ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ, ТЕХНИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МЕЛИОРАТИВНЫМ РЕЖИМОМ

Юрченко И.Ф.
Доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник отдела Природоохранных и информационных технологий, Федеральное государственное научное учреждение «Всероссийский научно – исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова», г. Москва

Аннотация

Выполнены исследования и представлены результаты оценки действующих и определения перспективных направлений развития современных программных цифровых оболочек для интеграции технико-коммуникационного оборудования в сквозные автоматизированные технологии прецизионного (точного) регулирования мелиоративного режима агроэкосистем.

Ключевые слова: автоматизированные системы управления, технологии, программы, техническое оснащение, мелиоративный режим

Введение. Агроэкосистемы (агробиоценозы) представляют собой вторичные, антропогенно трансформированные биогеоценозы в составе биосферы. Их ключевую основу формируют искусственно созданные для производства аграрной продукции биотические сообщества. Для агроэкосистем характерна высокая биологическая продуктивность при достаточно узком диапазоне культивируемых типов (сортов, пород) растений или животных, формируемого по результатам искусственного отбора.

Агроэкосистемы -источник производства продуктов питания, кормов, лекарственных и сырьевых ресурсов. Их функции, по большей мере, не выходят за границы жизнеобеспечения биоты, что обусловливает ресурсоемкость и природоразрушающую направленность ряда типов агросистем [1].

В современном научном подходе к формированию мелиоративного режима агроэкосистемы необходимо сочетание накопленных в сфере АПК знаний о природных процессах и мощного научно-технического потенциала с разнообразными методологиями и методами [2;3]. Новые возможности использования накопленных знаний для решения приоритетных задач мелиоративной деятельности, выбора действенного мелиоративного комплекса, обеспечивающего требуемые условия для агропроизводства, обоснования необходимости проведения природо восстановительных мероприятий, как в пределах агроландшафта, так и на более высоком иерархическом уровне, обеспечения функционирования мелиоративных систем по заданной траектории, решения конкретных управленческих задач открывает применение информационных технологий (ИT ), существенно трансформирующих организацию системы управляющих воздействий.

По данным портала Tadviser (http://www.tadviser.ru/) к максимально задействованным типам ИT в агропроизводстве относятся системы управления предприятием (ERP) и учёта, работы с документами, технологии спутниковой навигации и фотоснимков, контроля эксплуатации машин и механизмов, управления кадрами, активами и бизнес-операциями, аналитики. Как правило, ERP-типы включают и другие типы ИT.

Приоритетным технологическим трендом агропроизводства становится прецизионное (точное) растениеводство, обеспечивающее максимальную действенность социально- экономико- экологических подходов к эксплуатации земель сельскохозяйственного назначения, к затратам оросительной воды, посевного материала, удобрений, ГСМ, ядохимикатов, использованию техники и оборудования и др. материалов, технических средств и механизмов . На выходе – снижение удельных издержек, повышение продуктивности агроэкосистемы при сохранении и воспроизводстве плодородия и здоровая экология агроландшафтов [4;5].

В практике отечественного земледелия уровень автоматизации процессов регулирования управляющих воздействий на мелиорируемые агроэкосистемы крайне низок и не соответствует передовым достижениям за рубежом и показателям «продвинутых» секторов экономики страны [6-10].

Фактическая обеспеченность ИТ сферы мелиорации технологическими, техническими и программными средствами различается по степени разрешения функциональных возможностей, методов и способов решаемых задач, что не всегда способствует оптимизации последних [11;12].

Целью настоящих исследований является изучение действующих и определение перспективных направлений современных программных цифровых оболочек для интеграции технико-коммуникационного оборудования в сквозные автоматизированные технологии точного регулирования мелиоративного режима агроэкосистем.

Методы исследований. Исследования базируются на традиционных методах синтеза и анализа, индукции и дедукции, теориях управления и принятия решений, планирования эксперимента, математической статистики, имитационного и аналитического моделирования. Использовались научные труды в области АСУ-управления и моделирования агросистем, учебные пособия и литература, периодические издания и источники удаленного доступа, а также результаты собственных исследований автора по теме НИР [13;14].
Результаты и обсуждение. В настоящий период агропроизводство стремится к показателям динамичных, креативных и успешных секторов экономики и масштабные достижения в применении интернет технологий не могут остаться не востребованными ими. Сейчас цифровизации агропроизводства уделяется много внимания на всех уровнях управления, включая федеральный, что нашло отражение в принятой Правительством научно-технической программе развития сельского хозяйства на 2017-2025 годы.

В составе материалов долгосрочной комплексной программы по обеспечению условий для конкурентоспособности российских предприятий на вновь созданных рынках высоких технологий становлению ИT в агропроизводстве то же отведена ведущая роль, свидетельством чего являются дорожные карты рынков FoodNet и AgroNet [15]. На первоочередные мероприятия, обеспечивающие воплощение принципов прецизионного агропроизводства, намечается направить 3,3 млрд. рублей, формируемых из средств федерального бюджета и частных инвесторов, из которых к числу лидеров относятся Российская венчурная компания и Сколково-Агротех, финансирующие инновационные исследования в агропроизводстве, включая венчурные.

От эволюции ИТ зависит повышение действенности работы Российского информационно-консультативного центра (РИКЦ) АПК и его отделений, функционирующих, по существу, во всех субъектах федерации. Максимальную востребованность в АПК обретают автоматизированные системы управления технологиями (АСУ ТП) точного земледелия, обеспечивающие реализацию принятой стратегии управления на базе GPS (глобальной системы позиционирования), ГИС технологий и множественной информации о фитоценозах и экономической ситуации всех объектов управления в пределах контролируемого поля.

Выполненные НИР по оценке уровня автоматизации процессов регулирования управляющих воздействий на мелиорируемые агроэкосистемы выявили необходимость в совершенствовании теории и практики отечественного цифрового агропроизводства на мелиорируемых землях согласно требованиям инновационного развития АПК [16].

Приоритетные исследования в сфере «цифрового орошения» должны обеспечить разработку инновационных систем управления агропроизводством, контролирующих в режиме «онлайн» мелиоративную ситуацию агроэкосистем, осуществляющих интеллектуальную обработку информации, подготовку вариантов готовых решений и их реализацию, обращаясь к сельхозтоваропроизводителю лишь в специально оговоренных ситуациях. Это потребует модернизации цифровых оболочек ИТ для использования облачных решений, формирования и обработки больших массивов данных, реализации программных комплексов, основанных на технологиях нейросетей и искусственного интеллекта и т. п. креативных достижений научных исследований в секторе автоматизации прецизионного управления технологическими процессами [17].

Для совершенствования ИТ управления точным мелиоративным земледелием необходимы сенсорные датчики и программные продукты для работы с данными и информацией, в которых достаточно часто потребуется использование подходов «data mining” (интеллектуальный анализ данных на основе машинного обучения).

Становление систем точного управления агропроизводством на мелиорируемых землях инициирует эволюцию таких технологических решений: как геоинформационные системы; космическая съемка; беспилотные технологии; агроскаутинг; мониторинг и контроль системы эксплуатации машин и оборудования, использующие спутниковую навигацию и бортовую телеметрию; фертификация, учёт использующихся материалов [18;19]

Применяются онлайн-датчики контроля и учета расхода воды, ГСМ, посевного материала, удобрений, средств защиты растений, оперативно транслирующие информацию по каналам связи диспетчеру. Все более масштабное применение находят «умные» системы управления технологическими процессами сева, подкормок, орошения, защиты растений; оборудование для онлайн-анализа почвы, интегрированное с агрегатами для пахоты перед севом, подготовки почвы в процессе сева и для выполнения других агротехнологических процедур; совершенствование технического оснащения применяемых для этих целей машин и механизмов.

Успешность эволюции технологий космических фотоснимков обусловлена наличием гарантий оперативного получения требующихся фотографий высокого разрешения на каждый из контролируемых объектов управления для наблюдения за изучаемыми процессами.

Большую доступность приобретают беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Постоянно трансформируется сенсорное оборудование измерения, интегрированное с беспилотниками (мультиспектральные, гиперспектральные, микроволновые), и другая аппаратура.

Получают развитие приложения на мобильные устройства для оперативного формирования актуальной информации о состоянии агроэкосистем (агроскаутинга), что позволяет вносить эти сведения в базу данных ИТ, непосредственно, на производственных участках.

Геоинформационные технологии формируют картографическую основу для применения и анализа пространственных данных, объём которых в агропроизводстве достигает 90%. Наблюдается развитие веб-технологий с клиент-серверной архитектурой, доступных в сети Интернет.

С учетом специфики организационной структуры управлений эксплуатации мелиоративных систем (УЭМС), несущих ответственность за эффективность производственных и технологических процессов функционирования предприятия, представляется правильным решение о формировании в составе УЭМС системных информационных комплексов управления на основе геоинформационных проектов для эффективного анализа производственной деятельности и разработки рекомендаций по совершенствованию производственных процессов, а также мониторингу их реализации [20,21].

Современная периодически обновляемая оперативными данными геоинформационная система станет цифровым вариантом производственной, проектной и учетной документации мелиоративного предприятия, обеспечивающей получение полной картины происходящего в сфере эксплуатации мелиоративных систем в реальном масштабе времени.

Из новых решений необходимо выделить технологии «Интернет вещей (ИВ)». В сфере создания цифровых систем управления и работы с данными трансформация подходов указанной технологии реализуется в программной логике АСУ, представленной взаимодействующими между собой облачными сервисами: «облако управления» и «платформа ИВ».

Это обеспечит переход от использования на предприятии различных иерархически строго организованных информационно изолированных АСУ, у которых устройства контроля и управления подключаются только в системы управления низовыми технологическими процессами, к разработке АСУ с подключением всех объектов в единое «облако управления». Последнее исполняет необходимые функции по реализации программных операций обработки данных и управляющих воздействий, как для низовых систем регулирования производственных технологий, так и для технологий следующего уровня иерархии управления — управления предприятием [22]. Следовательно, «облако управления» объединяет операции универсального средства интеграции и операции всех требующихся корректирующих воздействий на объекты управления.

Следует отметить, что новизна процесса практического применения ИТ, не развитая инфраструктура и повсеместное отсутствие должным образом подготовленных кадров сдерживают развитие цифровизации в России. Следующее осложнение — человеческий фактор, например, на региональном уровне весьма ощутимо неприятие внедрения ИT, связанное с появлением прозрачности всех воздействий и выявлением рисков мошенничества.

Заключение. В целом проведенные исследования по оценке действенности инновационных цифровых оболочек интеграции технико-коммуникационного оборудования в сквозные АСУ мелиоративным режимом агроэкосистем свидетельствует о необходимости внедрения ИТ в виде информационно-аналитических программно — технических комплексов управления системой прецизионного регулирования мелиоративного состояния агросистемы, что открывает новые возможности в области применения имеющихся апробированных знаний для решения наиболее животрепещущих проблем управления мелиоративным состоянием агроэкосистем.

Литература:

Научные основы создания и управления мелиоративными системами в России / Под ред. Л.В. Кирейчевой. – М: «ФГБНУ ВНИИ агрохимии», 2017. – 296 с.
Мелиорация земель / А.И. Голованов, И.П. Айдаров, М.С. Григоров и др. – М.: Колосс, 2011. – 824 c.
Шабанов В. В. Автоматизация комплексного регулирования факторов жизни растений/Шабанов В. В.//Гидротехника и мелиорация. 1982. № 1. С. 60-75.
Эколого-экономическая эффективность комплексных мелиораций Барабинской низменности/ под ред. Л. В. Кирейчевой. -М.: ВНИИА, 2009. -312 с.
Бандурин, М.А. Эколого-экономическая эффективность диаг-ностики технического состояния водопроводящих сооружений оросительных систем/ М.А. Бандурин, И.Ф. Юрченко, В.А. Волосухин, В.В . Ванжа, Я.В. Волосухин//Экология и промышленность. -2018. -Т. 22. -№ 7. — С. 66-71.
Волосухин Я.В., Бандурин М. А., Проведение эксплуатационного мониторинга с применением неразрушающих методов контроля и автоматизация моделирования технического состояния гидротехнических сооружений//Мониторинг. Наука и безопасность. -2011.- № 3.-C. 88-93.
Волосухин Я.В., Бандурин М.А. Вопросы моделирования технического состояния водопроводящих каналов при проведении эксплуатационного мониторинга//Мониторинг. Наука и безопасность. 2012. № 1. С. 70 -74.