Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ПРОГРАММНО - ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ АГРОПРИЁМОВ В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ПРОГРАММНО - ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ АГРОПРИЁМОВ В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ"

ЯКУШЕВ Вячеслав Викторович

ПРОГРАММНО - ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ АГРОПРИЁМОВ В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Специальность 06.01.03 — «агропочво ведение, агрофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург - 2005

Работа выполнена в ГНУ ордена Трудового Красного Знамени Агрофизическом научно-исследовательском институте Россельхоэакадемни

Научный руководитель:

Доктор технических наук Михайленко Илья Михайлович

Офццн^дьные оппоненты:

Заслуженный деятель по науке и технике РФ, доктор технических наук, профессор Лискер Иосиф Семёнович

Доктор технических наук, профессор Михалев Михаил Андреевич

Ведущая организация:

Всероссийский институт механизации Россельхозакадемни (г. Москва)

Защита диссертации состоится «29» нюня 2005г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 006.001.01 & Агрофизическом научно-исследовательском институте по адресу; 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить по адресу:

195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14, АФИ

Автореферат разослан «27» мая 2005 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета

Архипов М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Исследования по точному земледелию в мире развертываются весьма интенсивно, начиная с 90-х годов ХХ-го столетия. Во многих странах налажено широкое производство сельскохозяйственной техники для работы по этой технологии.

В будущем решающую роль в процессе развития точного земледелия будут играть исследования по совершенствованию информационного обеспечения методов принятия решений - баз данных и баз знаний, моделей, экспертных систем. Поэтому центр тяжести исследований и разработок переместился в настоящее время в область комплексирования измерительной информации, получаемой из различных источников, в том числе и с помощью современных мобильных систем, создания новых и адаптации имеющихся прогностических моделей продукционного процесса и состояния среды обитания, а также совершенствования методов выработки управленческих решений на основе моделей, баз данных и баз знаний.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы является разработка алгоритмического, программного и технического обеспечения по совершенствованию формирования и реализации баз знаний и данных как составной части информационного обеспечения технологии точного земледелия с одновременной адаптацией и апробацией технических комплексов по внесению удобрений и агрохими-катов.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. разработать концепцию совершенствования информационного обеспечения баз знаний и данных в рамках программно-аппаратного ком-

плекса по информационно-измерительному ооеспеченйю,' генерации и

7 ЦНБ МСХА фонд научной литературе

реализации технологии точного земледелия;

2. развить понятийный аппарат представления процедурных знаний: разработать программный интерфейс, реализующий управление и обмен данными с подключаемыми математическими моделями, а также разработать требования по их программной реализации;

3. создать мобильный комплекс для дискретного агрохимического обследования опытных полей с геоинформационным и навигационным обеспечением, разработать методику обследования и провести обследование опытного поля;

4. разработать схему реализации вычислительного эксперимента на опытных полях по апробации агроприёмов по внесению минеральных удобрений и агрохимикатов по технологии точного земледелия;

5. скомплектовать и настроить робототехиические комплексы по внесению удобрений и агрохимикатов по технологии точного земледелия в плановом и оперативном режимах; провести натурные испытания. Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования в сельском хозяйстве; инженерии знаний; теории систем и системного анализа; программирования на ЭВМ.

Научная новизна заключается в том, что впервые в РФ разработаны и адаптированы программно-технические средства информационного обеспечения и реализации агроприёмов дифференцированного внесения минеральных удобрений и агрохимикатов по технологии точного земледелия.

Предложенные программно-технические средства обеспечивают, формирование баз данных и знаний путём автоматизации управления процессом подключения внешних модулей (математических моделей) к блоку выработки адаптивной агрсгтехнологии и современного наполнения (с помощью мобильного комплекса) пространственно- атрибутивной агрохимической информацией базы данных.

Теоретическая и практическая значимость работы

Традиционные технологии по расчёту и внесению минеральных удобрений и агрох ими катов, базируются на «уравнительных» принципах, без учёта пространственной и временной изменчивости агрохимических и агрофизических свойств почв. Это не позволяет эффективно решать острейшие проблемы АПК РФ — устойчивый рост производства, ресурсоэкономичность и природоохранное^. Использование предложенных программно-аппаратных средств позволит избежать негативных воздействий на агроэкосистемы и получеть не только более высокую продуктивность, но и существенно снизить расход минеральных удобрений и агрохимикатов.

Апробация работы

Диссертационная работа выполнялась в рамках проводимых Агрофизическим институтом исследований: разработка программного комплекса «Компьютерная система генерации и реализации технологических решений в точном земледелии» в соответствии с распоряжением Минпромнауки России Xs04.900.43/078 от 15.04.2003; в ходе научно-исследовательских работ по контрактам с Министерством сельского хозяйства РФ «Провести исследования и создать комплекс программ по генерации адаптивных агротехноло-гий»; а также по базовой научно-технической программе «Разработать теоретические основы и методы экологически адаптивного управления агрофизическими свойствами почв и состоянием растений для повышения продуктивности и устойчивости агроэкосистем в ландшафтном земледелии» (20012005 г.г., регистрационный номер 01.200.111104).

Основные результаты исследований рассматривались и были одобрены на заседаниях Учёного Совета Агрофизического института, проводимых в 2002-2003 г.г. в рамках отчётных сессий коллектива за эти годы.

Результаты работы докладывались и осуждались также на следующих научных и научно-технических конференциях: «12-ая Международная конференция и выставка по механизации полевых экспериментов», 1АМРЕЕ-

2004 {Санкт-Петербург, 2004); «Информационные технологии, измерительные информационные системы и приборы в исследовании селскохозяйствен-ных процессов. АГРОИНФ02003» (Новосибирск, 2003); «Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, 5СМ*2002» (Санкт-Петербург, 2002); «1-ая Международная научная конференция «Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия» (Ставрополь, 2001).

Разработанные программно-технические средства апробированы на Меньковской опытной станции Агрофизического НИИ (МОС АФИ) в Гатчинском районе Ленинградской области и входили в состав программно-аппаратного комплекса, демонстрируемого Агрофизическим институтом на двух международных специализированных выставках «АгроРусь» (Санкт-Петербург, 2004) и «Золотая осень» (Москва, 2004), где были получены соответственно серебряная медаль и диплом.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений, изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 1 таблицы и 35 рисунков. Список литературы включает 135 наименований, из них зарубежных авторов 45.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современное состояние и задачи развития технических и программных средств информационного обеспечения и реализации агро-приёмов по технологии точного земледелия

В первой главе диссертации приведен анализ развития и современного состояния точного земледелия (ТЗ). Показано, что методология этого направления является естественным этапом развития агрономических исследований, который учитывает все ранее полученные результаты, включая и наработки в области ландшафтного земледелия и адаптивного растениеводства.

Приведён анализ эволюции развития математического моделирования продукционного процесса и информационных технологий в земледелии. В точном земледелии, на новой технической основе реализуются многие идеи, сформулированные в нашей стране в 70-х годах прошлого века в рамках программы по программированию урожаев сельскохозяйственных культур.

Принципиальное отличие концепции ТЗ состоит в том, что технология точного земледелия рассматривает каждое сельскохозяйственное поле как неоднородное. Оно разделяется на некоторое количество новых единиц управления, которые являются однородными (квазиоднородными} участками.

Появление ТЗ было обусловлено прогрессом в области компьютерной техники и информационных технологий, развитием средств космической связи, появлением рабочих органов сельскохозяйственных машин, способных дифференцированное (в пределах поля) управление технологическими операциями, а также возросшими требованиями экологической безопасности земледелия и экономии удобрений и средств зашиты растений, а также не возобновляемых ресурсов — горюче-смазочных материалов.

Подсистемами, обеспечивающими реализацию технологии точного земледелия, являются:

технические средства для реализации технологий в поле, способные дифференцированно выполнять агротехнологические операции и рабочие органы которых управляются бортовыми компьютерами; навигационная подсистема, обеспечивающая пространственную привязку мобильной сельскохозяйственной техники в поле за счёт определения координат топопривязчиком (GPS - приёмником); технические и программные средства для получения и обработки информации о почвенном покрове, состоянии растений и их урожайности, степени поражения вредителями, болезнями; программные средства, обеспечивающие информационную поддержку принятия управленческих решений на всех временных

уровнях, используя накопленный опыт и научные достижения в области земледелия и формализованных в виде баз данных и знаний, математических моделей и экспертных систем. Последняя из приведённых выше подсистем, является, на наш взгляд, самой существенной особенностью новой технологии. Разработка и реализация баз данных и баз знаний, обеспечивающих решение задач по управлению технологическими процессами в режимах off line и on line, а также алгоритмов поддержки технологических решений, создание динамических моделей, позволяющих решать задачи прогнозирования результатов технологических воздействий на агроэкосистемы, — это основные из главных задач, требующих своего решения при освоении и развитии технологии точного земледелия.

Глава 2. Информационное обеспечение технологии точного земледелия Существующий информационно-технический потенциал позволяет, используя достижения информатики в области телекоммуникаций, систем основанных на знаниях, компьютерных методов поддержки принятия решений, разработать и создать компьютерную систему по выработке максимально эффективной и, вместе с тем, экологически безопасной адаптивной агро-технологии для каждого поля с учётом вариабельности природных условий и экономических ограничений в конкретном хозяйстве.

Разработанные программно-технические средства входят в состав специализированного программно-аппаратного комплекса, реализующего технологию точного земледелия. Ядром создаваемого комплекса, является система поддержки принятия решений (СППР), аккумулирующая знания специалистов (экспертов), разрабатывающих базовые агротехнологии и технологические адаптеры.

Системы поддержки принятия решения (СППР или DSS) возникли как естественное развитие и обобщение управленческих информационных систем и систем управления базами данных (СУБД) в направлении их большей

пригодности и приспособленности к задачам повседневной управленческой деятельности.

В агрономии, являющейся во многом описательной наукой, где объем знаний велик и разнороден, и специалисту, занятому непосредственно в производстве, трудно полностью оценить их, создаваемая система очевидно должна стать незаменимым помощником в планировании и принятии решений на всех уровнях управления. Одним из наиболее ценных качеств этой системы возможность использования, наряду с декларативными (описательными) знаниями также и процедурных (алгоритмов анализа и способов решения задач). В диссертации рассматриваются процедурные знания представленные в виде различных компьютерных моделей.

Модели позволяют прогнозировать отдалённые последствия мелиорации земель, изменения плодородия почв, анализировать экономическую и экологическую ситуацию при соблюдении принятой многолетней стратегии, оценивать уровень урожая на каждом поле, на который следует ориентировать всю технологию, прогнозировать наступление той или иной фазы развития растений, определять дозы внесения удобрений, нормы высева или дозы средств борьбы с сорняками и вредителями.

Задача использования моделей в СППР, связана с наличием в системе отдельного программного модуля, хранящего в себе необходимые функции и ресурсы. В работе использовалась «Динамически Компонуемой Библиотеки» (DLL — Dynamic Linked library). Этот способ широко применяется в программировании под Windows, Самым привлекательным преимуществом DLL является то, что они могут использоваться приложениями, написанными на других алгоритмических языках.

Математическая модель в разрабатываемом программно-аппаратном комплексе рассматривается нами как некий «чёрный ящик», куда поступают входные данные, и откуда получается результат. Подавляющее большинство программ, а мы имеем ввиду использование моделей, оформленных в виде компьютерных программ, работают по принципу «сданные на входе - алго-

ритм обработки - данные на выходе». Рассмотрим алгоритм подключения модели, рассчитывающей дозы минеральных удобрений (рис.1).

СППР

БАЗА ДАННЫХ

БАЗА ЗНАНИЙ

..............................................................1____________________

Гекеомшя адаптивной агоокхнологаи

Опер. «N*»

Опер. «Внесение мияеральвыя удобрений»

Ontp, «Ну»

Дшньк дох ptewn

Рассчнгшни

ЯШ«

-X-

МОДЕЛЬ

Входа»* . РдесчФт доем-? Быходаы*

д«нны& ДЙННЬ»

Рнс.1 Схема подключения модели по расчету доз удобрений При генерации адаптивной агротехнологии в СППР генерируется операция по внесению минеральных удобрений. В диалоговом окне нужно выбрать подключаемую модель и указать источник для входных данных (рис.2).

Входные данные для модели могут браться как из базы данных, так и задаваться вручную. В модели рассчитывается доза и передаётся результат системе, которая в свою очередь помещает его в стандартную форму: либо в виде отчёта, либо в виде электронной карты-задания на операцию, если операция выполняется по технологии ТЗ. В последнем случае при реализации операции в поле, специализированный агрегат, оснащённый GPS - приёмником и руководствуясь картой-заданием, где указаны дозы для каждого участка поля, вносит соответствующую данному участку дозу (рис.3).

i¡r Включение модели О операций !ГВНЕССНИЕ Mí*«f>*flM*iOÍ УДДОвМГС

Операция ^несмедокерздьчьк вятлнкгся аля поля с .. •1;:

ModUel.dl

f-Qnuowe иоедяя^

Модуль расчитывает дозы внесения минеральных удобрений МРКдля яровой пшеницы

Методология и рекомендации по схемой расчёта №К предложены на базе опытов Геосети с удобрениями в Северо-Западном регионе Россиисотрудниками ГНУ ЛНИИСХРАСХН

- Дбсггдоые а»«» а по« в Б Д^

Пйй*^;...... 1т*, . Ы

Лжзщвд» . цело*, г« «J

ТОТГФФЫ ПрОкЛ _____|":=

Мак. coctw : СТрОил ] -

ГЬееогныйслсй !цвлоб. ем г <

Ж-

Р205 ^ : вешесгэемдо f íj-.

K2Q :вешбстееш»г * • Ь.

FS !»ешеетееню1

Окдовденмостъ цепое _ Закаменелость

Jzl

'&*пояцне дапм для fMMtwrz

píos

К20

Ph __

¡строк«

Год (■лагообеспвченносгь]1 строк*

БД

ел

6Д БД

Рис.2. Включение модели в операцию Спутник С^^^

(^Карта - задание

СППР

э

Рис.3 Схема выполнения операции внесения минеральных удобрений ло технологии ТЗ

Глава 3. Программно-технические средства по выявлению почвенной неоднородности и созданию геоинформационной базы данных

Электронные карты, отображающие пространственное распределение тех или иных параметров сельскохозяйственного поля, являются информационной основой ТЗ. .Для создания таких карт нами создан мобильный автома-

тнзированный комплекс, позволяющий проводить полевое агрохимическое обследование почв на современном уровне (Рис,4).

В реализованном варианте комплекс состоит из следующих функциональных компонентов:

• Движитель (автомобиль «Нива» ВАЗ)

• Автоматический почвенный проботборник

• Спутниковая система позиционирования (GPS - приёмник)

Рис.4 Общий вид мобильного комплекса

• Бортовой компьютер

• Программное обеспечение (ПО)

Проботборник оснащён двумя почвенными бурами, гидравлической системой и электромотором, работающим от стандартной аккумуляторной батареи. Почвенные пробы берутся на глубину до 25 см.

В качестве GPS-прнёмника был выбран ^gGPS-132 (Tpimble), обеспечивающий субметровый уровень точности в дифференциальном режиме.

Программное обеспечение SST FieldRover II by Farm Works производства Site-Specific Technology (SST) Development Group, Inc., установленное на бортовом компьютере Fujitsu PenCentra 200, является ядром мобильного

комплекса и во многом определяет набор преимуществ перед традиционными методами обследования полей. В частности, ПО позволяет сразу на поле создавать электронный контур обследуемого поля, разбивать поле на сетку элементарных участков с заданными размерами и осуществлять навигационное обеспечение отбора проб. На рис.5 представлена карта-схема обследуемого опытного поля МОС АФИ, которая отображается на панели бортового компьютера:

Рис.5 Схема обследования опытного поля с помощью мобильного комплекса Маршрут движения комплекса по элементарному участку во время отбора пробы отображается на карте красной линией. С каждого элементарного участка отбирали одну объединённую пробу массой не менее 600 грамм. Объединённая проба складывается из точечных проб, равномерно распределённых по маршруту следования мобильного комплекса внутри элементарного участка. Отобранную пробу ссыпали в полиэтиленовый пакет, помещают туда этикетку с указанием номера поля и номера пробы (соответствующего номеру элементарного участка), даты отбора и фамилии оператора и отправляют на анализ.

Обследование опытного поля велось двумя способами:

Традиционным. В соответствии с «Методическими указаниями по проведению комплексного агрохимического обследования почв сельскохозяйственных угодий» специалистами центра «Ленинградский». Элементарный участок — около 5 га.

Современным, с использованием мобильного автоматизированного комплекса. Элементарный участок — около 0,25 га.

Основной задачей, решаемой мобильным автоматизированным комплексом является задача создания геоинформационной базы полей по основным агрохимическим показателям почвы. Геоинформационная база является пространственно-ориентированной информацией, необходимой для анализа складывающейся агрохимической картины в хозяйстве, планирования размещения посевов и организации севооборотов, планирования операций по внесению минеральных удобрений и для последующего анализа изменений, произошедших за год или более. Геоинформационная база является необходимым компонентом для выполнения операции внесения минеральных удобрений и агрохимикатов по технологии точного земледелия.

Одним из преимуществ создания геоинформационных баз с помощью мобильного автоматизированного комплекса является гораздо большая точность результата за счёт привязки к координатам места отбора пробы — элементарного участка. Обследование опытного поля МОС АФИ по фосфору, показало, что разница результатов между первым (рнс.б) и вторым (рис.7) способами достаточно существенна, и составляет в среднем 26%. На некоторых же элементарных участках разница достигает 58%.

Из этого можно сделать вывод о несовершенстве применяемых сегодня средств и методов при агрохимическом обследовании сельскохозяйственных полей и необходимости использования современных информационных технологий.

Глава 4, Схемы баз данных и баз знаний при апробации информационной технологии точного земледелия

Наиболее важным элементом апробации являлась информационная (программно-алгоритмическая) часть точного земледелия, включающая в себя наполнение баз данных и знаний, подключение математических моделей и генерацию агротехнологий. Для этого была разработана схема вычислительного эксперимента представленная на рис.8.

Был сформирован контрольный пример базовой агротехнологий по возделыванию яровых зерновых в С-3 регионе РФ. Контрольный пример представляет собой заполненный, так называемый шаблон представления знаний, фрагмент которого представлен, для удобства, в табличном виде на рис.9 и 10. В шаблон входят атрибуты (экземпляры декларативных данных), участвующие в базовой агротехнологии (столбцы шаблона) и агротехнологи-ческие операции (строки шаблона), где определены связи между атрибутами.

Рис.8 Общая схема апробации программно-алгоритмической части комплекса В сформированном нами контрольном примере базовая агротехнолошя включает в себя 20 атрибутов. В столбцах 1-12 находятся «атрибуты условия», значения которых определяют необходимость выполнения той или

иной операции. В столбцах 14-20 описаны «атрибуты выполнения», значения

которых определяют конкретные параметры выполнения операции.

1 3 3 4 5 6 7 5 9 10 И и 1Э

№ куль тур» Сорт год» ст>е»*« к Почва Гр.сост, Шпион. «ст. Совн 3*сор егиос ч> км*« РЛ ТЗ Уея. ♦ып. опер. Спара^и Уел

И а 1 ч 1 ; ; чм ;14)0уч1 Г >*«■

12 1.1.5 1 3 'э 11 нЪЫуДЬ** : ¡бввЧЦГ» 'ЛЬВУ о. V ;МИЧС*Мо«уяь 1£Г МГ» Ач*

13 1.2.3 :

Рис.9 «Атрибуты условия» участвующие в агротехнологои

1 12 ' 13 ' '■■ 14 15 16 17 18 19 го

3 Усл. еып-опер. Оперении : ■ Усл.выл Маимна Афегат А|ротреСо»а ШЯ Сроки Комм ента Г**1 Нор»*»

и Модуль 6 (гтило | Иетср«дст|*н борвмопмн«« ЦФМр* | 1ММ)!И0«1И | работ ;

1 в(ВЙО 'МЗДУ)»-*' ;■ "Моау«к8") ■■ жач* П^Ьдудь ■ ■ МЙ-Ш +■ Апкопа ] Нвг»ср*дст> ем »мр** куяин 1 муки л бороиоиинис Армь-М* »«шохносы •«ДАНИЯ ПФ*** и*

7(Кульгияэцил с : Н« туйиу М м* 1!

Рис.10 «Атрибуты выполнения» участвующие в агротехнологии Значения атрибутов условия в таблицах обозначены цифрами, расшиф-

ровка значений которых хранится в базе данных. Например, значения атрибута «культура» «1,2,3» расшифровываются как «овёс», «ячмень» и «яровая пшеница». База данных содержит в себе всю атрибутивную информацию, которая используется в работе СППР.

Данные, хранящиеся в базе, должны быть строго типизированы. Это необходимо для корректной последующей их обработки системой. Типиза-

ция данных организована таким образом, что можно описать практически любой объект. Для этого разработан редактор типов данных, с помощью

Рис.П Схема описания типа атрибута в базе данных которого пользователь может создавать новые типы или редактировать уже имеющиеся. На рис.11 показана схема простого примера описания типа «Сорт». Как видно из рисунка тип «Сорт» имеет пять свойств, которые в свою очередь тоже типизированы: «строковое значение», «вещественное» и «список». В свою очередь тип «Сорт» также является свойством родительского типа «Культура». Наполнение базы данных есть ни что иное, как создание экземпляров того или иного типа.

В столбце 13 контрольного примера описывается название операции и, при необходимости, порядок подключения внешних модулей. Внешние модули это подключаемые программные модули, оформленные в виде DLL, содержащие алгоритмы расчёта или выбора значений «атрибутов выполнения».

Иногда необходимо подключить несколько модулей, причём с определёнными условиями. Например, в контрольном примере, в операции №12 (внесение минеральных удобрений, рис.9) подключаются несколько модулей. Причём подключение модулей №№ 7,8,9 и 10 зависит от возвращаемого «Модулем 4» результата: если «Модуль 4» возвращает «Нет» то подключаются модули №№ 7,8 и 9, иначе — модуль № 10. Для такого подключения, необходимо при описании данной операции указать это условие, с помощью 16

встроенного в СППР языка, позволяющего описывать продукционные правила и позволяющего формировать сколь угодно сложные конструкции типа «Если., то..», с использованием логических и арифметических операторов. При этом, указывается адрес входных данных для работы модуля, и адрес поля отчётного файла. В том случае, если при генерации адаптивной агро-технологии, формируется карта-задание для бортового ЭВМ, в отчётном файле в соответствующем атрибуте, а в нашем случае это «Норма, доза», будет указано имя файла, содержащего карту-задание.

Таким образом, алгоритм подключения внешних модулей представляет собой схему передачи управления от ядра СППР к подключаемому модулю и обратно, с одновременной передачей данных определённого типа, указанием адресов нахождения входных данных и адресов вывода выходных данных (рис.12).

Описание операции

Редактор правил подключения Условие (подключение модуля) Условие (результат по дютючения)

Рис.12 Схема подключения внешнего модуля с определением условий подключения и адресов входных и выходных данных Как видно из рисунка, результат подключения одного модуля может стать условием для подключения другого модуля и (или) входными данными для него.

Таким образом, при генерации адаптивной агротехнологии для конкретного поля на основании данных по полю и хозяйству, СППР анализируя «атрибуты условия» в базовой агротехнологии, определяет включение или не включение каждой операции в адаптивную агротехнологию. Анализируя атрибут «операция» и «атрибуты выполнения» система заполняет соответствующие атрибуты в адаптивной агротехнологии, подставляя туда явно указанные значения или результат вычисления подключаемых модулей. Алгоритм генерации адаптивной агротехнологии схематично представлен на рис 13:

^ Бюадаимх^^ Рис.13 Схема генерации адаптивной агротехнологии

Глава 5. Результаты апробации и перспективы оптимизации агро-приёмов е системе точного земледелия

При разработке программных и технических средств обеспечения технологии точного земледелия, безусловно, важен практический опыт внедрения технологии в реальных условиях растениеводческого хозяйства. Для этого нами были выполнены полевые испытания выполнения операций по внесению минеральных удобрений на посевах овса на опытном поле МОС АФИ. 18

Испытания проходили в режимах предварительного планирования (off-line) и реального времени (on-line). Был определен необходимый и достаточный, перечень техники и оборудования.

В него вошли: распределитель минеральных удобрений ZA-M novis и полевой опрыскиватель UF-800 производства немецкой фирмы Amazone Werke, а также управляющий ими бортовой компьютер Amatron II A; GPS-приёмник AgGPS 132 и контролёр параллельного вождения (AgGPS Parallel Swathing Option - PSO); портативный азотный сенсор N-тестер, азотный сенсор Нуdro-N-Sensor и управляющий им бортовой компьютер, производства норвежской фирмы Hydro.

Режим предварительного планирования (off-line) предусматривает подготовку на стационарном компьютере карты-задания, в которой содержатся пространственно привязанные дозы удобрения для каждого элементарного участка ноля. Для этого, на основании результатов обследования поля, проводился расчет дозы для каждого элементарного участка поля, тем самым формировалась карта-задание. Затем карта-задание, на карманном носителе (чип-карте), переносилась на бортовой компьютер сельскохозяйственной техники, оснащённой GPS-приёмником и выполнялась заданная операция. Карта-задание на внесение калийных удобрений под овёс на опытном поле МОС АФИ представлена на рис.14:

В режиме реального времени (on-line) проводились азотные подкормки посевов овса с помощью N-сенсора - оптического прибора, позволяющего оптимизировать внесение минеральных удобрений при азотных подкормках растений. N-сенсор устанавливается на крыше трактора и улавливает отраженный свет от листовой поверхности в инфракрасном диапазоне света, определяя содержание хлорофилла в листьях и биомассу. Для эффективной ра-

боты N-сенсора были разработаны калибровочные таблицы для овса сорта «Боррус», что позволило привести в соответствие показания Ы-сенсора и дозы азотной подкормки, необходимой растениям в период очередной фенологической фазы развития.

Рис, 14 Карта-задание на внесение калийных удобрений

Необходимая доза азота (в действующем веществе) определялась N-сенсором в ходе движения трактора по полю и, в соответствии с этим, бортовым компьютером менялась вносимого азотного удобрения. Результаты выполнения операции (дозы и координаты, обработанная площадь, время выполнения и фамилия исполнителя) записываются на чип-карту.

В заключении пятой главы показаны перспективы оптимизации arpo-приёмов за счёт применения математических методов при расчёте и распределении органических удобрений в пределах поля, а также применения статистического анализа данных по каждому полю и его однородным участкам.

Заключение

При проведении исследований и разработок по созданию программно-аппаратного комплекса по реализации информационной технологии точного земледелия в рамках представленной диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Обоснована необходимость включения в систему поддержки принятия агротехнологмческнх решений математических моделей. Предложен программный интерфейс, реализующий управление и обмен данными с подключаемыми математическими моделями. Разработаны требования по программной реализации моделей.

2. Предложен алгоритм программной реализации подключения внешних модулей (математических моделей) с помощью продукционных правил при описании базовой агротехнологин и генерации адаптивной агро-технологии.

3. Создан мобильный автоматизированный комплекс для дискретного агрохимического обследования сельскохозяйственных полей, оснащённый необходимым оборудованием для геоинформационного и навигационного обеспечения обследования.

4. Разработана методика обследования сельскохозяйственных полей с применением созданного мобильного комплекса. Проведены обследования и создана геоинформационная база данных для полей Меньков-ской опьггной станции Агрофизического института.

5. Разработана схема проведения вычислительного эксперимента по проведению апробации информационной технологии точного земледелия включающая контрольный пример агротехнологин по возделыванию яровых зерновых для почвенно-климатических условий Северо-Запада

РФ.

6. Усовершенствована концепция построения базы данных за счёт введения типизации атрибутивных данных, используемых системой поддержки принятия решений.

7, Скомплектованы, адаптированы и настроены робототехнические комплексы по внесению минеральных удобрений и агрохимикатов по технологии точного земледелия. Проведены полевые испытания в плановом и оперативном режимах по апробации технологии точного земледелия.

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы;

1. Предложенный программный интерфейс подключения математических моделей позволяет значительно расширить применение процедурных знаний в создаваемом программно-аппаратном комплексе, реализующем технологию точного земледелия. Это позволяет на всех временных уровнях принятия решений принимать более рациональные решения при реализации агротехнологий.

2. Создание мобильного автоматизированного комплекса позволяет перейти к более современному и технологично развитому уровню сбора данных о сельскохозяйственных полях, что необходимо при применении технологии точного земледелия.

3. Созданная в результате обследования опытных полей, геоинформационная база данных необходима и достаточна для апробации технологии точного при внесении минеральных удобрений и агрохимикатов.

4. Использование в схеме вычислительного эксперимента контрольного примера, максимально приближенного к реальным агротехнологиям, использующимся на практике показывает, что структура программно-

аппаратного комплекса, ядром которого является система поддержки принятия решений, позволяет в полной мере синтезировать агротехно-логии с использованием процедурных и декларативных данных.

5. Предлагаемая типизация данных, значительно повышает универсальность СППР. Это достигается за счёт существенного расширения возможностей при описании атрибутивной информации, позволяющих пользователю самому создавать и модифицировать типы данных, не прибегая при этом к переделке самой программы.

6. Введение продукционных правил при использовании подключаемых модулей повышает гибкость базы знаний в применении модулей за счёт возможности комбинировать сценарии подключения в зависимости от значений атрибутивных данных.

7. Полевые испытания, проведённые на основании разработанной схемы вычислительного эксперимента, позволили на практике подтвердить функциональность и работоспособность отдельных модулей системы.

Всё вышесказанное, позволяет сделать вывод о достижении сформулированной цели исследования в диссертации.

Содержание диссертационной работы отражено в публикациях:

1. Якушев В.П., Якушева Л.Н., Суханов П.А., Петрушин А.Ф., Спинчук С.Г., Якушев В.В. «О методах агрохимического обследования сельскохозяйственных угодий в точном земледелии», Вестник РАСХН, №3 2004г, стр.32-34.

2. Якушев В.П., Петрушин А.Ф., Якушев В.В. и др. Научно-практические аспекты точного земледелия. — Материалы междунар. конф. «Современные проблемы социально-экономического развития и информационные технологии. - Азербайджан, Баку, 2004, с.55-62

3. Якушев В.П., Михайленко И.М., Петрушин А.Ф., Якушев В.В. Программно-аппаратный комплекс поддержки принятия технологических решений в точном земледелии. — Материалы междун. конф. «Агройнфо-2003», Новосибирск, 2003, ч.1, с.16-23

4. Петрушин А.Ф., Якушев В.В. Аспекты реализации информационных технологий в области точного земледелия. — Материалы междунар. конференции по мягким вычислениям, СПБ, Гидрометеоиздат, 2002, т.2, с.210-212.

5. Якушев В.В. Использование математических моделей в системе поддержки принятия решений в точном земледелии. — Труды междунар. конф. «Агрофизика XXI века», СПб, АФИ, 2002, с.326-330.

6. Якушев В.В. и др. Расчет управления неоднородностью содержания органического вещества в почвенном покрове. — Материалы междунар. научной конф. «Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтно-го земледелия». Ставрополь, 2001, с.233-235.

7. Якушев В.П., Буре В.М., Якушев В.В. Построение и анализ эмпирических зависимостей. СПб: Издательство С.-Пегер. Гос. Университета, 2005,38с.

Подписано в печать

Тираж УОО^г Заказ №

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в цифровом копировальном центре «Восстания 1» 191025, С.-Петурбург, уд. Восстания, дом I