Автоматизация и роботизация животноводства: Путь к эффективности и устойчивости

Сельское хозяйство - одна из важнейших отраслей экономики, обеспечивающая продовольственную безопасность стран и удовлетворение потребностей граждан. Однако перед ней стоят различные вызовы, включая нестабильные климатические условия, увеличение населения, сокращение земельных ресурсов и проблемы недостатка рабочей силы. Все это делает сельскохозяйственную роботизацию необходимым и перспективным решением. Она представляет собой инновационный подход, способствующий наращиванию эффективности производства и устойчивости аграрного сектора в современных условиях.

Агросектор показал себя как один из наиболее устойчивых в условиях глобальной пандемии COVID-19. За последние годы Россия вошла в топ-15 стран с наибольшим количеством IT-стартапов в сельском хозяйстве, а применение новых технологий помогло собрать рекордные урожаи в 2016, 2017 гг. Как это произошло? В самом разгаре аграрная революция 21 века. Под этим мощным определением подразумевается интенсивное внедрение IT-технологий в сельское хозяйство. Речь идет не только о технических инновациях, разрабатываются биотехнологии, проводятся исследования в наномедицине.

Умное фермерство в России

Рынок умного фермерства в России только зарождается. Введение в сельское хозяйство автоматизации и цифровизации существенно сокращает затраты (от 20% и более) на удобрения, СЗР и топливо. Мировые лидеры в данном направлении: США, Германия и Китай. По данным Росстата, агросектор интенсивно растет уже несколько лет подряд. Экспорт сельскохозяйственной продукции в 2020 г. вырос на 3%.

Внедрение инновационных технологий в отрасль часто способствует перераспределению сфер влияния на рынке. Большие стартовые затраты отпугивают многих производителей, но зачастую вложенные инвестиции удается вернуть уже через несколько лет.

Преимущества роботизации АПК

Агропромышленная роботизация предоставляет широкий спектр преимуществ, которые положительно влияют на эффективность работы и способствуют устойчивому развитию отрасли. Ниже перечислены основные плюсы внедрения новых сельскохозяйственных технологий:

• Увеличение качества выполняемых задач: роботы обладают высокой степенью точности и позволяют минимизировать ошибки. Например, в процессе орошения машины используют специализированные датчики и алгоритмы, что способствует оптимальному распределению воды и увеличению урожайности.
• Снижение нагрузки на человека и улучшение условий труда: многие сельскохозяйственные работы требуют физической силы и монотонных повторяющихся движений, что может приводить к травмам и утомлению работников. Роботы способны выполнять эти задачи более эффективно и безопасно, освобождая людей от тяжелых и опасных работ.
• Оптимизация использования ресурсов: роботизация АПК позволяет точно дозировать количество удобрений и пестицидов, что приводит к сокращению как материальных издержек, так и негативного влияния на природу. Также роботы способны обнаруживать и устранять заболевания растений более эффективно, что снижает потери урожая.
• Сокращение времени выполнения задач: автоматизированные машины работают непрерывно и обеспечивают высокую производительность. Например, автономные роботы-собиратели могут осуществлять уборку урожая с большей скоростью и точностью, расходуя меньше времени и сокращая потери продукции.
• Снижение вреда экологии: технологии позволяют точно контролировать использование воды, удобрений и пестицидов, что уменьшает их расход и минимизирует выбросы в окружающую среду.

Эти преимущества являются ключевыми аргументами в пользу внедрения роботизированных систем. Они способствуют повышению эффективности, устраняют проблему недостатка рабочей силы и наращивают конкурентоспособность предприятий сельскохозяйственной отрасли.

Вызовы и препятствия

Роботизация для фермерских хозяйств включает в себя не только множество плюсов, но и ряд определенных вызовов. В их числе:

• Новые разработки стоят дорого, как и дальнейшее обслуживание оборудования. Обязательства, связанные с вложением большого количества денежных средств, могут стать преградой для многих сельскохозяйственных предприятий, особенно малых и средних.
• Внедрение робототехники повлечет за собой появление этических и правовых споров. Также возникнут прения относительно ответственности за возможные непредвиденные ситуации и ошибки роботов.
• Многие сельскохозяйственные работы требуют определенных навыков и опыта. Роботизация может спровоцировать нехватку квалифицированных кадров, способных эффективно управлять машинами и обслуживать автоматизированные системы.
• Одним из вызовов выступает необходимость приспособления технологий и роботов к различным типам почвы и климатическим факторам. Требуется разработка гибких и адаптивных решений, способных эффективно функционировать в различных сельскохозяйственных условиях.
• Внедрение роботизации вызывает опасения у специалистов относительно их трудовых перспектив. Сопротивление со стороны работников может препятствовать успешной реализации процесса.

На заметку: существующие трудности можно преодолеть путем разработки соответствующих стратегий поддержки со стороны государства и инвестиционных программ, охватывающих исследования и разработки. Роботизация сельскохозяйственной техники имеет большой потенциал для устойчивого развития, и ее успешное внедрение зависит от усилий всех заинтересованных сторон.

Применение робототехники в сельском хозяйстве

Рынок робототехники динамичен и обладает широким спектром возможностей. Чтобы понять и оценить их, рассмотрим сферы применения сельскохозяйственных роботов в секторе АПК.

Автоматизация

В наши дни роботы могут выполнять большинство сельскохозяйственных операций. На полях и в теплицах интеллектуальные машины занимаются междурядной обработкой и сбором урожая, даже таких нежных культур, как клубника и помидоры. В животноводстве применяются не только «доильные роботы», но и сельхозмашины для кормления и уборки за животными.

Беспилотные тракторы и комбайны

Беспилотные тракторы и комбайны, оснащенные системами умного зрения, становятся достойной альтернативой традиционной техники, управляемой водителем. Контроль осуществляется оператором дистанционно при помощи GPS. Для выявления препятствий на пути и точного расчета маневров используется машинное обучение, которое позволяет распознавать животных, камни и другие помехи.

Роботизированный сбор и упаковка

Роботизация сельского хозяйства необходима для автоматизации сбора, а также упаковки собранных фруктов и овощей. Благодаря своей точности и высокой скорости роботы способны снизить потери и уменьшить количество отходов в рамках данных процессов. Помимо этого, машины также используются для выполнения сложных задач, таких как мониторинг состояния посевов и измерение уровня pH в почве.

Уход за растениями

Роботы могут быть приспособлены для ухода за растениями, включая обрезку, прополку, применение инсектицидов и орошение. В борьбе с сорняками применяются разнообразные механические инструменты, которые позволяют избежать дополнительной химической обработки посевов. Интеллектуальные опрыскиватели оснащены камерами с компьютерным зрением для направленного применения гербицидов.

Роботизированная дойка: как это работает?

Роботы в животноводстве

Различные задачи, связанные с животноводством, например, доение коров, подача кормов и мониторинг земель для выпаса скота, могут быть эффективно автоматизированы. Избавляя фермеров от длительных, монотонных и повторяющихся задач, роботы вносят значительный вклад в общую производительность сельхозпредприятий.

Геоинформационные комплексы

Геоинформационные системы (ГИС) предоставляют фермерам ценные инструменты для принятия обоснованных решений. С помощью ГИС можно картографировать участок и анализировать состав почвы, что помогает оптимизировать использование земли и повысить урожайность. Эти системы также играют важную роль в планировании посевов. Они оптимально распределяют культуры на поле, учитывая такие факторы, как климатические условия и почвенные характеристики. Кроме того, ГИС используются для мониторинга и управления сельскохозяйственными процессами в реальном времени. Они интегрируют данные датчиков, спутников и информацию о погоде, что дает возможность фермерам быстро реагировать на любые изменения условий.

Вертикальное земледелие

Этот метод подразумевает выращивание сельскохозяйственных культур, при котором растения размещаются в вертикальных структурах (стеллажах, гидропонных системах, специализированных фермах и т.д.). Подход позволяет эффективно использовать ограниченное пространство и ресурсы, включая воду и электроэнергию, а также лучше контролировать освещенность, влажность и присутствие питательных элементов в почве. Вертикальное земледелие набирает популярность в больших городах и в тех местностях, где отсутствуют плодородные земли.

Использование беспилотных летательных аппаратов

В беспилотниках установлены высокочувствительные сенсоры, которые мониторят рост культур, выявляют болезнетворные факторы, контролируют температуру, помогают точечно распылять пестициды, подкормку или воду. Их также используют для определения степени плодородности почвы и построения стратегий минимизации урона от засухи или подтопления. В животноводстве беспилотники помогают наблюдать за пастбищем, отслеживать перемещение скота на большой площади. Некоторые устройства оснащены тепловизионными камерами для выявления нездорового поголовья с повышенной температурой тела. С этими технологиями фермеры получают массив исчерпывающей информации, которая в будущем будет полезна для масштабирования бизнеса.

Искусственное опыление

Опыление играет жизненно важную роль в выживании многих сельскохозяйственных культур. Однако данная сфера сталкивается с массой трудностей, которые связаны со снижением естественной популяции насекомых-опылителей. По этой причине создание и применение роботов, которые имитируют поведение и внешний вид насекомых, становится весьма востребованным.

Эти миниатюрные устройства оснащены камерами, системами искусственного интеллекта (ИИ) и микроприводами, которые позволяют им автономно летать, ориентироваться в пространстве и опылять культуры. В отличие от ручного опыления, роботы-насекомые на базе ИИ точны и выгоды. Они способны выполнять задачи при любых условиях и в разных средах. Кроме того, их можно запрограммировать на опыление конкретных растений, избегая нежелательных скрещиваний.

Применение насекомых-роботов с искусственным интеллектом позволяет снизить нагрузку на естественных опылителей и способствует восстановлению экосистем и биоразнообразия. Они открывают новые возможности для инноваций в области сельскохозяйственной робототехники и биотехнологий.

Экономические перспективы роботизации

Что касается экономических перспектив роботизации в сельском хозяйстве, то они весьма значительны. Замена ручного труда на автоматизированные системы позволяет сократить затраты на оплату рабочей силы и снизить риски, связанные с человеческим фактором, избежать производственных травм. Более того, роботизация сельского хозяйства дает возможность варьировать скорость и интенсивность работ в зависимости от потребностей бизнеса.

Роботизация (автоматизация) животноводства позволяет решать не только отдельные задачи, но позволяют изменить стратегию организации хозяйства. Роботы позволяют повысить общую экономичскую эффективность хозяйства, сделать труд в этой области более интересным и привлекательным для человека. Роботизация позволяет фермеру добиваться более высоких результатов при одновременном сокращении рисков, которые ассоциированы с "человеческим фактором".

Какие направления позволяет улучшить роботизация?

В производстве молока можно разбить на несколько отдельных задач, которые поддаются эффективной роботизации. Решив все эти задачи, можно добиться заметного повышения эффективности хозяйства. Это, например:

• увеличение поедаемости кормов;
• снижение затрат на лечение животных;
• увеличение коэффициента осеменяемости;
• увеличение продуктивности.

Наибольшего успеха можно добиться при условии комплексной автоматизации с использованием роботов. Работа фермы должна управляться единой ИТ-системой, получающей данные от всех элементов автоматизированного хозяйства и управляющей ее активными элементами - роботами и другими приспособлениями.

Сбор данных осуществляет, например, система роботизированного доения коровы - при каждом посещении животного, система производит не только доение и кормление животного, но также проводит комплексный анализ молока, взвешивание животного, передавая все данные в управляющую систему. Информационная система служит не только для сбора и обработки собранной информации, но и для ее представления в наглядном и удобном для человека формате. Не требуется анализировать показатели каждой коровы, человек занимается интегральными показателями.

Система всегда заметит любые негативные события или тренды и привлечет к ним внимание владельца фермы, после чего можно будет углубиться в данные для выявления фактора, который вызвал проблему - на уровне стада, группы животных или отдельной коровы. На базе полученной информации человек формирует управляющие решения. Система доения как правило интегрирована с программой управления стадом (например, T.Forсe у Lely). ПО для мобильных устройств позволяет организовать дополнительный интерфейс связи с системой.

Примеры роботизированных решений

2022.10 Робота для автономного формирования подстилок из соломы создали компании OlliGES и Big Dutchman. Робот предназначен для использования в свинарниках, где он может формировать подстилку из пшеничной, ржаной, овсяной или ячменной соломы или их смеси. Считается, что свиньи на откорме быстрее набирают вес, если содержатся на соломе.

Роботом управляет ИИ, определяющий где и сколько требуется подстилки. Он способен работать даже с небольшими площадями 600 х 600 мм в каждом загоне. Робот способен работать как при внешнем освещении, так и без него, используя 2D-камеру и ИК прожектор для сканирования и оценки состояния подстилки. В работу робота может вмешиваться также фермер, задавая роботу ориентиры - сколько проходов делать в течение дня. Кроме соломы, робот может работать с волокнами - длинными и короткими, включая гранулы и древесную щепу.

2015.08.07 Российская птицефабрика Челны-Бройлер приобрела роботизированный склад, что является уникальным явлением для российских птицефабрик. Склад состоит из зоны приема продукции, складских стеллажей, роботов загрузки и разгрузки, участка формирования заказа и конвейерных систем.