Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Удаленная диспетчеризация и оперативный мониторинг технологических процессов. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 61 2 3 4 5 6 > Следующая >>>

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДАЛЕННАЯ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ

И ОПЕРАТИВНЫЙ МОНИТОРИНГ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

СТАВРОПОЛЬ

2019

УДК 004.384:631.171 ББК 40.71

У28

М. В. Данилов, Л. И. Высочкина, Р. М. Якубов, Д. Н. Сляднев

кандидат технических наук, заведующий кафедрой машин

и технологий АПК СтГАУ Д. И. Грицай

Составители:

Рецензент

У28

Удаленная диспетчеризация и оперативный мониторинг технологических процессов : учебное пособие / сост. : М. В. Данилов, Л. И. Высочкина, Р. М. Якубов, Д. Н. Сляднев ; Ставропольский гос. аграрный ун-т. – Ставрополь, 2019. – 60 с.

Изложены материалы по работе с системами удаленного мониторинга технологических процессов и техники, позволяющие оценивать эффективность работы транспортных средств и сельскохозяйственной техники. Данные системы способны оценить основные эксплуатационные и технические параметры работы агрегатов, получать дополнительную информацию о качественных показателях: урожайности, влажности зерна, эффективности работы посевных машин.

Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки:

35.03.06 – Агроинженерия, 23.03.03 – Эксплуатация транспортнотехнологи сектора, непосредственно связанных с эксплуатацией машин, оборудования и транспорта, а также слушателей курсов повышения квалификации.

ческих машин и комплексов, для специалистов аграрного

УДК 004.384:631.171

ББК 40.71

аграрный университет, 2019

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………..

1 Системы контроля выполнения технологических операций…………………………………………………………..

1.1 Способы мониторинга………………………………………

2 Системы мониторинга технологических процессов………...

2.1 Система мониторинга Claas TELEMATICS и принцип ее работы………………………………………...………………….

2.2 Программные решения, предлагаемые компанией JOHN DEERE по средствам комплекса JDlink………………………..

3 Системы параллельного вождения………………………

4 Испытания различных систем, навигационных комплексов

и оборудования для технологий точного земледелия и удаленного мониторинга………………………………………..

Литература………………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы наблюдается всё более активное применение в

теории и практике растениеводства новейших достижений информационных, навигационных и космических технологий. Вследствие этого, принципиально изменяется вся методология управления как отдельными сельскохозяйственными машинами, так и предприятием в целом. Основой методологии вместо плохо формализованного «опыта и интуиции» становятся современные аппаратно-программные комплексы, собирающие и использующие в работе точную количественную, как правило, цифровую информацию (массивы данных).

Анализ мировых тенденций развития аграрного производства и

инновационных решений свидетельствует, что до 80% разработок в АПК в последние годы базируются на широком применении информационных, телекоммуникационных технологий, электронных автоматизированных систем, роботов и др. [1]. Фактически, на предприятиях агропромышленного комплекса России создаются автоматизированные системы управления производством (АСУП), постепенно вытесняющие человека из процессов сбора данных, принятия и реализации управленческих и иных решений [2,3].

Важно отметить, что именно внедрение подобных систем

позволяет наиболее полно реализовать в растениеводстве преимущества технологий точного земледелия [4], так как существует разнообразие как физических, так и химических свойств почвы, наличие проблемных участков посевов требует применения дифференцированных подходов к выполнению полевых операций. Варьирование свойств возможно как в пределах землепользования хозяйства, так и в пределах площади одного из полей. Реализация подходов точного земледелия возможна только при использовании технологий и технических средств, позволяющих на практике внедрить подходы дифференцированного управления сельскохозяйственными машинами и другими техническими средствами, что обеспечивает достижение как значительного экономического эффекта за счет сокращения расходования ТСМ, удобрений, ресурсов техники и др., так и снижения негативного влияния на почву, водную среду и атмосферу [5,6,7,8,9].

Работа любой АСУП состоит в выполнении повторяющейся

последовательности действий:

- измерение параметров состояния объекта управления,

- определение отклонений фактических параметров

состояния объекта от заданных,

- выбор управляющих воздействий, устраняющих, либо хотя

бы минимизирующих, отклонения фактического состояния объекта управления от заданного (эталонного).

По такой же циклограмме функционирует АСУП

сельскохозяйственного назначения, в том числе при ее работе на являющимся предметом рассмотрения на данном этапе контроля состояния и обработки посевов после проведения посевных работ:

- определение количества и состояния всходов, выделение и

геопривязка проблемных участков (отсутствие всходов, сорняки и др.),

- планирование и выполнение агротехнических мероприятий

на полях сельскохозяйственными машинами по улучшению состояния посевов на проблемных участках.

В растениеводстве основными источниками информации о

состоянии почвы и посевов являются космические, воздушные и наземные средства мониторинга [10,11,12,13,14,15]. С их помощью получают изображения заданных районов Земли различного пространственного разрешения в одном, либо нескольких участках спектра электромагнитных волн, метеоданные, физико-химические параметры почвы и растений и пр. В последние годы к ним добавились установленные на посевных агрегатах автоматические средства регистрации количества израсходованных семян и координаты точек их закладки в почву [16,17,18,19].

При разработке аппаратно-программных средств и технологий

получения изображений посевов возникает ряд научно-практических задач, среди которых важнейшей является выбор геометрических и спектральных характеристик изображений, а также технологий их обработки, анализа и интерпретации, обеспечивающих возможность решения основных задач мониторинга посевов (количество и качество всходов, выявление угнетённых и пораженных участков, определение потребностей и сроков их обработки средствами защиты растений (СЗР), а также внесения удобрений, оценка биомассы и прогноз урожайности) [19,20].

При решении данной задачи, как правило, используются

изображения среднего (десятки метров) и высокого (доли метра – единицы метров) разрешения, полученные дистанционно в нескольких частях спектра электромагнитных волн с помощью космических и воздушных средств. Для обработки таких изображений традиционно применяют методы, основанные на измерениях спектральных яркостей

растительности в течение вегетационного периода и в зависимости от её состояния. Для этого рассчитываются специальные вегетационные индексы типа NDVI (Normalised Difference Vegetation Index), вычисляемые по данным измерений на нескольких участках спектра [21,22,23,24]. Существенным недостатком данного подхода являются возможность его использования только на поздних фазах созревания растений, при низком уровне «шума» вызванного влиянием отражения сигнала от почвы, а также низкой точности оценки биомассы в случае сильной засоренности посевов сорняками. Также следует отметить, что при расчёте любого вегетационного индекса (ВИ) снижается исходная информативность источника данных дистанционного зондирования (ДЗЗ), так как ВИ представляет собой разновидность линейной свёртки сигналов, что всегда приводит к уменьшению общей информативности отдельных каналов за счёт уменьшения размерности выходного сигнала [25]. В целях устранения этих недостатков в последние годы интенсивно развивается направление ДЗЗ, основанное на использовании гиперспектральной аппаратуры, регистрирующей яркости одновременно в сотнях узких спектральных интервалов видимой и инфракрасной части спектра, что позволяет синтезировать принципиально более точные спектральные образы посевов, дифференцируя культурные растения от сорных, определяя пораженные участки, недостачу влаги и др. Гиперспектральные камеры уже функционируют на ряде космических аппаратов (КА) ДЗЗ

[26].

Легкие и сверхлегкие (весом десятки грамм) гиперспектрометры

разработаны для применения на беспилотных летательных аппаратах (БЛА). Однако, несмотря на очевидную перспективность до настоящего времени их применение в задачах мониторинга почвы и посевов не вышло из стадии научного эксперимента и не имеет практического применения, что обусловлено в первую очередь отсутствием (как и в целом для задач ДЗЗ в сельском хозяйстве) эталонных параметрических гиперспектральных образов посевов различных культур на характерных стадиях их вегетации [27,28].

Использование методов мониторинга, основанных на расчётах

ВИ также невозможно на ранних (до нескольких недель) этапах роста посевов, поскольку ВИ в принципе не позволяют точно определить количество всходов, расстояния между ними и рядками, размеры пропусков и т.п. Это, в свою очередь приводит к избыточному расходованию ресурсов (горючее, удобрения, СЗР и пр.) при обработке посевов, так как отсутствуют точные данные о расположении

проблемных участков, что в свою очередь не позволяет корректно выбрать маршрут движения сельскохозяйственной техники между ними.

Традиционные технологии оценки ожидаемого качества сева,

такие как проведение предварительного сева на контрольных участках, а также новейшие технологии, основанные на использовании систем точного высева (Precision Planting и др.) не позволяют корректно оценить конечный результат посевных работ – количество и качество всходов.

Поэтому важной и актуальной задачей является разработка новых

методов контроля состояния посевов, а также алгоритмов планирования перемещений сельскохозяйственной техники и иных технических средств при обработке и контроле состояния проблемных участков посевов, мониторинга местоположения и расхода топлива, внедрение систем параллельного вождения и автопилотирования, как результат внедрение обобщенной информации по средствам специализированного программного обеспечения в автоматизированные системы управления и принятие управленческих решений.

1. СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ

Применение дистанционных методов контроля тесно связано с

проблемой калибровки, верификации и валидации результатов измерений. Причём эти задачи возникают уже на стадии экспериментальной проверки новых методик обработки, анализа и интерпретации данных ДЗЗ, которые, очевидно, нуждаются в сравнении с фактическими оценками состояния посевов (количество и геометрия расположения всходов, размеры и границы проблемных участков и т.п.), получаемыми непосредственно в поле с помощью контактных, ручных и инструментальных методов.

В процессе работы в данном направлении, отрабатывается

технология съёмки посевов с БЛА (высота и скорость полёта, параметры съёмочной аппаратуры и др.), проводится сравнительный анализ данных мониторинга, выполненного дистанционными и наземными средствами, что позволяет оценить точность дистанционных методов мониторинга. В результате выполнения вышеуказанных теоретических и экспериментальных исследований создаются аппаратно-программные средства для решения первых двух задач автоматизированного управления: определение фактического состояния посевов и его отклонения от планировавшегося. Их применение на практике позволяет:

- точно определить количество и координаты закладки в

почву семян на данном поле,

- определить границы и площади проблемных участков

посевов,

- оценить качество работы посевных агрегатов, в частности,

линейность рядков, расстояние между ними и отдельными растениями в ряде, пропуски в посевах и др.

Расположение проблемных участков задаётся с высокой

точностью, определяемой разрешающими способностями аппаратуры, установленной на БЛА, и возможностями использования для их геопривязки на электронной карте поля систем космической навигации ГЛОНАСС/GPS. После этого возникает задача реализации следующей функции АСУП – планирование и выполнение технологических полевых операций, устраняющих выявленные проблемы. При этом важно отметить, что используемая для этого сельскохозяйственная техника должна быть оснащена оборудованием, позволяющим применять технологии «точного земледелия», т.е. изменять параметры

выполняемой операции (расход удобрений, СЗР и т.п.) в точном соответствии с заранее подготовленной технологической картой работ с внутриполевой координатной привязкой. Во многих случаях обработке должны быть подвергнуты только проблемные участки посевов. Это обстоятельство обусловливает целесообразность постановки рассматриваемой в работе задачи выбора оптимального маршрута перемещения сельскохозяйственного агрегата по полю между проблемными участками, что может дать существенную экономию ресурсов (рабочее время, горючее, химические препараты и др.). Решение данной задачи также можно использовать при планировании маршрута полёта БЛА, осуществляющего контроль состояния проблемных участков после их обработки. Очевидно, что координатная привязка с сантиметровой точностью проблемных участков требует обеспечения таких же точностей позиционирования сельскохозяйственных агрегатов, чтобы не допускать бесполезного, а в некоторых случаях и вредного воздействия на не требующие обработки участки посевов. Для оценки точностных характеристик современных навигационных систем, используемых на сельскохозяйственной технике, в работе проведен эксперимент по исследованию технических и эксплуатационных точностных характеристик систем параллельного вождения с целью определения их возможностей по выполнению операций с учётом внутриполевой изменчивости.

Эта задача имеет важное практическое значение, так как без

подтверждения возможностей навигационного оборудования обеспечить с заданной точностью управление движением по полю, обеспечение высокоточной геопривязки данных мониторинга посевов в значительной мере теряет смысл.

На основе разработанных методов мониторинга посевов и

планирования маршрутов перемещения технических средств между проблемными участками должны быть созданы соответствующие аппаратно-программные средства, являющиеся элементами АСУП, в состав которых, в общем случае, войдут: источники количественной информации (космической сьемкой для дистанционного зондирования земли или беспилотных летательных аппаратах со съёмочной аппаратурой, контрольно-информационные бортовые системы сельскохозяйственных машин и т.д.), средства коммуникации (воздушные и проводные линии связи типа GSM и т.п.), стационарные, размещённые непосредственно в агропредприятии, или «облачные», предоставляющие доступ потребителей к своим данным, системы

сбора, обработки, анализа, интерпретации, хранения и отображения данных о посевах, а также о планируемых и выполняемых операциях на полях и ресурсах, необходимых и располагаемых для их осуществления.

К настоящему времени в России и за рубежом разработано и

предлагается к использованию большое количество ориентированных на сельскохозяйственную проблематику элементов АСУП, реализованных в виде пакетов специального программного обеспечения (ПО) [30,31,32]. Всё многообразие этих пакетов можно распределить на несколько классов по различным классифицирующим признакам (критериям).

Место установки:

- автономные, устанавливаемые непосредственно на

сельскохозяйственный агрегат с возможностью отображения в реальном времени данных о функционировании агрегата и выполняемых им операций на мониторе механизатора, а также, передаче этих данных по беспроводным каналам связи типа GSM в стационарную часть АСУП,

- стационарные, размещаются в помещениях, в некоторых

случаях (в крупных агрохолдингах) создаются в виде ситуационных комнат, либо центров, получающих информацию от подвижных (трактора, опрыскиватели, комбайны, трудовые машины и пр.) и неподвижных (склады, гаражи и пр.) объектов по каналам связи.

Функциональное назначение:

- создание электронных карт и их использование,

- планирование проведения и координатная привязка

результатов физико- химических обследований почвы,

- мониторинг местоположения и функционирования

подвижных объектов (сельскохозяйственная техника, автотранспорт),

- учётные, типа 1С. Размещение:

- в офисе предприятия,

- виртуально, в «облачном» сервисе.

Проектирование и создание АСУП сельскохозяйственного

назначения осуществляется по технологии, используемой для разработки подобных систем в других отраслях: формулирование целей системы, определение перечня задач, которые необходимо решить для их достижения, выбор макроструктуры системы, а также её внутренних и внешних интерфейсов, изготовление отдельных аппаратно-программных комплексов и их автономные испытания, комплексные испытания и сдача в эксплуатацию АСУП.

1 / 61 2 3 4 5 6 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]