Морозова Марія Миколаївна,
кандидат технічних наук
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського»,
Україна, м. Київ
Анотація: у статті розглянуто особливості та перспективи використання нейромережевих технологій у аграрній сфері, проаналізовано параметри мікроклімату теплиць, обрано математичну модель мікроклімату грибної теплиці.
Ключові слова: нейромережа, мікроклімат теплиці, модель мікроклімату, врожайність.
Із розвитком технічного прогресу люди почали замислюватися про те, як важливо дбати про своє здоров'я, споживати в їжу смачні і корисні овочі, фрукти, гриби впродовж усього року, всіх сезонів. Однією з головних умов успішного зростання культур є мікроклімат, від підтримки якого залежить врожайність і якість продукції. Виникає безліч питань: як домогтися високої врожайності культур в будь-який сезон, як за ними доглядати?
В даний час використання високих технологій аграріями є скоріше винятком, ніж правилом. Посівні площі в країні займають мільйони гектарів, проте інтелектуальні технології (ІТ) застосовуються не більше, ніж на 5-10% цих площ. Інтенсивне впровадження ІТ у сільське господарство може призвести до вибухового зростання продуктивності, інвестиційної привабливості галузі, поліпшення якості продукції при різкому зниженні витрат, пов’язаних із вирощуванням та супроводом.
Головним чинником сьогодні є розробки в поєднанні технологій в області аналізу даних, проєктованих сенсорів і самокерованої (безпілотної) техніки, з використанням підключених мережевих рішень, систем управління, платформ і додатків, що виводять способи вирощування живих організмів на новий рівень.
Інноваційні технології, такі як: системи віддаленого збору даних з полів (вологість, температура, мінералізація), технології диференційованого внесення добрив на основі даних з безпілотних літальних апаратів, моніторингу сільгосптехніки, управління зрошенням, планування і прогнозування, – наразі стають дедалі популярнішими.
Одним з найбільш актуальних і затребуваних напрямків у сучасному землеробстві є вирощування грибів у теплицях. Гриби – це особливий організм, який є джерелом рослинного білка, складних вуглеводів, клітковини, вітаміну D і магнію.
Вирощування грибів у теплицях відрізняється особливою економічністю, тому що воно не вимагає додаткових витрат на закупівлю добрив, агрохімії і інших добавок (на відміну від рослин). Але необхідно стежити за параметрами мікроклімату.
Якість і кількість врожаю залежить від багатьох факторів. Проаналізувати їх всі і прийняти правильне рішення не в змозі жоден найдосвідченіший фахівець, тому в цьому напрямку застосування сучасних технологій просто неминуче.
Значна область застосування нейромереж – контроль якості продукції, що пов’язаний з впливаючими факторами, такими як, наприклад, мікроклімат. Технології штучного інтелекту дозволяють в реальному часі контролювати параметри мікроклімату, а, отже, таким чином – вплинути у подальшому на загальний стан вирощуваної продукції, в реальному часі повідомляти про знайдені проблеми. Системи з використанням технологій штучного інтелекту можуть працювати, як кажуть, в режимі 24/7, не втрачаючи, так би мовити, концентрацію.
Отже, створення методу з використанням нейромережевих технологій має за мету контроль параметрів мікроклімату теплиці, що повинно позитивно впливати на якість врожаю, підвищувати врожайність [1].
Сьогодні високотехнологічну теплицю вже неможливо уявити без наявності систем контролю за станом культур, субстрату, мікроклімату та ін.
На сьогодні система контролю за процесами у теплиці може мати у складі наступне:
- Система контролю параметрів мікроклімату. Це комплекс датчиків, що фіксує такі параметри, як температура, вологість повітря, кількість СО2, рівень освітленості (інтенсивність світла, сумарну сонячну радіацію).
- Система контролю параметрів субстрату. Включає в себе наступні датчики, що дозволяють визначати електропровідність, рН і вологість субстрату.
- Система електронного зважування субстрату. Дозволяє отримувати інформацію про втрату вологи за певний період часу.
- Система контролю параметрів дренажу. Аналізує параметри рН дренажного розчину, фіксує час появи дренажу і час його закінчення, а також проводить розрахунок фактичної кількості, в залежності від загальної дози поливу. Спільно з системами електронного зважування та контролю параметрів субстрату дозволяє мінімізувати «людський фактор», звільняє агронома від виконання рутинної роботи, дозволяє оперативно управляти системою поливу і живлення рослин.
Під час дозрівання рослин, грибів істотну роль грає концентрація вуглекислого газу. Неправильне співвідношення О2 / СО2 може занапастити врожай. Так, наприклад, однією з причин припинення росту міцелію в субстраті для грибів і появи цвілі називають високу концентрацію СО2. Якщо під час росту гливи концентрація СО2 буде перевищувати 0,08%, то гриби виростають деформованими, спостерігається згортання капелюшків, подовження ніжок, а то і повне припинення дозрівання.
Відповідний мікроклімат найпростіше забезпечити за допомогою автоматизованих систем. Скориставшись мережею датчиків і блоком управління можливо створити для організмів комфортні умови, зокрема, підібрати такий важливий параметр як необхідна концентрація СО2.
Грамотно налагоджена система вентиляції, яка забезпечує не тільки приплив, але і рециркуляцію повітря в приміщенні, де вирощують організми, – запорука урожаю. Моніторинг концентрації СО2 можливий тільки при використанні відповідних датчиків.
Проаналізувавши зібрану інформацію щодо вирощування грибів подальший напрям дослідження було направлено на пошук та аналіз математичної моделі теплиці для вирощування грибів (наприклад, глив). Для підтримання мікроклімату в теплиці необхідно створити інтелектуальну систему аналізу та коригування параметрів температури, вологості та вуглекислого газу. Базуючись на даних параметрах можливим є прогнозування врожайності теплиці.
Слід зазначити, що оскільки гриби є аеробними мікроорганізмами, то це передбачає виділення вуглекислого газу протягом їх розвитку (на відміну від поглинання останнього рослинами в процесі фотосинтезу). У грибних теплицях необхідно контролювати рівень СО2.
На сьогоднішній день існує безліч робіт, присвячених моделям мікроклімату теплиць. Ці моделі беруть за основу процесу вегетації фотосинтез. Відмінною особливістю грибних теплиць від традиційних (для вирощування інших культур) є сам процес вегетації, який відбувається з виділенням тепла, води і вуглекислого газу в повітря теплиці. У зв'язку з цим виникає необхідність переробки типових моделей мікроклімату теплиць, де в основі процесу вегетації взято фотосинтез.
Модель мікроклімату, запропонована в [2], була взята за основу для створення необхідного мікроклімату грибної теплиці. Потім потрібно було перетворити формули моделі мікроклімату, запропонованої в [3], для знаходження витрати теплоносія, витрати пара, та значення виділення вуглекислого газу. В результаті було отримано наступні вирази витрати теплоносія, витрати пара та значення виділення вуглекислого газу [1] :
За цими формулами можна обрахувати витрати для коректного регулювання приладів при підтриманні оптимального мікроклімату в теплиці.
Врожайність грибів у теплиці залежить від показників мікроклімату. Найголовнішими є температура, вологість та рівень вуглекислого газу, та й кожен параметр залежить один від одного. Якщо хоч один параметр відхиляється від норми, збільшується або зменшується, то це буде змінювати врожайність. Отже, необхідно контролювати параметри разом та постійно коригувати підігрівання, зволоження та циркуляцію повітря, бо вирощувані організми є дуже чутливі до відхилень мікроклімату від оптимальних значень, а це впливає на врожайність. Урожайність було розділено на піддіапазони (з граничними значеннями діапазону від 0 до 1): «погана» врожайність – [0; 0,25), врожайність «нижче середнього»– [0,25; 0,5), «середня» врожайність – [0,5; 0,75), врожайність «вище середнього» – [0,75; 1), «висока» врожайність – [1]. Звичайно, можна зробити іншу градацію, більш ретельну та з більшою кількістю піддіапазонів, але вважаємо дану градацію достатньою для контролю тепличних умов.
Максимальну врожайність, нормоване значення якої дорівнює одиниці (1), можна інтерпретувати наступним чином: при площі огороджень 100 м2 , кількості грибних блоків 500 за мінімальний час дозрівання урожаю глив, що дорівнює 2 місяці, можливо отримати максимальний вихід урожаю 1500 кг, тобто кожен грибний блок дає по 3 кг урожаю.
Висновки. Проаналізувавши інформацію щодо математичних моделей теплиць, створено модель, придатну для розрахунку витрати теплоносія, витрати пара, виділення вуглекислого газу. Визначено оптимальні умови мікроклімату теплиці: температури, вологості, вмісту вуглекислого газу, - знаючи їх, можливо прогнозувати врожайність.
Література:
1. Ю.Д. Васильєва, М.М. Морозова, Нейромережа для контролю параметрів мікроклімату теплиці. / Збірник праць XII Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Погляд у майбутнє приладобудування». К.: ПБФ, КПІ ім. Ігоря Сікорського, Центр учбової літератури. – 2019. – С. 429 – 432.
2. Пешко М.С., Раскрытая математическая модель микроклимата грибной теплицы. / «Молодой учёный» – Сентябрь, 2011. – №9 (32). – С. 42 – 48.
3. Кошкін Д.Л., Імітаційна модель системи керування параметрами мікроклімату грибної теплиці. / Праці ТДАТУ, 2015. – Вип. 15, Т. 2 – С. 230 – 236.
