Решение проблемы механизации садоводства и виноградарства

Решение проблемы механизации садоводства и виноградарства

СЕВЕРО - КАВКАЗСКИЙ ЗОНАЛЬНЫЙ

НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

САДОВОДСТВА И ВИНОГРАДАРСТВА

На правах рукописи

БОНДАРЕВ

Василий Андреевич

МЕХАНИКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

МЕХАНИЗАЦИИ САДОВОДСТВА И ВИНОГРАДАРСТВА

Специальность 05.20.01 - механизация

сельскохозяйственного производства

Диссертация в виде научного доклада

на соискание учёной степени

доктора технических наук

Краснодар, 1997

Работа выполнена в Северо-Кавказском зональном

научно- исследовательском институте садоводства и виноградарства

(СКЗНИИСиВ, г. Краснодар) в 1966 ... 1996 гг.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор П.Н.БУРЧЕНКО

член-корреспондент РАСХН,

доктор технических наук,

профессор Ю.А.УТКОВ

доктор технических наук,

профессор А.В.ЧЕТВЕРТАКОВ

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт

виноградарства и виноделия им. Я.И.Потапенко (ВНИИВиВ им.

Я.И.Потапенко)

Защита состоится 24 сентября 1997 г. в 10 часов

на заседании диссертационного совета Д 169.06.01 в АООТ

Научно - исследовательский институт сельскохозяйственного

машиностроения - АО «ВИСХОМ» по адресу:

127247, г. Москва, Дмитровское шоссе, 107

Отзывы просим направлять в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в

библиотеке АО «ВИСХОМ»

Диссертация в виде научного доклада разослана

« » _____________1997 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

А.А.Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В механизации многолетних культур на стадии

разработки проектов системы машин имеет существенное значение выбор

наиболее целесообразных решений как по определению последовательности их

включения в технологические схемы, так и предпочтительного их включения в

планы конструкторских разработок. При этом обязательно учитывать возможную

деградацию среды, которая изначально заложена в культуру: в результате

многократного однообразного воздействия на неё среда «стареет» быстрее, чем

культура. Поэтому, с каждым новым вегетационным циклом, влияние на культуру

накапливаемых средой отрицательных факторов увеличи-вается. В конечном

итоге культура входит в неблагоприятные для неё параметры среды значительно

раньше своего возрастного состояния. От этого, прежде всего, страдает

хозяйственная деятельность общества: накопление отрицательных факторов

среды приходится учитывать созданием материально-технической базы (МТБ) с

завышенной прочностью. А это ведёт к перерасходу в первые годы насаждения

материальных, трудовых и энергетических ресурсов. Особенно это заметно в

регионе Северного Кавказа, где сосредоточено около 30% плодово - ягодных

культур и 100% виноградников Российской Федерации. Научно обоснованные

методы оценки и выбора наиболее выгоднейшего из них для многолетних

насаждений до настоящего времени отсутствуют. Применяемые методы проб и

ошибок, Паттерн - анализа и группового учёта аргументов используются только

для негативного прогноза, чтобы показать, чего не может быть, если всё в

Паттерне будет происходить так, как происходит сейчас.

Актуальность исследований заключалась в нахождении метода достоверного

прогноза развития уровня механизации садоводства и виноградарства через

выявление принципов оптимального стыка средств ухода с постоянно

изменяющимися параметрами объектов ухода.

Исследовательские и конструкторско-технологические работы

проводились в СКЗНИИСиВ в соответствии с планами НИР и ОКР на основании

заданий Государственного комитета по науке и технике 0.51.02 (проблема

16.01 и 16.14), межотраслевой комплексной программы (0.сх.101 и 2.51.04), а

также по прямым договорам с Агропромом СССР, АПК Краснодарского и

Ставропольского краёв, Ростовской области и хозяйствами - производителями

садово - виноградной продукции.

Цель работы заключается в обосновании, разработке и использовании

научных основ формирования оптимальной материально-технической базы для

создания конкретных механизированных технологий многолетних насаждений.

Объекты исследований. Процесс развития стыка параметров многолетних

насаждений, архитектоники крон и средств ухода за ними; физико-механические

свойства почв и элементов крон, стыкующихся со средствами ухода; технологии

ухода за почвой, системой «шпалера - куст», внесения удобрений, укрывки и

открывки виногра-дников, уборки урожая; рабочие органы культиваторов, машин

для внесения в почву жидких минеральных удобрений, ухода за кроной и

монтажа шпалеры, укрывки и открывки виноградников, уборки урожая.

Методика исследований. Для выработки основ формирования и управления

механизированными технологиями многолетних культур разработан общий научный

подход, который исходит из единой стратегии решения глобальной системы

методами проектологии: сравнивается совокупность технических средств

разного функционального назначения, но используемых в одной и той же

отрасли для выработки одного и того же продукта. При этом совокупность

технических средств одного и того же функционального назначения

рассматривается как самостоятельная система машин, а совокупность систем

машин для технологии получения одного и того же продукта , как товара,

рассматривается как комплекс систем механизированных технологий [43, 54,

62, 64, 65, 79, 89, 95].

В основу методики исследований оптимального стыка средств ухода с

объектами ухода положен принцип, устанавливающий связи и допустимые пределы

внутрисистемного влияния друг на друга свойств среды и средств ухода.

Исследования средств ухода базировались на положениях

земледельческой механики и математической статистики. Лабораторно - полевые

эксперименты проводились согласно отраслевым стандартам, дополненных

частными методиками и приборами [20, 21, 26, 31, 32, 41, 68, 94].

Разработанная методология использована в ежегодных компаниях заказа техники

для садоводства и виноградарства Краснодарского [54, 85] и Ставропольского

[71, 72] краёв.

Научную новизну составляют:

n методология модульного системного анализа технологий, как инструмент

отбора оптимальных агротехнических систем, с последующим их

направленным совершенствованием;

n математические модели расчёта: механизированной технологии культуры

через тарифные издержки; интенсивности механизированной технологии

через алгоритм, характеризующий величину согласованности входящих в

технологию компонентов; параметров архитектоники кроны через

плодоносность и физико-механические свойства её элементов; параметров

выемочно - насыпного профиля почвы в технологии защиты виноградного

куста от низких температур через естественные параметры ограничения

(упругость пучка лоз, глубину проникновения отрицательных температур и

угол естественного откоса насыпного профиля);

n метрология изучения взаимодействия рабочих органов машин с объектами

ухода;

n классификация и формализация функциональных отличий насаждений и крон

растений на фоне уровней в мировой градации поколений техники,

структурно отображающиеся согласованностью, повторяемостью и

целесообразностью стыка средств ухода с объектами ухода;

n индустриальные системы «шпалера - куст» для промышленного и

индивидуального виноградарства.

Технологические схемы и технические решения защищены 26 авторскими

свидетельствами и патентами РФ, 7 из которых отражают новые способы ухода и

ведения культур.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждены

экспериментальными данными лабораторно - полевых исследований,

положительными результатами заводских, ведомственных и государственных

испытаний рабочих органов, машин, способов и систем, разработанных с

участием соискателя.

Практическую ценность работы для многолетних культур представляют:

n методология прогнозирования технического прогресса и обоснование

путей совершенствования зональных систем машин;

n метрология и приборы для изучения условий функционирования агрегатов

и рабочих органов по уходу за почвой, кроной и шпалерными системами;

n система мероприятий, технологические схемы машин и технические

решения по снижению антропогенного влияния на почву механизированных

технологий;

n рекомендации и технические решения:

- оптимального стыка технологических систем «крона - шпалера» при

различных формах хозяйствования;

- технологии пунктирного глубокого внесения жидких минеральных

удобрений, в том числе и в зону ряда;

- технологии защиты растений от низких температур;

- технологии контейнерной уборки, транспортировки и хранения

плодов, ягод и винограда.

Реализация результатов исследований. Разработанные единые

концептуальные подходы [20, 21, 70, 89, 95, 107] использованы:

n в справочнике виноградаря Кубани [54];

n в совершенствовании методов разработки технологических карт [62];

n в решении проблем развития виноградарства Краснодарского края [68];

n в учебном процессе заочных курсов садоводства [69];

n в системах машин для садов Ставропольского [71] и Краснодарского

[85] краёв, садоводства России [90], интенсивного садоводства

Северного Кавказа [58], питомников плодовых, ягодных и орехоплодных

культур [87], прогнозе развития технического уровня садоводства до

2010 года и анализа его современного состояния в Северо - Кавказском

регионе [Агропром CCCР, 1986 г ].

Разработаны и внедряются технологии:

n уборки, транспортировки и хранения плодов, ягод и винограда в

кассетных контейнерах [79];

n возделывания, транспортировки и переработки технических сортов

винограда машинной уборки [74];

n применения жидких комплексных удобрений в садах и виноградниках

[63];

n по защите виноградников от низких температур [11].

Разработаны и внедряются способы:

n Краснодарский формирования виноградного куста [111];

n ведения виноградного куста на шпалере [112];

n ведения укрывной культуры винограда [113];

n крепления виноградных лоз [115];

n борьбы с корневищными сорняками в рядах культурных растений [120];

n ведения интенсивного сада [125].

Полученные рекомендации внедрены в поставленных на производство

машинах - для внесения жидких комплексных удобрений в садах МГУС-2,5 и

виноградниках МВУ-2000, автоматической линии для изготовления и затаривания

на спецкассеты крепёжных скоб; устройствах - контейнера кассетного для

затаривания лотковой первичной тары при уборке, транспортировке, хранении и

реализации винограда, плодов, ягод и овощей КПТ-28, стойки железобетонной

для шпалеры индустриальной ВС-20-4.ТУ10 РСФСР 21-01-89; приспособления

лозоукладывающего ПРВН-39000Э; приборах динамометрических ПТЛ-1, ДТ-1, ДЛ-

3, ПУВЛ, ПЛ-50-5, МД-1, ДМЗ-3, разработанных совместно с Одесским филиалом

НПО «Агроприбор» для изучения взаимодействия рабочих органов машин с

элементами крон древесных растений [32, 41, 44. 68, 94].

Модернизированы и внедрены через мастерские хозяйств виноградниковые

плуги - рыхлители ПРВН-2,5, приспособления ПРВН 72000, садовые культиваторы

КСГ-5, фрезы ФА-0,76А, рабочие органы для двухслойной обработки почвы в

междурядьях, мульчирования колеи и приствольной полосы, плуги - рыхлители

ПРВН-2,5 для укрывки лозы почвой, взятой из межколейного пространства

междурядий и столбостав ЗСВ-2 для транспортировки контейнеров одновременно

в 3 ... 5 междурядьях, обеспечивающие снижение тягового сопротивления

агрегатов не менее, чем на 25 % и увеличение производительности труда в 1,5

... 1,8 раза.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на

заседаниях Учёного совета СКЗНИИСиВ (1966 ... 1995 г.г.); четырежды - на

научно - технических конференциях ВИСХОМ (1970, 1972, 1976, 1985 г.г.);

пять раз - на научно - практических конференциях «Научно - технический

прогресс в инженерно - технической сфере АПК России» в ВИМ (1992) и ГОСНИТИ

(1993, 1994, 1995, 1996); шесть раз - на Всесоюзных научно - технических

конференциях в Краснодаре (1977, 1984 г.г.), во Львове (1974 г.), в Каунасе

(1982 г.), в Нальчике (1987 г.), в Санкт-Петербурге (АФИ, 1993 г.); дважды

- на НТС Госпрома РСФСР (1988 г.); дважды - на Всесоюзных семинарах ВДНХ

СССР (1974 г.) и ЦИНАО (1976 г.); четырежды - на научно - методических

совещаниях НТО СХ в Орджоникидзе (1979 г.), Зернограде (1980 г.), Кишинёве

(1983 г.), Краснодаре (1983 г.); четырежды - на Координационных советах по

проблеме О.СХ.61 в Новочеркасске (1984, 1996 г.г.), Тбилиси (1985 г.), Ялте

(1991 г.); трижды - на заседаниях секции ВРО ВАСХНИЛ «Комплексная

механизация и электрификация растениеводства» в Зернограде (1984, 1985,

1991 г.г.); на заседании Президиума ВРО ВАСХНИЛ (1989 г.).

Методические, технологические, научно - исследовательские и

конструкторские разработки демонстрировались на ВДНХ СССР и отмечены 13

медалями, в том числе 2 золотыми.

Публикация результатов исследований. Основное содержание диссертации

изложено в 125 научных работах, в том числе - в одном справочнике, трёх

методиках, четырёх монографиях, 18 рекомендациях, 7 агроуказаниях, 6

брошюрах и 60 научных статьях общим объёмом 207 п. л., в том числе лично

автора 58,8 п.л., а также 26 авторских свидетельствах и патентах.

На защиту выносятся результаты, перечисленные в рубриках «Научная

новизна», «Практическая ценность» и «Реализация результатов исследований».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Анализ состояния проблемы и обоснование задач

исследований

Моделирование технологий в растениеводстве рассмотрено в работах

А.Б.Лурье, М.С.Рунчева, Э.И.Липковича, П.Н.Бурченко, Г.П.Варламова,

М.Е.Демидко, В.Я.Зельцера, А.В.Четвертакова, Ю.А.Уткова, А.А.Никонова,

Н.Н.Походенко, В.И.Могоряну, Т.Е.Малофеева, А.М.Гатаулина и др. Анализ этих

работ показал, что они в принципе аналогичны синтезу системы отображения

массива данных через однородные порции, используемого в работах В.А.Вей-

ника, Н.П.Бусленко, В.Ф.Венды, Е.Г.Гольштейна, В.В.Налимова, Н.Н.Моисеева,

М.П.Перетятькина, И.И.Кандаурова, А.Н.Зеленина, В.И.Баловнева, И.П.Керова,

С.Директора, Р.Рорера, Джозефа Р. Шен-филда, Кеннета Кюнена и др.

Указанными исследованиями доказано, что моделированию мо-жет быть

подвержена любая проблема любой системы, если массив данных о процессах,

протекающих в системе, отобразить через осно-вной процесс, обратные связи и

ограничения. Этот принцип был положен в основу разработки комплексов машин.

Однако методы отображения информации в конкретных механизированных

технологиях до сих пор не носят обобщающего характера. Особенно это

относится к технологиям многолетних насаждений, где для сходных условий

среды пока управляемыми являются только входные и выходные параметры

технологии (размещение растений во время закладки массива, уровень спелости

урожая и т. п.), а внутреннее функционирование и развитие составляющих

технологии до сих пор остаётся «черным ящиком», т.е. «неоптимизировано и

неуправляемо» [43, 65, 70].

Гипотетически проблема состоит в том, что в управлении фун-

кционированием технологии недостаточно учтены: многолетность насаждения;

неизменность схем посадок, при непрерывном изменении архитектоники крон;

изменение свойств среды в результате многократного однообразного

циклического воздействия на неё; предельные параметры стыка в системе

машина - растение - среда.

Исходя из высказанной гипотезы, потребовалось решить следующие задачи:

n изучить формирование многолетних насаждений в процессе

индивидуального и группового развития на фоне мировой градации

поколений техники;

n разработать методологию оптимизации управления функционированием и

развитием механизированных технологий многолетних насаждений;

n выполнить с помощью разработанной методологии анализ современного

состояния и прогноз развития технического уровня садоводства

Северного Кавказа и виноградарства Краснодарского края;

n выбрать из массива данных анализа приоритетные направления и с

помощью разработанной методологии обосновать оптимальные параметры

их механизированных технологий, рабочих органов и машин.

Исходные предпосылки оптимизации управления

механизированными технологиями

многолетних насаждений

При разработке такой сложной проблемы, какой является оптимизация

управления механизированными технологиями многолетних насаждений в процессе

их функционирования, возникает необходимость видеть одновременно и проблему

целиком, и связи между её частями, и отдельные её части. Всё это

рассматривать в зависимости от закономерностей среды, развития культур и

обрабатывающей их техники.

Механизм решения поставленной задачи соответствует «поня-тийно -

образно - практической» структуре (Г.Альтшуллер, 1973, М.Зиновкина, 1996).

В данном случае решение сводилось к системному анализу развития с

последующей доработкой принятых в производстве вариантов технологий

многолетних культур.

Закономерность формообразования этих вариантов развития определялась

морфологическим анализом функциональных отличий стыка между параметрами

насаждений (табл. 1), в том числе и формообразования растений в насаждениях

(табл. 3), и параметрами средств ухода за ними, на фоне мировой градации

поколений техники (НТР.ВО «Знание» / Бюл. - № 20, 1986 г.) и почвенно -

климатических особенностей Северо - Кавказского региона России в разрезе

отрицательных факторов воздействия технологий на параметры среды и среды на

параметры технологий [16, 19, 23, 24, 25, 69, 92, 96, 104, 120].

Видение проблемы в целом, связей между её частями и отдельных её

частей осуществлялось специально разработанным для этого методологическим

подходом, отправным моментом которого являет-[pic]ся доказательство

достаточности массива информации о проблеме [43, 70, 73, 81, 82, 86, 88,

89, 91, 95, 98].

Анализ информации морфологической матрицы (табл. 1) показал, что на

данном этапе развития многолетних культур существует, с позиции теории

систем, два технологических «организма» [pic] и [pic], имеющих собственные

цели. Первый и конструктивно и функционально «застыл» на втором уровне

мировой градации поколений техники ([pic] и [pic]). Его средства ухода

[pic][pic]ограничиваются моторизацией инвентаря с ручным управлением. Его

самоцель - заставить рабочий объём насаждения максимально давать продукт.

Поэтому он является основой ведения дачных, приусадебных и других куртинных

насаждений. Второй, в отличие от первого «организма», развивающийся. Его

цель - максимальная замена ручного труда машинным. Ему осталось в

управлении системой применить гибкое программирование с адаптацией и

внутренней диагностикой системы, тогда он полностью перейдёт на пятый

уровень мировой градации поколений техники. В нём противоречие отбора

рабочего объёма насаждения на технологические коридоры [pic] [98] решается

переходом средств ухода на мостовые системы по схеме [pic] и [pic] [82,

124]. В «организме» [pic] заложена не только собственная цель, но и

возможные пути развития её «организма» в направлении [pic], или [pic], или

[pic], или [pic], или [pic], или [pic].

Из этого следует, что каждое последующее функциональное отличие

технологии предыдущему функциональному отличию является альтернативным

([pic] альтернатива для [pic] и т. д.), поэтому вектор развития

архитектоники многолетних насаждений явно движется от [pic] к [pic].

Кульминацией этого развития станет блочно - пропашное исполнение

«организма» [pic] (см. табл. 2).

Чисто пропашное исполнение «организма» [pic][pic] [pic]

бесперспективно для садоводства

по причине сло-жности транспортировки урожая с участка. Рационально его

использовать в питомниководстве с модернизацией трактора МТЗ-80/82 и

[pic]

[pic] При четырёхразовой ротации насаждений.

культиватора КРН-5,6 [124]. Применение «организма» [pic], с использованием

[pic] по схеме [pic], при появлении [pic] стало не рациональным [34, 35,

48, 54, 56, 70, 71, 72, 85, 90, 93, 117, 119, 120].

Таким образом, многолетние насаждения с технологическими коридорами

являются самоорганизующейся системой, каждый вариант которой имеет сугубо

свои цели, поэтому на ближайшее обозримое будущее варианты [pic], или[pic],

или [pic], или [pic] этой технологии правомочны. В них параметры

технологического коридора останутся стабильными как минимум до 2010 года,

(на период пятого поколения техники ширина коридора будет в пределах 2 ...

2,5 м.), в то время как архитектоника растения будет продолжать

совершенствоваться [11, 26, 31, 32, 38, 43, 48, 56, 60, 65, 67, 73, 75, 81,

82, 83, 93, 94, 98, 111, 112, 113, 115, 116, 123, 125]. А это значит, что

заданная стратегия развития отличительной функции [pic] архитектоники

многолетних насаждений, «опирающаяся на поведенческие стере-отипы»

(Н.Н.Моисеев, 1996) этой функции, ещё не только не исчерпала себя, но и

находится на подъёме. Подъём её идёт явно по двум

Таблица 3

Морфологическая матрица вариантов исполнения

основных функций архитектоники многолетних растений

[pic]

направлениям: уменьшением количества технологических коридоров и параметров

растений. Но эти направления для [pic] и [pic] антагонистичны, так как с

уменьшением параметров растений уменьша-

ется ширина междурядья, что увеличивает её долю в параметре коридора с 25%

на СКС до 50% на карликовых подвоях М9, а это и недобор урожая с площади, и

увеличение антропогенного влияния агрегатов на почву более частыми

проходами на этой площади. Поэтому варианты [pic] и [pic] наиболее

перспективны [98]. При этом следует ожидать, что из вариантов [pic], [pic]

и [pic] будут синтезированы садовые [98] и виноградниковые (В.П.Бондарев,

1989) оптимальные конструкции крон отдельных растений или рядов [93] для

блока варианта [pic]. Путь этого синтеза чётко прослеживается с помощью

формализации кроны многолетнего растения в виде четырёхмерного

пространства, которая показывает направления совершенствования

архитектоники кроны, а следовательно и насаждения. Для этого были

использованы понятия науки проектирования и конструирования «носителей

функций» (Я.Дитрих, 1981), информация о которых представлена в табл. 3 и на

рис. 1.

[pic]

Рис. 1. Модульное с) нарастание дерева а) и куста в);

[pic] - апикально, по порядкам ветвления [pic];

[pic] - латерально, по порядкам утолщения [pic]

Анализ данных таблицы 3 показал, что, с позиции теории систем, вся

гамма форм архитектоники многолетнего растения строится на трёх основных

иерархически подчинённых функциях: ствола, скелета и периферии кроны.

Каждая из этих функций отдельный организм, имеющий сугубо свою цель, но

закономерность построения этих организмов однотипна - обязательная

соподчиненность последующих порядков предыдущим, «с размещением в

пространстве таким образом, чтобы занять в нём минимальный объём»

(Ф.Патури, 1979). По положению в пространстве нарастание тела растения

происходит апикально (верхушек побегов 1, 2, 3 и т.д. в длину) и латерально

(вторичное утолщение уже выросших органов растения [pic] и т.д.) по схеме,

приведённой на рис. 1.

Согласно рис.1, многолетнее растение, - безразлично, дерево [pic]) или

куст [pic]), - в процессе нового цикла роста «одевает» выросшее за

предыдущие циклы роста тело растения латерально, одновременно осуществляя

на этом слое «одежды» апикальный рост новых органов кроны, используя

идентичные строительные модули [pic]) архитектоники кроны с побегами

апикального роста. При этом, согласно законам

механики, растение, как живой организм, реагирует на действие сил,

приложенных к нему и, согласно биологическим законам, также реагирует на

них изменением строения своего тела и его частей.

Наши исследования архитектоники укрывных и неукрывных виноградных

кустов с различными шпалерными системами подтвердили эту схему построения.

Куст представляет собой сообщество двух типичных конструкций: одной -

соответствующей форме опоры (субъективной), а другой - видовой

(объективной). Первая в виде балки - удлинителя равного сечения выполняет

роль проводника, а вторая - постоянно наращиваемой плодообразующей

древесины, представляющей собой балку равного сопротивления.

Более полно свойства архитектоники кроны изложены в публикациях [23,

31, 38, 60, 67].

Анализ полученной информации [65] показал, что структурно это

построение отображается тремя принципами: согласованностью, повторяемостью

и целесообразностью.

По принципу согласованности определялся [73, 80, 81, 89, 94, 111, 113,

125] уровень оптимизации стыка системы машина - растение при постоянном

изменении архитектоники крон. Так как стык, прежде всего, осуществляется

через внешние параметры основных функций архитектоники растения по коридору

[pic] или над растениями [pic] , то одним из возможных путей достижения

оптимальности является формирование кроны в нужном направлении без

побуждения её израстания, но вызовом в первую очередь закладки системы

структурного и функционального объединения тех органов растения, которые

должны в необходимом количестве развиваться в слое плодообразующей

древесины. Эта согласованность обусловлена наследственно закреплёнными

параметрами кроны сортоподвойной комбинации, отображённой на проекции в

плане кругом, периметр площади которого является определяющим параметром

при расчёте ширины междурядья. Следовательно, влиять на параметр ширины

междурядья возможно внешними факторами, например, деформацией круга в

эллипс в пределах этого параметра. Таким образом, соблюдая закон золотого

сечения 21 / 34 (Ф.Патури, 1979), параметр проекции кроны может быть

сдеформирован вдоль ряда до 1,2 её естественного диаметра d и до 0,74 того

же диаметра со стороны междурядий. Тогда, за счёт параметра 0,74d

уменьшается ширина междурядья, а за счёт 1,2d увеличится шаг посадки

растений в ряду.

По принципу повторяемости определялась [23, 26, 31, 32, 38, 43, 65,

67, 75, 98] идентичность составляющих системы машина - растение через

скалярность скелетов растений в ряду (квартале). Благодаря этой скалярности

насаждение ведётся подобными компонентами системы структурного и

функционального объединения органов архитектоники растения (например,

лопастирование), используя «организм» [pic]. [pic]. Такая «инвариантность в

подобии» указывает на возможность применения автоматических систем в частях

[pic] и [pic] этого «организма» [56, 112]. Математически подобная

скалярность выражается как фрактальная система формулой Мандельброта [43],

[pic],

(1)

где [pic] - количество одинаковых компонентов системы структурного и

функционального объединения органов архитектоники растения в разрезе каждой

её основной функции;

[pic] - масштаб в разрезе иерархии ([pic] и т.д.) каждой

основной функции;

[pic] - порядок ветвления.

В формуле (1) [pic]изменяется по мере нарастания объёма кроны, а количество

ветвлений в модуле «с» зависит от их целесообразности, которая определяется

из табл. 4 и рис. 2, где увеличение в скелете коли-чества компонентов

первого порядка ветвления ведёт к потере темпа набора объёма кроны. Лучшими

являются двухкомпонентное ветвление ранга [pic] (вариант I) и

двенадцатикомпонентное ветвление в плодообразующем слое древесины ранга

[pic] (варианты I и II) [125].

[pic]

Рис. 2. Закономерность набора объёма кроны

в зависимости от интенсивности её ветвления [pic]

Наращивание остальных порядков ветвления не имеет смысла, так как темп

увеличения объёма кроны асимптотически приближается к масштабу [pic],

который следует считать нижним критерием ветвления, так как при [pic]

остаётся только побег продолжения, а при [pic] растение превращается в

плеть (ствол). В настоящее время [pic] используется в насаждениях

короткого цикла, например, садах - питомниках [93] и петлеобразном кордоне

виноградного куста [113].

Таблица 4

Морфологическая матрица

данных членов формулы Мандельброта (1)

|Иерар-х|Варианты ветвления по рангам |

|ия | |

|ран-гов| |

|вет- | |

|вления |I |II |III |IV |

|[pic] |Коли-че|[pic] |Коли-ч|[pic] |Коли-ч|[pic] |Коли-ч|[pic] |

| |ство | |ество | |ество | |ество | |

|[pic] |0 |1 |0 |1 |0 |1 |0 |1 |

|[pic] |2 |0,5 |3 |0,33 |4 |0,25 |5 |0,2 |

|[pic] |6 |0,408 |6 |0,408 |8 |0,353 |12 |0,437 |

|[pic] |12 |0,437 |12 |0,437 |16 |0,397 |24 |0,451 |

|[pic] |24 |0,451 |24 |0,451 |32 |0,421 |48 |0,461 |

|[pic] |48 |0,461 |48 |0,461 |64 |0,435 |96 |0,468 |

|[pic] |96 |0,468 |96 |0,468 |128 |0,444 |192 |0,473 |

|[pic] |192 |0,473 |192 |0,473 |256 |0,468 |384 |0,476 |

Развитием работ [93 и 113] нами установлено, что крона многолетнего

растения строится посредством модуля «с» темпоральными слоями (рис. 1),

поэтому возможна её формализация в виде четырёхмерного пространства Генриха

Минковского (рис. 3).

Согласно рис. 3, координаты [pic] и время [pic] реализуются в своих

главных чертах - вдоль ряда «[pic]» и его поперечном сечении «[pic]»,

«[pic]». С математической точки зрения они равноправны, так как прошедшее,

настоящее и будущее этих компонентов кроны запрограммировано генетически в

пределах статической концепции

[pic]

Рис. 3. Формализованный вид кроны многолетнего растения

через пространственные координаты [pic] и время [pic]

времени [pic] (по Козыреву), поэтому может быть для каждого варианта табл.

4 отображено моделью

[pic](2)

где[pic],[pic],[pic] - количество ветвлений по рангам [pic];

[pic] - объём темпорального слоя [pic].

При асимптотическом приближении к нижнему критерию ветвления (рис. 2),

последующие за третьим членом модели (2) по своему объёму будут близки

третьему члену, поэтому он может быть отображён в модели (2) в периоде.

Создавая почвообрабатывающие комплексы для садоводства, виноградарства

и питомниководства, мы установили идентичность влияния на почву в этих

насаждениях факторов природного и антропогенного происхождения. В качестве

природного фактора - водная эрозия, а антропогенного - утяжеление почвы

техникой, что ускоряет процесс слитогенеза в землепользовании и, в конечном

итоге, способствует переувлажнению земель за счёт потери почвой

естественной дренированности. Установлено, что способы возделывания

многолетних насаждений влияют на дренированность почвы в междурядьях из за

однообразия механических воздействий на неё в течении всей жизни насаждения

[16, 23, 25, 28, 69, 92]. Различия в толщине слоёв одной массы до

возделывания и после доходят до 0,1 м за вегетацию. К концу периода

вегетации уплотнение машинами верхних 0,4 м рыхлого выщелоченного

чернозёма Прикубанья уменьшает толщу у этого слоя по следу трактора на 25

%, а проходы почвообрабатывающих машин - не менее, чем на 10 %. В слое 0,00

... 0,39 м на виноградниках в конце вегетационного периода можно

встретиться с тремя типами распределения плотности почв - равномерное по

всей толщине слоя в ряду, более плотное сверху в колее трактора и более

плотное внизу в центре междурядья - «плужная подошва».

Эти данные подтверждены структурным анализом образцов приёмом

деинтеграции (Г.Н.Теренько, С.Ф.Неговелов, В.А.Бондарев, 1979). В

большинстве образцов выход агрономически ценной структуры превышал 80 % от

их массы. На этом фоне резко выделялись образцы, взятые в колее. Даже

интенсивная деинтеграция не смогла разрушить созданных трактором глыб;

структура не только сжата и деформирована, но кое где полностью нарушены её

прежние границы. Поэтому не только осталось больше глыб, но и сама

агрономически ценная структура отличается по характеру от верхнего слоя в

ряду, где преобладает более мелкая структура, размером от 3 до 0,25 мм, её

доля в агрономически ценной структуре 63[pic] 2,8% при коэффициенте

варьирования 10,8%. В колее, наоборот, преобладают более крупные фракции 3

... 7 мм, которые составляют 69[pic] 4,9% при коэффициенте варьирования

17,5%. Интерпретируя полученные результаты исследования и увязав их с

информацией использования почвы однолетними посевами, мы сделали вывод

[99], что уплотнение пахотного и особенно подпахотного слоя вносит глубокие

изменения в водный режим преобладающих на юге тяжелосуглинистых и глинистых

структурных чернозёмов. При насыщении влагой уплотнённых слоёв следует

ожидать ухудшения аэрации корнеобитаемого слоя, где водоудерживающие

капилляры сильно сжаты, а это может в более глубоких неуплотнённых слоях

сильно понизить полезную влажность. Опыты с внутрипочвенными

бороздователями [121] показали, что запасы продуктивной влаги в

корнеобитаемом слое сада снижаются от этого почти вдвое. Вода, просачиваясь

сквозь узкие капилляры уплотнённого слоя, заполняет такие же тонкие

капилляры более глубоких слоёв, а более широкие, которые в нормальной по

плотности верхних слоёв почвы заполнялись водой, остаются пустыми. Кроме

того, на склонах уплотнение ведёт к прямым потерям влаги. Водопроницаемость

почвы понижена и сток во время дождя увеличивается, образуя в междурядьях

мочажины [33]. Это и прямая потеря влаги для урожая текущего года и

усиление эрозии почвы, то есть потенциальная потеря урожая последующих лет.

С позиции физики процесса, приобретение почвой плотности во время

потери влаги следует квалифицировать, как процесс становления пласта до

появления эффекта «каркаса». Принимая во внимание тот факт, что между

механическим составом, влажностью и способностью почвы к уплотнению

существует определённая связь, а утяжеление почвы в зарегулированных

междурядьях зависит от времени года[23], в «каркас» твёрдой фазы будут

упаковываться механическим путём разбухшие коллоидные частицы, которые

покажут достижение эффекта «каркаса» ещё на не высохшей почве, поэтому в

раннем периоде вегетации эффект «каркаса» будет кажущимся (неустойчивым).

Это подтверждается исследованиями утяжеления почвы в междурядьях

виноградников Краснодарского края в 1962 ... 1980 г.г. [69], (табл. 5) .

Таблица 5

Динамика коэффициента утяжеления почвы ([pic])

в междурядьях виноградника

|Сроки |Среднее по |Элементы междурядья |

|наблюдения |междурядью |ряд |колея |междурядье |

|май |0,99 |1,00 |1,15 |0,83 |

|июнь |1,17 |1,03 |1,50 |0,98 |

|июль |2,31 |2,06 |2,63 |2,23 |

|октябрь |2,23 |1,87 |2,45 |2,38 |

|ноябрь |1,11 |1,19 |1,08 |1,05 |

Из табл. 5 следует, что кажущийся «каркас» возможен до июля. С июля по

октябрь он будет уже истинным и имеющим наибольшую несущую способность. Эта

способность приобретается почвой за счёт воздействия на неё двух факторов:

природного, вызванного диффузией влаги в системе «почва - атмосфера -

почва» (внутренний деформатор) и антропогенного, вызванного воздействием

средств ухода (внешний деформатор). Из - за различной интенсивности

испарения влаги из почвы влияние природного деформатора переменно, в то

время как антропогенный деформатор, состоящий из одного и того же

энергетического средства, воздействует на пласт одной и той же массой. То

есть приобретение почвой несущей способности в междурядьях многолетних

насаждений не стационарно из - за природного фактора - влажности.

К концу лета влажность почвы в пахотном горизонте всего междурядья

уменьшается в 1,5 ... 2 раза [69]. К этому времени явно проявляется

особенность «всплытия» твёрдости почвы, в результате чего до глубины 0,1

... 0,15 м пахотный горизонт превращается в монолит, обладающий

максимальной несущей способностью, но, в силу усадо-чных явлений, он

разрывается на крупные отдельности, образуя трещины глубиной до 1 м. и

более. При этом почва в горизонте 0 ...0,1 м. на 10 ... 15 % влажнее

горизонта 0,1 ... 0,2 м. и на 20 ...25 %, чем в горизонте 0,2 ... 0,3 м. То

есть, несмотря на вертикальные трещины, в монолитах сохраняется «подошва»,

образованная проходами стрельчатых лап, которая способствует зависанию

осадков и капиллярному подтягиванию влаги нижних слоёв. Наличие «подошвы» в

монолитах доказано графическим отображением информации табл. 5 (рис. 4).

[pic]

Рис. 4. Динамика коэффициента утяжеления почвы [pic] за

вегетацию в ряду ([pic]), в колее ([pic])

и междурядьи ([pic])

Из рис. 4 следует, что в междурядье процесс утяжеления почвы

продолжается до октября (отрезок [pic]) за счёт отдачи влаги в атмосферу

через капилляры «подошвы».

Нами установлено, что абсолютная величина твёрдости почвы в

междурядьях многолетних культур Северного Кавказа по годам варьирует в

сильной степени, но её относительные показатели между полосами (в ряду,

колее и вне колеи междурядья) более или менее стабильны, поэтому они могут

быть определены отношением средней твёрдости почвы пахотного горизонта в

различное время вегетации и в различных полосах междурядья к величине

твёрдости почвы начала вегетации в ряду [69].

Так как структурные схемы посадок садов и виноградников по параметрам

междурядий и рядов аналогичны, а принципы уходных работ идентичны (табл.

1), то приведённое состояние обрабатываемого слоя почвы является общим для

всех многолетних насаждений Северного Кавказа. В связи со стремлением в

архитектонике насаждений к уменьшению ширины междурядий, то полосный

структурный характер утяжеления почвы в междурядьях может быть отображён

изолиниями твёрдости, части которых изменяются по законам

тригонометрических функций [23].

[pic],

где [pic] и [pic] ;

[pic] - максимальная амплитуда изолиний в первом и третьем

полупериодах, м;

[pic] - период изолинии, равный ширине колеи трактора, м;

[pic] - ширина междурядья, м.

Установлено [16, 23, 25, 28, 69, 82, 92, 99], что среда порождает

ограничения почвенным параметрам многолетних насаждений природными

температурными факторами климата. Влажность и перемещение воздушных масс

являются при этом усиливающими факторами течения его годичного цикла. Для

равнинной части Кубани в усреднённом виде за последний столетний период эти

факторы отображены на циклограмме (рис. 5)

[pic]

Рис.5. Природное течение годичного цикла температур

воздуха равнинной части Кубани:

1 - годичный ход средних температур;

2 - нижнее отклонение средних температур;

3 - максимумы температурного возмущения климата;

4 - смена прямого природного течения годичного цикла температур на

обратный.

Важным в установлении (рис. 5) является то, что начало осенних ([pic])

и конец весенних ([pic]) заморозков делят климат центральной части на две

равные угловые апертуры. Максимумы температурных возмущений климата района

летом и зимой принадлежат одному и тому же вектору циклограммы [pic],

проходящему через конец второй декады июля ([pic]) и января ([pic]). В

летнюю пору максимум связан с интенсивным трещинообразованием в почве, а в

зимнюю - во время смены природного течения температуры (кривая 3) на

обратный (кривая 4) - связан с оживлением компонентов системы не ко

времени, в результате чего растения попадают в неблагоприятные условия

среды не потому, что они в корне изменились, а потому, что потеплением

спровоцирован параметр устойчивости компоненты.

С этими двумя явлениями в механизированных технологиях многолетних

насаждений следует считаться: для почвы находить соответствующую технологию

ухода, а для насаждений - растения с соответствующей устойчивостью [94] или

технологию их защиты от экстремальных условий среды [19, 24, 25, 28, 29,

38, 68, 112]. К остальному течению годичного цикла температур воздуха

следует приспосабливать технологию ухода за насаждением. Особенно это

относится к угловой апертуре апреля, так как параметры характера его погоды

чем севернее, тем устойчивее [23].

Разработка методологии оптимизации управления

функционированием и развитием механизированных

технологий многолетних насаждений

Разработка методики подбора критериев оптимизации

Известно из теории «Системы отображения информации» (СОИ, В.Ф.Венда,

1975), что анализ причин события требует достаточного массива информации.

По аналогии нами установлено, что процессы, протекающие в технологиях

растениеводства, могут быть отображены информацией о культуре, средствах

производства, продукте и воздействиях, направленных на поддержание их в

заданных параметрах через мнемомодель (рис. 6).

[pic]

Рис.6. Модель интенсивной технологии продукта

растениеводства

[pic]С позиций математической логики функция этой модели может быть

вычислима, если моделируемый процесс отождествлён с множеством и полностью

определяется своими элементами. Поэтому в разработке методики задача

сводилась к доказательству того, что технология интенсивного производства

плодов и винограда является тоже множеством. Для этого был использован

постулат о том, что «нет других множеств, кроме построенных на одном из

шагов».

Процедурно набор информации для расчёта технологий многолетних

насаждений осуществлялся методом «понятия бесконечного дерева», набрав её

из изоморфных копий трёхэлементных деревьев «шаг» за «шагом» (рис. 7).

[pic]

Рис. 7. Изображение интенсивных технологий многолетних

насаждений «понятием бесконечного дерева».

Изображение (рис. 7) означает упорядоченное усреднённое множество,

названное «полным бинарным деревом»

[pic],

(3)

где [pic] - конечное число «шагов» множества;

[pic] - символ, указывающий на то, что [pic] усреднённого

множества [pic] может быть использован не полностью.

В множестве (3), согласно рис.7, левые последователи (0 - 1, 2 - 5 и

т.д.) множества [pic] подчиняются зависимости

[pic]

(4) и означают выход продукта, а правые последователи (0 -

2, 2 - 6, и т.д.) множества [pic] подчиняются зависимости

[pic]

(5) и означают процесс роста технологии «шаг» за «шагом».

Поэтому, согласно рис.7, каждый последователь (4) является тупиком дерева

[pic], так как

[pic] при [pic],

в то время как на последователе (5) строится «бесконечное дерево» путём

наращивания изоморфных копий трёхэлементных деревьев

[pic]

[pic]

[pic] (6)

где [pic] - первый бесконечный ординал;

[pic].

Массив информации, заключённый в выражении (6), может быть использован

Страницы: 1, 2, 3, 4