Рыбочкин Анатолий Федорович. Контроль и управление жизнедеятельностью пчелиных семей

Краткое описание

Рыбочкин Анатолий Федорович. Контроль и управление жизнедеятельностью пчелиных семей : диссертация ... доктора технических наук : 05.13.06, 06.02.04.- Москва, 2004.- 644 с.: ил. РГБ ОД, 71 06-5/30

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ЗАОЧНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ, г. БАЛАШИХА

КОНТРОЛЬ И УПРАВЛЕНИЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ
ПЧЕЛИНЫХ СЕМЕЙ
Специальность: 05 Л 3.06. - автоматизация и управление техноло¬гическими процессами и производст¬вами (сельское хозяйство)
06.02.4. - частная зоотехния, технология произ¬водства продуктов животноводства
Научные консультанты: доктор биологических наук, соросов-
ский профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Еськов Евгений Константинович
доктор физико-математических наук,
ДЩф££Щ>« заслуженный деятель нау-
І;
If
!
5
I
Москва - 2004
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 9
Г лава I. Предпосылки совершенствования технологии содержания
и создания средств автоматизации в промышленном и
частном пчеловодстве 18
1Л. Постановка проблемы 18
1.2. Анализ физических параметров жизнедеятельности
пчелиной семьи 24
1.2Л. Распределение теплового поля в улье в различные
периоды жизнедеятельности пчелосемей 24
1.2.2. Звуковой фон пчелиного улья 32
1.3. Устройство регистрации распределения теплового поля
в улье с применением терморезистивных датчиков 39
1.3.1. Устройство контроля распределения тепловых полей в
улье с применением полупроводниковых диодов 44
1.4. Устройства управления жизнедеятельностью
пчелосемей и контроля их параметров 46
1.4.1. Автоматизированное устройство для содержания пчелосемей..47
1.5. Выводы 53
Глава 2. Методы визуализации состояний пчелиных семей
путём распределения тепловых полей 55
2.1. Дистанционный круглогодичный контроль за жизнедеятель¬ностью пчелиных семей с применением ЭВМ 55
2.1.1. Круглогодичный контроль распределения тепловых полей
в улье в практическом пчеловодстве. 57
2.1.2. Экспериментальные исследования 74
2.1.3. Обработка экспериментальных данных 81
2.2. Контроллер рамки для контроля распределения тепловых
полей с применением термопарной сетки 101
2.3. Контроль тепловыделения пчелиной семьи в пассивный 
период её жизнедеятельности 106
2.4. Методы обработки результатов измерений
параметров жизнедеятельности пчелиных семей 114
2.4.1. Математические методы анализа состояний пчелиных семей
по распределению тепловых полей 114
2.4.1.1. Расчёт коэффициента корреляции с применением
программы 118
2.5. Экспериментальные данные 121
2.6. Выводы 126
Глава 3. Диагностирование состояний пчелиных семей путём анализа спектральных составляющих их акустических сигналов 128
3.1. Анализ состояний пчелиных семей по спектрам их
акустических шумов 128
3.2. Анализ звуков пчелиных семей с применением
спектральной плотности мощности их акустического шума 131
3.2.1. Метод спектрального анализа акустического шума
пчелиной семьи 131
3.2.2. Контроль состояния пчелиной семьи по одной
короткой реализации 139
3.2.3. Визуализация спектров звуков пчелиных семей при
различных состояниях 148
3.3. Метод определения информативности спектральных составляющих сигнала пчелиных семей при
распознавании их состояний 153
3.3.1. Аналоговый метод реализации распознающего устройства... 163
3.3.2. Цифровой метод реализации ...176
3.3.2.1. Построение алгоритма для определения интенсивностей, дисперсий и стабильностей в узких полосах
частот 178
3.3.2.2. Определение минимального количества
признаков необходимых для распознавания состояний
пчелиных семей по акустическому шуму 179
3.3.2.3. Построение решающих правил 182
3.3.3. Разработка программного обеспечения для контроля
состояний пчелиных семей с применением ПЭВМ 183
3.4. Выводы 190
Глава 4. Распознавание состояний пчелиных семей по анализу образов спектров их акустических сигналов 192
4.1. Анализ акустического сигнала пчелиных семей с
использованием двоичного кодирования 194
4.1.1. Анализ состояний пчелиных семей путём
перемножения перестановок 201
4.1.2. Анализ состояний пчелиных семей по среднему
значению двоичных единиц 204
4.2. Анализ акустического сигнала пчелиных семей с
использованием параллельного восьмиричного кода 211
4.2.1. Построение «акустического портрета» характерных
состояний пчелиных семей 216
4.2.2. Анализ акустического сигнала пчелиных семей по
частоте появления кодов .224
4.3. Анализ акустических сигналов пчелиных семей на
базе последовательного восьмиричного кода 224
4.4. Анализ состояний пчелиных семей по среднему коду пропорциональному десятичному коду полученного из
циклического кода Грея 233
4.5. Распознавание состояний пчелиных семей путём анализа
вероятности выпадения кодов 235
4.6. Распознавание состояний пчелиных семей путём
определения количества информации 250
4.7. Анализ состояний пчелиных семей по среднему коду 260 
4.8. Сравнительный анализ состояний пчелиных семей при
различных вариантах кодировки 262
4.9. Построение признакового пространства для
распознавания состояний пчелиных семей 265
4.10. Исследование закономерностей кодов образованных при
четырёх селективных фильтрах 268
4.11. Исследование акустических сигналов пчелиных семей путём
анализа структуры образов спектров 269
4.11.1. Общие элементы в структуре образов спектров 271
4.11.2. Проверка повторяемости наблюдений при повторных
прослушиваниях магнитофонной записи акустического шума пчелиной семьи 272
4.11.3. Исследование одной и той же записи акустического
шума пчелиной семьи при различных уровнях громкости 274
4.11.3.1. Вероятностные характеристики одной и той же записи акустического шума пчелиной семьи при
различных уровнях громкости 276
4.12. Акустический шум пчелиной семьи, как многофункциональная
реализация 278
4.13. Исследование акустических сигналов пчелиных семей
при большем числе частотных полос 287
4.14. Выводы 288
Глава 5. Контроль состояния пчелиной семьи по количеству мёда
в улье 290
5.1. Контроль количества мёда в улье с применением
емкостного датчика 292
5.1.1. Исследование зависимости показания измерительного
прибора от перемещения пчелиной рамки с мёдом в улье 300
5.1.1.1. Пчелиные рамки без мёда 300
5.1.1.2. Пчелиные рамки с мёдом 302
5.1.1.3. Исследование зависимости изменения выходного напряжения одной и той же пчелиной рамки с мёдом при установке на 180
градусов 304
5.1.1.4. Исследование зависимости изменения выходного
напряжения, от диапазона измерения количества мёда 305
5.2. Выводы 306
Г лава 6. Проектирование технических средств дистанционного контро¬ля и управления жизнедеятельностью пчелиных семей 307
6.1. Проектирование автоматизированных систем контроля
за жизнедеятельностью пчелиных семей 308
6.1.1. Системы для круглогодичного наблюдения за жизнедеятельностью пчелиных семей по распределению
тепловых полей и по акустическому шуму 308
6.1.1.1. Автоматизированная система контроля за
жизнедеятельностью пчелиных семей 309
6.1.1.2. Устройство для контроля распределения теплового поля
на плоскости пчелиной рамки 319
6.2. Проектирование автоматизированных систем управления
режимами работы жизнедеятельности пчелиных семей 321
6.2.1. Управление режимами работы пчелиных семей в зависимости неблагоприятных для их
жизнедеятельности ситуаций 321
6.2.2. Методы и устройства для подогрева пчелиных семей 325
6.2.2.1. Автоматизированная система для круглогодичного
подогрева пчелиных семей 326
6.2.2.1.1. Адаптивный терморегулятор 333
6.2.2.2. Устройство для регулирования микроклимата в улье 336
6.2.2.2.1. Исследование зависимости расхода корма от
температуры наружного воздуха 342
6.2.2.2.2. Исследование зависимости температуры корки
пчелиного клуба от температуры наружного воздуха 350
6.2.2.2.3. Разработка программного обеспечения управления температурой и влажностью в соответствии
со значением коэффициента массопереноса 351
6.2.2.2А Подходы к разработке программного обеспечения перевода частот от преобразователей «температура-частота» и «влажность-частота» в температуру и влажность 352
6.2.3. Методы и устройства для воздействия на пчелиные семьи 352
6.2.3.1. Активизация пчёл переменным электрическим полем 352
6.2.3.1.1. Конструкция приборов для воздействия
электрическим полем низкой частоты 357
6.2.3.1.2. Экономическая целесообразность применения прибора
для воздействия переменным электрическим полем 358
6.3. Выводы 359
Глава 7. Оценка погрешности измерения, параметров жизнедеятельности пчелиных семей 362
7.1. Методы оценки ошибок измерения 362
7.1.1. Методика обработки результатов измерений 368
7.1.2. Количественная оценка погрешностей измерений
параметров жизнедеятельности пчелосемьи 373
7.2. Экспериментальные исследования по определению точности
измерения температуры датчиками различного функционального назначения 379
7.2.1. Экспериментальные данные для терморезистивных датчиков..379
7.2.2. Экспериментальные данные для диодных датчиков 384
7.2.3.Экспериментальные данные для матричной термопарной
сетки 385
7.3. Обработка экспериментальных данных, получаемых с
датчиков различного функционального назначения 386
7.3.1. Определение ошибок измерения для терморезистивных
датчиков 386
7.3.2. Определение ошибок измерения для диодных датчиков 387
7.3.3. Определение ошибок измерения для матричной
термопарной сетки 389
7.4. Косвенные измерения для матричной термопарной сетки.
Система линейных алгебраических уравнений. Однофакторный
анализ. 392
7.4.1. Система линейных алгебраических уравнений 392
7.5. Исследование термопарной сетки с использованием
однофакторного анализа 400
7.6. Выводы 406
Заключение 408
Список использованных источников 414
ПРИЛОЖЕНИЯ: ПРОГРАММЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКИ
ТЕМПЕРАТУРНОЙ ИНФОРМАЦИИ, АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКОГО
ШУМА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПЧЕЛИНЫХ СЕМЕЙ 439
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .440
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 446
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 462
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 465
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 479
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 482
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 485
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 496
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 501
ПРИЛОЖЕНИЕ 10 514
ПРИЛОЖЕНИЕ 11 558
ПРИЛОЖЕНИЕ 12 584
ПРИЛОЖЕНИЕ 13 601
ПРИЛОЖЕНИЕ 14 605

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В представленной диссертационной работе на основании комплекс¬ного анализа решена проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение в автоматизации контроля и управления жизнедеятельностью пчелиных семей за счёт разработки новых методов, средств контроля и управления, что позволяет по-новому организовать технологию пчеловод¬ства, поставить работу с пчёлами на качественно новый уровень.
Основные результаты работы следующие:
1. С учётом современной специфики пчеловодства обоснован метод диагностики физиологического состояния пчелиных семей, основанный на контроле распределения тепловых полей в улье, что осуществляется с применением термопарных сеток, устанавливаемых в средостении сотов пчелиных рамок. Это позволяет визуализировать на экране дисплея ПЭВМ локализацию пчелиного расплода в гнезде, динамику развития пчелиных семей, активность процессов терморегуляции и распределение в улье пчёл в период зимовки. Предложена математическая модель термопарной сетки и разработан алгоритм вычисления температур в её узлах. Исходя из того, что пчёлы по-разному реагируют интенсивностью разогрева гнезда на из¬менение внешней температуры, выявлена возможность дифференциации пчелиных семей по терморегуляторной активности, являющейся одним из показателей их зимостойкости (холодостойкости). Линии регрессии, отра¬жающей зависимость внутригнездовой температуры от внешней, имеют разный наклон. Чем сильнее пчелиная семья, тем меньше она реагирует на изменение наружной температуры, линия регрессии более пологая. Разра¬ботана математическая модель на базе многомерного регрессионного ана¬лиза, которая позволяет по замерам температур контролировать тепловы¬деления пчелиных семей всей пасеки. Контроль тепловыделения пчелиных
семей в период зимовки и применение средств искусственной терморегу-ляции позволяет оптимизировать их зимовку.
2. Высокую надёжность диагностики изменений биологического состоя¬ния пчелиных семей обеспечивает использование аппаратурного анализа генерируемых ими звуков. Пчелиные звуки можно анализировать по соот-ношению их частотно-амплитудных составляющих или энергетическим спектрам, которые в отличие от частотно-амплитудных спектров обладают большей устойчивостью. Разработан алгоритм анализа звука пчелиных се¬мей, который позволяет проводить выбор реализаций, свободных от доми-нирующего звука отдельных пчёл, по индентичности их моментов распре-деления (математических ожиданий, дисперсий и автокорреляционных функций). Определено минимальное время длительности реализации, по которой можно вычислить устойчивый энергетический спектр. Предложен метод определения информативности спектральных составляющих аку-стического сигнала пчелиных семей, который при распознавании их со-стояний позволяет определить наиболее информативные частотные поло¬сы, что позволило упростить программное обеспечение и аппаратную реа-лизацию. Установлено, что длительность реализации в одну секунду по-зволяет получать устойчивый энергетический спектр по отношении к ам-плитудному спектру, и с помощью дополнительного анализа сделать дос-товерный вывод о конкретном состоянии пчелиной семьи.
3. Диагностика состояний пчелиных семей по анализу образов спектров, генерируемых ими звуков, позволяет использовать в качестве средств кон-троля как их интенсивность, так и наиболее информативные составляющие частотного диапазона. Распознавание состояний пчелиных семей посред-ством попарного сопоставления пороговыми устройствами интенсивно¬стей сигналов, выделенных селективными фильтрами, позволяет получать информацию о состоянии пчелиной семьи в виде двоичного кода, на осно¬ве которого возможно построение её «акустического портрета». Совокуп¬ный акустический «шум» пчелиных семей относится к нестационарным процессам. Исходя из этого и наличия связи между физиологическим со-стоянием пчёл и структурой звуков, длительность реализации от 2-х до 10 минут, достаточна для характеристики состояния пчелиных семей. Пред-ложен метод анализа акустических процессов в пчелиных семьях по сред-нему коду, вычисленному за время одной реализации. Величина среднего кода возрастает по мере приближения срока выхода роя; величина средне¬го кода имеет наименьшее значение при разделении пчелиных семей (ор-ганизации безматочных отводков). Показано, что при организации отвод¬ков величина среднего кода во вновь образованном отводке в течение не¬которого времени (до 2-х минут) остаётся соответствующей среднему коду пчелиной семьи, из которой организуется отводок, а затем зависит от реак¬ции на новую подсаживаемую матку: величина среднего кода резко увели¬чивается при отрицательном отношении пчёл к новой матке, первоначаль¬ный средний код практически не меняется, при положительном отношении к ней. По величине среднего кода можно выявлять реагирование пчелиных семей на резкие понижения температуры. Большая величина среднего ко¬да указывает на то, что пчелиная семья зимует напряжённо, небольшая ве¬личина среднего кода свидетельствует о высокой толерантности пчёл к ох¬лаждению.
4. Изучены различные варианты кодирования, на основании которых уста-новлена их адекватность соответствующим состояниям пчелиных семей. Доказано, что состояние пчелиной семьи можно установить по анализу ве-роятностей появления кодов. Для этого необходимо знать априорную ве-роятность метода, зависящую от количества используемых частотных по¬лос, а также полученные экспериментально для большого количества со¬стояний пчелиных семей их апостериорные вероятности. Предложен метод контроля состояний пчелиных семей путём определения энтропии. Прове¬дены расчёты энтропии для различных состояний пчелиных семей. Пока¬зано, что энтропия уменьшается при приближении времени выхода роя, энтропия увеличивается при организации отводков. Предложен метод ус¬
тановления состояния пчелиной семьи, основанный на перемножении пе-рестановок. Показана адекватность перестановок, получаемых в результате произведения с вычисленными средними значениями кодов. Для автомати-зации распознавания состояния пчелиной семьи составлена таблица пере-множения перестановок и таблица перемножения соответствующих пере-становкам их кодов. Предложен метод анализа структуры образов спек¬тров, основанный на их общих элементах. Установлена прямая корреляци¬онная связь между изменениями среднего значением кода и вероятности Р41 появления общего элемента структуры образа спектра. Показано, что при наблюдении зимующей пчелиной семьи в зимовнике с момента появ¬ления расплода значение среднего кода значительно увеличивается. На ос¬новании предложенных методов разработан алгоритм распознавания со¬стояний пчелиных семей, который позволяет по различным ветвям кон¬троля достоверно оценивать состояние пчелиной семьи по их акустиче¬скому шуму.
5. Разработан метод дифференцированного контроля количества мёда на всей пасеке без применения весов. Разработано и исследовано устройство, принцип работы которого основан на различии диэлектрической прони-цаемости мёда и воздуха. Для этого применяются конденсаторы, устанав-ливаемые в улье, и измерительный прибор. Использование этого метода и устройства позволяет контролировать динамику кормовых запасов в улье (потребление мёда, принос нектара и пыльцы, переработку нектара в мёд, что сопряжено уменьшением массы улья).
6. Разработаны различные варианты технических средств дистанционного круглогодичного контроля и управления жизнедеятельностью пчелиных семей, которые применимы в практическом пчеловодстве. Реализованы ал-горитмы и программные средства их функционирования. Разработано тех-ническое средство круглогодичного регулирования микроклимата в улье пчелиной семьи и алгоритм его работы. Предложено техническое средство, позволяющее путём воздействия низкочастотным электрическим полем
направленно влиять на состояние пчелиной семьи. Предложенные системы отличаются новизной и подтверждены 39 патентами Российской Федера¬ции.