Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований 11
1.1 Состояние и перспективы развития овощеводства в Российской Федерации 11
1.2 Состояние и развитие отросли овощеводства открытого грунта в Северо-Западном Федеральном Округе и Ленинградской области .13
1.3 Прогноз развития овощеводства в Российской Федерации 17
1.4 Технологии механизированного производства капусты белокочанной 19
1.4.1 Основная обработка почвы 22
1.4.2 Внесение органических удобрений 23
1.4.3 Внесение минеральных удобрений 23
1.4.4 Предпосадочная обработка почвы и посадка рассады капусты белокочанной .25
1.4.5 Уход за посадками капусты белокочанной 26
1.4.6 Механизированный технологический процесс уборки урожая капусты белокочанной 27
1.4.7 Послеуборочная обработка и хранение капусты белокочанной 28
1.5 Взаимодействие технологических процессов в технологиях производства капусты белокочанной 30
1.6 Вариантное проектирование адаптивных технологий с использованием компьютера 35
1.7 Основные выводы по главе 1 .37
1.8 Цель и задачи исследований .38
ГЛАВА 2 Теоретические предпосылки оптимизации технологических процессов .40
2.1 Оптимизации использования ресурсного обеспечения при производстве овощей 40
2.1.1 Общая структура математической модели оптимизации использования ресурсов 42
2.1.2 Структура алгоритма задачи управления ресурсным обеспечением 44
2.1.3 Анализ устойчивости оптимального решения задачи линейного программирования .45
2.1.4 Оценка устойчивости оптимального решения 46
2.1.5 Устойчивость базисного решения по ресурсным ограничениям 47
2.1.6 Алгоритм оценки эффективности использования ресурсного обеспечения 49
2.1.7 Алгоритм управления ресурсным обеспечением сельскохозяйственного производства 53
2.2 Алгоритм проектирования технологии механизированного производства капусты белокочанной 55
2.3 Модели технологии производства капусты белокочанной .58
2.3.1 Методологические вопросы разработки технологической модели производства капусты белокочанной 58
2.3.2 Математическая модель технологии в виде графа 61
2.3.3 Математическое моделирование технологических процессов, входящих в технологию механизированного производства капусты белокочанной в условиях Северо-Запада РФ 65
2.3.4 Математическое моделирование технологического процесса «Основная обработка почвы» для выращивания капусты белокочанной 67
2.4 Основные выводы по главе 2 .72
ГЛАВА 3 Разработка компьютерных программ .74
3.1 Разработка компьютерной программы по оптимизации ресурсного обеспечения в сельскохозяйственном предприятии .74
3.1.1 Исходные данные для модельной задачи .74
3.2 Реализация задачи оптимизации на компьютере .77
3.2.1 Реализация задачи линейного программирования в системе Microsoft Office Excel .77
3.3 Разработка программы проектирования технологий производства капусты белокочанной .81
3.3.1 Структура и особенности представления и обработки информации в СУБД Access 83
3.3.2 Описание программы для проектирования технологий производства капусты белокочанной 87
3.4 Основные выводы по главе 3 .95
ГЛАВА 4 Экспериментальная проверка программных разработок и оптимизация параметров технологии .97
4.1 Сбор информации по производству продукции в одном из хозяйств Ленинградской области 97
4.2 Адаптация программного обеспечения и выполнение оптимизационных расчетов для использования ресурсного обеспечения .98
4.3 Сравнительный анализ результатов расчётов и формирование рекомендаций по использованию ресурсного обеспечения 105
4.4 Апробация программы выбора оптимального состава технических средств при производстве капусты белокочанной .107
4.4.1 Особенности использования программ проектирования технологии производства капусты белокочанной 108
4.4.2 Работа с программой проектирования технологий производства капусты белокочанной .109
4.4.3 Выполнение оптимизационных расчетов 112
4.5 Выбор стратегии уборки поздних сортов капусты белокочанной по погодным условиям .115
4.5.1 Определение гидротермических коэффициентов для погодных условий Ленинградской области 116
4.6 Основные выводы по главе 4 .124
ГЛАВА 5 Оценка экономической эффективности от использования выполненных в работе разработок и обеспечение экологической безопасности окружающей среды 125
5.1 Оценка экономического эффекта от оптимизации ресурсного обеспечения 125
5.2 Оценка экономического эффекта от оптимального проектирования технологии 126
5.3 Расчет себестоимости разработки и цена программного обеспечения...127
5.4 Обеспечение экологической безопасности окружающей среды при производстве капусты белокочанной 131
5.5 Основные выводы по главе 5 .136
Основные выводы .137
Литература .
- Прогноз развития овощеводства в Российской Федерации
- Анализ устойчивости оптимального решения задачи линейного программирования
- Разработка программы проектирования технологий производства капусты белокочанной
- Сравнительный анализ результатов расчётов и формирование рекомендаций по использованию ресурсного обеспечения
Прогноз развития овощеводства в Российской Федерации
Задача основной обработки почвы – создание благоприятных условий для роста белокочанной капусты: удаление сорных растений, обеспечение почвы органическими и минеральными удобрениями, обеспечение выровненности микрорельефа поля, создание мелкокомковатой структуры почвы. Основная обработка проводится в осенний и весенний периоды.
Агротехническими требованиями капусты белокочанной к данному процессу предусмотрены следующие технологические параметры: - глубина пахотного горизонта – более 25см; - заделка растительных остатков – 100%; - поверхность пашни гладкая, без свальных и развальных борозд.
Разновидность вариантов технологического процесса оценивается соответствием их выходных параметров данным требованиям. На основе полной информации формируется наиболее рациональное решение по выполнению данного технологического процесса в конкретной ситуации.
Основная обработка почвы в данном севообороте обязательно должна предусматривать уничтожение многолетних сорных растений. Осенью, после последнего укоса трав проводится дискование поля на глубину 5-6 см. и обработка гербицидом «Рейсер» из расчета 3 кг/га. Через 2-3 недели вносятся органические удобрения с нормой 100-120 т/га при проектировании урожайности 100т/га.
Зяблевую вспашку проводят на глубину пахотного слоя через 2-3 недели после культивации. При этом, пласт почвы должен быть перевернут, раскрошен и уложен без образования пустот.
Используют плуги с полувинтовой поверхностью отвала (ПО им. Карла Маркса, г. Санкт-Петербург), а также оборотные плуги фирмы «Lemken» и «Kverneland».
После пропашных культур и однолетних трав в севообороте основная обработка почвы проводится безотвальным глубоким рыхлением (чизелеванием) на глубину не менее 35 см. После предшественника картофель проводится лущение, а затем отвальная вспашка.
В весенний период проводится ранневесенняя культивация культиваторами марок КПС-4, КШУ-6 или комбинированными агрегатами типа «Рубин 9/400У», «Смагард Ториот», «Lemken», КРГ-3,6 [37,38,59,61].
В основу ротации культур в конкретном севообороте хозяйства должно быть положено их отношение к органическому веществу. Нормы внесения органических удобрений влияют на величину урожая и на его качество. Основной вид органических удобрений на Северо-Западе России – торфонавозные компосты. Оптимальное содержание гумуса в дерново-подзолистых и серых лесных почвах зоны – 4-6% от массы почвы.
Эффективность применения минеральных удобрений возрастает при использовании их в системе севооборота комплексно с органическими удобрениями, известкованием почвы с учетом почвенного плодородия, выноса элементов питания с запланированным урожаем в конкретных почвенно-климатических условиях. В таблице 1.10 представлены рекомендованные дозы и нормы внесения органических и минеральных удобрений для дерново-подзолистых почв Северо-Запада России [38,43,59].
Расчет доз внесения определенных видов удобрений (N, P2O5, K2O кг/га в туках) на планируемый урожай проводится по формулам, предложенным в работах [38,59].
Внесение минеральных удобрений может быть осуществлено следующими способами: в разброс, локально при посадке рассады, одновременно с поливом. В Таблице 1.11 представлены комплексы технических средств для внесения минеральных удобрений [38,49,59].
Таблица 1.10 - Ориентировочные дозы органических и минеральных удобрений под капусту белокочанную на дерново-подзолистых почвах для Северо-Запада Российской Федерации Планируемаяурожайность,т/га Доза органических удобрений, т/га Доза минеральных удобрений, кг д.в./га азотные, при окультуренности почвы фосфорные, при содержании Р2О5 (в мг на 100 г почвы) калийные, при содержании К20 (в мг на 100 г почвы) хорошая средняя 20 15-20 8-15 20 10-20 10
В условиях Северо-Запада России применяют четыре варианта технологического процесса предпосадочной подготовки почвы которые представлены в таблице 1.12 [38,59].
Посадка рассады капусты белокочанной осуществляется на ровной или профилированной поверхности поля с междурядьями 70-75 см. Ранние сорта и гибриды высаживают в начале мая, средние и поздние с 10 по 25 мая.
Количество высаживаемых растений определяется сортовыми особенностями, уровнем плодородия почвы и агротехникой и составляет 35-42 тысячи штук на гектар[17,91]. Таблица 1.12 - Варианты технологий предпосадочной обработки почвы при выращивании капусты белокочанной Варианты технологическогопроцесса Технологическаяоперация Состав технических средств Технологический процессна каменистых почвах Перепашка зяби ПКМП-4-40Р, ПО-4-40, RSPO-4-40
Междурядные обработки посадок, борьба с сорной растительностью, вредителями и болезнями, полив и подкормки удобрениями выполняемые в определенной последовательности, составляют систему мероприятий по уходу за посадками капусты белокочанной, которые представлены в таблице 1.13 [59].
Для капусты белокочанной оптимальная влажность почвы 60% ППВ. Если в период посадки рассады погода засушливая, то через 4…5 дней после посадки необходимо провести послепосадочный полив нормой 100…150 м3/га и повторять его с интервалом в 10…12 дней по мере надобности. Норму полива по мере роста корневой системы растений увеличивать до 300 м3/га .
Анализ устойчивости оптимального решения задачи линейного программирования
При производстве сельскохозяйственной продукции на единицу каждого производимого объема продукции затрачиваются некоторые ресурсы. Произведенная продукция при реализации дает хозяйству некоторый доход. Получение прибыли является основной целью любого производства. Большинство хозяйств Северо-Западного региона ориентировано на определенный круг производимой продукции. На производство продукции используется производственные ресурсы: земля (пашня, (га)), трудовые (чел/ч), энергетические (электроэнергия (квтч), дизельное топливо (кг)), финансовые (тыс. руб.) и другие. Земля – это угодья для сельхозпроизводства. Трудовые ресурсы – состав механизаторов и рабочих, обеспечивающих производство. Финансовые ресурсы – затраты на выполнение производственных операций, оплата труда, топлива, затраты на аренду техники, сооружений, амортизацию основных средств, оплату химических препаратов, удобрений и другие расходы.
Производство конкурентоспособной продукции в рыночных условиях требует постоянных анализа и корректировки распределения производственных ресурсов. В основном анализ ресурсного обеспечения необходимо выполнять при изменении следующих условий, влияющих на эффективность производства: - рыночных цен на производимую продукцию; - стоимостей материалов, энергоресурсов, трудовых ресурсов, технических средств, производства; - планируемом изменении количества используемых ресурсов или модернизации технологий; - планируемом изменении количества производимой продукции. В общем виде схема взаимодействия факторов при производстве продукции представлена на рисунке 2.1.
Взаимодействие факторов с производственными показателями и получаемой прибылью или убытком описывается системой алгебраических неравенств, а задача оптимального использования ресурсов в общем виде формулируется в виде задачи математического программирования.
Овощеводческие предприятия производят для реализации на рынке овощи различного вида. В соответствии с производимой продукцией распределяются производственные ресурсы. Рыночный спрос на продукцию может существенно изменяться, что требует перераспределения производственных ресурсов, определения оптимальных объёмов производства, перестройки производственного процесса, выбора технологий, технологических процессов, технических средств.
В общем виде блок-схема управления ресурсным обеспечением и производственными процессами приведена на рисунке 2.2.
Общая структура математической модели оптимизации использования ресурсов
Математическая модель управления ресурсным обеспечением формулируется в виде задачи линейного программирования (ЛП), содержащей целевую функцию и систему ограничений. Целевая функция имеет следующий вид: , (2.1) где xi - виды реализуемой на рынке продукции; ci - стоимость i – ой реализуемой продукции; di - суммарные финансовые затраты на производство i –продукции. Следующие ограничения обеспечивают структурную устойчивость задачи: - по используемым ресурсам (земельные, трудовые, финансовые, электроэнергия, ГСМ): , (2.2) где - использование j – го ресурса на производство i –ой продукции; xi - вид производимой продукции; bj - максимальное количество j - ресурса.
Балансные ограничения: - по использованию произведенной продукции на собственные производственные нужды: , (2.3) где - затраты i – го вида продукции собственного производства, необходимые для производства k –го вида продукции; ci - стоимость i – го вида продукции; - заданный минимум объем производства по всем видам продукции: . (2.4)
Задача решается на максимизацию прибыли. Кроме решения задачи на максимальное значение прибыли могут быть реализованы так же задачи на оптимизацию по другим критериям. В качестве возможных критериев оптимизации можно использовать следующие показатели: - минимум затрат денежно- материальных затрат; - минимум использованных ресурсов (земля, финансы, энергия, труд) при максимизации прибыли;
Разработка программы проектирования технологий производства капусты белокочанной
Использование интерфейса позволяет автоматизировать ввод данных в среду задачи и выполнить анализ математической модели при различных вариантах расчётов.
Результаты решения задачи Excel помещает в отведённые ячейки. Для получения более полной информации по результатам решения можно использовать дополнительную информацию в табличном и графическом видах. Для представления дополнительной информации в задачу введены дополнительные листы ”Анализ рез.” и ”Графики” в которых разработаны программные модули для анализа и представления расчётной информации. Для получения решения представленную в Excel, в табличном виде, задачу необходимо активизировать. Для этого выполняются опции: Сервис Поиск решения. Открывается панель, рисунок 3.4 в которой заполняются поля:
На данной панели необходимо в опции ”Тип отчёта” отметить: ”Результат”, ”Устойчивость”, ”Пределы”. В результате выполнения этих опций открываются с информацией новые листы ”Отчёт по устойчивости” и ”Отчёт по пределам”. По разработанной задаче были выполнены контрольные расчёты для выявления возможных ошибок в алгоритме и программе, а также расчёты по оптимальному распределению производственных ресурсов [22,23].
Разработка программы проектирования технологий производства капусты белокочанной
Как показано ранее в главе 2, в соответствии с разработанными логическими уравнениями взаимосвязи процессов, условий, технологий, операций, технических средств появляется возможность решения оптимизационной задачи с использованием системы управления базами данных (СУБД).
Так как объемы информации в СУБД могут достигать очень больших размеров, то и задача проектирования технологий решается на большой совокупности взаимосвязанных множеств. Наиболее доступной для реализации задачи является СУБД Access, так как она входит в состав Microsoft Office и устанавливается на компьютер совместно с другими программами, входящими в Office. СУБД Access является реляционной СУБД и содержит последние достижения в области программирования, обработки и представления информации. Работа реляционных СУБД основана на логических операциях с множествами. Основные теоретические разработки реляционных СУБД выполнены Э.Ф. Коддом [39]. Им же предложены алгоритмы и методы их практической реализации. Одной из особенностей СУБД является работа с избыточной информацией, что с одной стороны требует дополнительных компьютерных ресурсов и запоминающих устройств, но учитывая большие возможности современных компьютеров, такое представление информации позволяет во взаимосвязанных таблицах и запросах иметь всю необходимую информацию по проектируемой технологии, а также организовать интерфейс, работающий в режиме диалога с пользователем.
Для работы с большими массивами информации в СУБД предусмотрено большое количество логических операций по фильтрации данных, отбору и представлению информации по различным признакам.
Учитывая особенности предоставления и обработки информации в СУБД, на рисунке 3.6 приведена логическая последовательность использования и преобразования информации при разработке программы проектирования технологии производства капусты белокочанной и получения конечного результата.
Рисунок 3.6 - Блок-схема алгоритма проектирования оптимальной технологии производства капусты белокочанной Для создания диалогового режима работы с программой, СУБД Access предоставляет большие возможности для разработки различных форм интерфейса. 1 Структура и особенности представления и обработки информации в СУБД Access.
СУБД Access является интегрированной системой, в которой представлены различные инструментальные возможности для преобразования и представления информации. Система имеет следующие основные составляющие: таблицы, запросы, формы, отчеты, макросы, программные модули, рисунок 3.7.
Таблицы предназначены для хранения всей информации по представленному объекту. Информация о таблицах представляется по смысловому принципу, например: «Сорта капусты», «Трактора», «Сельскохозяйственные машины» и др. Информация в таблицах может дополняться, удаляться и редактироваться.
В таблицах информация представлена по столбцам, которые имеют различную структуру для хранения, текстовой, цифровой, символьной информации. В столбцах также могут содержаться фрагменты текстовой информации, а также рисунки и фотографии.
Сравнительный анализ результатов расчётов и формирование рекомендаций по использованию ресурсного обеспечения
Выполненный анализ погодных условий в сентябре показывает, что с вероятностью 1,0 может быть выполнена полная уборка урожая. Поэтому выполнен расчет для условий: а12 = 1,0 и значений a22 = 0,4 – 0,8. Результаты расчетов приведены в последнем столбце таблица 4.15.
Из полученных результатов видно, что практически при любых условиях при уборке части урожая в октябре имеется выигрыш в урожайности от 23% при стратегии: сентябрь – 55%, октябрь 45%. Наибольший выигрыш 42% получается при стратегии: сентябрь – 17%, октябрь 83%.
1. Выполнен сбор данных по производству овощей в ЗАО «Победа». Представлены объёмы производства овощной продукции, трудовые и финансовые затраты, себестоимость и цена реализации, перечень технологических операций, существующий состав машино-тракторного парка.
2. Для рассматриваемого хозяйства адоптирована математическая модель и программа оптимизации использования ресурсного обеспечения. На основе выполненных расчётов, при существующих ценах на продукцию имеется возможность перераспределения ресурсов, при этом снижаются трудозатраты по статьям “механизаторы” - на 702, “рабочие” - на 597, “привлечённые рабочие” - на 744 чел/час. Расчёты показали, что объёмы производства капусты белокочанной после оптимизации не изменяются. 3. По разработанному программному обеспечению выполнен оптимизационный расчёт состава технических средств для производства капусты белокочанной. Расчёт выполнен по двум показателям: минимума трудозатрат и энергозатрат. При минимизации по энергозатратам получено снижение расхода топлива на 13,8 кг/га. При оптимизации по трудозатратам получено снижение на 2,4 чел.час/га.
4. На основании алгоритма “Теория игр” и данных о погодных условиях разработана стратегия уборки капусты белокочанной с минимальным риском возможных потерь. Установлено, что практически при любых условиях в период уборки урожая в октябре имеется выигрыш в увеличении урожая на 23% при стратегии уборки: в сентябре - 55%, а в октябре – 45%. Наибольший результат увеличения урожая 42% получается при стратегии уборки: в сентябре 17%, а в октябре 83%.
Эффективность производства овощной продукции в рыночных условиях зависит от рыночной конъюнктуры в конкретном временном интервале и от себестоимости продукции, которая, обусловлена тем, насколько успешно использованы производственные ресурсы, выбраны технологические операции и технические средства. Как показано в 4-ой главе основной экономический эффект достигается за счет оптимального использования ресурсного обеспечения и компьютерного проектирования технологии.
Использование в хозяйстве разработанных программных продуктов позволяет сократить время по выбору и анализу вариантов распределения и использования производственных ресурсов, определения объемов производства, вариантов технологий и технических средств.
Оценка экономического эффекта от оптимизации ресурсного обеспечения Основные результаты по эффективности использования ресурсов получены при расчетах в 4 –ой главе. В сгруппированном виде они представлены в таблице 5.1
Как видно из полученных результатов за счет оптимизации имеет место сокращение всех ресурсов и увеличение прибыли на 636,6 т. руб.
На 702, 2 и 744 чел/час. сокращаются потребности в механизаторах и привлеченных рабочих, на две тонны сокращается потребность в топливе.
Использование разработанного программного продукта для проектирования технологий позволяет оперативно проектировать и анализировать множество конкурирующих вариантов. При этом изменение показателей технологий зависит от множества введенных в задачу факторов, конкурирующих сельхозмашин и тракторов. В разработанном программном продукте для наполнения баз данных были использованы рекомендованные СЗНИИМЭСХ зональные технологии, сельскохозяйственные машины, трактора [58].
Сравнительные расчеты для применяемой в хозяйстве технологии и оптимальной приведены на рисунке 5.1. В оптимальной технологии снижаются на 550,2 тыс. руб. затраты на технологию, на 47 кг/га снижаются энергозатраты и на 2,3 чел.час/га - трудозатраты. Общие затраты на технологию, без учета затрат на материалы снижаются на 11,0% (приложение 5, рисунки П. 5.1, П. 5.2).
Расчет себестоимости разработки и цена программного обеспечения
Производством овощной продукции в Ленинградской области занимаются предприятия с различными формами организации производства и различными объёмами производимой продукции. Вследствие этого формы организации производства также существенно отличаются и зависят от таких факторов как площади возделывания, наличия производственных ресурсов и спроса на продукцию.
Поэтому разработка универсального программного обеспечения пригодного для использования во всех хозяйствах невозможна. Для каждого производства должны быть учтены его особенности: от разработки математической модели для оптимизации использования ресурсов до разработки и отладки конкретных компьютерных программ по проектированию и анализу технологических вариантов производства.
