Статья: Прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур: структура данных и методы искусственного интеллекта (2025)

Показали, что для предотвращения тенденции деградации горных лугов и пастбищ и снижения продуктивность горных кормовых угодий и их восстановления необходимо внесение минеральных удобрений. При этом выявлено отсутствие малогабаритной техники для обработки горных участков. (Цель исследования) Разработать малогабаритный лабораторный образец агрегата для внесения минеральных удобрений на поверхность горных склонов, где расположены естественные травостои залежных кормовых угодий. (Материалы и методы) Обосновали технологию и создали лабораторный образец агрегата. Техническая экспертиза и испытания агрегата и технологии проведены в горной зоне Республики Северная Осетия – Алания (Даргавская котловина). Составлено техническое задание на разработку образца агрегата. (Результаты и обсуждение) Предметом исследований являлись технология высева гранулированных удобрений на поверхность и в щели, нарезаемые поперек горных склонов, нормы и способ внесения удобрений с помощью малогабаритного агрегата. Разработана конструкция агрегата с маятниковыми высевающими аппаратами. Изготовлен малогабаритный лабораторный образец для поверхностного внесения минеральных удобрений. Определены функциональные показатели работы агрегата. Подтверждено, что лабораторный образец агрегата соответствует агротехническим требованиям и техническому заданию. Выявили, что при применении агрегата повышаются производительность труда и продуктивность горных кормовых угодий на 15–20 процентов. (Выводы) Применение малогабаритного агрегата обес­печивает снижение деградационных процессов на склоновых участках путем ускоренного восстановления качества и количества многолетних трав залежных кормовых угодий. Урожай зеленой массы на различных высотных поясах и экспозициях склонов увеличился соответственно: в лугостепном на 205,8; в субальпийском – на 95,3; альпийском – на 57,3 центнера с гектара. Признана целесообразность совершенствования и применения опытного образца на мелкоконтурных горных залежных участках с уклоном до 13 градусов.

Показали, что сохранение и повышение плодородия почв сельскохозяйственных угодий остается одной из важнейших народнохозяйственных проблем. В почвозащитной системе земледелия безотвальная обработка почвы играет определяющую роль в предупреждении развития ветровой и водной эрозии, в процессах регулирования ее физических, химических и биологических свойств, способствует более полному использованию почвенных и климатических ресурсов для получения более высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур. (Цель исследования) Разработка автоматизированной почвообрабатывающей машины для послойной обработки высокотурбулентной воздушной струей, повышающей плодородие почвы и снижающей тяговое сопротивление агрегата. (Материалы и методы) Разработана конструкция автоматизированной почвообрабатывающей машины для послойной обработки почвы высокотурбулентной воздушной струей, при которой по команде системы управления срабатывают пневмоэлектроклапаны и подается сжатый воздух в рабочие органы. Конструкция машины содержит: игольчатые прикатывающие катки с длиной иглы до 10 см, дисковые фрезы с глубиной обработки под корнеплоды – 15-20 и под зерновые – 8-12 сантиметров. Рабочие органы выполнены в виде двух дугообразных ножей и установлены друг за другом с интервалом 15-20 см, при этом передний нож установлен на глубину обработки 10-12, задний на 10-12 сантиметров ниже, (Результаты и обсуждение) Установили, что рассматриваемая конструкция автоматизированной почвообрабатывающей машины позволит импульсными ударами сжатого воздуха, без разрушения структуры почвы, увеличить производительность и обеспечить возможность проводить как сплошную обработку, так и рядовую с улучшением качественных показателей, сократив расход горючего. (Выводы) Разработка конструкции автоматизированной почвообрабатывающей машины для послойной обработки высокотурбулентной воздушной струей создает возможность для сохранения и повышения плодородия почвы.

Отметили актуальность задачи повышения продуктивности полевых угодий. Получение сбалансированной кормовой массы зависит от выбора сельскохозяйственной культуры, способа и качества посева. (Цель исследования) Определить значимые факторы степень их влияния на конструктивные параметры и режимы работы высевающего аппарата. (Материалы и методы) Использовалась сеялка СН-16 с модернизированным бункером для выполнения операции мозаичного посева. При планировании эксперимента за значимые факторы принимались скорость движения ленты, посевная культура, форма бункера. Под откликом подразумевались отклонение от заданной координаты посева и показатели качества работы. Была подготовлена план-матрица полного факторного эксперимента. (Результаты и обсуждение)Проведена серия опытов на лабораторной установке и по их результатам планировалось полевое исследование с применением сеялки СН-16 с модернизированным бункером. Качество операции оценивалось по глубине посева культур, отклонению от средней линии и количеству растений на единицу площади. Эти показатели различались на разных участках экспериментального поля. Качество посева в основном соответствовало установленным требованиям. Отклонение средней глубины от заданной для зерновых не превышало 15 процентов, а для мелкосеменных культур в большинстве случаев отклонение составило 5 процентов. Отклонение от заданной глубины объясняется прежде всего различным рельефом опытных делянок. Полевая всхожесть определялась как доля взошедших растений от числа высеянных семян и составила 90 процентов.(Выводы) Использование сеялки СН-16 с модернизированным бункером под мозаичный посев является перспективным. Качество возделывания исследуемых культур можно считать удовлетворительным.

Точное земледелие значительно развивается в последние годы благодаря достижениям в области роботизации и автоматизации. В научной статье разработали автоматизированный сельскохозяйственный машинно-тракторный агрегат (МТА) путем использования универсальных мехатронных модулей систем его управления для скашивания трав. (Цель исследования) Разработать функционально-технологическую схему автоматизированного МТА и универсальные мехатронные модули, устанавливаемые на механические органы управления оператора, для автоматического выполнения технологического процесса скашивания трав. (Материалы и методы) Разработана функционально-технологическая схема МТА. Машинно-тракторный агрегат состоит из системы дистанционного управления, трактора, системы контроля и управления доступом (СКУД) к МТА и технологической машины. Описана методика автоматического управления МТА на агроландшафте. Выполнено теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров универсальных мехатронных модулей для управления сцеплением и тормозной системой. Проведен расчет механизма мехатронного модуля и определены: передаточное отношение винтовой передачи, ход винта и скорость перемещения гайки. Установлена зависимость изменения скорости хода педали (угла перемещения педали) от скорости перемещения гайки мехатронного модуля воздействия. Разработано программное обеспечение на языке программирования для контроллера управления универсальными мехатронными модулями. (Результаты и обсуждение) Дистанционным способом, используя пульт оператора, реализовали автоматическое управление МТА, в составе колесного трактора ЛТЗ-120Б + роторной косилки КРН-2,4, на агроландшафте. Провели полевое тестирование взаимодействия программы с аппаратной частью универсальных мехатронных модулей систем управления МТА. Сравнительные экспериментальные исследования с оператором и в автоматическом режиме (с применением мехатронных приводов) проведены при выполнении операции кошения травы машинно-тракторным агрегатом при прямолинейном движении. (Выводы) Предварительные исследования автоматизированного сельскохозяйственного машинно-тракторного агрегата показали, что значения эксплуатационных показателей при работе с косилкой находятся в допустимых пределах, например производительность за 1 час основного времени составила 3,56 гектара, рабочая скорость движения – 10±0,3 км/ч, а высота среза трав – 8±1 сантиметров.

Разработка новых износостойких твердосплавных композиций для наплавочного упрочнения изделий, эксплуатируемых в жестко абразивных средах, в частности почве, является одним из эффективных направлений борьбы с абразивным износом и его последствиями. Серийно выпускаемые железоуглеродистые твердые сплавы имеют невысокие характеристики сопротивления абразивному изнашиванию. (Цель исследования) Разработка новых твердых сплавов на основе высоколегированных чугунов, обеспечивающих повышение износостойкости и эффективности применения упрочняющих наплавочных покрытий на быстроизнашиваемые детали почвообрабатывающей техники. (Материалы и методы) Априорный анализ показал, что увеличенное содержание бора повышает, как правило, сопротивляемость сталей и твердых сплавов абразивному изнашиванию. Отмечена сложность и недостаточная изученность влияния легирования бором, в частности железоуглеродистых твердых сплавов. По результатам предшествующих исследований приведены рекомендуемые граничные пределы содержания бора в сплавах – 0,5-6,0 процента. Отмечены особенности влияния легирования бором в сочетании с содержанием в сплавах марганца и никеля. Методы исследований состояли в проведении и оценке результатов сравнительных лабораторных и эксплуатационно-полевых ресурсных испытаний образцов и полнокомплектных изделий с нанесенными различными видами твердосплавных покрытий. (Результаты и обсуждение) Исследованы четыре новые вида борсодержащих твердых сплавов. Проведены их сравнительные лабораторные и эксплуатационные испытания. Лучший из разработанных твердых сплавов, с условным обозначением ПР-ФБ3Х, имеет при наплавочном нанесении до 1,6 раз более высокий коэффициент относительной износостойкости в сравнении с лучшим из серийных сплавов ПГ-ФБХ-6-2. Разработанные сплавы в ряде случаев могут быть экономически эффективными заменителями композиций серийных твердых сплавов с добавками дорогостоящего литого карбида вольфрама. (Выводы) В результате проведенных исследований и практических работ созданы новые сплавы ПР-ФБЗХ и ПР-ФБ2,5Х, отличающиеся, прежде всего повышенным (до 3,2 процента) содержанием бора, имеющие высокую противоизносную характеристику. Данные сплавы возможно использовать как качественные, экономически эффективные заменители серийных железоуглеродистых сплавов с добавками литого карбида вольфрама (WC).

Точная, своевременная и неинвазивная диагностика болезней имеет важное значение в промышленном производстве земляники, так как позволяет минимизировать потери урожая и снизить затраты на обработку растений. Благодаря развитию беспилотных летательных аппаратов и сенсорных технологий дистанционное зондирование становится перспективным способом мониторинга болезней сельскохозяйственных культур. Оперативное выявление заболевания на ранних стадиях особенно важно для таких чувствительных культур, как земляника садовая. (Цель исследования) Анализ возможности обнаружения грибковых болезней земляники садовой в полевых условиях с применением мультиспектральных сенсоров и беспилотных летательных аппаратов. (Материалы и методы) В коллекционном питомнике СибФТИ СФНЦА РАН была выполнена аэрофотосъемка растений земляники, пораженных белой пятнистостью. Мультиспектральная камера была установлена на квадрокоптере DJI Phantom4 Multispectral. Полученные данные прошли предварительную обработку, включая построение ортофотоплана и извлечение спектральных и текстурных характеристик изображений. (Результаты и обсуждение) На основе анализа мультиспектральных данных выделены наборы информативных признаков для дифференциации здоровых и пораженных грибками растений. Методом случайного леса (Random Forest) построена модель для обнаружения болезней земляники с точностью классификации 77 процентов. (Выводы) Для повышения точности классификации необходимы дополнительные исследования с применением сенсоров, обладающих более высоким пространственным разрешением. Также перспективным направлением является разработка классификационных моделей на основе сверточных нейронных сетей, которые могут улучшить результаты за счет более глубокого анализа изображений. Полученные результаты подтверждают потенциал использования БПЛА и мультиспектральных технологий для мониторинга заболеваний сельскохозяйственных культур.

Современная экономическая и экологическая обстановка в мире, опустынивание, деградация земель, изменения климата и экосистем приводят к необходимости принятия мер в области устойчивого землепользования. Несмотря на ряд преимуществ пастбищного животноводства, при свободном выпасе возникают трудоемкие задачи поиска, слежения, контроля за состоянием поголовья, риск потери скота в условиях дикой природы, а также учет давления на пастбища. (Цель исследования) Разработка инфраструктуры цифрового пастбища в виде универсальной и целостной системы с автономным энерго- и водоснабжением для автоматизации вспомогательных процессов. (Материалы и методы) Изучены методы по повышению эффективности пастбищ. Выявлено, что существующие технологии направлены на решение одной задачи, например водообеспечения, ротации пастбищных угодий, мониторинга и т. п., однако нет единой методики, которая охватывает всю систему пастбищной инфраструктуры с учетом взаимодействия ее элементов. (Результаты и обсуждение) Предложена концепция цифрового пастбища на основе источников возобновляемой энергетики. Разработана схема инфраструктуры пастбищного и отгонного животноводства. Сформированы отдельные блоки инфраструктуры: связь, мониторинг, водоснабжение, электрификация, транспорт, головной диспетчерский пункт, блок подкормки. Сконструированы и запатентованы индивидуальные попоны с датчиками состояния животного, пост мониторинга, ветроэнергетическая станция, экстрактор воды из воздуха. На практике опробован в Астраханской области пост мониторинга, включающий учет, контроль, мониторинг и блок связи на базе возобновляемой энергии. Испытаны в Ярославской области индивидуальные попоны с датчиками мониторинга состояния животного на опытном поголовье телят. Проведены испытания в натурных условиях экстрактора атмосферной влаги. В южных регионах и Московской области проводятся испытания многоагрегатного ветроэнергетического комплекса, предназначенного для регионов с низким ветровым потенциалом. (Выводы) Модульность предлагаемой системы позволяет применить различные наборы технологий и функций блоков в зависимости от специфики производства. Необходимость создания и внедрения цифровой интеллектуальной системы для инфраструктуры пастбищного и отгонного животноводства, функционирующей на основе цифровых, природосберегающих и природоподобных технологий, в настоящее время актуальна и нова.

Предложен новый метод реконструкции для восстановления потерянных областей на картах глубины для повышения точности автономной навигации сельскохозяйственных РТК. (Цель исследованая) Разработка метода, который устраняет потери данных на картах глубины, улучшая тем самым работу системы одновременной локализации и картографирования (SLAM). (Материалы и методы) Оригинальный метод реконструкции карт глубины включает: вычисление анизотропного градиента; поиск аналогичных блоков на основании нового критерия; объединение найденных блоков с помощью нейросетевой архитектуры, состоящей из кодировщика, слоя слияния и декодера. Метод протестирован на наборе данных Rosario, в том числе со сложными сценариями сельского хозяйства. (Результаты и обсуждение) Реконструкция карт глубины показала значительное улучшение качества: средняя ошибка (RMSE) пикового отношения сигнала к шуму (PSNR) и индекса структурного сходства (SSIM) уменьшилась на 20−30% по сравнению с существующими методами. Показано, что предлагаемый метод сохраняет структуру и текстуру восстановленных областей, обеспечивая точную реконструкцию крупных зон с отсутствующими пикселями. Чтобы сравнить производительность SLAM, была выбрана S-MSCKF. Количественные результаты абсолютной ошибки траектории (ATE) и среднее значение RMSE оценены с помощью SLAM до и после восстановления карт глубины. Абсолютная ошибка траектории (ATE) снизилась с 0,62 до 0,25 метра, а RMSE – с 0,85 до 0,39 метра. (Выводы) Предлагаемый метод значительно повышает точность работы сис­тем SLAM, особенно в условиях сложных сельских ландшафтов, изменчивого освещения и длительных перемещений. Отмечен потенциал для широкого внедрения метода в системах автономного управления сельскохозяйственной техникой при увеличении надежности и безопасности эксплуатации роботов.

Технология возделывания гибридных семян подсолнечника формализована в виде биотехнической динамической системы «оператор-машина-среда». Эффективность ее функционирования зависит от различных факторов, основными из них являются квалификация операторов-машинистов, технический уровень машин, производственная и внешняя среда. (Цель исследования) Повышение эффективности технологий производства гибридных семян подсолнечника за счет разработки и обоснования безопасных научно-технических решений. (Материалы и методы) Установили, что указанная система является вероятностной и ее состояние можно описать моделью. В качестве аргументов функции выбраны факторы, которые формируют обстоятельства, оказывающие на систему позитивное, нейтральное и негативное воздействия. Констатировали, что для организации оптимального функционирования системы необходима рациональная дифференциация энергетических, материальных и информационных потоков по подсистемам и целесообразная увязка их между собой. (Результаты и обсуждение) Доказали, что достижение поставленной цели обеспечивается реализацией главных системотехнических задач: анализа – выбор основных параметров биотехнической системы, характеристик внешней среды, изменяющихся случайным (в вероятностно-статистическом смысле) образом; синтеза – обоснованием оптимальной схемы управления системой. (Выводы) Технологическая надежность биотехнической системы как качественная мера характеризует приспособленность ее к выполнению предписанных функций с учетом технико-экономических показателей, эколого-эргономических требований и временного аспекта. Эргономические требования к выбору структуры и обоснованию параметров системы должны учитывать травмоопасные факторы, влияющие на безопасность технологий производства гибридных семян подсолнечника. Пересечение во времени и пространстве обстоятельств предтравматической ситуации и опасного действия операторов приводит к травмам, появление которых характеризуется как функция. Предложен комплексный показатель – критерий травмоопасности, являющийся функцией травмирующих факторов: запыленности рабочей зоны; температуры окружающей среды; технического уровня машинно-тракторного агрегата. Разработана модель прогноза числа пострадавших операторов и обоснованы направления профилактики травматизма при возделывании гибридных семян подсолнечника. Агротехнологическое приложение разработанной модели позволяет обеспечивать снижение травматизма на 12-15 процентов, а в перспективе перейти на безопасные технологии возделывания гибридных семян подсолнечника.

Современное производство требует внедрения автоматизированных систем управления для повышения эффективности, точности и безопасности технологических процессов. В аграрных отраслях к сложным технологиям относится переработка или утилизация органических отходов путем биотрансформации или деградации. Эти процессы проходят в несколько фаз, и каждая требует различных режимов. Для повышения их эффективности необходима автоматизированная система, позволяющая контролировать процесс биотермической реакции и управлять режимами работы биоферментатора в зависимости от фазы переработки органических отходов. (Цель исследования) Разработать автоматизированную систему управления биоферментатором барабанного типа. (Материалы и методы) Исследования проведены на экспериментальном биоферментаторе барабанного типа в условиях аэрации перерабатываемой органической массы. Автоматизированная система управления работы ферментатора построена по трехуровневой структуре: верхний уровень (сервер и автоматизированное рабочее место оператора), средний уровень (программируемый логический контроллер) и нижний уровень (датчики и исполнительные механизмы). Для измерения температуры в биореакторе используются датчики термосопротивления, размещенные в погружных гильзах. Расход воздуха рассчитывается на основе показаний датчиков перепада давления. Частота вращения барабана определяется с помощью оптического бесконтактного датчика. (Результаты и обсуждение) Предлагаемая система управления обеспечивает автоматизированный контроль параметров процесса переработки и управление режимами биоферментатора. Система успешно прошла испытания, корректно отображая температуру смеси, расхода воздуха на аэрацию и вращение барабана. АСУ позволяет оперативно изменять режимы и определять оптимальные параметры переработки органических отходов. (Выводы) Автоматизированная система управления процессом переработки органических отходов в биоферментаторе барабанного типа обеспечивает мониторинг параметров, что позволит определить оптимальные режимы работы и алгоритмы их корректировки для различных типов органических смесей и получить качественный конечный продукт.