Численное моделирование пространственной вариации на фактор продуктивности и эффективность агротехнологии в системе точного земледелия Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 636.4.087.8:615 Канд. техн. наук Ю.Г. ЗАХАРЯН

(ФГБНУ АФИ, [email protected])

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВАРИАЦИИ

НА ФАКТОР ПРОДУКТИВНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОТЕХНОЛОГИИ

В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Пространственная вариабельность, точное земледелие, корреляция и ковариация, дифференциация, целесообразность, количественное описание, эффективность

В основе изложенного материала лежит один из основополагающих принципов любых современных структур в действиях интенсивного планирования дифференциации агротехнологических решений по отдельным полям или регионам, которые варьируются от точки к точке в системе точного земледелия (ТЗ) [1,2]. В организационной структуре точного земледелия, одного из наиболее перспективных направлений в агрономической науке, в горизонтальной плоскости дано представление о возможности значительного повышения урожая, существенной экономии ресурсов и снижения антропогенного влияния на окружающую среду путем дифференциации агротехнологий в соответствии с пространственной вариабельностью почвенно-климатических факторов продуктивности (Ю.Г. Захарян, И.Б. Усков, 2007).

Приспособление хозяйствования к пространственной неоднородности конкретного поля или региона в англоязычной литературе определяется термином «Site-specific management».

При таком воздействии, совокупности приема первоначальное значение приобретает более глубокое изучение пространственной неоднородности сельскохозяйственных полей, рациональное всестороннее исследование принципов количественного описания, не требующих оценки анализа и обследования.

В данной работе разработан количественный подход, с помощью которого удается следующее:

- оценивать влияние пространственной вариабельности сельскохозяйственных территорий на эффективность планируемых агротехнологических воздействий;

- разработать комплекс математических моделей и алгоритмов для оценки экономического эффекта, который может быть получен за счет детальной дифференциации решений в соответствии с пространственной вариабельностью территории;

- обосновывать целесообразность пространственной дифференциации при рассмотрении проблемы планирования хозяйственных решений на неоднородных по почвенно-климатическим характеристикам территориях в системе точного земледелия с учетом геостатистического анализа.

Решение перечисленных задач дает возможность выбрать в каждом конкретном случае наилучший, экономически оправданный вариант планирования агротехнологических воздействий с учетом пространственной вариабельности лимитирующих агрометеорологических условий [3, 4].

Принципиальная особенность задачи состоит в предположении, что пространственно варьирующий агрометеорологический фактор X представляет собой непрерывную на шкале возможных значений величину, меняющуюся в некотором диапазоне xmin, хтах . При этом будем рассматривать несколько моделей влияния этих величин на фактор продуктивности сельскохозяйственных территорий и эффективность агротехнологических воздействий. Пространственная вариабельность данных описывается с помощью корреляционных и ковариационных функций (статистических моментов), выражающих меру этой непрерывности [5]. В данной тематике геостатистический анализ представляет статистический двухточечный момент второго порядка (Ю.Г. Захарян и А. А. Комаров 2016).

Использованные вариограммы были применены в интерполяционных моделях. Их особенности и обоснование выбора показаны дальше. В соответствии с этим рассматриваемые модели носят обобщенный характер. Они отражают принципиальные особенности, которые характерны не для одной, а для определенных классов хозяйственных задач, и благодаря этому позволяют установить общие закономерности, имеющие место для многих практических ситуаций.

В данном случае предполагается, что зависимость фактора продуктивности от пространственно варьирующего элемента X и интенсивности планируемых агротехнических мероприятий d имеет вид:

У x,d =утах 1 -e-rlDx+V , (1)

где утах - максимальный фактор продуктивности; D(x) - значение рассматриваемого управляемого воздействия в естественных условиях, отвечающих конкретному X = х, у -постоянный коэффициент (рис.).

Рис. Зависимость фактора продуктивности от переменных х и d

Умножая фактор продуктивности на Су, после преобразования и дифференцирования выражения (1) по d, получим:

U х, d = Суутах 1 - е~У x+d - Cdd, (2)

d0 х = —х — ^InB, (3)

где В = у Суутах; Cd — стоимость затрат на технологические воздействия;

Су — стоимость фактора продуктивности.

Соответствующее такому d0 значение Uравно:

U x,d0 х = Суутах 1 - 5(1 - ЫВ - ух) (4)

Эта формула будет использована в дальнейшем при целесообразности дифференцированного планирования технологических воздействий.

Математический алгоритм подтверждает тот факт, что пространственная вариабельность влияет как на фактор продуктивности, так и на эффективность планируемых технологических воздействий.

Чтобы снизить средние потери из-за пространственной вариабельности, необходимо принимать дифференцированное планирование агротехнологических решений в системе точного земледелия с учетом геостатистического анализа.

В результате приходим к следующему уравнению:

Р х < а = с*+ьсу (5)

г * -а су(ь+ь'у ^

где Р(х < а) - вероятность того, что х не превышает а, оптимального значения

И'

варьирующих факторов. Выведены следующие обозначения: Г] = ~ ^ - безразмерный показатель; Ь' - скорость падения урожая, Ъ - скорость возрастания урожая; ц = —

эффективность дифференцированного планирования. Получим следующее выражение:

Р х < а = !—1,

1+7}

решение этого уравнения дает величину а0.

Результаты данных расчетов предоставлены в табл.

Таблица. Планирование оросительных норм на территории Араратской долины (Армения, май 2015 г), неоднородной по естественной влагообеспеченности

(6)

Вариант м3 га инд(х) руб/га Nо м3 га ИпдШ руб/га руб/га Я % (0 %

I 11 = од 2200 3190 2710 3280 3350 5,0 56

II ц = 0,2 2200 3040 2537 3090 3200 5,3 30

В данном случае переход от недифференцированного планирования в расчете на средние условия к пространственной дифференциации оросительных норм позволяет увеличить средний доход на единицу площади на 5,0% при /и = ОД и на 5,3% при [I = 0,2. В абсолютных единицах выигрыш одинаков и составляет ~ 3600 руб/га. Существенных результатов как в первом, так и во втором вариантах задачи можно достичь путем перехода от планирования орошения в расчете на средние условия к оптимальной недифференцированной стратегии. За счет этого потери, вызванные неоднородностью территории, удается снизить при ¡л = ОД на 56%, а при ц = 0,2 на 30%.

Мы рассматривали следующий вопрос: в какой степени пространственная вариабельность, которая варьируется от точки к точке или от поля к полю, влияет на фактор продуктивности и на эффективность планируемых агротехнологических воздействий.

Математические модели, которые были разработаны нами, дали ответы на наши вопросы, то есть для оценки экономического эффекта кроме учета естественных почвенно-климатических факторов вариабельности необходимо учитывать и антропогенную вариацию, которую создают агротехники при выполнении технологических приемов (внесение удобрений, поливы, и т.д.).

Результаты исследования позволили выявить, что один из основополагающих принципов любых современных систем интенсивного планирования - это дифференциации агротехнологии по отдельным полям. Кроме того, разрабатываемый подход был использован для расчета потерь урожая, вызываемых пространственным варьированием лимитирующего агрометеорологического фактора.

При достаточно общих условиях снижение урожая вследствие пространственной вариабельности территории оказывается пропорционально среднему квадратическому отклонению ах.

Обоснованы целесообразности пространственной дифференциации при планировании технологического решения с учетом вариации метеорологических факторов.

Литература

1. Жуковский Е.Е., Захарян Ю.Г., Саноян М.Г. Агроклимат и программирования урожая: Сб. науч. трудов АФИ. - Л., 1986. - С. 100-110.

2. Якушев В.П., Жуковский Е.Е. Климатические изменения и риск в земледелии //Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2010. - Вып.2.-С. 13-16.

3. Захарян Ю.Г. Анализ влияния пространственной вариации агрометеорологических опасных явлений на фактор продуктивности // Информация и Космос. - СПб, 2016. - №3-С. 97-102.

4. Uskov А.О. and Zakharian J.G. Expedient spatial differentiation of technologies of precise agriculture according to productivity factors. JIAC 2009- Book of abstracts. Wageningen Academic Publisher. Session 26, Theatre 4. The Netherlands, 2009, p 113.

5. Гандин Л.С. Статистические методы интерполяции метеорологических данных. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976 - 359 с.

УДК 631.331.85

Доктор техн. наук B.C. ШКРАБАК (СПбГАУ, [email protected]) Соискатель В.И. ВЕТУШКО (СПбГАУ, [email protected])

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ «ЧЕЛОВЕК-СЕМЕНА-ТЕХНОЛОГИЯ-МАШИНА-СРЕДА» И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА БЕЗОПАСНОСТЬ

Анализ, условия труда, безопасность, гибридные семена, система «человек-семена-технология-машина-среда», посевные работы в АПК

Условия труда и его охрана при производстве гибридных семян технических культур далеки от совершенных и не по всем трудоохранным параметрам соответствуют нормам и системе стандартов безопасности труда. Это относится к регулируемым и нерегулируемым параметрам. Под первыми мы понимаем такие, которые могут регулироваться операторами с помощью тех или иных методов и средств, предложенных наукой и передовой практикой (вне зависимости от их стоимости); это, как правило, те, которые могут меняться в зависимости от технологий, конструкций, профессионализма операторов, достижений в области проектирования и производства и т. д. Под нерегулируемыми мы понимаем те параметры, которые по воле человека изменены быть не могут, существенно влияя на условия и охрану труда; речь идёт о параметрах внешней (природной) среды, которые кардинально влияют на условия и охрану труда операторов и доступными методами и средствами изменены быть не могут. С целью обеспечения нормируемых (или близких к ним) условий и охраны труда необходимы меры защиты и приспособления организма к таким условиям.

При теоретическом обосновании путей обеспечения нормируемых условий и охраны труда при производстве технических культур необходимо учитывать особенности культуры, применяемые (или возможные) технологии и средства их реализации, сложившиеся традиции производства, результаты анализа этих производственных традиций с позиции стоимости общих трудозатрат (включая трудоохранные) и их результатов.

С целью удовлетворения этим потребностям целесообразно вести анализ по тем составляющим, которые образуют взаимовлияю щую и взаимоувязанную систему. Применительно к нашим условиям речь идет о системе «человек-семена-технология-машина-среда». В связи с этим представляет интерес теоретический анализ этой системы и пути повышения безопасности технологий и средств производства гибридных семян технических культур.

Производство продукции растениеводства (зерновые, колосовые, кукуруза и др.) осуществляется в трудоохранной системе «человек-семена-технология-машина-среда» (ЧСТМС) [1]. Последняя характеризуется тем, что каждый из её элементов имеет свои характерные особенности, присущие только ему; кроме того, эти элементы взаимоувязаны в