XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение. В современном мире наблюдение за сельскохозяйственными угодиями, лесами и степными массивами проводится с помощью авиации, а именно самолетов, вертолетов, дельтапланов; спутников, а также путем визуального наблюдения при обходе полей. Набирают популярность беспилотные летательные аппараты (БПЛА) для сельского хозяйства. Также в данной отрасли повсеместно находят применение технологии точного земледелия. Первые методики управления урожайностью были предложены еще в СССР академиком ВАСХНИЛ Шатиловым И. С. [1].

Так как сельскому хозяйству присуща сезонность, интенсивность работ на полях и угодиях значительно возрастает с начала весны и снижается только осенью. В это время также возрастает среднесуточная температура и могут наступать засушливые периоды. Человеческий фактор также становится частой причиной происшествий. Совокупность данных факторов ведет к увеличению риска возникновения пожаров.

Возможность раннего обнаружения очага загорания и реагирования до того, как огонь распространится на большой территории, позволила бы существенно уменьшить ущерб и затраты на борьбу с пожарами сельхозугодий и лесных массивов.

Цель исследования: обеспечение продовольственной и пожарной безопасности с помощью агропожарных дирижаблей.

По статистическим данным, приблизительно 48% коммерчески применяемых БПЛА использовались в сельском хозяйстве различных стран. Существуют прогнозы зарубежных аналитиков, согласно которым к 2026 эта доля вырастет приблизительно до 80% к 2026 году. В настоящее время компания Skycision, головной офис которой находится в США, выполняет заказы на исследование состояния сельхоз культур на полях фермеров с помощью БПЛА и инфракрасных спектрометров для выявления заболеваний растений и мест поражений вредителями. С помощью аппаратно-программных средств оператор проводит аэрофотосъемку местности, после чего выполняет построение карт с визуальными характеристиками состояния растений. Одним из таких показателей является количество хлорофилла, которое определяется с помощью визуального индекса Chlorophil Visual Index (CVI). Данный индекс позволят оценить состояние растений и вывить участки пораженные болезнью или участки с недостаточным поливом. Существуют исследования, которые позволяют прогнозировать урожайность с использованием различных визуальных индексов, что позволяет осуществлять более точное финансовое планирование, а также своевременно применять меры по защите урожая.

Производитель БПЛА DJI – Китайская компания, являющаяся одним из мировых лидеров отрасли, имеет в своей линейке аграрные дроны, возможности которых позволяют производить опрыскивание полей, выполнять сканирование по наиболее известным алгоритмам. В условиях недостатка квалифицированных рабочих в сельской местности такое решение позволяет повысить урожайность небольших фермерских хозяйств. По данным различных маркетинговых исследований, компания DJI занимает около 70% мирового рынка коммерческих БПЛА. При этом доля промышленных БПЛА в сегменте мирового рынка коммерческих БПЛА составляет более половины, и по приблизительным оценкам оценивается в 9 млрд. долларов США.

Известны также результаты применения БПЛА в сельском хозяйстве Индии. Одним из основных направлений там является картография орошаемых земель и мониторинг их состояния для оптимизации полива. В фермерских хозяйствах также пользуются спросом исследования состояния культур, оценка размеров участков, классификация культур, картографирование местности, распыление химических составов, а также прогнозирование урожайности и оценка качества управления участками по результатам анализа данных, полученных при сканировании. Все это позволяет значительно снизить потери урожая, так как превентивные меры помогают избежать серьезных проблем [2].

Отдельные комплексы позволяют проводить отпугивание грызунов и птиц на полях, чтобы снизить вероятность уничтожения урожая.

Все описанные возможности ускоряют внедрение точного земледелия в сельское хозяйство большинства стран, что ведет к интенсификации использования сельхоз земель и повышению качества урожая, а главное – к более точному прогнозированию и финансовому планированию.

Упомянутые выше технологии развиваются достаточно быстро, но зачастую представляют собой разрозненные решения. Наибольшей эффективности можно добиться путем синтеза комплексного решения, которое совместило бы в себе отдельные части технологий точного земледелия.

Достаточно экономичной и универсальной платформой для интеграции технологий точного земледелия является дирижабль. Современные модели обладают значительной грузоподъемностью, а присущий дирижаблям аэростатический эффект позволяет им долго находиться в воздухе с минимальными затратами энергии. Такие летательные аппараты могут оснащаться всем необходимым оборудованием и осуществлять непрерывный облет заданной территории [3]. Они могут управляться централизованно и обслуживать большое количество фермерских хозяйств, что позволяет решить проблему поиска высококвалифицированного персонала на местах и снизить расходы отдельных хозяйств на внедрение современных технологий.

При условии, что аграрный дирижабль длительное время находится в воздухе и обрабатывает значительную территорию, возможно совмещение в нем аграрных и противопожарных функций. Такое решение удовлетворит производственные потребности аграрной промышленности и повысит уровень пожарной безопасности в регионе. Что особенно актуально в регионах с высокой вероятностью возникновения лесных и степных пожаров.

Общим недостатком существующих способов и устройств тушения пожаров является высокая стоимость, как самой техники, так и ее эксплуатации. В результате она может быть использована только централизованно в масштабах страны или в крупных регионах России. В тоже время при тушении пожаров возникают противоречивые задачи, например, противоречие между обеспечением своевременного пополнения запасов огнетушащего состава для сокращения ущерба в условиях отсутствия водоисточников, и большими затратами на тушение с помощью пожарной авиации [4-9].

Проблема пополнения запасов воды может быть решена путем использования запатентованного метода тушения с помощью азота, выделяемого из воздуха азотной мембранной установкой. Такой способ позволяет исключить затраты времени на возврат, например, вертолета, на аэродром или его полет к ближайшему водоему для пополнения запасов воды [8]. При этом способность дирижабля зависать на одном месте открывает возможность дозаправки топливом в воздухе без остановки тушения пожара.

Принцип тушения заключается в том, что поток азота охлаждается вихревыми модулями Азарова и подается в очаг пожара со сверхзвуковой скоростью. Это позволяет не только понизить концентрацию кислорода, который и образует пламя (низкотемпературную плазму), в зоне пожара, но и отсечь плазму от поверхности горения, т.е. от источника её образования [6-8]. Контейнер азотной мембранной установки может быть закреплен на дирижабле и выполнять также функции причального или посадочного устройства. Он может быть дополнен конструкциями для перевозки пожарных и эвакуации людей. При этом дирижабль может зависать над очагами пожаров до полной их локализации и ликвидации, перемещаясь от одного к другому (рис. 1).

Рисунок 1 - Применение агропожарного дирижабля для тушения лесного пожара

Контейнер азотной мембранной установки (АМУ) [7] может быть «1-м этажом» комплекса жесткой подвески, который в силу своих массогабаритных характеристик (габариты - 6,0×2,5×3,6 м., масса - 11500 кг) вполне может заменить необходимые «причальные устройства», а на «2-м этаже» может быть смонтирована кабина пилота и другие, необходимые отсеки, для реализации технологических и вспомогательных функций.

Если для выполнения агротехнических или спасательных задач необходима транспортировка воды для полива или растворов для опрыскивания, удобрений или техники, то очевидным решением является стыковка контейнера АМУ с аналогичным контейнером для этих целей, без увеличения эксплуатационных затрат (в пределах грузоподъемности дирижабля).

Таким образом, предлагается решение о размещении в кабине и контейнерах дирижабля оборудования и приборов для выполнения следующих задач [8]: точного позиционирования; картографирования местности; мультиспектрального анализа; распыления химических составов; обнаружения загораний, в т.ч. с помощью нейронной сети камерами видимого и инфракрасного диапазона; применения алгоритма оценки содержания горючих материалов на местности и 3D картографии; сепарации азота из воздуха и подавления с его помощью очагов пожара, с применением контейнерной мембранной станции; оснащения локальной вычислительной сетью с высокой производительностью, для обработки данных в реальном времени и управления указанным оборудованием, а также для связи и передачи данных (рис. 2).

Рисунок 2 – Оборудование и технологии агропожарного дирижабля

Заключение. Исследование показало, что существующие работы сторонних авторов не могут быть в чистом виде применены для комплексного решения проблем точного земледелия и противопожарной защиты сельхозугодий. Планируемые исследования обеспечат интеграцию отдельных результатов и достижение цели путем синтеза решения, лишенного известных недостатков.

Применение описанных решений позволяет добиться следующих результатов: точность обнаружения возгораний до 90% [4]; точность оценки объема горючих материалов до 95% [5]; высокая точность показателей мультиспектрального анализа; высокая точность позиционирования и картографирования; возможность точечного распыления химических составов; использование атмосферного азота в качестве бесконечного огнетушащего состава, а следовательно отсутствие необходимости дозаправки водой или другим огнетушащим составом; минимальные затраты на нахождение агропожарного дирижабля в воздухе и патрулирования территории в сочетании с возможностью оснащения всем необходимым оборудованием; автоматический и ручной режимы работы для различных ситуаций.

Результаты системного синтеза моделей интеграции агротехнических и противопожарных задач показали их высокую эффективность [12-19]:

- во-первых, из-за возможности оснащения дирижаблей любой аппаратурой диагностики окружающей среды и подстилающей поверхности, которую невозможно поставить на БПЛА, и трудно адаптировать в бортовые варианты для вертолетов и самолетов,

- во-вторых, из-за возможности удобного (без парашютного) «десантирования» агроспециалистов и/или пожарных-спасателей с необходимыми техническими средствами в любом месте маршрута патрулирования дирижабля, что невозможно не только для БПЛА, но и для самолетов, а также для всех вертолетов, кроме МИ-26,

- в-третьих, из-за экономичности передвижения и простоты «зависания и приземления» дирижабля по необходимости при патрулировании по маршруту, включая полив, распыление удобрений и химикатов защиты,

- в-четвертых, в отсутствии дублирования и возможности экономичного создания и ведения в реальном масштабе времени единой базы данных сельхозугодий, степных и лесных массивов,

- в-пятых, в возможности круглосуточного патрулирования и реагирования на чрезвычайные ситуации по оптимальным маршрутам территорий всех регионов России, включая труднодоступные и горные районы, что невозможно ни существующими средствами, ни БПЛА, ни отдельными службами (МЧС, Рослес, Агропром) из-за ограниченности материальных и людских ресурсов,

- в-шестых, не требуют строительства специальных «причальных средств»,

- в-седьмых, в эмерджентности такой синергетической системы, обеспечивающей и пожарную, и продовольственную безопасность.

Необходимо также отметить, что актуальность и новизна описанного подхода и методов подтверждены патентами РФ [5-8].

Список использованных источников

1. Шатилов И.С., Чудновский А.Ф. Агрофизические, агрометеорологические и агротехнические основы программирования урожая: Принципы АСУ ТП в земледелии – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 320 с.

2. Белозеров В. В. Обоснование применение противопожарного дирижабля в сельском и лесном хозяйстве / В. В. Белозеров, О. И. Катин, М. А Никулин // Перспективные разработки и прорывные технологии в АПК: сб. мат. национальной научно-практической конференции, (Тюмень, 21-23 октября 2020 г.) / Гос агр. ун-т Северного Зауралья – Тюмень: ГАУСЗ, 2020. – С. 4-10.

3. Попадейкин В.В. Многоцелевой беспилотный дирижабль как инновация в народном хозяйстве [Электронный ресурс] – URL: https://russiandrone.ru/publications/mnogotselevoy-bespilotnyy-dirizhabl-kak-innovatsiya-v-narodnom-khozyaystve/ (дата обращения 11.11.2021).

4. Белозеров В. В., Ворошилов И.В., Зимовнов О.В., Никулин М. А., Обухов П.С., Белозеров Вл. В. СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ, ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОГНЯ И ТУШЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ АТМОСФЕРНЫМ АЗОТОМ С ПОМОЩЬЮ ВЕРТОЛЕТА //Патент РФ на изобретение № 2730906 от 17.02.2020, опубл. 26.08.2020 Бюл. № 24

5. Белозеров В.В., Денисов А.Н., Катин О.И., Никулин М.А., Белозеров Вл.В. Способ реализации агротехнологий и противопожарной защиты сельхозугодий и лесных массивов с помощью дирижабля //Патент РФ № 2751365. Патентообладатели: ДГТУ, АГПС МЧС РФ, Государственный агарный университет Северного Зауралья. 2021. Бюл. № 20.

6. Абросимов Д.В., Белозеров В.В., Зимовнов О.В., Никулин М.А., Филимонов М.Н., Белозеров В.В. Способ обнаружения и тушения вертолетом ландшафтных пожаров инертными атмосферными газами //Патент РФ № 2732748. Патентообладатели: ООО ККЗ, ДГТУ 2020. Бюл. № 27.

7. Ворошилов И.В. Передвижная станция компрессорная азотная //Патент РФ на промышленный образец № 102768. 2017, Бюл. № 3.

8. Белозеров В. В., Ворошилов И. В., Денисов А. Н., Зубков С. Г., Никулин М. А., Топольский Н. Г., Белозеров Вл. В. Способ обнаружения и тушения пожаров сельхозугодий, степных и лесных массивов атмосферным азотом // Заявка на изобретение № 2020126308 от 07.08.2020 г.

9. Цветков П. А., Буряк Л. В. Исследование природы пожаров в лесах Сибири //Сибирский лесной журнал.- 2014.- № 3.- С. 25–42.

10. Valery Belozerov, Mihail Nikulin and Nikolay Topolsky Nanotechnology for the suppression of fires in agricultural land and forests / XIII International Scientific and Practical Conference «State and Prospects for the Development of Agribusiness – INTERAGROMASH 2020» // E3S Web Conf., 175 (2020) 12007; DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017512007

11. Goyal S. A YOLO based Technique for Early Forest Fire Detection / S. Goyal, MD Shagill, A. Kaur, H. Vohra // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE) – volume 9, issue 6 – April 2020. – P. 1357-1362.

12. Krukowski A. Application of UAS in Forest Firefighting for Detecting Igni-tions and 3D Fuel Volume Estimation / A. Krukowski, E. Vogiatzaki // International Journal of Biological and Ecological Engineering – Volume14, Number 11 – November 2020. – P. 335 – 340.

13. МЧС России – Авиация – Техника [Электронный ресурс] – URL: https://www.mchs.gov.ru/ministerstvo/uchrezhdeniya-mchs-rossii/spasatelnye-podrazdeleniya/aviaciya/ tehnika (дата обращения - 09.01.2021).

14. Совершенствование пожарных машин на базе летательных аппаратов /В. П. Перминов [и др.] //Пожарная охрана на службе государства: 1918-2018: сб. науч. тр. – Уфа: УГАТУ, 2018. С. 92-130.

15. Martinez-de-Dios J.R. Multi-UAV Experiments: Application to Forest. Fires / J.R. Martinez-de-Dios, L. Merino, A. Ollero, L. M. Ribeiro, X. Viegas // Springer Tracts in Advanced Robotics – October 2007. – P. 207 – 228.

16. Klyuchka Y., Lukyanov A., Donskoy D., Katin O., Vernezi M., Goryanina K., Drynkin Y., Tregubenko L. INFORMATION COORDINATION OF BIOLOGI-CAL AND TECHNICAL OBJECTS IN THE VEGETATION CHAMBER // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 12th International Scientific Conference on Agricultural Machinery Industry, INTERAGROMASH 2019. 2019. С. 012046. DOI: 10.1088/1755-1315/403/1/012046

17. Moulianitis V. C. Evaluation of UAV based schemes for forest fire monitoring / V. C. Moulianitis, G. Thanellas, N. Xanthopoulos, N. A. Aspragathos // Advances in Service and Industrial Robotics (RAAD 2018). Mechanisms and Machine Science – Volume 67 – January 2019. – P 1-8.

18. Calle A. Forest Fires and Remote Sensing / A. Calle, J. L. Casanova. // Integration of Information for Environmental Security. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security - January 2008, DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6575-0_19

19. F. Rego, J. Rodríguez, V. Calzada and G. Xanthopoulos. Forest Fires - Sparking firesmart policies in the EU. Research & Innovation. Projects for Policy, November 2018

Код для цитирования: Скопировать