XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Модель роботизированного помощника « Леший» для автоматизации процесса лесовосстановления
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Лес является огромным богатством России. Это легкие всего земного шара, кислород, который даёт возможность дышать всем земным организмам. В настоящее время лесные пожары — острая проблема, которая затрагивает всё живое. Лесом покрыто почти две трети территории России. Общая площадь земель лесного фонда, по данным Рослесхоза, составляет 1 млрд 146 млн га. Ежегодно в России регистрируется от 9 тыс. до 35 тыс. лесных пожаров, охватывающих площади от 500 тыс. до 3,5 млн га( Рисунок 1.1.1 Приложения). Согласно данным МЧС России и Рослесхоза, всего с начала 1992 года по конец 2018 года в России зарегистрировано порядка 635 тыс. лесных пожаров, то есть затронувших земли лесного фонда. Лесной пожар — это одна из самых опасных и страшных стихий. Каждый год от неконтролируемого огня погибает много животных и людей, также страдает почва и растения[5].
Лесные пожары являются основным фактором, определяющим состояние и динамику лесного фонда России, особенно районов Сибири и Дальнего Востока. Не случайно многими лесоводами исследовалось влияние лесных пожаров на формирование современного облика таёжного ландшафта[4].
Актуальность: глобальной проблемой ленсых хозяйств является ежегодная необходимость восстановления лесов на обширных площадях гарей.
Цель: Создать модель роботизированного помощника «Леший» для автоматизации процесса лесовосстановления на основе конструктора LegoSpikePrime
Задачи:
Рассмотреть основные причины возникновения лесных пожаров и их последствия;
изучить способы лесовосстановления в Российской Федерации;
разработать модель роботизированного помощника для автоматизации процесса лесовосстановления;
создать программу для работы помощника;
проанализировать результат проделанной работы.
При оформлении проекта и создании программы мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике.
Глава 1. Основные причины возникновения лесных пожаров и их последствия
Причины возникновеня лесных пожаров
Как уже отмечалось ранее, лес загорается в 80% случаев из-за несоблюдения людьми пожарной безопасности при обращении с огнем, а в остальных случаях это происходит от ударов молний, извержения вулканов и различных аварий( Рисунок 1.1.2 Приложения) [6].
Человеческий фактор
Много леса горит из-за безответственности людей. Они небрежно обращаются с огнем и на долгое время оставляют его без присмотра. Тлеющие окурки, брошенные горящие спички и горящие костры являются основными источниками возгорания леса. Их оставляют непотушенными в местах пикников, сбора грибов (ягод) и охоты. К пожарам приводят и запущенные фейерверки, умышленные поджоги, сжигание опавшей листвы осенью или весной на садовых и приусадебных участках.
Курение
Курящие люди часто выбрасывают непотушенные окурки в лесу, такая безответственность приводит к его возгоранию. Например, многие из них курят сигареты во время езды на машине или велосипеде, после выкуривания очередной сигареты они бросают тлеющий окурок на лесную дорогу или тропинку. Такая беспечность часто заканчивается большим бедствием для леса, животных, людей и экологии в целом.
Походные костры
Поход – увлекательная экскурсия по лесу, которая позволяет людям отдохнуть на природе и незабываемо провести свободное время. Правда, после такого полезного отдыха люди часто забывают тушить костры, которые перебрасываются на лес.
Сжигание мусора и листьев
На дачах и приусадебных участках опавшую с деревьев листву и скопившийся мусор часто сжигают на месте. Такие костры медленно тлеют и часто разносятся ветром в разные стороны, в том числе в лес, поэтому он загорается( Рисунок 1.1.3 Приложения).
Фейерверки
Фейерверки люди запускают практически на всех торжествах, но образующиеся при их сгорании искры разлетаются в разные стороны, в результате чего они нередко воспламеняют сухую траву. Кроме того, при горении фейерверков образуется высокая температура – до 3000°С, которая воспламеняет любые горючие материалы.
Поджоги
Некоторые люди умышленно поджигают леса. Например, это делают черные лесорубы в целях скрытия следов незаконных рубок. Примерно 30% пожаров – это преднамеренные поджоги.
Аварии
В результате ДТП нередко взрываются бензобаки и газовые баллоны, что тоже приводит к лесным пожарам, если авария произошла вблизи леса. В частности, к очень сильному возгоранию леса приводят ДТП с участием бензовозов, потому что по земле растекается много топлива. Лес также загорается из-за авиакатастроф, техногенных аварий и ЧС, обрывов и замыканий линий электропередач( Рисунок 1.1.4 Приложения).
Естественные природные причины
10% лесных пожаров возникают из-за молний и вулканов.
Молния
Наиболее распространённой естественной причиной возгорания леса является молния (примерно 8% от общей численности). Чаще лес загорается от молнии до дождя или при моросящем дожде. Природный пожар, вызванный молнией, часто сложно тушить, потому что он возникает на самых удаленных от населенных пунктов участках. Для его ликвидации требуется авиация и пожарный десант( Рисунок 1.1.5 Приложения).
Извержение вулкана
Извергаемая из вулканов раскаленная магма быстро распространяется на расположенные рядом поля и леса, в результате чего они сгорают. Нужно учитывать, что такой естественный пожар потушить невозможно. Вулканов в России мало, причем в основном они расположены на Камчатке и Сахалине, как следствие, по этой причине лес загорается редко( Рисунок 1.1.6 Приложения).
Последствия лесных пожаров
Из-за пожаров значительно ухудшается экология регионов, в которых они возникают. Это отражается и на расположенных рядом с ними областях и республиках. Огонь полностью или частично уничтожают флору и фауну, а также наносит вред экономке страны и здоровью людей.
Потеря экосистем и биоразнообразия
Лесные пожары ведут к исчезновению флоры и фауны, что наносит большой ущерб природе. Огонь изменяет или полностью уничтожает растения, которые требуются для жизни диких животных, чем вытесняют их из привычной среды обитания. Из-за этого некоторые погибают.
Деградация лесов
Пожары ведут к деградации лесов, так как уничтожают весь растительный покров в них. Ежегодно во многих регионах страны горит лес, в результате чего значительно падает качество некоторых пород древесины, а также снижается плодородие почв и численность диких животных( Рисунок 1.2.1 Приложения).
Снижение качества и загрязнение воздуха
Леса – это легкие нашей планеты, которые в процессе фотосинтеза поглощают их воздуха углерод и вырабатывают кислород, тем самым очищая атмосферу. Когда они горят, в атмосфере повышается объем парниковых газов, что ведет к потеплению климата на Земле. В атмосферу также попадает много дыма, пепла и пыли, в результате чего загрязняется воздух и окружающая среда.
Деградация почв
Огонь также наносит большой вред почве, потому что в ней сгорает весь плодородный слой. В итоге в ней утрачиваются питательные микроэлементы, требуемые для жизни растений. Огонь уничтожает в почве и полезные микроорганизмы. Он оголяет почву, что приводит к ее эрозии.
Экономические потери
Пожары вредят всей экономике страны, так как делают неплодородной землю, сжигают дома, общественные и промышленные объекты. Например, из-за них сгорает много ферм и засеянных сельскохозяйственными культурами полей. Огонь часто уничтожает заповедники и размещенные в лесу базы отдыха. В результате государству приходится тратить миллиарды рублей на восстановление пострадавших объектов, что представляет большие экономические потери.
Воздействие на благополучие и здоровье людей
В результате наличия в воздухе большого количества дыма, пепла и пыли затрудняется дыхание у людей, что ведет к общему ухудшению их здоровья. В частности, от этого сильно страдают аллергики и лица с заболеваниями органов дыхательной системы.
Глава 2. Способы лесовосстановления в Российской Федерации
Восстановление лесов после пожара имеет свои особенности. Сосна обыкновенная, кедр или ель отлично горят. Чаще всего пожар возникает в хвойных лесах, поскольку хвоя, опадая и образовывая на земле слой иголок, тем самым, провоцирует опасность низового пожара. Горящие хвоя и ветки сосны
обыкновенной, ели или кедра (низовой пожар) очень быстро трансформируется в верховой пожар. При восстановлении сгоревшего хвойного леса предпринимают прореживание хвойного леса лиственными породами деревьев. Как правило, для этого высаживают лиственные деревья – от 15 до 40 % от общего количества деревьев. Лиственные деревья , как и листва сама по себе, являются сдерживающим фактором во время распространения низовых пожаров. Лиственница, к тому же, точнее, ее листва, перегнивая, становится основой гумуса или чернозема, на котором прекрасно растут травы или другие растения.
Восстановление лесов после пожаров предполагает долгий и трудоемкий процесс, который требует наличия специальных знаний, навыков и опыта( Рисунок 2.1 Приложения). В частности, необходимо высаживать большое количество саженцев (например, крупномеров различных пород дерева), и зачастую посадка проходит вручную. Саженцы при необходимости можно купить оптом. Продажа саженцев различных деревьев ведется компаниями, занимающимися выращиванием различных пород деревьев. При посадке саженцев очень важно соблюдать определенные правила: придерживаться сетки посадки, это значит не высаживать деревья (лиственницы, березы и т.д.) излишне близко друг к другу, в противном случае во время роста им не будет хватать солнечного света и они будут слишком низкорослыми. Для того, чтобы лес после восстановления производил впечатление натурального, саженцы необходимо высаживать вразнобой, без соблюдения четких промежутков между саженцами. Технологии, используемые для восстановления леса после пожара, направлены на ускоренное воссоздание растительного слоя вместо утраченного с пожаром. Ландшафтный дизайн также применяется при восстановлении после пожара. Как правило, проекты ландшафтного дизайна реализуют в лесах или лесопосадках, находящихся неподалеку от населенного пункта. Густая корневая система различных растений, которые высаживают специалисты ландшафтного дизайна, является одним из лучших естественных способов стабилизации почвы. Если корректирующие мероприятия были проведены вовремя, то ущерб от стихии будет значительно меньше, а восстановление лесов произойдет намного быстрее[7].
Лесовосстановительные работы направлены на обеспечение баланса выбытия и воспроизводства лесов в соотношении 100%. Достичь же этого показателя планируется к 2024 году.
В различных регионах лесовосстановление зависит от плановых показателей в рамках федерального проекта «Сохранение лесов» нацпроекта «Экология», который был разработан для исполнения майского указа президента РФ Владимира Путина. Для каждого региона план посадок свой, и говорить об активности проведения лесовосстановительных работ можно с точки зрения того, насколько выполнен регионом его годовой плановый показатель
Особенную опасность представляет подобная ситуация в пересеченной и горной местности, где осадки и эрозионные проявления наиболее опасны. Ослабление защитной функции растительности делает склон более уязвивым к проникновению влаги в глубину: возникает опасность оползней и обвалов вследствие нарушения природного баланса.
Для обеспечения стабилизации территории после пожара, необходимо как можно раньше обеспечить защиту поверхности от эрозии, сохранение и восстановление биологической активности в зоне огневого воздействия. Одним из положительно зарекомендовавших себя методов является технология гидромульчирования с гидропосевом, когда защитная мульча, семена и биокомпоненты максимально быстро наносятся на поверхность и защищают ее до появления растительности[8].
Существует два наиболее распространенных способа лесовосстановления — естественное восстановление и искусственное. В первом случае фактически ничего не делается — в наших природных условиях даже после таких серьезных нарушений в природе, как пожар или вырубки, в основном всегда происходит естественное лесовосстановление.
Искусственное восстановление обычно происходит с помощью создания так называемых лесных культур. Есть варианты, когда сеют, но чаще всего сейчас сажают берут из специального питомника саженцы и высаживают их уже на месте( Рисунок 2.2 Приложения). Этот способ является более эффективным экономически с точки зрения планов по лесовыращиванию если речь идет о коммерческом лесопользовании, то искусственное является предпочтительным, потому что оно сокращает скорость выращивания леса .Однако проблема заключается в том, как сделать так, чтобы деньги, которые выделяются на лесовосстановление, тратились не только на посадку лесных культур, но и на весь цикл их развития.
Для того чтобы что-то выросло, нужно за этим ухаживать. Когда ты посадил маленькие саженцы сосны, то первый год для них главной угрозой являются не какие-то другие деревья, а элементарная трава, которая может загубить всё посаженное. Поэтому в лесном хозяйстве есть целый цикл мероприятий, который заключается в уходе за посаженными лесными культурами. Если этого не происходит, то посаженные деревья гибнут, а лес растет естественно[9].
Но основным способом лесовосстановления считается посадка лесных культур, которая выполняется вручную с использованием меча Колесова( Рисунок 2.3 Приложения).
Меч Колесова, или Сажальный меч Колесова — ручной инструмент, узкая стальная лопата для посадки сеянцев и саженцев лесных культур. Широко применяется в лесокультурной практике России, Украины, Белоруссии и других стран Восточной Европы.
Лесопосадочная лопата была изобретена в 1883 году Александром Александровичем Колесовым, директором Харьковского земледельческого училища. При училище существовал лесной питомник, и для удобства насаждения его молодыми деревцами Колесов изобрёл ЛПЛ-5,5. Попытки найти простое и удобное орудие для посадки сосновых саженцев не раз заканчивались неудачами. Первая лопата (меч Колесова) весила всего около 2 кг, размером была вдвое меньше, чем ЛПЛ-5,5, и срок службы её продлился всего год.
Срок эксплуатации сегодняшнего варианта меча Колесова составляет около десятка лет. Так агроном методом проб и ошибок, испробовав и переделав десятки лопат для насаждения все-таки нашёл единственный вариант формы, веса и размеров, который смог облегчить и ускорить процесс посадки саженцев сосны.
Работа начинается с того, что мечник вгоняет лопату в грунт на всю высоту штыка. Затем раскачивает меч вперед и назад, формируя таким образом лунку для саженца, и очень осторожно вынимает из грунта лопату, так, чтобы не повредить подготовленную ямку[10].
Глава 3. Создание модели роботизированного помощника « Леший» для автоматизации процесса лесовосстановления
3.1 Конструкция и функции модели «Леший»
Основная задача работы – автоматизация процесса лесовосстановления и минимизация ручного труда при проведении работ.
Мы определили, что подготовка лунок для высадки саженцев это продолжительный и тяжёлый физический труд. Продолжительность обусловлена тем, что человек в силу своих физических возможностей не способен работать долгое время без должного отдыха, а также в следствии колоссального объёма необходимой к выполнению работы( Рисунок 3.1.1 Приложения).
Для автоматизации процесса проведения лесовосстановительных работ и минимизации ручного труда, наша команда разработала модель робота( Рисунок 3.1.2 Приложения), который проходя по заданному маршруту будет подготавливать почву к высадке саженцев. Таким образом работникам занятым на лесовосстановительных работах останется только разместить саженцы в подготовленных роботом лунках, а затем прикопать почвой.
Робот оснащен такими инструментами, как лопатка – она делает борозду и выкапывает лунки для посадки ,и кузов в котором хранятся саженцы( Рисунок 3.1.3 Приложения).
Последовательность действий:
Нанесение борозды( езда назад с опущеным механизмом)
Выкапывание лунок (Опускание и поднимание механизма через равный промежуток времени)
Перевозка саженцев
Наш робот состоит из корпуса с кузовом для хранения саженцев и навесным оборудованием(лопатка) ( Рисунок 3.1.4 Приложения).
Способ передвижения выбран гусеничный для преодоления преград и работы в труднопроходимой местности( Рисунок 3.1.5 Приложения)..
3.2 Механизмы конструкции
Наш робот и программное обеспечение выполнены на базе конструктора
Лего Spike Prime[2].
Тело робота и его основа-это смарт хаб[1]. К нему снизу прикреплены 2 средних мотора( Рисунок 3.2.1 Приложения)., которые управляют гусеничным механизмом. Перед смарт-хабом установлен большой мотор, котрый управляет основным механизмом для создания борозды и лунок( Рисунок 3.2.2 Приложения). Большой мотор приводит в движение малую коническую шестерню, которая соединяется со средней конической шестерней под углом в 90о. Благодаря этой механической передаче, вращается серая коническая шестерня. Она вместе с изогнутой рейкой создает реечную передачу, которая управляет лопаткой( Рисунок 3.2.3 Приложения). [3].
3.3 Программа для запуска помощника
Модель роботизированного помощника « Леший» для автоматизации процесса лесовосстановления управляется при помощи нового программного обеспечения Education SPIKE( Рисунок 3.3.1 Приложения).
Программа помощника наиболее упрощена, так как его использование планируется для работы среди людей, не причастных к робототехнике, что обеспечит облегчение его эксплуатации.
«Леший» опустив лопату, передвигается вперед 3 метра, создавая борозду. После окончания этого действия, ему нужно 5 секунд на отдых. Затем он движется назад, опуская и поднимая лопатку через равные промежутки, так он создает лунки для посадки.
Заключение
Применение нашего робота «Леший» при проведении лесовосстановительных работ поможет не только сократить объём ручного труда и времени на выполнение работа, а также внесёт положительный экономический эффект. Ежегодно на проведение лесовосстановительных работ затрачиваются огромные денежные средства из федерального бюджета, например: только в 2020 году из федерального бюджета регионам выделено более 6,7 млрд рублей, в том числе на увеличение площади лесовосстановления — почти 2,4 млрд рублей, на закупку лесохозяйственной техники и оборудования, которые помогают в проведении работ по лесовосстановлению, — 650 млн рублей, еще 41 млн рублей направлен на формирование запаса лесных семян[11]. Масштабы лесовосстановительных работ носят впечатляющий характер, так в 2020 году площадь лесовосстановления равна 190 тыс. га. Для проведения работ на столь обширной территории необходимо задействовать большое количество людей, основная часть из которых является наёмными рабочими. Следовательно немалые денежные средства затрачиваются на оплату труда и организацию быта работников задействованных в лесовосстановительном процессе. Использование робота «Леший» позволит сократить количество людей необходимое для качественного и своевременного выполнения работы, а следовательно средства федерального бюджета будут сэкономлены.
Список использованных источников
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;
https://moluch.ru/archive/105/24977/
https://bank.nauchniestati.ru/primery/diplomnaya-rabota-na-temu-estestvennoe-vozobnovlenie-lesa-imwp/
https://surviva.ru/katastrofy/prirodnye-katastrofy/vse-o-lesnyh-pozharah
http://www.plantatorg.ru/article_info.php?articles_id=76
https://ectm.ru/index.php?newsid=427&seourl=hs-fire-restoration&seocat=gidroposev/g-reshenija
https://molotokrus.ru/sposoby-vosstanovleniya-lesov-posle-pozharov/
https://ru.wikipedia.org
https://iz.ru/1046917/marta-litvinova/khitrye-lesa-kak-v-rossii-vosstanavlivaiut-derevia-posle-vyrubok-i-pozharov
Приложения
Рисунок 1.1.1 Лесные пожары уничтожают среду обитания многих животных
Рисунок 1.1.2 Диаграмма основных причин возникновения лесных пожаров
Рисунок 1.1.3 Медленно тлеющий мусор провоцирует пожар
Рисунок 1.1.4 Аварии могут привести к возгранию лесов
Рисунок 1.1.5 Молния- одна из естественных причин возникновения лесных пожаров
Рисунок 1.1.6 Извержение вулкана
Рисунок 1.2.1 Деградация лесов после пожаров
Рисунок 2.1 Восстановление леса после пожаров(работа волонтеров)
Рисунок 2.2 Саженцы для высадки
Ринок 2.3 меч Колесова
Рисунок 3.1.1 Работа волонтеров по лесовосстановлению
Рисунок 3.1.2 Наша команда и сзданный робот-помощник
Рисунок 3.1.3 вневшний вид робота Рисунок 3.1.4 Лопатка
Рисунок 3.1.5 Гусеничный механизм Рисунок 3.2.1 Средние моторы
Рисунок 3.2.2 Основной механизм Рисунок 3.2.3 Лопатка
Рисунок 3.3.1 Программа для работы помощника