Журнал «Агротехника и технологии»
Производство товарных яблок в России нуждается в частичной роботизации, ведь именно эта категория плодов, в отличие от яблок для промышленной переработки, наиболее сложна в уборке. Ещё одно применение высоких технологий — надзор за состоянием плодовых насаждений. Робот благодаря компьютерному зрению может быстрее проанализировать состояние сада и найти вредителей или болезни гораздо раньше, чем их обнаружит агроном. Журнал «Агротехника и технологии» выяснил, какие сегодня в России существуют ноу-хау для плодовых культур, и в каких разработках отечественные садоводы нуждаются больше всего
Известно, что роботизация в отечественном сельском хозяйстве прежде всего коснулась животноводческих ферм: на них сегодня приходится около 70% всех роботов, причём 55% из этого объёма освоили молочные товарные фермы. Оставшиеся 30% «заняты» на обработке и переработке зерновых культур, рассказал основатель «ПРОекта ЯБЛОКИ» Алим Теуважев на вебинаре «ПРОект ЯБЛОКИ. Роботизированный сад». Возникает вопрос: а где же садоводство? Где прочие культуры? Как будто нельзя роботизировать и эти направления, удивляется эксперт. Так и образуется пропасть между отраслями — модернизированными и отстающими технически. И отстающим, вероятно, следовало бы присмотреться к тем предприятиям, где задействованы роботы и выяснить, что у них можно перенять.
Мировой рынок
В соответствии с российским ГОСТ Р 60.0.0.2-2016, все роботы делятся на две категории: промышленные и сервисные, поясняет Алим Теуважев. Первые — автоматически управляемые, перепрограммируемые манипуляторы, их применяют именно для промышленной автоматизации. Сервисные же выполняют остальную нужную для человека или оборудования работу, кроме той, что идёт в рамках промышленной автоматизации.
Очень показательны данные мировой средней плотности роботизации промышленности. Так, в европейских странах на 10 тысяч рабочих приходится 114 роботов, в Азии — 118, в Америке — 103. В России же этот показатель — всего шесть роботов на 10 тысяч рабочих, а значит, есть перспективы для роста, считает эксперт. Сегодня в нашей стране эксплуатируется около шести тысяч промышленных роботов.
«От А до Яблока»
Алим Теуважев, основатель «ПРОекта ЯБЛОКИ»
Цель нашего проекта — оптимизировать издержки на пути от саженца до конечного потребителя. Как мы это называем, «от А до Яблока». Поясню: пока мы не поставим перед собой задачу удовлетворить конечного потребителя ценой и качеством продукции, мы будем отставать от импортных товаров. Ведь импортные товары завозятся не из-за дефицитности группы продуктов в нашей стране, а из-за того, что по какой-то причине они превосходят отечественный товар либо по качеству, либо по цене. Вот почему мы советуем аграриям и специалистам по логистике правильно выстраивать цепочку и искать в ней узкие места.
В проекте мы обсуждаем не только роботизацию — множество тем, в том числе, как сохранить яблоко (а в мире концепция по сохранности яблок не представлена в целом), как правильно транспортировать разные сорта, а ещё цифровую прослеживаемость яблок, организацию агротуризма в яблоневые сады и многое другое. В рамках роботизации мы обсуждаем спектральный анализ садов, цифровой двойник сада, выявление вредителей и болезней на ранних стадиях проявления. Прорабатывая каждую из перечисленных тем, мы увеличиваем урожайность сада, обеспечиваем его полную и своевременную уборку без потерь — и доведение точной информации до покупателя, что особенно важно для органических садов, в том числе с точки зрения агротуризма. Мы стремимся пробудить в людях желание посещать сад, скажем, в период его цветения или во время созревания яблок.
Если же говорить о мировом рынке сельскохозяйственной робототехники, то он растёт огромными темпами, особенно рынок роботов для уборки урожая, поскольку это наиболее проблемная сфера для роботизации. В уборке урожая очень важно уложиться в поставленные сроки, чтобы не потерять с таким трудом выращенный продукт. И самая острая потребность в роботизации есть именно у товарных садов.
Главная цель робототехники
Роботизируя садоводческое хозяйство, владелец получает т.н. «умный сад», — раскрывает идею Алим Теуважев, — с той точки зрения, что он может обрабатывать полученные данные и с помощью анализа идти на опережение любых классических угроз, быть к ним готовым. Ведь робот благодаря своему зрению способен быстрее найти и проанализировать те болезни и вредителей, которые пока не замечает агроном из-за их невысокого присутствия.
На основании комплекса мероприятий, который осуществляется в садоводстве, в проекте сформировали концепцию пула роботов «Агромаркер». «По нашему мнению, робот обязан быть универсальным — применимым не только к саду или не только к яблокам, — говорит Теуважев. — Он должен подходить к любому садоводческому или аграрному продукту, даже к коммунальным или строительным нуждам. При этом, по нашей концепции, для полной роботизации сада достаточно семи-восьми роботов».
Эксперт выдвигает следующие требования к роботу: универсальность и лёгкая конфигурация; автономное или удалённое управление для передвижения внутри садовой логистики и выполнения задач на разных типах поверхностей; готовый продукт для сельхозпромышленности и других сфер деятельности.
Во главе угла
Если говорить о применении робота в садоводстве, то с помощью дополнительных модулей и оборудования он становится мощным инструментом для анализа агрономического состояния насаждений, для фитосанитарного контроля, патрулирования и охраны сада, для внутрисадовой логистики и погрузочно-разгрузочных работ.
При этом робот для аграрной сферы должен быть максимально простым, надёжным и дешёвым, и, конечно, легко конфигурируемым под разные задачи. Делать узкоспециализированного робота, который, скажем, будет убирать яблоки и, по сути, запускаться только раз в одиннадцать месяцев, а в остальное время простаивать, экономически нецелесообразно.
«Я общался с инженерами-робототехниками, и они поинтересовались: за сколько времени должен окупиться, скажем, манипулятор в аграрной сфере? Я навскидку назвал цифру в семь-восемь лет — и они вынесли вердикт: в таком случае сельское хозяйство роботизировать не имеет смысла. Машина должна окупать себя года за два, за счёт постоянной работы, 24 часа в сутки, круглый год. Поэтому мы и считаем: аграрного робота необходимо конструировать максимально универсальным. Потому что специализированного на уборке яблок робота просто не купят — это экономически неоправданно», — объясняет Алим Теуважев.
Правда, если учесть сокращение потерь при уборке урожая (а они могут достигать 30%), то такой робот быстрее окупится, но всё равно вряд ли быстро. Следовательно, имеет смысл делать одну платформу на несколько задач, чтобы с разным оборудованием робот-сборщик конфигурировался под разные задачи: под скашивание травы, опрыскивание, перевозки груза в контейнере для яблок и так далее. При этом модули для сборки должны быть самые простые, подходящие для конструирования любого нужного в хозяйстве под текущие задачи робота.
«Мы готовы сотрудничать с любыми производителями навесного оборудования, тем более сегодня государство поддерживает начинания в технологической сфере финансово, и способны составить для робототехнических комплексов так называемый стандарт, — предлагает эксперт. — Давайте решать эти задачи совместно».
Одиннадцать типов роботов
Сегодня на рынке существует несколько интересных решений для садоводства, говорит Алим Теуважев.
1. Шаттл — универсальная роботизированная платформа для организации внутрисадовой логистики инвентаря, агрохимии, продукции и отходов.
По этому решению есть рабочая документация, рабочий одноосный проект, который уже работает в МЧС, рассказывает эксперт. Робот такой конструкции может решить все логистические аграрные задачи, причём его работа обойдётся гораздо дешевле, чем любого трактора. Производителей универсальных платформ в России работает уже более десятка. Среди них — Droneshub и Гумич РТК.
2. Робот-сборщик урожая для уборки товарного яблока и механического прореживания яблонь.
Уборка урожая — самая большая головная боль сельхозпроизводителей, говорит Алим Теуважев. По его словам, в России роботизированные решения для этой сферы представлены двумя заводами — ФГБНУ ФНАЦ ВИМ (Москва) и КБНЦ РАН (Кабардино-Балкария), но их нельзя назвать идеальными. «Как я уже говорил, робот-сборщик должен быть максимально универсальным, а машины названных заводов имеют огромное расстояние между колёсами и не регулируются по высоте. Японцы подошли к решению вопроса по-другому: сделали робота-сборщика на базе квадроцикла, у которого с одного бока расположен манипулятор по уборке урожая, а с другой — ящик для собранных плодов. Причём, этот же маленький квадроцикл может использоваться и для опрыскивания», — делится эксперт.
3. Робот-обрезчик — универсальный робот для формировочной обрезки, обрезки однолетних веток-конкурентов (на макушке) и веток, растущих под острым углом, а также обрезки вертикально растущих веток второго порядка (ветка на ветке) и веток-приростов продолжения, которые затеняют крону деревьев.
Такой робот-обрезчик отличается от робота-сборщика только одним: кистью манипулятора (у обрезчика на её месте установлен секатор), поясняет Алим Теуважев. То есть робот-сборщик легко трансформируется в обрезчик, он может считывать скелет дерева, вести его электронный дневник и чётко понимать по скелету дерева, где ветку обрезать, а где оставить.
4. Робот-экспедитор — универсальный робот для организации погрузочно-разгрузочных работ.
«В данном случае мы предлагаем рассмотреть робота на вилочном ходу, аналогов которому в мире мы ещё не видели. Задача его — брать груз от робота-шаттла, штабелировать и подвозить его к машине или хранилищу», — разъясняет эксперт.
5-7. Робот-опрыскиватель, робот-разбрасыватель, робот-фертигатор. Первый нужен для защиты сада опрыскиванием от болезней и вредителей, а также для листовых подкормок и химического прореживания. Второй применяется для внесения основных корневых удобрений или отравы против грызунов. Третий робот предназначен для дифференцированного полива и внесения удобрения. «Всех трёх роботов вполне возможно объединить в одного универсального — например, на базе квадроцикла. Одна российская компания уже сделала своё решение для робота-опрыскивателя — почему бы не развить его дальше?», — рассуждает Алим Теуважев.
8-9. Робот-косильщик и робот-мульчёр. Робот-косильщик предназначен для покоса травы внутри садовых междурядий, а робот-мульчёр выполняет работу по измельчению веток и грейдированию межклеточных дорог перед сбором урожая. По сути, навесное оборудование для скашивания травы и измельчения веток может быть одним, универсальным, уверен эксперт.
10. Робот-пропольщик для защиты сада от сорняков приствольной полосы и удаления лишней корневой системы. Этот робот скашивает траву, а проезжая мимо стволов деревьев, вытягивает «руку» и удаляет траву вдоль стволов.
11. Робот-формовщик для подвязки деревьев к шпалерной проволоке резиновым кембриком или металлической скобой, для подвязки или надлома боковых основных базовых веток в горизонтальном положении. Проще говоря, такой робот формирует крону дерева в 2d, то есть в двух плоскостях. Нужен он для интенсивных и суперинтенсивных садов, и намётки по его созданию уже есть, но готовых машин пока в мире не существует, говорит Алим Теуважев.
Все процессы, которые указаны для перечисленных одиннадцати машин, вполне можно роботизировать, не сомневается он. Дело лишь за производителями навесного оборудования.
Одно решение
Сегодня в период уборки урожая рабочие собирают всё подряд: у них нет физической возможности калибровать яблоки в саду, и задача максимум перед ними — собрать как можно больше яблок, чтобы фрукты не перезрели. Но если задача стоит таким образом, то получается, что рабочие в один фруктовый ящик собирают и маленькие яблоки, и крупные, и зелёные, и окрашенные, и только потом ящик отправляют на линию сортировки. Роботы же могут анализировать яблоки непосредственно в саду. В будущем роботехническое решение позволит калибровать яблоки и складывать их в ящики непосредственно на месте уборки урожая. Таким образом садовод может уйти от необходимости использовать линию сортировки, штабелёвщиков и укладчиков продукции, считает Алим Теуважев. Кроме того, роботы могут прямо в саду упаковывать яблоки в ритейл-ящики, а не во фруктовый контейнер. Уже существующий сегодня антропоморфный робот КБНЦ РАН может решать эти и другие задачи, говорит он.
Управлять садом
Явление цифрового сада постепенно начинает приживаться в России.
На вебинаре «ПРОект ЯБЛОКИ. Цифровой сад» генеральный директор компании «СмартАгро» Анастасия Филиппова рассказала об уже действующей в России системе для управления садоводческими компаниями.
Garden-IoT — это система, которая получает информацию из большого количества источников, анализирует её, даёт ответ заинтересованному лицу об оперативной обстановке в садах — с саженцами, техникой, работой. Система позволяет контролировать все производственные процессы, отслеживать текущее состояние каждого саженца, историю самого саженца и аналитику затрат. У Garden-IoT есть несколько модулей: сады, поливы, агрохимическое обследование, склады с приёмкой и выдачей химии, удобренийи т. д. , задания, на которых строится отчётность, модуль мониторинга и отдельно — история саженца.
«Система создавалась под крупный узбекский холдинг, он занимался развитием культуры орешника в стране, и саженцы закупались очень дорогие, — рассказала Анастасия Филиппова. — Их привозили из США, Европы и Турции. Поэтому основным приоритетом у наших партнёров из Узбекистана было именно отслеживание и сохранность каждого саженца, его посадка, полив, подкормка, обработка, технические операции и выбытие. В дальнейшем система получила своё развитие, и сегодня мы стараемся отслеживать историю не только саженцев, но и садов в целом. Есть у нас и модуль, интегрированный с системой полива, так что полив можно настраивать дистанционно по графику в одном или в нескольких секторах сада».
Тормоз роботизации
Почему же сегодня мы не наблюдаем роботов повсеместно? Причин тому несколько. Например, совершенно отсутствует явление цифрового двойника сада, нет баз данных по вредителям и болезням для распознавания их искусственным интеллектом. Соответственно, нет точной идентификации и классификации целей и препятствий, данных фитосанитарного контроля. Поэтому уже сегодня садоводам следует озадачиться формированием «цифрового двойника» сада, а агрономам — завести цифровой дневник, рекомендует Алим Теуважев. Ведь нейронным сетям прежде всего требуется информация, а её зачастую нет. Искусственный интеллект сначала нужно обучить, только потом он в свою очередь будет подсказывать, что делать. Так когда-то люди обучили нейронные сети играть в шахматы, и сегодня уже гроссмейстеры с помощью нейросетей анализируют, какие ходы в каких комбинациях оказались бы оптимальными, рассуждает он.
Ещё одна причина, сдерживающая роботизацию садов, продолжает Алим Теуважев, заключается в том, что сегодня нет ни норм, ни стандартов, ни экспертизы роботехнического проектирования. Выполненные проекты целевого финансирования непрозрачны.
Нет и квалифицированных специалистов — программ довузовского образования не существует (специалистов по этой специальности учат только в вузах). Материально-техническая база учебных заведений, впрочем, всё равно довольно скудная. К тому же, объективно говоря, инновационные агрономические методы и процессы обработки сада сложны.
Но одна из самых важных причин, уверен эксперт, это отсутствие целевого финансирования промышленной и сервисной робототехники, сопутствующих технологий. Не проявляют особого интереса и инвесторы — ведь все подобные проекты масштабны и долговременны, а сформировавшегося рынка пока нет. Нет и отечественной компонентной базы — датчиков, приводов, колёс, хотя в последнее время на разработку и создание компонентов для сельхозтехники государством выделяются отдельные деньги.
Три тренда в цифровизации садов
Сергей Зайцев, руководитель компании «ЦентрПрограммСистем»
«Я пятнадцать лет погружён в сферу садоводства, поэтому в курсе проблем, которые были в отрасли тогда, и какие есть сейчас, и хочу поделиться своим взглядом «внедренца» и разработчика. Когда мы приходим к владельцам садоводческих хозяйств, обычно слышим несколько требований.
Во-первых, оцифровка границ, перевод их с формата аэрофотоснимка в конкретные кварталы, ряды и сорта. Если клиент просит, то вплоть до каждого дерева. Впрочем, у наших заказчиков точные границы сада, как правило, уже оцифрованы.
Во-вторых, внесение данных учёта и сопоставление их с данными оцифровки. Так мы получаем точную картину сада: где какой сорт посажен, в каком ряду. Этот процесс непрерывный.
Затем идёт настройка бизнес-процесса и поддержание информации в актуальном состоянии. Бывает, клиент ещё в прошлом году построил несколько дополнительных кварталов сада, но в общую сводку сведения не включены, данные до сих пор, скажем, у агронома. Так что занести информацию в базу — только полдела, главное — постоянно поддерживать актуальность. Все изменения, включая информацию о посаженных и выкорчеванных деревьях, можно отследить графически и в офисной системе, и на экране компьютера, и в мобильном приложении.
Следующая задача от наших клиентов-садоводов — проследить путь яблока от момента сбора до прилавка. Здесь очень важно обеспечить понимание, с какого квартала и ряда мы собираем урожай. Делать это в процессе уборки уже поздно — некогда, ведь есть немало других, более срочных задач, а значит, нужно заранее подготовиться. Кроме того, необходимо учитывать и другие особенности. Если сад новый, интенсивный, то с распределением по кварталам проблем нет. Если же хозяйство исторически занимается выращиванием яблок, в нём есть традиционные сорта, которым по 30-40 лет, есть молодые, двух-трёхлетние — то задачи учёта и понимание, с какого именно ряда и квартала мы собираем яблоки, очень важны.
На первом этапе идёт фиксация с помощью мобильных устройств: мы понимаем номер ряда, где идёт сбор, и фиксируем полученные данные. Затем процесс уже выстраивается индивидуально: сопровождение плодов до момента продажи идёт по-разному у крупных и у небольших хозяйств.
В итоге владелец должен получить конкретный результат: понимание, с какого квартала и ряда собрано яблоко, которое лежит в конкретной коробке, на конкретном ярусе холодильника. Вся информация находится в лёгком доступе.
И конечно, необходимо знать прямые затраты на сорт яблок и на каждый квартал, а также их маржинальность. То есть, нужно посчитать, сколько и на что мы тратим. Здесь вступает учёт механизированных и ручных работ: на технику ставится трекер и отслеживает её путь — всё почти как в полях, но надо не забывать об одной садоводческой особенности. В садах не всегда расстояние междурядий одинаковое: где-то 3 м, где-то 3,5 м, где-то 4 м, где-то 6 м, а в некоторых садах, создававшихся в течение долгого времени, вообще междурядья разные. Если у клиента такой случай, то мы настраиваем датчики на тракторе следующим образом: техника, пересекая границы определённого квартала, меняет установки, и данные в систему вносятся правильно.
Тем не менее, роботизация — отличная тема для агростартапов, и сегодня проект за проектом уже выигрывают финансирование на разработку искусственного интеллекта в аграрной сфере. Два из них, как отметил Алим Теуважев, занимаются непосредственно яблоком. Но, к сожалению, последовательно поднять тему роботизации в садоводстве без централизованной работы, полноценного планирования и финансирования отрасли невозможно, заключает эксперт.
