Арктические адаптивные искусственные экосистемы – основа жизнеобеспечения человека

 

Д.т.н. Измайлов А.Ю., д.т.н. Гришин А.П., к.э.н. Гришин А.А.

 

Арктика – территория национальных парков и заповедников, требует решения экологических проблем, в основе которых создание искусственных экосистем.

Для обеспечения жизнедеятельности человека в условиях вечной мерзлоты и получения растительной продукции предназначены блочно-модульные тепличные комплексы (БМТК). Они состоят из отделных блоков – модулей различного назначения, создающих искусственную экосистему и условия её существования, рис 1.

 

Рис. 1.  БМТК: 1,7 - Теплицы на основе искусственных экосистем.

2 - Медпункт. 3 - Минизавод по переработке растениеводческой продукции.

4 - Минизавод получения питьевой и технической воды. 5 - Модуль приборного обеспечения. 6 - Минизавод продуктов питания. 8 - Энергоблок.

 

Естественная экосистема – сообщество организмов, существующих в физической среде, объединенных с ней и между собой потоком энергии. Солнце является источником энергии, которую зеленые растения, преобразуют в питательные вещества посредством фотосинтеза. Травоядные, поедают растения и служат пищей и источником энергии вторичным потребителям. Бактерии, расщепляя останки отмерших организмов, завершают цепь энергопитания.

В процессе хозяйственной деятельности человеком создаются антропогенные (искусственные) экосистемы. Наиболее распространенной такой экосистемой, где влияние окружающей среды полностью исключается, является теплица.

Независимо от типа экосистемы поток энергии претерпевает следующее изменение: энергия оптического излучения в процессе химической реакции фотосинтеза переходит в химическую энергию углеводородов. Скорость потока преобразования энергии определяется скоростью фотосинтеза, что непосредственно влияет на продуктивность растения.

Зависимость скорости фотосинтеза от величин параметров внешних факторов определяет энергопреобразующие характеристики (ЭПХ) растения и оптимальную величину параметров, соответствующую максимуму скорости фотосинтеза. К ним относятся:

         температура и влажность окружающего воздуха

         влагообеспеченность

         солевой состав питательного раствора

         концентрация СО2

         плотность оптического излучения

На рис. 2 и 3 представлены ЭПХ культуры огурца сорта «Эстафета» при различных температурах, концентрациях солевого состава и плотностях облучения (по Мудрику В.А.)

 

 

                                      Рис. 2                                                         Рис.3

Внешние факторы (особенно климатические) оказывают ограничивающее воздействие на скорость фотосинтеза, а значит и на продуктивность растениеводства.

Так при максимально возможной спектральной эффективности солнечного излучения при фотосинтезе, равной 21%, из-за действия ограничивающих факторов на фотосинтез идет лишь 1 %.

В искусственных экосистемах закрытого типа (вегетационные климатические камеры ВКК) эту проблему возможно решить, обеспечивая оптимальные параметры внешних факторов автоматически по реакции растения, характеризующей скорость фотосинтеза (контролируя концентрацию СО2 и температуру листа).

При таком варианте, поддержание температуры и других параметров на оптимальном уровне будет производиться автоматически по сигналу датчиков СО2 и температуры, установленных на растении.

Растение само  будет обеспечивать себя нужными условиями для максимальной скорости фотосинтеза.

В Фгбну ВИМ разработан ВКК – прототип машинного обеспечения арктических искусственных экосистем с полностью контролируемыми внешними факторами, рис. 4, где применена интеллектуальная система управления температурой на поверхности листа растения с помощью нечеткого регулятора на основе аппарата нечеткой логики (fuzzy logic) [1].

Регулятор построен исходя из следующих предпосылок.

1.     В наибольшей степени на скорость фотосинтеза влияет температура окружающей среды.

2.     Контроль температуры на поверхности листа осуществляется бесконтактным пирометрическим датчиком температуры.

3.     Температура поддерживалась на уровне соответствующем максимуму фотосинтеза.

В основе построения нечетких регуляторов лежит аппарат нечеткой логики, позволяющий оперировать не только количественными переменными, но и качественными понятиями на основе лингвистических переменных.

Рис. 4 ВКК

Например: на рис. 5 представлена лингвистическая переменная «температура листа» с оптимумом 19оС. Понятие низкая температура по отношению к нему будет иметь функцию принадлежности m (t)=1, начиная с 18оС и ноль при оптимуме, снижаясь по мере увеличения температуры от 18оС до 19оС.

То же самое для понятия высокая температура. По мере увеличения с 19оС до 20оС функция принадлежности m (t)будет увеличиваться от 0 до 1, обеспечивая качественным смыслом оптимум 19оС в области высоких температур.

То есть для регулятора роль уставки играет не только фиксированное количественное значение19оС, но и качественные его значения низкая температура или высокая.

Рис. 5

Поскольку в ВКК в качестве источников оптического излучения используются люминесцентные лампы с преобладанием в спектре красного и синего излучения и имеющих значительное тепловое излучение, то в качестве рабочего органа регулирующего температуру применен кондиционер. Его действие также описывается лингвистической  переменной «охлаждающая способность регулятора температуры», рис. 6. Охлаждающая способность определяется временем действия охладителя, которое также имеет не только количественную, но и качественную оценку.

Рис. 6

Для лингвистической переменной определяющей время работы системы охлаждения будут действительны три термы: малое время работы со степенью принадлежности 1 при Тмин=1 минуте работы, среднее время работы со степенью принадлежности 1 при Тмин=90 минутах работы и большое время работы со степенью принадлежности 1 при Тмин=180 минутах работы.

Из опыта установили, что для понижения температуры поверхности до 18оС требуется время Тмин=180 минут (при любой исходной температуре свыше 20оС).

Определение длительности работы охладителя рассчитываем по методу логического вывода Мамдани:

На рис. 7 представлен результат недельного роста растениеводческих культур.

 

Литература

1.                  Гришин А.П., Гришин А.А. Применение аппарата нечеткой логики для автоматизации технических средств сельскохозяйственного назначения // Efektivní nástroje moderních věd – 2014: Materiály X mezinárodní vědecko - praktická conference Díl 33. – Praha: Publishing House «Education and Science» s.r.o., 2014. S. 45-56.