Актуальность использования интеллектуальных систем управления динамическими процессами смешивания компонентов сыпучего тела в устройствах для предпосевной обработки семян

Введение. Перед отечественными сельхозпроизводителями Президентом и Правительством Российской Федерации поставлена задача: наращивать темпы производства зерновых и зернобобовых культур и обеспечить продовольственную безопасность России. Для решения такой стратегической задачи в стране важны и технология возделывания культур, и применение минеральных удобрений и средств защиты растений. Но на первом месте стоит использование сорта, адаптированного к данной климатической зоне. Еще в 1933 году эту задачу обозначил академик П.Н. Константинов, который обратил внимание на первостепенную значимость подбора сорта для реальных условий возделывания сельскохозяйственных культур. Без совершенствования производства семян элиты и суперэлиты невозможно решить поставленные задачи.

Суперэлитными и элитными считаются семена сельскохозяйственных культур, выращенные с применением специальных селекционных семеноводческих и агротехнических методов, позволяющих сохранить в потомстве все наследственные признаки и свойства сорта, которые отвечают требованиям государственных стандартов на сортовые и посевные качества семян. Их производство осуществляется научноисследовательскими учреждениями и сельскохозяйственными вузами. Методика производства различается в зависимости от условий зоны выращивания, вида и сорта сельскохозяйственной культуры. Но во всех случаях при производстве семян предпосевная обработка является обязательным агроприёмом защиты семян от вредителей и болезней [1, 2].

Предпосевная обработка направлена на повышение энергии прорастания семян и их всхожесть, усиление процесса корнеобразования, улучшение естественного иммунитета и повышение урожайности сельскохозяйственных культур [3].

Семя - носитель биологических и физических свойств растения, первое звено в цепи, ведущей к желаемому урожаю. Селекционерам приходится выполнять ряд очень сложных и трудоемких операций для улучшения качественных характеристик культуры. Предпосевную обработку проводят с целью повышения всхожести и энергии прорастания семян, сохранения биологических преимуществ сорта или гибрида и обеззараживания от фитопатогенной инфекции. Все существующие виды предпосевной обработки семян можно условно разделить на три вида: физические, химические и биологические. Большинство существующих способов предпосевной обработки предназначены для стимулирования развития растений, но лишь некоторые способы предпосевной обработки семян защищают семена от инфекций и болезней. Инфекции способны снизить урожай, а в годы чрезмерной активности вредителей могут уничтожить урожай полностью. Экономический ущерб от инфекций огромен. Пораженные семена нельзя использовать ни для продовольственных, ни для фуражных нужд [4]. Использование необработанных семян снижает урожай всех сельскохозяйственных культур. Бесспорно, что обработанные семена использовать экономически целесообразнее, надежнее и экологически безопаснее, чем применять многократные опрыскивания посевов контактными или системными инсектицидами [5]. Наиболее популярными способами предпосевной обработки семян являются химическая и биологическая обработка - протравливание и биоинкрустация. Эти способы защищают семена не только от наружных вредителей и болезней, но и внутренних инфекций [5, 6, 7].

Результаты исследований и их обсуждение. Основные критерии правильного выбора препарата, по оценкам специалистов [6, 7], представлены на рисунке 1.

При проведении предпосевной обработки учитывают результаты фитопатологической экспертизы семян, место севооборота, степень устойчивости сорта к заболеваниям и фитосанитарные условия на поле в год посева [8].

Для принятия правильного решения о необходимости проведения предпосевной обработки и выбо ре нужного препарата служит фитоэкспертиза. Фитоэкспертизу семян проводят в специализированных центрах, оснащенных самым современными приборами и оборудованием для выполнения всех необходимых исследований [9].

К несомненным преимуществам протравливания относится то, что семена обрабатывают препаратами-протравителями перед посевом или за несколько месяцев до посева, что позволяет исключить наличие действующих веществ протравителей в собираемом урожае. Установлено, что «...значительная часть урожая уничтожается вредителями и погибает вследствие болезней как на поле, так и в хранилищах. Иногда потери достигают половины урожая (в бывшем СССР -до 30-40%, в США - 33%). Одно из основных направлений борьбы с вредителями сельского хозяйства (насекомыми, грызунами, грибками, сорняками и пр.) - это применение химических веществ, называемых пестицидами» [10].

Рисунок 1 - Критерии предпосевной обработки

Известно, что предпосевная обработка на 510% увеличивает энергию прорастания семян, способствует повышению устойчивости растений к неблагоприятным погодным условиям [11].

Даже такое сравнительно недорогое мероприятие (порядка 200-300 руб./га), как протравливание против головневых инфекций и корневых гнилей, приводит к дополнительной экономии до 1-1,5 тыс. руб./га [11].

Поэтому использование комбинированных препаратов дополнительно позволит за счет системного использования снизить повреждение всходов вредителями, обитающими в почве, увеличить полевую всхожесть и усилить активность окислительно-восстановительных процессов растений. Объясняется этот факт активизацией защитных свойств семян [12].

Результаты многолетних исследований Института растениеводства им. В.Я. Юрьева влияния предпосевной обработки семян химическими протравителями на процессы роста и развития растений и формирование урожайности зерна показали, что применение химических протравителей, кроме положительных характеристик, имеет ряд негативных особенностей [13]. Учеными было установлено, что химические протравители снижают энергию прорастания семян.

Особенно острой проблема снижения энергии прорастания растений вследствие применения химических протравителей семян перед посевом становится в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения. Установлено что «... при высеве протравленных семян в полусухую почву их энергия прорастания и всхожесть снижаются по сравнению с вариантами, где применяют сев непротравленными семенами. Зато у протравленных семян перед посевом есть и свои преимущества: при длительном пребывании в почве и дефиците влаги они способны дольше оставаться невредимыми от возбудителей болезней и вредителей по сравнению с непротравленными» [13].

За период с 1960 по 1980 гг. объем химических препаратов, используемых в сельском хозяйстве во всем мире, увеличился на порядок. Но, вследствие обнаруженных серьезных проблем, возникающих из-за применения пестицидов, использование химических препаратов для защиты растений стало сокращаться.

Для минимального причинения ущерба экологии норма расхода препарата должна рассчитываться с соблюдением всех технологических требований к предпосевной обработке. Предпосевная обработка семян на современном уровне развития науки защиты растений - комплексное мероприятие, в ходе которого семенной материал покрывают не только фунгицидными или инсектофунгицидными протравителями, но и защитно-стимулирующими компонентами.

Качество протравливания зависит от дозировки - расхода протравителя на тонну семян. Так как состав защитно-стимулирующих компонентов различается по компонентам, для расчета дозировок требуется научный подход с учетом нормы высева семян (млн шт/га), фракционной массы 1000 семян и др. На практике выбор протравителя определяет агроном хозяйства, руководствуясь фитосанитарным состоянием полей, степенью зараженности семян возбудителями болезней, биологическими особенностями вредителей и патогенных микроорганизмов, иммунологическими особенностями сорта, запрограммированной урожайностью и технологией выращивания культуры.

На качество протравливания влияет тип препаративной формы протравителя. Различают несколько способов протравливания: сухое, полусухое, с увлажнением и мокрое [14]. В последние годы учеными разработана новая эффективная технология протравливания семян пленкообразующими составами [14, 15]. Выбор способа предпосевной обработки зависит от химического состава протравителей, биологии возбудителей заболевания.

Наиболее распространенным способом химической обработки является протравливание с увлажнением. Недостаток способа заключается в осыпании действующего вещества протравителя с семян по мере высыхания. Для повышения прилипания протравителя на поверхности семян используются прилипатели [15].

Протравливание не должно негативно сказываться на всхожести и энергии прорастания семян. Неконтролируемое применение химикатов загрязняет окружающую среду, губительно сказывается на фито-санитарной обстановке агроэкосистем и вызывает привыкание фитопатогенов к химическим соединениям. Поэтому разрабатываются и развиваются альтернативные технологии обработки семян. Одним из перспективных способов повышения устойчивости растений к болезням является обработка семян биопрепаратами и применение других альтернативных способов обработки. Применение таких способов обработки не вызывает резистентности вредных организмов и не оказывает вредного воздействия химикатов на окружающую среду [15]. Специалисты, анализируя ошибки, которые были допущены в период массового и бесконтрольного применения химических препаратов, пришли к выводу о необходимости проведения комплексных мероприятий защиты растений с использованием комбинированных составов [18, 19].

Ключевые требования к препаратам, используемым для предпосевной обработки семян, представлены на рисунке 2.

За рубежом получила широкое распространение инкрустация семян [5]. В последние десятилетия появляются новые эффективные способы предпосевной обработки: инкрустация, биоинкрустация, плёночное покрытие, дражжирование. Эти методы улучшают жизнеспособность семени и формируют устойчивый к болезням и вредителям жизненный цикл растения.

Особое место в предпосевной обработке семян в настоящее время занимает микробиологическая обработка семян. Такая обработка позволяет сэкономить до одного миллиона тонн азотных удобрений в год и оптимизировать насыщение растений фосфором, обеспечивая дополнительный сбор растительного белка от 3 до 4 миллионов тонн в год, при сокращении использования экологически опасных химикатов примерно в полтора-два раза [20].

Установлено, что средняя эффективность применения биологических методов предпосевной обработки составляет: для зерновых культур - около 1633%, для технических культур средняя эффективность колеблется в пределах 12-28%, для овощных и бобовых - 18-45%. Средняя экономическая эффективность применения биологических методов составляет 5-6 рублей на рубль затрат [20].

По рекомендациям ученых-биологов [5, 20] биологические и химические фунгициды эффективнее применять в комплексе. Комплексное применение биологических и химических препаратов экономит материальные ресурсы и расширяет спектр активности и эффективности протравителей, повышает иммунитет растений к различным болезням, способствует увели- в агроценозах и существенно снижает затраты на про-чению урожайности, уменьшению химической нагрузки травливание.

Рисунок 2 - Требования к препаратам для предпосевной обработки семян

Для получения сельскохозяйственной продукции высокого качества необходимо использовать научно обоснованные технологии предпосевной обработки семян. Но на практике широкому применению биохимических препаратов препятствует отсутствие серийных машин для комплексной обработки семян, которые обеспечили бы защиту семян как химическими протравителями, уничтожающими вредные патогены, так и биологическими препаратами, позволяющими повысить жизнеспособность семян и улучшить качественные характеристики почвы. Разработка и внедрение в производство современных технологий и машин для комплексной предпосевной обработки семян позволят повысить урожай и одновременно предотвратить загрязнение окружающей среды.

Данная проблема является актуальной для российской науки и без фундаментальных исследований в этой области не обойтись. Последние десятилетия развитие техники для сельского хозяйства шло путем насыщения энергией рабочих органов устройств. Основное внимание уделялось созданию мощных энергонасыщенных устройств, обладающих огромными запасами потенциальной энергии воздействия на обрабатываемые семена и растения. Эти воздействия оказывают негативное влияние на живые растительные организмы, т.к. увеличение потенциальной энергии приводит к увеличению ударных нагрузок и, как следствие, к повреждению (микро- и макротравмам) и разрушению растений и семян [22]. Разрушения и повреждения, наносимые семенам и растениям рабочими органами сельскохозяйственных машин, снижают урожайность сельскохозяйственных культур. Повреждения семян приводят к катастрофическим последст виям в семеноводстве - важнейшей отрасли растениеводства, занимающейся массовым размножением семян районированных сортов, созданием суперэлитных и элитных семян - основы семеноводства и стратегической составляющей экономической мощи любого развитого независимого государства.

Для обеспечения интегрированной защиты растений при предпосевной обработке семян в АзовоЧерноморском инженерном институте разрабатывается технология предпосевной обработки химическими протравителями и биологическими препаратами, направленная на исключение разрушения семян и минимизацию травмирования семян в процессе обработки.

Разрабатываемая новая технология смешивания и предпосевной обработки основана на использовании новой техники, рабочими органами которой являются упругоэластичные оболочечные системы. Предлагаемые устройства исключают вредное воздействие ядохимикатов на обслуживающий персонал, окружающую среду, сводят к минимуму травмирование семян и исключают разрушение элитных и полевых семян рабочими органами [21].

В плане выполнения работ по внедрению новой перспективной технологии предлагается решение еще одной важной задачи - создание автоматизированной системы оценки качества смеси при импульсном воздействии упругоэластичных систем на сыпучее тело. Для оценки качества получаемой смеси, состоящей из частиц сыпучего тела и частиц жидкости, разрабатывается программа «Анализатор качества смеси», позволяющая анализировать состояние получаемой смеси и подавать сигнал на контролирующее устройство о готовности смеси биопрепарата или химикатов и сыпучего тела.

Анализатор качества смеси измеряет морфологические и цветовые особенности смеси с помощью анализа изображений полуавтоматическим способом. Это программное обеспечение делает возможным воспроизведение количественной оценки фенотипических данных, что ранее выполнялось вручную или анализировалось визуально.

Предварительно были проведены эксперименты по выявлению необходимости в автоматизации оценки качества смесеприготовления.

Алгоритм проведения оценки качества смеси:

• 1.    Инициализация.

• 2.    Вычисление размеров частиц (семян).

• 3.    Поиск крупных частиц.

• 4.    Сигнализация об однородной смеси.

Этап инициализации предполагает выделение области обработки и бинаризацию входных кадров (рисунок 3).

Данный этап предполагает вычисление максимальных длин и высот частиц.

Этап вычислений размеров частиц заключается в выявлении максимальных высот и длин частиц (рисунок 4).

Сигнализация об однородности смеси появляется при непревышении заданных экспертом границ.

В ходе представляемой работы были проведены исследования на ряде изображений, полученных с помощью камеры «СоРго Него 4» с разрешением 1920x1080 точек для одного акта смешивания в эластичной оболочке, длительностью 4 мин 30 сек. Для оценки качества смесеобразования эксперименты проводились с использованием трудносмешиваемых культур льна и кукурузы.

Как показали эмпирические исследования, размер частиц при обеспечении 100%-ной однородности смеси не должен превышать 170 точек в длину и 150 точек в ширину.

Алгоритм экспериментов был реализован в среде MS Visual Studio 2013 на языке с#. В итоге экспериментов было выявлено, что однородной смесь становится на 2 минуты раньше экспертной отметки, что говорит об актуальности автоматизации технологии получения однородной смеси и интеллектуализации процесса смесеприготовления в целом.

Программа направлена на получение высокой точности всех измерений и исключение необходимости выполнения трудоемких ручных настроек. В программе задействованы морфологические и цветовые атрибуты, удобный цветовой тестовый модуль.

Рисунок 3 - Процесс инициализации: входной кадр (фото слева) и бинаризация входного кадра (рисунок справа)

Maximal height

Maximal width

аМ

Рисунок 4 - Процесс выявления максимальных размеров

Бобовые культуры отличаются от зерновых по морфологическим и цветовым признакам. Даже в пределах отдельных видов сельскохозяйственных культур также можно выявить различия морфологии и цвета. Биологи пытаются выяснить генетическую и молекулярную основу этих отличий, для чего требуется измерить морфологические и цветовые атрибуты в объективном и воспроизводимом формате. Большая часть этого вида фенотипического анализа состоит из затрат времени на ручные измерения или визуальный субъективный подсчет характеристик, которые уменьшают возможность успешной идентификации геномных областей или физиологических причин, лежащих в основе этого изменения.

Анализатор качества смеси (АКС) представляет собой программное обеспечение, предназначенное для сбора объективных данных по цифровым изображениям семян. Многие из этих данных почти невозможно получить вручную.

Программа нацелена на распознавание объектов в оцифрованных изображениях. От обнаруженных границ в каждом объекте можно получить ряд морфологических признаков; универсальное цветовое пространство программы аппроксимирует визуальное восприятие человека. АКС содержит управляемый словарь, согласованный с терминами, представляющими особенности онтологии баз данных и математических дескрипторов для каждой поверхности и цветового признака. Хотя приложение было специально разработано для анализа бобовых, этот программный продукт можно применять для анализа семян других растений. Анализатор может выполнять анализ морфологических особенностей по изображениям семян растений с высокой пропускной способностью.

Кроме того, данные, полученные анализатором качества смеси, объективно сравниваются с подобными экспериментами, выполненными вручную различными исследователями и при использовании различных устройств. Эта беспристрастность позволяет воспроизводить реальные эксперименты, одинаково хорошо компилируя и анализируя данные, полученные из различных источников. В настоящее время большая часть морфологических классификаций выполняется на основе визуального наблюдения, в то время как атрибуты АКС позволяют объективно классифицировать семена по различным морфологическим категориям. Анализатор качества смеси является ценным и эффективным инструментом для идентификации и подтверждения геномных областей, которые определяют форму поверхности семян.

Программа работает следующим образом.

• 1.    Семена сканируются на черном фоне для устранения тени.

• 2.    Изображение открывается в АКС, выбираются атрибуты измерений и программе дается задание выполнить анализ образов.

• 3.    Полученные данные появляются на панели таблицы АКС в виде скриншота и могут быть экспортированы в сопроводительный файл. Некоторые измерения можно отрегулировать вручную.

АКС отделяет объекты от фона. Это происходит путем просмотра гистограмм яркости изображения и определения точек разделения (область низких значе ний гистограммы) между передним планом (более светлый цвет) и фоном (темные цвета). Затем исследуются смежные области переднего плана объектов и определяются границы вокруг них.

В настоящее время идет работа по созданию возможности запоминания полученных изображений и открытия их для чтения файлов как с расширением JPEG (Jpg), так и TIFF (.tif). ТІҒҒ-файлы предпочтительнее, потому что они сохраняют изображение в том же виде, в котором оно было отсканировано. JPEG-изображения изменяют некоторые цвета в изображении, уменьшая точность обнаружения пограничного объекта и цветового анализа. Это повышает точность всех измерений и уменьшает необходимость выполнения трудоемких ручных регулировок.

Программа создается с возможностью измерения формы поверхностей в виде соотношений (пропорций):

• -    ширина-высота (W/H) - высота измеряется как ¹Х ширины;

• -    максимальная высота (Н) - максимальный вертикальный размер семян;

• -    изогнутая высота (СН) - высота измеряется вдоль изогнутой линии семени (через середины противоположных пар точек по обе стороны от дальней и ближней точек);

• -    коэффициент наружной формы плода I (H/W) - отношение максимальной высоты к максимальной ширине;

• -    коэффициент наружной формы плода II (H_mid/W_mid) - отношение средней высоты средней ширины к ширине средней высоты;

• -    коэффициент изогнутой формы (CH/CW) - отношение изогнутой высоты к ширине семени в середине изогнутой высоты, измеряется перпендикулярно к линии изогнутой высоты.

Для измерения объекта без выбора индивидуальных показателей АКС предлагает морфометрический или геометрический анализ каждого объекта. Эта функция определяет точки вдоль границы каждого семени в загруженном представлении. Статистический инструментарий, такой как Анализ главных компонентов (АПК), может быть использован для анализа точек экспортируемых данных и затем использовать полученные данные для идентификации областей семени, контролирующих морфологию семени. Границы семени используются как ориентировочные точки для каждого объекта. Количество точек, вычисляемых вдоль границы семени, определяется пользователем и колеблется в пределах от 4 до 200. Первая морфометрическая точка (1х, 1у) всегда проксимальна конечной точке. Начало (0,0) координатной системы располагается в верхнем левом углу прямоугольника, построенного на максимальной ширине и максимальной высоте.

В программном продукте АКС имеется модуль цветового теста (МЦТ), с помощью которого можно эффективно, точно и с высокой производительностью отбирать и анализировать цветовые параметры из отсканированных образов.

Запланировано демонстрировать полученные результаты в реальном времени на скриншоте программы.

Планируется, что модуль цветового теста должен иметь способность определять среднее значение по нескольким атрибутам цвета внутри границ выделенной зоны исследования, а также процентное отношение шести различных цветовых параметров, определяемых пользователем. Эти особенности могут быть полезны для изучения паттерна цветовой вариации в выделенных зонах. Дефицит питательных свойств, микроповреждения, пестициды, токсичность и подверженность тяжелым патогенным атакам влияют на цвет растения. Программа беспристрастно выделяет эти зоны, в то время как визуальная оценка тяжести повреждений и иных патологий на семенах очень сильно зависит от опыта оценщика, когда они напрямую оценивают процент поражения семян. С помощью МЦТ можно определить цветовой ряд для заболевшей части и вычислить процент поверхности, имеющей этот цвет. Таким образом, различные исследователи будут получать одни и те же результаты, потому что они не будут по-разному интерпретировать результаты сме-сеприготовления. Поэтому программа «Анализатор качества смеси» станет мощным инструментом для таких типов исследований.

Выводы. Предпосевная обработка химическими и биологическими препаратами является одним из первых этапов подготовки семян сельскохозяйственных растений, способствующих улучшению всхожести, увеличению роста растений и устойчивости к неблагоприятным факторам среды, возникновению грибковых заболеваний и повреждениям вредителями. Ударное воздействие рабочих органов на семена негативным образом влияет на целостность и посевные качества семян, что сводит на нет огромные затраты на производство семян элиты и суперэлиты. Назрела необходимость производства новой техники для биохимической обработки элитных и полевых семян, рабочие органы которой не травмируют и не разрушают семена. В Азово-Черноморском инженерном институте создано устройство с эластичными рабочими органами для предпосевной обработки семян, особо чувствительных к разрушению и травмированию. Разработанное устройство исключает ударное разрушающее воздействие рабочих органов на семена сельскохозяйственных культур и обеспечивает комплексную защиту растений от вредных патогенов. Для беспристрастной и быстрой оценки качества смесеприготовления служит разработанная создателями устройства автоматизированная система «Анализатор качества смеси».