Повышение эффективности управления авиационными работами по территориальному распределению активных веществ на основе информационных технологий

Население Земли постоянно увеличивается, необходимо решать серьезную продовольственную проблему [27]. Это решение возможно путем повышения производительности, продуктивности и эффективности агропромышленного комплекса. Речь идет о том, чтобы производить здоровые полноценные продукты, не причинив при этом вреда человеку, животным и окружающей среде. Основное направление в решении данной проблемы связано с высокоурожайными сортами сельскохозяйственных растений, полученными в результате достижений селекции и генетики. Однако новые сорта, значительно выигрывая в урожайности, часто теряют сопротивляемость к болезням и вредителям. Поэтому необходимы высокоэффективные средства защиты этих растений, связанные, прежде всего, с применением специальных авиационных технологий с высокоточным и экологически надежным способом внесения химических и биологических средств воздействия.

В настоящее время данные работы в соответствии с классификатором авиационных работ «Авиационные работы. Классификация. Термины и определения» РД-54−2-24.047−2000 называются «Авиационное распределение веществ и биологических объектов» взамен старого термина «Авиационно-химические работы».

Авиационный способ химической защиты растений имеет целый ряд преимуществ перед наземным способом:

— высокая производительность;

— обработка в сжатые и наиболее оптимальные сроки;

— низкие нормы расхода средств воздействия;

— обработка в труднодоступных местах;

— отсутствие механического повреждения растений и уплотнения почвы;

— возможность использования ультрамалообъемного опрыскивания;

— способность выполнять работы при любом состоянии почвы;

— высокая точность нормы расхода и равномерность распределения вносимых веществ, в том числе и в малых дозах;

— высокая мобильность и маневренность.

В тоже время существуют проблемы при использовании воздушных судов на авиационных работах по территориальному распределению активных веществ:

— большой расход топлива воздушных судов;

— неудовлетворительное качество внесения химикатов в результате его сноса за пределы обрабатываемого участка;

— повышенная опасность и высокая стоимость работ;

— сложность работ, требующая хорошей организации сигнальной службы и чёткого взаимодействия летного состава и наземного обслуживающего персонала;

— требование квалификации участников работ, в частности, к пилоту воздушного судна;

— использование в качестве ориентира для выхода на очередной гон наземных сигнальщиков;

— отсутствие в эксплуатации современной отечественной авиационной техники и сельскохозяйственного оборудования для высокоточного внесения веществ и биологических объектов.

Одним из недостатков широко используемого на авиационных работах по территориальному распределению активных веществ (АРРВ) самолёта Ан-2СХ является необеспеченность надежной защиты кабины пилотов от попадания в неё ядохимикатов, что приводит к досрочному списанию пилотов по состоянию здоровья [27]. Низкая бортовая энерговооруженность не позволяет реализовать новые научно-технические достижения по навигационной и сельскохозяйственной аппаратуре, обеспечивающие существенное повышение качества АРРВ.

Особо стоит отметить проблему повышения эффективности технологической подготовки к проведению АРРВ в виду их значимости в планировании и оценке предстоящих работ. Определение параметров технологического процесса АРРВ проводится по устаревшим методам с использованием старых справочников, использующих приближенные расчёты: учитываются только стандартные способы обработки, а именно челночный или загонный, в то время когда существуют более рациональные способы (например, комбинированный) — по существующим методам расчёта предполагается, что сельскохозяйственный участок имеет строго прямоугольную форму, что не всегда соответствует действительностинекорректно учитываются перелеты от аэродрома до участка, а именно не учитывается их взаимное расположение, при этом обрабатываемый участок рассматривается как материальная точка.

Проблемой повышения эффективности управления АРРВ занимались следующие ученые: Н. А. Поспелов, С. С. Легкоступ, Г. И. Шмелев, Н. С. Харитоновым. И. Славков, Н. В. Долбня, К. Ю. Дибихин, Н. А. Попов, Л. А. Сабетов, Н. 3. Султанов, Н. И. Куликов, М. А. Федоренко и др. Несмотря на ценность и важность проведённых исследований, в настоящее время не выполнено комплексное моделирование процессов выполнения АРРВ.

В последние годы (1997;2011) в России проводится более 35 видов разнообразных АРРВ: борьба с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культуррассев минеральных удобренийборьба с сорной растительностьюдесикация (искусственное ускорение созревания и подсушивание) — дефолиация (предуборочное удаление листьев) — работы по предотвращению полегания посевов (внесение ретордантов).

Повышение эффективности управления авиационными работами по территориальному распределению активных веществ возможно на основе использования современных информационных технологий и представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является повышение эффективности управления авиационными работами по территориальному распределению активных веществ на основе информационных технологий и оценка эффективности конечных результатов.

Основные задачи исследования в соответствии с поставленной целью сформулированы следующим образом:

1. Разработать концепцию исследования и системного моделирования процессов управления авиационными работами по территориальному распределению активных веществ.

2. Разработать модель технологического процесса и определить обобщенный критерий эффективности управления технологическим процессом авиационных работ по территориальному распределению активных веществ.

3. Разработать алгоритм повышения эффективности управления и структуру автоматизированной системы управления технологическим процессом авиационных работ по территориальному распределению активных веществ.

4. Разработать программное обеспечение автоматизированной системы управления технологическим процессом авиационных работ по территориальному распределению активных веществ и исследовать эффективность его работы.

Методы исследования.

При решении указанных задач использованы методы теории управления, системного анализа, теории моделирования, математические методы, методы объектно-ориентированного программирования.

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

1. Концепция исследования и системного моделирования процессов управления авиационными работами по территориальному распределению активных веществ.

2. Модель технологического процесса и обобщенный критерий эффективности управления технологическим процессом авиационных работ по территориальному распределению активных веществ.

3. Алгоритм повышения эффективности управления и структура автоматизированной системы управления технологическим процессом авиационных работ по территориальному распределению активных веществ.

4. Программное обеспечение автоматизированной системы управления технологическим процессом авиационных работ по территориальному распределению активных веществ и результаты исследования эффективности его работы.

Научная новизна результатов:

1. Научная новизна предложенной концепции исследования и системного моделирования процессов управления АРРВ состоит в том, что авиаработы представлены, с одной стороны, в виде системы, а с другой — в виде технологического процесса, что позволяет использовать методы системного анализа для исследования связей и закономерностей функционирования АРРВ с целью повышения эффективности их управления.

2. Научная новизна модели технологического процесса АРРВ заключается в том, что она учитывает влияние ветра в заданных ограничениях по его скорости и направлению на время выполнения отдельных элементов полёта воздушного судна, что позволяет повысить эффективность планирования и выполнения АРРВ.

3. Научная новизна обобщенного критерия эффективности управления технологическим процессом АРРВ состоит в том, что он учитывает время обработки единицы площади участка, а также площадь зон нулевой обработки — необработанные участки, площадь зон загрязнений — участки нецелевого внесения веществ и площадь зон двойной обработки — участки, обработанные два раза, что позволяет увеличить производительность АРРВ, повысить равномерность и снизить затраты распределяемых активных веществ.

4. Научная новизна алгоритма повышения эффективности управления технологическим процессом АРРВ заключается в том, что он применим для обрабатываемых участков с формой, отличной от прямоугольной, что позволяет определять эффективные схемы траектории движения воздушного судна при выполнении АРРВ.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработанная модель технологического процесса АРРВ позволяет проводить на её основе исследования и вычислительные эксперименты за счёт её универсальности и более высокой точности по сравнению с существующими.

2. Разработанный в работе алгоритм повышения эффективности управления технологическим процессом АРРВ гарантирует определение наиболее эффективных технологических параметров выполнения АРРВ за счёт использования метода полного перебора.

3. Разработанное программное обеспечение автоматизированной системы управления технологическим процессом АРРВ позволит снизить расход авиационного топлива и повысить производительность авиаработ за счёт сокращения общей длины траектории полёта воздушного судна и более рациональной схемой обработки участка.

4. Результаты диссертационной работы целесообразно использовать в производственном процессе авиапредприятий и учебном процессе вузов.

Связь темы исследования с научными программами.

Работа выполнена на кафедре систем автоматизации производства ОГУ в рамках следующих грантов и научных программ: грант Российского фонда фундаментальных исследований 08−08−99 110-рофи по теме «Повышение эффективности функционирования и управление качеством авиационно-химических работ" — госбюджетная НИР № ГР 1 200 407 019.

Анализ эффективности использования воздушных судов по разным сферам применения и оптимизация парка воздушных судов" (2007 — 2011 годы)" — аналитическая ведомственная целевая программа Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме «Методология управления качеством авиационно-химических работ на основе моделирования технологического процесса с применением авиакосмических технологий» № 2.1.2/1259(2009;2011 годы).

Реализация результатов исследования.

Материалы диссертационного исследования внедрены и используются:

— в подразделениях федерального государственного унитарного предприятия «Оренбургские авиалинии» (с 2008 года);

— в учебном процессе кафедры систем автоматизации производства федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» (с 2009 года).

Апробация работы.

Основные положения, материалы диссертации и результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

— всероссийских и международных конференциях: 7-ой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2008 г.) — 7-ой Всероссийской научно-практической конференции «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2009 г.) — 2-ой Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (Невинномысск, 2009 г.) — 10-ой Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2009 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009 г.) — Международной молодежной научной конференция «XVII Туполевские чтения» (Казань, 2009 г.);

Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск, 2009 г.) — 4-ой Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2009 г.) — 52-ой научной конференции Московского физико-технического института «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва, 2009 г.) — XV Международной научной конференции «Современные проблемы информатизации в экономике и обеспечении безопасности» (Воронеж, 2010 г.) — Международной научной конференции «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса» (Самара, 2010 г.) — Международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010 г.) — Научной школе-семинаре молодых учёных и специалистов в области компьютерной интеграции производства (Оренбург, 2010 г.) — Межрегиональной научно-практической конференции «50-лет космической эры: Человек, Земля, Вселенная» (Оренбург, 2011 г.) — Межвузовской молодежной конференции в рамках Дней молодежной науки в Оренбургской области (Оренбург, 2011 г.);

— на семинарах и заседаниях кафедры систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета (Оренбург, 2008;2011 гг.);

— на научно-техническом совете федерального государственного унитарного предприятия «Оренбургские авиалинии» (Оренбург, 2008 г.);

— на семинаре «Направления и перспективы научной деятельности в промышленности Аэрокосмического института ОГУ» (Оренбург, 2009 г.).

Научные разработки по теме диссертации экспонировались на:

— областных выставках научно-технического творчества молодёжи «НТТМ» (Оренбург, 2008;2009, 2011 гг.);

— специализированных выставках «Промэнергстроймаш» (Оренбург, 2008 и 2009 гг.);

— Первой региональной выставке «Партнерство регионов» (Оренбург, 2009 г.);

— IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2009 г.).

Работа включена в каталог инновационных разработок Оренбургского центра научно-технической информации (Оренбург, 2009 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 23 работах, включая 2 статьи в научных изданиях из списка ВАК, 17 публикаций в сборниках материалов конференций. Получены 4 свидетельства о регистрации программного средства в университетском (г. Оренбург) и отраслевом (г. Москва) фондах алгоритмов и программ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 160 страницах машинописного текста, проиллюстрировано 87 рисунками и 16 таблицами.

Список литературы

включает 108 наименования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Диссертация посвящена исследованию эффективности управления авиационными работами по территориальному распределению активных веществ в агропромышленном комплексе на основе информационных технологий.

1. Предложенная концепция исследования и системного моделирования процессов управления АРРВ базируется на представлении авиационных работ, с одной стороны, в виде организационно-технологической системы, а с другой — в виде технологического процесса, что позволяет выполнить группировку операций на подготовительные, вспомогательные, рабочие и заключительные и показать зависимость производительности авиаработ от времени выполнения операции в соотнесении их к каждой из групп.

2. Разработанная модель технологического процесса АРРВ включает в себя модель обработки участка челночным способом движения воздушного судна с учётом перелёта от аэродрома, модель разворота воздушного судна для повторного захода на гон в трёхмерном пространстве, модель влияния ветра на время выполнения отдельных элементов полёта воздушного судна. При этом показано, что время полёта и разворота воздушного судна зависят от скорости ветра линейно, а зависимость времени полёта и разворота воздушного судна от курсового угла ветра представляют собой синусоидальную функцию.

Определённый обобщенный критерий эффективности управления технологическим процессом АРРВ учитывает время обработки единицы площади участка, а также площадь зон нулевой обработки — необработанные участки, площадь зон загрязнений — участки нецелевого внесения веществ и площадь зон двойной обработки — участки, обработанные два раза, что позволяет увеличить производительность АРРВ, повысить равномерность и снизить затраты распределяемых активных веществ.

3. Разработанный алгоритм повышения эффективности управления технологическим процессом АРРВ исследует все варианты схем траектории движения воздушного судна, что гарантирует определение наиболее эффективных технологических параметров выполнения АРРВ. Алгоритм применим для участков с контуром, отличным от прямоугольной формы, при этом учитываются координаты аэродрома и площади необработанных зон по контуру участка. На основе принципа управления по возмущению и по отклонению разработана функциональная схема модели управления технологическим процессом, что позволило спроектировать структуру АСУТП авиационных работ по территориальному распределению активных веществ.

4. Разработанное программное обеспечение АСУТП авиационных работ по территориальному распределению активных веществ позволяет моделировать технологический процесс АРРВ и на основании введённых критериев рассчитывать эффективную схему траектории полёта воздушного судна и технологические параметры проводимых авиаработувеличить среднюю производительность авиаработ примерно на 17%- уменьшить площадь необработанных зон в 2,5 раза, а площадь зон загрязнения в 3,6 раза за счёт сокращения общей длины траектории полёта воздушного судна и более рациональной схемой обработки участка.