Введение к работе
Актуальность проблемы. Практическая реализация принципов адаптивно-ландшафтного земледелия требует привлечения новейших достижений науки не только в области земледелия и экологии, но также в физике, биологии и информатике. Необходимость использования количественных методов в решении технологических задач земледелия обусловлена жесткими требованиями повышения эффективности сельскохозяйственного производства, соблюдения условий возобновляемости природных ресурсов при сохранении или улучшении состояния окружающей среды. В этой связи математические модели отдельных агромелиоративных процессов и модели управления продуктивностью агроценозов находят все более широкое применение при создании новых технологий возделывания сельскохозяйственных культур и рационального природопользования.
На современном этапе стремительное развитие информационных технологий и систем поддержки принятия решений (СППР) является основным мотивом для продвижения прикладных исследований и инновационных проектов по внедрению этих достижений науки и техники в практику сельскохозяйственного производства. Информационные технологии позволяют выявить и устранить наиболее узкие места в управлении технологическими процессами и доведении результатов научных разработок до их широкого использования в отрасли. Поэтому разработка и применение информационной технологии в управлении мелиоративными режимами сельскохозяйственного поля является актуальной задачей, открывающей новые подходы к проектированию мелиоративных объектов, разработке и реализации систем координатной мелиорации земель и регионального информационного обслуживания СППР в мелиоративном земледелии.
Цели и задачи исследования. Создать систему управления мелиоративными режимами почв на основе комплекса информационных технологий, включая математические модели, оптимизационные задачи, программные и аппаратные средства сбора, обработки и передачи информации, с целью повышения эффективности применения комплексных мелиорации и увеличения продуктивности мелиорируемых земель.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
Оценить существующие разработки в области информационных технологий для повышения адекватности и сокращения времени принятия решений по управлению мелиоративным земледелием на уровне сельскохозяйственного предприятия.
Разработать комплекс оптимизационных задач стратегического (развитие комплексных мелиорации и их ресурсное обеспечение), тактического (планирование распределения мелиорантов и удобрений) и оперативного (назначение поливов и регулирование уровня грунтовых вод) управления мелиоративными режимами для информационного и методического обеспечения СППР в мелиоративном земледелии.
Разработать обобщенную статистическую модель продуктивности агро-ценоза; выполнить идентификацию параметров по данным Мещерского филиала ВНИИГиМ и провести оценку её адекватности.
Выполнить сценарные исследования с применением информационных технологий для оптимизации мелиоративных режимов при планировании территориального размещения и развития комплексных мелиорации на уровне сельхозпредприятия, распределении мелиорантов и оперативном назначении поливов сельскохозяйственных культур.
Разработать предложения по практическому применению элементов информационной технологии для повышения эффективности сельскохозяйственного производства (на примере опытного участка «Тинки-П» ОПХ «Полково»).
Предмет, объект и методика исследований. Предметом исследований являются информационные технологии управления агротехнологическими и мелиоративными мероприятиями при выращивании сельскохозяйственных культур, динамические и статистические модели состояния почвенного покрова и продуктивности агроценозов. Объектом исследования являются системы управления мелиоративными режимами почв.
Для решения поставленных задач использован системный подход, включающий методы моделирования сложных систем, кластерный и регрессионный анализ на основе стандартных пакетов статистической обработки данных, ГИС-технологии и др. В основу исходной базы данных положены результаты натурных наблюдений, выполненных Ю.П. Добрачевым, Л.В. Кирейчевой, И.В. Беловой, СВ. Перегудовым, В.М. Яшиным, К.Н. Евсенкиным и др. на экополиго-не «Мещера» (ОПХ «Полково») в период 1995-2006 годов.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
определен комплекс информационных средств и технологий для выполнения функций, актуальных при управлении мелиоративными режимами почв, который обеспечивает решение задач стратегического, тактического и оперативного уровня путем своевременного информирования лиц, принимающих решения;
разработана многофакторная статистическая модель, описывающая влияние мелиоративного режима почвы на продуктивность агроценоза; модель применима для расчета ресурсного обеспечения, решения задач координатной мелиорации, а также для оперативного управления мелиоративными факторами при выращивании сельскохозяйственных культур;
поставлены и решены оптимизационные задачи по выбору рационального варианта мероприятий и их ресурсного обеспечения для инвестиционного проекта мелиорации земель; реализованы информационно-технологические аспекты координатной мелиорации по рациональному размещению дифференцированных доз мелиорантов и удобрений с учетом пестроты почвенного покрова; предложено информационное обеспечение оперативного управления орошением отдельного сельскохозяйственного поля для удаленного пользователя (агронома, фермера) с применением специализированного Web-сайта.
Положения, выносимые на защиту:
- концептуальная модель управления мелиоративными режимами почв в
виде комплекса оптимизационных задач различного иерархического уровня
(ресурсное обеспечение комплексных мелиорации, координатная мелиорация
земель, оперативное управление поливами) и её реализация с применением разработанных автором элементов информационных технологий;
- много факторная статистическая модель продуктивности агроценоза,
описывающая влияние мелиоративных режимов на урожайность сельскохозяй
ственных культур;
комплекс технологий и средств для информационного обеспечения координатной мелиорации почв, реализованный на примере дифференцированного распределения азотных удобрений;
структура информационного обеспечения управления водным режимом сельскохозяйственных культур (с использованием сети Интернет).
Практическая значимость. Разработанные элементы информационной технологии управления мелиоративными режимами могут быть использованы в структуре адаптивно-ландшафтного земледелия на мелиорируемых землях, системах поддержки принятия решений на предпроектной стадии разработки мероприятий комплексной мелиорации и при эксплуатации мелиорируемых земель.
Структурная модель сетевого информационного обеспечения управления поливами может быть использована специалистами хозяйств, что позволит принимать своевременные и рациональные решения по использованию орошения для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Апробации результатов исследований. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы были доложены на секциях Ученого Совета ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии в 2001-2004 годах, на международных научно-практических конференциях «Наукоемкие технологии в мелиорации» и «Инновационные технологии в мелиорации» (Костяковские чтения) (Москва, ВНИИГиМ, 2005, 2011), на ежегодных научно-практических конференциях в Московском Государственном Университете Природообустройства (Москва, МГУП, 2003, 2004). Результаты работы также докладывались в Центральном Доме Ученых 17 января 2005 года. Исследования выполнялись в рамках заданий РАСХН - 12.01.02 «Разработать теоретические основы экологического равновесия и динамической устойчивости процессов энерго-, массообме-на в мелиорируемом агроландшафте» (2001-2005 гг.) и 03.01.04 «Разработать методологию прогнозирования и технологии управления продукционным потенциалом мелиорируемых агроландшафтов различных регионов Российской Федерации» (2006-2010 гг.), а также проектов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) - 09-05-13524-офиц и 11-05-00629-а.
По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ общим объемом 3,6 п.л., в том числе 3 публикации в журналах по Перечню ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 156 работ, в том числе 28 зарубежных, изложена на 150 страницах машинописного текста, иллюстрирована 23 рисунками и содержит 17 таблиц.
Благодарности. Приношу мою искреннюю признательность и благодарность моему первому научному руководителю д.т.н., профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.Е. Райнину, а также д.т.н. Ю.П. Добрачеву и к.т.н. Г.Н. Виноградовой за научные консультации и ценные предложения при подготовке
диссертационной работы. Выражаю глубокую признательность к.т.н. К.Н. Ев-сенкину и Г.С. Пегливаняну за помощь в проведении исследований.
