О чем жужжат пчелы?

Теория и практика, часть 2.
(Теория и практика, часть 1: Апипульс. Разбираем на примерах как работает Система.)

То, что пчелы жужжат – известно всем. Мы это жужжание слышим, подходя к ульям или цветущим растениям, вокруг которых кружатся пчелы собирая нектар. Но то, что часть этого жужжания на низких частотах отображает реакцию пчел на то или иное событие известно не каждому.

На этот счет советскими и зарубежными учеными проведено немало исследований. Самыми известными учеными, посвятившими изучению акустики пчел множество своих научных трудов стали доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, почётный член Нью-Йоркской АН, декан факультета охотоведения и биоэкологии РГАЗУ Евгений Константинович Еськов и доктор технических наук, профессор кафедры конструирования и технологии электронно-вычислительных средств Курского технического университета (ныне Юго-Западный технический университет) Анатолий Федорович Рыбочкин.

Кто-то из пчеловодов считает результаты исследования звука пчел лженаукой, кто-то считает, что акустика пчел поможет ему в понимании поведения его подопечных и, как следствие, поможет в сохранении и приумножении его пчелиных семей.

В этой статье я попытаюсь максимально кратко описать оборудование и программное обеспечение, которое мы использовали для записи и анализа звуковых спектров пчел и на примерах покажу, как эти звуки слышим мы (можно даже послушать аудиозаписи), как их видит используемое нами оборудование и в каком виде вся эта информация предоставляется пользователям аппаратно-программного комплекса Апипульс – пчеловодам.

Для графиков, приведенных в качестве примеров в этой статье, мы использовали мультидатчик BM011 Системы комплексного мониторинга состояния пчелиных семей Апипульс. Описание датчика, принцип работы и какие параметры еще может измерять Апипульс – в конце статьи.

Многочисленные исследования ученых показывают, что у пчел есть как минимум 12 - 15 различных частот, которые они излучают движением своих крыльев и торакса в различных жизненных ситуациях:

Если представлять спектральный график звучания семьи в классическом виде, то он выглядит примерно, как на рисунке 1. По горизонтальной оси располагается спектр издаваемых частот, по вертикальной – их амплитуда. Как видно из графика, полезная область для анализа лежит в пределах от нуля до 1000 Гц, а в последующей области наблюдается либо полное отсутствие частот, либо незначительные помехи.

_{Рисунок 2. График температуры и влажности окружающей среды из приложения Апипульс}

При этом сразу можно выделить частоты, на которых пчелы занимаются выпариванием нектара и вентиляцией улья – два горба на частотах от 50 до 180 Гц растут с приходом жаркого дня. Для понимания внешней температуры на рисунке 2 представлен график температуры и влажности окружающей среды из приложения, который предоставляют пасечные весы Апипульс, расположенные под ульем.

Исследования звука пчел показывают, что в разные периоды времени суток в пчелином улье происходят разные процессы жизнедеятельности пчел. В случае, например, роения, пчелы издают разную частоту и производят звуки на определенной частоте в течение нескольких суток. Выделение этих периодов и частот позволяет предотвратить негативные последствия для пчелиной семьи.

Грубо, для практического применения, спектр частот, издаваемых пчелами, можно разделить на три блока, указанных на рисунке 3. В диапазоне частот от 0 до 600 Гц – это условно низкие, средние и высокие частоты.

_{Рисунок 3. Спектральный анализ звука пчел условно разделяется на три блока}

Так, частоты в области «низких» частот (70 - 180 Гц) говорят о том, что пчелы вентилируют воздух внутри улья (выгоняют лишнюю влагу либо охлаждают чрезмерно нагретый улей).

Диапазон «средних» частот (200 – 400 Гц) характеризует активность пчел внутри улья и их активную работу. Например, в звуковом фоне роя после заселения в новый улей диапазон частот 300 - 325 Гц является наиболее интенсивным, так как первые дни посвящены внутриульевым работам и строительству сот.

Диапазон верхних частот (400 - 550 Гц) ученые считают показателем возбуждения пчел и областью сигналов, имеющих мобилизационное значение. Наша команда называет это «роевыми настроениями». Ученые исследователи отмечают, что возрастание частот этого диапазона замечено перед выходом роя, в периоды облетов, под влиянием стимуляции, резко изменяющей функциональное состояние пчел. Звуки в диапазоне частот возбуждения имеют наибольшую интенсивность в начале дня и с течением дня стихают.

Внутри этих трех условно выделенных диапазонов, по результатам различных исследований, также есть частоты, дающие более конкретную картину о том, что в данный момент происходит с пчелами.

Так, во время танца пчелы издают звуки частотой около 200 - 300 Гц. Сигналы фуражиров звучат на частоте около 265 Гц. Отсутствие корма сдвигает пик интенсивности частоты в сторону 200 - 240 Гц.

По звукам, издаваемым безматочной семьей после введения в улей новой матки, можно сразу же определить отношение к ней пчел. Если пчелы положительно относятся к матке, то они издают звуки с интенсивными составляющими в диапазоне 165 - 200 Гц, если же у семьи отрицательно отношение к матке, то максимум спектра сдвигается в область 330 - 440 Гц.

При зимовке звуки в частотном диапазоне 240 – 250 Гц характеризуют беспокойство пчел в связи с зараженностью варроатозом. Чем сильнее поражена семья, тем дальше сдвигается пик интенсивности в область высоких частот. Неудовлетворительное состояние семьи по причине поражения клещом или какой-либо другой болезни характеризуется пиком спектра в диапазоне 260 – 320 Гц, а удовлетворительное состояние при зимовке – в районе 210 – 250 Гц.

_{Рисунок 4. Пример приложения Апипульс на экране смартфона}

Так как приведенные в этой статье графики того, как звуки пчел видит программное обеспечение облачного сервера Апипульс (синие графики в статье), показывают амплитуды частот в единицу времени, то, например, картина одних суток измерений занимает несколько страниц. Эти графики более удобны для неспешного анализа поведения пчел и написания научных работ. Для пчеловода же при удаленном контроле пасеки важно знать картину того, что происходит в течение дня или нескольких суток или даже недель, при одном взгляде на экран. Для этого программисты ООО «МВТ», производителя аппаратно-программного комплекса Апипульс, придумали графики амплитуд частот, при взгляде на которые пчеловод сможет быстро оценить ситуацию.

На экране смартфона или компьютера при выборе показа графиков частот появляется 4 горизонтальных полосы различной частоты (Рисунок 4). Чем больше амплитуда этой частоты, по отношению к другим частотам – тем толще показывается полоса, отвечающая за эту частоту. Таким образом, одним взглядом на графики можно оценить суточное или, в зависимости от масштаба выбранного периода (неделя, месяц, 6 месяцев, год), изменение амплитудно-частотного состояния пчелиной семьи.

Пока что приложение показывает 4 диапазона частот, отвечающих за вентиляцию, внутриульевые работы и медосбор, предроевое состояние, и возбуждение, но в ближайшее время будет выпущено обновление, где реализуется возможность выбора в настройках 4 из 12 частот, отвечающих за то или иное состояние семьи.

Использование мультидатчика Апипульс BM011 в различных семьях и условиях в большой мере подтверждает исследования ученых. Вот как видит система Апипульс различные состояния пчелиных семей (на некоторых графиком прямоугольником выделен момент времени):

_{Рисунок 22. Следующий час после выхода роя. Видно, что осталось совсем мало пчел, но у них сохраняются роевые настроения.}

Аудиозапись оставшейся посе выхода роя семьи

Через несколько дней после выхода первого роя датчику удалось записать пение матки.

Аудиозапись пения матки через несколько дней после выхода первого роя

В заключение хочется отметить, что по нашему мнению, для определения состояния семьи необходимо располагать хотя бы несколькими записями на протяжении нескольких часов, так как зачастую при записи возникают помехи, как например (рисунок 23 - 24), когда какая-то пчела долго находится перед микрофоном и заглушает частоты звучания всей семьи. Поэтому владельцам больших пасек не получится использовать один датчик на всю пасеку, чтобы на 5 – 10 минут помещать его в улей или перед летком (где звук отличается от внутреульевого) и идти проверять следующий улей.

_{Рисунок 24. Скриншот из приложения Апипульс с помехами от любопытной пчелы.}

Аудио запись помех

Если у вас появился интерес к системе и у Вас большая пасека в несколько десятков или сотен семей, и вы раздумываете сколько датчиков приобретать, то мы рекомендуем ориентироваться по количеству проблемных семей из опыта обслуживания пасеки, так как в этом случае можно помещать датчики в проблемные семьи на несколько дней, контролировать их состояние и проводить необходимые меры по реагированию на то или иное состояние этих семей.

_{Рисунок 25. Мультидатчик Апипульс BM011}

На рисунках 25 - 26 представлен мультидатчик BM 011 системы комплексного мониторинга состояния пчелиных семей Апипульс. Мультидатчик снабжен сенсорами температуры и влажности – параметров, по которым можно быстро определить общее состояние пчелиной семьи (этим параметрам было уделено основное внимание в предыдущей статье), акселерометром (простыми словами датчиком положения в пространстве) – помогающим выполнять охранные функции улья и аналоговым микрофоном, с помощью которого датчик регистрирует и передает в облачный сервер (через блок управления, находящийся на пасеке) звукозаписи, а точнее отрезки звука длительностью 10 секунд. По умолчанию датчик передает все записанные данные один раз в час. В случае какого-то нарушения связи между датчиком и блоком управления на пасеке, в датчике существует дополнительная энергонезависимая память для временного хранения этих записей.

Корпус мультидатчика выполнен из крепкого АБС пластика и имеет небольшие габариты – 65 мм на 55 мм и высоту 13 мм и питается от двух батареек ААА, которые обеспечивают его работу в указанном выше режиме течение всего сезона – до 10 месяцев. Габариты датчика позволяют размещать его как на рамки гнезда под или над ганемановской решеткой, так и между рамок, а две защитные сетки предохраняют отверстие, которое предназначено для лучшего получения данных пчелами, от залепления прополисом. Для того, чтобы было легко идентифицировать датчик, находящийся в улье, он снабжен полоской, длинной около 50 см, заканчивающейся QR-кодом, который считывается приложением Апипульс.

Как видно на схеме датчика, перед микрофоном создана небольшая акустическая камера, которая позволяет делать записи звука без искажений.

Датчик записывает и передает на сервер 10 секунд записи в «сыром» виде. Конечно же для сокращения объема передаваемых данных используется сжатие, но оно без потерь распаковывается на сервере. Пчелы издают звуки на низких частотах – в основном от 50 до 600 герц, поэтому сервер хоть и получает полный спектр звука, но обрабатывает частоты от 0 до 1000 герц, для того, чтобы выделить из этих частот пики, которые как раз, по результатам исследований, проведенных учеными, отвечают за то или иное поведение пчел. По методам обработки звука, которые применяются для выделения частотного спектра, можно писать отдельную статью в профильное издание по математике, поэтому углубляться в это не буду, скажу лишь, что это не только известное всем преобразование Фурье и на эти методы обработки звука, его фильтрации и выделения необходимых частот мы потратили значительное количество времени и уверены в том, что методы обработки наиболее точно представляют частотную картинку на выходе.

_{Рисунок 27. Скриншот приложения Апипульс с аудиоплеером}

Одной из функций приложения Апипульс является возможность прослушать записанный звук на смартфоне или компьютере. Эту возможность нас попросили сделать почти все пчеловоды, которые помогали нам с исследованиями при создании системы. Как выяснилось позже – это стало «фишкой» приложения, так как некоторые пользователи нашей системы, в основном пчеловоды-любители, с радостью демонстрируют знакомым как звучат их пчелы.

Как известно, пчелы пытаются заклеить прополисом любую щель или отверстие, которое есть в улье и по их мнению должно там отсутствовать. Поэтому одной из сложностей было отфильтровать скрежещущий звук заклеивающих прополисом отверстие в датчике пчел. В один из моментов пчеловод, на пасеке которого проходили испытания, сказал нам, что не стоит избавляться от этого звука, если он не мешает серверу выделять частоты, так как первый признак того, что у пчел настали роевые настроение – это то что они бросают любую работу, в том числе работу по заклеиванию отверстия в датчике. И даже если сервер ошибется и не предупредит его вовремя, то по отсутствию шкрябающего звука он сам все поймет.

Мы оставили функцию прослушивания «живого звука» без каких-либо фильтров, но в любом случае, мы уверены, что каким бы опытным не был пчеловод, компьютер сможет выделить необходимые частоты точнее. Банально – компьютер не устает к вечеру, а «ухо» компьютера в виде мультидатчика расположено внутри улья и звуку не нужно преодолевать препятствия в виде стенок улья.

Таким образом, записи звука, попадающие на сервер после обработки, представляют из себя набор данных, который можно использовать как для визуального представления для оценки пчеловодом, так (и это самое главное) их можно использовать для предсказательного моделирования поведения пчел. То-есть, при правильной разметке* этих данных система может анализировать поведение пчел и давать рекомендации пчеловоду на основе этого анализа. С учетом того, что, например, роевые настроения у пчел появляются задолго до выхода роя, то система на основе полученных данных может предсказывать выход роя и сообщать пчеловоду на какой улей стоит обратить внимание для проведения противороевых мероприятий.

*Разметка данных — это процесс структурирования и аннотации необработанных данных, чтобы сделать их понятными и пригодными для обучения моделей и алгоритмов в области машинного обучения.

Теория и практика, часть 1: Апипульс. Разбираем на примерах как работает Система.