Проект федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» на тему «Разработка информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования на уровне хозяйствующего субъекта и региона для перехода к высокопродуктивному агрохозяйству нового технологического уклада»
Государственный университет землеустройства,
Всероссийский институт аграрных проблем и информатики имени А. А. Никонова.
1. Разрабатывать среднесрочные прогнозы состояния и развития основных агропродовольственных рынков, схемы размещения сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, моделировать влияние различных вариантов аграрной политики на состояние сельского хозяйства, доходы потребителей, динамику внешней торговли продовольствием и сельскохозяйственным сырьем, расходы консолидированного бюджета, осуществлять мониторинг состояния и тенденций развития исследований в области сельскохозяйственных наук.
2. Осуществлять сбор, актуализацию и хранение данных о состоянии почв и земель, их мониторинг, многоцелевую оценку пригодности земель и моделирование потенциальной урожайности, осуществлять заблаговременное прогнозирование урожайности с/х культур, создавать планы оптимального размещения с/х угодий и посевов отдельных культур, проекты адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий, осуществлять кадастровую оценку земельных участков и проведение оценки их залоговой стоимости.
3. На основе теоретических представлений и знаниях о механизмах и закономерностях взаимодействия генотипа со средой обитания будет построен прототип уникальной научно-технологической инфраструктуры в регулируемых условиях для реализации: системы “сорт-технология» по созданию новых форм, линий и сортов для технологии точного земледелия с использованием современных методов генотипирования и фенотипирования организмов, геномной и маркер вспомогательной селекции; практического получения линий и сортов селективных культур с комплексом хозяйственно-ценных признаков, адаптированных для использования в технологиях точного земледелия, будет создана система комплексной неинвазивной экспресс-оценки качества и продукционного потенциала посевного материала и физиологического состояния вегетирующих растений, раннего определения возникновения дефицита основных элементов питания в тканях зерновых и овощных культур для оперативной корректировки применяемых агротехнологий и оптимизации состояния посевов сельскохозяйственных культур, будут разработаны новые технологии направленного улучшения стрессоустойчивости растений и получения растительной продукции высокого качества с заданными функциональными характеристиками посредством применения созданных высокоэффективных и экологически безопасных нанопрепаратов на основе кремнезольных и углеродных наноструктур, будут созданы мобильные и стационарные информационно-измерительные комплексы для измерения агрофизических, агрохимических, агрометеорологических и других характеристик сельскохозяйственных полей, оснащенных уникальными датчиками и соответствующим программным обеспечением, будет разработан действующий пилотный фрагмент региональной мониторинговой системы (как фрагмент единой государственной информационной структуры) – сетевой центр для централизованного доступа абонентов (государственных служб, сельхозтоваропроизводителей, разработчиков и исследователей) к нормативным, научно-методическим, программным и другим сервисам с целью качественного и надежного информационного обеспечения сельскохозяйственного производства и содействия процессу освоения и широкого использования инновационных технологий точного земледелия.
4. Будут созданы и внедрены новые роботизированные средства и механизмы, платформы «интернета вещей» (кибер-физические системы) для управления сельхозтехникой, теплицами, инструментами, потоками используемых материалов, повышения энергоэффективности производства, управления системами прослеживаемости, будут разработаны отечественные технические средства и программное обеспечение для внедрения систем цифрового сельского хозяйства в виде технологий «умное поле», «умная теплица», «умный сад», будет разработана программа серийного выпуска комплекса приборов, машин и навигационного оборудования, определения головных отраслевых организаций-производителей и подготовки необходимой технической документации.
5. Будет разработана новая технология, программный комплекс и инструкция по проведению зонирования земель сельскохозяйственного назначения субъекта Российской Федерации для целей выделения особо ценных продуктивных сельскохозяйственных угодий, составления реестра и установления видов и параметров разрешенного использования сельскохозяйственных земель, дополнительные образовательные услуги (включая повышение квалификации и переучивания) в области цифровых технологий в землеустройстве и землепользовании.
- Промежуточный этап 06.12.2019 – 31.12.2019
Проведен обзор литературы и патентный поиск по таким направлениям развития науки как системы точного земледелия, бесконтактные датчики для получения информации о свойствах почв и посевов, использование данных дистанционного зондирования для картографирования и мониторинга почв и посевов, использование математических моделей принятия управленческих решений в земледелии и землепользовании. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта прикладных научных исследованиях и экспериментальных разработок (ПНИЭР), включает ссылки на 603 первоисточника, из которых 374 источника на иностранном языке и 220 источников за период 2011-2019 годы. Объект поиска при патентных исследованиях относился к области использования цифровых данных дистанционного зондирования Земли в изучении сельскохозяйственных земель, методов и приемов использования цифровых технологий в сельском хозяйстве. Глубина патентного поиска составила 49 лет. Проанализировано 90 источников. На основе литературного обзора обоснованы основные положения и приоритетные направления исследований в области мониторинга земель сельскохозяйственного назначения и установлены основные направления работ в рамках проекта.
Проведены теоретические исследования по изучению существующих методов сбора данных (мониторинга) о фактическом состоянии земель, определены наиболее перспективные инновационные методы из российской и зарубежной практики, включая методы с использованием новейших цифровых продуктов и технологий роботизированных полевых исследований, геоинформационного моделирования, анализа данных дистанционного зондирования. Проведен обзор современного состояния в области составления и обновления почвенных карт.
Разработан прототип автоматизированной системы создания проекта землеустройства в формате карты оптимального размещения угодий и объектов. Программная документация на автоматизированную систему создания проекта землеустройства территории включает в себя описание информационно-логической модели системы, ее основных блоков, а также процессов автоматизации создания проекта землеустройства и алгоритма планирования эффективного и устойчивого производства сельскохозяйственных культур при условии наиболее полной реализации ресурсного потенциала земель на уровне хозяйствующих субъектов, региона.
Разработан прототип автоматизированной системы экономической и кадастровой оценки земель, базирующийся на официально принятых подходах и рекомендациях Минэкономразвития России. В его основе лежит авторский показатель, названный «инвестиционным потенциалом землепользования», базирующийся на большом массиве практических данных о землепользовании, определяющих его стоимостные характеристики и привлекательность одновременно для государства, бизнеса, общества и землевладельца. Он включает описание методической последовательности определения инвестиционного потенциала сельскохозяйственного землепользования, схему пути от каждого вида первичной информации до результирующего показателя качества управления землепользованием.
Создана экономико-математическая модель оптимизации годового плана производства сельскохозяйственных культур, включая ее количественное описание, построение производственных функций урожайности, обоснование экономически целесообразной урожайности сельскохозяйственных культур в связи с планом применения минеральных удобрений, описание экономико-математической модели оптимизации севооборотов.
Создана база данных почвенно-климатических условий, которая включает сведения о почвах, рельефе, климате модельного региона и архив космической съемки MODIS, Landsat.
Разработаны теоретические основы построения средств оперативного мониторинга плотности, влажности и температуры пахотного слоя почвы. Разработаны методы получения пространственно-временных данных высокого разрешения в полевых условиях в режиме реального времени с помощью гибридной мультисенсорной системы.
Разработана методика сбора и обработки данных о фактическом состоянии земель. Экспериментальная апробация проведена для методов картографирования земель, методов расчета вегетационных индексов, методов сбора данных о свойствах почв.
Разработан эскизный проект цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования и представлена ее общая структурная схема, которая включает: базу данных, базу знаний, геоинформационную оболочку цифровой платформы и порядок использования подключаемых программных модулей. Разработана программная документация стадии эскизный проект. Концепция и эскизный проект информационно-ресурсной цифровой платформы созданы на основе современных информационных технологий и достижений в области информатики и вычислительной техники: системного, процессного и сервисного подходов, системного и ситуационного анализа, технологий облачных вычислений, методов поддержки принятия решений с использованием технологий искусственного интеллекта.
- Завершающий этап 01.01.2020 - 30.11.2020
Проведены дополнительные патентные исследования в отношении новизны, промышленной применимости и изобретательского уровня продукции ПНИЭР, оценки патентоспособности результатов интеллектуальной деятельности и обоснования форм их охраны. Патентный поиск выполнен по шести направлениям в отношении принципов, методов, алгоритмов и технологий инвентаризации и мониторинга земель и посевов, оценки ресурсного потенциала земель, построения экономико-математических моделей оптимизации сельскохозяйственного производства, систем управления земледелием и сельскохозяйственным землепользованием из российской и зарубежной практики.
Система оперативного мониторинга свойств почв дополнена алгоритмом размещения сенсорных узлов с датчиками влажности и температуры по элементам внутриполевой неоднородности (урожайности, вегетации посевов и/или показателей почвенного плодородия). Сенсорные узлы размещаются под землей и передают данные по радиоканалам связи на базовую станцию. Разработана эскизная конструкторская и программная документация, изготовлены экспериментальные образцы датчиков оперативного мониторинга сопротивления пенетрации (плотности), влажности и температуры пахотного слоя почвы. В ходе их апробации подтверждено их соответствие требованиям технического задания.
Прототип автоматизированной системы создания проекта землеустройства доработан рядом модулей, в том числе – возможностью подготовки документов для постановки на государственный кадастровый учет земельных участков и их государственной регистрации.
Разработана база данных о внешнем экономическом окружении сельскохозяйственного предприятия, нормативах, сведениях о ресурсном потенциале сельского хозяйства. База данных предназначена для обеспечения процедур годового планирования производства растениеводческой продукции в составе информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования. Включает характеристики экономического окружения предприятия с учетом официальных форм статистического учета.
Разработана технология оценки ресурсного потенциала земель для сравнительной оценки земельных участков (полей – предприятий – единиц административно-территориального деления) с учетом совокупности природных (почвы, климат, рельеф), производственных, рыночных факторов, а также их местоположения (затрат на логистику). Интегральный показатель ресурсного потенциала сельскохозяйственного землепользования вычисляется путем последовательного обобщения показателей почвенного (14 категорий), позиционного (15 категорий), производственного (13 категорий) и рыночного (7 категорий) потенциалов. Особенности и последовательность оценки ресурсного потенциала описаны в технологическом регламенте.
Разработана база данных технологий производства основных сельскохозяйственных культур и истории полей для информационного обеспечения экономико-математической модели оптимизации посевных площадей сельскохозяйственных культур и затрат ресурсов растениеводства. В базе данных структурированы разделы хранения технологических карт возделывания сельскохозяйственных культур и истории полей, включая динамику показателей их почвенного плодородия, объемов внесенных удобрений, полученных урожайностей по каждому году.
Проведена успешная апробация разработанных методов и технологий, а также автоматизированных систем в 27 сельскохозяйственных предприятиях Московской, Ленинградской, Тамбовской, Воронежской, Белгородской, Ярославской и Смоленской областей. По результатам апробации выполнена корректировка отчетной документации.
Разработано технико-экономическое обоснование рыночного потенциала продукции ПНИЭР с учетом задач экономического и научно-технологического развития Российской Федерации, потребности в продукции ПНИЭР конечных потребителей (сельхозтоваропроизводителей, кредитно-страховых организаций, трейдеров и переработчиков сырья, инвесторов, органов исполнительной власти), экономической эффективности продукции для конечного потребителя и ее рыночного потенциала, степени проработанности технологического процесса по каждому виду продукции в сравнении с сопоставимыми аналогами, возможностей Индустриального партнера в доведении продукции до коммерческого решения, рисков реализации и внедрения продукции. Показано, что внедрение цифровых технологий и информационных систем в задачи управления АПК разного уровня является одним из глобальных трендов сельского хозяйства. Освоение цифровых продуктов позволяет повысить рентабельность и объем производства за счет эффективного распределения ресурсов, оптимизации затрат и процессов управления.
Разработана технология мониторинга состояния сельскохозяйственных культур на основе данных дистанционного зондирования Земли, наземных метеорологических наблюдений и моделей вегетации. Технологическая схема и технологический процесс диагностики состояния посевов (надземная фитомасса, изреженность, содержание азота и хлорофилла), даты прохождения фенофаз, состояния озимых после зимнего периода, даты уборки, оценки урожайности перед уборкой, распространенности сорняков, болезней и вредителей описаны в технологическом регламенте.
Разработан прототип информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования (прототип ИРЦП ИУСЗИЗ).
Разработана программа и методика испытаний прототипа информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования.
Выполнены испытания прототипа информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования.
Проведена апробация информационно-ресурсной цифровой платформы в шести сельскохозяйственных предприятиях Тамбовской, Воронежской и Ленинградской областей.
Разработан комплект документации технического проекта на информационно-ресурсную цифровую платформу, а также рекомендации по использованию результатов ПНИЭР в реальном секторе экономики.
Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования».
Полученные научные результаты, технические разработки и материалы их апробации использованы Индустриальным партнером проекта – АО «ОХК УРАЛХИМ» для разработки научно-технической продукции мирового уровня – прототипа цифрового платформенного решения для интеллектуального управления агрохозяйством с применением сквозных цифровых технологий на основе российских и зарубежных разработок. Результаты ПНИЭР предназначены для использования в АПК России в части автоматизации процедур идентификации и мониторинга ресурсного потенциала сельскохозяйственного землепользования и оптимизации управленческих решений с учетом действующих экологических, производственных и социально-экономических ограничений. Наравне с существующими агроинформационными платформами интерфейс прототипа ИРЦП ИУСЗИЗ предоставляет наглядный доступ к информационным сервисам, включая блок подключения удаленных датчиков оперативного мониторинга свойств почв (плотность, температура, влажность пахотного горизонта), функции мониторинга и прогноза состояния сельскохозяйственных культур на основе сочетания технологий дистанционного зондирования, наземных метеорологических наблюдений и моделей вегетации. Помимо функций интеграции разнородных данных из разных источников к уникальным возможностям информационной платформы относятся:
- автоматизация мероприятий по изучению состояния земель, планированию и организации их рационального использования и охраны, описанию местоположения земельных участков и их государственной регистрации в единой системе землеустроительного проектирования;
- оценка ресурсного потенциала земель на базе автоматизированной системы экономической и кадастровой оценки земель;
- оптимизации годового плана производства сельскохозяйственных культур с учетом производственных функций урожайности и внешнего экономического окружения предприятия;
В совокупности потребительских свойств прототип ИРЦП ИУСЗИЗ выгодно отличается от зарубежных аналогов меньшей стоимостью для конечного потребителя, учетом отечественных реалий сельскохозяйственного землепользования, его нормативного и информационного обеспечения.
Конечными потребителями ИРЦП ИУСЗИЗ будут фермерские хозяйства, сельскохозяйственные кооперативы, агрохолдинги, органы управления АПК регионального и муниципального уровня. Помимо монетизации сервисов за счет оплаты лицензии и/или годовой подписки потенциальный дополнительный доход будет давать интеграция с поставщиками продуктов и услуг третьими лицами. К их числу относятся производители и поставщики удобрений, средств защиты растений, техники, услуг агроконсультирования, трейдеры сельскохозяйственной продукции, финансово-кредитные и страховые организации.
Внедрение ИРЦП ИУСЗИЗ будет сопровождаться развитием материально-технической и информационной инфраструктуры управления сельскохозяйственными предприятиями, сформирует новые требования к квалификации специалистов, что, в свою очередь, потребует модернизации образовательных программ аграрных вызов и программ повышения квалификации. Увеличение объективности и оперативности управленческих процессов повлечет за собой трансформацию земельного надзора, нормативно-правового регулирования земельных отношений, финансово-кредитной системы и рынка страхования сельхозпроизводителей.
Научно-технический уровень полученных результатов соответствует, а по некоторым позициям превосходит мировой уровень в области инвентаризации и управления почвенно-земельными ресурсами и рационального землепользования. Наиболее значимые результаты проекта ПНИЭР опубликованы в 12 статьях в журналах, имеющих международное признание и включенных в международные библиографические базы цитирования Web оf Science (Core Collection) и/или Scopus. Подано 8 заявок на правовую охрану результатов интеллектуальной деятельности ПНИЭР (РИД). Для их коммерциализации с Индустриальным партнер проекта заключены лицензионные договора на передачу ему исключительных прав на РИД сроком на пять лет:
- база данных "База данных почвенно-климатических характеристик Тамбовской области", РФ, свидетельство о государственной регистрации №2020622135 от 03.11.2020;
- программа для ЭВМ "Экономико-математическая модель оптимизации годового плана производства сельскохозяйственных культур", РФ, свидетельство о государственной регистрации №2020660085 от 27.08.2020;
- программа для ЭВМ "Экономико-математическая модель оптимизации размещения производства растениеводческой продукции по районам Тамбовской области", РФ, свидетельство о государственной регистрации №2020618259 от 22.07.2020;
- полезная модель "Устройство автоматического контроля качества внесения удобрений центробежных разбрасывателем", РФ, патент №198819 от 27.08.2020;
- программа для ЭВМ "Программный комплекс по редактированию базовых агротехнологий для машинной обработки", РФ, свидетельство о государственной регистрации №2020617507 от 08.07.2020;
- база данных "Чрезвычайные ситуации природного характера, произошедшие в растениеводческой отрасли юга европейской части России (1992-2017 гг.)", РФ, свидетельство о государственной регистрации №2020621847 от 12.10.2020;
- программа для ЭВМ "Программный комплекс «Колос» (ПК «Колос»)", РФ, свидетельство о государственной регистрации №2021610407 от 14.01.2021;
- программа для ЭВМ «Автоматизированная система кадастровой и экономической оценки (Автоматизированная система оценки)», РФ, свидетельство о государственной регистрации №2021613655 от 11.03.2021.