Техническое оснащение информационно-советующей системы управления режимами орошения

Технический состав и назначение системы

Информационно-советующая система (ИСС) создана для того, чтобы агроном мог оперативно корректировать полив на основе реальных почвенно-климатических условий и прогноза погоды. Это помогает точно дозировать воду и управлять продуктивностью орошаемых культур. Система позволяет избежать переувлажнения почвы или засухи, оптимизируя затраты на мелиорацию.

Технический комплекс системы включает три основных компонента. В него входят датчики влажности почвы, профессиональная метеостанция Vantage Pro2 и персональный компьютер. Минимальные требования к компьютеру — процессор Intel Pentium III с частотой от 750 МГц.

• Интервал опроса датчиков — от 2,5 с
• Объем памяти интерфейса — 2560 записей
• Размер дисплея консоли — 150х90 мм
• Звуковые предупреждения — 35 функций

Функции и технические характеристики метеостанции Vantage Pro2

Метеостанция Vantage Pro2 состоит из консоли управления и блока внешних датчиков (Integrated Sensor Suite, ISS). Датчики объединены в единый корпус, что существенно упрощает их монтаж непосредственно в поле. В стандартную комплектацию входят датчик влажности воздуха, анемометр для измерения скорости и направления ветра, а также кабель консоли длиной 30 м.

Управление метеостанцией и считывание информации осуществляются через консоль. Пользователь может переключаться между встроенными режимами работы для детального анализа ситуации. Вся необходимая статистика отображается на встроенном дисплее.

• Current Data — отображение текущих показателей, выбор единиц измерения и калибровка приборов.
• High/low — вывод максимальных и минимальных значений за сутки, месяц или год.
• Alarm — настройка звуковой сигнализации при достижении критических значений метеопараметров.
• Graph — построение до 100 различных вариантов графиков по сохраненным данным.

На экран консоли выводится комплекс ключевых параметров погоды. Метеостанция фиксирует температуру, влажность, давление, скорость ветра и уровень осадков. На основе этих данных система рассчитывает точку росы, фазы Луны, а также время захода и восхода Солнца.

Встроенный алгоритм локального прогноза погоды учитывает несколько факторов. Система анализирует географические координаты поля, текущий сезон, динамику давления, направление ветра и влажность. Это позволяет получать точные краткосрочные прогнозы непосредственно для вашего участка.

Для автоматического наполнения базы данных системы используется специальная схема передачи и накопления метеоинформации. Передавать собранные данные на компьютер можно двумя способами. Это позволяет вести непрерывный мониторинг и сохранять историю наблюдений для последующего анализа.

Первый - метеорологические показатели датчиков метеостанции по радиоканалу передаются на консоль, в стандартном исполнении максимальное расстояние передачи данных составляет 100 м. Использование антенн направленного действия, установленных на консоли и метеостанции, позволяет увеличить расстояние передачи данных до 8 км. Затем данные с консоли через USB-кабель передаются на ПК. Программа WeatherLink, установленная на ПК, позволяет в режиме реального времени просматривать поступающие с метеостанции данные. Также создается архив данных, который хранится в директории С:\WeatherLink\Метеостанция\2009-06.wlk.

Второй способ предусматривает использование на метеостанции GSM-модема. Метеорологическая информация передается через спутник на сервер в сети Internet, при этом расстояние передачи данных не ограничено. На сервере информация также хранится в файле \2009-06.wlk. Недостатком такой схемы являются дополнительные затраты на оплату Интернета и содержание сервера. После того как данные оказались на сервере, производятся настройки программы WeatherLink. После завершения настроек программа обращается к серверу, данные скачиваются и отображаются на экране ПК.

Рис. 19. Схема передачи и накопления метеорологической информации

Так как файл формата.wlk не распознается ни одним стандартным приложением ПК, то в программе WeatherLink предусмотрен экспорт данных в.txt файл. Из.txt файла данные можно перевести в любую другую программу для анализа или дальнейшего расчета.

Также в программе WeatherLink можно производить предварительный анализ данных. Вся полученная информация отражается в виде графиков,

Рис. 20. Просмотр показателей метеостанции в режиме реального времени

Рис. 21. Экспорт метеоданных e.txt файл

Использование данного приложения позволяет комплексно оценивать всю метеорологическую информацию и дает возможность преобразовывать данные в необходимый формат для дальнейшей работы с информацией.

К онтроль влаж ности почвы. Определение влажности почвы орошаемого агробиоценоза производится с помощью почвенных датчиков, тарируемых с использованием методик и оборудования, приведенных в табл. 23.

Рис. 22. Графическое отображение метеоинформации

Продолж ение табл. 23

Наименование Методика Средства измерения, показателя определения приборы

Водно-физические свойства Полевая (наименьшая) Метод заливае Ёмкость для воды, весы, влагоёмкость, % мых площадок сушильный шкаф Влажность почвы пахот Термостатно- Бур, бюксы, весы, су ного горизонта, % весовой метод шильный шкаф Максимальная гигроско ГОСТ 28268-89 Сушильный шкаф, экси пическая влажность и катор, стеклянные бюксы, влажность устойчивого весы аналитические завядания, %

Физико-химические свойства pH Мономер, весы лаборатор ные, химическая посуда, стандарт-титры Органическое Муфельная печь, тигли,

ГОСТ 26483-85 вещество, % сушильный шкаф Гидролитическая Иономер, лабораторная кислотность, мг-экв. посуда на 100 г Обменный ГОСТ 26489-85 Фотоколориметр аммоний, мг/кг (по методу

ЦИПАО) Нитраты, мг/100 г почвы ГОСТ 26951-86 Иономер, электроды, хи (ионометриче мическая посуда, реакти ский) вы

Валовое содержание питательных элементов Азот, мг/100 г почвы ГОСТ 26107-84 Прибор Сиренева

Подвижные (доступные для растений) формы Гидролизуемый азот, Метод Тюрина и Прибор Къелдаля, реакти мг/100 г почвы Кононовой вы, лабораторная посуда Подвижный фосфор, Спектрофотоколориметр мг/100 г почвы

ГОСТ 26207-91 Обменный калий, Пламенный фотометр мг/100 г почвы

Наименование Методика Средства измерения, показателя определения приборы Магний, мг/100 г почвы Бюретки, лабораторная

ГОСТ 26487-85 Кальций, мг/100 г почвы посуда, реактивы Натрий, мг/100 г почвы ГОСТ 26426-85 Иономер, электроды, хи мическая посуда, реакти вы Урожайность, ц/га Метод сплошной Весы, вычислительная уборки (метод аппаратура учётных площа док)

Компьютерная программа оперативного планирования поливов

Компьютерная программа, один из режимов которой осуществ ляет расчет для ИСС (режим «Рассчитать сезон»), разработана в ВНИИ «Радуга» в 2008 г. на основе имеющихся методик и про грамм с учетом современных требований и с использованием ма тематического аппарата. Номер Государственной регистрации 2008615169, рабочее название «Расчет динамики агроклиматических ресурсов и их регулирование (Raduga Irrigation)».

Программный комплекс работает в следующих режимах:

Добавление новых метеостанций (метеоданных) и культур, ко торые еще не включены в рабочую базу данных программы;

Расчет динамики тепло-, влагообеспеченности за многолетний период для культур и метеостанций, включенных в рабочую базу. Введен расчет биоклиматического потенциала (БКП), характери зующего потенциальную продуктивность климата. Значения БКП могут изменяться от 1 до 5,2 при достаточном увлажнении и от 0,6 до 4,68 - при недостаточном;

Режим для оперативного расчета влагозапасов почвы и по ливной нормы одного сезона (года) на основе фактических и вновь вводимых данных с периодом (или шагом) расчета от одного часа. Расчет проводится с начала вегетационного периода до любой ука занной даты для определенной сельскохозяйственной культуры с использованием прогнозных метеоданных;

Аналитический раздел используется при математической об работке результатов расчета и построении сплайн-функций.

Добавление новых метеостанций и культур (Add Data)

Рис. 23. Панель режима Add Data

Культуры, вводимые в состав рабочей базы данных программы, рекомендуется предварительно описать в дополнительном (вспомогательном) файле «Культуры», для удобства сформированном в Excel.

В файле для формирования рабочей базы программы предлагается следующий порядок расположения информации:

• Первые четыре таблицы файла (лист «общий») — значения коэффициента Кб по зонам для региона BD OSN, объединяющего европейскую часть земледельческой территории. Значения коэффициентов приведены в соответствии с суммами температур от начала вегетации с шагом 200°С. При переносе данных на именные листы Excel (лист организован по каждой культуре) порядок зон следующий: сухая степь, умеренная степь, лесостепь, лесная зона.
• Следующие четыре таблицы — это значения коэффициента Кб по зонам для региона BD URAL, включающего в себя земледельческую территорию Урала, Зауралья и Западной Сибири.
• Следующие две таблицы — зависимость глубины корнеобитаемого слоя hk (м) сельскохозяйственных культур от суммы среднесуточных температур воздуха Ef для BD OSN соответственно для аридной и гумидной зон.
• Следующие две таблицы — зависимость глубины корнеобитаемого слоя hk (м) сельскохозяйственных культур от суммы среднесуточных температур воздуха Ef для BD URAL соответственно для аридной и гумидной зон.

Все перечисленные таблицы могут дополняться в связи с потребностью (в расчете на культуры, еще не введенные в рабочую базу программы).

На основе этих таблиц формируются файлы данных по заданному формату для каждой культуры (пополнение рабочей базы программы) и переносятся в рабочие поля программы при расчете. Каждая культура располагается на отдельном листе Excel файла «Культуры», название которого для удобства совпадает по написанию с названием культуры.

Формат заполнения листа следующий:

• В строки 1-6 для BD OSN, начиная со столбца А, последовательно копируется информация по культуре: первая строка — для пустынь, вторая — для полупустынь (если эти зоны не участвуют в расчетах, то строки до позиции S1 заполняются нулями); третья для зоны сухих степей: температура начала вегетации (АЗ); сумма температур вегетационного периода культуры (ВЗ); C3-R3 — значения биологического коэффициента Кб в соответствии с суммами температур от начала вегетации с шагом 200°С; S3 — коэффициент фактического насыщения влагой ju.
• Далее, с позиции А4 (четвертая строка), копируется аналогичная информация для зоны умеренной степи, с А5 — для лесостепной зоны, с А6 — для лесной.
• С позиции А7 копируется глубина корнеобитаемого слоя hk (м) сельскохозяйственных культур в зависимости от суммы среднесуточных температур воздуха Ef для BD OSN соответственно для аридной зоны, с позиции А8 — аналогичная информация для гумидной зоны.
• Далее вся информация (строки 1-8) повторяется для BD URAL (заполняются строки 9-16).

После того, как лист сформирован, культуру можно включать в рабочую базу программы с помощью режима Add Data.

Для этого следует:

1. Скопировать весь лист.
2. Поместить его в поле, предложенное программой при включенном режиме Add Data.
3. Ввести в предложенное окно название культуры и нажать клавишу «Добавить культуру».

Возможен ввод данных в предложенное окно вручную с соблюдением места расположения данных и правил ввода (t — табуляция для ввода с заданной позиции, / — разделитель чисел, h — переход на новую строку).

Метеоданные вставляются аналогично. Формат, количество и порядок ввода данных совпадают с форматом из предыдущей программы ROSK. После заполнения данными поля при включенном режиме Add Data нажать клавишу «Добавить метеостанцию». Метеостанция с метеоданными добавится в рабочую базу.

Программный модуль в режиме «Рассчитать для многих» разработан на основе методики для программы ROSK, эксплуатируемой с 2004 г. (в данном варианте он усовершенствован и расширен).

Расчет по программе осуществляется после нажатия кнопки button 1, но предварительно необходимо установить правильную информацию в окнах следующим образом:

• Первое окно — выбрать в ниспадающем меню название метеостанции, для которой проводится расчет. Если в предложенном меню метеостанция отсутствует — значит, ее нет в рабочей базе. Следует войти в режим программы Add Data и ввести метеостанцию согласно инструкции п.1);
• Второе окно — выбрать название культуры для расчета. Если нужной культуры среди перечисленных нет, войти в режим программы Add Data и ввести культуру согласно инструкции;
• Третье окно — назначить один из предложенных регионов: Европейская Часть (BD OSN) или Сибирская Часть (BD URAL) для выбора программой массива коэффициентов Кб;
• Четвертое окно — выбор гумидной или аридной зоны для расчета динамики корнеобитаемого слоя кк.

Затем пользователем вводятся значения:

Далее, ниже окон, выводится комментарий «Выборка по...», т.е. значение расчетного периода в часах: 24 — суточный, 240 — декадный и т.д.

В комментарии «Для анализа используется... %» — указать значение обеспеченности, выбранное пользователем с помощью предлагаемой шкалы: 25% — средневлажный, 50 — средний год, 75% — среднесухой и т.д.

Далее в окнах указываются (или уточняются) значения температуры начала и конца вегетационного периода (KY T_s и KY Т_е соответственно), требуемые для вычисления интегрального показателя Ку.

Затем нужно проверить правильность заданных установок и запустить программу нажав кнопку buttonL.

Полученную в результате расчета информацию скопировать (Ctrl-A, Сtrl-Ins) и вставить (Shift-Ins) на чистый лист Excel для удобства чтения и печати.

В режиме «Рассчитать сезон» для оперативного управления поливами (ОУП) осуществляется оперативный расчет влагозапасов почвы и дефицита водопотребления.

Работа в данном режиме для определенной сельскохозяйственной культуры всегда проводится с начала вегетационного периода. Последние несколько строк метеоданных могут представлять собой прогнозные значения на несколько суток вперед, которые при последующих расчетах заменяются фактическими.

В начале работы в первом верхнем окне из ниспадающего меню следует выбрать название метеостанции (или поля), для которой будет проводиться расчет. После выбора нужного названия нужно нажать соседнюю кнопку «Загрузить метеостанцию».

После этого на панели активизируется следующее окно, в него вводят дату начала сезона, которую подтверждают нажатием кноп ки «Выбрать сезон».

Для ввода нового сезона (или изменения даты начала расчета) используется кнопка «Добавить С», нажатие которой позволяет исправить дату в соседнем (правом) окне.

После этого нажатием кнопки «Выбрать данные» загружают выбранную по сезону информацию из файла по метеостанции или вспомогательного файла.

Для расчета по оперативным и прогнозным данным, которые выбираются из вспомогательного файла, организованного по за данному формату, их следует скопировать, вставить в пустое рабочее окно, затем нажать кнопку «Выбрать данные».

Таблица 24

              Последовательность расположения данных
                     во вспомогательном файле
 Временной
                  Т         А         Р         V         HF       AddP
 промежуток
     24         11,65      68,7      0,3       0,9        12         0
     24         9,45        81        4        1,6        12         0
     24         9,85       77,1       0        U          12         0
     24         11,45      70,3       0        0,9        12         0
     24         15,85       61        0          1        12         0
     24         16,25      67,2       0         1,6       12         0
     24         13,45       71        0        1,75       12         0
     24         13,55      72,3       10        3         12         0
     24         15,85      82,9       2         1,9       12         0
     24         12,55      71,5       6        3,25       12         0
     24         12,25      69,2      0,3        1,6       12         0

Примечание. Т - температура, А - влажность воздуха, Р - осадки, V - ско рость ветра, HF - высота флюгера, AddP - добавлено воды (полив, мм).

Нажатие кнопки «Выбрать сезон» активизирует следующее меню:

• «Отобразить данные» - в поле панели появится загруженная информация. Если требуется удалить несколько последних записей (например, прогнозную информацию), надо в окне рядом с кнопкой «Удалить N последних записей» указать нужное количество и под твердить, нажав кнопку. После этого еще раз дать команду «Ото бразить данные», чтобы убедиться в проведенной операции;

КО - микроклиматический коэффициент.

М Полив % - задается полив, в % от максимального.

М Слив Сут - скорость ухода лишней воды с поля, мм/сут (чтобы не учитывать этот параметр, следует задавать заведо мо большее число, чем максимальная поливная норма).

M in % - минимальный допустимый порог влажности, с ко торого нужно начинать полив;

• выбрать культуру для расчета из предлагаемого перечня, со держащегося в рабочей базе программы;

• выбрать дату начала вегетации - указать в соседнем окне;

• нажать кнопку «Обсчитать». Результаты расчета скопировать на чистый лист Excel.

Строки с положительным дефицитом соответствуют дням, в ко торые необходим полив.

В прил. АЗ представлен расчет сезона 2007 г. (май-сентябрь) по фактическим ежедневным метеоданным метеостанции Коломна для культуры люцерна прошлых лет. Условия расчета заданы поль зователем и отражены на рабочей панели. Строки с положитель ным дефицитом соответствуют дням, в которые необходим полив.

Отрицательное значение дефицита говорит об излишках влаги (мм), образующих поверхностный сток.

При нулевом значении дефицита полив не нужен.

Работа в режиме «Аналитический раздел»

Построение сплайн-функции осуществляется по следующему алгоритму:

F(t) = ао + a it + a2t + aklcos(tw1) + ak2cos(tw2) + ak3cos(tw3) +

+bklsin(tW]) + bk2$in(tW2)+ bk3sin(tw3). 1. Запустить программу «Raduga Irrigation». 2. Выбрать режим «Аналитический раздел». Предварительно в Excel организовать ряды:

Г од (начиная с нуля) Значения показателя (например К у)

Эти два столбца скопировать и вставить в поле окна «Анали тический раздел».

Заполнить предлагаемые окна первого ряда (напротив надпи си Т1 (первый период): в первом окне - начальный год (это 0), во втором - конечный год (по числу лет наблюдений), в третьем - шаг расчета (наиболее целесообразно 0,5).

Нажать кнопку «1 период».

Полученные после расчета результаты скопировать на лист Excel.

Выбрать в скопированном массиве три строки с наименьшим значением в столбце Sigma*2. Соответственно выбрать три значе ния периода в соседнем столбце Т.

Вернуться в «Аналитический раздел». В окнах по строкам Т1, Т2 и ТЗ указать соответственно границы каждого из трех периодов (± две единицы) и шаг расчета (тоже 0,5). В окно скопировать ряды (как в п. 3). Нажать кнопку «3 периода».

В полученных результатах, скопированных в Excel, найти строку с минимальным значением Sigma*2.

Коэффициенты соответствующей строки вставить в формулу и просчитать для всех значений показателя из п. 3.

По полученным результатам построить график сплайнфункции.

6, МЕТОДИЧЕСКИЕОСОБЕННОС ТИ