Введение к работе
Актуальность темы Проблема полноценного и безопасного питания человека является сегодня одной из самых важных социальных и научных проблем. Она обостряется с ростом народонаселения Земли и его непрерывным стремлением к улучшению качества жизни. Это ведет к возрастающему потреблению материальных и энергетических ресурсов планеты и сопровождается загрязнением окружающей среды экологически вредными химическими веществами, заражением живых организмов болезнетворными микробами и вирусами и соответственно приводит к снижению количества, качества и безопасности производимой агропродукции.
Основываясь на результатах научных исследований и работах в области электротехйологии и учитывая хемоэлектромагнитные преобразования, происходящие на уровне биологических клеток, предлагается решение проблемы по увеличению продуктивности сельскохозяйственной продукции, её безопасности и улучшению качества провести при минимальных материальных, энергетических затратах и воздействиях на окружающую среду за счет совершенствования электрофизических методов и средств контроля и управления сельскохозяйственными технологиями, которые обеспечивают создание условий для максимально полной реализации сельскохозяйственными растениями и животными своего генетического потенциала, и основаны на контроле электрических свойств сельскохозяйственной продукции и методах электронно-оптической визуализации её биологических объектов.
Разработка и совершенствование электрофизических методов и средств контроля и управления сельскохозяйственными технологиями, создание на их основе информационно-управляющих систем, работающих с учётом собственных механизмов регуляции живых организмов, воссоздающих себя в процессах обмена с окружающей средой в соответствии с генетической программой, заложенной в них природой, является актуальной и практически значимой проблемой сельскохозяйственного производства.
Связь выполненных исследований с государственными программами. Исследования выполнены в соответствии с Государственной программой по решению научно-технической проблемы 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и автоматизированные технические средства электрификации сельского хозяйства», задание 04 «Разработать унифицированные системы управления технологическими процессами и поточными линиями сельскохозяйственного производства, обеспечивающие переход от автоматизации отдельных машин и агрегатов к полной автоматизации отдельных цехов и предприятий», Федеральной целевой научно-технической программой «Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», ев подпрограммой «Перспективные процессы производства сельскохозяйственной продукции» и планами НИР ФГОУ ВПО МГАУ.
Цель и задачи исследования. Разработка научно-методических основ использования и совершенствования электрофизических методов и средств контроля и управления сельскохозяйственными технологиями, обеспечивающими создание условий для максимально полной реализации своего генетического потенциала сельскохозяйственными растениями и животными.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
Осуществить анализ современных технологий производства сельскохозяйственной продукции и определить тенденции развития методов, систем и средств контроля и управления этого производства.
Разработать научно-методические основы использования и совершенствования электрофизических методов и средств контроля и управления сельскохозяйственными технологиями, в том числе:
. систематизировать и классифицировать параметры жизнеобеспечения и управляемые электрофизические параметры сельскохозяйственной продукции, сельскохозяйственные технологий (электромеханизации и электротехнологии), системы контроля и управления ими;
. обосновать значимость собственных электрических полей и токов для жизнедеятельности сельскохозяйственных растений и животных;
. разработать электротехническую модель мембран биологических клеток для их состояний: покоя, стимуляции, угнетения, возбуждения (стресса) и электрического пробоя мембран;
разработать математические модели электрофизических процессов, происходящих в биологических клетках для их состояний И СОСТОЯНИЙ ЖИВЫХ организмов;
разработать математические модели электрических свойств сельскохозяйственной продукции и методы электронно-оптической визуализации биологических объектов при изменении параметров их жизнеобеспечения.
3. Создать технические средства электрофизического контроля и управ
ления сельскохозяйственными технологиями, на основе разработанных элек
трофизических методов и математических моделей, провести их испытания и
оценить технико-экономическую эффективность.
Методологическая база и методы исследования. В основу разработки электрофизических методов и средств контроля и управления сельскохозяйственными технологиями, обеспечивающими условия для максимально полной реализации сельскохозяйственными растениями и животными своего генетического потенциала, положен методологический прием, в соответствии с которым, биологические объекты и их технологии рассмотрены как сложные системы, в которых взаимодействуют множество параметров жизнеобеспечения, оказывающих влияние на количество, качество и безопасности сельскохозяйственной продукции и определяющих материальные, энергетические и экономические показатели её производства.
Поставленные задачи решены с позиций системного подхода с использованием методов системотехники, теории исследования больших систем, теории вероятностей и математической статистики, теории автоматического регулирования, теории корреляционного и регрессионного анализов, методов
активного планирования эксперимента, дифференциального и интегрального исчислений, математического моделирования и программирования с применением ЭВМ и компьютерных прикладных программ. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современной измерительной и вычислительной техники
Объект исследоваиия. биологические объекты сельскохозяйственной продукции, сельскохозяйственные технологии (электромеханизации и элек-тротехяологии), технические средства контроля и управления параметрами сельскохозяйственной продукции.
Предмет исследования. Электрофизические методы определения количественных и качественных параметров сельскохозяйственной продукции; математические модели электрических свойств продукции и методы элек-гронно-оптической визуализации её биологических объектов.
Научная новизна. Разработаны научно-методические основы систематизации и классификации параметров жизнеобеспечения, контролируемых и управляемых электрофизических параметров агропродукции.
Обоснована значимость собственных электрических полей и токов для жизнедеятельности сельскохозяйственных растений и животных, предложена электротехническая модель мембран биологических клеток при изменении их состояний: покоя, стимуляции, угнетения, возбуждения (стресса) и электрического пробоя мембран. Разработаны математические модели электрофизических процессов, происходящих в биологических клетках и являющихся основой для осуществления контроля процессов жизнедеятельности биологических объектов при внешних воздействиях.
Разработаны математические модели электрических свойств сельскохозяйственной продукции и методов электронно-оптической визуализации её биологических объектов, используемых при контроле и управлении параметрами сельскохозяйственных технологий.
Практическая ценность работы. Обоснованы и разработаны принципы и методы построений эффективных сельскохозяйственных технологий, систем контроля и управления ими, которые обеспечивают повышение продуктивности, улучшение качества и безопасности продукции и определяют материальные, энергетические и экономические показатели её производства.
Предложены направления планомерного перехода от техногенно-интенсивных технологий к интенсивным автоматическим биоэкологазнро-ванкым и биоинформационным технологиям, обеспечивающим создание условий для максимально полной реализации своего генетического потенциала сельскохозяйственными растениями и животными и освобождающим человека от непосредственного участия в операциях и контроля и управления производством.
Разработан комплекс технических средств электрофизического контроля и управления сельскохозяйственными технологиями, включая устройство контроля влажности сельскохозяйственных материалов, основанное на измерении их диэлектрической проницаемости, характеризующей их параметрические свойства; устройство биоинформационного контроля процессов само-
консервации и хранения зерна, основанное на измерении поверхностных электрических потенциалов сельскохозяйственных материалов, характеризующих их генераторные свойства; устройство электронно-оптической идентификации живых организмов, основанное на контроле - электронно-оптической визуализации внешних признаков отдельных биологических объектов; устройство электроактивации микробиологических процессов, основанное на электростимуляции биологических объектов (микроорганизмов) и электроактивации среды их обитания.
Реализация результатов исследований. Для реализации результатов проведенных исследований разработаны и прошли производственную проверку устройства:
. контроля влажности сельскохозяйственных материалов в ЗАО «Внуковское» Московской области,
биоинформационного контроля процессов самоконсервации и хранения зерна в ЗАО агрофирмы «Орудьевсхое» Московской области,
электронно-оптической идентификации живых организмов в опытном хозяйстве РГАУ - МСХА им. К.А. Тимирязева,
. электроактивации микробиологических процессов на Бобруйском РУП «Гидролизный завод» республики Беларусь и ООО ЗЭТ-АЛКО Урванского района КБР РФ.
Материалы исследований и проведенных производственных испытаний переданы в ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН и в ФГУП ВНИИ «Агросистема» Министерства сельского хозяйства РФ, признаны перспективными, внедрены в научные разработки институтов и явились основой для разработки зоотехнических требований и технических заданий на проектирование и разработку вышеуказанных технических средств контроля и управления параметрами сельскохозяйственных технологий.
Результаты исследований вошли в изданные автором монографию, учебник и учебные пособия, которые используются в учебном процессе сельскохозяйственных техникумов, колледжей и вузов.
Новизна разработанных технических решений подтверждена восемью авторскими свидетельствами и патентами России и одним положительным решением на изобретение. Результаты испытаний разработанного комплекса технических средств электрофизического контроля и управления сельскохозяйственными технологиями отражены в соответствующих документах и актах, приведенных в приложении к диссертационной работе.
На защиту выносятся.
Принципы систематизации и классификации параметров жизнеобеспечения и управляемых электрофизических параметров сельскохозяйственной продукции и формирование систем контроля и управления ими, которые обеспечивают повышение экономической эффективности и экологической безопасности производимой сельскохозяйственной продукции за счет создания условий для максимально полной реализации сельскохозяйственными растениями и животными своего генетического потенциала
Механизмы использования электрической энергии живыми организмами в процессах своей жизнедеятельности.
Математические модели электрофизических процессов, происходящих в биологических клетках и объектах в состоянии их покоя, стимуляции, угнетения, возбуждения (стресса) и электрического пробоя мембран, позволяющие описать и контролировать процессы жизнедеятельности биологических объектов при внешних воздействиях
Математические модели электрических свойств и методы электронно-оптической визуализации биологических объектов, используемые для проектирования и разработки информационно-управляющих систем сельскохозяйственных технологий, учитывающих работу собственных систем регуляции биологических объектов, воссоздающих себя в процессах обмена с окружающей средой в соответствии с генетической программой, заложенной в них природой.
Комплекс технических средств электрофизического контроля и управления сельскохозяйственными технологиями.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили одобрение на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО МГАУ (г. Москва, МГАУ, 1979...2006); всесоюзных, всероссийских и международных научно-технических симпозиумах, конференция и семинарах: «Проблемы кибернетики в с/х. производстве»(г. Одесса, ОТЙПП, 1979), «Высокоэффективные электротехнологни по производству продуктов сельского хозяйства, их переработке и хранению» (г. Москва, МГАУ, 1993), «Высокоэффективные электротехнологии и биоинформационные системы управления АПК» (г. Москва, МГАУ, 1997), «Информационные технологии яри подготовке инженерных кадров для села» (г. Тамбов, ТГТУ, 2002), «Состояние и проблемы измерений» (г. Москва, МГТУ им. Баумана, 2002), «Достижения вузовской науки - агропромышленному производству» (г. Москва, МГАУ, 2003), «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (г. Углич, ВИМ, 1997,2002, 2004), «Современное состояние и перспективы развития селекции и семеноводства овощных культур» (г. Москва, ВНИИССОК, 2005), «Интеллектуальные системы» (AIS"05) и «Интеллектуальные САПР (CAD-2005)» (г. Таганрог, ТГРУ, 2005), «Аграрная энергетика в XXI столетии» (г. Минск, Институт энергетики АПК НАН Беларуси, 2005), «На-ноэлектротехнологйи в сельском хозяйстве» (г Москва, МГАУ, 2006), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, ВИЭСХ, 2006), «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербург, СПбГТГУ, 2006), «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (г. Углич, ВЙМ, 2006), «Научно-технический прогресс в инженерной сфере агропромышленного комплекса России: методология и практика оказания интеллектуальных услуг сельскохозяйственному производству» (г. Москва, РАСХН, 2006), «Научно-технический прогресс в животноводстве - машинно-технологическая модернизация отрасли» (г. Москва, ВНИИМЖ, 2007).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 105 печатных работах, включая монографию, 5 учебников и учебных пособий, 8 авторских свидетельств и патент на изобретения. Одиннадцать научных работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, основных результатов н выводов, библиографического списка (425 наименований) и приложений, изложена на 294 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка и 15 таблиц.
