«Выбирать книги для своего и чужого чтения – не только наука, но и искусство»
Библиотековед Н.А. Рубакин
Выпуск №5 (85) 2020 г.
ИЗВЕСТИЯ ОРЕНБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АГРАРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020
№ 5 (85)
Технические науки
УДК 631.1
Принципы создания и требования к информационным технологиям управления мелиоративным режимом агроэкосистем
И.Ф. Юрченко, д-р техн. наук
ФГБНУ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова
Успешность стратегического развития мирового агропромышленного комплекса в значительной мере связывается с автоматизацией и цифровизацией технологических процессов, обусловленных объёмами накопленной информации и достигнутым уровнем управления данными [1].
По оценкам J’son&Partners Consulting, автоматизация агротехнологий обеспечивает регулирование до 70 % параметров, влияющих на потерю урожая, и формирует ожидаемый экономический эффект в размере более 4,8 триллиона руб. за год (5,6 %) за счёт перехода сельских хозяйств на цифровые бизнес-модели и технологии Интернета вещей (IoT).
Согласно национальной программе «Цифровая экономика Российской Федерации» мероприятия по автоматизации технологий в экономике и социальной сфере становятся приоритетными в развитии России на период с 2018 до 2024 г. Это требует взвешенного подхода к стратегии их становления на очередном этапе технической и технологической эволюции производства.
Начало автоматизации отечественного сельского хозяйства и АПК было положено в 70-е годы XX в. разработкой Минсельхозом ССР автоматизированной системы управления (АСУ-Минсельхоз). Её функционирование способствовало решению учётных задач, процессу оптимизации размещения сельскохозяйственного производства и реализации транспортных задач на основе компьютерных технологий. В середине 1980-х гг. принимается связанная с появлением персональных компьютеров и портативных электронных датчиков Программа электронизации стран-членов СЭВ, полноценной реализации которой помешали распад СЭВ и Советского Союза. Развитие в 1990-е гг. Интернета и сетевых технологий инициировало информатизацию отраслей экономики на основе государственных геоинформационных систем (ГИС-технологий) по оказанию услуг населению и выполнению социально-правовых функций. Возможности указанных ГИС используются в объёме 1 – 2 %, а их поддержка и эксплуатация обходятся существенно дороже полученного результата [1, 2].
Грядущая цифровизация экономики во многом базируется на возможностях широкополосного Интернета и использовании смартфонов, кардинально изменяющих круг пользователей и обеспечивающих модернизацию способов передачи и приёма информации. К сожалению, приходится отмечать, что все предшествующие цифровизации этапы автоматизации производства и производственных процессов не оправдали возлагаемых на них надежд по прорывному совершенствованию управления отечественной экономикой и самой социально-экономической системы. Вместе с тем им присуща одна объединяющая черта – в целом задачи модернизации ориентировались на автоматизацию традиционных процессов управления, без совершенствования и трансформации его принципов, стратегии и моделей [2].
Анализ, осознание и учёт негативного опыта прошлых этапов автоматизации агропроизводства повышают актуальность реализации в составе мероприятий цифровизации новых экономических моделей и принципиально новых систем управления, которые появились или приобрели необходимую эффективность и прибыльность только после революционного изменения цифровых технологий.
Цель настоящего исследования – анализ и оценка применяющихся и формирование новых успешных задач цифровизации управления мелиоративным режимом агроэкосистем РФ, планирование в связи с этим необходимых мероприятий российского правительства и частно-государственного партнёрства, обеспечивающих эколого-экономическую эффективность отечественного АПК.
Материал и методы исследования. Нормативно-методическую основу исследования составляли правила и правовые документы, методические и аналитические материалы по развитию цифрового агропроизводства, труды отечественных и зарубежных учёных в части анализа и оценки значения цифровизации в АПК. Теория и методология НИР базировались на общенаучных методах и способах, включающих системный подход, сравнение, экспертную оценку, обобщение данных, анализ и синтез.
Результаты исследования. Ожидаемая высокая действенность цифровизации в АПК обусловлена спецификой агропроизводства, которая вызвана рядом факторов [3 – 5]:
– неопределённостью процессов управления из-за случайного характера изменчивости его параметров от участия в технологическом процессе живых организмов (растений, животных, людей);
– множественностью, высоким уровнем вариабельности и сложности автоматизируемых операций, процедур, процессов;
– широкой пространственной и временной распределённостью регулируемых параметров.
Теория и практика современного инновационного отечественного сельскохозяйственного производства рассматривает цифровизацию в качестве приоритетного инструментария решения ключевых задач [6,7]:
1) увеличение объёмов производства и повышение качества продуктов питания;
2) снижение удельных (на единицу производимой продукции) затрат труда, капитала, земли, воды и других материальных и природных ресурсов;
3) рост производительности;
4) повышение устойчивости и экологической безопасности агропроизводства;
5) минимизация участия человека в технологическом процессе.
По мнению специалистов, наибольшую действенность и распространение цифровизация мелиоративного комплекса АПК должна получить в таких направлениях, как [8 – 11]: оптимизация водопользования; формирование и точное регулирование мелиоративного режима; реализация целенаправленного и дифференцированного полива, внесения удобрений и других управляющих воздействий на точное регулирование мелиоративного режима; контроль, учёт, прогнозирование и/или программирование урожая; сохранение и воспроизводство почвенного плодородия; создание датчиков для измерения температуры и влажности почвы/воздуха/продукции, системы мониторинга сельскохозяйственной техники и персонала; агроскаутинг мелиорируемых агроценозов, учёт, управление сельскохозяйственным предприятием через мобильные устройства; аэрокосмические снимки, картографирование с беспилотных летающих аппаратов; разработка компьютерных приложений и облачных сервисов; ERP-системы: интеграция разрозненных данных в единой системе.
В качестве принципиально нового подхода к цифровизаии агропроизводства можно рассматривать формирование мобильных и стационарных робототехнических платформ, реализующих конкретные агротехнологии и необходимую инфраструктуру возделывания мелиорируемых агроценозов, обеспечивающих эколого-экономический эффект АПК. Концептуальная направленность мероприятий по созданию таких платформ, как минимум, включает [18 – 22]:
– разработку ГИС-мониторинга агропромышленного производства;
– создание инновационной, базирующейся на интеллектуальных технологиях и нейросетях системы поддержки решений сельхозтоваропроизводителей;
– разработку и создание умных роботизированных средств агропромышленного производства;
– всесторонние испытания и апробацию полученных результатов реализации вышеуказанных мероприятий в составе региональных агрокомплексов;
– подготовку кадров для становления и эксплуатации цифрового агропромышленного производства.
В соответствии с изменяющейся постановкой решаемых задач цифровизации предлагаются базовые требования к автоматизации управления агротехнологиями мелиорируемых земель, обеспечивающие:
– автоматическое управление объектом в обычном, предаварийном и аварийном периодах работы:
– оперативность за счёт централизованного сбора и обработки текущей информации с помощью контактных (наземных) и дистанционных средств и методов контроля и учёта мелиоративного режима агроэкосистем;
– разработку цифровых систем прецизионного регулирования водного, питательного, теплового, газового и др. мелиоративных режимов агроэкосистем, гарантирующих контроль и формирование почвенного плодородия, микробиологического состояния, потребности в ремидиации и т. п. показателей почв [4], при снижении вплоть до исключения участия человека в технологических процессах;
– внедрение точных технологий, основанных на автоматическом управлении процессами ухода за растениями и использовании технических средств точного позиционирования техники на поле с помощью навигационных и спутниковых систем и т. п. новаций [12 – 14];
– соответствие многоуровневой блочно-модульной структуры автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), допускающей её масштабирование и расширение функциональных возможностей, технологической структуре агросистемы [15 – 17];
– усиление роли аналитических методов в процедурах подготовки решений и реализации мероприятий по формированию мелиоративного режима;
– реализацию системы управления мелиоративным режимом в качестве единой системы, интегрирующей комплекс технических и программных средств для решения задач контроля и регулирования мелиоративного режима агроценозов, а также основного и вспомогательного оборудования, технологических процессов и инструментальных систем для цифрового управления гидромелиоративными системами;
– формирование информационного обеспечения автоматизированной технологии регулирования мелиоративного режима на основе баз данных (БД) и систем управления базами данных (СУБД), географических информационных систем (ГИС), моделей и инфраструктуры сред аналитического, статистического, имитационного, оптимизационного и т. п. моделирования;
– использование в качестве технологического обеспечения системы управления мелиоративным режимом фрагментов сетевой службы: Web-сервер, облачные хранилища данных и пр.;
– соответствие цифровых систем управления агромелиоративными процедурами и операциями действующим технологическим стандартам к облачным технологиям и технологиям больших данных (Big Data) [18 – 22];
– возможность коллективного использования автоматизированной системы каждым участником производственного процесса;
– формирование архитектуры АСУ ТП на основе технических средства для получения и передачи информации, характеризующей состояние объекта управления; устройств для автоматической обработки данных (регуляторы-контроллеры); исполнительных устройств, реализующих управляющие воздействия; организующих и транслирующих программ и других элементов программного обеспечения; систем хранения справочной, оперативной, технологической информации; технологий учёта и визуализации данных (экраны, табло и др. носители), состав и функции которых определяются целями АСУ ТП.
Безопасность функционирования автоматизированной системы управления мелиоративным режимом (АСУ ТПмр) обеспечивается на программном и технологическом уровне защитой от несанкционированного доступа, разрушения и/или использования накопленной информации, компьютерных вирусов, остановки и/или поломки в результате ошибки оператора.
Требования к надёжности определяются способностью автоматизированной системы выполнять запланированные функции как в штатном, так и в аварийном режимах, наличием дублирующих технологий функциональной структуры, средств для восстановления данных и др. возможностей. Критерий надёжности – объём потерь из-за отказов АСУ ТПмр в сравнении их с прогнозируемым объёмом в случае аварийных ситуаций.
Требования к эффективности автоматизированной системы устанавливают ограничения в части использования для своих собственных нужд её аппаратных ресурсов, большая часть которых должна оставаться в распоряжении пользователей, и к максимуму загруженности ресурса, исключающего несанкционированные простои.
Предсказуемость отклика системы в процессе её эксплуатации обеспечивается прозрачностью обслуживания на основе предыдущего опыта. Так, используя компьютерную программу, пользователь должен знать период ожидания результатов.
Чрезвычайно высокой остаётся роль оперативного персонала, требования к составу и взаимоотношению обязанностей которого формируются в составе организационного обеспечения автоматизированной системы управления мелиоративным режимом агроэкосистемы.
К реальным препятствиям развития цифровизации агропроизводства относятся: зависимость компонентной и приборной базы автоматизированных систем (более чем на 70 – 80 %) от импортного производства; отсутствие унифицированной единой программной платформы и протокола обмена для соответствующих программных и структурно-функциональных единиц автоматизированных систем; низкий уровень кадрового состава агропредприятий; трудности в обеспечении качественного (в части устойчивости) навигационного и сотового сигнала по всей территории РФ в связи с масштабами покрываемых территорий и разнообразием почвенно-климатических зон [1, 2].
Вместе с тем признание потенциала цифровизации российского АПК переходит на государственный уровень, свидетельством чего стала разработанная в 2018 г. программа «Цифровое сельское хозяйство», установившая приоритетные области применения новаций в агропроизводстве. Представляется правильным, что создание системы оптимального нормативного регулирования развития цифровизации и её применения прежде всего в сфере защиты данных, патентного права и им подобных сферах нормативно-правового регулирования должно стать задачей государства номер один. К важным факторам государственного стимулирования цифровизации относятся также целенаправленная поддержка предприятий, внедряющих инновации и ориентированных на практику исследований по развитию системы подготовки и повышения квалификации кадров; мероприятий по созданию действенной инфраструктуры данных.
Выводы. Разработку креативных систем управления агропроизводством на мелиорируемых землях следует ориентировать в первую очередь на контроль и учёт мелиоративной ситуации агроэкосистем в режиме онлайн, интеллектуальную обработку и анализ больших объёмов информации, формирование вариантов готовых решений и реализацию управляющих агромелиоративных воздействий, по большей мере без участия человека. Для эффективной работы службы эксплуатации АСУ ТПмр должна иметь гибкую и адаптивную структуру, возможность изменения алгоритмов работы, обладать дружественным веб-интерфейсом, ориентированным на персональный компьютер, планшет и смартфон, располагать развитой системой запросов, обеспечивать сортировку данных и диалоговый режим взаимодействия с пользователем. Кроме того, программное обеспечение должно обладать несколькими уровнями доступа для выполнения каждым специалистом непосредственно своей части работы.
№ 5 (85)
