Акустичний контроль бджолиних сімей за допомогою обчислювальної техніки

Відео: Ревізія бджолиних сімей. Постановка магазинів. Перевірка прийому молодих маток. (Травень 2015 г.)

Велику роботу з вивчення звукових сигналів виконав проф. Е.К.Еськов. Однак його методи досліджень хоча і дозволяють судити про характерні станах бджолиних сімей, але не вирішують питання їх розпізнавання в складних варіаціях і взаємозв`язках звукових сигналів.

Шум сім`ї за своєю природою не є детермінованим і при спектральному аналізі отримані амплітуди спектральних складових (а також їх фази) будуть випадковими величинами. Якщо вважати шум стаціонарним випадковим процесом, то для нього незмінним в часі будуть моменти розподілів. Амплітуда коливань випадкового процесу в елементарному діапазоні частот є випадкова величина. Величина середньої потужності сигналу в даному елементарному діапазоні частот є результат усереднення її по безлічі реалізації і лінійно визначається функцією спектральної щільності потужності - енергетичним спектром. Тому акустичні сигнали сім`ї більш коректно характеризувати спектральної функцією реалізації, як застосовував Е.К.Еськов, а спектральної щільністю потужності, яку можна обчислити з автокореляційної функції, яка визначається за однією реалізації. Виграш полягає в тому, що автокореляційна функція, а отже, і її спектральне розкладання, визначене за однієї реалізації випадкового процесу, будуть невипадковими. Це усуває необхідність усереднення, що було б необхідно при використанні спектральної функції. Твердження, що автокореляційна функція і спектральна щільність потужності, обчислені по одній реалізації випадкового процесу, будуть такими ж і для будь-якої іншої реалізації цього процесу справедливі лише для стаціонарних ергодичності випадкових процесів. Тому спочатку при аналізі звукових сигналів бджолиної сім`ї необхідно перевірити чи задовольняють вони умовам стаціонарності і ергодичності.

Для стаціонарних випадкових процесів математичне очікування - постійна величина. Для ергодичної процесів і математичне очікування, і дисперсія, і автокореляційна функція, обчислені по одній реалізації, будуть такими ж і для будь-якої іншої реалізації. Так, для перевірки ергодичності досить обчислити значення дисперсії для трьох-п`яти реалізації однакової довжини і порівняти їх між собою, Якщо вони відрізняються один від одного в межах 3-5%, то даний процес ергодічен і довжина реалізації достатня для обчислення його характеристик. Якщо розбіжність більше 10%, то або процес нестационарен, або використовуються дуже короткі реалізації.

Відео: обліт бджолиних сімей 5 квітня 2016

За допомогою магнітофона і звукової карти ввели в ЕОМ оцифровані з частотою дискретизації г = 5,5 кГц звуки бджолиних сімей. Була розроблена програма, яка виводить одночасно на екран амплітудні та енергетичні спектри трьох послідовних реалізації з періодом вибірки 3 с і довжиною 0,2 0,5- 1 2 або 3 с, а також обчислює коефіцієнти кореляції першого амплітудного і енергетичного спектра з іншими амплітудними і енергетичними спектрами відповідно. З огляду на, що звуки бджіл можуть бути пульсуючими, тобто амплітудно модульованим з частотою 16-60 Гц, провели дослідження спектрів, розрахованих по модулированному сигналу. Встановлено, що навіть при 100% -ної модуляції сигналу енергетичний спектр незначно змінюється на відміну від амплітудного. Сигнали загального шуму сім`ї можуть містити звуки окремих бджіл, які можна вважати перешкодою. Якщо тривалість звуку окремих комах менше довжини реалізації в кілька разів, то при використанні енергетичного спектра це не буде перешкодою, оскільки істотно не відіб`ється на образі спектра. Енергетичні спектри на відміну від амплітудних враховують не тільки амплітуди складових вихідного сигналу, але і їх тривалість протягом всієї реалізації. Якщо тривалість звуку окремих бджіл більш 1/4 всієї тривалості реалізації, то необхідний вибір. Була складена програма, за допомогою якої можна з сигналу тривалістю 1-2 хв виділити дві сусідні ділянки по 3 с, у яких коефіцієнт кореляції між амплітудними спектрами реалізації максимальний. Було з`ясовано, що в більшості випадків вибрані сусідні реалізації виявилися звуками окремих особин, а не звуками загального фону. При прослуховуванні сигналів обраних реалізації можна відібрати з них звуки загального фону бджолиної сім`ї, причому спектри цих звуків будуть приблизно схожими. Час обчислення спектрів по довгих реалізацій (gt; 2с) кілька хвилин, тому процес обчислень стає трудомістким. Скоротити час розрахунку можна за рахунок зменшення частоти дискретизації до 1,2 кГц, але для цього необхідно відфільтрувати аналоговим фільтром низькочастотний сигнал звуків бджолиних сімей до 600 Гц. Якщо цього не зробити, то може призвести до шумів спектра за рахунок ефекту маскування. Використовуючи рекомендації Дж.Бендат, А.Пірсол (1971), при розрахунку автокореляційної функції і енергетичного спектра, де обсяг автокореляційної функції вибирається рівним 1/10 обсягу тимчасової реалізації, вдалося скоротити час розрахунку енергетичного спектра.

Розроблено програму, яка дозволяє вводити з клавіатури частоту дискретизації, початкове значення відліку, звідки починається розрахунок спектрів, довжину реалізації. Розраховують спочатку три енергетичних спектра, а потім три амплітудних по тим же реалізацій. Був проведений аналіз спектра бджолиної сім`ї, в якій опинилося дві матки. Отримано реалізації, які розташовані послідовно один за одним. При порівнянні отриманих спектрів зроблені наступні висновки: при тривалості реалізації, що дорівнює 0,2 с, і амплітудні та енергетичні спектри сусідніх реалізації істотно відрізняються, причому енергетичні спектри дуже тісно пов`язані з амплітуднимі- при послідовному збільшенні тривалості реалізації до 0,5 і 1 з відмінності між амплітудними спектрами сусідніх реалізації зберігаються, а між енергетичними - уменьшаются- в енергетичних спектрах реалізації тривалістю 1 с основна потужність сигналу локалізується в діапазоні 140-160 Гц, в той час як амплітудні спектри хоча і мають максимум на цих частотах, але розподілені більш рівномірно - від 100 до 600 Гц.

Експериментальні дослідження показали, що для отримання сталого енергетичного спектра досить тривалості реалізації в 1 с, в той час як для отримання стійкого амплітудного спектра потрібно до 30 с. Це дозволяє істотно скоротити час аналізу.

Звуки бджіл можуть бути модульовані низькими частотами від 16 до 60 Гц. На амплітудних спектрах це призвело б до появи бічних складових у несучої частоти і погіршило б локализованность основного піку, що ускладнило б распознаваемость. В енергетичному спектрі навіть 100% -ві модуляції інтенсивності бічних складових невеликі і несуттєво погіршують локализованность. За допомогою методу Ханна (Дж.Бендат, А.Пірсол, 1971) проводиться згладжування спектрів, яке необхідно тому, що первинна оцінка представляється неефективною. Згладжування призводить до виділення основного піку і згладжування неосновних.

Розроблено програму, яка дозволяє виводити на екран від 1 до 4 амплітудних спектрів, виробляти згладжування при одночасному аналізі. Біля кожного спектра приводиться вся інформація про нього: назва файлу, довжина реалізації, початкова позиція реалізації, тактова частота, а також час і дата запису вихідного сигналу. Також виводиться коефіцієнт кореляції і для визначення схожості спектрів один на одного.

На базі проведених досліджень розроблено автоматизовану систему для цілорічного контролю за станами бджолиних сімей по звукових сигналів, яка складається з наступних основних блоків: контролера пасіки, ЕОМ бджоляра, звукової карти, приймача пасіки, блоку живлення пасіки, контролерів вуликів, приймачів вулика, блоку живлення вулика, блоку імені-підсилювача, мікрофона.

Завдяки автоматизованій системі контролю можна отримати звукову інформацію по кожній родині, оснащеної контролерами вуликів, причому число сімей може бути необмежено (патент 2118084).Система може бути застосована для цілорічного контролю за бджолами по звуковому спектру і зручна тим, що для знімання звукової інформації з усіх вуликів пасіки немає необхідності порушувати мікроклімат гнізда.

При цьому досить двухпроводной лінії зв`язку, так як електроживлення всіх контролерів вуликів забезпечується з цієї лінії. Висока оперативність і роздільна здатність дозволяють забезпечити високу достовірність розпізнавання різних станів сімей і ефективно застосовувати цю систему на пасіці.

Розробка знаходиться в стадії макетування. З метою якнайшвидшого впровадження автори розробки згодні на співпрацю з організаціями та бджолярами, які погодяться фінансувати промислове виробництво систем автоматизованого контролю станів бджолиних сімей.

В.Е.ДРЕЙЗІН, А.Ф.РИБОЧКІН, І.С.ЗАХАРОВ

305040, г. Курск, вул. 50 років Жовтня, буд. 94, КДТУ, кафедра КІТЕВС