование возможностей дальнейшего приме-ненияинформационно-технических инновационных технологий показало, что с развитием микропроцессорной техники эффективность динамического функционирования пчелосемей возможно и необходимо развивать. Исходя из этого, научно-

исследовательские работы были направлены в область магнитно-электрических процессов, происходящих в замкнутом и открытом пространстве функционировании особей пчелосемьи. Наблюдение нескольких поколений пчеловодов и их выводы доказывают, что направление расположения медоносных растений определяют пчелы-разведчики, обладающие повышенным содержанием сахара в гемолимфе и они первыми уходят на этап летно-опылительной и медоносной деятельности. Стеклян-

t2-nepexoA

'Л

tз движение на втором месте

МИН

Рисунок 1 - Цикл передачи ^

(•)точка конец отсчета

Из рисунка 1 видно, что ^ги определяется

Гпги = ^ + г2 + т3, (2)

где г1 - первое движение, - 12 - переход, г3 - второе движение по завершении цикла передачи информации пчеле покидает улей и направляется к медоносу, за ней уже устремляются пчелы получившие информацию о географическом расположении медоноса. По возвращению с взятком и побывавшие на указанном медоносе пчелы (но не все) повторяют движения и указывают место «взятки». Таким

t

образом, распространение информации происходит по иерархическому алгоритму, представленному на рисунке 2

Анализ рисунка 2 показал расчетное время распространения информации определяется

Пчелы-разведчики

©

1 Г

® ''"ПГИ

J г

л

^-пги /

^___

Пчелы-вербовщики

Три ^ПГИ-1 + ^ПГИ2 + ■

(3)

ПоложениеЗ^^!

<( )> -4

солнца ^

(•1) 7

Исходя из вышесказанного, предлагается исследовать параметры: 1оцм, tпги.

Параметр tоцм можно исследовать и сделать вывод, что если 1оцм - уменьшается, то улучшается интенсивность летно-опылительной деятельности. Исследователи пчелиного «языка» доказали, что направление полета определяют три точки:

Передача информации о медоносах осуществляется в виде пчелиного танца, рисунок 4.

Этимологи доказали, что вылетающая пчела несет слабый электрический заряд. В ходе полета она создает вокруг себя электрическое поле 1,5 -1,8 вольт. Электрический заряд, вернувшийся пчелы в улей, служит своеобразной информацией о местонахождении источника медосбора. Электрический заряд заложен в свойстве поляризации покрова пчелы. Исследователи не исключают трибоэффек-та на теле пчелы, отсюда можно сделать вывод, что заряды концентрируются на спинке пчелы и брюшке с ножками, рисунок 5.

Таким образом, можно предположить, что магнитная составляющая (сила Лоренса) влияет на магнитное поле пчелы. Если существует присутствие силы Лоренса, что, исходя из законов физики, будет присутствовать сила Ку-

Рисунок 2 - Иерархический алгоритм распространения информации

Леток улья (•2)

Рисунок 3 - Три точки определения полета

Секция

Ед Улей

Место добычи (•3)

(•2) и (•З)^ (•1) и (^2,3)^ ~

О3

Рекруты

Рисунок 5 -Поляризация покрова пчелы

Рисунок 4 - Информационный танец пчелы

лона (р*У) и поведение пчелы будет зависеть от изменения поля вокруг пчелы. Строение пчел показывает, что у них есть клетки - тро-фоциты, они расположены в брюшке пчелы и содержит гранулы, в состав которых входит железо, гранулы имеют свойства парамагнетиков, т.е. способны реагировать на магнитное поле, интенсивность которого ~ 26 нано-тесл. В соответствии с этим предполагаем гипотезу способа управления направлением движения пчелы - разведчицы к медоносу. Гипотезу можно подтвердить магнитной индукцией - векторной величиной, показывающей, с какой силой Р, магнитное поле В действует на заряд, при этом магнитная индукция является основой характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору направленности магнитного поля. Таким образом, если пред-

п

положить, что пчела заряжается зарядом р, то на нее действует магнитная индукция В - векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Исходя из этого, пчелы с зарядом р попадают под магнитную индукцию В, это создает возможность «указать» пчеле-разведчику направление У-медоносного участка рисунок 6.

Рисунок 6 - Векторное направление медоносного участка (Силы Лоренса)

Если на летке улья установить направленную катушку, по которой пропустить электрический ток, а катушку разместить на мобильной подставке с вращением по азимуту в 360о, то можно изменить магнитный вектор движения направленный в сторону медового участка и тем самым

направлять пчел-разведчиков в заранее заинтересованном направлении, что тем самым уменьшит временной параметр рисунок 7.

Направление полета

Рисунок 7 - Размещение катушки на летке улья

На электронную катушку через регулятор Я ^ подается напряжение с солнечной батареи, по катушке проходит электрический ток, внутри создается магнитное поле. Следовательно, сила магнитного поля действует на трофоциты пчелы (Ре - гранулы), а по правилу Лоренца векторная сила будет показывать направление движения. Если враща-

Медоносные участии

Рисунок 8 - Изображение растительности сектора мониторированного участка

ются леток улья или вращающуюся катушку направлять в сторону медоноса (или опылительный участок), то пчелы-разведчики начинают движение, а затем облет в сторону медоноса. Определение медоноса предлагается осуществлять с помощью беспилотного летательного аппарата с визуальным устройством, которое передает видеоинформацию (или записывает) на АРМ-пчеловода, таким образом, пчеловод на мониторе ПК (АРМ) в режиме реального времени получает изображение растительности сектора мониториро-ванного участка, рисунок 8

Мониторинг участка местности осуществляется секторно-мониторинговым методом, т. е. накладыванием матрицы на выбранный участок обследования рисунок 9.

Расчет площади сектора найденного медоносного участка производится с помощью программно-аппаратного метода на осно-

ве исследовательских операций «Монте-Карло».

Рисунок 9 - Наложение секторной матрицы на карту исследуемой местности

Идея применения метода заключается в следующем. На основании мониторинга БПЛА выявляются расположения медоносных участков площадь которых требуется определить рисунок 10.

Далее полученные фигуры участков распознают по признакам цветения растений рисунок 11

Рисунок 10 - Результаты мониторинга БПЛА по выявлению различных видов растений

(медоносных участков)

Фото мониторинга Признаки распознавания Результат распознавания

Hi Цветение желтым цветом, цветки большие Подсолнух

Множество цветков сиреневого оттенка Гречиха

III Мелкие цветки желтого цвета Донник

Фото мониторинга Признаки распознавания Результат распознавания

и Разнообразие цветков, низкорослость Разнотравье

■ ' Мелкие цветки, цвет ближе к розовому Эспарцет

J7 _ * ^ Цветок-бутон белый и красноватый оттенок Клевер

Рисунок 11 - Результаты распознавания

Фигуру участка помещают в геометрическую фигуру, площадь которой заранее известна, например, в квадрат. После этого в квадрат насыщают точками со случайными координатами. При этом ведут счет всех точек (к1) и счет точек, попавших в исследуемую фигуру (к2). Если обозначить площадь квадрата э1, а площадь фигуры э2, то при большом числе всех точек справедливо равенство з2/в1=к2/к1, откуда

з2=в1*к2/к1. (4)

В качестве дополнения предлагается визуальная классификация медоносных культур с целью получения целенаправленного меда (например: гречишного, подсолнечного, донника и т. д.) Алгоритм визуализации выбора классификационного меда предлагается следующий рисунок 12:

Подтверждение теоретических исследований осуществлялось на ульях фермерского хозяйства в п. Демино, Шпаковского района СК. Для оценки результатов были выбраны контрольные характеристики:

1. Суточные прибавки к массе улья.

2. Интенсивность полетов пчёл.

Для оценки сформированы две группы пчелосемей контрольная и обычная, в каждую группу вошли по два улья. Результаты проведенных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1

№ Характеристики Контрольные группы Обычная группа

1-й улей 2-й улей 1-й улей 2-й улей

1 Суточная прибавка (г) 1 кг. 200г. 2 кг. 700 г. 850 г.

2 Интенсивность

полетов (раз) 25тыс. 25тыс. 22 тыс. 24 тыс.

на 1 кг. Меда пол. пол. пол. пол.

Рисунок 12 - Алгоритм выбора классификационного меда

Анализ результатов таблицы 1 показывает, что контрольная группа, управляемая по предложенной системе показала лучшие результаты. Исходя из этого, теоретическая модель определения направления мониторинга медоносности с/х культур и управления процессом передачи информации пчелосемьи может быть реализована в АПК Ставропольского края с целью повышения эффективности функционирования летно-опылительной деятельности и производства продуктов пчеловодства.

Литература

1. Трошков А. М. Повышение эффективности работы пчел регуляцией микроклимата улья // Научная жизнь. 2012. № 4. С. 6-11.

2. Трошков А. М. Трошков М. А. Биометрические характеристики человека и их ау-

References

1. Troshkov A. M. Increasing working efficiency of bees by regulating hive environment // Nauchnaya zhizn. 2012. № 4. P. 6-11.

2. Troshkov A. M. Troshkov M. A. Human bio-metric parameters and their authentication tags as a basis for creating protection and

тентификационные признаки - база создания защиты и ограничения доступа к информационным ресурсам агропромышленного комплекса // Вестник АПК Ставрополья. 2011. № 3 (3).

3. Трошков А. М., Трошков М. А. Концепция проектирования биометрической системы для управления допуском к информационным ресурсам // Вестник СевКавГТИ. 2012. Вып. 13.

4. Трошков А. М., Трошков М. А. Кондра-шов А. В. Биометрическая идентификация (аутентификация) элитных пород крупного рогатого скота // III международная научная экологическая конференция «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» / КубГАУ. Краснодар, 2013.

5. Трошков А. М., Кондрашов А. В. Применение ультразвуковой допплерографии для оценки состояния и кормления элитных пород крупного рогатого скота в АПК // III международная научная экологическая конференция «Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» / КубГАУ. Краснодар, 2013.

6. Трошков А. М. Тепловизорная визуализация, диагностика функционирования особей пчелосемьи. Электронный ресурс // Исследования в области естественных наук. 2013. № 9. Сентябрь. URL : http/sci-ence.snauka.ru /2013/09/5842

7. Трошков А. М., Герасимов В. П., Сапожников В. И. Устройство для контроля функционирования пчелосемьи в улье // Информационные системы и технологии как модернизационный потенциал современного Российского общества : материалы Всероссийской научно-практической конференции / НОУ ВПО СКСИ. Ставрополь, 2013. 373 с.

8. Трошков А. М. Визуализация и аудио-идентификация для контроля функционирования пчелосемьи в улье // Вестник АПК Ставрополья. 2013. № 3(11). С. 72-78

9. Трошков А. М., Кузьменко И. П. Информационно-аналитическая система поддержки принятия решений пчеловода // Вестник АПК Ставрополья. 2013. № 4 (12). С. 146-151.

restricting access to information resources of agribusiness // Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2011. № 3 (3).

3. Troshkov А. М., Troshkov М. А. Conception of designing biometric system for managing access to information resources // Bulletin of North Caucasus State Technical Istitute.

2012. Issue 13.

4. Troshkov А. М., Troshkov М. А. Kondrashev А. V. Biometric identification (authentication) elite cattle breeds // III International scientific ecologic conference «Issues of domestic, industrial and agricultural waste treatment» / KubSAU. Krasnodar, 2013.

5. Troshkov А. М., Kondrashev А. V. Using Применение hypersonic Doppler sonogra-phy for assessment and feeding elite cattle breeds in agribusiness // III International scientific ecologic conference «Issues of domestic, industrial and agricultural waste treatment» / KubSAU. Krasnodar, 2013.

6. Troshkov А. М. Infrared visualisation diagnostics of bees functioning in colony. Electronic resource // Research in life sciences.

2013. № 9. September. URL : http/science. snauka.ru /2013/09/5842

7. Troshkov А. М., Gerasimov V. P., Sapozhnikov V. I. Device for monitoring bee colony functions in a hive // Information systems and technologies as potential for modernization of modern Russian society : proceedings of Russian scientific and practical conference / Non-state Educational Institution of Higher Professional Education North Caucasus Social Institute. Stavropol, 2013. 373 p.

8. Troshkov А. М. Visualisation and audio identification for monitoring bee colony functions in a hive // Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2013. № 3(11). Р. 72-78.

9. Troshkov А. М., Kuzmenko I. P. Information and analytical system of beekeeper's decision-making support // Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2013. № 4 (12). P. 146-151.