ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ ОРОШЕНИЕМ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Головинов Е.Э., Лытов М.Н., *Аминев Д.А.Москва, ФГБНУ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, *Москва, НИУ ВШЭ

Обоснована необходимость автоматизации процесса управления режимами орошения сельскохозяйственных культур. Рассмотрены способы и режимы орошения. Предложена концепция автоматизированной системы расчета сроков и норм полива в режиме реального времени с использованием программного обеспечения, внешних устройств, мобильных метеостанций и датчиков. Приведен перечень показателей для оросительных систем четвёртого и нового поколения.

Ключевые слова: автоматизация, технология, сельскохозяйственные культуры, полив, дождевальная техника.

TECHNOLOGY OF IRRIGATION MANAGEMENT IN REAL-TIME

Golovinov E.E., Lytov M.N., *Aminev D.A.Moscow, FGBNU VNIIGiM A.N.Kostyakova, *Moscow, MIEM NRU HSEThe necessity to automate the process of crop irrigation regime is reasoned. The

methods and irrigation regimes is reviewed. The concept of an automated system for calculating the terms and norms of irrigation in real time using the software, peripherals, mobile weather stations and sensors is offered. A list of indicators for the irrigation systems of the fourth generation is shown.

Keywords: automation, technology, crops, irrigation, sprinkling equipment.

Разработка автоматизированной системы контроля орошения сельскохозяйственных культур является закономерным этапом развития и совершенствования методов и технологии управления современным производством. Эффективность автоматизированной системы контроля орошения обусловлена тем, что путём внедрения математических методов и моделей, персональных компьютеров, повышения оперативности и эффективности управленческих решений по режимам орошения культур на основе получаемых выходных достоверных данных системой управления, повышается урожайность культур за счёт учёта потребности культур в воде, регулирования факторов жизни растений, а также оперативного ежедневного реагирования на возникающие изменения внешней среды (атмосферных осадков, температуры воздуха, относительной влажности воздуха, суммарной солнечной радиации и влажности почвы [1]).

Необходимость автоматизации процесса управления режимами орошения культур обусловлена: возрастающей сложностью управления современным хозяйством и сезонностью производства; требованиями эффективного использования земель и оросительной воды; проведением агротехнических работ в определенные сроки с учетом биологических особенностей культур; необходимостью повышения плодородия земель путем регулирования водного, питательного, солевого и теплового режимов почв; бережного отношения к окружающей природной среде. Автоматизации этих процессов наиболее полно будет отвечать разработка автоматизированной системы оперативного управления режимами орошения сельскохозяйственных культур.

Режим орошения напрямую зависит от культуры, фазы развития растений, свойств почвы и климатических условий. На сегодняшний день расчет сроков и норм

полива [2, 3] сельскохозяйственных культур и режим орошения определяются следующими основными способами: назначение поливов по влажности почв, отбор проб каждые 8 дней; назначение поливов по фазам роста и развития растений; назначение поливов по морфологическим показателям, визуально, по окраске или частичному увяданию листьев; назначение поливов по физиологическим показателям, концентрации сухих веществ в отжатом соке листа; назначение поливов по биоклиматическим показателям, расчет производится по данным метеостанций по одному выбранному расчетному году из многолетнего ряда наблюдений; расчет режима орошения по заранее выбранному расчетному году из длительного ряда наблюдений.

Наиболее распространенным является назначение поливов по влажности почвы и определению ее оптимальных границ.

Существующие технологии определения сроков и норм полива требуют дорогостоящего оборудования, штата квалифицированного персонала, кроме того имеют невысокую точность и, как следствие, недобор урожая, перерасход воды, удобрений, увеличение энергозатрат на единицу продукции и увеличение себестоимости.

Наиболее перспективным направлением является разработка автоматизированной системы расчета сроков и норм полива в реальном режиме времени с использованием программного обеспечения, работающего с внешними устройствами, мобильными метеостанциями, датчиками влажности и т.д., которые снимают необходимые параметры для расчета в течение вегетационного периода. Такой подход обоснован тем, что за последние годы наблюдаются значительные колебания природных условий, таких, как температура воздуха, осадки, влажность воздуха и т.д., что приводит к кратковременным засухам или переувлажнению мелиорируемых земель в течение вегетационного периода.

Основой новой технологии должно являться программное обеспечение (рис.1а), которое позволит точно определять даты и объем полива культуры в хозяйствах с учетом реальных природно-климатических условий, что дает значительный экономический эффект и снижает негативное воздействие на окружающую среду, в частности, снижает загрязнение подземных вод (за счет уменьшения вымыва удобрений), деградации почвенного покрова (уменьшения водной эрозии) и т.д.

а) б)Рис. 1. Оперативное управление орошением: а) обобщенная схема; б) параметры и

показатели при мониторинге работы оросительной системы

Новизна данной инновационной технологии заключается в том, что данный программный комплекс позволяет адаптировать возделывание сельскохозяйственных культур под изменяющиеся климатические условия (засуха или избыточное увлажнение) в режиме реального времени, которые невозможно долгосрочно спрогнозировать из-за изменчивости погодных условий и достигнуть значительного экономического эффекта.

Функции системы управления орошением базируются на решении множества взаимосвязанных задач планирования и последующего управления водораспределением, в том числе путем согласования сроков и объемов подачи воды с работой поливной техники. Оперативное управление поливами на крупных оросительных системах можно разделить на два этапа: планирование поливов по агрометеопараметрам и последующая их организационно-технологическая реализация. В эффективном использовании водных, технических, энергетических и трудовых ресурсов оперативное управление играет важную роль, обеспечивая благоприятные условия для формирования урожая сельскохозяйственных культур. Разработка информационных систем оперативного управления производством поливов сельскохозяйственных культур, направленных на эффективность технических средств гидромелиоративной системы, рациональное использование земельных, водных и трудовых ресурсов, является актуальной задачей.

Состав показателей мониторинга работы дождевальной техники определяется задачами оросительных сельскохозяйственных мелиораций, составом функций мелиоративной техники и тенденциями развития гидромелиоративных систем нового поколения [4].

Общей целью оросительных сельскохозяйственных мелиораций является улучшение неблагоприятных природных условий мелиорируемых территорий за счет оптимального регулирования водного и связанного с ним воздушного, питательного и теплового режимов почвы, обеспечивающих расширенное воспроизводство почвенного плодородия и возможность эффективного, устойчивого производства сельскохозяйственной продукции [5].

Задачи оросительных сельскохозяйственных мелиораций определяют функции оросительных систем, в том числе основную технологическую функцию, - преобразование воды водоисточника в оросительную воду с соответствующим изменением параметров- характеристик пространства и времени [6].

Анализ состава показателей позволяет, в самом общем виде, разделить их на физически измеряемые параметры и показатели, определяемые расчётными методами, а также на показатели непрерывного и дискретного (периодического) мониторинга (рис.1б).

Оросительные системы четвёртого поколения определяются комплексом показателей, характеризующих эффективность выполнения основных, присущих им, технологических функций: N1 – фактический коэффициент полезного действия, N2 – показатель надёжности гидротехнических систем и сооружений, определяемый числом аварийных ситуаций, N3 – показатель экономической эффективности орошения, определяемый отношением эксплуатационных затрат к экономическому эффекту от применения орошения, N4 – показатель облицованности каналов, N5 – показатель сброса оросительной воды, N6 – показатель автоматизированности гидромелиоративной системы (ГМС), N7 – степень механизации труда, N8 – показатель использования современной дождевальной техники, N9 – показатель эксплуатации ГМС с истекшим сроком службы).

Новыми показателями – характеристиками гидромелиоративных систем нового поколения следует считать показатель использования современных средств дистанционной передачи данных и показатель оснащения систем автоматизированными интеллектуальными средствами управления [7]. Представляется актуальным установка контрольно-измерительного оборудования в основных элементах гидромелиоративной системы (рис.2).

Рис. 2. Основные элементы гидромелиоративной системы, требующие контроля

Следует понимать, что система глобального мониторинга и оценки эффективности выполнения функций каждым из элементов ГМС является фундаментом и неотъемлемой частью интеллектуальных средств управления в составе оросительных систем нового поколения. В засушливых условиях регионов зоны недостаточного увлажнения, в первую очередь, должна быть развёрнута система мониторинга работы оросительной техники, как элемента ГМС, находящегося в наиболее тесной связи с объектом и предметом мелиорации.

В таблице 1 приведён комплекс некоторых показателей, обеспечивающих мониторинг работы дождевальной техники в режиме реального времени с возможностью выработки эффективных управленческих решений.

Таблица 1. Показатели физического мониторинга работы дождевальной техники

Наименование показателя

Дождевальные машины и установки

Врем

енна

я пр

ивяз

каГе

опоз

ицио

ниро

ван

ие

Работающие вдвижении

Позиционногодействия

Фро

нтал

ьног

о пе

реме

щен

ия

Кру

гово

го

дейс

твия

С п

ерем

еща-

ющ

имис

яап

пара

том

Мно

гооп

орны

еф

ронт

альн

ые

Дал

ьнес

труй

ные

вращ

ающ

иеся

Пер

енос

ные

уста

новк

и

Давл. на гидранте

+ + + + + + + +

Давл. на аппарате

+ + + + + + + +

Давление на + + + + + + + -

насосеПроизводительн

ость+ + - + - + + +

Расход воды - - + - + + + +Скорость движения

+ + + - - - + +

Время стояния - - - + + + + +Размер капель

дождя+ + + + + + + +

Скорость капель + + + + + + + +Влажность

почвы+ + + + + + + +

Образование луж

+ + + + + + + +

Скорость ветра + + + + + + + +Направление

ветра+ + + + + + + +

Температура воздуха

+ + + + + + + -

Влажность воздуха

+ + + + + + + -

Температура воды

+ + + + + + + +

Минерализация воды

+ + + + + + + +

Мутность воды + + + + + + + +Глубина колеи + + + + + + + +

Таким образом, организация мониторинга работы дождевальной техники по совокупности большинства контролируемых показателей требует сопоставления измеренных (определённых расчётом) данных с временем проведения измерений (измерений показателей необходимых для расчета) и координатами проведения измерений. Для организации мониторинга работы дождевальной техники в режиме реального времени с учётом указанных требований необходимо оснащение дождевальных машин устройствами телеметрии [3] с возможностью формирования ассоциированных комплексов данных и дистанционной передачи информации [8-10].

Литература1. Аминев Д.А., Головинов Е.Э. и др. Устройство для измерения твердости почво-грунтов вращательным срезом (полезная модель).// Патент РФ № 130710, 27.07.2013г.2. Аминев Д.А., Головинов Е.Э., Демянков А.А., Прямицина И.Н., Филяев С.П. Принцип расчёта гидравлических характеристик работы дождевальной техники на всём цикле полива // В кн.: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: материалы международной научно-технической конференции / Отв. ред.: И. А. Иванов; под общ. ред.: С. У. Увайсов. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. С. 482–484.3. Аминев Д.А., Головинов Е.Э., Кудрявцев Д.Ю. Телеметрия напора воды дождевальной техники на всём цикле полива// Качество. Инновации. Образование. - М.: -2014 № 11. - С. 50–54.4. Aminev D., Kudryavtsev D., Golovinov E. Method for recognizing indications of arrow indicators // Innovative Information Technologies: Materials of the International scientific-practical conference / Ed. by S. U. Uvaysov. Part 3. M.: HSE, 2014. P. 3-7.

5. Голованов, А. И. Мелиорация земель / А. И. Голованов, И. П. Айдаров, М. С. Григоров, В. Н. Краснощеков, В. С. Кожанов, С. А. Максимов, Л. Ф. Пестов, В. В. Пчелкин, Г. А. Рябкова, Г. А. Сенчуков, Т. И. Сурикова, Ю. И. Сухарев, В. В. Шабанов, А. П. Аверьянов / Под ред. А. И. Голованова. — М.: Колосс, 2011. — 824 с. - (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).6. Айдаров, И. П. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: Справочник. / И. П. Айдаров, К. П. Арент, В. Н. Басс, С. Я. Безднина, Л. И. Бескин, Д. П. Гостищев, М. С. Григоров, К. В. Губер, В. К. Губин, Н. В. Данильченко, С. Ш. Зюбенко, Т. И. Иванцова, В. И. Канардов, П. И. Коваленко, И. П. Кружилин, С. М. Мишин, В. Ф. Носенко, Е. Е. Овчаров, Л. П. Овцов, В. И. Ольгаренко, Л. Ф. Пестов, Ю. П. Поляков, Л. М. Рекс, А. И. Столяров, В. А. Сурин, Б. Б. Шумаков / Под ред. Б. Б. Шумакова. – М.: Колос, 1999. – 432 с.7. Щедрин, В. Н. Оросительные системы России: от поколения к поколению: монография / В. Н. Щедрин, А. В. Колганов, С. М. Васильев, А. А. Чураев. – Новочеркасск: Геликон, 2013. – 590 с. – В 2-х частях.8. Аминев Д.А., Головинов Е.Э. Создание модуля для регистрации и передачи данных при проведении полевых экспериментов // «Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России» (Костяковские чтения). Материалы международной научно-практической конференции 20-21 марта 2013 года. -М.: Изд. ВНИИА, 2013.- С. 115-120.9. Aminev D.A., Golovinov E. Je., Demyankov A.A., Silaev V.M. The analysis of the evaluation boards for the implementation of navigation transmitter module// В кн.: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: материалы международной научно-технической конференции / Отв. ред.: И. А. Иванов; под общ. ред.: С. У. Увайсов. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2014. С. 346-350.10. Аминев Д.А., Головинов Е.Э., Иванов И.А., Лышов С.М., Увайсов С.У. Устройство для передачи навигационных данных по каналу GSM (полезная модель). // Патент РФ № 142374, 22.05.2014г.