Структура факторного пространства как научно-методическая основа обоснования системы дифференцирования машин

ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ / TECHNOLOGIES, MACHINERY AND EQUIPMENT

EDN:

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, г. Москва, Российская Федерация, н

Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russian Federation, H

В практику научных исследований с каждым годом все больше входят идеи аксиоматизации полученных знаний1 как метода теории познания их организации и обобщения. Это проявляется при аналитическом моделировании различных процессов сельскохозяйственного производства и разработке соответствующих требований в определенном факторном пространстве, т. е. локализованных вокруг определенных систем аксиом2. Под системой факторного пространства применительно к сельскохозяйственной технике следует понимать множество параметров машины, окружающей среды и обрабатываемого материала, значения и величины которых можно исследовать и проанализировать. Такое понимание целесообразно для обоснования современных объектов сельскохозяйственного назначения, в том числе для определения экономической устойчивости

Vol. 36, no. 2. 2026 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS .^Ts сельскохозяйственных предприятий в условиях наличия рисков. Требования факторного пространства направлены на повышение технического уровня машин [1; 2]. Они регламентируют разработку концептуальных положений при проектировании новой техники [3; 4], оценке покупательной способности, расширении функциональных возможностей и выборе сельхозтоваропроизводителем нужной экономически рентабельной техники.

Наиболее распространенным факторным пространством является «триада» факторов, предложенная В. П. Горячкиным. Однако в последние десятилетия развития сельскохозяйственного производства выявлена недостаточность такого подхода, так как для обоснования целесообразности создания той или иной машины и ее конструктивных и технологических параметров необходимо иметь информацию по многим другим смежным вопросам и, следовательно, учитывать новые факторы. Данное обстоятельство диктует необходимость расширения факторного пространства, в котором проходит обоснование современных объектов сельскохозяйственного назначения. Технологические, технические, экономические, коммерческие и другие аспекты функционирования машин нельзя определить и всесторонне оценить, ограничиваясь исследованием взаимодействия какого-либо орудия с почвой, растением, сельскохозяйственным сырьем при различных энергоисточниках.

Разрабатываемые технологии и машины [5] для посева, уборки, транспортировки и послеуборочной обработки выращенного урожая, входящие в федеральную «Систему машин и технологий для комплексной механизации и автоматизации сельскохозяйственного производства на период до 2020 года»3 [6], учитывают разнообразие агроклиматических зон страны. Для производства качественной продукции подобраны рациональные технологии посредством экономико-математического моделирования [7] и оптимальные варианты комплексов машин. Такие комплексы должны обеспечивать возможность выполнять технологический процесс с применением интеллектуальных систем мониторинга, управления и диагностики, что позволит повысить производительность всего машинно-тракторного парка (МТП). При разработке экономико-математической модели необходимо выявить, какие внешние и внутренние ограничения определяют оптимальные условия функционирования выбранного объекта исследования, какие из рассматриваемых факторов будут являться определяющими и какие требования должны предъявляться к модели, чтобы обеспечить ее адекватность.

Цель исследования – провести анализ научно-методических подходов и предложить алгоритм формирования структуры факторного пространства для развития инновационных технических средств и производственных процессов в агропромышленном комплексе с применением достижений в области цифровизации, робототехники и искусственного интеллекта.

Для решения задач, связанных с построением и обоснованием структуры факторного пространства, служащей основой при обосновании системы дифференцирования машин, требуется учет новых концептуальных разработок для региона и страны в целом [6; 8], научная парадигма и методический подход.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В разработанных до начала ХХ века В. П. Горячкиным основных постулатах, в числе которых находится «триада», общие теоретические основы технологических процессов рассмотрены как единая система, объединяющая следующие факторы: физико-механические свойства обрабатываемого материала (почва, растения и др.), рабочего органа и источника энергии4. «Оценить какой-либо процесс возможно только при учете всех трех указанных элементов», – писал ученый. Это утверждение во многом было оправданным, и данное положение послужило фундаментальной основой научно-исследовательской работы в сфере механизации сельскохозяйственного производства. Такие факторы, как машины, агросреда и агрофон, источник энергии предопределили направление дальнейших исследований: к имеющемуся источнику энергии научно-обоснованно рассчитывали оптимальные параметры машины.

Для решения задач по техническому обеспечению всех производственных процессов в сельскохозяйственном производстве на сегодняшний день фундаментальных научных положений, предложенных академиком, оказалось недостаточно. Указанные факторы, составляющие «триаду» применительно к разным исследуемым объектам сельскохозяйственного назначения, поменяли свою значимость и место. Для современного рынка сельскохозяйственных ма-шин5 применима следующая схема: к выпускающемуся агрегату любой модели и производителя можно подобрать из модельной линейки необходимый источник энергии (двигатель). Ранее подбирали агрегат с соответствующими параметрами к источнику энергии.

Согласно положениям, выдвигаемым академиком Горячкиным, во многих отраслях сельскохозяйственного машиностроения, например, в тракторо- и комбайностроении, первоочередным фактором являются машины. Далее следуют агросреда и агрофон, а потом источник энергии. В то же время для обеспечения эффективности сельскохозяйственного производства при решении современных задач, направленных на обоснование МТП, роль такого фактора, как агросреда и агрофон приобретает первостепенное значение. Существующие системы, которые формируют факторное пространство как основу научно-методического приема, являются малоэффективными, и переход к следующему этапу с учетом огромного разнообразия объектов сельскохозяйственного назначения возможен только при условии, что будет предложен новый метод в виде алгоритма для обоснования системы дифференцирования машин.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Обоснование функционально зависимых блок-факторов для предлагаемого алгоритма формирования структуры факторного пространства выполнено с помощью структурного и функционального анализа. Реализация предложенного алгоритма предполагает последовательное выполнение поставленных в исследовании задач, связанных между собой блок-факторами.

При решении задач планирования технического обеспечения всех производственных процессов для сельскохозяйственных предприятий применялись методы оптимизационного и системного подхода. Исследования по предложенному алгоритму формирования структуры факторного пространства должны быть формализованы, качественно оценены и проводиться с применением программно реализованной иерархической системы экономико-математических моделей.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Научно-обоснованные структура парка машин для сельскохозяйственных предприятий и формирование федеральной системы технологий и машин для растениеводства, в том числе и по территориальным признакам, начиная с района и заканчивая масштабом страны, являются сложными многофакторными задачами. Для решения такого рода задач предложен алгоритм построения структуры факторного пространства.

В отличие от ранее предложенной системы6, в ее структуру введены и обоснованы дополнительные блок-факторы, обеспечивающие логическое развитие научно-методического обоснования современной системы технологий и машин. Каждый блок-фактор, входящий в алгоритм формирования структуры факторного пространства для предлагаемой системы дифференцирования машин, имеет свое назначение, содержание и выходные показатели (рис. 1).

Первый блок-фактор - стратегия развития сельскохозяйственного машиностроения России до 2030 года7 (далее – Стратегия) – является программным документом, характеризующим состояние отрасли сельскохозяйственного машиностроения и определяющим основные принципы государственной политики в области сельского хозяйства, формирует задачи на среднесрочную и долгосрочную перспективы. Стратегия нацелена на достижение показателей в соответствии с Доктриной продовольственной безопасности Российской Федерации8, в части развития современной конкурентоспособной высокотехнологичной техники российского производства, обеспечения модернизации сельского хозяйства, увеличения выпуска сельскохозяйственных машин.

1. Стратегия развития сельскохозяйственного машиностроения России до 2030 года (Стратегия) (востребованность) / Development strategy agricultural mechanical engineering of Russia until 2030 (Strategy) (demand)

• 2.    Требование пользователя техники (исходные требования, техническое задание, ТЭО, модификации) / User requirement equipment (initial requirements, terms of reference, feasibility study, modifications)

• 3.    Агросреда и агрофон (характеристики окружающей среды, характеристики почв, растений, полей, рельефа) / Agrosreda and agrofon (characteristics of the environment, characteristics of soils, plants, fields, relief)

I

показателей продовольственной безопасности РФ и для кого делать? / Purpose:

what to do to achieve the indicators of food security of the Russian Federation and for whom to do?         .

довлегворяют ли

Adjusting tasks

'Корректировка задач / Adjusting

База даных машиннотракторного парка/ Machine and Tractor Fleet ■----- Database _

(машинно-тракторный агрегат, оборудование, орудие, приспособление, устройство и др.) /

Complex of machines (machine-tractor unit, equipment, tool, accessory, device, etc.)

_______J_______

Задачи: Как делать? /

Tasks: How to do?

9. Квалифицированные кадры / Qualified personnel

5. Рабочие органы (тип, параметры, режимы, конструкция, ограничения)/

Operating elements (type, parameters, modes, design, limitations)

6. Энергообеспечение (ДВС и электропривод, передвижные и автономные двигатели) / Power supply (internal combustion engine and electric drive, mobile and autonomous engines)

7. Интеллектуальные технологии управления (техническое зрение, технологии искуствен-ного интелекта, датчики контроля технологического процесса и др.) /

Intelligent control technologies (technical vision, artificial intelligence technologies, process control sensors, etc.)

8. Предиктивные технологии машиннотракторного парка (цифровые методы контроля и диагностики технического состояния) / Predictive technologies of the machine and tractor fleet (digital methods for monitoring and diagnosing technical condition)

параметры? /

Оценка изделия: Конечная эффективность, потребность, правила проведения работ / Product evaluation: Ultimate effectiveness, need, rules of conduct works

Р и с. 1. Алгоритм формирования структуры факторного пространства для обоснования системы дифференцирования машин

F i g. 1. The algorithm for forming the factor space structure to substantiate the machine differentiation system

В представленном алгоритме фактор Стратегии является новым, ранее он был реализован как социальный заказ9, представляющий механизм сотрудничества государства с частными партнерами и отражающий потребность заказчика, инвестора в том или ином техническом изделии, объекте сельскохозяйственного назначения, результате интеллектуального труда человека. Первый блок-фактор Стратегии определяет задачу: что нужно делать для обеспечения продовольственной безопасности страны и для кого делать.

Примером реализации Стратегии может служить разработка системы технологий и машин, которая позволит повысить производительность применяемой техники в 1,5–2,0 раза, снизить себестоимость работ на 30 %, привести к экономии трудозатрат на 20 % по сравнению с предшествующим аналогом. В качестве примера также может выступать разработка мобильного энергосредства 3 класса с резиноармированным гусеничным движителем; перспективной модели зерноуборочного комбайна 5 и 7 классов с интеллектуальной системой управления; селекционного комбайна с электроприводом базовых рабочих органов и трансмиссии с пропускной способностью молотилки до 1,0 кг/с [4; 5] и др.

Второй блок-фактор – требование пользователя техники разрабатывать условия и показатели эффективности технических средств на основании Стратегии. Результатом реализации этого элемента является разработка нормативных документов на технику (исходные требования, техническое задание, функциональная, технологическая и компоновочная схемы планируемой разработки), а также ее последующая модернизация. Блок определяет содержание на каждом этапе реализации запланированных научно-исследовательских работ, их четкую последовательность и конечные результаты, исходя из поставленной цели. Наблюдение за природными объектами и вторжение в них рабочими органами заменяется целенаправленными воздействиями на обрабатываемый материал (почву) биомашсистемами (системы взаимодействия человека, машины и живого для достижения определенных целей) [9; 10]. Человеку в данной структуре уделяется роль руководителя и генератора идей в общем процессе разработки.

Начальные составляющие предлагаемой структуры факторного пространства определяют общую направленность (рыночную, государственную и др.) дальнейших действий, объединенных в блок-факторы. Учитываются инновационный процесс, предметность, эффективность и динамизм развития разработки. От Стратегии развития сельскохозяйственного машиностроения в области техники и технологий зависит содержание последующих элементов. Условия и требования к разрабатываемым машинам задаются именно человеком, как генератором идей. Система дифференцирования машин по техническим и технологическим параметрам или критериям подразумевает под собой алгоритм действий с определенными уровнями реализации по мобильности, производительности, энергоемкости, энерговооруженности, эргономичности, надежности и др. [11]. Например, указывается расположение места, где территориально проводится исследование (район, область,

^® ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 36, № 2. 2026 регион)¹⁰. Обязательно описываются характеристики климата, почв, возделываемых культур, рельефа местности, севооборота. Для почвообрабатывающего агрегата это показатели почвы (тип, влажность, твердость, плотность и др.), для уборочного агрегата – культура, сорт, соломистость, влажность, соотношение зерна к соломе, урожайность и др. Все это отражается в техническом задании [6].

Третий блок-фактор – агросреда и агрофон, которые конкретизируют и раскрывают второй блок. На важность характеристик «агросреды» указывал В. П. Горячкин, утверждая, что любое серьезное исследование надо начинать с изучения физико-механических свойств почвы, растений, продуктов урожая и др. Эти факторы являются обобщенным определением условий, в которых должна эксплуатироваться планируемая разработка. Характеристики «агросреды» и «агрофона» должны быть представлены в аналитическом виде статистических законов распределения, математических ожиданий и формализованы должным образом.

Четвертый блок-фактор – комплекс машин, в который объединены оборудование, орудие, приспособление, устройство, машинно-тракторный агрегат и др. Отметим, что работа входящих в комплекс машин с научно-обоснованными параметрами имеет ряд особенностей функционирования. В технологии уборочных работ примером реализации может служить уборочно-транспортный комплекс. Такой комплекс состоит из зерноуборочного комбайна и грузового автомобиля. Технические и технологические параметры комбайна должны быть увязаны с грузоподъемностью и объемом кузова автомобиля. Вопросы в этом блоке решаются путем взаимодействия параметров машин (оборудования, орудий, приспособлений, устройств, тракторов, комбайнов и др.), которые задействованы в комплексе и функционально связаны между собой единым технологическим процессом, рассматриваются как совокупность рабочих органов [11], с применением достижений в области цифровизации, робототехники и искусственного интеллекта.

Пятый блок-фактор – рабочие органы. В этом блоке рассматриваются детали и узлы (рабочие органы) разрабатываемого изделия (машины), с помощью которых производится воздействие на агросреду11. Пример – корпус плуга, режущий аппарат, мотовило, молотильный барабан, очистка комбайна.

Шестой блок-фактор – энергообеспечение. Понятие энергообеспечения является комплексным и подразумевает предоставление потребителю всех видов требуемых энергетических затрат, необходимых для функционирования разрабатываемого объекта сельскохозяйственного назначения со снабжением его необходимым источником энергии, исходя из имеющегося типоразмерного ряда.

Седьмой блок-фактор – интеллектуальные технологии управления. Этот блок учитывает применение в проектируемых и разрабатываемых машинах адаптивной системы управления, использующей техническое зрение и технологии искусственного интеллекта [12]. В машинах применяются датчики контроля

Vol. 36, no. 2. 2026 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS .^Ts технологического процесса и адаптивные системы регулировки рабочих органов для достижения высокой производительности. Качество получаемой продукции также будет находиться на высоком уровне согласно предъявляемым к ней нормативным требованиям [13–15].

Восьмой блок-фактор – предиктивные технологии машинно-тракторного парка. Блок учитывает применение цифровых методов контроля и диагностики технического состояния в системах МТП за счет применения телематических и предиктивных технологий технического состояния и современных средств диагностики мониторинга технического сервиса агрегатов [16; 17]. Данный блок является базой данных МТП: здесь учитываются известный перечень выпускаемой предприятиями сельскохозяйственного машиностроения техники, ее характеристики, как технические, так и технологические. Накопленный объем информации по комплексу машин и производственным факторам предприятия составляет основу для проектирования оптимального состава машинно-тракторного парка12.

Девятый блок-фактор – квалифицированные кадры. Рассматривается наличие кадров высшей квалификации, как необходимый ресурс и условие функционирования любого предприятия, особенно в условиях современных изменений в требованиях к профессиональным знаниям на фоне научно-технического прогресса. Для реализации алгоритма структуры на каждом этапе в блоках учитываются агрономы, механизаторы, испытатели [18].

Десятый блок-фактор – машинно-тракторный парк предприятий. Совокупность информации по комплексу машин и производственным факторам хозяйства составляет МТП, учитывающий объемы посевных площадей, возделываемые культуры, структуру севооборота, агротехнические сроки выполнения работ, расстояние перевозки грузов и др. Содержит необходимую информацию для разработки технологических карт производства сельскохозяйственных культур. Для каждого хозяйства МТП индивидуален. Расчет оптимальной структуры и состава парка сельскохозяйственного предприятия называется решением оптимизационной задачи, критерием которой является производительность и себестоимость выполнения работ. Для ее реализации используют экономико-математические методы. Состав машин и тракторов и их возможное сочетание имеет большое количество вариантов, поэтому простой их перебор и выбор наилучшего варианта практически невозможен.

Предложенный алгоритм работает следующим образом: если необходимо разработать селекционный комбайн для реализации задач уборки делянок на 3-м и 4-м этапах в селекции зерновых культур, исходя из положений Стратегии ставится цель по разработке данного агрегата на указанных по запросам селекционных центров этапах селекционных работ. Далее разрабатываются требования на селекционный комбайн (исходные требования, техническое задание, технико-экономическое обоснование и др.) и описываются конкретные задачи для выполнения поставленной цели. После этого начинается изучение характеристик окружающей среды, типов

ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 36, № 2. 2026 почв, растений, оказывающих прямое влияние на выполнение технологического процесса уборки селекционных делянок.

Следующим этапом определяется машинно-тракторный агрегат – селекционный комбайн. При реализации поставленных целей и задач комбайн комплектуется перспективными конструктивными решениями рабочих органов с гидравлическим, или электрическим приводами, схемой энергообеспечения и узлами для выполнения технологического процесса, исключающим смешивание семенного материала при переходе с одной делянки на другую. В зависимости от потребностей заказчика и внедрения в его существующую технологию перспективных инноваций, разрабатываемый комбайн дополнительно может комплектоваться интеллектуальными технологиями управления и предиктивными цифровыми методами контроля и диагностики технического состояния. Немаловажным фактором является и наличие в данном селекционном центре квалифицированных механизаторов, которые будут работать на данном комбайне. Использование в технике такого рода технологий требует наличия в штате специалистов. Для качественного выполнения заложенных в разрабатываемый комбайн параметров и функций в алгоритме предусмотрено использование базы данных, где для каждого рассмотренного блока факторного пространства имеется свой уникальный набор данных с возможностью их дополнения и совершенствования. Не исключены ситуации, когда селекционера не будут удовлетворять параметры, заложенные в комбайн. В этом случае в алгоритме предусмотрен блок «корректировка задач», который способен скорректировать разработку под требуемые параметры на любом этапе выполнения поставленной задачи. Если результат получается удовлетворительным, из разработанного селекционного комбайна формируется уборочный парк селекционного центра с оценкой его эффективности.

ОБСУЖДЕНИЕ

На основании выполненного анализа научно-методических подходов сформированы обоснованные в структуре факторного пространства блок-факторы, которые взаимосвязаны между собой, различаются степенью своей значимости и способствуют развитию инновационных технических средств, производственных процессов в агропромышленном комплексе. Проанализированы факторы и предложен алгоритм формирования структуры факторного пространства обоснования системы дифференцирования машин в соответствии с требованиями Стратегии при достижении показателей продовольственной безопасности Российской Федерации.

Стратегия в предложенном алгоритме является новым фактором, который не был формализован должным образом. Ранее он был реализован как социальный заказ13, представляющий механизм сотрудничества государства с частными партнерами (лицами или группы лиц, принимающих решения). Через социальный заказ посредством разработки нормативных документов в виде постановлений, приказов, указов или целевых программ государство реализует социальные обязательства перед гражданами, привлекая негосударственные организации (исполнителей услуг). Заказ такого рода должен доводиться до исполнителей с конкретным результатом и определять задачу: что нужно делать для обеспечения продовольственной безопасности страны и для кого делать.

Наряду с очевидными преимуществами применения разработанного алгоритма формирования структуры факторного пространства для обоснования системы дифференцирования машин имеются также слабые стороны и ограничения, связанные с зависимостью от точности входных данных и возможностью ошибок и некорректных результатов при реализации поставленных задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование является продолжением дискуссии по выбору и оценке перспективных направлений в развитии совершенствования методов обоснования системы машин для агропромышленного комплекса. Формирование системы машин, технологий и структуры парка машин для растениеводства, в том числе с учетом территориальных признаков, является общепроизводственной научной проблемой со сложными многофакторными задачами, учитывающими современные технологии и разработки с применением достигнутого технического уровня и апробированных технологий в области цифровизации, робототехники и искусственного интеллекта на ближайшую перспективу.