[Введите текст]
ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ПРИБОРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНТРОЛЯ АГРОМЕТЕОПАРАМЕТРОВ КАК ЭТАП РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕЦИЗИОННОГО ОРОШЕНИЯ
В. Н. Щедрин, С. М. Васильев, А. А. Чураев
Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации
Аннотация
Целью работы является разработка научно обоснованного подхода к созданию прикладных программ по выбору оптимального состава приборов для оснащения агрометеорологических комплексов, применяемых в системах прецизионного земледелия при орошении дождеванием. Определен порядок расчета оптимального состава программируемого приборного обеспечения для выполнения основных функций агрометеокомплекса с учетом технологических и экономических критериев и ограничений. В процессе исследований был разработан алгоритм решения задачи оптимизации в соответствии с принципом оптимальности Беллмана, использующего условные экстремумы целевой функции. Алгоритм включает в себя четыре шага конфигурации: ввод данных по составу приборного обеспечения и выполняемым функциям, структурирование, расчет функций качества и ограничений, выбор перспективного состава приборов. В соответствии с разработанным алгоритмом приведен пример моделирования оптимального количества приборов для оснащения агрометеостанции, включающий этапы решения матрицы взаимосвязей ее функций с вариантами набора приборов. Количество приборов (комплектов приборов) для расчета - 5, единиц с набором функций всего комплекса - 7, в число которых входят: определение температуры, влажности и давления воздуха; направления и скорости ветра; испаряемости; осадков; интенсивности солнечной радиации; температуры и влажности почвы; уровня грунтовых вод. В результате исследований выработан математический инструментарий, позволяющий в настоящее время на современном уровне оптимизировать состав различного технологического оборудования с целью внедрения инновационных технологий на основе многофакторного анализа, который может использоваться для создания унифицированных программных средств в данном направлении, в том числе и для оснащения агрометеокомплексов, применяемых в системах прецизионного орошения.
Ключевые слова: агрометеокомплекс, приборное обеспечение, прецизионное земледелие, орошение, дождевание, математическое моделирование.
Abstract
The aim of this paper is to develop a scientific approach to the creation of application programs for the selection of optimal composition of instruments to equip the agro-meteorological complexes used in precision farming systems in sprinkler irrigation. The procedure for calculating the optimal composition of programmable instrumentation to perform the basic functions of agrimeteorological complex taking into account technological and economic criteria and restrictions has been determined. In the process of research an algorithm for solving the optimization problem in accordance with Bellman's optimality principle using conditional extremum of the objective function has been developed. The algorithm includes four configuration steps: entering data on the composition of the instrumentation and the functions they perform, structuring, design of quality functions and constraints, the choice of perspective instruments components. In accordance with the developed algorithm an example of modeling the optimal number of instruments for agrometeostation equipment, comprising the steps of matrix computation of relationships of its functions with the options of set of devices is given. The number of devices (sets) for design is 5, units with a set of functions of the whole complex is 7, which include: determining the temperature, humidity and air pressure; wind direction and speed; volatility; precipitation; intensity of solar radiation; temperature and soil moisture; groundwater level. As a result of research a mathematical instrumentation allowing to optimize the configuration of various technological equipment in real time at the contemporary level to introduce innovative technologies on the basis of multivariate analysis that can be used to create a standardized software in this direction, such as to equip agrometeocomplexes used in precision irrigation systems.
Keywords: agrometeocomplex, instrumentation, precision agriculture, irrigation, sprinkler irrigation, mathematical modeling.
Введение
В настоящее время наукоемкий уровень организации аграрного производства на орошаемых землях предполагает использование в оперативном режиме большого объема самой разнообразной информации. Состав и структура предоставляемых данных должны соответствовать принципам точного земледелия на орошаемых землях. Только такой подход поможет на высоком уровне реализовать растущие потребности в отечественной сельскохозяйственной продукции, сохраняя и восполняя существующий продукционный потенциал орошаемых земель.
Точное земледелие на орошаемых землях включает в себя целый комплекс технологических мероприятий, ведущим из которых является технология прецизионного орошения.
К основным контролируемым метеопараметрам при возделывании сельскохозяйственных культур относят: температуру, влажность и давление воздуха; направление и скорость ветра; испаряемость; осадки; интенсивность солнечной радиации; температуру и влажность почвы; уровень грунтовых вод. С развитием точного земледелия в нашей стране для обеспечения оптимального управления продуктивностью сельскохозяйственного растениеводства возникла необходимость в отслеживании динамических изменений в условиях вариабельности среды обитания и состояния растений, в зависимости от различных агрофизических, агрохимических, фитосанитарных и других показателей на участке поля. В этой связи актуализируется применение современных методов и дополнительных средств контроля параметров в полевых условиях. Для наблюдения за процессами, происходящими в комплексе почва - растение - атмосфера, следует измерять и регистрировать параметры приземного слоя воздуха, тепломассообмена в почве и параметры, характеризующие состояние растений [1]. беллман агрометеокомплекс прибор оптимальность
В настоящее время из известных методов измерения метеорологических параметров в сельском хозяйстве можно выделить два вида: контактные и бесконтактные (дистанционные методы).
Перспективными с практической точки зрения являются методы, основанные на принципах сенсорных технологий и дистанционных средств мониторинга, обеспечивающих снижение затрат на проведение анализа, повышение производительности и скорость обработки информации. Использование датчиков позволяет получать данные с гораздо меньшими временными и материальными затратами, чем при применении традиционных методов, когда отбираемые образцы почвы и растений анализируются в лабораторных условиях.
Основное значение данных дистанционного зондирования заключается в том, что только на их основе возможно одномоментное и оперативное получение информации, необходимой для оценки ландшафта. Существенными недостатками космических снимков являются их высокая стоимость, незначительные масштабность и разрешение, а также то, что получение космических снимков интересующей территории на конкретную дату ограничено погодными условиями.
К современным средствам контроля метеопараметров в сельском хозяйстве можно отнести мобильные приборы, агрометеокомплексы и метеостанции, укомплектованные датчиками, регистрирующими необходимые агрометеорологические параметры, а также средства мониторинга метеопараметров окружающей среды, использующие ЭВМ и GPS.
В процессе реализации эксплуатационных режимов орошения оперативное управление поливами (их корректировка с учетом изменяющихся погодных, агротехнических и других условий) во многом зависит от быстрого сбора и обработки необходимой информации при помощи соответствующих современных средств контроля метеопараметров. В связи с этим целью работы является разработка научно обоснованного подхода к созданию прикладных программ по выбору оптимального состава приборов для оснащения агрометеорологических комплексов, используемых в системах прецизионного земледелия при орошении дождеванием.
Внедрение современных инновационных технологий при осуществлении контроля агрометеопараметров на орошаемом участке представляет собой комплекс мероприятий по приобретению, развертыванию, освоению, организации эксплуатации сложной техники, соответствующий условиям жесткой конкуренции по значительному количеству критериев, которые невозможно учесть без применения математических методов оптимизации и программных средств.
Материалы и методы. При реализации поставленной цели использовался метод ветвей и границ. Данный метод содержит общий алгоритмический подход для нахождения оптимальных решений различных задач дискретной и комбинаторной оптимизации. Он является вариацией полного перебора с отсевом подмножеств допустимых решений, заведомо не содержащих оптимальных, и применяется для решения задач целочисленного программирования. Цель метода состоит в поиске экстремума функции в множестве допустимых значений переменной . Функцияи переменная могут быть произвольной природы. Для метода ветвей и границ необходимы две процедуры: ветвление и нахождение оценок (границ) [2-6].
Процедура ветвления заключается в разбиении множества допустимых значений переменной на подобласти (подмножества) меньших размеров. Процедуру можно рекурсивно применять к подобластям. Полученные подобласти образуют дерево, называемое деревом поиска или деревом ветвей и границ. Узлами этого дерева являются построенные подобласти (подмножества множества значений переменной ). Процедура нахождения оценок состоит в поиске верхних и нижних границ для решения задачи на подобласти допустимых значений переменной .
В основе метода ветвей и границ лежит следующая идея: если нижняя граница значений функции на подобласти дерева поиска больше, чем верхняя граница на какой-либо ранее просмотренной подобласти , то может быть исключена из дальнейшего рассмотрения (правило отсева). Обычно минимальную из полученных верхних оценок записывают в глобальную переменную ; любой узел дерева поиска, нижняя граница которого больше значения , может быть исключен из дальнейшего рассмотрения [7-9].
Если нижняя граница для узла дерева совпадает с верхней границей, то это значение является минимумом функции и достигается на соответствующей подобласти.
Постановка задачи. Особенностью выбора оборудования является наличие большого количества факторов, влияющих на оптимальное решение. Исходные данные разработанного программного комплекса включают структуру инновационного технологического процесса, параметры производства, технологическое оборудование, требования к его установке и эксплуатации, финансовые ограничения. Причем каждый из перечисленных факторов в зависимости от особенностей производства может быть переведен либо в критерии, либо в ограничения. Отсюда следует, что программный комплекс должен обеспечивать оптимизацию в условиях нечеткого определения области поиска и неопределенности целевой функции. Поэтому вначале необходимо установить метод оптимизации, наиболее подходящий для класса решаемых задач. Затем разработать универсальные средства приведения исходных данных к соответствию требованиям выбранного метода [10-16].
Агрометекомплекс в системе прецизионного орошения должен обладать набором следующих операций: определение температуры, влажности и давления воздуха; направления и скорости ветра; испаряемости; осадков; интенсивности солнечной радиации; температуры и влажности почвы; уровня грунтовых вод. Одной из особенностей комплекса является вариантность, которая заключается в возможности получения одного и того же результата различными способами обработки поступающих данных. Эта особенность приводит к большему разнообразию оборудования и приборов, пригодных для реализации каждой операции или контроля соответствующего параметра.
Допустим, агрометеокомплекс должен выполнять операций. Каждый прибор или комплект приборов, который может использоваться для выполнения -ой операции, имеет свои технико-экономические параметры ( = 1, …, ), где - количество параметров в унифицированной модели реализации операций прибором (комплектом приборов). Каждый параметр (набор параметров) может быть принят в качестве критерия (критериев) оптимальности и ограничений.
Обозначим целевую функцию (функцию качества) -ой операции . Для каждой -ой операции ( = 1, ..., ) необходимо найти такой состав приборов, чтобы обеспечить минимум либо максимум значения аддитивной функции качества по всем операциям технологического процесса (ТП) работы агрометеокомплекса. Функцию качества ТП можно записать как:
,(1)
где - минимум либо максимум значения функции в зависимости от того, что является лучшим;
- вектор параметров приборного обеспечения агрометеокомплекса.
В задачах оптимизации на технико-экономические параметры могут накладываться ограничения [2]. Их значения выбраны из области
: . Область зависит от технико-экономических требований и формируется совокупностью ограничений типа равенств (), неравенств , дискретности , функциональной связи .
Согласно принципу оптимальности Беллмана [3, 12-16], условные минимумы (максимумы) целевой функции (1) можно определить по следующей формуле:
(2)
Или .(3)
Математическую модель задачи можно представить в виде направленного дерева ветвей (рисунок 1).
Рисунок 1 - Дерево ветвей (вариантов) подбора оптимального состава программируемого прибора (комплекта приборов) для оснащения агрометеокомплекса
Узлами дерева ветвей являются варианты выбора прибора (комплекта приборов) для реализации одной операции. Задача выбора оптимального варианта оснащения агрометеокомплекса - это задача нахождения направления на дереве ветвей, способного обеспечить минимум или максимум функции.
Результаты и обсуждение. В результате анализа факторов, влияющих на урожайность на орошаемом участке, установлено, что наряду с выдачей поливной нормы дождевальной машиной следует использовать мобильный агрометеокомплекс, измеряющий в режиме реального времени параметров (влажность, скорость и направление ветра и др.), т. е. система обработки информации должна выполнять необходимый набор функций, полный набор которых математически можно представить следующим образом: . При этом необходимо учитывать специфику работы агрометеокомплекса в условиях работы дождевальной машины, вектор параметров приборного обеспечения агрометеокомплекса должен по (1) обладать максимальными либо минимальными значениями ().