Способ и устройство диагностики состояний пчелиных семей по их акустическому шуму

Способ и устройство диагностики состояний пчелиных семей по их акустическому шуму

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области пчеловодства и может найти применение в исследовательских целях, а также при практической работе на индивидуальных и коллективных пасеках.

Известны способы контроля состояний пчелиной семьи по их акустическому шуму, основанные на анализе интенсивностей сигналов в выделенных частотных полосах, а также на применении численных методов спектрального анализа [1, 2]. Недостатками первого типа способов является низкая информативность, недостатками второго - является сложность и большая продолжительность расчетов спектра, так как при коротких выборках приходится проводить дополнительные вычисления и определение тех частотных спектров, которые наиболее близки и по существу определяют общую фоновую ситуацию в пчелином гнезде.

Известны устройства [3, 4] для определения физиологического состояния пчелиной семьи по акустическому шуму. Но они недостаточно информативны, требуют определенной квалификации по их настройке, а также дополнительной обработки полученной информации, что создает определенные неудобства в практическом пчеловодстве.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ и устройство для определения информативных спектральных составляющих акустического сигнала пчелиных семей при распознавании их состояний, заключающийся в получении амплитудного или энергетического спектра производимого пчелиной семьей акустического шума в предварительно ограниченном частотном диапазоне от 60 до 600 Гц и выделении усредненных по нескольким реализациям сигнала нормированных значений спектральных составляющих в выделенных узких полосах частот, совместно перекрывающих весь указанный диапазон частот, при этом для каждой узкой полосы частот помимо нормированного значения интенсивности определяют стабильность, зависящую от вариации значений интенсивности для различных реализаций сигнала, путем предварительного определения дисперсий интенсивности для этих реализаций в данной узкой полосе частот, после чего определяют коэффициенты информативности для каждой пары распознаваемых состояний по каждой выделенной полосе частот. Для определения оптимальной совокупности спектральных составляющих по их коэффициентам информативности определяют суммарную информативность каждой выделенной узкой полосы частот по всем парам диагностируемых состояний и первой выбирают полосу частот с максимальной суммарной информативностью, затем выделяются пары состояний с коэффициентами информативности, имеющими низкие значения для данной узкой полосы частот, и для этих пар состояний подсчитывают суммарную информативность по всем оставшимся полосам частот и следующей выбирают полосу, которая имеет максимальную суммарную информативность для данных пар классов, и далее отбор продолжается таким образом, пока все пары классов не будут характеризоваться достаточными значениями коэффициентов информативности хотя бы для одной из отобранных узких полос частот. Также осуществляют подбор оптимальных весовых коэффициентов линейных алгебраических уравнений, определяющих границы состояний пчелиной семьи, которые используют при построении решающих правил для достоверного распознавания состояний, при этом при подборе весовых коэффициентов используют значения интенсивностей сигнала в соответствующих узких полосах частот и определяют их в виде суммарных значений коэффициентов информативностей по всем различаемым парам состояний, помноженных на нормирующий множитель, определяемый из условия получения выходных сигналов в желаемом диапазоне.

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что данный метод контроля, основанный на определении информативных спектральных составляющих акустического сигнала пчелиных семей позволяет определять заранее определенное, при этом ограниченное, количество состояний пчелиной семьи (в прототипе распознаются шесть состояний), использование вычислителя (в прототипе применен аналоговый вычислитель, при этом вычисленные значения интенсивностей сравниваются по абсолютной величине с источниками опорных напряжений, величины которых согласно методике расчета, предложенной в прототипе, определены заранее, что снижает устойчивость к распознаванию, так как невозможно обеспечить высокую стабильность интенсивностей сигнала в узких полосах частот даже при одном и том же состоянии пчелиной семьи, так как технически трудно обеспечить идеальную работу предварительной схемы усиления с полосой пропускания 60-600 Гц с автоматической регулировкой усиления (при больших входных изменениях интенсивности звукового сигнала, снимаемого с микрофона, зависящей от места расположения микрофона, на выходе такого усилителя выходной усиленный сигнал должен быть на одном уровне, что практически достигнуть очень трудно). К недостаткам следует отнести и сложность перестройки на контроль других состояний (в прототипе необходимо будет перестроить весовые коэффициенты аналоговых вычислителей, предварительно необходимо проделать вычисления согласно методик, предложенных в прототипе, а затем с помощью большого числа резисторов необходимо перенастроить аналоговый вычислитель, что требует больших трудозатрат).

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются: обеспечение возможности диагностирования большего числа возможных состояний при значительном упрощении предварительных вычислений, упрощение алгоритма распознаваний и его реализации, большое число распознаваемых состояний без перенастройки прибора, возможность сопоставления получаемой информации с помощью прибора с состояниями пчел, установленными другими зоологическими, биологическими методами (т.е. накопления информации для последующего программирования), а также адаптации получаемой информации к индивидуальным особенностям пчелиных семей в зависимости от их породы и региона размещения.

Решение указанной задачи достигается тем, что снимаемый с микрофона звуковой сигнал пчелиной семьи нормируют по средней интенсивности и фильтруют в выбранном диапазоне частот, а затем из него с помощью узкополосных фильтров, настроенных на предварительно выбранные частотные полосы, выделяют наиболее информативные частотные составляющие, выходные сигналы узкополосных фильтров детектируют и попарно сравнивают между собой с помощью компараторов, число которых находят по числу парных сочетаний из числа используемых узкополосных фильтров, а получаемые на выходах компараторов двоичные коды поступают на вход микроЭВМ, где преобразуются в восьмиричные (или десятичные). Получаемые значения преобразованных кодов регистрируют непрерывно в течение нескольких минут, после чего анализируют полученную динамическую картину устойчивости и изменений получаемых кодов, на основании чего делают вывод о состоянии пчелиной семьи.

Прибор имеет три режима работы. В первом режиме работы он проводит автоматическую диагностику тех состояний пчелиной семьи, распознавание которых было заложено при программировании, например введены данные из таблицы. По мере накопления результатов наблюдений за пчелами возможности автоматической диагностики расширяются.

Во втором режиме прибор выдает усредненные по наблюдаемой реализации сигнала статистические характеристики распределения получаемых кодов: характеристику вариационного ряда наблюдаемых кодов, их значения, частоты их появления и относительные частости [5], среднеарифметическое значение, дисперсию, коэффициенты асимметрии распределения и эксцесс в виде значений из таблицы и другие, рассчитанные по формулам 1-5.

В третьем режиме прибор выдает диаграмму, построенную по наблюдаемым значениям кодов, по характеру которой пчеловод делает вывод о принадлежности ее к наблюдаемым им состояниям пчелиной семьи, установленным другими методами, основанными на знании биологии жизнедеятельности пчелиной семьи.

Переключение режимов может осуществляться после регистрации звукового сигнала, т.е. по одной и той же зарегистрированной реализации звукового сигнала может последовательно выдаваться информация по всем трем режимам. Причем, если данный звуковой сигнал по своим характеристикам не соответствует ни одному из заранее запрограммированных состояний, то на экран устройства индикации (жидкокристаллический дисплей) выдается сообщение: "Данная распознаваемая ситуация отсутствует". Тогда информация о состоянии пчелиной семьи может выдаваться в виде эпюр графиков или в виде таблицы.

Для реализации способа акустического контроля состояний пчелиных семей предлагается структурная схема устройства, которая приведена на фиг.1. Оно содержит: микрофон - 1, усилитель с полосой пропускания 60-600 Гц и с автоматической регулировкой усиления (АРУ) - 2, блок полосовых фильтров - 3, пульт управления - 4, блок детекторов средневыпрямленного значения - 5, блок компараторов - 6, микроЭВМ - 7, блок индикации - 8, блок питания - 9.

Работает устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи следующим образом. Когда устройство обесточено, на блоке индикации (жидкокристаллический дисплей) 8 отсутствует изображение. После включения электропитания блока питания 9 на блоке индикации 8 высвечивается сообщение: "Подключите микрофон и разместите его между подушкой и холстиком пчелиной семьи, на пульте управления 4 нажмите кнопку "Пуск" и по истечении 10 минут наблюдайте диагностическую информацию в виде цифр и диаграмму". Подключают микрофон и помещают его в улей диагностируемой пчелиной семьи. Для этого предварительно снимают крышку с улья, снимают утепляющую подушку. Кладут микрофон 1 поверх холстика, затем накрывают утепляющей подушкой и обратно устанавливают крышку на улей. Возвращение крышки на улей позволяет снизить влияние внешних мешающих звуков. Звуковой сигнал с микрофона 1 поступает на усилитель 2 с полосой пропускания 60-600 Гц с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Для выделения наиболее информативных узких полос частот используется блок полосовых фильтров 3 (в опытном образце было применено четыре фильтра с полосами частот 205-225 Гц, 280-300 Гц, 325-345 Гц, 390-410 Гц). Выделенные сигналы с выходов полосовых фильтров 3 поступают в блок детекторов 5 средневыпрямленного значения. Эти напряжения поступают на входы блока компараторов 7 (в данном случае количество компараторов определено по числу парных сочетаний из четырех: ). При подключении выходов блока детекторов средневыпрямленного значения ко входам компараторов реализуются всевозможные парные сочетания, т.е.: входы компаратора 7-1 подключены к выходам первого и второго блока выпрямителей 5-1 и 5-2. Входы компаратора 7-2 подключены к выходам первого и третьего блока выпрямителей 5-1 и 5-3. Входы компаратора 7-3 подключены к выходам первого и четвертого блока детекторов средневыпрямленного значения 5-1 и 5-4. Входы компаратора 7-4 подключены к выходам второго и третьего блока выпрямителей 5-2 и 5-3. Входы компаратора 7-5 подключены к выходам второго и четвертого блока детекторов средневыпрямленного значения 5-2 и 5-4. Входы компаратора 7-6 подключены к выходам третьего и четвертого блока детекторов средневыпрямленного значения 5-3 и 5-4.

Полученные с выходов компараторов двоичные коды поступают на вход микроЭВМ 8, которая регистрирует эти коды в течение заданного времени, преобразует их в десятичный (или восьмиричный), вычисляет характеристики вариационного ряда последовательности кодов (частоту и относительные частости их появления), статистические характеристики распределения полученной выборки кодов (среднеарифметические значения, дисперсии, коэффициенты асимметрии и эксцесса) и по ним проводит распознавание ранее известных состояний. С помощью пульта управления происходит инициация задания времени регистрации сигнала (минимальное время - 1 мин, максимальное - 10 минут), инициация запуска прибора и задание режима индикации (возможные три режима указаны выше).

Для определения наиболее информативных узких полос частот используется тот же способ, который описан в прототипе. Но для повышения распознающих возможностей прибора число используемых в приборе узких полос частот может быть увеличено по сравнению с минимально необходимым для распознавания исходных состояний.

Частота опроса состояний компараторов согласуется с постоянной времени усредняющих фильтров детекторов средневыпрямленных значений (последняя выбирается в пределах 0,5-6 с) и зависит от назначенного времени регистрации сигнала с тем, чтобы число кодовых слов N в реализации сигнала находилась в пределах от 64 до 128.

Относительные частости p_j появления кодов в реализации вычисляются по формуле

где: n_j - число появлений j-го кодового слова в реализации;

N - общее число кодовых слов в реализации

Среднее арифметическое значение кодовых слов вычисляется по формуле

где: х_i - значение i-го кодового слова,

i - его порядковый номер в реализации.

Дисперсия распределения определяется по формуле

Коэффициент асимметрии распределения вычисляется по формуле

где: m₃ - выборочный центральный момент третьего порядка, равный

- выборочное среднеквадратическое отклонение, определяемое из формулы (3).

Эксцесс, характеризующий островершинность распределения, вычисляется по формуле

где: m₄ - выборочный центральный момент четвертого порядка, равный

Пример:

Согласно приведенному способу диагностировались несколько пчелиных семей, которые находились в различных состояниях. Для диагностики были применены следующие пчелиные семьи: роевая, марокканские, проводилась организация отводков, зимующие.

При диагностировании пчелиных семей были построены графики и признаковое пространство для распознавания состояний пчелиных семей (таблица).

Для получения объективной картины в пчелиных семьях каждая пчелиная семья прослушивалась в течение 10 минут. Съем цифровой информации осуществлялся через шесть секунд, количество отсчетов составило n=100. Для исследований были выбраны пчелиные семьи, находящиеся в различных состояниях. Считываемая информация выводилась в виде двух чисел. Для пчелиной семьи, находящейся в нормальном состоянии (т.е. пчелиная семья не роевая, нормально работает, носит мед, мед не откачан) по наблюдаемым значениям чисел был построен график (фиг.2).

График звуков пчелиной семьи, находящейся в роевом состоянии, приведен на фиг.3. Далее эта же пчелиная семья была обработана переменным электрическим полем с напряженностью 400 В/см. Наблюдаемый график для такой пчелиной семьи приведен на фиг.4.

Подсадка матки в отводок из одной рамки и в этом отводке уже имеется матка, из пчелиной семьи которой вынута рамка (матка из родной семьи попала по недосмотру). Отводок организовывался в июле в 16 часов, на солнце у стены дома, температура воздуха составляла 42°C. Для организации отводка была задействована нормальная медоносная пчелиная семья. На данный момент она имела два корпуса, в которых располагались 24 рамки, мед не откачивался. Была вынута рамка с закрытым расплодом и пчелами и поставлена в новый улей между двух рамок с медом. Для создания отводка пчелиная матка была привезена с соседней пасеки, при этом отсутствовали нормальные для нее условия в течение часа. Матка была плодная, ее поместили в клеточку Титова и подсадили в организуемый отводок. После подсадки матки произвели запись звуковых сигналов пчел на магнитофонную ленту. На следующий день утром была сделана попытка выпустить матку из клетки. После того, как была открыта клетка, матка из клетки вышла, но тут же образовался комок из пчел, который окружил эту матку с намерением ее убить. Пришлось разгребать пчел, чтобы вызволить матку, которая была на грани гибели. После прослушивания звуковых сигналов отводка в этом состоянии прибором, изготовленным согласно схеме, приведенной на фиг.1, регистрировали график на фиг.5. Первая половина графика показывает, что пчелы еще находятся в состоянии жизни пчелиной семьи, из которой они были взяты. Далее они обнаруживают присутствие второй матки и входят в другое состояние, враждебное к вновь вводимой матке. Это видно из фиг.5, на которой преобладают коды 66-76. Начиная с момента времени прослушивания после 320 с график изменился, показывая, что пчелы вошли в возбуждение, и средний код из стал . На фиг.4 также видно, что после обработки переменным электрическим полем частотой 500 Гц, напряженностью поля 400 В/см преобладают коды 66-76. Это говорит о сильном возбуждении пчел.

Проведен анализ на частотность [5] появления кодов и на определение его среднего значения. Результаты наблюдений приведены в таблице.

Также была проанализирована реакция пчел при организации отводка на одной рамке с пчелами, с закрытым расплодом, но без родной матки с подсадкой новой матки. При этом осуществлялась подсадка матки, которая была приобретена в магазине. Подсадка осуществлялась в субботу вечером. Были проведены записи звуковых сигналов во время организации отводка с подсаженной маткой из магазина, а также проводилась запись звуков с этого отводка утром на следующий день. Звуковые сигналы (фиг.6, фиг.7) были проанализированы прибором, изготовленным согласно структурной схеме (фиг.1). Здесь также, как и при подсадке матки (фиг.5), пчелы первоначально (фиг.6) не сразу заметили новую матку и продолжали издавать жужжание в состоянии прежней пчелосемьи, откуда была взята пчелиная рамка с пчелами. Такое жужжание продолжалось четыре минуты, а затем пчелы почувствовали другую матку. Насколько известно пчеловодам, магазинные матки обычно после долгого отсутствия нормальных для них условий обитания трудно принимаются пчелами. Из графика на фиг.6 видно, что после истечении четырех минут пчелы вошли в возбужденное состояние явного непринятия новой матки. Первоначально средний код , а затем он изменился до . Из фиг.7 видно (эпюра сигнала была получена утром на следующий день), что пчелы не принимали пчелиную матку, приобретенную в магазине, (средний код ) в течение всей ночи, но на момент записи (фиг.7) по истечении 4-5 минут пчелы изменили свое отношение к новой матке, (средний код стал ). Магазинная матка пчелами была принята, и через неделю на рамке был засев яичек, матка нормально работала.

Были проанализированы звуковые сигналы других пчелиных семей. На фиг.8. приведен график звуковых сигналов пчел из Марокко. Запись проведена в начале марта 1998 г. Суммарный код составляет

средний код . Если сравнить эту информацию с роевой на фиг.3, то можно сделать вывод, что марокканские пчелы находятся в стадии роения и отроятся раньше, чем пчелы из Курской области (фиг.2). Во время зимовки как на улице, так и в зимовнике пчелы ведут себя неодинаково. Пчелиная семья №9 (фиг.9), отводок (фиг.10) зимуют на улице при морозе - 24°C. Из графика (фиг.9) можно сделать вывод, что пчелиная семья №9 сильная и легко переносит этот мороз, зимует спокойно, мало растрачивает энергии, средний код небольшой , тогда как отводок (фиг.10) затрачивает много энергии на выживание, так как он небольшой и не успел с июля набрать значительной силы (средний код ), в то же время в зимовнике при температуре +1°C ситуация совсем другая. Видно (фиг.11), что средний код , пчелиная семья зимует спокойно.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство диагностики состояний пчелиных семей по акустическому шуму позволяют регистрировать динамику происходящих в пчелиной семье процессов, приводящих к нестационарности получаемого акустического сигнала и использовать эту нестационарность для более достоверного распознавания состояний пчелиных семей. Кроме того, наличие трех режимов работы позволяет использовать прибор не только для распознавания тех состояний, которые были заложены при программировании распознающего алгоритма, но и диагностировать другие состояния путем сопоставления наблюдаемых статистических характеристик реализации с действительными состояниями пчелиных семей, а также по характеру поведения выводимой диаграммы. В этом случае пчеловод самостоятельно устанавливает соответствие наблюдаемых состояний пчелиных семей определяемыми прибором характеристиками соответствующих этим состояниям акустических сигналов. Предложенное устройство для акустического контроля за состоянием пчелиной семьи позволяет оперативно диагностировать состояние пчел в ульях круглый год. Устройство портативно, снабжено встроенной распознающей системой и может быть применено на пасеке в полевых условиях. Пчеловод самостоятельно может установить соответствие с известным ему состоянием, получаемой цифровой информацией и выводимой эпюрой графика, что позволит применить его в разных регионах Земли.

Кроме того, напряжения, снимаемые с выходов узкополосных фильтров, сравниваются не с заранее установленными пороговыми значениями, как в прототипе, а между собой во всех возможных комбинациях. Это резко снижает требования к стабильности этих напряжений при одних и тех же состояниях пчелиной семьи. Значение имеет лишь относительное соотношение уровней сигналов на анализируемых спектральных полосах. Это, во-первых, повышает устойчивость распознаваний, а во-вторых, существенно снижает требования к системе АРУ предварительного усилителя 2.

Источники информации

1. Еськов Е.К. Акустическая сигнализация общественных насекомых. М.: Россельхозиздат, 1983, 192 с.

2. Пат. № 2161883. Способ диагностирования состояний пчелиной семьи// Дрейзин В.Э., Рыбочкин А.Ф., Захаров И.С. Опубл. 20.01.2001. Бюл. № 2.

3. Пат. № 2055473. Устройство для определения физиологического состояния пчелиной семьи "РОЙ" // Носовский В.Е., Кожанов С.А., Архипов И.И. Опубл. 10.03.96. Бюл. № 7.

4. Пат. № 2167518. Способ определения информативности спектральных составляющих акустического сигнала пчелиных семей при распознавании их состояний // Дрейзин В.Э., Рыбочкин А.Ф., Захаров И.С. Опубл. 27.05.2001. Бюл. № 15 (прототип).

5. Иванова В.М., Калинина В.Н., Нешумова Л.А., Решетникова И.О. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1981.

1. Способ диагностики состояний пчелиных семей по их акустическому шуму, состоящий в том, что звуковой сигнал, снимаемый с помощью выносного микрофона, фильтруют и нормируют в выбранном диапазоне частот с помощью предварительного усилителя с автоматической регулировкой усиления, затем с помощью узкополосных частотных фильтров выделяют заранее выбранные наиболее информативные частотные полосы этого сигнала, выходные сигналы этих фильтров детектируют и анализируют с помощью блока компараторов, после чего полученные на выходах блока компараторов двоичные коды подают на вход распознающего устройства, отличающийся тем, что полученные с выходов узкополосных фильтров выпрямленные напряжения сравнивают попарно во всех возможных комбинациях с помощью блока компараторов, число которых определяется как число всех возможных парных сочетаний из числа узкополосных фильтров, а полученные на выходах компараторов двоичные коды поступают на вход распознающего устройства, состоящего из микроЭВМ и индикатора, причем микроЭВМ преобразует поступающие на его вход двоичные коды в восьмиричные или в десятичные, регистрирует их в оперативно запоминающем устройстве (ОЗУ) микроЭВМ в течение заданного интервала времени, после чего производит расчет характеристик полученного вариационного ряда в виде частот повторения и относительных частостей всех встречающихся в зарегистрированной выборке кодов, и статистических характеристик распределения кодов в виде среднего значения, дисперсии, коэффициента асимметрии и эксцесса, после чего по ним производится распознавание состояния пчелиной семьи, которое индицируется на индикаторе, а если данное состояние не соответствует ни одному из состояний, учитываемых при программировании распознающего устройства, то по усмотрению оператора индицируются статистические характеристики распределения кодов, характеристики вариационного ряда и диаграмма нестационарного процесса звукового сигнала диагностируемой пчелиной семьи.

2. Устройство диагностики состояний пчелиных семей по их акустическому шуму, реализующее способ по п.1, содержащее микрофон, усилитель с полосой пропускания 60-600 Гц и с автоматической регулировкой усиления (АРУ), жидкокристаллическое устройство индикации, блок питания, блок детекторов средневыпрямленного значения, пульт управления, блок полосовых фильтров, выход микрофона соединен с входом усилителя с полосой пропускания 60-600 Гц и с АРУ, выход которого соединен с входами полосовых фильтров, а их выходы соединены с входами детекторов средневыпрямленного значения, выходные шины блока питания соединены с шинами питания усилителя с полосой пропускания 60-600 Гц и с АРУ, с шинами питания блока полосовых фильтров, блок компараторов, отличающееся тем, что введена микроЭВМ, причем выход первого детектора средневыпрямленного значения соединен с первыми входами первого, второго, третьего компараторов, выход второго детектора средневыпрямленного значения соединен со вторым входом первого компаратора и с первыми входами четвертого, пятого и седьмого компараторов, выход третьего детектора средневыпрямленного значения соединен со вторыми входами второго и четвертого компараторов и к первому входу шестого компаратора, а выход четвертого детектора средневыпрямленного значения соединен со вторыми входами третьего, пятого и шестого компараторов, выходная шина блока компараторов соединена с информационным входом микроЭВМ, выход которой соединен с входом жидкокристаллического устройства индикации, выход пульта управления соединен с управляющим входом микроЭВМ, выходные шины блока питания соединены с шинами питания блока компараторов и микроЭВМ.