Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Stroje a zariadenia / Rôzne

Poľnohospodárstvo 4.0 a ako ďalej?

22-09-2020
Prof. Ing. Vladimír Rataj, PhD.; Doc. Ing. Jana Galambošová, PhD., MPhil.; Ing. Miroslav Macák, PhD. | vladimir.rataj@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, Katedra strojov a výrobných biosystémov, Technická fakulta

Nástup moderných technológií vo všetkých oblastiach života prináša často až prevratné zmeny. Platí to pre výrobnú sféru, ale aj pre súkromný život. Niekedy je ťažko rozpoznať v ktorej oblasti sú aplikácie rozšírené viac. Úspech spočíva v strategickom odhade výskumníkov, konštruktérov a manažérov, ktorí svojim riešením vyvolajú záujem a „potrebu“ používať ponúkané výrobky. Jasným príkladom je komunikačná technológia mobilných telefónov, ktorá dnes ďaleko prevyšuje prvotný cieľ umožniť - hlasové spojenie bez nutnosti pripojenia na pozemnú sieť.

Podobne, no zrejme s iným zámerom, je to aj vo výrobnej sfére. Vývoj techniky napreduje. Od mechanocentrického riešenia, kedy bolo dominantné zostrojiť stroj uľahčujúci a zrýchľujúci prácu až po antropocentrické riešenie, kedy je dôraz kladený okrem rýchlosti, presnosti a spoľahlivosti vykonaných pracovných úkonov hlavne na človeka, jeho potreby a bezpečnosť. Aj táto ušľachtilá myšlienka má však svoje hranice. Narastajúce množstvo informácií, potreba ich sledovania, vyhodnocovania a rozhodovania sú často na hranici ľudských schopností.

Podobne ako pred 100 rokmi, keď stroje nahrádzali ťažkú fyzickú prácu, v súčasnosti je potrebné uľahčovať, alebo priamo nahrádzať, kontrolné a rozhodovacie procesy. Z tohto dôvodu začal, pri nástupe komunikačných spojení (Internet, alebo Wi-Fi, Bluetooth a pod.) vývoj zariadení, ktoré umožňujú automatický zber údajov, ich spracovanie a bezprostredné poskytnutie analyzovaných výsledkov. V priemyselných odvetviach sa táto filozofia nazýva Priemysel 4.0 (Industry 4.0). V stručnosti ide o rozumnú aplikáciu zariadení, ktoré umožňujú vzájomné prepojenie a komunikáciu v rámci systému. Vývoj priniesol pojmy ako Internet vecí (IoT – Internet of Things), enoromné množstvo sledovaných, distribuovaných a poskytovaných dát (BigData), ale aj pojmy Smart (inteligentný), Clever (chytrý, dômyselný) a iné, ktoré poznáme už aj z osobnej skúsenosti.

Tento vývoj neobchádza ani oblasť poľnohospodárstva. Veď prečo by aj? Poľnohospodárstvo je rovnako sofistikovaná výrobná oblasť. Zásadnou črtou poľnohospodárskej výroby, na rozdiel od priemyslu, je široká rozmanitosť vlastností výrobných podmienok (pôda, zvieratá, stroje, objekty), alebo jej produktov (plodiny, mäso, mlieko, vajíčka a pod.). Takto široké zázemie kladie na vývojárov osobitné nároky a popri znalostiach z informatiky musia zvládať poznatky o biológii a zoológii, o výrobných technológiách a pod. Rovnaké nároky však kladú informačné technológie aj na užívateľov. Ak doteraz riadiaci pracovníci v poľnohospodárskej výrobe dokonale ovládali agrárnu problematiku a zvládali klasicky riadiť výrobné postupy, pri používaní nových informačných technológií musia byť schopní naplniť aj výzvy 21. storočia.

Bolo by neúprimné, aby sa informačné technológie poľnohospodárskej výroby spájali len so súčasným rozvojom informatiky. Aj v predchádzajúcom období sa využívali prvky automatizácie, no pochopiteľne na technickej úrovni svojej doby. Prvými lastovičkami boli už v 70 tych rokoch minulého storočia systémy na sledovanie úžitkovosti dojníc a na ich základe upravované kŕmne dávky. Rovnako boli sledované parametre a následne riadené procesy pri spracovaní živočíšnych či rastlinných produktov. Na obilných kombajnoch to bolo napríklad mechanicko-hydraulické riadenie rýchlosti pojazdu stroja na základe zisťovanej priechodnosti, alebo navádzanie jazdy na stenu porastu. Pribúdali ďalšie informačné prvky od diaľkového snímania napr. teploty v skleníkoch, senníkoch a silách až po kamerový monitoring pohybu zvierat v maštaliach a pod.

Aj v poľnohospodárstve teda možno hovoriť vývojových stupňoch, ktoré niektorí autori označujú ako technické revolúcie. Prvým revolučným krokom bola náhrada ťahovej sily, kedy stroje (najskôr parné a neskôr traktory) začínali postupne nahrádzať konské a volské záprahy. Druhú technickú revolúciu možno zahrnúť do obdobia, kedy sú traktory vybavované hydraulickými prvkami, trojbodovým závesom a sú doplnené remenicou a vývodovým hriadeľom, čím sa stávajú univerzálnou pohonnou a energetickou jednotkou. Treťou revolúciou je nazývané obdobie, kedy sú do strojov inštalované elektronické zariadenia najmä palubné počítače na riadenie chodu motora a neskôr na riadenie ovládania pripojených strojov. Je snaha vývoj celosvetovo unifikovať, formuje sa univerzálna zbernica na spojenie strojov ISOBUS a pod. Tu možno hovoriť o nástupe inteligenčných prvkov.

Štvrtá revolúcia pokrýva súčasné obdobie. Ide o najvyššiu technickú úroveň, kedy možno jednotlivé stroje prepájať v komunikačných štruktúrach. Často sa používa termín známy z počítačových prepojení, keď sa hovorí „že stroje sú zasieťované“, čím sa vytvára priestor na integrovanie dokumentačných a výkonných prác. Ide teda o moderné prístupy k organizácii prác, ktoré by však bez dokonalého súladu konštrukcie a riadiacich systémov strojov neboli realizovateľné. Poľnohospodárstvo 4.0 je synonymom pre 4. priemyslovú revolúciu a má slúžiť na zvýšenie efektívnosti a profesionalizovanie poľnohospodárstva. Tento trend je v plnom súlade s cieľmi Európskej komisie v otázkach informatizácie a digitalizácie. Dá sa očakávať, že obidve oblasti budú zrejme v dohľadnom čase limitujúcimi podmienkami pri možnosti čerpania dotačných zdrojov aj v sektore poľnohospodárstva.

Z uvedených informácií si isto odborník dokáže vytvoriť obraz praktického využívania.

Príklady predstavujú firmy na výstavách. Napríklad na výstave  Agritechnica 2019 v Hannoveri, množstvo exponátov bolo pripravených na odloženú výstave Techagro v Brne, alebo na Seminár výstavy Celoslovenské dni poľa v Dvoroch nad Žitavou.

Čo si treba pod pojmom Poľnohospodárstvo 4.0 predstaviť?

Poľnohospodárstvo 4.0 v princípe znamená, že do výrobného procesu vstúpili prvky, ktoré dokážu autonómne získavať informácie vhodné na následné riadenie procesov. Mohlo by sa povedať že tých procesov, ktoré boli technicky pripravené a riešené v čase 3 technickej revolúcie, no v tom čase neexistovalo digitálne prostredie. Informácie sú zisťované automaticky, bez vplyvu obsluhy, čím je zabezpečená presnosť a objektívnosť. Často ide o informácie, ktoré doteraz zisťované neboli, alebo neboli k dispozícii užívateľovi, alebo chýbalo riešenie na ich využitie v praxi.

Jednoduchý a výstižný príklad poskytuje oblasť diagnostiky spaľovacieho motora. Na zistenie aktuálneho stavu je bežným úkonom zásah servisného technika, ktorý fyzicky pripojí testovacie zariadenie na zbernicu v stroji, a tak môže jednotlivé parametre kontrolovať. V ére Poľnohospodárstva 4.0 možno tieto údaje priebežne snímať (bez prispenia alebo ovplyvňovania vodiča) a na diaľku ich prenášať pomocou telematiky na miesto vyhodnocovania (v súčasnosti ide o servisnú službu). Výsledky následne sprostredkovať on-line priamo užívateľovi stroja.

Ak sa nám zdá, že pojem Poľnohospodárstvo 4.0 je pre bežný chod dnešnej poľnohospodárskej výroby príliš moderný a vzdialený, skúsme pripomenúť aj ďalšie oblasti v ktorých sa začína uplatňovať aj v slovenských podnikoch.

Podľa zamerania výroby sa riešenie pochopiteľne líši. Živočíšna výroba hospodári v relatívne uzatvorenom priestore. Pre pohyb zvierat možno využívať už spomínané identifikácie jednotlivých zvierat s využitím informácií o ich úžitkovosti, ale aj s indikovaním ich zdravotného stavu, ruje a pod. Životné prostredie v objektoch je kontrolované a riadené sústavou snímačov a klimatizačných zariadení. Do procesu výroby mlieka sú už aj na Slovensku zaradené robotizované pracoviská. Príprava a zakladanie krmiva je v moderných zakladacích strojoch „riadená cez počítač“ a ďalšie kroky, ako napr. opätovné prihŕňanie krmiva v chodbe zabezpečujú automatické zariadenia. Ich riadenie je v súčasnosti je na časovej báze, no je len otázka času, kedy bude ich chod riadený napríklad pomocou vyhodnotenia obrazu rozhodeného a tak neprístupného krmiva. Podobným smerom sa uberá vývoj zariadení na odpratávanie hnoja. Množstvo informácií o zvierati získané v reálnom čase sú základom pre budovanie expertných systémov na báze zootechnických a veterinárnych znalostí. Informácie o etológii a pohybe zvierat možno získavať a využívať aj v pasienkových chovoch. Identifikačné zariadenia pracujúce na báze geografických navigačných satelitných systémov - GNSS (GPS) poskytujú on-line informácie nielen o aktuálnom mieste výskytu zvieraťa, ale pre odborníkov aj množstvo sekundárnych informácií využiteľných pri zootechnických alebo veterinárnych zásahoch.

Rastlinná výroba pokrýva pojem Poľnohospodárstvo 4.0 najdokonalejšie. Východiskovou základňou je už viac než 20 rokov systém presného poľnohospodárstva, ktorý dokáže rešpektovať priestorovo variabilné vlastnosti (pôdy, porastu, škodcov a pod.) a na ich základe, ako aj na báze lokalizovania polohy v teréne, umožňuje  riadiť variabilné zásahy. Systém presného poľnohospodárstva je základ, ktorý sa však neustále vyvíja. Podľa rôznych zámerov ho užívatelia nazývajú aj inteligentné poľnohospodárstvo, alebo v kontexte výroby celej farmy aj ako Smartfarming. Po technickej stránke je budovaný na navigácii pomocou GNSS (GPS), na vývoji snímačov a na systémoch prenosu a vyhodnocovania veľkých objemov dát. Impulzom sú zvyšujúce sa prísne požiadavky v oblasti hnojenia a ochrany plodín, s dopadom na šetrenie vstupov, efektívnosť výroby, bezpečnosti a dosledovateľnosti potravín z nich vyrábaných a aj dopadov na životné prostredie. Presné navigačné systémy, ale aj ďalšie snímače sa pomaly stávajú základným vybavením strojov.

V systémoch presného poľnohospodárstva sa dominantne vychádza z priestorového rozloženia zistených vlastností, ktoré bývajú často zisťované vopred rozborom vzoriek odoberaných na mieste (mapy úrody, zásoby živín v pôde, lokálneho výskytu burín, priestorového rozloženia utlačenia pôdy a pod.), prípadne snímkovaním snímaním pomocou bezpilotných lietadiel (drony), alebo využitím snímok prevzatých zo satelitov. Ak ide o rastlinnú výrobu realizovanú v otvorenej krajine, dátové prenosy sú riešené zvyčajne na báze bezdrôtových sietí GSM mobilných operátorov, veľmi často s podporou satelitných technológií.

Zavedenie nových aplikácií, ktoré možno priradiť k Poľnohospodárstvu 4.0, predpokladá vývoj snímačov, ale aj systémov na bezproblémové riadenie procesu podľa zistených informácií. Ak má byť výroba zabezpečená v súlade s princípmi Poľnohospodárstva 4.0, potom snímanie informácií a následné riadenie procesu musí byť v čo najužšej časovej nadväznosti. Ak bolo v začiatkoch využívania potrebné vopred vykonať merania a tie pre následné riadenie pracovných operácií previesť do aplikačnej mapy, súčasné trendy smerujú k využívaniu on-line metód.

V tomto zmysle sa v súčasnosti najčastejšie využíva on-line variabilné hnojenie dusíkom. Ide o využívanie snímačov na detekciu úrovne obsahu chlorofylu v rastlinách, čo je riadiaca informácia pre aplikáciu hnojiva. Spresnenie rozhodovacích algoritmov sa vykonáva pomocou máp priestorového rozloženia úrodového potenciálu získaných z vlastných pozorovaní (napríklad z máp úrody z predchádzajúcich rokov) alebo zo spomínaných satelitných snímok. Teda pri aplikácii je kombinovaná informácia zo senzora s informáciou získanou analýzou vlastností pozemku.

Čoraz širšie uplatnenie zaznamenáva snímanie elektrickej/elektromagnetickej vodivosti pôdy (konduktivity) a na jej základe určenie pôdnej štruktúry, stupňa utlačenia pôdy a relatívnej vlhkosti. Snahou je využívať zistené poznatky pri riadení (nastavovaní) pracovných parametrov on-line. Dobré výsledky sa rysujú pri zisťovaní hĺbky zhutnenia pôdy a podľa nich nastavovanie napríklad hĺbky podrývania. Hĺbkové obrábanie pôdy patrí k energeticky najnáročnejším operáciám, preto možnosť nastavenia variabilnej hĺbky podrývania predstavuje významnú úsporu pohonných hmôt. Vývoj snímačov ide aj cestou zisťovania odporu proti vnikaniu pracovného nástroja do pôdy. Ide o meranie v horizontálnom smere v jednej hĺbke, no sofistikované zariadenia sú schopné merať kontinuálne odpor v rôznych hĺbkach. Podstatný je efekt, že na základe zistených hodnôt možno on-line upraviť pracovnú hĺbku podrývania pôdospracujúceho náradia. Informácie o priestorovom rozložení konduktivity pôdy sa v súčasnosti využívajú aj ako riadiaca informácia pri variabilnej sejbe zrnín, ale aj iných plodín napríklad cibule. Vývoj smeruje k možnosti využívania variabilného výsevku (počet semien pri hustosiatych plodinách), ale aj variabilnej hĺbky uloženia semien alebo prípadne variabilného prítlaku výsevných jednotiek.

Postupne sa zavádza využívanie snímačov na zisťovanie pôdnej reakcie (pH), obsahu pôdnej organickej hmoty a živinných prvkov. Ďalšie informácie, ktoré možno priebežne zisťovať s relatívne vysokou presnosťou sú údaje o nutričnom zložení zberanej plodiny, ako sú napríklad sušina, bielkoviny, škrob, vláknina, pH, popoloviny a cukor. Podobne možno on-line hodnotiť počas aplikácie aktuálny obsah živín v hnojovici. Pri rozdielnom obsahu živín v hnojovici pochádzajúcej z rozdielnych zásobníkov a v snahe aplikovať živiny do pôdy rovnomerne, možno variabilne upravovať aplikovanú dávku. V tejto súvislosti prichádzajú do úvahy zariadenia, nazývané ako poľné/mobilné laboratóriá, ktoré sú inštalované na zberových strojoch a dokážu podávať komplexné informácie o zberanom produkte on-line, teda priamo pri prejazde po pozemku.

Rovnako rýchlo napreduje výskum a vývoj systémov na detekciu nežiaducich rastlín na povrchu poľa, prípadne na rozpoznávanie druhov burín. Aplikácia sa využíva pri variabilnej chemickej ochrane, resp. likvidácii rastlín. Postrekovače už dokážu variabilne ovládať jednotlivé trysky a presnosť zásahu je závislá od aplikačnej mapy, alebo od on-line detekovanej cieľovej plochy. Táto oblasť predpokladá úsporu chemických prostriedkov a rádovo v desiatkach percent s priamym dopadom na životné prostredie.

Ak je teda Poľnohospodárstvo 4.0 postavené na zisťovaní informácií a možnosti ich využitia v riadení procesov cestou prepojenia jednotlivých strojov, potom treba hovoriť aj o systémoch na riadenie pohybu strojov a súvisiacich riešení. Našťastie o navigovaní jazdy strojov pomocou systému GNSS (GPS) dnes už v Slovenskej praxi hovoriť netreba. Dá sa predpokladať, že u perspektívnych poľnohospodárov, je väčšina moderných traktorov už navigačným zariadením vybavená. Presnosť navigácie na smer jazdy až na hodnoty ± 2 cm je overená mnohými testami, ale aj skúsenosťami z praxe. Efekty plynúce z využívania navigácie v pracovných postupoch rastlinnej výroby sú nesporne dokázané. Ide predovšetkým o zabezpečenie dodržiavania technologickej disciplíny, obmedzenie prekrývania pracovných jázd a optimalizovanie pohybu strojov. Uvedené postupy vedú k spresneniu vykonávaných prác, k znižovaniu nákladov, úspore pracovného času, či k optimalizácii a efektívnosti pracovných procesov. Osobitným efektom, ktorý možno docieliť pri využívaní navigácie je zavedenie systému riadeného pohybu strojov – CTF (Controlled Traffic Farming). Ide o vopred naplánovaný a každoročne dodržiavané trajektórie pohybu strojov po stále rovnakej dráhe (stope). Takto možno trvale oddeliť plochu utlačenú prejazdom strojov a plochu neutlačenú, po ktorej sa stroje nebudú pohybovať. Systém CTF má síce určité požiadavky, ale tie možno aj v podmienkach Slovenska zabezpečiť. Ide o technické, ale predovšetkým o organizačné zvládnutie systému. Podľa výsledkov unikátneho 10 ročného experimentu pracovníkov Katedry strojov a výrobných biosystémov Technickej fakulty SPU v Nitre možno konštatovať, že pri šírke pracovných záberov strojov 6 m (resp. 9 m pri žacom stole obilného kombajna), a bez úpravy šírky rozchodu kolies traktorov možno dosiahnuť  64% neutlačenej plochy, 14 % plochy prejdenej kombajnom 1x za rok a 22% viacnásobne utlačenej plochy. Dosiahnuté efekty vo zvýšení úrody, zlepšení štruktúry pôdy, zlepšení infiltrácie vody do pôdy a v znížení utlačenia pôdy nastali už v treťom roku po zavedení systému CTF. Za mnohé hovorí hodnota penetrometrického odporu pôdy, ktorá v v hĺbke 15 cm je v neutlačenej pôde 1,5 MPa, v pôde 1x utlačenej za rok je 2 MPa a v pôde viacnásobne utlačenej je 2,8 MPa. Ako plynie z experimentov vykonávaných na SPU v Nitre, ale aj na ČZU v Prahe podiel prejdenej plochy pri konvenčných technológiách pestovania je 75 – 100 %. Napríklad pri zbere krmovín rezačkou je to cca 64%. Najväčšie utlačenie pritom vyvoláva prvý prejazd v sezóne, toho býva na poliach cca 40 - 80%. Viacnásobné utlačenie vzniká pri krížení jednotlivých jázd, čo je bežný úkaz na slovenských poliach. Najčastejší prípad je dvojnásobný prejazd.

Problematika navigovania pohybu strojov je široká a často zapadá do pojmu podniková logistika, kedy obsahuje nielen samotné smerovanie jazdy strojov, ale aj monitorovanie a vyhodnocovanie pohybu strojov vo vzťahu k ich hospodárnemu využitiu. Tu je na mieste spomenúť, že pri sledovaní využitia strojov je dôležité získavať údaje aj o pripojenom náradí (stroji), prípadne o jeho pracovných parametroch. Na tento účel sa využíva viacero systémov „rozpoznávania“ pripojeného stroja (náradia), kedy sú traktor a každý stroj vybavené identifikačnými prvkami, ktoré sú aktivovaný pri pripojení stroja (resp. pri priblížení sa k stroju), alebo sú aktivované pri prvých otrasoch, čo znamená pohyb. Takýto systém potom pri vysielaní údajov o geografickej polohe traktora zapisuje aj kód stroja s ktorým je v danej chvíli agregovaný. Rovnako je možné traktor vybaviť snímačmi polohy dolných ramien trojbodového závesu z čoho možno odvodzovať čas pracovnej a prepravnej polohy, podobne ako tomu je aj pri sledovaní zapnutia a vypnutia vývodového hriadeľa.

Ak máme hovoriť o prepojení jednotlivých zisťovaných informácií, tak v kontexte navigácie prichádzajú do úvahy kombinované systémy navigovania pracovných orgánov strojov, agregovaných s traktorom. Aj keď je traktor vybavený špičkovým navigačným systémom, nemusí stroj s ním spojený, vplyvom terénnych nerovností, kopírovať požadovanú dráhu. V takomto prípade možno vybaviť stroj (agregované náradie) vlastnou navigačnou jednotkou, ktorá „spolupracuje“ s riadiacou navigačnou jednotkou traktora. V inom prípade môže byť pohyb stroja korigovaný na jazdu v správnom smere (napr. v riadku pri plečkovaní) na základe analýzy obrazu z kamier, laserom  a pod.

2. časť článku

Ďalšou oblasťou, ktorú umožňuje technická úroveň Poľnohospodárstva 4.0 je možnosť automatizovania,  zdieľania, alebo preberania riadenia stroja. Najznámejší je zrejme pojem „úvraťový managemant“, čo predstavuje systém na riadenie otáčania stroja, resp. strojovej súpravy na úvrati pozemku. Manažment vychádza z pilotných verzií, kedy pri vedení stroja po zvolenej dráhe musela obsluha stroj na úvrati manuálne otočiť. Stačilo na chvíľu prevziať riadenie, stroj otočiť a nasmerovať do ďalšieho záberu. Presnú dráhu už obstarala navigácia. Úvraťový manažment, po zadaní parametrov (rozmerov) súpravy a trajektórii dráhy, dokáže so strojom vybaveným príslušným systémom automatickej navigácie riadenia, samostatne vykonávať optimálne otáčania na úvrati. Manažment môže rešpektovať aj spôsoby jazdy s dočasným vynechaním susednej jazdy a v prípade sejby, spolu s riadiacim počítačom sejačky, dokáže zachovávať (prepočítavať) správne miesto na vynechanie sejby do koľajových riadkov.

Vyššou formou je prevzatie riadenia stroja dopravnej súpravy, ktorá automaticky zosúladí pojazdovú rýchlosť so zberovým strojom. Efekt je prednostne určený pre zber krmovín rezačkou, resp. pre vyprázdňovanie zásobníka obilného kombajna. Ďalšou možnosťou je „privolanie“ odvoznej súpravy bez fyzickej obsluhy ku kombajnu, ktorý potom za jazdy môže vyprázdňovať svoj zásobník.

Napriek futurologickému dojmu, treba konštatovať, že uvedené systémy sú dnes už technicky a informačne vyriešené. Zostáva len otázkou času, kedy budú vytvorené výrobno/ekonomické a treba povedať že aj legislatívne podmienky pre ich širšie uplatnenie v praxi. Po osobných skúsenostiach v slovenskej praxi s aplikáciou satelitom podporovaných technológií, osobitne s  navigáciou v systéme GNSS), to nemusí trvať dlho.

Vo všetkých uvedených príkladoch ide o vzdialený prenos veľkého množstva dát (Big Data), ktorý je známy pod pojmom telematika. Ide o aplikáciu moderných informačných a komunikačných technológií, ktoré sú určené na obojstranný prenos informácií (dát) s cieľom spresniť, zrýchliť, zjednodušiť a zefektívniť riadiaci proces výroby. Do kontextu pojmu Poľnohospodárstvo 4.0 sa telematika v súčasnej praxi dostáva v aplikácii automatického prenosu dát medzi riadiacim počítačom traktora a dispečingom. Ide o priebežné (on-line) sledovanie on-line prenášaných údajov o parametroch motora a aktuálnom pracovnom zaťažení traktora. Na základe osvedčených postupov sú tieto dáta priebežne vyhodnocované. Na všetky odchýlky od normálu je obsluha bezprostredne upozornená, čo tvorí proaktívny prístup k riešeniu možných havarijných situácií.

Analogické príklady uplatnenia prvkov Poľnohospodárstva 4.0 využíva špecializovaná rastlinná výroba ovocia a zeleniny. Najviac rozpracované sú systémy pestovania zeleniny (rajčín, ale aj listovej zeleniny, reďkoviek a pod.) v uzatvorených objektoch.  Tu ide predovšetkým o plne automatizované riadenie zásobovania živinami (osobitne pri pestovaní hydroponickým spôsobom) a automatické sledovanie a riadenie klímy v uzatvorených objektoch.

Do systému Poľnohospodárstvo 4.0 možno zarátať aj lokálne snímanie meteorologických údajov s ich okamžitým spracovaním a on-line využitím. Najčastejšie ide o expertné systémy pracujúce v ovocinárstve a vinárstve, kedy na základe aktuálneho vývoja počasia, snímania aktuálnej vlhkosti listov a databázy znalostí možno prognózovať nástup chorôb a škodcov. V prípade ohrozenia jarnými mrazmi, možno on-line ovládať protimrazové opatrenia (rosenie alebo postrek). Ďalšie využitie meteorologických údajov, spolu s údajmi o fyzikálnych a hydrologických vlastnostiach pôdy sa rozvíja v oblasti aplikácie závlah.

Cieľom poľnohospodárskej výroby je výroba potravín. Doménou systému Poľnohospodárstvo 4.0 je digitalizácia a informatika. Jedným z prvkov každého informačného systému je tvorba databázy a archivácia dát. Z vyššie uvedených poznatkov plynie, že množstvo zistených a prenesených údajov môže slúžiť aj po vykonaní pracovných operácií aj na ďalšie spracovanie. Archivované dáta zo rôznych výrobných fáz poskytujú informácie o produktoch a tak môžu zabezpečiť úplnú dosledovateľnosť výroby (Trace ability). Ak tieto informácie doplnia o dáta zo spracovateľského procesu, potom môže byť spotrebiteľ plne informovaný o kvalite a pôvode výrobku. Podobné informácie dnes poznáme pri nákupe mäsa alebo mliečnych výrobkov. Transparentnosť výroby je jedným z kľúčových požiadaviek na agrárnu a potravinársku výrobu a prispieva k pozitívnemu obrazu poľnohospodárstva.

Okrem hľadiska bezpečnosti a kvality potravín, možno z pohľadu technológie výroby a následnej logistiky sledovať zo získaných informácií aj uhlíkovú stopu výrobku. Vo vzťahu k potravinám vyjadruje uhlíková stopa množstvo emisií skleníkových plynov ktoré vznikajú pri produkcii, spracovaní a doprave, vrátane emisií vznikajúcich pri likvidácii odpadov. Uhlíková stopa býva najčastejšie meraná pomocou predpisu LCA (Life-Cycle-Assesment). Nie je tajomstvom, že mnohé potravinárske produkty na slovenskom trhu majú za sebou na trase od pôvodcu až na pulty obchodov tisíce kilometrov.  Napríklad cesnak, importovaný z Číny prekoná na ceste k európskemu/slovenskému odberateľovi než 20 000 km. Rovnako tomu rajčiny z Andalúzie ( cca 3000 km) a ďalšia zelenina z Holandska (cca 1 200 km), z Nemecka alebo z Poľska (cca 800 km), z Talianska (cca 1 500 km a z Maroka (cca 3 500 km). Pritom rovnaké druhy zeleniny pestované v rámci Slovenska majú na ceste k spotrebiteľovi len niekoľko desiatok, max. stoviek kilometrov.

Ak berieme do úvahy, že Európska únia plánuje do roku 2050 zabezpečiť uhlíkovú neutralitu, je na mieste hovoriť aj o dopadoch priamej poľnohospodárskej výroby za plnenie tohto záväzku. Scenáre pripravované na Slovensku počítajú s výrazným znížením emisií oproti súčasnosti, čo sa bude dotýkať aj poľnohospodárskej výroby.

Využívanie atribútov Poľnohospodárstva 4.0 vyžaduje dokonale pracujúce podnikové informačné systémy. Prakticky každý poľnohospodársky podnik na Slovensku využíva nejaký podnikový informačný systém (IS). Na Slovensku je niekoľko významných spoločností, ktoré vyvíjajú informačné systémy určené pre poľnohospodárstvo a zabezpečujú ich kvalitný chod. V zmysle perspektívneho využívania je potrebné aby tieto IS boli pripravené na požiadavky informatizácie a digitalizácie, plynúce z požiadaviek EÚ. Ako už bolo uvedené, v každej oblasti poľnohospodárskej výroby sú zavádzané informačné prvky. Každý takýto systém býva dodávaný aj s vlastným (firemným) užívateľským softvérom. Obavou pri ich zavádzaní býva rôznorodosť systémov, rôzna náročnosť na hardvérové vybavenie podniku, nekompatibilita súborových formátov v ktorých sú dáta archivované, finančná náročnosť na obstaranie a často aj náročnosť na školenie a zapracovanie obsluhy. Tu si treba uvedomiť, dôvody prečo zavádzať, alebo v lepšom prípade ďalej rozvíjať, využívanie IS je čisto praktický. Komplikáciou nie je IS, ale klasické riadenie výroby „len s poznámkovým zošitom“. Fungujúci systém sprístupňuje množstvo súvislostí, na ktoré si manažér rýchlo zvykne a začne ich využívať. Súčasne, bez priameho zámeru, sa automaticky  vytvára databáza informácií, z ktorej možno priebežne pripravovať analýzy, podklady pre potrebné hlásenia, či napríklad podklady k žiadostiam o dotácie a pod., resp. získané informácie môžu napomôcť zefektívňovať výrobný proces.

Práca s IS vyžaduje dôkladnosť a dôslednosť. Nepridáva manažérom ďalšiu prácu, len vyžaduje denné poznatky a fakty „zapísať“ namiesto do kalendára do IS. Takto sú dáta správne štruktúrované s väzbami na požadované výstupy. Informačné systémy vybavené na vstupoch automatickým zberom dát navyše obmedzujú nepresnosti a zabezpečujú objektívnosť informácií.

V rámci rastlinnej výroby možno ako príklad uviesť databázu, ktorá predstavuje „knihu honov“ alebo tiež „agronomický zápisník“. Na jednom mieste vo väzbe na parcelu sú v časovej následnosti vedené údaje o osevnom postupe, hnojení, chemickej ochrane, ale aj o mechanizovaných prácach, o aplikovanej závlahe či vykonaných kontrolách. Z obrovského množstva informácií potom možno pripravovať podklady na denné operatívne riadenie ale i pre strategické rozhodovanie s širším časovým dopadom. Komplexný podnikový IS v zmysle Poľnohospodárstva 4.0 má základnú databázu (pôda, plodiny, zvieratá, počasie, vstupy do výroby a pod.), databázu strojov, databázu plánovania (výroba, personalistiky, obchodné vzťahy a pod.) a rovinu riadenia. Dnes známy pod pojmom Farm Management Information System (FMIS).

Aktuálnosť vývoja a smerovania poľnohospodárstva zvýrazňujú prognózy organizácie OSN pre výživu a poľnohospodárstvo (FAO), že v roku 2050 bude mať svetová populácia 9,6 miliárd. Týchto ľudí bude treba nasýtiť a vytvoriť im udržateľné životné prostredie. Potenciálne zdroje sú obmedzené a v mnohých častiach sveta sa zmenšujú. Preto sú apelom aj výzvy na zabezpečenie udržateľnosti, na efektívne využívanie dostupných zdrojov a zabezpečenie konkurencieschopnosti vo výrobe potravín. Jedným z východísk je prijatie filozofie Poľnohospodárstva 4.0, ktoré sa začína označovať aj ako SMART Farming, teda inteligentné, prepojené (zasieťované) digitálne poľnohospodárstvo, kde je plánovanie prác podporované systémom IKT, s automatickým vytváraním a archivovaním dokumentácie a prístupom k dátam v reálnom čase. Problematiku je potrebné chápať a riešiť komplexne, vrátane technologických, sociálnych a ekonomických faktorov. Problematika je riešená v na mnohých úrovniach v rámci Výskumných ústavov, rezortných úloh alebo v rámci projektov. Za mnohé možno spomenúť aktivity európskeho projektu AKIS (Agricultural Knowledge and Innovation Systems), práce výskumných ústavov a univerzít, vrátane aktivít pracovníkov Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre.

Vývoj IS, vrátane získavania obrovského množstva informácií (dát) prináša aj ďalšie otázky, ktoré je potrebné riešiť ako napríklad akú hodnotu majú dáta z poľnohospodárstva a ako sa môžu používať , kto je vlastníkom dát, kto má k nim prístup a kto s nimi má právo narábať, ako môžu byť systémy navzájom prepojené, aké zbernice sú potrebné, ktoré musia byť prístupné, ako musia byť dáta chránené pred zneužitím a pod.

Osobitnou kapitolou Poľnohospodárstva 4.0 sú autonómne zariadenia, vykonávajúce technologické operácie bez priameho vplyvu ľudskej obsluhy. Jednou kategóriou sú roboty. Ide o autonómne sa pohybujúce stroje, ktoré sú v súčasnosti schopné vykonávať spracovanie pôdy, sejbu, plečkovanie, prihnojovanie alebo ochranu nielen na malých plochách (napr. skleníkové hospodárstvo), ale ja na voľných parcelách s väčšou výmerou. Riadenie smeru jazdy na voľných plochách využíva navigáciu podľa GNSS (GPS), no vývoj systémov napreduje aj do oblasti použiteľnej aj v miestach bez signálu GPS. Ide o inerciálnu navigáciu (metóda relatívnej lokalizácie na základe merania zrýchlenia a okamžitej rýchlosti), ďalej o odometriu (na odhad zmeny pozície v čase využíva dáta zo senzorov pohybu) alebo o rozpoznávanie značiek v známom priestore pomocou kamier a laserových skenerov. Vývojom týchto unikátnych systémov sa zaoberajú aj pracovníci Technickej fakulty SPU v Nitre.

Iné smerovanie autonómneho vykonávania prác je orientované na traktory. V tomto prípade sú známe systémy riadenia jazdy traktorov v skupine. V prvom traktore je ľudská obsluha a nasledujúca súprava (identický traktor a náradie) je bez obsluhy. Parametre jazdy sú prenášané z prvého traktora. Ďalší vývoj smeruje k využívaniu autonómnych energetických jednotiek. Na výstave Agritechnica 2019 v Hannoveri boli predstavované ako koncepcia traktorov „bez kabíny“. Ich jazda je programovo riadená s využitím celého spektra snímačov na vykonanie správnych technologických operácií, ale aj na bezpečnú a spoľahlivú jazdu.

Aplikácia robotiky a autonómnych zariadení do výrobného procesu je ďalšou súčasťou vývoja a výskumu. Do riadiacich procesov vstupujú prvky umelej inteligencie, ktoré postupne preberajú rozhodovacie právomoci za vykonané činnosti.

Napríklad na Harper Adams University vo Veľkej Británii je už 2 roky úspešne riešený projekt „The Hands Free Hectare“. Už z názvu je zrejmé, že ide o výskum náhrady ľudskej práce v čo najväčšom počte pracovných zásahov bez priameho riadenia človekom. Cieľom projektu je posúdiť možnosť použitia autonómnych navigačných systémov pracujúcich na princípe GNSS (GPS) v poľnej výrobe. Zámerom projektu je ich integrácia do existujúcich komerčných poľnohospodárskych strojov. Doteraz boli pri výrobe obilnín odskúšané stroje na prípravu pôdy, sejbu, hnojenie a zber bez riadenia človekom.

Ako už bolo spomenuté, koncepcia Poľnohospodárstva 4.0 prináša okrem veľkého technického pokroku aj vyššie nároky na obsluhu a riadenia strojov a strojových systémov. Už v súčasnosti sa ukazuje, že nesporné benefity, ktoré Poľnohospodárstvo 4.0 prináša potrebujú aj erudovaných odborníkov ovládajúcich na jednej strane poľnohospodársku problematiku, no ktorí na druhej strane budú schopní riešiť problematiku informačno - komunikačných technológií (IKT). Pre pracovné pozície v oblasti spracovania dát a riadenia výrobného procesu v poľnohospodárstve sa začína čoraz častejšie používať termín Indoor Farming.

Poľnohospodárstvo 4.0 a ako ďalej?

Pri neustálom poklese pracovných síl musí aj sektor poľnohospodárstva pristupovať k výrobe potravín racionálne. Jednou z ciest je zavádzanie špičkových technológií medzi ktoré patrí robotika s podporou umelej inteligencie. Túto vlnu začínajú odborníci definovať ako Poľnohospodárstvo 5.0.

Výrobné procesy v poľnohospodárstve sú rôznorodé s množstvom sledovaných veličín (poloha, rýchlosť, teplota, prietok a pod.). Vždy však ide o veľmi veľké objemy údajov (nazývaných BigData), ktoré je potrebné spracovať. Dnešný riadiaci pracovník očakáva primárny efekt – chce mať aktuálnu požadovanú informáciu. Poľnohospodárstvo 4.0 však poskytuje aj perspektívne využitie a nebojíme sa povedať že vízie ako so získanými informáciami nakladať.

V tejto súvislosti možno naznačiť potrebu a uplatnenie budúcich odborníkov v poľnohospodárskom sektore. Život a vývoj prinesie, možno už v krátkej budúcnosti, potrebu vytvárať nové pracovné pozície odborníkov, pracujúcich dominantne v oblasti spracovania dát či už vo výrobnej praxi, alebo v oblasti servisu a služieb. V žiadnom prípade nepôjde o umelo vytvárané pracovné miesta.

Ak si predstavíme opäť paralelu s priemyslom, kde poznáme zameranie procesný inžinier. Jeho náplňou práce je okrem iného aj analyzovanie výrobných cyklov, sledovanie a reportovanie výrobných nedostatkov a chýb, hľadanie nových postupov a riešení – všetko s cieľom znižovania strát a zvyšovania produktivity výroby. Ak je naša poľnohospodárska výroba rovnako náročná a v mnohých ohľadoch výrazne špecifická, potom je len otázka času kedy aj v tomto sektore začneme využívať zabehnuté a osvedčené postupy z iných odvetví.

Áno, možno doteraz sme nemali k dispozícii podklady a informácie. No ten čas nastal a je tu! Je logické že manažéri podnikov nebudú mať zrejme čas na samostatné analýzy. Tu bude priestor pre novú generáciu poľnohospodárskych odborníkov, ktorí budú musieť spájať IT zručnosti so vzdelaním a poznatkami z poľnohospodárskej výroby. Dá sa očakávať, že odborník dokáže z množstva analyzovaných dát extrahovať, dnes ešte nevyužívané – alebo ani nepoznané, nové poznatky a súvislosti.

Ak sme v minulosti mali zaužívané označenie agrotechnik alebo zootechnik, dnes si začíname zvykať na označenie agromechatronik, možno v krátkej budúcnosti to bude ďalšia manažérska profesia s označením podobným ako Smartfarm technik?

Obr.

Obr.: Schéma vývoja poľnohospodárskych výrobných systémov

Spracované podľa: H. Prankl, HBLFA Francisco Josephinum/ BLT Wieselburg, Österreich