Введение В настоящее время одной из проблем, оказывающих негативное влияние на экономическую эффективность сельхозпредприятий - производителей растениеводческой продукции, является ущерб, наносимый им насекомыми-вредителями культурных растений. Борьба с ними осуществляется в основном с применением химических средств защиты, что приводит к заражению продукции, почвы и водных ресурсов ядохимикатами и, как следствие, наносит значительный вред здоровью человека и окружающей среде [1]. Одним из эффективных альтернативных способов борьбы с насекомыми-вредителями является использование технических систем управления поведением насекомых, основанных на применении физических раздражителей, которые оказывают на них привлекающее или отпугивающее воздействие [2]. Например, наиболее существенным преимуществом электрооптического способа борьбы с насекомыми-вредителями садовых растений [3-5] является уменьшение остаточных количеств ядохимикатов и их метаболитов в продукции, а также отсутствие влияния на организм человека. В связи с вышеизложенным целью исследований была разработка эффективной автоматизированной системы для передачи оптического сигнала насекомым-вредителям, в частности саранче, её накопления и переработки в кормовую массу для питания рыб и птиц в прудовых хозяйствах и фермах. Автоматизированная система Экономическая привлекательность рассматриваемой автоматизированной системы состоит в ее двойном назначении: борьба с саранчой и получение дешевых высокобелковосодержащих кормов (рис. 1). Для защиты посадок от роя саранчи необходимо иметь совокупность нескольких установок, которые размещаются вдоль границы поля. Обнаружение насекомых осуществляется системой технического зрения 2, которая обеспечивает наведение на участок с максимальной концентрацией саранчи в рое [1, 3]. После «захвата» рецепторным органом насекомого электромагнитного излучения оптического диапазона саранча направляется к его источнику 1, засасывается внутрь ловушки с помощью вентилятора 4 и попадает на сетку, находящуюся под низким напряжением 3. В результате частичной парализации двигательных органов насекомое попадает в камеру подсушивания 8. Саранчовые, попадая в камеру подсушивания, равномерно распределяются по ровной пластине из нержавеющей стали размерами 0,8 × 0,8 м2. Рис. 1. Схема автоматизированной системы для привлечения саранчи и ее переработки в кормовую массу: 1 - источники селективного оптического излучения; 2 - система технического зрения; 3 - электрическая сеть малого напряжения; 4 - вентилятор; 5 - электродвигатель с источником питания; 6 - решетка для равномерного заполнения камеры; 7 - нагреватели; 8 - камера подсушивания, 9 - съёмный бункер Подсушивание осуществляется при инфракрасном энергоподводе посредством трубчатых галогеновых ламп 7 с плотностью теплового потока от 3 до 6,85 кВт/м2 в зависимости от количества включенных одновременно ламп (от 1 до 4). После завершения процесса подсушивания полученная кормовая масса поступает в съемный бункер 9 [6]. Соотношение между параметрами инфракрасного энергоподвода - напряжением U, плотностью теплового потока E, длиной волны λ и количеством ламп показано в таблице. Соотношение между параметрами инфракрасного энергоподвода E, Вт/м2 λ, мкм Количество ламп U, В 3 1,3 1 140 1,5 110 1,6 100 3,74 1,3 2 140 1,5 110 1,6 100 5,18 1,3 3 140 1,5 110 1,6 100 Для оценки производительности автоматизированной системы были выбраны следующие показатели: - количество особей в зоне поражения может достигать до 100 шт. на 1 м2; - масса одной особи 0,025 кг [3]. Как известно, скорость полёта саранчи колеблется от 1,8 до 33 км/ч [3], тогда средняя скорость составит 5 м/c, а радиус зоны привлечения - 5 м. В результате максимальная масса исходного сырья, поступающего в зону привлечения за 1 с для переработки, составит 7,85 кг/с, а производительность автоматизированной системы за сезон - порядка 23 т кормовой массы. Математическая модель Работа оптико-электронной системы управления поведением саранчи основана на математической модели процесса передачи оптической информации насекомым, позволяющей рассчитать параметры ее элементов, максимизирующие количество информации, сообщаемой за единицу времени объекту управления - саранче - в зависимости от геометрических и физических характеристик, особенностей ландшафта местности, времени года и суток. Пропускная способность канала передачи оптической информации описывается выражением [7]: , где - полоса частот, воспринимаемая органом зрения насекомого; - функция «отношение сигнал/шум». Считая, что шумы от естественных и искусственных источников излучения складываются аддитивно, приходим к общему выражению для шума [5, 8]: , где - шумы, обусловленные отражением соответственно солнечного, лунного и искусственного излучения от облаков и земной поверхности; - шумы, обусловленные излучением Солнца и Луны; - шум, вызванный рэлеевским рассеянием. При построении математической модели в первом приближении можно пренебречь шумами при отражении излучения Солнца и Луны от облаков вследствие их относительно малой величины по сравнению с другими источниками шумов, а также шумом , вызванным рэлеевским рассеянием, поскольку он носит слабоселективный характер. Тогда полезный сигнал , воспринимаемый глазом насекомого, и общий шум можно представить в виде [8]: , , где , - расстояние между селективным источником излучения и объектом управления, - расстояние от земной поверхности до объекта управления, - высота источника над поверхностью земли; - длина волны; - функция спектральной излучательной способности селективного источника света; - функция относительной спектральной чувствительности глаза насекомого; m - коэффициент, учитывающий различие между функциями видности глаза человека и насекомого; , - спектральный коэффициент ослабления оптического излучения атмосферой в ультрафиолетовой и видимой части спектра, - спектральный коэффициент рэлеевского рассеяния; N - число молекул в 1 м3; A - площадь поперечного сечения молекул, м2. С учетом принятых выше допущений функцию «отношение сигнал/шум» можно представить в виде [5, 8]: . Математическое моделирование [9] позволило получить результаты, с помощью которых можно оценить эффективность работы автоматизированной системы для борьбы с саранчой в течение суток и месяца в зависимости от суммарного шума, создаваемого солнечной и лунной подсветкой (рис. 2). а б Рис. 2. Графики зависимости функции «отношение сигнал/шум» для насекомых с трихромным видом зрения от времени суток: а - ксеноновая лампа; б - галогенная лампа в Рис. 2. Продолжение: в - вольфрамовая лампа при различных значениях температуры Выводы 1. При использовании в качестве источников излучения ламп различного типа суточный рабочий период автоматизированной системы ограничен диапазонами: - от 0 до 5 и от 18 до 24 часов - для ксеноновой лампы; - от 0 до 4 и от 19 до 24 часов - для галогенной лампы; - от 0 до 4 и от 19 до 24 часов - при значениях температуры накала вольфрама ниже 1 000 К и круглосуточно - при значениях температуры накала вольфрама выше 1 000 К. 2. Значение функции «отношение сигнал/шум» для высоких значений температуры значительно больше и достигает 70 при значениях температуры порядка 2 500 К. Однако ресурс работы лампы при этом уменьшается.