CC BY
7Статья поступила в редакцию 09.06.14. Ред. рег. № 2034
The article has entered in publishing office 09.06.14. Ed. reg. No. 2034
УДК 681.3 DOI: 10.15518/ISJAEE (R). 20140607010
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПЧЕЛИНОЙ СЕМЬИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ В УЛЬЕ
А. Ф. Рыбочкин, А.А. Бартенев
Юго-Западный государственный университет 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94 Тел.: 8-951-338-73-13, 8-951-339-07-81 E-mail: Anat_ryboch@mail.ru, a.a.bartenev@yandex.ru
Заключение совета рецензентов: 13.06.14 Заключение совета экспертов: 17.06.14 Принято к публикации: 21.06.14
При современном содержании пчелиных семей существенно возрастают трудозатраты. На это существует много причин, но основная - изменяющаяся экологическая обстановка местности. Традиционные методы пчеловождения не обеспечивают достаточности информации о состояниях пчелиных семей. Подробную информацию о состояниях пчелиных семей можно получать без нарушения экологичности процессов их жизнедеятельности. В данной работе рассмотрена возможность с использованием средств вычислительной техники визуализировать жизненные процессы жизнедеятельности пчелиных семей на основе анализа тепловых процессов в улье на экране монитора. Рассмотрен контроль распределения тепловых полей в улье с использованием термопарной сетки, предложены математические модели расчета температур по считанным значениям термонапряжений в узлах термопарной сетки. Предложено программное моделирование визуализации стадий развития пчелиного расплода, а также скопления пчел во время их зимовки.
Такой способ визуализации позволит осуществлять работу с ульями на реальной пасеке, заменяя их виртуальными моделями. Не вскрывая реального пчелиного гнезда, пчеловод с использованием виртуальных моделей может вести контроль за состоянием пчелиной семьи по распределению теплового поля в улье. Во время зимовки способ визуализации по отношению к виртуальным стенкам улья позволит отследить перемещение пчелиного скопления в реальном улье, а в летнее время визуализировать пчелиные рамки, на которых расположен пчелиный расплод.
Ключевые слова: тепловые поля, термопарная сетка, термонапряжение, пчелиный расплод, состояния, скопление пчел, визуализация, математическое моделирование, программное моделирование.
VISUALIZATION OF LIFE PROCESSES OF THE BEE FAMILY BASED ON THE ANALYSIS OF DISTRIBUTION OF THERMAL FIELDS IN THE HIVE
A.F. Rybochkin, A.A. Bartenev
South-West State University 94, 50th Anniversary of October str., Kursk, 305040, Russia Tel.: 8-951-338-73-13, 8-951-339-07-81 E-mail: Anat_ryboch@mail.ru, a.a.bartenev@yandex.ru
Referred: 13.06.14 Expertise: 17.06.14 Accepted: 21.06.14
In this article examines the possibility of using computer tools to visualize the life processes of life of bee families on the basis of the analysis of thermal processes in the hive on the monitor screen. Considered monitor the distribution of thermal fields in the hive using thermocouple grid, mathematical models of calculation of temperatures in a matter of values of thermal stresses in the nodes thermocouple grid. The proposed software modeling visualization stages of development of bee brood, and also congestion of bees during their wintering grounds.
This method of visualization will bring the work of the hives on real apiary, replacing them with virtual models. Without opening a real bee nests, a beekeeper with the use of virtual models can lead monitoring of bee families on the distribution of thermal fields in the hive. During wintering in relation to the virtual walls of the hive way of visualization allows to track the movement of bee accumulations in real hive, and in the summer to visualize bee frame, which is a bee brood.
Keywords: thermal field, thermocouple grid, termovoltage, bee brood, state, accumulation of bees, visualization, mathematical modeling, software modeling.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 |-л
© Научно-технический центр «TATA», 2014 '
Анатолий Федорович Рыбочкин
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор кафедры конструирования и технологии ЭВС ЮЗГУ. Образование: Курский политехнический институт (1976).
Область научных интересов: биосистемы, анализ акустических шумов, электрических и тепловых полей в улье с пчелами.
Публикации: 68 АС, патентов и свидетельств на программы, 212 научных работ, 6 монографий. Александр Александрович Бартенев
Сведения об авторе: аспирант кафедры конструирования и технологии ЭВС ЮЗГУ. Образование: Юго-Западный государственный университет (2011).
Область научных интересов: биосистемы, визуализация процессов жизнедеятельности пчелиной семьи, математическое моделирование.
Публикации: свидетельство на программу, 5 научных работ.
При современном содержании пчелиных семей значительно возрастают трудозатраты. На это существует много причин, но основная - изменяющаяся экологическая обстановка местности. Традиционные методы пчеловождения не обеспечивают достаточности информации о состояниях пчелиных семей. Подробную информацию о состояниях пчелиных семей можно получать путем анализа электрических полей в улье с использованием емкостных датчиков [1], а также анализа акустических шумов, издаваемых пчелами в улье [2, 3]. Пчеловода в летний сезон интересует наличие расплода на пчелиных рамках, степень его развитости, количество пчелиных рамок, занятых расплодом. Наличие свежеотложенных яичек в пчелиных сотах информирует пчеловода о наличии в улье пчелиной матки.
В зимний сезон, когда пчелы из улья не вылетают, пчеловоду интересна сила зимующей пчелиной семьи в виде количества сотов, обсиживаемых пчелами.
Для получения такой информации пчеловоду необходимо присутствовать на пасеке, проводить визуальный осмотр каждой пчелиной семьи путем разборки пчелиного жилища, что нарушает экологич-ность жизненных процессов пчелиной семьи.
В связи с современным развитием электронных средств появляется возможность визуализации жизненных процессов пчелиной семьи дистанционно без разборки пчелиного жилища и без присутствия на пасеке.
Одним из основных параметров жизнедеятельности пчелиной семьи является объемное распределение тепловых полей в улье [4-7]. Локальные зоны температур являются информационной составляющей, с использованием которой можно визуализировать процессы жизнедеятельности пчелиных семей.
Одним из электронных средств, при использовании которого можно получить информацию о состоянии пчелиной семьи без разборки пчелиного
жилища, является тепловизор [7]. Однако применение тепловизора позволяет вести неинвазивныи кон- чг троль состояний пчелиных семей по очереди, переходя от улья к улью, т.е. требуется присутствие пчеловода на пасеке, к тому же тепловизор -дорогостоящее устройство (один экземпляр стоит 150 тысяч рублей). Из улья можно получать информацию в виде инфракрасной термограммы поверхностей боковых стенок улья. Непосредственно информацию о распределении локального теплового поля по плоскости каждой пчелиной рамки получить нельзя. Применение тепловизора оправдано при контроле зимующих пчел в улье на небольшой пасеке, что позволяет контролировать месторасположение скопления пчел по отношению к стенкам улья без вскрытия пчелиного гнезда.
Чтобы вести контроль локальных распределений температур в улье с пчелами, предлагается оснастить каждый пчелиный сот матрицей термодатчиков. Для съема распределения температур на каждой пчелиной семье разработана структурная схема автоматизированной системы визуализации пчелиной семьи (рис. 1). На экологичности жизненных процессов пчелиной семьи это не скажется, так как на ульевую электронику подается электропитание в течение одной минуты.
Пчеловоды в своей практической деятельности для закрепления вощины на пчелиной рамке используют проволоку.
В этой работе рассматривается возможность в качестве вощинодержателя использовать термопарную сетку. Для этого в средостении пчелиных сотов по всей площади разместили матрицу термопар 8х4, исходя из практической целесообразности [4-6].
Пчелы в период строительства сотов замуровывают термопарную сетку в средостение пчелиного сота, это наиболее дешевый вариант построения матрицы температурных датчиков, которая одновременно является вощинодержателем (рис. 1).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы визуализации состояний пчелиной семьи Fig. 1. Block diagram of the automated visualization system of bee family states
Рис. 2. Пчелиная рамка с расплодом и пчелиным сотом с установленными на ней контроллером рамки
1, катушкой индуктивности для подачи электропитания
2, катушкой индуктивности для съема температурной информации 3, термопарной сеткой 4; tхс1-tхс4 -
температуры холодных спаев; t11-t48 - температуры рабочих спаев; A, B, C, D, E, F, G, H, S1-S4 - контакты для замера термонапряжений [1] Fig. 2. Bee frame with bee brood and honeycomb with
mounted controller frame 1, an inductor for power supply 2, inductor pickup temperature information 3, thermocouple grid 4; tхс1-tхс4 - cold juncture temperature; t11 -t48 - operating juncture temperature; A, B, C, D, E, F, G, H, S1-S4 - contacts for measurement of thermal stresses [1]
В верхней планке пчелиной рамки (рис. 2) монтируется контроллер рамки 1. В местах подвески пчелиной рамки - катушки индуктивности 2 и 3, являющиеся одной из обмоток трансформаторов, которые обеспечивают подачу электропитания контроллера рамки и передачу температурной информации на контроллер улья.
Для вычисления истинных значений термонапряжений узлов термопарной сетки выбранного столбца (А, В, С, Б, Е, Б, в, Н) строилась математическая модель (1)-(2) по известной предыстории нагрева до одной температуры одного узла, сразу двух узлов, сразу трех узлов и сразу всех четырех узлов:
U11 U 21 U 31 U1
U12 U 22 U 32 U 2
U13 U 23 U33 U 3
U14 U 24 U 34 U 4
a11 + a21 + a31 + a41 = U{, a12 + a22 + a32 + a42 = U2; a13 + a23 + a33 + a43 = U3;
ai4 + a24 + a34 + a44 = U4.
(1)
(2)
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Предложены математические модели, которые позволяют вычислять значения температур в узлах термопарной сетки. Значения температур вычисляются по измеренным значениям термонапряжений и1, и2, и3, и4 при использовании системы уравнений (3):
" -С, - '.с) + ('= - '.с) + «3 - '-с.) + «4 - '.с) = и^,;
max xc2 max xc3 max xc4
^ - 'xcl) + (t2 - txc2) + -^З2— (h - txc3) + "^42— (t4 - txc4) = U
ix xc1 max xc2 max xc3 max xc4
ai3 /■* + \ i a23 f, . \ , a33 . \ , a43
(3)
_ <l1 - fxcl) + t _t ({2 - txc2 ) + _ (t3 - txc3 ) + _ (t4 - txc4 ) = U3(W) i
x xc1 max xc2 max xc3 max xc4
а14 r* * \ I ^24 (+ + \ I a34 (+ + \ I a44
t - t <tl - '™l) + T^T - ^ + T^T - ^ + Г_44^ (/4 - ^4) = U 4(tmax ) ,
max xc1 max xc2 max xc3 max xc4
где tmax -максимальная наблюдаемая температура в столбце термопарной сетки; 4с1-4с4 - температуры холодных спаев термопарной сетки.
При помощи (4) вычисляются истинные значения термонапряжений в узлах выбранного столбца термопарной сетки:
«уоч.
(Ui - Excl) + ^ (U2 - Exc2) + (U3 - Exc3) + "" (U4 - Exc4) = Umaxi;
Umaxl - F -^xcl
al2
Umax 2 - _xc1
al3
U 3 - max3 _xc1
al4
U - F U - F U - F
maxl -tjxc2 '-maxl J-Jxc3 '-maxl J-Jxc4
(Ui - Fxci) + (U2 - Fxc2) + U ^ _ (U3 - Fxc3) + _ _ (U4 - Fxc4) = U max 2 i
U max 2 _xc2 U max 2 Fxc3 U max2 _xc4
(Ui - _xcl) + U a- (U2 - _xc2) + U a- (U3 - _xc3) + U a- (U4 - _xc4) = Umax3i max3 xc2 max3 xc3 max3 xc4
U - _ "(Ul - _xcl) + U a- _ (U2 - _xc2) + U a- _ (U3 - _xc3) + U a- _ (U4 - _xc4) = Umax4, U max 4 Fxcl U max 4 _xc2 U max 4 Fxc3 U max4 _xc4
(4)
где _хс1, _хс2, _хс3, _хс4 - термоЭДС холодных спаев.
красил = N • 2IJ fl( x)dx -J f2( x)dx
^ где г и v - границы размещения пчелиного клуба по
(6)
оси Z.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014 54 © Scientific Technical Centre «TATA», 2014
э
о т
Коэффициенты при неизвестных переменных в где с1 и д - пределы размещения расплода; 2 - две
(3)-(4) изменяют свои значения с учетом предельных стороны пчелиной рамки с расплодом; у1 = /1(х) -
температур диапазона измерения и, соответственно, кривая, ограничивающая верхнюю границу распло-
термоЭДС холодных спаев. да; >>2 = /2(х) - кривая, ограничивающая нижнюю гра-
Температура узла термопарной сетки вычисляет- ницу расплода; N - количество пчелиных рамок.
ся с использованием выражения При низких температурах (' < 9 °С) пчелы внутри пчелиного улья образуют скопление, форма ко-
у (х) _ х (' -' ) +' (5) торого меняется в зависимости от внешней темпе-
АП рс хс хс ратуры. Если последовательно просматривать площади сечений размещения пчел на рамках в зоне
где У - температура; х - значение термонапряжения;
температур выживания (9-40 °С) по последователь-
АП - значение приращения термонапряжения при ным размещениям пчел относительно оси г, то они
температуре рабочего спая 'рс. будут функцией
Тридцать два температурных датчика определяют
оптимальность программных и схемных решений: I, ] S = ^ (г). (7) - номера датчиков по координатам. В улье может
находиться N пчелиных рамок, которые дают третью Тогда объем пчелиного клуба выражается опре-
координату размещения датчиков - г. Пчелиный деленным интегралом вида расплод располагается в плоскости пчелиной рамки в
зоне температур 34,5-35,5 °С. Площадь расплода ка- V = Г £ (г) (8)
ждой рамки определяется по формуле Г ^ ''
Обычно во время зимовки пчелы принимают форму, близкую к эллипсоиду:
V = 4 паЬс, (9)
3
где а, Ь, с - расстояние от центра эллипсоида по осям
г, I, и.
Для визуализации жизненных процессов в пчелиной семье проводится замер температур в плоскости
пчелиной рамки с температурных датчиков, расположенных в средостении пчелиных сотов.
При проведении практических исследований контроль температур велся в осеннее время, когда температура варьировалась от положительных до минусовых значений. Учитывая, что температура поверхности скопления пчел равна +9 °С, то все температуры, большие +9 °С, относим к температурам формирования скопления пчел. Распределение температурного поля приведено в таблице.
Распределение температурного поля скопления пчел* The distribution of the temperature field of the cluster of bees
22 октября 2000 г., +3 °С, время 7.00
2,3 2,0 1,0 3,4 3,4 3,1 3,8 2,5
3,0 5,2 5,0 6,2 9,8 12,6 10,5 6,4
4,2 5,4 6,9 8,3 13,0 15,2 17,3 13,3
5,9 6,6 7,5 10,1 10,6 13,1 12,9 9,4
12 ноября 2000 г., -2 °С, время 7.00
-0,09 -1,0 -1,5 1,5 4,0 4,9 5,1 1,6
-0,02 1,5 1,6 3,7 13,1 19,8 16,1 9,6
1,0 2,1 3,2 5,5 13,1 19,2 20,7 13,8
3,0 3,4 4,0 6,8 6,9 13,0 13,1 7,0
26 ноября 2000 г., -5 °С, время 10.00
-3,5 -3,6 -4,1 -1,5 0,5 3,6 5,4 1,6
-2,6 -0,9 -1,0 0,5 10,7 18,9 16,8 9,5
-1,3 -0,2 0,3 1,8 9,1 16,1 19,0 11,9
0,8 1,1 1,5 3,6 5,3 10,4 10,9 5,2
2 января 2001 г., -3 °С, время 8.06
-0,9 -0,9 -1,2 1,2 1,7 2,4 3,6 3,7
0,0 1,8 2,5 5,1 10,5 13,7 12,3 9,5
1,8 3,3 5,7 10,0 20,9 23,9 23,1 16,3
1,3 5,2 7,2 11,6 14,7 17,2 15,6 10,2
21 января 2001 г., -4 °С, время 10.53
-2,9 -3,0 -3,7 -1,7 -1,2 -1,1 -0,1 -1,5
-1,5 0,7 2,1 5,4 11,4 15,7 11,6 5,2
0,7 3,4 9,0 15,6 26,3 28,0 26,3 16,0
3,2 5,6 10,0 15,9 19,2 22,7 20,1 11,6
25 февраля 2001 г., -10 °С, время 12.11
2,9 3,5 3,5 7,5 8,6 9,1 10,0 8,4
11,3 16,8 18,8 21,2 24,2 25,3 20,3 16,0
16,7 21,4 28,4 30,0 37,1 35,0 34,2 16,9
16,9 21,5 26,8 30,3 31,1 32,2 28,3 20,3
9 марта 2001 г., -12 °С, время 7.10
1,2 3,8 10,1 11,7 11,9 10,3 7,3 3,2
9,6 18,6 21,1 22,9 26,1 25,8 18,5 12,4
14,3 21,7 30,4 31,5 37,5 35,3 34,0 25,6
13,6 20,1 26,1 31,0 31,8 32,7 29,3 19,9
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
22 апреля 2001 г., +9 °С, время 6.41
13,7 15,8 16,3 21,8 19,9 17,5 16,6 13,1
23,7 32,9 33,0 34,2 35,2 36,1 29,8 22,9
28,0 32,2 37,2 34,8 40,0 37,3 38,2 33,1
30,9 34,8 37,0 38,1 36,4 36,7 35,1 28,3
1 мая 2001 г., +10 °С, время 7.09
27,8 29,9 30,8 33,5 32,6 33,6 33,2 31,9
30,3 33,2 32,6 32,9 33,3 33,8 32,5 31,1
31,1 32,4 33,9 32,9 34,6 33,9 34,6 33,1
29,8 31,6 32,1 32,9 32,4 32,9 30,8 30,9
*
датчики в средостении пчелиного сота с медом.
Проанализировав измеренные значения температур датчиков, расположенных по плоскости в межрамочном пространстве, можно сделать следующие выводы.
Для термодатчиков (узлов термопарной сетки), расположенных в средостении пчелиного сота, видна четкая локализация размещения пчелиного клуба. Пчелы в начале зимовки расположились у передней стенки внизу. Верхние датчики пчелами не обсиживались: из-за низкой теплопроводности меда эти термодатчики не подогревались теплом ниже сидящих пчел. По мере снижения внешней температуры до -10 °С количество термодатчиков, обогреваемых пчелами, уменьшалось, т.е. пчелиный клуб становился плотнее. Также при понижении температур до минусовых количество обогреваемых термодатчиков уменьшалась. 25 февраля в нижней части рамки появились температуры, соответствующие зонам температур расплода, площадь зоны повышенной температуры затем увеличивалась и к 6 мая занимала всю площадь контролируемой пчелиной рамки.
Для построения конкретных математических моделей зададим реальные условия: температура холодного спая '-с = 25 °С и рабочих узлов термопарной сетки 'рс =35 °С, измерили термонапряжения (10). Для вычисления коэффициентов при текущих значениях температур '1-'4 воспользуемся системой равенств (11), а затем получаем систему уравнений (12), оставив начальные условия (11) для расчета коэффициентов с учетом интервала измеряемых температур:
22 166 219 254 37 137 193 260 19 150 195 248 ' 36 137 166 261
22 +144 + 53 + 35 = 254, 37 +100 + 56 + 67 = 260, 19 +131 + 45 + 53 = 248, 36 +101 + 29 + 95 = 261.
(10)
(11)
22 144 53
:(tl - 25) +-(t2 - 25) + :
35
v1 , w , "(t3 - 25) +-(t4 - 25) = 254;
35 - 25 35 - 25 2 35 - 25 3 35 - 25 4
37 100 56 67
(t1 - 25) +-(t2 - 25) +-(t3 - 25) +-(t4 - 25) = 260;
35 - 25
19 35 - 25
36 35 - 25
35 - 25
35 - 25
35 - 25
(t1 - 25) + 131 (t2 - 25) + 45 (t3 - 25) + 53 (t4 - 25) = 248;
35 - 25
35 - 25
35 - 25
101 29 95 (t1 - 25) +-(t2 - 25) +-(t3 - 25) +-(t4 - 25) = 261.
35 - 25
35 - 25
35 - 25
(12)
Сделав промежуточные преобразования, получим систему уравнений, необходимую для вычисления температур в узлах термопарной сетки выбранного столбца:
2,2t1 +14,4t2 + 5,3t3 + 3,5t4 = 254 + 635 = 889; 3,7t1 + 10t2 + 5,6t3 + 6,7t4 = 260 + 650 = 910; 1,9t1 + 13,1t2 + 4,5t3 + 5,3t4 = 248 + 620 = 868; 3,6t1 +10,1t2 + 2,9t3 + 9,5t4 = 261 + 652,5 = 913,5.
(13)
Решив (13), определим значения температур, до которых нагреты узлы термопарной сетки: '1 = '2 = '3
= '4 = 35 °С.
Проведем вычисления для других измеренных значений термонапряжений четырех узлов (Е\ = 200 мкв; Е2 = 188 мкв; Е3 = 170 мкв; Е4 = 180 мкв). Приведем вычисленные значения температур: '1 = 21,9 °С; '2 = 34,7 °С; '3 = 26,3 °С; '4 = 36,5 °С. Узлы были нагреты до температур Ь = 25 °С; '2 = 35 °С; '3 = 25 °С; '4 = 35 °С.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
22 144 53 35
-(t - 25) t-(t2 - 25) t-(t3 - 25) t-(t4 - 25) = 180;
35 - 25 1 35 - 25 35 - 25 3 35 - 25 4
'XH 1ПП sA
-(t - 25) t-(t2 - 25) t-(t3 - 25) t-(t4 - 25) = 170;
35 - 25 1 35 - 25 2 35 - 25 3 35 - 25 4
19 131 45 53
-(t1 - 25) t-(t2 - 25) t-(t3 - 25) t-(t4 - 25) = 188;
35 - 25 1 35 - 25 2 35 - 25 3 35 - 25 4
(14)
36 101 29 95
-(t - 25) t-(t2 - 25) t-(t3 - 25) t-(t4 - 25) = 200.
35 - 25 1 35 - 25 2 35 - 25 3 35 - 25 4
Абсолютная погрешность для температур, вычисленных согласно (14), составила Д/1 = -3,1 °С; Д2 = -0,3 °С; Д3 = 1,3 °С; Д4 = 1,5 °С.
Выполним вычисления с использованием системы уравнений (4), т.е. вычислим реальные значения термонапряжений в узлах термопарной сетки выбранного узла. Подставив измеренные значения термонапряжений и термоЭДС холодного спая, получим систему уравнений
22
254 - 25,7 37
260 - 25,7 19
248 - 25,7 36
261 - 25,7
•(U1 - 25,7) t (Ul - 25,7) t (U1 - 25,7) t (U1 - 25,7)
144
254 - 25,7 100
260 - 25,7 131
248 - 25,7 101
261 - 25,7
(U2 - 25,7) t (U2 - 25,7) t (U2 - 25,7) t (U2 - 25,7) t
53
254 - 25,7 56
260 - 25,7 45
248 - 25,7 29
261 - 25,7
(U3 - 25,7) t (U3 - 25,7) t (U3 - 25,7) t (U3 - 25,7) t
35
254 - 25,7 67
260 - 25,7 53
248 - 25,7 95
261 - 25,7
(U4 - 25,7) = 254; (U4 - 25,7) = 260; (U4 - 25,7) = 248; (U4 - 25,7) = 261.
(15)
Вычисленные значения термоЭДС составили: и = 228,327; и2 = 256,096; и3 = -264,994; и4 = 254,61. Применив (5), рассчитаем температуры, до которых нагреты узлы: ^ = 35,8 °С; /2 = 35,9 °С; /3 = 36,0 °С; /4 = 35,9 °С. Экспериментальные значения температур составили: ^ = = = = 35 °С, т.е. абсолютные погрешности составили = 0,8 °С; Д?2 = -0,9 °С; Д3 = 1,0 °С; Д?4 = 0,9 °С.
Снимая показатели распределения теплового поля с термодатчиков, расположенных в средостении пчелиного сота, устанавливают температуры всех
узлов термопарной сетки. Принимая, что температура между соседними термодатчиками изменяется по линейному закону, определим температуру каждой сотовой ячейки:
t = NX + T,
(16)
где N = 0, 1, 2,... и - количество сотовых ячеек; Т -значение температуры от начала отсчета; Х - направление координаты.
С помощью компьютерных средств моделирования, используя алгоритм, приведенный на рис. 3, и данные, полученные на основе показаний термодатчиков, расположенных в средостении сота пчелиной рамки, может быть построено представление пчелиной рамки с расположенным в ней расплодом, который определяется по интервалу температур 34,535,5 °С (рис. 4, Ь). Программная модель достаточно точно повторяет реальную картину пчелиного расплода (рис. 4, а).
Рис. 3. Алгоритм работы программы: 1 - получение исходных данных; 2 - восстановление картины расплода в рамке улья Fig. 3. Algorithm of the program: 1 - production of the starting data; 2 - restoring the picture of the brood in a frame of the hive
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
b
Рис. 4. Картина расплода: а - на реальной рамке; b - программная модель пчелиной рамки с расплодом и пчелиным сотом (черными точками отмечены термодатчики) Fig. 4. Painting of the brood: a - on a real frame; b - software model of a bee framework with brood and bees honeycomb (black dots indicate temperature sensors)
Для этого первоначально с термодатчиков считы-ваются значения температур, а затем методом интерполяции вычисляются значения температур в каждой сотовой ячейке [7, 8].
Подобная картина, сформированная на экране компьютера, позволяет пчеловоду наглядно увидеть текущее состояние каждой рамки в улье. Обычно вторая сторона пчелиных сотов, занятая расплодом, повторяет первую.
От момента откладки яйца маткой до момента выхода пчелы из сота проходит 21 день. На рис. 5 показаны стадии развития пчелы в пчелиных сотах [6, 9-12].
Для каждой из стадий развития пчелы предусмотрена визуализация этого состояния. Программная модель предусматривает ведение базы данных состояний улья, зафиксированных через определенные промежутки времени.
Чтобы посмотреть стадии развития расплода на пчелиной рамке (рис. 5), достаточно подвести курсор и щелкнуть клавишей мышки на выделенную зону, занимаемую расплодом. После этого на экране появится один из фрагментов увеличенного рисунка.
Пчеловод сразу, не подходя к улью и не раскрывая гнезда, делает соответствующие выводы о количественных характеристиках стадий развития пчелы, а также о тенденции развития пчелиной семьи.
В осенний период, зная количество расплода в улье, автоматизированная система рассчитает силу пчелиной семьи, которая пойдет в зимовку, а пчеловод сможет точно узнать, сколько корма ей понадобится.
На основе обработанных алгоритмов была написана программа визуализации этапов стадий развития пчелиной семьи в летний период. Программа визуализирует все этапы развития пчелиной семьи в зависимости от полученной картины теплового поля. Первоначально программа визуализирует фрагмент пчелиного сота, на котором пчелиная матка начала вести откладку яичек (рис. 6).
Рис. 5. Визуализация стадий развития пчелы Fig. 5. Development stages of the bees visualization
Рис. 6. Визуализация начальной стадии развития
пчелиной семьи (стадия яйца) Fig. 6. Visualization of initial stage of development of the bee family (eggs stage)
По количеству расплода и размещению яиц нетрудно судить о качестве матки. Если в семье немного расплода, в то время когда в других семьях расплод сплошной, ясно, что пчеловоду необходимо обратить внимание на качество пчелиной матки.
Далее, по истечении времени развития пчелиного расплода, программа визуализирует стадию пчелиной личинки (рис. 7).
В последующем программа создаст изображение запечатанного расплода (рис. 8).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Рис. 7. Визуализация финальной стадии развития
пчелиной семьи (стадия личинки) Fig. 7. Visualization of the final stage of development of the bee family (eggs stage)
Рис. 8. Визуализация сформировавшейся пчелиной семьи (стадия куколки) Fig. 8. Visualization of formed bee family (the pupa stage)
Основными критериями при выборе компьютерной технологии для разработки моделирующего программного обеспечения являются доступность и универсальность. Разработан алгоритм, обеспечивающий формирование трехмерных изображений (рис. 9).
Существуют различные варианты исполнения ульев. Каждый из таких вариантов с большей степенью точности может быть повторен в компьютерной модели 3Б-построителя Blender и выведен на экран с использованием инструмента 3Б-визуализации Irrlicht (рис. 10).
Рис. 9. Алгоритм визуализации фрагментов улья Fig. 9. Algorithm of visualization of fragments of the hive
Рис. 10. Перспективная проекция каркаса секции улья с зимующими пчелами в различных ракурсах: а - вид снизу сбоку; b - вид сверху сбоку; c - вид спереди Fig. 10. Perspective projection frame sections of the hive with wintering bees at various angles: a - bottom view side; b - top view side; c - front view
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
а
с
Таким образом, рассмотрена возможность программной визуализации фрагментов улья.
С помощью анализа распределения теплового поля в улье, полученного с помощью термодатчиков в средостении пчелиных сотов, можно визуализировать этапы развития личинки пчелы от яичка, отложенного маткой, вплоть до ее запечатывания в пчелином соте. Это позволит судить о количественном и качественном составе расплода пчелиной семьи, прогнозировать выход молодых пчел из ячеек, а соответственно, синхронизировать степень их развития
с медоносной растительностью в месте расположения пчел, следовательно, повышать производительность пасеки.
Предложенный метод вычисления температур с использованием термопарной сетки позволяет контролировать перемещение пчелиного клуба в улье при зимовке пчел. Так как для пчеловодов важна стоимость систем мониторинга температур, то использование термопарной сетки при полной отработке устройств измерения температур с ее использованием позволяет их удешевить.
Список литературы
1. Рыбочкин А.Ф., Дрейзин В.Э., Савельев С.В., Долженков А.П. Контроль летной активности пчел и количества меда в ульях пасеки // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2011. № 9. С. 123132.
2. Рыбочкин А.Ф., Яковлев А.И. Информативные частотные полосы при анализе акустических сигналов пчелиных семей // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2011. № 2. С. 81-89.
3. Рыбочкин А.Ф., Яковлев А.И. Диагностирование состояний объектов по издаваемому ими акустическому шуму // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2011. № 7. С. 89-101.
4. Еськов Е.К. Этология медоносной пчелы. М.: Колос. 1992.
5. Еськов Е.К. Экология медоносной пчелы. Рязань: Русское слово, 1995.
6. Еськов Е.К. Микроклимат пчелиного жилища. М.: Россельхозиздат, 1983.
7. Еськов Е.К., Рыбочкин А.Ф., Захаров И. С., То-боев В. А. Микроклимат пчелиного жилища, его контроль и регулирование. Курск: КГУ, 2009.
8 Рыбочкин А.Ф., Захаров И. С. Компьютерные системы в пчеловодстве. Курск: КГТУ, 2004.
9. Патент № 2165695. А01 К 47/00. Способ контроля распределения поля в улье / А. Ф. Рыбочкин, И.С. Захаров // Бюл. № 12.27.2001.
10. Таранов Г.Ф. Книга пчеловода. М.: Росагро-промиздат, 1992.
11. Бартенев А.А., Рыбочкин А.Ф. Разработка программного обеспечения для формирования визуальной информации о развитии пчелиной семьи // Известия Юго-Западного университета. 2013. № 1. С. 115-120.
12. Бартенев А.А., Рыбочкин А.Ф. Визуализация стадий развития расплода в пчелиной семье // Пчеловодство. 2014. № 2. С. 56-57.
References
1. Rybockin A.F., Drejzin V.E., Savel'ev S.V., Dolzenkov A.P. Kontrol' letnoj aktivnosti pcel i ko-licestva meda v ul'ah paseki // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 9. S. 123-132.
2. Rybockin A.F., Akovlev A.I. Informativnye castotnye polosy pri analize akusticeskih signalov pcelinyh semej // Al'ternativnaa energetika i ekologia -ISJAEE. 2011. № 2. S. 81-89.
3. Rybockin A.F., Akovlev A.I. Diagnostirovanie sostoanij ob"ektov po izdavaemomu imi akusticesko-mu sumu // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 7. S. 89-101. ^
4. Es'kov E.K. Etologia medonosnoj pcely. M.: Kolos. 1992.
5. Es'kov E.K. Ekologia medonosnoj pcely. Razan': Russkoe slovo, 1995.
6. Es'kov E.K. Mikroklimat pcelinogo zilisa. M.: Rossel'hozizdat, 1983.
7. Es'kov E.K., Rybockin A.F., Zaharov I.S., Toboev V.A. Mikroklimat pcelinogo zilisa, ego kontrol' i regulirovanie. Kursk: KGU, 2009.
8 Rybockin A.F., Zaharov I.S. Komp'üternye sistemy v pcelovodstve. Kursk: KGTU, 2004.
9. Patent № 2165695. A01 К 47/00. Sposob kontrola raspredelenia pola v ul'e / A.F. Rybockin, I.S. Zaharov // Bül. № 12.27.2001.
10. Taranov G.F. Kniga pcelovoda. M.: Rosagropromizdat, 1992.
11. Bartenev A.A., Rybockin A.F. Razrabotka programmnogo obespecenia dla formirovania vizual'noj informacii o razvitii pcelinoj sem'i // Izvestia Ügo-Zapadnogo universiteta. 2013. № 1. S. 115-120.
12. Bartenev A.A., Rybockin A.F. Vizualizacia stadij razvitia rasploda v pcelinoj sem'e // Pcelovodstvo. 2014. № 2. S. 56-57.
Транслитерация по ISO 9:1995
Г.-": — TATA — i >
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
