1. Введение
Разработка информационных систем удалённого управления и мониторинга в животноводстве связана не только с автоматизацией отдельных операций, но и с переходом хозяйств к более точному управлению производственной средой. На государственном уровне это соответствует курсу на цифровую трансформацию агропромышленного комплекса до 2030 г.
[1][2]
Целью работы является определение состава требований к системе удалённого управления и мониторинга микроклимата животноводческого помещения и обоснование архитектурных и алгоритмических решений, обеспечивающих их выполнение.
Направление, в рамках которого развиваются системы мониторинга и управления в животноводстве, оформилось за рубежом как точное животноводство (precision livestock farming). Основы подхода сформулированы Д. Беркмансом: непрерывное автоматическое наблюдение за состоянием животных и среды рассматривается как инженерная задача управления процессом, а не как средство сбора статистики
[3][4][5]
Масштаб направления показан в наукометрическом обзоре Б. Цзяна и соавторов, где по базе Web of Science прослежен рост числа публикаций и выделены основные тематические ядра, среди которых управление средой содержания занимает устойчивое место
[6][7]
В отечественных работах то же направление представлено более узко и ближе к практике проектирования. Р. М. Ильиным и С. В. Вторыго обоснованы параметры системы мониторинга микроклимата в животноводческих помещениях, определены перечень контролируемых величин и требования к размещению точек измерения
[8][9][10][11][12][13]
Сопоставление перечисленных работ показывает общую логику развития: состав функций системы определяется перечнем измеряемых величин, а совершенствование идёт по пути увеличения их числа и усложнения обработки. При этом два вопроса остаются вне рассмотрения. Первый: форма, в которой задан сам зоогигиенический норматив, не используется как источник требований к системе, хотя часть показателей нормируется не мгновенным значением, а с ограничением по длительности воздействия. Второй: не анализируется метрологический статус получаемых данных, от которого зависит, могут ли они служить документальным подтверждением условий содержания животных.
Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые предложено включить в состав управляемых величин системы суточную накопленную экспозицию по каждому нормируемому газу, вычисляемую как суммарная за сутки длительность превышения предельного значения; это позволяет обнаруживать нарушение условий содержания до того, как нормативный предел будет исчерпан, тогда как известные решения
[8][10][11]
На основе действующей нормативной базы и сформулированных положений новизны определён следующий перечень требований.
Т1. Система должна непрерывно измерять температуру, относительную влажность, скорость движения воздуха и концентрации аммиака и углекислого газа. Источник требования: ветеринарно-санитарные требования к животноводческим помещениям
[14]
Т2. Система должна хранить ряд измерений и вычислять суточную накопленную экспозицию по каждому нормируемому газу. Источник требования: форма задания норматива: предельные значения содержания аммиака 20 мг/м³, сероводорода 10 мг/м³ и пыли 6 г/м³ отнесены к кратковременному, в течение пяти часов в сутки, состоянию воздушной среды
[14]
Т3. Система должна формировать предупреждение при достижении накопленной экспозицией заданной доли нормативного предела, а не только при выходе мгновенного значения за уставку.
Т4. Контур регулирования должен сохранять работоспособность при недоступности внешнего канала связи. Источник требования: характер объекта: прекращение воздухообмена в закрытом помещении приводит к последствиям в течение часов.
Т5. При конфликте целей управления приоритет отдаётся жизнеобеспечению, а не энергосбережению. Источник требования: совместное действие норм по газовому составу и по температуре в холодный период.
Т6. Измерения, используемые для документального подтверждения условий содержания, должны выполняться средствами измерений утверждённого типа, прошедшими поверку. Источник требования: Федеральный закон № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений»
[15]
Т7. Архив должен быть непрерывным: при восстановлении связи накопленные данные передаются с сохранением исходных меток времени.
2. Основные результаты
Система строится как многоуровневый программно-аппаратный комплекс. Согласно ГОСТ Р 70924-2023, системы Интернета вещей связывают физические объекты с ИТ-системами через сети, а датчики и исполнительные устройства используются для получения данных о среде и воздействия на неё
[16][17]
Структура системы удалённого мониторинга и управления микроклиматом животноводческого помещения
Компоненты системы сгруппированы в четыре уровня (см. рис. 1). Полевой уровень объединяет измерительные преобразователи и исполнительные механизмы. Уровень локального управления образует контроллер, размещённый в здании: он опрашивает датчики, реализует базовые законы регулирования и ведёт собственный журнал, чем выполняются требования Т4 и Т7. Коммуникационный уровень включает шлюз и канал связи с сервером; для объектов с ограниченной сетевой инфраструктурой применимы сети LoRaWAN, ориентированные, согласно ГОСТ Р 71168-2023, на обмен данными с приборами и датчиками при низких требованиях к пропускной способности и автономной работе устройств до 10 лет и более [18]. Прикладной уровень объединяет базу данных, аналитический модуль, вычисляющий накопленную экспозицию по Т2, и интерфейс оператора.
Алгоритм выполняется циклически с периодом Δt и представлен на рис. 2 в виде схемы по ГОСТ 19.701-90. Последовательность действий следующая.
Схема алгоритма работы системы
Шаг 2. Проверка достоверности показаний по признакам выхода за диапазон измерения, обрыва линии и отсутствия изменения значения дольше заданного времени. Недостоверное показание помечается и не участвует в расчёте экспозиции, регулирование продолжается по последним подтверждённым уставкам. Это исключает ситуацию, при которой отказ датчика воспринимается как нулевая концентрация.
Шаг 3. Обновление суточной накопленной экспозиции. Для каждого нормируемого газа накопленная экспозиция увеличивается на Δt, если текущая концентрация превышает предельное значение, и не изменяется в противном случае. Накопление ведётся в пределах суток с обнулением в заданный час.
Шаг 4. Сравнение с условиями срабатывания. Управляющее воздействие формируется, если текущее значение вышло за уставку либо накопленная экспозиция достигла заданной доли нормативного предела (принято 0,8). Если ни одно из условий не выполнено, уставки не изменяются.
Шаг 5. Разрешение конфликта целей. В холодный период увеличение воздухообмена, необходимое для снижения концентрации аммиака, приводит к падению температуры внутреннего воздуха. Согласно Т5, приоритет отдаётся жизнеобеспечению: увеличивается подача приточного воздуха с одновременным включением подогрева, а не блокируется вентиляция.
Шаг 6. Выдача воздействий на вентиляционное, отопительное и увлажнительное оборудование. Пороговое регулирование выполняется с зоной нечувствительности: без гистерезиса оборудование при колебаниях параметра вблизи уставки переходит в режим частых пусков, что повышает удельное энергопотребление.
Шаг 7. Запись результатов измерения и выданных воздействий в локальный журнал с меткой времени.
Шаг 8. Передача накопленных данных на сервер при наличии связи и приём скорректированных уставок, рассчитанных по прогнозу на прикладном уровне. При отсутствии связи данные буферизуются в локальной памяти и передаются после восстановления канала с сохранением исходных меток времени, чем обеспечивается выполнение Т7.
Для иллюстрации предложенного решения рассмотрен модельный суточный ход концентрации аммиака в зоне размещения животных, принятый с учётом характера технологических операций: утренний и вечерний подъёмы связаны с уборкой навоза и раздачей кормов. Шаг дискретизации принят равным одному часу, предельное значение 20 мг/м³, суммарная допустимая длительность превышения 5 ч в сутки
Суточный ход концентрации аммиака и накопленная экспозиция
[14]
Пороговая схема управления, применяемая в известных решениях
[10][11]
Выполнение требования Т6 достигается разделением системы на два контура. Контур оперативного управления допускает недорогие распределённые датчики: их задача выявить отклонение и включить оборудование, требования к абсолютной погрешности здесь умеренные. Контур документируемого учёта строится на ограниченном числе реперных точек, оснащённых средствами измерений утверждённого типа с действующей поверкой, и именно его данные попадают в отчётные формы.
Такое разделение снимает противоречие между стоимостью системы и доказательной силой её данных. Оснащение поверенными приборами каждой точки измерения для малых и средних хозяйств экономически недоступно, а отказ от поверенных приборов полностью лишает архив юридического значения. Дополнительно контур учёта служит опорой для периодической проверки исправности недорогих датчиков по расхождению показаний, что связано с проблемой доверия к данным, отмеченной в
[5]
3. Обсуждение
Отличие предложенных решений от рассмотренных работ состоит в источнике требований. В исследованиях
[8][10][11][4][7][14]
Второе отличие связано с метрологическим обеспечением. В известных работах датчики рассматриваются как технические средства, характеризуемые диапазоном и погрешностью; вопрос доверия к данным ставится, но решается средствами калибровки и обработки
[5]
Ограничением работы является отсутствие экспериментальной проверки на действующем объекте. Предложенные решения обоснованы аналитически, исходя из содержания нормативных документов и результатов натурных обследований других авторов
[12][13]
4. Заключение
Поставленная цель достигнута. Определён перечень требований к системе удалённого управления и мониторинга микроклимата животноводческого помещения, включающий семь позиций, для каждой из которых указан источник. Обосновано, что требования Т2 и Т3 вытекают из формы задания норматива, требования Т4 и Т7 из характера объекта, требование Т6 из правового режима измерений.
Обосновано, что выполнение этих требований обеспечивается четырёхуровневой архитектурой, в которой локальный контроллер сохраняет работоспособность независимо от внешнего канала, и приведённым алгоритмом, включающим проверку достоверности показаний, накопление суточной экспозиции и разрешение конфликта целей управления в пользу жизнеобеспечения. Научная новизна состоит во введении накопленной экспозиции в состав управляемых величин и в разделении системы на контур оперативного управления и контур документируемого учёта по метрологическому признаку. На модельном суточном ходе концентрации аммиака показано, что при суммарной длительности превышения 9 ч и допустимых 5 ч предупреждение формируется в 08:00, тогда как суточный предел исчерпывается в 16:00, то есть запас времени на вмешательство составляет 8 ч. Дальнейшая работа связана с экспериментальной проверкой предложенных решений на действующем животноводческом объекте и оценкой фактического снижения энергозатрат.