Автоматизированная система идентификация полей при уборке зерна с помощью спутниковой навигации и rfid для выполнения новых требований законодательства РФ о прослеживаемости партий зерна и продуктов его переработки

Автоматизированная система идентификация полей при уборке зерна с помощью спутниковой навигации и RFID для выполнения новых требований законодательства РФ о прослеживаемости партий зерна и продуктов его переработки
Petr Elisarov¹ [[e-mail]], Igor Volkov^{21[[e-mail]]
1} Carl Geringhoff Vertriebsgesellschaft mbH & Co. KG Porschestr.8, Ahlen, 59277, Germany
² Don State Technical University, Gagarin square 1, Rostov-on-Don, 344003, Russia
Abstract. С вступлением в силу постановления Правительства РФ о прослеживаемости зерна на сельхозтоваропроизводителей накладывается обязанность по оперативному внесению в информационную систему данных об убранном с полей зерне и месте его хранения. Для гарантированного внесения данных предлагается параллельно с имеющимся порядком внедрить систему учета поступления зерна, основанную на отслеживании геолокации места перегрузки зерна из комбайна в транспортные средства для перевозки с сопутствующими данными. Система включает в себя программно-аппаратный комплекс по сбору, хранению, обработке информации во время уборки и передачи полученных данных в информационную систему. Аппаратная часть системы представляет собой устройства для определения местоположения, обмена данными и блок хранения информации, которые устанавливается на транспортные средства (комбайны, уборочные машины, грузовые автомобили), весовые станции, места хранения зерна. Программная часть включает в себя базу данных всех объектов на поле, полей и мест хранения зерна, модуль обработки данных по описанным алгоритмам и интерфейс взаимодействия с информационной системой.
Ключевые слова: сельское хозяйство, прослеживаемость зерна, учёт зерна, логистика зерна, уборка зерна, полигоны, навигация, RFID, цифровые технологии, GNSS/ГНСС (спутниковая система навигации), правовое регулирование АПК
1 Introduction
Действующее законодательство и правила ведения бухгалтерского учёта требуют составления ряда документов при уборке зерна. Для сельскохозяйственных производителей это влечёт дополнительные затраты, а также организацию совершения дополнительных действий сотрудниками. В настоящее время меняется система такого учёта. Мы попытаемся предложить меры, позволяющие в перспективе снизить издержки, упростить документооборот при уборке зерна и увеличить надежность сбора необходимой информации.

Рисунок 1 Перегрузка зерна комбайном на поле
В настоящее время отслеживание перемещения зерна осуществляется с помощью стандартных форм СП-1 и СП-2, утверждённых Постановлением Госкомстата РФ от 29.09.1997 N 68 "Об утверждении унифицированных форм первичной учетной документации по учету сельскохозяйственной продукции и сырья".
Порядок их использования установлен Методическими рекомендациями по бухгалтерскому учету материально-производственных запасов в сельскохозяйственных организациях, утвержденными приказом Министерства сельского хозяйства РФ от 31.01.2003 №26 (далее - Рекомендации от 31.01.2003 г.), а также Методическими рекомендациями по бухгалтерскому учету затрат и выхода продукции в растениеводстве, утв. Министерством сельского хозяйства РФ 22.10.2008 (далее - Рекомендации от 22.10.2008 г.). 
Согласно Рекомендациям от 22.10.2008, реестр отправки зерна и другой продукции с поля (ф. N СП-1) применяют для оформления отправки продукции с поля в места ее хранения. Реестр приема зерна и другой продукции (ф. N СП-2) применяют для оформления приёма продукции на ток и в другие места хранения.
Действующая система предполагает работу с указанными реестрами в бумажной форме. Заполнение реестров производится с участием комбайнёра, водителя, заведующего током (кладовщика) на каждом этапе сборки и перемещения зерна. В последующем реестры сдаются для проверки в бухгалтерию.
Достоинством данной системы является взаимная сверка отправленного и принятого зерна. Ручное заполнение реестров было удобно в условиях, когда не было электронных средств отслеживания и обмена информацией. Хотя это затрудняло обработку документов и усложняло контроль за движением зерна.
Недостатком данной системы является низкая точность получаемых сведений, ввиду влияния человеческого фактора, сложности с оценкой веса получаемого зерна (при отсутствии системы взвешивания на комбайне), низкая скорость обработки данных с бумажных носителей, невозможность мониторинга поступления зерна в реальном времени.
Вместе с тем, помимо сложностей, связанных с оформлением документации, сопровождающей сбор зерна, недостатки имелись и в нормативно-правовом регулировании. Так, отсутствовала нормативно-правовая база в сфере обеспечения сохранности зерна и механизмы прослеживаемости партий зерна от производителей до конечных потребителей (от организации-переработчика до страны-импортера), необходимого для более объективного мониторинга ситуации с качеством и количеством производимого зерна, и отслеживания характеристик пшеницы (белок, клейковина, натура и др.), реализуемой на рынке, согласующихся с потребностями потребителей и с международной практикой и имеющих достаточную точность.
В 2021 году были внесены изменения в законодательство о сельскохозяйственной продукции (зерновом комплексе). Изменениями, в частности, было предусмотрено создание Федеральнаой государственной информационной системы прослеживаемости зерна и продуктов его переработки (далее - Система прослеживаемости зерна), которая позволит проследить жизненный цикл зерна и продуктов его переработки (от его производства до выпуска в обращение), а также создать государственную систему контроля качества выращенного зерна для предотвращения незаконного оборота зерна и продуктов его переработки и обеспечения качества зерна и продуктов его переработки.
Правила создания Системы прослеживаемости зерна, были утверждены Постановлением Правительства РФ от 09.10.2021 N 1722 "О Федеральной государственной информационной системе прослеживаемости зерна и продуктов переработки зерна", которое утвердило "Правила создания Федеральной государственной информационной системы прослеживаемости зерна и продуктов переработки зерна, ее развития и эксплуатации, включая правила регистрации и представления сведений и информации в Федеральную государственную информационную систему прослеживаемости зерна и продуктов переработки зерна, сроки, формы и форматы представления сведений и информации, требования к обеспечению доступа к информации, содержащейся в такой системе, а также формы и порядок направления запросов о представлении информации, в том числе с использованием информационно-телекоммуникационных сетей общего пользования, включая сеть "Интернет" и единый портал государственных и муниципальных услуг" (далее – Правила). 
Правилами предусмотрено, что наряду с государственными органами, поставщиками информации в Систему прослеживаемости зерна являются производители зерна.
Установлен также перечень информации, которая должна представляться товаропроизводителями при уборке зерна. В частности, предусмотрено, что, авторизовавшись через единую систему идентификации и аутентификации, товаропроизводители с помощью автоматизированного рабочего места представляют в Систему прослеживаемости зерна следующие сведения и информацию: о месте выращивания партии зерна; площади земельного участка или его части (поля), с которого собран урожай зерна; сведения о правах на земельный участок; вид сельскохозяйственной культуры зерна; масса зерна, произведенного в день уборки урожая; место хранения зерна.
Формы и форматы сведений и информации, представляемых сельскохозяйственными товаропроизводителями при осуществлении государственного мониторинга зерна в месте выращивания с географическим указанием для формирования партий зерна, также утверждены Правилами.
Перечисленные изменения в порядок учета собираемого зерна, а также введение Системы прослеживаемости зерна приводят к тому, что сельхозпроизводители сталкиваются с необходимостью ведения документации по новым правилам. Вместе с общей направленностью на информатизацию всех сфер жизни, в том числе переводом документации в электронный вид, данная сфера требует новых подходов.
Для устранения перечисленных выше недостатков существующей системы отслеживания перемещения зерна предлагается внедрить систему автоматизированного ведения реестра поступивших при уборке партий зерна с последующей загрузкой в Систему прослеживаемости зерна. Предлагается внедрить систему на базе RFID меток на машинах, задействованных на уборке и перевозке зерна с поля до зернохранилища. Технологии на базе RFID/NFC уже давно вошли в нашу повседневную жизнь. За последнее десятилетие она стала применяться практически в каждой отрасли от медицины до банковского дела. Не обошла она стороной и сельское хозяйство[ CITATION Hai22 \l 1049 ]. В мире представлено множество решений по контролю и учету движения автотранспорта с помощью RFID: от контроля полицией проезжающих средств [ CITATION Jay16 \l 1033 ] до школьных автобусов[ CITATION Pan17 \l 1049 ], а также в сельском хозяйстве[ CITATION Lin17 \l 1049 ].
Система состоит из пассивных статических и динамических RFID меток на каждом работающем на уборке комбайне, уборочной машине, ином транспортном средстве (далее – ТС). Выбор пассивной метки с радиусом действия до нескольких метров связан с несколькими факторами[ CITATION Kar07 \l 1033 ]: 1) ограниченностью радиуса действия метки не позволит ТС ошибочно идентифицировать соседнюю метку 2) простота установки метки и ее низкая стоимость 3) защитой данного вида меток от неавторизованного считывания информации с метки. Метка ставится в районе выгрузного шнека комбайна, чтобы минимизировать уровень помех между антенной и меткой, т.к. шнек комбайна наиболее близкий узел комбайна к ТС при разгрузке. Близкое расположение пассивной метки позволяет точно установить время начала и окончания перегрузки зерна из бункера комбайна в ТС.[CITATION Gav21 \l 1033 ]
На ТС устанавливается антенна RFID, активная динамическая метка, считыватель смарт карт, микроконтроллер обработки и хранения информации, GPS приемник с модулем низкой точности, пульт управления в кабине водителя, а также GSM модем[ CITATION Dew18 \l 1033 ]. Антенна ставится в районе кузова ТС на примерно равном удалении от переднего и заднего борта для покрытия всей зоны работы шнека комбайна. Динамическая RFID метка ставится для обмена данными между ТС и весовой станцией для ситуаций невозможности передачи данных через GSM канал.
На весовой станции устанавливается антенна для считывания данных из памяти микроконтроллера ТС в центральную БД.

Рисунок 2. Схема взаимодействия модулей системы.
Алгоритм работы (Рисунок 2). При наполнении бункера комбайна комбайнер сообщает о готовности выгрузить зерно. При подъезде ТС для перегрузки и открытия шнека комбайна у водителя ТС загорается лампа принятия метки комбайна и подтверждения начала выгрузки зерна. В память микроконтроллера заносится информация с метки комбайна, дата и время начала разгрузки, координаты начала разгрузки, данные смарт карты водителя, и аналогичные данные при окончании разгрузки, когда метка комбайна отдалится от ТС и поступит подтверждение окончания разгрузки. После чего ТС направляется на перегрузку зерна к следующему комбайну. Как правило для полной загрузки кузова ТС необходимо перегрузить 2-4 бункера комбайна.
При наличии покрытия GSM сети данные передаются на весовую станцию, при отсутствии покрытия данные хранятся в памяти микроконтроллера и передаются через RFID\NFC непосредственно на весовой с помощью динамической метки[ CITATION Val10 \l 1033 ]. Длина одной записи операции не превышает 64 байт с учетом контрольной суммы 16 бит. Таким образом максимально необходимый объем ERPOM памяти метки составляет 512 байт.
Таблица 1 Пример блока данных передаваемых от ТС на весовой станции

Номер	ID комбайна	Дата	Время	Операция	Долгота	Широта	Комментарий
1	5ef6398e	18.07.2021	16:48:55	0	39.844703	47.354497
2	5ef6398e	18.07.2021	16:54:12	1	39.844703	47.354497
3	368df65d	18.07.2021	17:05:10	0	39.844714	47.354489
4	368df65d	18.07.2021	17:12:09	1	39.844714	47.354489
5	fe1256d3	18.07.2021	17:18:41	0	39.844699	47.354517	!Внимание!
6	fe1256d4	18.07.2021	17:24:14	1	39.844699	47.354554

После наполнения кузова ТС оно направляется на весовую станцию, где происходит обмен данными о доставленных партиях зерна и вместе с фактическим весом зерна заносятся в БД.(Таблица 1) Единицей записи в БД является партия зерна от одного комбайна. Для определения приблизительного веса зерна, поступившего от каждого комбайна , можно составить формулу, включающую объем бункера каждого типа комбайна (м³), вес зерна по данным с весовой станции (кг), скорость выгрузки шнека r (м³/с) и время выгрузки t (с):
, при этом (1)
(2)
Для каждого поля известна площадь, адрес, высеянная культура (сорт), форма вещного права. В БД хранятся данные по контурам полей хозяйства в виде массива координат краевых точек (P_i(x_i;y_i), где i=1,2,3…n – число краевых точек) каждого поля.
Координаты краевых точек полей записываются с помощью GPS трекеров или из онлайн источников (напр. OneSoil). При этом границы поля расширяются до границ дороги, где чаще всего происходит перегрузка зерна для предотвращения переуплотнения почвы колесами ТС[ CITATION DVR21 \l 1033 ]. Это также позволяет нивелировать погрешности измерения контуров полей и положения ТС при разгрузке. Для расширения границ на заданную величину L (Рисунок 3) находим нормаль каждой краевой точки через сумму нормализованных векторов , образованных прилегающими к точке сторонами поля[ CITATION Jia20 \l 1033 ].
(3)
(4)
(5)
(6)
Найдем фактическую длину полученного вектора по формуле:
(7)
где α – угол между векторами сторон. Используя формулу косинуса между векторами и формулу половинного угла, избавимся от тригонометрических функций:
, (8)
при этом равны 1, т. к. векторы нормализованы. Получаем:
(9)
Перемножив получившуюся фактическую длину вектора с его координатами, получаем смещение точки относительно
(10)
(11)

Рисунок 3. Расширение границ поля

Рисунок 4. Определение положения точки методом трассировки луча из точки
Следующим шагом проверяем все полученные точки на вхождение в уже расширенные поля для исключения наложения близко расположенных участков. Для этого применим метод трассировки луча из точки[ CITATION Shi62 \l 1033 ]. Этим же методом будем определять взаиморасположение каждой точки разгрузки T(x₀;y₀) относительно границ каждого поля (Рисунок 4) до первого совпадения:
вычисляем t_i при
(12)
Для всех t_i<0 считаем общее количество пересечений:
(13)
Если сумма является нечетным числом, то точка лежит внутри поля, если четным или равна 0 то за его пределами. При этом t_i=0 если точка лежит на границе одного из полей и в рамках данного алгоритма принимаем, что разгрузка была осуществлена в границах этого поля.
Метод трассировки лучей был выбран как наименее ресурсоемкий и достаточно точный для решения поставленной задачи. Также данный метод не требует предварительных расчетов. Поля – это, как правило выпуклые не самопересекающиеся многоугольники для работы с которыми, применение усовершенствованного алгоритма трассировки лучей является наиболее оправданным.[ CITATION GNa18 \l 1049 ] Тем не менее в дополнение можно использовать усовершенствованный алгоритм индекса точки относительно многоугольника, который в таком виде является по сути вариацией метода трассировки лучей[ CITATION Hor01 \l 1033 ].
Поле определяется для начала и конца разгрузки, что позволяет минимизировать риск ошибки определения поля при разгрузке зерна во время движения комбайна. Если одна из точек не соответствует ни одному полю в базе данных, то ищем ближайшее поле. Для этого найдем косинус угла между сторонами полей и отрезком (Рисунок 5), соединяющим точку с началом и концом стороны поля через скалярное произведение векторов.
(14)
(15)

Рисунок 5. Определение положения точки относительно стороны поля
Если один из косинусов отрицательный (т. е. один из углов является тупым), то кратчайшим расстоянием до стороны поля является наименьший из отрезков, соединяющий точку с началом или концом стороны поля a₂. (Рисунок 6)

Рисунок 6. Проекция точки за пределами стороны поля

Рисунок 7. Нахождение кратчайшего расстояния до стороны поля
Если же косинусы углов положительные, то кратчайшим расстоянием до стороны поля будет перпендикуляр h, опущенный к данной стороне (Рисунок 7). Выразим перпендикуляр из формулы площади прямоугольного треугольника, которую найдем с помощью косого произведения векторов.
(16)
(17)
(18)
Теперь сравним расстояния до всех сторон поля и выберем наименьшее – это и будет кратчайшее расстояние до поля. Осталось сравнить полученное значение со всеми полями в системе и определить ближайшее. Также в БД делается пометка для ручной проверки места разгрузки зерна.
При условии, что переезд комбайнов между полями с заполненным бункером запрещен по соображениям безопасности, достоверность получаемых данных о поле, с которого поступила партия зерна очень высока.
В конце уборочного дня данные по каждому полю суммируются и загружаются в Федеральную систему через автоматизированное рабочее место.
Таким образом, создание Системы отслеживания зерна в России как общегосударственного реестра потребует от сельхозпроизводителей, особенно крупных, создания аналогичных систем в рамках своего производства. Крупные сельскохозяйственные предприятия уже используют современные технологии для обеспечения соответствия нормативным требованиям, отслеживания продукции, управления услугами и защиты от мошенничества [ CITATION Kev06 \l 1033 ]. Использование преимуществ новых технологий для повышения производительности позволяет управлять большим количеством посевных площадей, снизить затраты и увеличить прибыль ^{[ CITATION HOW \l 1033 ]}.
Экономическим и организационным эффектом внедрения таких технологий для производителя будет повышение прозрачности, обеспечение качества продукции; возможность отслеживания зерна для более быстрого и качественного реагирования на проблемы; и эффективность процессов за счет упрощения и автоматизации, которые сокращают время, усилия и затраты[ CITATION Mac08 \l 1049 ].
Для целей государственного управления Система прослеживаемости зерна позволит проследить жизненный цикл зерна и продуктов его переработки (от его производства до выпуска в обращение), а также создаст государственную систему контроля качества выращенного зерна для предотвращения незаконного оборота зерна и продуктов его переработки и обеспечения качества зерна и продуктов его переработки.
Подобные системы уже используются в мире в сельском хозяйстве ([ CITATION Lou18 \l 1033 ]; [ CITATION FIN17 \l 1033 ]), а также в иных отраслях [ CITATION HOW \l 1033 ]. По мере внедрения и масштабирования таких систем их стоимость будет снижаться, что будет способствовать широкому распространению и эффективности.