Читайте также:
|
11.1- Точное земледелие
Одно из направлений повышения энергоэффективности- точность выполнения технологических операций машинно-тракторными агрегатами и оборудованием. Повышение эффективности производства и снижение энергоемкости можно осуществить только при точном, прецизионном выполнении технологических операций в соответствие с технологическим регламентом. Поэтому технологии с регулируемым продукционным процессом нередко называют точными, прецизионными, предъявляя особые требования к качеству выполняемых процессов [13].
Существует мнение, что бескрайние российские поля не нуждаются в точечном земледелии - земельных площадей много, чего там мелочиться. Это так - земли много, даже много ее не возделывается по причине отсутствия на это финансовых и энергетических средств. Бескрайние низкоурожайные поля - это еще и бескрайние потери энергии транспортных и холостых пробегов- повышенная энергоемкость производства.
Геоинформационные системы
Геоинформационные системы (ГИС) – это интегрированные в единой информа-ционной среде электронные пространственно-ориентированные изображения (карты, схемы, планы и т.п.) и базы данных (БД). В качестве БД могут использоваться карты, таблицы, паспорта, иллюстрации, расписания и т. п. Такая интеграция значительно расширяет возможности системы и позволяет упростить аналитические работы с координатно-привязанной информацией, например с характеристиками полей или местоположением движущегося транспортного средства. ГИС находится под управлением специалистов-аналитиков и осуществляет сбор, хранение, манипулирование, анализ, модели-рование и отображение пространственно соотнесенных данных. Наибольшее распространение ГИС получили в землеустройстве, сельском хозяйстве; муниципальном хозяйстве, энергетике, транспорте и связи. Любая ГИС вклю-чает в себя аппаратную платформу, программное обеспечение, данные и человека-аналитика.
Спутниковые навигационные системы (СНС)
Географическая информация включает в себя бумажные карты, матери-алы аэрофотосъемок и дистанционного зондирования, адреса, координаты объектов собранные при помощи систем глобального позиционирования GPS[10], космических спутников или цифровой географической информации, хранимой в других форматах. GPS обеспечивает навигацию на всей территории Земного шара. Используя навигационные сигналы системы GPS, любой пользователь может определить свое текущее местоположение с высокой точностью. Расту-щая зависимость экономики от системы GPS вынудила Европу разработать собственную навигационную систему– Galilleo, а в России- Глонасc.
Состав спутниковой навигационной системы (СНС)
Космический сегмент. Космический сегмент системы СНС состоит из орбитальной группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20000 км.
Наземный сегмент. Наземный сегмент системы СНС состоит из контро-льных станций и главной станции управления, расположенных по поверхности Земли. В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигацион-ных сигналов поступающих со спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления.
Аппаратура пользователей. Под аппаратурой пользователя подразумева-ют навигационные приемники, которые используют сигнал со спутников для вычисления своих координат местонахождения, скорости перемещения и времени. Есть целых класс СНС- навигаторов, использующихся для автомоби-лей, мобильной техники, в том числе и сельскохозяйственной (тракторные агрегаты, уборочные комбайны и т.д.), которые зачастую входят в состав сложных навигационных комплексов.
Приёмник— радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками. Мак-симальная точность измерения составляет 3—5 м, а при наличии корректиру-ющего сигнала от наземной станции — до 1 мм (обычно 5—10 мм) на 1 км расстояния между станциями.
Принцип действия спутниковой СНС основан на определении расстояния от текущего положения приемника до группы спутников. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущее местоположение приемника.
Компьютер приемника обрабатывает сигналы одновременно с нескольих спутников, обычно более 7. В результате получаются расстояния до каждого спутника и рассчитываются координаты широты и долготы, привязанные к геодезической карте местности, на которой находится приемник. Расчет произ-водится через каждые 1-2 с. Если приемник перемещается, то вычисляется скорость и направление перемещения, а также пройденный путь. Кроме того компьютер приемника может вычислять площадь замкнутой кривой (маршрута), высоту над уровнем моря.
Технологии точного земледелия - следующий шаг в развитии технологий сельского хозяйства. Под присмотром спутника процессы обработки поля полагаются на куда более точные показатели, чем глазомер тракториста. Таким образом, он может уделить больше внимания самим технологическим процессам. Но насколько это полезно и выгодно может оказаться на практике? Возьмем к примеру поле, которое нужно засеять пшеницей. Страхуясь от пропусков, тракторист будет перекрывать предыдущий ряд, гарантированно обеспечивая перерасход посевного материала и удобрений, а также снижая производительность. В результате, например, при посеве пшеницы на каждом гектаре при перекрытии в 20 см получится убыток от увеличения нормы высева. При уборке комбайнер старается не оставить не сжатыми колосья в ряду и поэтому идет свободный запас жатки те же 20 см и более. Ночью эти проблемы возрастают многократно.
Цель точного земледелия - обеспечить максимальную урожайность и производительность машинно-тракторного парка с оптимизацией затрат энер-гии с учетом различной среды обитания и состояния растений. В реализации технологии можно выделить три этапа: сбор данных о поле, анализ данных и принятие решения, выполнение агротехнической операции.
На первом этапе собирается информация о текущем состоянии поля при помощи специального мобильного комплекса, включающего необходимые датчики и GPS-приемник.
На втором этапе полученная информация анализируется при помощи специального программного обеспечения, в результате чего формируется база данных принятых решений, включающая блок географических координат рассматриваемого участка.
Третий этап подразумевает использование современной техники с встро-енным бортовым компьютером и GPS-приемником. Например зерновой ком-байн оснащается датчиком урожайности, бортовым компьютером и навигато-ром. Такой комбайн во время уборки фиксирует урожайность различных участках поля, что помогает выявить участки с низкой урожайностью и спланировать дальнейшие действия по его использованию.
Основа любой ГИС- системы для использования в сельском хозяйстве - пользовательский терминал. Это телеметрическое устройство, устанавлива-емое на каждое автотранспортное средство, тракторный агрегат и т.д., которое собирает всю необходимую информацию о показаниях установленных на них датчиков: текущее местоположении машины, состояние узлов и агрегатов, расход топлива, собранный урожай, состояние водителя, и передает ее в диспетчерскую, рисунок 11.1.
Системы параллельного вождения
Системы параллельного вождения помогают двигаться строго параллель-но предыдущему следу и полностью использовать рабочую ширину навесного оборудования, снижают перекрытия при обработке и увеличивают рабочее время работы агрегата [13, 70]. Работа может проводиться даже ночью, снижа-ется утомляемость тракториста-машиниста. Многие приозводители сельско-хозяйственной техники комплектуют свои машины и тракторы системами автоматическогот вождения с помощью спутниковых сигналов. Есть два варианта технологии работы системы параллельного движения, рисунок 11.2.
Рисунок 11.1 - Принцип работы системы мониторинга ГИС-системы
В первом случае, рисунок 11.2а., система состоит из устанавливаемого на тракторе приемника сигналов- координат движения агрегата. В точке A трак-торист-машинист проходит первый загон самостоятельно. Система позволяет запомнить курс и далее направляет трактор строго параллельно линии, зафиксированной при первом проходе агрегата. В случае прохождения препятствия C тракторист-машинист прокладывает путь самостоятельно, а следующие проходы- в автоматическом режиме параллельно предудущему проходу.
Рисунок 11.2 – Системы параллельного движения
Второй вариант систем управления, рисунок 11.2б — использование авто-пилота, для работы которого тракторист-машинист задает координаты конеч-ных точек A и B, после чего он помогает процессу управления трактором только на поворотах- это позволяет ему сосредоточить внимание на техноло-гическом процессе и физически меньше уставать. Ожидаемый эффект от использования системы параллельного движения: - снижение перекрытий при обработке (без разбивки загонок перекрытие составляет обычно более 7 %);
- экономия посевного материала и топлива;
- экономия рабочего времени, повышение производительности труда;
- снижение двойной обработки почвы и растений;
- повышение комфорта тракториста-машиниста при движении;
- возможность ночной работы и при сильной запыленности;
- возможность быстрого и точного нахождения нужного загона.
Картирование полей
Точечное земледелие предполагает оценку состояния почвы каждого конкретного участка поля [70]. Один из способов такой оценки – отбор огромного количества почвенных проб с различных участков поля, после чего каждый образец анализируется- определяется содержание в нём азота, фосфора, калия, микроэлементов, в результате чего формируется карта плодородия каждого участка поля. Эта карта загружается в специальную компьютерную программу, формирующую задания для бортового компьютера агрегата для внесения удобрений. Это весьма трудоёмкая процедура и по времени и по затратам.
Для достижения того же результата можно идти от обратного – анализи-ровать не состояние почвы, а в процессе уборки оценивать урожайность на каждом конкретном участке. Исходя из этих данных составляется карта урожайности того или иного поля. По этой карте, зная, какие участки поля дали больший урожай, а какие меньший, можно планировать внесение удобрений. Для полей с изреженным рельефом может оказаться, что один участок поля экономически рентабелен, а соседние – нет.
Корректировка доз внесения удобрений и средств защиты растений
Карта урожайности поля и координаты положения трактора могут быть использованы совместно с данными о типе почвы для выполнения более эко-номного расхода удобрений или химических распылителей. Это напрямую снижает стоимость затрат на удобрения и уменьшает загрязнение природных водных источников этими веществами. Для корректировки необходимо специальное оборудование для внесения удобрений с автоматическими дозаторами и управляемые ГИС-системой через бортовой компьютер.
Обмер полей
В настоящее время обмером полей занимаются межевые компании и специалисты использующие ГИС- технологии. Объезд полей с аппаратурой ГИС- системы позволяет за неделю выполнить обмер полей среднего зернового хозяйства и предоставить информацию в виде электронного плана полей со всей необходимой инфраструктурой. Данные обмера предоставля-ются в цифовом формате, гарантирующем дальнейшее их использование для ведения истории полей, агрохимических паспортов, технологических карт, коррекции технологических операций на каждом поле с учетом качества земель, мониторинга техники, поддержки систем параллельного вождения и других компонентов "точного земледелия". Это позволяет снизить погрешность до 0,2% площади каждого поля и осуществить точную привязку к географическим координатам.
11.2- Системы оперативного учета и анализа работы мобильных агрегатов
Спутниковый мониторинг - это система наблюдения за подвижными объектами. Спутниковый мониторинг мобильных энергетических средств и транспорта (мобильных объектов) в сельском хозяйстве предназначен для их отслеживания, определения графиков передвижения, просмотра отклонений от заданных маршрутов, контроля скорости движения и направления, контроля расхода топлива, состояния водителей и т.п. Принцип работы системы спутникового мониторинга мобильных объектов представлен на рисунке 11.3.
Мобильный объект, оснащенный трекером, специальным GPS-приемником, получает со спутника сведения о своем местоположении по каналам GPS. С датчиков, установленных на объекте на вход трекера поступает информация о расходе топлива, состоянии узлов и механизмов, собранного урожая, израсходованных удобрений и т.п. После сбора информации трекер передает ее на сервер обработки данных по каналам GSM/SMS. После обработки информация поступает на диспетчерский пункт предприятия. В случае выявления отклонений в работе по какому-либо сигналу объекта, диспетчер связывается с машинистом-трактористом, водителем или комбайнером, принимает необходимые меры для устранения нарушений. При необходимос-ти, диспетчер может дистанционно управлять работой некоторых систем объекта, например охранной сигнализацией или системой управления и пуска двигателя. Контроль персонала и управление системой осуществляется в режиме реального времени.
Система спутникового мониторинга осуществляет контроль текущего местоположения мобильного объекта, отображает траекторию движения и скорость движения транспортного средства. Осуществляет контроль за расходом топлива, намолотом урожая и расходом удобрений. Определяет продолжительность стоянок и пробег транспортного средства за выбранный промежуток ремени. Также имеется возможность задания территориальных зон- полей, участков, при покидании которых система отправит уведомление пользователю. Система спутникового мониторинга мобильных объектов в сельскохозяйственном производстве позволяет производить:
– формирование учетных листов трактористов-машинистов;
– формирование путевых листов автотранспорта;
– определение оптимальных маршрутов движения и транспортировки техники от базы до обрабатываемых полей;
определение оптимальных маршрутов доставки урожая до пунктов приема;
– контроль за скоростью перемещения техники при выполнении полевых работ;
– определение длины гона или оптимального расстояния между полями и пунктами сдачи сельскохозяйственной продукции по цифровой карте;
– анализ использования техники и горюче-смазочных материалов (всех перемещений техники, расчет пробега и обработанных площадей);
- определение урожайности отдельных участков поля;
- определение энергоемкости производства культуры;
Рисунок 11.3- Принцип работы системы спутникового мониторинга
Внедрение системы спутникового мониторинга способствует снижению убытков, причиняемых приписками, нецелевым использованием мобильных объектов и другими злоупотреблениями. Способствует повышению дисциплинированности персонала. Погрешность в определении пробега обычно не превышает 1,5 %. Соответственно, исключается возможность "накрутки" пробега водителем и завышения расхода топлива.
11.3- Информационная энергетика в сельском хозяйстве
Информационная энергетика базируется на использовании сигналов (очень слабых энергетических потоков), которые могут вызывать высвобожде-ние огромных потоков энергии. Но эффективность таких сигналов имеет место лишь при их соответствии структуре и организации управляемых систем (технических, социальных и природных). Системы этого вида энергетики должны составлять единство с системами технологической и природной энергетики.
Известно, что основные физические и/или химические изменения, вызван-ные внешним низкоинтенсивным электромагнитным излучением в молекулах (например в ферментах дыхательных цепей), сопровождаются каскадом биохимических реакций в клетке. Излучение необходимо только на начальном этапе реакции [61]. Эти реакции связаны с изменениями в параметрах клеточ-ного гомеостаза[11]. Ключевым из них является изменение редокс-потенциала клетки: смещение в сторону более окисленного состояния связано со стимули-рованием жизнедеятельности клетки, а в сторону более восстановленного состояния- с ее подавлением[12]. Величина конечного эффекта зависит от начального физиологического состояния облучаемого объекта, которое определяется его редокс потенциалом. Вследствии воздействия излучением происходит нормализация редокс потенциала клетки.
Низкоинтенсивное оптическое излучение- это излучение с плотностью 5 мВт/м2 и менее. Солнечное излучение, участвующее в фотосинтезе растений, имеет плотность излучения 300-1000 Вт/м2, т.е. в тысячи раз больше, чем низкоинтенсивное.
Дополнительное оптическое излучение особым образом воздействует на растительный мир. Эффект облучения является тем более выраженным, чем больше снижен редокс потенциал клетки. Этим и объясняются эффекты воздействия оптического излучения на сельскохозяйственные биологические объекты- семена, растения, плоды, овощи, молоко, соки и другие. При его действии на сельскохозяйственные культуры, в частности, возникает несколько эффектов:
· возбуждение и угнетение семян;
· замедление старения плодов, при этом сроки хранения последних увеличиваются, а потери - уменьшаются;
· ускоренное созревание ягод;
· усиленный рост как надземной, так и подземной части растения или при угнетении- замедление роста или его гибели;
· изменение качеств соков, молока и других жидких продуктов.
В качестве примера приведем воздействие инфракрасного оптического излучения длиной 890 нм. на посевные качества семян сахарной свеклы, ее урожай и энергоемкость.
В естественной природе весной на поверхности почвы семена под дейст-вием солнечных лучей просыпаются - возбуждаются и прорастают. Солнце наряду с теплом снабжает семена свободной энергией, благодаря которой ин-тенсивно начинаются ростовые процессы. В современных технологиях семена сахарной свеклы минуют этот процесс: упакованные на заводе, они высеива-ются в почву, свободной солнечной энергии им не достает, что снижает их всхожесть и скорость роста с последующим недобором урожая. Оптическая стратификация семян - процесс обработки семян низкоинтенсивным оптичес-ким излучением, восполняющий недостаток свободной солнечной энергии в семенах сахарной свеклы перед высевом. Обработка осуществляется за несколько дней до сева [59].
Принцип облучения семян - над потоком семян 1 расположен источник 2, генерирующий низкоинтенсивное оптическое излучение, рисунок 11.4. Источник 2 питается от источника электрического напряжения 3. Плотность и длитель-ность излучения регулируется блоком управления 4.
Рисунок 11.4- Схема облучения семян: 1- облучаемые семена; 2- источник инфракрасного оптического излучения 890 нм.; 3- источник электрического напряжения; 4- блок управления диодом 2.
Эффект обработки семян и времени уборки на урожайность корнеплодов показан на рисунке 11.5. Семена после обработки дают более высокую всхожесть, чем не обработанные - на 4-5%. Средняя урожайность повышается на 10-15%. Масса корнеплода после обработки семян повышается не менее чем на 11%. При обработке семян свекла быстрее набирает массу.
Рисунок 11.5- Влияние обработки семян и времени уборки на урожайность корнеп-лодов (учет в поле): 1- без стратификации семян; 2- со стратификацией семян.
Энергетическая эффективность производства сахарной свеклы приведена в таблице 11.1. Общие энергозатраты выращивания сахарной свеклы при страти-фикации семян оптическим излучением увеличились на 2,7% при увеличении урожайности на 13,1%. Увеличение энергозатрат происходит прежде всего за счет увеличения уборочных, погрузочных и транспортных работ для дополни-тельно полученной продукции. При этом энергоемкость производства сахарной свеклы уменьшилась на 9,2%, а энергосодержание урожая с каждого гектара площади увеличилось на 13,1%. Удельные затраты энергии на стратификацию приведены в п.6: они составляют сотые доли для электрической и миллионные доли МДж для оптической энергии на 1 га площади.
Таблица 11.1- Показатели энергетическиой эффективности стратификации семян сахарной свеклы
| Показатель | Ед.изм. | Без стратификации семян | Стратификация семян | Эффект стратификации,% | |
| 1. Энергозатраты | МДж/га | 14188,2 | +2,7 | ||
| 2. Урожайность | т/га | 47,5 | +13,1 | ||
| 3. Энергоемкость | МДж/т | 298,7 | -9,2 | ||
| 4. Энергосодержание урожая | МДж/га | +13,1 | |||
| 5. Мощность оборудования стратификации | электрическая | Вт | |||
| оптическая | Вт | 2,80E-04 | |||
| 6. Энергия стратификации семян | электрическая | MДж/га | 1,26E-02 | ||
| оптическая | MДж/га | 1,01E-07 | |||
| МДж/т | 1,83E-08 | ||||
| 7. Энергетическая производительность стратификации | электрическая энергия | т/МДж | 4,37E+02 | ||
| оптическая энергия | т/МДж | 5,46E+07 | |||
| 8. Коэффициент энергетического технологичес-кого полезного действия стратификации | о.е. | 12,2 | 13,4 | +10,1 | |
| 9. Коэффициент энергетической эффективности стратификации | о.е. | 11,2 | 12,4 | +11,0 | |
| 10. Энерготехнологическая производительность стратификации | т/МДж | 3,04E-03 | 3,35E-03 | +10,1 |
Рассматривая энегоэффективность технологических процессов в целом, следует отметить, что оптическая стратификация повышает коэффициенты энергетического технологического полезного действия стратификации на 10,1% и энергетической эффективности стратификации- на 11,0%, а энерго-техноло-гическая производительность стратификации повышается на 10,1%. Т.е. большие энергетические затраты на смежных операциях технологии выращи-вания свеклы нивелируют высокую энергетическую эффективность самого процесса стратификации. Для дальнейшего повышения энергетической эффек-тивности следует снижать энергетические затраты на операциях уборки, транспортировки, а также снижать применение минеральных удобрений.
Рассмотренный пример информационной энергетики показывает, что в сельском хозяйстве имеется большой потенциал энегосбережения, основанное на воздействии на биологический объект низкоинтенсивным оптическим и другими излучениями. Воздействуя на объект с патологией (недоразвитый, с ослабленной иммунной системой и т.п.) низкоинтенсивное излучение в соот-ветствии с принципами информационной энергетики осуществляет в опреде-ленных пределах корректировку состояния объекта, таким образом, чтобы его дальнейшее развитие (интенсивность фотосинтеза, возбуждение семян, сох-ранность плодов и т.д.) происходило в более оптимальных внутренних (для объекта) и внешних условиях. При этом прикладываемая к объекту внешняя энергия используется более эффективно, т.е. ее эксергия повышается. Низко-интенсивная энергия обработки должна быть высокопотенциальной с высокой эксергией, соответствующей поставленной цели за счет, например, частоты электромагнитного или ультразвукового излучения, их фазы, мощности, скважности и частоты импульсов, степени поляризации, когерентности и других параметров информационного потока.
Используемый нами термин «информационная энергетика» достаточно условен, указывающий на то, что энергия сигнала, поданного на биологичес-кий объект, на несколько порядков ниже, чем используемая объектом энергия (солнечная, техногенная) или высвобождаемая в процессе гомеостаза.
Контрольные вопросы к главе 11.
1. Поясните сущность информационной энергетики.
2. каким образом информация может способствовать энергосбережению при производстве сельскохозяйственной продукции?
3. Для каких целей в энергосбережении может быть применен Интернет?
4. Поясните сущность работы геоинформационных систем.
5. Дайте пояснение термину «точное земледелие».
6. Какими техническими средствами осуществляется параллельное вождение машинно-тракторных агрегатов?
7. Что такое картирование поля?
8. Поясните сущность и необходимость обмера полей.
9. Поясните принцип работы системы спутникового мониторинга
10. Перечислите направления применения спутникового мониторинга машинно-тракторных агрегатов.
Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 87 | Нарушение авторских прав