Реферат для аспирантуры на тему Обоснование автоматизированного управления мелиоративным состоянием агроэкосистем и энергетического потенциала мелиорированных земель.

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ 3
1. РОЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ МЕЛИОРАТИВНОГО СОСТОЯНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА МЕЛИОРИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ В ЧАСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОДУКТИВНОГО И УСТОЙЧИВОГО АГРОЛАНДШАФТА 6
1.1. Определение основных терминов и понятий 6
1.2. Обзор существующих систем автоматизированного управления технологическими процессами формирования мелиоративного режима агроэкосистем и энергетического потенциала мелиорированных земель 9
1.3. Анализ возможностей применения автоматизированных систем управления технологическими процессами формирования мелиоративного состояния агроэкосистем и энергетического потенциала мелиорированных земель 11
1.4. Обоснование приоритетных задач автоматизированного прецизионного управления технологическими процессами формирования мелиоративного режима агроэкосистем и энергетического потенциала мелиорированных земель 15
2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ПРЕЦИЗИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ МЕЛИОРАТИВНОГО СОСТОЯНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА МЕЛИОРИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ 19
2.1. Концептуальные подходы к созданию инновационных автоматизированных систем прецизионного управления технологическим процессом формирования мелиоративного режима агроэкосистемы и энергетического потенциала мелиорированных земель 19

Введение:

Актуальность темы. На территории Российской Федерации сель-скохозяйственное производство ведется в сложных природно-климатических условиях. Основная часть продукции растениеводства про-изводится в зонах рискованного земледелия с недостаточными или нерав-номерными режимами осадков, частыми засухами и суховеями, тогда как другая часть – в зонах избыточного увлажнения. В этих условиях ста-бильный и устойчивый уровень производства продукции растениеводства в значительной степени обеспечивается на основе развития мелиорации земель [11].
В современном сельхозпроизводстве мелиорация представляет со-бой единый комплекс важнейших вопросов, от решения которых зависят перспективы продовольственной безопасности нашей страны, импортоза-мещения и возможности поддерживать другие отрасли экономики. Земли, выпавшие из сельскохозяйственного оборота, можно вернуть в оборот, проведя необходимые мелиоративные работы. В условиях изменения кли-матических и погодных условий, значение мелиорации усиливается. Кроме того, принятая Правительством Российской Федерации федеральная целе-вая программа «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы», требует совершенствования управленческой деятельности при эксплуатации мелиоративных систем [7].
Сегодня в России идет оживленная работа по восстановлению гид-ротехнических сооружений ирригационных систем. Однако анализ разви-тия мелиорации, современного состояния мелиоративных систем и мелио-рированных земель ясно показал несовместимость технократической идео-логии мелиоративных мероприятий и нового экологически ориентирован-ного подхода к созданию и управлению агроэкосистемами. Основной стратегической целью комплексной мелиорации является, помимо повы-шения продуктивности сельскохозяйственных угодий и устойчивости аг-роэкосистем, улучшение агроландшафта, создание условий для его разви-тия, активизация процессов самоочищения, экономия энергии и ресурсов. Мелиорация сельскохозяйственных земель должна быть направлена на максимально возможное использование природно-ресурсного потенциала агроландшафта при соблюдении требований его экологической устойчи-вости и безопасности. Теория создания мелиоративных систем должна ос-новываться на новых экологических принципах [20].
По данным исследований Проблемной лаборатории МГМИ, откло-нение от оптимального значения влажности почвы на 10% вызывает сни-жение продуктивности на 30-50%; отклонение температур от оптимально-го значения на 10°С – на 5-10%. В то же время, установлено, что опти-мальный диапазон адаптации у растений изменяется в процессе их разви-тия, следовательно, необходимо не просто поддерживать оптимальную влажность почвы или другого фактора, а обеспечить изменение ее по оп-тимальной траектории. Оперативное решение подобных задач под силу автоматизированным системам управления технологическими процессами [34].
Кроме того, одной из основных глобальных проблем является про-блема энерго- и ресурсосбережения. Прогнозируется, что в период с 2000 по 2050 год мировой спрос на воду увеличится на 55%. Поэтому количе-ство воды, используемой для орошения, необходимо строго контролиро-вать. Кардинальные решения этой проблемы связаны с созданием и внед-рением новых энергоэффективных технологий и технологических систем во всех отраслях экономики. Основу энергоэффективных технологий со-ставляют прецизионные автоматизированные системы управления техно-логическими процессами, способные с максимальной скоростью и точно-стью выполнять заданные, порой достаточно сложные, последовательно-сти технологических операций при минимальных затратах энергии [13].
Цель работы – обосновать автоматизацию управления технологи-ческим процессом формирования мелиоративного состояния агроэкоси-стем и энергетического потенциала мелиорированных земель.
Для достижения поставленной цели нами было выделено ряд задач:
 дать определение основных терминов и понятий в сфере автома-тизированного управления технологическими процессами формирования мелиоративного режима агроэкосистем и энергетического потенциала ме-лиорированных земель;
 провести обзор существующих систем автоматизированного управления технологическими процессами формирования мелиоративного режима агроэкосистем и энергетического потенциала мелиорированных земель;
 проанализировать возможности применения автоматизирован-ных систем управления технологическими процессами формирования ме-лиоративного состояния агроэкосистем и энергетического потенциала ме-лиорированных земель;
 рассмотреть приоритетные задачи автоматизированного преци-зионного управления технологическими процессами формирования мели-оративного режима агроэкосистем и энергетического потенциала мелио-рированных земель;
 охарактеризовать концептуальные подходы к созданию иннова-ционных автоматизированных систем прецизионного управления техноло-гическим процессом формирования мелиоративного режима агроэкоси-стемы и энергетического потенциала мелиорированных земель;
 рассмотреть перспективные методы и способы автоматизации технологических процессов формирования мелиоративного режима агро-экосистемы и энергетического потенциала мелиорированных земель;
 проанализировать возможные алгоритмы управляющих воздей-ствий, направленные на улучшение мелиоративного состояния агроэкоси-стем и энергетического потенциала мелиорированных земель;
 изучить вопросы технического, технологического и программ-ного обеспечения автоматизированных систем прецизионного управления технологическими процессами формирования мелиоративного режима аг-роэкосистемы и энергетического потенциала мелиорированных земель.

Заключение:

Разработка автоматизированной системы управления мелиоратив-ными режимами земель является закономерным этапом развития и совер-шенствования методов и технологии управления современным сельским хозяйством, и это является одним из основных направлений технического прогресса.
Необходимость автоматизации процесса управления режимами орошения культур в сельском хозяйстве обусловлена: возрастающей сложностью управления современной фермой (участком), необходимостью получения запланированных (запрограммированных) урожаев; требова-ниями эффективного использования земель и оросительной воды; необхо-димостью повышения плодородия орошаемых земель, не допуская их за-болачивания, засоления и водной эрозии; регулирования водного, солево-го, теплового и питательного режимов почв; бережного отношения к окружающей природной среде.
Эффективность автоматизированной системы управления режима-ми орошения обусловлена тем, что путём внедрения математических мето-дов и моделей, персональных компьютеров, повышения оперативности и эффективности управленческих решений по режимам орошения культур на основе получаемых выходных достоверных данных системой управле-ния повысилась урожайность культур за счёт учёта потребности культур в воде (в фазах их развития), регулирования факторов жизни растений, а также оперативного (ежедневного) реагирования на возникающие измене-ния внешней среды (атмосферных осадков, температуры воздуха, относи-тельной влажности воздуха, суммарной солнечной радиации и влажности почвы).
В современных условиях совершенствуются методы и формы управления фермами. В настоящее время в мировой практике производ-ства продукции растениеводства наметилась тенденция к реализации высо-коинтенсивных технологий, в которых в ходе выполнения технологических процессов возделывания сельскохозяйственных культур имеется возмож-ность управлять продукционно-качественным процессом. Такие техноло-гии относятся к типу точных (прецизионных). Они создают предпосылки к внедрению концепции «разумного сельского хозяйства». Важнейшим по-ложением этой концепции является экологизация технологических процес-сов производства, техническое оснащение которых составляют интеллек-туальные сельскохозяйственные машины. Такой подход к производству продукции растениеводства существенно ускоряет переход к адаптивно-ландшафтным системам земледелия

Фрагмент текста работы:

1.1. Определение основных терминов и понятий
Технологический процесс формирования мелиоративного состоя-ния агроэкосистем и энергетического потенциала мелиорированных земель по сути можно рассматривать как сложный комплекс работ, направленных на поддержание оптимального влажностного режима почв с учетом по-требностей выращиваемой культуры, а также на обеспечение в агроценозе положительного баланса гумуса. Такой подход целесообразно рассматри-вать как элемент конструирования высокопродуктивного и устойчивого агроландшафта, и свойственен он для ресурсосберегающих технологий точного или «прецизионного» земледелия (англ. precision agriculture) [4].
Для глубокого анализа вопроса современных возможностей авто-матизации управления технологическим процессом формирования мелио-ративного состояния агроэкосистем и энергетического потенциала мелио-рированных земель, необходимо изучить понятийный аппарат, используе-мый в данной сфере. Это в дальнейшем облегчит работу с научным тек-стом.
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) – человеко-машинная система управления, обеспечи-вающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходи-мой для оптимизации управления технологическим объектом в соответ-ствии с принятым критерием [6].
Мелиоративное состояние агроэкосистемы – комплекс свойств, характеризирующих, почвенно-гидрологические и агроклиматические условия роста растений [16].
Мелиоративные мероприятия – проектирование, строительство, эксплуатация и реконструкция мелиоративных систем и отдельно распо-ложенных гидротехнических сооружений, обводнение пастбищ, создание систем защитных лесных насаждений, проведение культуртехнических ра-бот, работ по улучшению химических и физических свойств почв, научное и производственно-техническое обеспечение указанных работ [1].
Мелиоративные системы – комплексы взаимосвязанных гидро-технических и других сооружений и устройств (каналы, коллекторы, тру-бопроводы, водохранилища, плотины, дамбы, насосные станции, водоза-боры, другие сооружения и устройства), обеспечивающие создание опти-мальных водного, воздушного, теплового и питательного режимов почв на мелиорированных землях [2].
Мелиоративная система является составной частью агроландшафта и обеспечивает регулирование в его границах кругооборота воды, веще-ства, энергии и информации.
Мелиоративный режим – совокупность требований к управляе-мым факторам почвообразования, роста растений и воздействия на окру-жающую среду, которые должна обеспечить система мелиоративных ме-роприятий для достижения поставленной цели [24].
В качестве основных показателей мелиоративного режима орошае-мых земель можно рассматривать:
 величину влагообмена в почве, обеспечивающую благоприят-ный воздушный и водно-солевой режимы мелиорируемых почв.
 буферность почвы – это способность противодействовать изме-нению рН при подкислении или подщелачивании, а в широком смысле – это мера устойчивости почв к различным воздействиям;
 содержание гумуса – гумус выполняет роль аккумулятора и распределителя энергии в формировании потоков вещества и играет опре-деляющую роль в формировании процессов физико-химической сорбции, емкости катионного обмена и водоудержания в почве и формирования ка-чества почвенного раствора, непосредственно участвующего в питании растений;
 окислительно-восстановительный потенциал почв, содержание токсичных солей и Na в ППК [18].
Мелиорация (лат. melioratio – улучшение) – комплекс организаци-онно-хозяйственных и технических мероприятий по улучшению гидроло-гических, почвенных и агроклиматических характеристик агроладшафта с целью повышения эффективности использования земельных и водных ре-сурсов для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур [5].
Мелиорированные земли – земли, на которых проведены мелио-ративные мероприятия [1].
Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответству-ющим инструкциям или регламентам технологического процесса произ-водства [7].
Точное земледелие (ТЗ) – это управление продуктивностью посе-вов c учётом внутрипольной вариабельности среды обитания растений. Иначе говоря, это оптимальное управление для каждого квадратного мет-ра поля. Целью такого управления является получение максимальной при-были при условии оптимизации сельскохозяйственного производства, эко-номии хозяйственных и природных ресурсов. При этом открываются ре-альные возможности производства качественной продукции и сохранения окружающей среды [4].
В системе ТЗ при помощи компьютеров формируются технологи-ческие приемы воздействия на процессы роста и развития растений и тем самым обеспечивается управление продуктивностью посевов. Реализация агроприемов осуществляется посредством прецизионных физических и физико-химических воздействий на растения и среду их обитания [38].
Управление мелиоративным состоянием агроэкосистемы – про-цесс создания и поддержания такого режима в природном объекте, кото-рый бы в течение всего периода функционирования мелиоративных систем обеспечивал заданный уровень продуктивности сельскохозяйственных культур, расширенное воспроизводство почвенного плодородия и эколо-гическую устойчивость агроландшафта [17].
Энергетический потенциал мелиорированных земель – количе-ство энергии, аккумулированной в гумусовом горизонте почв, формиру-ющихся в результате мелиоративной деятельности [17].

1.2 Обзор существующих систем автоматизированного управ-ления технологическими процессами формирования мелиоративного режима агроэкосистем и энергетического потенциала мелиорирован-ных земель
Сегодня на рынке существует множество систем мониторинга со-стояния почвы и погодных условий в режиме реального времени. Они по-могают не только наблюдать за изменениями условий, дистанционно управлять системами орошения, но и принимать эффективные управленче-ские решения. Рассмотрим некоторые из них.
Инновационные продукты Growsmart от Lindsay помогают исполь-зовать лучшие методы управления, которые обеспечивают удобство и снижают эксплуатационные расходы за счет эффективного использования времени, труда, энергии и воды. Аксессуары plug & play («подключи и работай») выполняют множество задач, включая измерение, составление отчетов и управление отдельными спринклерами или зонами спринклеров. Для максимальной эффективности и расширенных возможностей продукты plug & play могут быть улучшены с помощью беспроводного управления поливом FieldNET [42].
Zimmatic от Lindsay предлагает сельскохозяйственные ирригацион-ные системы с проверенной на практике надежностью, ведущими в отрасли технологиями и долговечностью. Помимо систем центрального орошения и оросительных систем с боковым перемещением, Lindsay предоставляет интегрированные насосные станции и системы фильтрации, компоновку полей и общий дизайн системы, системы удаленного мониторинга и управления, а также проектирование и установку инфраструктуры широ-кополосной связи в поле [40].
Интуитивно понятная и удобная система John Deere Field Connect использует датчики контроля уровня влажности почвы на различных глу-бинах. Затем информация отправляется на веб-интерфейс, через который данные отображаются на компьютере или мобильном устройстве и ис-пользуются для принятия своевременных решений по ирригации из любо-го места [41].
Система диспетчерского контроля и сбора данных Supervisory control and data acquisition (SCADA), которая обеспечивает точный, инте-грированный контроль мелиоративной системы в режиме реального вре-мени. Система SCADA автоматически измеряет количество воды, доступ-ной в резервуарах, количество воды, протекающей по каналам, и количе-ство воды, отводимой на поля. Пользователи системы SCADA могут легко увидеть, где находится вся вода и как она используется, и они могут при-нять более правильные решения [43].
Компания Tevatronic разработала технологическое решение, кото-рое делает выращивание сельскохозяйственных культур полностью авто-номным с точки зрения ирригации и удобрения. Система Tevatronic пол-ностью способна решать, когда и сколько оросить, и выполняет решение по орошению без вмешательства человека [44].
Компания Acromag разработала SM-Autonomous Irrigation Control – систему контроля с возможностями удаленной связи, позволяющую ис-пользовать многие локальные источники энергии (солнечная, ветровая, водная, геотермальная или аккумуляторная) и услуги беспроводной сети. Благодаря мощному процессору и встроенным модулям ввода/вывода си-стема хорошо оснащена для мониторинга датчиков и автоматического управления системой полива