Принципы синергетики и эксергетического моделирования для управления продукционными процессами в закрытых искусственных агроэкосистемах (ЗИАЭС)

Синергетика сравнительно молодая наука, впервые была упомянута в 70-е годы прошлого столетия, является теоретическим инструментом для исследований явлений самоорганизации. Применительно к нашим целям рассмотрим следующие принципы:

• 1.       Подчинения Параметру Порядка;

• 2.       Эксергетического Моделирования;

• 3.       Энергетической Экстремальности Самоорганизации;

• 4.       Энергоинформационного Единства.

Основу экологии, по данным Н.Ф. Реймерса [1], составляют около 250 эмпирических принципов, законов, правил, закономерностей, которые не только концептуально логически взаимно не согласованы, но не перекрывают друг друга. По этой причине применение современных компьютерных технологий в этих отраслях знаний принципиально затруднено.

В [2,3] эта проблема решена благодаря использованию принципов подчинения синергетики и эксергетического моделирования.

Использование принципа подчинения синергетики, где фотосинтезная эксергия является точкой исчисления в определении продуктивности растений, позволило создать эксергетическую модель на основе эксергетического анализа для экспериментального моделирования процессов роста растений в ЗИАЭС.

Для начала необходимо отметить принципиальные отличия открытых агроэкосистем от ЗИАЭС, которые максимально изолированы от окружающей среды, а, следовательно, защищены от проникновения в среду произрастания (размещения корневой системы) различных возбудителей инфекций и болезнетворных микроорганизмов, что обеспечивает здоровый рост растений и благотворно сказывается на продуктивности последних. ЗИАЭС, в том числе, изолированы и от солнечного излучения. В качестве источника лучистой энергии здесь используется световое излучение (СИ) светодиодных светильников, например, линеек 144LED5630 W-WW 0.5w 55LM 12V – полного спектрального состава, 72LED5630 Blue LUX class 12V – преимущественно синего спектра и 72LED5630 RED LUX class 12V – преимущественно красного спектра. Такое спектральное сочетание наиболее эффективно влияет на продуктивность растений, а возможность управлять этим сочетанием в фенологических фазах роста растений повышает эффективность продукционных процессов в них, что усиливает эти процессы в целом.

Среда произрастания в ЗИАЭС основана на применении различных субстратов, которые предварительно дезинфицируются. Питательный раствор в них подается с помощью интеллектуальной автоматики.

Для питания растений здесь применяются автоматизированные растворные узлы, где стерильно подготавливается питательный раствор с требуемым составом минерализации, величиной общего содержания солей TDS, и водородного показателя рН.

Такие ЗИАЭС, кроме всего прочего, при обслуживании процессов роста широко применяют роботизацию с интеллектуальным управлением, например, робот гидромелиорирования – внесение питательного раствора, учитывающего влагообеспеченность индивидуально каждого растения, робот анализа состояния растений – мониторинг физиологических процессов в растении на основе машинного зрения и другие. Исключение человеческого фактора в таком обслуживании также способствует здоровому росту и повышению продуктивности растений. Но вернемся к рассматриваемым принципам.

Понятие эксергии происходит от греческого ех- – приставка, означающая здесь высокую степень, и ergon – работа. Ясность и простота этого понятия видна из следующей простой связи общей энергии ( W ) с эксергией (Е) [2]:

W = Е + а,                         (1).

где, а – анергия, часть общей энергии потенциально непригодной для преобразования данного вида общей энергии в требуемый вид используемым типом преобразователя.

Непосредственно энергия солнечного излучения в практике сельскохозяйственного производства используется с помощью трех типов преобразователей: тепловых, фотоэлектрических и химических в процессе фотосинтеза растений. Основная особенность этих преобразователей заключается в том, что, имея на входе один и тот же вид энергоизлучения, на выходе мы получаем различные виды, формы и количества энергии. Эти различия, прежде всего, носят качественный характер и определяются соответствующей эксергией: фотосинтезной, а также тепловой и фотоэлектрической. Нас интересует фотосинтезная эксергия и возможности более полного её использования.

Не вдаваясь в подробности определения фотосинтезной эксергии СИ, а также излучения любого другого спектрального состава ( Е _из ), в отношении фотосинтеза растений, приведем справочно аналитическое выражение для её расчета из [2,3]:

т 2 Х 2 = 750

Еиз = 0,95/  / ^(2,т )K (Л)ф dTdA,

т 1 А 1 = 300

где 0,95 – максимальная спектральная эффективность фотосинтеза для излучения с длиной волны 680 нм, к( Л ,т) Ф -относительная спектральная эффективность фотосинтеза, ^ ( Л ,т) с -спектральное распределение светового излучения, поступающего за период времени от т 1 до т₂ .

Значения Е из суммарного (прямое плюс рассеянное) светового излучения Q в инженерных расчетах можно определить упрощенно:

Еиз = 0,2-AtQ, где Ат [т1, т2] - исследуемый промежуток времени.

Раскроем смысл упомянутых принципов. Принцип подчинения синергетики.

В соответствии с этим принципом для упрощения анализа сложных многофакторных систем из большого числа переменных выбирают одну величину – параметр порядка, которая наиболее быстро меняется и от которой наиболее сильно зависят параметры анализируемой системы [4]. Затем выбирают параметры управления. Дальнейший анализ системы проводят, учитывая только переменную порядка и параметры управления.

В системе формирования продуктивности растений в качестве переменной порядка принят приток к растениям энергии СИ, точнее, той ее части, которая потенциально пригодна для фотосинтеза и используется растениями на формирование продуктивности. Эту величину назовем эксергией оптического излучения для растениеводства. Она представляет собой теоретический предел продуктивности растений и одновременно плодородия ЗИАЭС, которым мы в состоянии управлять. В качестве параметров управлений в ЗИАЭС приняты все иные экологические факторы, ограничивающие формирование продуктивности растений [2].

Данный подход лежит в основе эксергетического моделирования в биоэнергетической теории продуктивноти растениеводства, где в качестве исходной величины при количественном, взаимно согласованном определении основных агроэкологических величин формирования урожая предложено использовать переменную порядка – эксергию СИ в отношении фотосинтеза растений, или фотосинтезную составляющую энергии СИ.

Объект и методы исследований

Использование синергетического подхода, где фотосинтезная эксергия является точкой исчисления в определении продуктивности растений, позволило создать эксергетическую модель управляющую продукционными процессами в ЗИАЭС.

что среди пара метров

Суть модели заключается в том, управления в ЗИАЭС приняты все экологофизиологические факторы, участвующие в цифровом управлении продукционными процессами, а значит, и в формировании продуктивности растений через определенные алгоритмы, выраженных в них через переменную порядка.

Важно еще раз отметить, что в условиях ЗИАЭС практически все факторы являются управляемыми, таблица 1, что позволяет устранить их лимитирующее воздействие, повысив продуктивность растений. Рассмотрим, как это происходит подробнее, не забывая, что в итоге мы сможем получить алгоритм цифрового обеспечения приложений вышеупомянутых принципов в биоэнергетической теории продуктивности, ответив на вопрос: как же надо управлять ими.

Таблица 1 - Лимитирующие факторы

Факторы Factors	Климатические Climatic	Субстратные Soil
S v к 4 n es ^    > ? -o §   £ 5 | =	1.    Приход части энергии СИ, потенциально пригодной для использования растениями на фотосинтез 2.    Температура воздуха 3.    Влажность воздуха	1.    Микроэлементный состав 2.    Макроэлементный состав 3.    Влажность субстрата 4.    Реакция субстрата рН 5.    Температура субстрата

Влияние этих факторов имеет различный характер как количественно, так и качественно. Наиболее сильное влияние на скорость фотосинтеза оказывает температура t, причем это влияние зависит и от величины облученности, которая также определяет фотосинтезную эксергию СИ Еиз. Зависимость скорости фотосинтеза от температуры имеет форму кривой с ярко выраженным максимумом. Влагосодержание почвы v также влияет на скорость фотосинтеза, но имеет менее выраженный максимум. Максимальная скорость фотосинтеза считается оптимальной для формирования продуктивности растений.

Результаты исследований и их обсуждение

Учет влияния факторов на эти процессы удобно осуществить посредством коэффициентов оптимальности К ф, рис. 1.

Эти коэффициенты характеризуют ограничивающее влияние каждого из факторов на использование растениями эксергии СИ. Они выражаются в относительных единицах. Значение К ф определяется как отношение скорости фотосинтеза формирования продуктивности некоторого вида (сорта, гибрида) растений С дj при действующем значении рассматриваемого фактора к оптимальной величине скорости фотосинтеза С оj соответствующей оптимальному значению того же фактора:

К фj = ^Сдj ,                                (4)

Соj где j – вид фактора. Коэффициент оптимальности может принимать значения от min до 1,0.

В качестве примера на рис. 1 показаны зависимости коэффициентов оптимальности от величин следующих факторов: температуры К(t) при j = t , влажности почвы К(v) при j = v и минерализации (удобрений) К(u) при j = u . Соответственно коэффициенты оптимальности будут иметь вид:

^С дt

Кфt =    ;

Сot

К дv

фv = С ;  К <

Сov

с дu

фu          ^.

Сou

Очевидно, что с течением времени факторы будут изменяться – одни быстрее, другие медленнее. На рис. 1 показаны значения коэффициентов оптимальности в зависимости от величин действующих факторов для трех моментов времени. В первый момент времени, соответствующий включению СИ, энергия СИ и определяемая ею эксергия Е из1 , а также температура воздуха t 1 – невелики. Отсюда и коэффициент оптимальности тоже невелик и меньше, чем для второго момента времени К фt1 < К фt2 , когда воздух прогрелся t 2 > t 1 , а СИ обеспечивает бóльшую эксергию Е из2 . Другой фактор – влажность по этой причине снизил свое значение v 2 < v 1 , что привело к снижению коэффициента оптимальности по этому фактору К фv2 ^< Кфv1 ^.

Поскольку факторы оказывают лимитирующее воздействие на фотосинтез и использование растениями эксергии СИ, то в соответствие с действием ограничивающих факторов при расчете максимальной продуктивности растений выбирают наименьший из всех. Сопоставив значения коэффициентов оптимальности учитываемых факторов, выбираем тот из них, который в данный промежуток времени находится в относительном минимуме ( К фj min ). Для первого момента времени – К фt1 , а для второго – К фv2 , рис. 1.

Рисунок 1 - Коэффициенты оптимальности для трех моментов времени.

Произведение эксергии СИ в i -й момент времени на коэффициент оптимальности фактора, находящийся в этот момент в относительном минимуме, равно эксергии фотосинтеза (продуктивности) за учитываемый момент времени. Сумма этих произведений за вегетационный период или иной промежуток времени при i=(1,2...n) будет значением эксергии продуктивности за этот период, т.е. [5]

^е пр = Z ”=1 ( Е из К ф_jmln _n\ = Z ”=1 ( Е из ^к ф _£Д.

Под мелиорируемым фактором в общем смысле понимаются такие, которые имеют возможность управления ими, то есть улучшения, снижения их лимитирующего воздействия посредством мелиораций: водных, или химических в виде удобрений.

Очевидно, что целесообразно осуществлять мелиорацию только того мелиорируемого фактора, который находится в относительном минимуме за период вегетации и только до такого уровня, при котором скорость фотосинтеза и формирование продуктивности растения уже ограничивает другой управляемый фактор. Этот фактор, независимо от того, к какой категории он принадлежит, находится во втором относительном минимуме после первого, то дальнейшее управление осуществляем по второму и так далее.

В нашем примере, рис. 1, этот случай иллюстрирует второй момент времени: влажность субстрата v 2 имеет такое значение, что характеризующий её коэффициент оптимальности К фv2 меньше остальных [6]. Ограничивающее действие этого фактора можно сократить, применив полив и увеличив влажность до v 2^’ , а следовательно, и коэффициент оптимальности К фv2 до величины К фt2 , который находится в следующем втором минимуме, то есть

^Кф ν ′ min 2 ^{→ К}фt 2 .

Таким образом, продуктивный потенциал по управляемым факторам определяется выражением:

^е пр = Е^П =1^[ Е из ^(к ф jmln₂

Кфг’mm2

^К ф ;min₂ )]_£ = Х /=1 [ Е из ^(К ф tmin₂

Для первого момента времени расчетное значение мелиоративного потенциала не имеет смысла е м <0 и, так как оба коэффициента оптимальности мелиорируемых факторов влажности и минерализации (удобрений) превосходят по величине коэффициент оптимальности фактора температуры.

Если взять третий момент времени, соответствующий снижению минерализации и других факторов, так что Е_из (К_t )> Е_из (К_v) > Е_из (К_u) , то управление мелиорацией производится поочередно от меньшего к большему до достижения Е_из ( К фj ) максимальной величины.

Исходя из вышесказанного предлагается следующий алгоритм управления продукционными процессом, рис. 2.

При первом запуске Гидробота устанавливается направление движения Гидробота в режим «назад» и подается команда «движение». После этого сразу включается считывание NFC меток. При обнаружении метки в поле действия приемника (это означает, что Гидробот подъехал к растению), происходит определение идентификатора растения. Если осуществлялось движение назад, то осуществляется проверка идентификатора начального растения (первого в грядке). Если растение не начальное, то движение продолжается до следующего растения. Если растение начальное, то движение прекращается. Направление движения устанавливается «Вперед», включается пауза цикла между проходами Гидробота (устанавливается в зависимости от требований), во время которой происходит считывание измеренных параметров с датчиков и передача их в блок определения минимальных коэффициентов оптимальности. После чего подается команда на осуществление соответствующей мелиорации.

Рисунок 2 - Алгоритм формирования информации для управляющего воздействия на электроприводы мелиоративного робота с использованием принципов синергетики и эксергетического анализа.

В случае, если при считывании метки движение осуществлялось вперед, то сразу осуществляется останов Гидробота. После осуществляется проверка позиции конечного растения. Если растение конечное, то направление движения устанавливается в режим «назад», если не конечное растение, то осуществляется переход к запуску программы анализа параметров растения, осуществляется воздействие на растение (полив, внесение удобрения и проч.), осуществляется передача данных в облачное хранилище. После подпрограммы обработки растения подается команда на движение, и программа переходит в режим считывания меток.

Заключение.

• 1.    Применение принципа подчинения снергетики, где фотосинтезная эксергия является переменной порядка и точкой исчисления в определении продуктивности растений, позволило создать эксергетическую модель управляющую продукционными процессами в ЗИАЭС.

• 2.    В модели в качестве параметров управления приняты все экологофизиологические факторы, участвующие в цифровом управлении продукционными процессами, а значит, и в формировании продуктивности растений через определенные алгоритмы, выраженных в них через переменную порядка.

• 3.    Разработан алгоритм для обеспечения управляющего воздействия на цифровую систему управления мелиоративного робота.