В умных теплицах ПГУ искусственный интеллект выращивает различные культуры растений
В подведомственном Минобрнауки России Пензенском государственном университете (ПГУ) зарегистрировали две программы для ЭВМ, способные полностью контролировать работу аэропонных теплиц для выращивания растений. Ученые продолжают обучать искусственный интеллект. Подобных разработок в России — единицы. Умные теплицы ПГУ способны сохранить жизнь культуре в нештатных ситуациях, «растянув» имеющийся ресурс (воду, электроэнергию, питательные вещества) на необходимое критическое время. Об этом сообщило Министерство науки и высшего образования РФ.
Проект начат в 2021 году, когда студенческий коллектив кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы» выиграл международный конкурс экологических проектов «Green Campus-Green City» в рамках VIII онлайн-конгресса «Пенза-Фленсбург», проводимого ПГУ совместно с Университетом прикладных наук г. Фленсбург (Германия), и получил 2 тысячи евро от федерального министерства иностранных дел федеральной республики Германии на реализацию проекта. На базе Студенческого научно-производственного бизнес-инкубатора Научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований ПГУ изготовлены опытные образцы большой и малой (для городских условий) теплиц. Первой выращенной овощной культурой теплиц стало травянистое однолетнее растение — салат латук (больше известный как листья салата).
Растения в теплицах находятся в подвешенном состоянии со свободно свисающими корнями, направленными внутрь конструкции. Внутри расположены датчики: освещенности, влажности, температуры (внешней и внутренней), уровня углекислого газа и уровней жидкости и питательного раствора, а также форсунки, которые приходят в действие при помощи таймера и насоса.
Форсунки располагаются по всему периметру теплиц и орошают корни питательным раствором мельчайшими каплями. Избытки раствора, который не впитали растения, попадает в резервуар, расположенный в нижней части конструкции. Корни растений находятся в постоянном мелкодисперсном тумане, состоящем из питательной смеси и кислорода.
Изготовленные теплицы постоянно усовершенствуются благодаря грантовым конкурсам, которые научный коллектив выигрывает ежегодно. Например, в 2022 году проект был профинансирован конкурсом исследовательских проектов «Ректорские гранты» среди обучающихся ПГУ, а в 2023-м — программой Фонда содействия инновациям «Студенческий стартап».
Кроме того, в 2023 году студенческий коллектив (Дмитрий Овчинников, Алина Сашина, Михаил Давыдов, Никита Майданов и Анастасия Березина) под руководством канд. техн. наук, доцента Алана Алимурадова зарегистрировал две программы для ЭВМ («Программа управления умной теплицей для микроконтроллера Atmega 328» и «Программа управления системой аэропонического выращивания растений в режиме реального времени»). Это позволило исследователям полностью подчинить работу умных теплиц управлению искусственным интеллектом.
«Алгоритмы искусственного интеллекта будут „стараться” сопоставить фактические условия и данные с датчиков, чтобы соответствовать одной или нескольким закономерностям, и проанализировать, какой режим работы обеспечил, например, наилучший суточный прирост биомассы или другой важный параметр», — поделился Алан Алимурадов.
Алгоритмы искусственного интеллекта всегда будут точно настраивать режимы работы теплиц и будут «учиться» на новом опыте, который обеспечит лучше прогнозы по сравнению с предыдущими.
Программы для ЭВМ собирают информацию со встроенных датчиков. Система управления обрабатывает и прогнозирует сценарий работы теплиц. Все в теплицах взаимосвязано. Управление осуществляется за счет малогабаритного компьютера, обрабатывающего и принимающего те или иные решения.
«Созданные нами программы регулируют работу теплиц. У них есть исходные данные роста растений в нормальных условиях, а значит, программы могут „предсказать”, как они будут расти при условиях форс-мажора», — пояснил Алан Алимурадов.
По словам ученого, это позволит в непредвиденных ситуациях сохранить жизнь растениям. Всем известно, что недостаток (например, воды) или переизбыток (например, влажности) какого-либо ресурса может погубить или замедлить рост растений. Поэтому важно вовремя заметить и предотвратить негативный сценарий развития или же растянуть имеющийся ресурс (воды, питательных веществ) на максимальное количество времени.
«Система знает нормальное потребление ресурса, поэтому может рассчитать его остаток на максимальное количество часов (дней). Это и есть работа искусственного интеллекта. Пусть культура будет получать минимальное количество ресурса в час, день, но благодаря этому она не погибнет», — добавил Алан Алимурадов.
Алгоритмы искусственного интеллекта осуществляют обработку собранных данных, настраивают режимы работы теплиц и сопоставляют с полученными результатами (ожидаемым урожаем). Этот процесс обучения может длиться от 10 до 14 месяцев, так как алгоритмы должны быть в состоянии подготовить множество сценариев работы теплиц.
«Алгоритмы искусственного интеллекта предложат уникальные решения для увеличения производительности теплиц. Например, увеличить световой день на 15 минут или начать орошение в 7:00 и уменьшить период полива на 0,2 секунды и так далее», — рассказал Алан Алимурадов.
При отсутствии оператора искусственный интеллект может взять управление и контроль на себя. Если вдруг объем воды и питательной смеси в баке достиг определенного минимума, то искусственный интеллект проанализирует ситуацию, пошлет оператору уведомление и увеличит промежуток между поливами, чтобы минимизировать последствия и дать растениям прожить как можно дольше.
Научный коллектив продолжает работать над усовершенствованием умных теплиц. Их главная цель — настроить работу теплиц так, чтобы все подсистемы при любых условиях (стандартных и нестандартных) сохраняли жизнь растениям и повышали эффективность выращивания биомассы.