Содержание к диссертации
Введение
Глава. 1. Современное состояние проблемы планирования агротехнологического процесса и постановка задач исследования 9
1.1. Особенности управления агротехнологическим процессом в био-производственной системе 9
1.2.Структурирование управления агротехнологическим процессом 14
1.3. Анализ методов, моделей и инструментальных средств планирования агротехнологического процесса 19
1.4. Постановка задач исследования 24
Выводы 25
Глава 2. Системный анализ задач планирования агротехнологического процесса 28
2.1. Многоуровневая модель интеллектуального управления агротехнологическим процессом в био-производственной системе 28
2.2. Концептуальная модель неоднородной задачи планирования агротехнологического процесса 32
2.3. Редукция и декомпозиция неоднородной задачи планирования агротехнологического процесса 34
Выводы 37
Глава 3. Синтез метода решения неоднородной задачи планирования агротехнологического процесса 39
3.1. Модель взаимодействия неоднородной задачи планирования агротехнологического процесса и методов моделирования 39
3.2. Модельный базис решения неоднородной задачи планирования агротехнологического процесса 42
3.3. Интегрированные модели агротехнологического процесса 67
Выводы 69
Глава 4. Методика неоднородного моделирования агротехнологического процесса 71
4.1. Методики моделирования агротехнологического процесса в модельном базисе 71
4.2. Структура и содержание неоднородного моделирования агротехнологического процесса 87
4.3. Исследование свойств и преимуществ неоднородного моделирования агротехнологического процесса 90
Выводы 92
Глава 5. Разработка инструментальных средств и экспериментальные исследования неоднородного моделирования и интеллектуального управления агротехнологическим процессом 93
5.1. Пакет программ «Система неоднородного моделирования и интеллектуального управления агротехнологическим процессом» 93
5.2. Цели и задачи опытной эксплуатации 101
5.3. Результаты опытной эксплуатации 102
Выводы 109
Заключение 111
Литература 117
Приложение 1 129
Приложение 2 142
- Особенности управления агротехнологическим процессом в био-производственной системе
- Многоуровневая модель интеллектуального управления агротехнологическим процессом в био-производственной системе
- Модель взаимодействия неоднородной задачи планирования агротехнологического процесса и методов моделирования
- Методики моделирования агротехнологического процесса в модельном базисе
Введение к работе
Переход агросектора на рыночные отношения осуществляется в усло
виях острой конкуренции с зарубежными производителями, а также низкими
доходами в сравнении с возможными. По оценкам экспертов урожаи озимой
пшеницы, ржи и ярового ячменя в Калининградской области в 2-2,5 раза ни
же, чем в аналогичных по климату Западной Европе и Балтии. Получение
максимальной прибыли от растениеводства в этих регионах достигается
внедрением новой техники и технологий, высокоурожайных сортов, синте
тических регуляторов роста, средств защиты растений и т.д., а также совер
шенствованием планирования агротехнологического процесса на основе
компьютерного моделирования агроэкосистем. ' v
Для обработки информации и управления производством продукции в растениеводстве Российскими учеными разработаны экономико-математические модели продуктивности посевов, формирования урожаев и т.д. Значительный вклад в моделирование агроэкосистем внесли известные ученые-агробиологи Н.Ф. Бондаренко, А.Н. Полевой, В.И. Панасин и др., а также кибернетики Н.Н. Моисеев, A.M. Петровский, Г.С. Поспелов и др.
Существующие методы, модели и инструментарии математического моделирования планирования агротехнологического процесса в сельском хозяйстве ориентированы, в основном, на учет зональных, а также региональных закономерностей роста, развития культур, формирования урожаев и успешно используются в научных исследованиях, хотя-и имеют огромный потенциал для практики.
В практике же планирования агротехнологического процесса для получения максимальной прибыли в растениеводстве, по-прежнему огромную роль играют знания специалистов о специфике уникальной системы "растение-воздух-почва" и, что особенно важно, конкретного поля, а также участка поля агрофирмы.
Коррекция фундаментальных, региональных математических моделей агроэкосистем эвристическими знаниями земледельцев - одна из проблем организации интеллектуального управления производством продукции в растениеводстве. Важность исследования этой проблемы обусловлена необходимостью разработки методов и программно-технических средств: системного анализа задачи планирования агротехнологического процесса, создания модельного базиса и интегрированных моделей ее решений, а также инженерных методик и инструментариев моделирования для интеллектуального управления био-производства.
Таким образом, цель - системный анализ задачи планирования агротехнологического процесса, создание автономных и интегрированных моделей, а также инженерных методик и инструментальных средств ее решения и экспериментальная проверка предложенного аппарата на примере конкретной био-производственной системы (БПС).
Для достижения цели диссертационного исследования были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Исследованы особенности планирования агротехнологического про
цесса в БПС.
Разработана многоуровневая модель интеллектуального управления агротехнологическим процессом в БПС.
Проведен системный анализ задачи планирования агротехнологического процесса.
Разработан модельный базис и интегрированные модели решения задачи планирования агротехнологического процесса.
Создана методика моделирования агротехнологического процесса.
6. Разработан пакет программ моделирования и интеллектуального
управления агротехнологическим процессом и оценена в ходе опытной экс
плуатации эффективность его использования для решения реальных задач
управления агротехнологическим процессом в конкретной БПС.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе рассматриваются особенности управления агротехноло-гическим процессом в БПС, приводится анализ методов, моделей и инструментальных средств планирования агротехнологического процесса, формулируются проблемы, которые и исследуются в последующих главах диссертации.
Во второй главе строится многоуровневая модель интеллектуального управления агротехнологическим процессом в БПС, разрабатывается и исследуется концептуальная модель и рассматриваются вопросы редукции и декомпозиции неоднородной задачи планирования агротехпроцесса.
В третьей главе дается модель взаимодействия интегрированной модели агротехнологического процесса и задачи планирования, описывается модельный базис ее решения, приводятся и исследуются интегрированные модели агротехпроцесса, рассматривается алгоритм синтеза метода решения задачи планирования.
В четвертой главе дается анализ методик моделирования агротехпроцесса в модельном базисе, рассматриваются содержание, свойства и преимущества неоднородного моделирования агротехнологического процесса.
Пятая глава содержит результаты опытной эксплуатации и экспериментальной проверки разработанных методических и программных средств неоднородного моделирования и интеллектуального управления агротехнологическим процессом. Здесь рассматривается пакет программ «Система неоднородного моделирования и интеллектуального управления агротехнологическим процессом - СНМИ УАП», приводятся результаты экспериментальной проверки разработанных средств неоднородного моделирования аг-ротехпроцессом в условиях хозяйств Калининградской области.
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных научных и научно-технических конференциях: «Международной
7 конференции по мягким вычислениям и измерениям, SCM 98» (Санкт-Петербург, 1998); «Organizational structures, management, simulation of business sector and systems, IFORS SPC 8» (Каунас, 1998); «Международной конференции посвященной 40 - летию пребывания КГТУ на Калининградской земле и 8 5-летию высшего рыбохозяйственного образования в России» (Калининград, 1999); «Mathematical Modeling and Analysis, 4th International Conference MMA99» (Вильнюс, 1999); «Международной научной конференции посвященной 70-летию основания Калининградского государственного технического университета» (Калининград, 2000); на научно-методических семинарах: кафедры интеллектуальных технологий в проектировании Санкт-Петербургского государственного технического университета (Сацкт-Петербург, 2000); кафедры систем управления и вычислительной техники Калининградского государственного технического университета (Калининград, 1998, 1999, 2000, 2001); Санкт-Петербургского отделения Российской ассоциации искусственного интеллекта (Санкт-Петербург, 1999); Калининградского отделения Российской ассоциации искусственного интеллекта (Калининград, 2001).
Работа над диссертацией выполнялась в рамках научно-исследовательских проектов: «Система поддержки принятия решений по возделыванию озимой пшеницы в условиях Калининградской области» (разработчик Калининградское отделение международной академии информатизации); «Система неоднородного моделирования и интеллектуального управления агротехнологическим процессом в условиях Калининградской области» (разработчики Калининградский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и Калининградский государственный технический университет).
Работа поддержана специальной стипендией Правительства Российской Федерации № 662 от 28 июля 1999 г.
Разработанные инженерные методики и пакет программ СНМИ УАП с осени 1999 г внедрены в с/х предприятиях Калининградской области на пло-
8 щади свыше 2 000 гектар и позволили: снизить ошибки в прогнозах значений урожайности с/х культур (по годичному циклу с/х производства); сократить простои рабочих по организационным причинам, а также техники и оборудования; снизить расход материальных ресурсов: горюче-смазочных материалов, удобрений, семян и т.д.; получить дополнительную прибыль; сократить затраты труда на подготовку технологической документации.
Особенности управления агротехнологическим процессом в био-производственной системе
При исследовании особенностей управления агротехнологическим процессом будем использовать следующие определения.
Агроэкосистема - экосистема сельскохозяйственного поля (от греч. слова «агро» - поле), на котором произрастают культурные растения, обитают другие виды растений, а также животные и происходит сложная цепь физических, физико-химических трансформаций энергии и веществ.
Агротехническое мероприятие - управляющее воздействие со стороны человека на агроэкосистему, поддерживающее ее специализацию и не дающее системе перейти в состояние устойчивого равновесия, при котором преобладающими оказались бы дикие виды растительности, бесполезные для человека. Агротехнология - последовательность агротехнических мероприятий, проводимых на сельскохозяйственном поле, начиная от подготовки почвы и семян к посеву и кончая уборкой и послеуборочной «подработкой» урожая. Технологическая операция - упорядоченная совокупность действий субъектов труда, направленная на выполнение агротехнического мероприятия на возделывание с/х культур. Технологическим процессом Pg на интервале (tH,tk), где tH tk будем называть конечную последовательность технологических операций хт еХтех, связанных временным отношением «быть позже» (rj3) и направленную на выполнение агротехнического мероприятия хр еХагр: где: g- номер Pg, соответствующий g агротехническому мероприятию; т номер операции, выполняемой в ходеРг; i„,tk - моменты соответственно начала и окончания операции, /н tk. Очевидно, что момент t Hl начала первой операции xgX совпадает с моментом /„ начала Pg, а момент гы завершения последней операции хт определяет момент tk окончания Pg, т.е. Пример последовательности операций составляющих технологический процесс агротехнического мероприятия «подготовка семян к посеву» : «погрузка препаратов - доставка препаратов - погрузка семян - доставка семян -заправка агрегатов - протравливание». На технологическом процессе (следовательно, и на его результатах) сказывается влияние возмущающих факторов Е, проявляющихся в случайные моменты времени r(t) и вызывающих отклонения фактических значений агротехнологического процесса от планируемых. Таким образом, g- й технологический процесс на интервале (t„,tk), состоящий из конечной последовательности технологических операций направленных на выполнение агротехнического мероприятия xgp в условиях действия возмущающих факторов Е может быть представлен в виде: Под агротехнологическим процессом Ра на уровне отдельного с/х поля (агроэкосистемы) на интервале \t0,tx) понимается совокупность взаимосвязанных и регламентированных по времени и месту агротехнических мероприятий х р єХагр, выполняющих преобразование состояний агроэкосистемы S в условиях действия на нее возмущающих факторов Е: Управление агротехнологическим процессом проходит в БПС [32], под которой понимается сложная система, включающая агротехнические, инже 11 нерные и экономические элементы хозяйственной деятельности с/х предприятия, обусловленной использованием земли как главного средства труда в сельском хозяйстве, с биологическими, экологическими и другими природными процессами. Для системного анализа био-производство стратифицировано [44] по сложившимся уровням управления агротехпроцессом (рис. 1.1): планово-экономическому, инженерному и агрономическому, - на которых решение задач осуществляется следующими службами управления с/х предприятия: агрономической в части формирования агротехнологий, прогнозирования урожайности с/х культур и организации работ; инженерной в части механизации процессов производства; планово-экономической в части экономического обоснования процессов производства. В роли основного управляющего органа системы управления Р" в общем случае выступает агрономическая служба с/х предприятия. В качестве объекта управления будем рассматривать подразделения, реализующие технологические операции возделывания с/х культур силами бригад механизаторов и рабочих (субъекты труда) с помощью средств механизации производства продукции растениеводства (с/х машин и агрегатов, транспортных средств и т.д.).
Возмущающее действие на обьект управления могут оказывать, например, неблагоприятные метеоусловия, колебания производительности труда рабочих и т.д. Управляющий орган (агрономическая служба) принимает от службы управления планово-экономической деятельностью с/х предприятия целевые установки и директивные указания (цели - Z), а передает в нее учетные и аналитические сведения о ходе агротехпроцесса.
Многоуровневая модель интеллектуального управления агротехнологическим процессом в био-производственной системе
Управление агротехнологическим процессом проходит в биопроизводственной системе, под которой понимается сложная система, включающая агротехнические, инженерные и экономические элементы хозяйственной деятельности с/х предприятия, обусловленной использованием земли как главного средства труда в сельском хозяйстве, с биологическими, экологическими и другими природными процессами.
Исследования показали, что планирование и прогнозирование - важнейшие взаимосвязанные фазы управления (ошибки в рамках данных фаз могут привести к банкротству отрасли в рамках данного хозяйства), а планирование агротехнологического процесса сложная задача, включающая множество подзадач наследующих свойства фаз управления.
Приведенный анализ методов, моделей и алгоритмов решения задачи планирования показал, что на сегодняшний день нет методов, методик и ин-струментарных средств комплексного, т.е. взаимоувязанного, итерационного решения подзадач, входящих в состав задачи планирования.
Как показали наблюдения в конкретных БПС задача планирования решается в ходе коллективной деятельности в системе интеллектуального управления когда ЛПР принимает решения, опираясь на все имеющиеся у него и доступные его интеллекту формализованные и не формализованные разнородные знания (в том числе знания других специалистов - экспертов), что приводит к необходимости использовать средства вычислительной техники и современные информационные технологии. Разнородность знаний выражается в необходимости представления и манипулирования различными по природе знаниями: аналитическими формулами, статистикой, эвристиками, что, в свою очередь, требует от разработчика при автоматизации решения задачи планирования выхода за рамки отдельных методов моделирования.
Существующие методы, модели и инструментарии математического моделирования планирования агротехпроцесса ориентированы, в основном, на учет зональных, а также региональных закономерностей роста, развития культур, формирования урожаев и успешно используются в научных исследованиях, хотя и имеют огромный потенциал для практики. В практике планирования агротехпроцесса для получения максимальной прибыли в растениеводстве, по-прежнему огромную роль играют знания специалистов о специфики конкретной системы "растение-воздух-почва" и, что особенно важно, конкретного поля, а также участка поля агрофирмы. Совместное применение фундаментальных, региональных математических моделей агроэко-систем и эвристических знаний земледельцев, открывает перспективу практической полезности математического моделирования для планирования аг- ротехпроцесса и снижения ошибки прогнозирования урожаев и технико-экономических показателей производства.
Для решения задачи планирования значимы различные виды формализованных, региональных и неформализованных уникальных знаний. Такое решение не может быть поддержано известными инструментариями моделирования отдельных подзадач и требует качественно новых, интегрированных подходов, технологий и инструментариев. Все это указывает на необходимость более детального изучения свойств, состава и структуры задачи планирования на основе последних достижений системного анализа и синтеза метода решений неоднородных задач..
Модель взаимодействия неоднородной задачи планирования агротехнологического процесса и методов моделирования
Для решения задачи синтеза метода решения задачи планирования предлагается следующая методика. Синтез осуществляется над модельным базисом, построенным в соответствии с табл. 2.2, включающим в свой состав 27-ть автономных моделей описание которых приведено в разделе 3.2. Модельный базис охватывает возделывание четырех культур - озимой пшеницы и ржи, ярового ячменя, а также картофеля, и включает три группы моделей: аналитические математические модели, модели основанные на продукционных базах знаний и статические обучаемые модели, а также модель формирования агротехнологий. В соответствии с методикой, представленной на рис. 3.1, в процессе диалога с ЭВМ, синтезируется структура ИМ агротехпроцесса, которая рассматривается как метод решения задачи планирования.
Выбор и анализ варианта декомпозиции задачи планирования. На данном этапе выбирается вариант декомпозиции задачи планирования ив соответствии с моделями (2.9) и (2.10) рассматривается: структура на множестве однородных задач (ои2) соответствующей выбранному ж"т; классификатор Kh и спецификаторы Oh = о,\...,о однородных задач ячт, а также при необходимости (штрих пунктирная линия от этапа 4 к этапу 1) их коррекция.
Анализ модельного базиса. Анализируются о\, о . Проводится анализ эвристических знаний земледельцев (достоверность, возможности формали 41 зации и т.д., и исследуются особенности аналитических моделей модельного базиса, а также возможности их коррекции эвристическими знаниями земледельцев.
Подбор автономных моделей из модельного базиса: Анализируются о\, о\. В соответствии с моделью взаимодействия однородных задач и автономных моделей (3.1) осуществляется подбор автономных моделей из модельного базиса. При этом учитываются как возможности обьединения математического описание механизмов физиологических процессов, энерго- и мас-сообмена в среде обитания растений и агроэкологических связей с эвристическими знаниями земледельцев, так и трудности при реализации моделей, проверенность моделей, точность результатов и т.д.
Построение интегрированной модели. Анализируются о\, о\. В рамках данного этапа в соответствии с моделью взаимодействия неоднородной задачи планирования и ИМ агротехпроцесса (3.2) проводится: коррекция топологической и аналитической структуры (см. раздел 3:3), а также идентификация эмпирических коэффициентов аналитических моделей с учетом особенностей конкретной системы "растение - воздух - почва" того или иного региона; формирование обучающих последовательностей; уточнение баз знаний и механизмов вывода эвристических моделей; коррекция модели формирования агротехнологий.
Разработка модели ограничений. На этом этапе разрабатывается модель, основанная на продукционных базах знаний, ограничений на использование ИМ при моделировании агротехпроцесса в зависимости от почвенно-климатических ситуаций, складывающихся в процессе возделывания с\х культур.
. Создание ИМ био-производства сложный, наукоемкий процесс в котором большую роль играют интуиция, знания и искусство разработчиков. Рассмотренные во второй и третьей главе диссертации модели, методы и алгоритмы системного анализа и синтеза метода решения задачи планирования агротехпроцесса позволяют структурировать этот процесс таким образом, чтобы максимально используя ЭВМ и системы с базами данных и знаний оказывать разработчикам необходимую помощь. В следующем разделе рассмотрен модельный базис задачи планирования.
Модельный базис для решения задачи планирования непрерывно развивается, в него включаются новые модели. В настоящее время оно насчитывает 27-ть моделей, краткое описание которых приведено в табл. 3.1. Модельный базис охватывает возделывание четырех культур - озимой пшеницы, озимой ржи, ярового ячменя и картофеля. Рассмотрим модельный базис подробно.
Систему "растение - почва - воздух" в силу ее особенностей и специфических свойств следует отнести к диффузным системам, где имеет место сложный, многоплановый и разнохарактерный комплекс связей между отдельными звеньями, наличие многосторонних и притом весьма сложных, в частности, нелинейных связей как между параметрами растений и окружающих двух сред их обитания, так и между характеристиками почвы и воздуха, между свойствами отдельных растений и различных органов одного и того же растения. Модельный базис построен на известных аналитических моделях Полевого [49], Монси и Саэки [48], Галямина [14], Антоненко [5], Сивкова [61] и др. В основу этих моделей положено математическое описание механизмов физиологических процессов, энерго- и массообмена в среде обитания растений и агроэкологических связей.
Методики моделирования агротехнологического процесса в модельном базисе
Моделирование всех аспектов агроэкосистемы эквивалентно построению ее изоморфной модели - задача, не менее сложная чем исследование самой системы- оригинала. В то же время во многих случаях (например, различные почвенно-климатические условия возделывания с\х культур, и т.д.) интерес имеют специальные аспекты агроэкосистем. При определении цели моделирования эти аспекты должны быть по возможности четко и явно сформулированы, т. е. должны быть указаны те черты состава, структуры и функционирования, которые будут сохраняться при отображении системы-оригинала (агроэкосистемы) на математическую модель. Описание этого отображения в большинстве случаев дается в словесной форме. Широкое применение имеют также графические способы - схемы, диаграмма, рисунки.
Второй этап - общая характеристика системы - оригинала и спецификация внешних и внутренних связей. Исходя из сформулированной цели моделирования, на этом этапе определяются границы системы, оригинала, уточняется список ее внутренних элементов и непосредственно воздействующих на них элементов окружающей среды.
Третий этап - идентификация структуры модели. Под структурой математической модели агроэкосистемы - понимается совокупность математических отношений, которые связывают внешние и внутренние переменные модели. Различают топологический (качественный) и аналитический (количественный) аспекты структуры математической модели агроэкосистем [16]. Топологическая структура описывает только наличие или отсутствие связи между переменными модели. Аналитическая структура характеризует аналитическую форму математических отношений между переменными модели, т. е. конкретный аналитический вид зависимости между переменными. Например, утверждение, что переменные xi,x2,y связаны связью R(xi,x2,y)B рамках, например, биологической модели насекомого, которое питается биомассой растения и в процессе прогрызает отверстия в листьях, без указания аналитической формы этой связи, характеризует топологический аспект структуры, а утверждение, что эта связь аналитически описывается уравнением Ф(х\,х2,у) = 0, где: Ф(.,.,.)- некоторое конкретное аналитическое выражение, раскрывает аналитический аспект структуры модели.
Четвертый этап - синтез целостной модели. Задача этого этапа состоит в том, чтобы на основе материалов об отдельных взаимосвязях между переменными модели, полученных на предшествующих этапах, построить целостную математическую модель, которая будет имитировать поведение системы-оригинала под влиянием внешних факторов и присущих ей внутренних закономерностей.
Пятый этап - исследование модели. В рамках данного этапа проводятся исследования модели с целью определения ее возможностей, границ ее адекватности и особенностей поведения при различных (в частности экстремальных) значений входных воздействий. Исследование состоит в установлении зависимости решений получаемых с помощью модели от: начальных условий; эмпирических коэффициентов; входных воздействий и т.д. Для решения этих задач, в области математического моделирования агроэкосистем используются соответствующие методы, подробно представленные в [16].
Чрезвычайная сложность агроэкосистем, неполнота знаний по биофизике и физиологии растений не позволяют адекватно моделировать ряд существенных с точки зрения с\х практики аспектов агроэкосистем (например, структурных характеристик посева (густота стояния растений, продуктивная кустистость и т.д.). Разработчики вынуждены или совсем не учитывать в моделях или учитывать слишком поверхностно. Такая сложность и объясняет учет в разрабатываемых математических моделях агроэкосистем в основном, зональных, а также региональных закономерностей роста, развития культур, формирования урожаев и т.д. В связи с этим огромную значимость в системе интеллектуального управления агротехпроцессом имеют неформализованные знания специалистов-земледельцев о специфики конкретной системы "растение-воздух-почва" и, что особенно важно, конкретного поля, а также участка поля агрофирмы с учетом комплексного, взаимоувязанного решения подзадач, входящих в состав задачи планирования, что требует соответствующих методов (методик) формализации таких знаний, рассмотренных в следующих разделах.
Моделирование агротехнологического процесса с использованием ЭС имеет существенные отличия от создания обычного программного продукта. Опыт разработки ранних ЭС показал, что использование методики, принятой в традиционном программировании, либо чрезмерно затягивает процесс создания ЭС, либо вообще приводит к отрицательному результату. Дело в том, что неформализованность задач, решаемых с помощью ЭС, отсутствие завершенной теории ЭС приводят к необходимости модифицировать принципы и способы построения ЭС в ходе процесса проектирования по мере того, как увеличиваются знания разработчиков о проблемной области. Поэтому при разработке ЭС используется так называемый принцип "быстрого прототипа". Суть этого подхода состоит в том, что разработчики не пытаются сразу построить законченный конечный продукт, а создают прототип ЭС с ограниченной базой знаний, не оптимизированной производительностью, не разработанным интерфейсом пользователя. Затем этот демонстрационный прототип последовательно проходит несколько стадий своего развития, превращаясь в промышленную ЭС.
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")
