Введение к работе
Актуальность проблемы контроля состояния и управления процессами жизнедеятельности пчелиньж семей обусловлена значительными трудозатратами в работе с пчёлами обычными методами пчеловождения, сокращением сельского населения. Человечество всё стремительней использует достижения науки и техники для уменьшения трудозатрат при производстве продуктов питания. Вокруг крупных населённьж пунктов сосредоточено большое количество дачных посёлков, где можно держать пчёл.
Пчёлы важны не только тем, что от них получают ценный диетический продукт мёд и сырьё для фармацевтической промышленности (прополис, маточное молочко, яд, цветочную пыльцу и др.), но и они являются основными опылителями энтомофильных культур. Без пчёл невозможно получение высоких урожаев плодово-ягодных, кормовьж и многих технических культур.
В настоящее время применяются следующие технологии пчеловодства. Первая из них основана на использовании получения знаний биологии пчел, высокого профессионализма и требует, больших затрат труда пчеловода и времени. Другой технологический подход связан с дачным пчеловодством -пчеловодом выходного дня. Этим занимаются горожане, которые имеют пчёл в деревнях и занятие с ними совмещают с основной работой.
Перспективным в пчеловодстве является развитие технологий, осуществляемых на использовании технических средств контроля и управления жизнедеятельностью пчелиньж семей. Современная актуальность такого подхода особенно высока в хозяйствах, имеющих большое количество пчелиньж семей.
Электронно-вычислительная техника проникла во все сферы нашей жизни. Многие отрасли производства немыслимы без её применения. Пчеловодство также постепенно оснащается электронно-техническими средствами и электронно-вычислительной техникой. Это вызвано стремительным развитием электроники и урбанизацией, выражающейся в интенсивном переселении людей из сельской местности в города или крупные населённые пункты. Тенденция по сокращению сельского населения, очевидно, продолжится. Поэтому многие пчеловоды будут жить в городах. Фермеры, которые хотят заниматься пчёлами, приходят к выводу, что 60-100 пчелосемей содержать экономически невыгодно из-за высокой трудоёмкости и низкой рентабельности. В то же время пчеловодам, имеющим 1500-2000 пчелосемей, невыгодно привлекать большое количество обслуживающего персонала. Поэтому в технологии пчеловождения в этом случае без внедрения дистанционного автоматизированного контроля и управления не обойтись.
Для развития этих технологий необходимо решение вопросов контроля распределения тепловых полей в улье, т.к. по этой информации дистанционно можно судить о физиологическом состоянии пчелиньж семей. Это сопряжено с необходимостью обработки большого объёма информации, поэтому потребуется компьютеризация пасек, Прнмрнрнир компьютеров в пчеловодстве позволит решить задачу не только o6p|6WK& МАфЯрЮШЬНЯЯ И автоматизации управления технологией содержаниям разМЯІЯІИРТОІМі При разработке спе-
анализированных электронных средств для пчеловодов при получении информации о пчелосемьях целесообразно максимально использовать также уже известные методы и средства измерения.
Резкое удешевление вычислительной техники, возрастающая компьютерная грамотность населения позволяет применить компьютер и на пасеке, что даст возможность контролировать и управлять жизнедеятельностью пчелиных семей. В то же время отсутствие методов непосредственного контроля, за жизнедеятельностью пчелиных семей с помощью средств вычислительной техники ограничивало её использование на пасеке.
В связи с изложенным, актуальным является разработка методов и средств контроля за состояниями пчелиных семей посредством анализа распределения тепловых полей, акустических сигналов генерируемых пчёлами, и контроля количества мёда. Это возможно благодаря наличию связей между указанными физическими явлениями и содержанием пчёл (Е.К. Еськов, 1979, 1992,1995 г.г.).
Диссертация является составной частью межрегиональной программы «Автоматизация содержания пчелиных семей с применением средств вычислительной техники» Центрального Черноземья на 1997-1999 годы (Регистр. № 1403).
Цель диссертационной работы. Разработка основ теории, методов и средств автоматизации дистанционного контроля и управления жизнедеятельностью пчелиных семей.
Задачи исследования:
научное обоснование и разработка новых методов контроля состояний пчелиных семей по распределению тепловых полей, по структуре генерируемых ими звуков, контролю количества мёда, анализу тепловыделения пчёл в период зимовки;
разработка методов обработки информации о состояниях пчелиных семей;
разработка способов идентификации информативных спектральных составляющих акустического сигнала пчелиных семей;
- разработка методов математической обработки для анализа кодовых сообщений, выдаваемых акустическим шумом пчелиной семьи;
- разработка средств и систем автоматизированного контроля и управления
жизнедеятельностью пчелиных семей.
Методы исследования.
В работе использованы аналитические, численные и экспериментальные методы исследования. Основной базой исследований акустического шума пчелиной семьи является теория статистической обработки случайных сигналов. При проведении работы использовались как специальные, так и общеизвестные мет ды познания. К специальным отнесены методы расчета спектров, фильтров, метод распознавания состояний пчелиных семей, а также программное обеспечение для оценки точности вычисления распределения теплового поля с температурными датчиками различного типа и для определения температур узлов термопарной сетки. При проведении исследований по контролю за состояниями пчелиных семей, по распределению теплового поля
применялась математическая модель матричной термопарной сетки. Для реализации этой математической модели на ПЭВМ применялся численный метод решения алгебраических уравнений, метод вариационного исчисления, метод спектрального анализа, метод распознавания отдельных состояний пчелиньж семей и оцифровки графических изображений. Решение конкретных задач осуществлялось на ПЭВМ с использованием специального программного обеспечения, в том числе разработанного автором. Проверка адекватности полученных теоретических и экспериментальньж результатов осуществлялась с помощью современных средств измерительной техники и разработанных устройств для контроля состояний пчелиньж семей по распределению теплового поля в улье, по тепловыделению пчелиной семьёй в пассивный период и анализа акустического шума пчелиньж семей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработаны методы определения состояний пчелиной семьи путём контроля распределения теплового поля, тепловыделения в пассивный период, анализа акустического шума, контроля количества мёда;
проведены качественные и количественные расчёты эффективности предложенных методов анализа состояний пчелиной семьи;
обоснованы перспективы использования полученных показателей измерения для дистанционной передачи и обеспечения управляющих воздействий на пчелиные семьи;
- разработаны механизмы принятия корректирующих решений на базе
полученной информации по распределению тепловых полей, анализу акусти
ческого шума, оценке количества мёда;
идентифицированы состояния развития пчелиной семьи, соответствующие распределению тепловых полей, динамическому «акустическому портрету», вероятностным характеристикам структуры образов спектров;
обоснована возможность дистанционного контроля количества мёда емкостным методом;
разработан метод исследования акустических шумов пчелиньж семей путём анализа структуры их образов спектров;
показана возможность контроля состояний пчелиньж семей путём визуализации её «акустического портрета», определения состояния пчелиной семьи путём перемножения перестановок, определения количества информации, соответствующего их состоянию;
разработан алгоритм распознавания состояний пчелиньж семей по их акустическому шуму;
разработаны автоматизированные системы для круглогодичного контроля и управления жизнедеятельностью пчелиньж семей;
разработан алгоритм для круглогодичного управления микроклиматом в улье;
теоретически обоснованы точностные параметры предлагаемых методов и аппаратньж средств.
Практическая ценность работы.
Разработанные математические модели контроля распределения теплового поля на плоскости пчелиной рамки с использованием термопарной сетки
и микроклимата пчелиной семьи реализованы в виде алгоритмов и программ для ПЭВМ, что позволяет дистанционно контролировать стадии развития пчелиных семей, принимать корректирующие решения и, в частности, оптимизировать микроклимат улья на всех стадиях развития пчелиных семей при разных климатических условиях.
Разработаны и апробированы устройства для контроля распределения теплового поля в улье с пчёлами, причём технические решения выполнены так, что в улье нет проводов, что не мешает работать с пчёлами обычными методами.
Предложена и изготовлена автоматизированная система, которая при необходимости может использоваться в различные периоды годового цикла жизни пчелиной семьи.
Разработан и апробирован автономный анализатор состояния пчелиных семей по их акустическому шуму.
Разработан алгоритм распознавания состояний пчелиных семей по структуре акустического сигнала пчелиных семей.
Предложен способ и разработан прибор для контроля количества мёда круглый год, основанный на применении емкостного датчика.
Разработан способ оценки информативности спектральных составляющих акустических сигналов пчелиной семьи.
Созданы устройства и автоматизированные системы для контроля и управления процессами жизнедеятельности пчелиных семей.
Предложены технические решения по автоматизированному управлению микроклиматом пчелиных семей круглый год.
Реализация научно-технических результатов. Результаты работы по контролю распределения теплового поля в ульях и контролю состояний пчелиных семей по акустическому шуму апробированы на пасеках Курской области. Прибор для воздействия переменным электрическим полем и система электроподогрева применяется на пасеках России. Создан и выставлен сайт «В мире пчёл, http:/Av\vw.Beeland.ru/foibeekcepeis/fo±ieekecpeis8 0 9-htm». на котором представлены работы научно-технической лаборатории Курского государственного технического университета по созданию технических новинок для пчеловодов. Разработанные методы, устройства и программы для ПЭВМ используются в учебном процессе при выполнении выпускных работ бакалавров, инженерных дипломных проектов и магистерских диссертаций в Курском государственном техническом университете при подготовке инженеров-конструкторов электронно-вычислительных средств.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты исследований, доложены на научных конференциях в Московском институте электронной техники (1999г.); на 2-й Международной научно-практической конференции "Экология и охрана пчелиных" (Саранск, 1998 г.); на 3-ей Международной научно-практической конференции "Экология и охрана пчелиных" (Москва, 1999г.); на 3-й Международной научно-практической конференции «Экология и охрана пчелиных» (Москва, ВВЦ, 2000 г.); на 2-ой Международной научно-практической конференции «ИН-ТЕРМЁД - 2001» (Выставочный комплекс «Экспострой на Нахимовском»,
Москва, 2001 г.); на координационном совещании и конференции, "Новое в науке и практике пчеловодства" (Москва, ВВЦ, 2002 г.); на 3-й Международной научно-практической конференции «ИНТЕРМЁД - 2002» (Выставочный комплекс «Экспострой на Нахимовском», Москва, 2002 г.); на 2-ой Международной научно-практической конференции "Апитерапия сегодня - с биологической аптекой пчёл в XXI век" (Уфа, 2000 г.); на координационном совещании и конференции "Итоги и проблемы НИР в пчеловодстве" (Москва, ВВЦ, 2001 г.); на 5-й Международной научно- практической конференции '"Распознавание - 2001" ("Оптико - электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации", Курск, 2001 г.); на 2-й Международной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в животноводстве России - ресурсосберегающие технологии производства экологически безопасной продукции животноводства" (Москва, 2003 г.); на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2003 г.); на 2-й Всероссийской научно-практической конференции "Состояние и перспективы развития пчеловодства на Севере-Западе России" (Москва, 2003 г.).
Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликованы 44 научные работы, получено 35 патентов, выдано 4 положительных решения, издано две монографии: «Электроподогрев пчелиных семей» (1999, 2001, 2002), «Компьютерные системы в пчеловодстве» (2001, 2004). На Всероссийских выставках работы отмечены 3-мя благодарственными письмами, 4-мя дипломами, бронзовой медалью «Лучшее изделие». Дипломом награждена книга «Компьютерные системы в пчеловодстве». Результаты работ также отмечены дипломом первой степени (Саранск, 1998 г.), нагрудным знаком «УЧАСТНИК ВВЦ (Москва, 2001 г.), Золотой медалью «Лауреат ВВЦ» (Москва, 2003 г.), Дипломом «За вклад в развитие пчеловодства» (г. Балашиха Московской области, 2004 г.).
На защиту выносятся:
-
Математическая модель распределения теплового поля на плоскости пчелиной рамки с использованием термопарной сетки.
-
Алгоритмы функционирования систем контроля и управления жизнедеятельностью пчелиных семей.
-
Алгоритмы распознавания состояний пчелиных систем путём анализа их акустического шума.
-
Методы и технические средства контроля за состояниями пчелиных семей по анализу их акустического шума.
-
Методы и технические средства контроля количества мёда.
-
Технические и технологические решения по круглогодичному подогреву пчелиных семей.
-
Технические средства управления микроклиматом и изменения состояния пчелиной семьи путём воздействия переменным электрическим полем. Структура и объём. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы включающего 270 наименований и приложения, изложена на 438 страницах (без приложения), и поясняется 142 рисунками и 277 таблицами, приложение на 197 страницах.
