CC BY
43
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.
РАЗДЕЛ I. ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МЕХАНИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА И ПЛОДОВОДСТВА
УДК 631.36:62-52
А.М. ВАЛГЕ, д-р техн. наук; Э.А. ПАПУШИН, канд. техн. наук;
Е.В. ТИМОФЕЕВ, канд. техн. наук
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА КОРМОВ ИЗ ТРАВ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ
Представлены разработки по алгоритмическому и программному обеспечению оптимизации технологических процессов и технологий производства основных видов кормов из трав, позволяющие снизить потери кормов с учетом погодных условий и затраты на их производство.
В Северо-Западной зоне под кормовыми культурами занято до 90% площадей земель с.-х. назначения. Значимость кормопроизводства сводится не только к обеспечению животноводства кормами, но и к решению проблем по обеспечению населения отечественными продуктами питания, охране окружающей среды.
В последние годы происходит интенсивное развитие инфо-коммуникационных технологий, увеличивается емкость запоминающих устройств и быстродействие компьютеров, увеличивается быстродействие средств приема и передачи информации, разработаны новые технические средства для накопления, обработки, хранения и представления информации. К сожалению, эти достижения не в полной мере затронули решение актуальных задач сельскохозяйственного производства и, прежде всего, задач снижения затрат на производимую продукцию, повышение экологичности производства и эффективности использования основных ресурсов.
Утвержденная постановлением № 446 от 14.07.2007 г. правительства России «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции сырья и продовольствия на 2008-2012 годы» предусматривает «... создание систем государственного информационного обеспечения в сфере сельского хозяйства с охватом к 2012 году 95% субъектов Россий-
5
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
ской Федерации...». Конкретно для управления производством предусматривается «...использование средств системы информационного обеспечения при подготовке и принятии решений на всех уровнях управления в сфере сельского хозяйства.».
В этих условиях, актуальной является проблема проведения исследований по разработке методов управления кормопроизводством, обеспечивающих получение высококачественных кормов с наименьшими издержками средств, энергии и труда для конкретных природно-климатических и экономических условий с учетом вероятностной оценки погодных условий.
Исходя из вышесказанного, в качестве основных составляющих структуры программного комплекса управления технологическим процессом производства кормов из трав приняты следующие основные блоки (программы), (рис. 1).
Рис. 1. Структура программного комплекса управления технологическими процессами производства кормов из трав
Оценка эффективности использования минеральных удобрений. Основу кормопроизводства составляет урожай травы. При этом с травой происходит значительный вынос из почвы минеральных веществ, которые необходимо компенсировать путем внесения в почву удобрений. В основном применяется весенняя подкормка трав минеральными удобрениями. Для подкормки используются азотные, фосфорные и калийные удобрения (N, P, K). В настоящее время стоимость
6
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
_________ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.______
минеральных удобрений достаточно высока, что вызывает необходимость их рационального использования. Это достигается, в первую очередь, расчетом норм их внесения для получения планируемого урожая травы.
Количество получаемой зеленой массы травы с единицы площади зависит от многих факторов. Для многолетней травы, ежи сборной, используемой для заготовки кормов, методом планирования экспериментов получена модель зависимости урожая на средне окультуренных почвах от следующих факторов: доз внесения удобрений, числа укосов за период вегетации, высоты среза травы [1]:
У = f (Х, x2, x3, x4, xs), т / га, (1)
где Xi, X2, X3 - нормы внесения, соответственно азотных, фосфорных и калийных удобрений кг/га; X4 - число укосов травы; X5 - высота скашивания травы, см.
Представляет значительный практический интерес определение норм внесения удобрений, обеспечивающих получение необходимого объема травы с минимальной стоимостью.
Для решения этой задачи разработана математическая модель:
S = CZ + CpZ2 + CpZ3 + Су Z4 —— min (2)
Zx = f (xx ),-азот, кг Z2 = f (x2),-фосфор, кг Z = f (x3 ),-калий, кг Z4 = f (x4 ),-число _ укосов _ травы y = f (x, x2, x3, x4, x5) = const - урожай _ травы, т / га - 2,0 <xt < 2,0,i = 1 — 5,
где CN, CP, CK - стоимости 1 кг, соответственно азотных, фосфорных и калийных удобрений; Су - стоимость выполнения укоса 1 га травы; Z, Z, Z - действительные количества использованных удобрений, кг; Z - действительное значение числа укосов травы.
7
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Для выполнения расчетов по алгоритму (2) в системе Excel разработана программа. Действующие цены на удобрения получены из Интернета и приведены в табл. 1.
Таблица 1
Действующие цены на основные виды минеральных удобрений
Виды удобрений Отпускная цена за тонну, руб- Цена 1 кг с учетом доставки, руб./кг
Азотные 7550 9
Фосфорные 22000 23
Калийные 7000 руб. 8
Для выполнения расчетов задавались различные значения урожая травы (5, 6, ... 13, 13,9 т/га) и выполнялось решение оптимизационной задачи на минимум суммарных затрат на получение урожая травы. Для каждого значения урожая травы определены оптимальные значения факторов: нормы внесения N, P, K и число укосов при минимуме стоимости одной тонны урожая травы (табл. 2).
Таблица 2
Сравнительные показатели изменения стоимости 1 т травы в зависимости от планируемой ее урожайности
Расчетные факторы При планируемом урожае травы, т/га
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Стоимость 1 т травы 646,6 572,4 558,7 539,5 533,4 544,3 573,2 621,1 743,4 1044,2
Нормы внесения, кг/га: N 137,0 172,7 212,2 257,3 311,2 382,5 421,9 471,1 543,9 573,1
P 0 0 0 0 0 0 0 0 13,3 190,1
K 0 0 0 0 0 0 63,6 139,1 246,7 312,1
Число укосов 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3
Высота скашивания, см 8 8 8 8 8 7 7 6 5 3
Анализ полученных результатов показывает, что при различных планируемых урожаях травы наименьшая стоимость травы, 8
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.
533,4 руб./т, достигается при урожае травы 9,0 т/га. При этом нормы внесения удобрений составляют: N - 311, 2 кг/га, P - 0 кг/га, K - 0 кг/га, число укосов - 2, высота скашивания травы - 8 см.
Снижение или увеличение урожая травы относительно оптимального приводит к повышению стоимости получаемого урожая травы.
Оценка влияния погодных условий на качество получаемых кормов и определение оптимальной структуры кормов, обеспечивающей получение корма высокого качества. Трава содержит значительное количество влаги. Для получения кормов определенного вида (силос, сенаж, сено) из травы необходимо удалить часть влаги, которая выполняется операцией провяливания. Провяливание травы в поле подвергает ее действию погодных условий и увлажнению провяленной травы осадками. При этом происходит потеря питательных веществ травы, а, следовательно, и качества корма.
Для получения количественной оценки влияния погодных условий на возможное количество повторных увлажнений травы при заготовке основных видов кормов из трав (сено, сенаж, силос) были разработаны вероятностные математические модели в виде регулярной Марковской цепи.
Для сравнительного анализа надежности различных видов кормов по разработанным моделям выполнены расчеты для усредненных погодных условий Ленинградской области. Результаты расчетов в графическом виде приведены на рис. 2.
Как видно из полученных результатов, наиболее надежным видом корма является силос из подвяленной травы. Без увлажнения осадками убирается 55,2% корма, с одним увлажнением - 22, 3%, с двумя увлажнениями - 11,0%, с тремя и более увлажнениями - 9,0%.
Учитывая, что при увлажнении травы, подвяленной до 60%, теряется значительно меньше питательных веществ, чем при провяленной до 17-20%, можно считать, что в условиях Ленинградской области практически при любых среднестатистических погодных условиях до 80% силоса из подвяленной травы убирается с высоким содержанием питательных веществ, в то же время в среднем получается только 17% высококачественного сена полевой сушки.
9
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Рис. 2. Изменение вероятности увлажнения травы в процессе провяливания при заготовке основных видов кормов из трав в погодных условиях Ленинградской области
Одним из способов снижения потери кормов по погодным условиям является замена кормов с длительным провяливанием на корма с коротким временем провяливания. Изменение структуры кормов при неблагоприятных погодных условиях позволяет, за счет увеличения производств кормов с низким уровнем провяливания, снизить потери урожая травы по погодным условиям. В общем случае необходимо, в зависимости от погодных условий в период уборки трав, выбрать такую структуру кормов, при которой обеспечивается получение необходимого объема питательных веществ в кормах из трав при минимальных потерях.
Необходимо определить структуру кормов для благоприятных и неблагоприятных условий уборки, обеспечивающих необходимые объемы кормов и содержание в них питательных веществ при максимальной вероятности уборки всего биологического урожая. В алгоритме решения поставленной задачи не удалось ввести вероятностные значения погодных условий, поэтому в целевой функции задачи введена стоимость кормов, которая зависит от погодных условий. При неблагоприятных погодных условиях стоимость сена выше, чем при благоприятных условиях. Данная проблема сводится к задаче математического программирования. При заданной урожайности травы необходимо также определить площади уборки для каждого вида кормов и общую площадь уборки.
10
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.
Представим эту задачу в виде задачи линейного программирования. Целевая функция должна обеспечить минимальную стоимость кормов:
П
Z Ci - = min , (3)
i =1
где Ct - стоимость i-го вида кормов; X. - масса кормов i-го
вида.
При ограничениях:
П
Za - X = A - по содержанию к.ед. в общем объеме кормов;
i=1
rt n
Z X ^ в, ■ S X a D, -
i=1 i=1
количество кормов j -го вида.
на минимальное и максимальное
Использование разработанной на основе алгоритма программы позволяет определить оптимальные объемы кормов и площади их уборки, при различных погодных условиях в период уборки травы. Определение объемов кормов является исходными данными при проектировании технологий уборки с помощью компьютерной программы.
Оценка сроков уборки трав, обеспечивающих их максимальную питательную ценность. Ценность кормов определяется содержанием в них питательных веществ, которое зависит от срока развития растения. Наибольшее количество питательных веществ содержится в период колошения злаковых трав и бутонизация бобовых. Максимальное количество питательных веществ в траве сохраняется непродолжительное время (3-5 дней) за которое не представляется возможным убрать урожай и приготовить определенный вид корма. Уборка трав в короткий срок требует дополнительных затрат из-за возрастания количества уборочных средств. При увеличении срока уборки уменьшается количество животноводческой продукции с единицы площади травы.
11
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Траву не всегда можно убрать при благоприятных условиях и в оптимальные сроки. По разным причинам начало уборки может задержаться. Продолжительность уборки также может измениться по различным причинам. Убранный при разных сроках и продолжительностях уборки корм будет иметь различные качественные показатели.
Зависимости количества молока от питательной ценности и длительности развития смеси трав (красного клевера и тимофеевки) приведены в табл. 3 [2].
Таблица 3
Зависимости продуктивности КРС от длительности развития смеси трав
Надой, ц/га Содержание питательных веществ в траве, ц. к.е./га Длительность развития травы, дней
31,5 21,0 55,0
46,0 46,0 70,0
31,0 50,0 85,0
13,1 49,0 100,0
5,8 42,0 115,0
Представляет значительный производственный интерес оценка продуктивности кормов при всех возможных сроках начала и окончания уборки. Для решения этой задачи разработан метод, позволяющий представить данные табл. 2 в виде двухмерной совокупности всех возможных сроков начала и окончания уборки трав (рис. 3).
Из полученных данных видно, что наибольшую продуктивность 45 ц/га имеют корма, убранные в период 60-74 дней вегетации. Продуктивность 43 ц/га дадут корма, убранные в период 55-80 дней вегетации. Это наибольший срок уборки. Такую же продуктивность будут иметь корма, убранные с меньшей длительностью уборки, но убранные в период 59-70 дней. Наименьшая продуктивность будет у кормов, убранных в период 69-90 дней развития растений.
12
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.
Рис. 3. Изменение продуктивности КРС в зависимости от сроков начала и окончания уборки травы
Разработка алгоритма и программ проектирования технологий заготовки основных видов кормов из трав. Проектирование технологий кормопроизводства представляет собой важнейшую задачу, от правильного решения которой зависит объем и качество получаемого корма, количество и стоимость получаемой животноводческой продукции.
Формирование технологий производства кормов из трав представляет собой сложную задачу, т.к. необходимо из множества возможных технических средств сформировать технологию, состоящую из некоторого множества операций. Технологии кормопроизводства должны обладать поточностью, т.е. выполнение операций должно быть согласовано по времени и обеспечивать выполнение заданного объема работ с минимальными затратами и потерями кормов.
На основе СУБД Access разработана программа «Система технологий и технических средств для заготовки кормов из трав», позволяющая проектировать технологии производства основных видов кормов из трав: сена, силоса, сенажа (провяленный силос) [3]. Программа
13
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
работает в режиме диалога с пользователем на основе разработанного интерфейса. Схема логической последовательности проектирования технологий производства кормов из трав приведена на рис. 4. Главное окно программы приведено на рис. 5.
Рис. 4. Схема логической последовательности проектирования оптимальной технологии кормопроизводства
14
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2010. Вып. 82.
Рис. 5. Главное окно программы «Система технологий и технических средств для заготовки кормов из трав»
Проектирование технологий начинается с выбора технологических операций. По технологическим операциям из таблиц данных извлекаются все конкурирующие технические средства и агрегатирую-щие их трактора. По выбранным техническим средствам рассчитываются основные технико-экономические показатели, определяется необходимое их количество, определяется стоимость выполнения всего объема работ. Далее методом фильтрации из множества конкурирующих технических средств выбираются средства с минимальными затратами по каждой операции. По выбранным оптимальным техническим средствам формируются отчеты по технологиям.
ВЫВОДЫ
Разработанный комплекс программ для управления технологическими процессами позволяет выполнить следующие оптимизационные расчеты кормопроизводства:
1. Определить нормы внесения минеральных удобрений в зависимости от их стоимости и планируемого урожая травы.
2. Определять оптимальное сочетание кормов из трав: сена, сенажа, силоса в зависимости от погодных условий в период уборки, обеспечивающие снижение потерь кормов по погодным условиям.
15
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
3. Для заданных погодных условий и объемов производства кормов проектировать рациональные технологии, обеспечивающие получение кормов с минимальной стоимостью. Программа работает в двух режимах, позволяющих выбирать технические средства в диалоговом режиме, а также проектировать технологию путем добавления технических средств при изменении объемов уборки или замене изношенных технических средств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Образцов А.С. Системный метод: применение в земледелии / А.С. Образцов. - М.: ВО Агропромиздат, 1990. - 368 с.
2. Палецков Е.Н. Новый критерий эффективности кормопроизводства / Е.Н. Палецков //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1988. - №10.
3. Свидетельство № 2010620362 о регистрации в фонде «Программ для ЭВМ, баз данных и топологий ИМС» Федерального института промышленной собственности РОСПАТЕНТа.
Получено 18.10.2010.
A.M. VALGE, DSc (Engineering); E.A. PAPUSHIN, Cand. Sc (Engineering); E.V. TIMOFEEV, Cand. Sc (Engineering)
OPTIMIZATION OF GRASS FODDER PRODUCTION PROCESSES IN THE NORTH-WEST OF RUSSIA
The paper describes the development of algorithms and software to optimize technologies and separate technological processes of grass fodder production with the aim to reduce seasonal fodder loss and production costs.
16
