Информационная технология поддержки принятия решений при планировании технической эксплуатации гидромелиоративных систем
На правах рукописи
Рогачев Дмитрий Алексеевич ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград 2009 2
Работа выполнена в Волгоградском комплексном отделе ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова» Россельхозакадемии Научный руководитель – Член-корреспондент РАСХН, Заслуженный деятель науки РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Бородычев Виктор Владимирович
Официальные оппоненты: Член-корреспондент РАСХН, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ольгаренко Владимир Иванович кандидат технических наук, доцент Пахомов Александр Алексеевич Ведущая организация – ФГНУ «РосНИИПМ», г. Новочеркасск
Защита состоится 21 декабря 2009 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу:
400002, г. Волгоград, пр-т Университетский, 26, ауд.214.
С диссертационной работой можно ознакомится в научной библиотеке ВГСХА.
Автореферат разослан 20 ноября 2009 г. и размещен на сайте ВГСХА http: //www.vgsha.ru
Ученый секретарь диссертационного совета А.И. Ряднов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы предусматривается проведение агротехни ческих мероприятий по сохранению и повышению почвенного плодородия, в том числе более рациональному использованию земель сельскохозяйственного назначения. При решении этих задач важное место занимает техническая экс плуатация гидромелиоративных систем в условиях ограниченности матери ально-технических, финансовых и трудовых ресурсов.
При разработке планов технической эксплуатации необходимо учитывать значительные и постоянно возрастающие объемы природно-экологической, технико-технологической и организационно-экономической информации. В ус ловиях ограниченности средств, выделяемых на техническую эксплуатацию, цена принятия управленческих решений возрастает, поэтому необходимы на учно обоснованные технологии поддержки процедуры принятия решений.
Применение информационных технологий, в том числе использующих геогра фические информационные системы (ГИС) существенно расширяет возможно сти лица, принимающего решения (ЛПР). Для задач планирования технической эксплуатации гидромелиоративных систем, характеризующихся существенной ресурсоемкостью, изношенностью оборудования и стохастичностью природно климатических условий сельскохозяйственного производства, качество и ра циональность управленческих решений является особенно актуальным.
Известные работы по применению ГИС-технологий в мелиорации посвя щены в основном разработке систем контроля и визуализации почвенного пло дородия земель и технического состояния ОС. В то же время, требуется систе мы поддержки принятия решения при выборе вариантов технической эксплуа тации с реализацией оптимизационного подхода. Необходима оценка послед ствий принятых решений и прогнозирование развития ситуаций при техниче ской эксплуатации ОС.
Актуальность исследований подтверждается выполнением их в соответ ствии с научно-технической программой РАСХН «Земледелие, мелиорация и лесное хозяйство» (2006-2010 гг.).
Целью работы является обоснование и разработка информационной тех нологии поддержки принятия решений при планировании технической экс плуатации гидромелиоративных систем с использованием геоинформационных систем, интегрированных с подсистемами оптимизации на основе математиче ского моделирования.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- оценка технического состояния выбранных фрагментов оросительных систем и объектов технической эксплуатации;
- обоснование структуры атрибутивной и графической информации в БД;
- постановка задачи математического моделирования и дискретной опти мизации распределения ресурсов;
- обоснование методики и выбор вариантов планирования технической эксплуатации гидромелиоративных систем;
- разработка информационной технологии ППР технической эксплуата ции гидромелиоративных объектов.
- проверка функционирования и эффективности применения разработан ной системы на объектах технической эксплуатации оросительной системы.
Научная новизна:
Обоснована методика оптимизации планируемого размера поливных площадей в пределах ОС с учетом стохастичности и задаваемой вероятностью производства сельскохозяйственной продукции. Определены для условий Го родищенской ОС численные параметры эмпирической функции f(Q) многолет него распределения количества воды, подаваемой на орошение возделываемых севооборотов.
Расчеты на разработанной компьютерной модели показали, что числен ные параметры эмпирической функции распределения f(Q) количества воды, подаваемой ОС на орошение возделываемых севооборотов, а также их структу ра существенно влияют на оптимальное соотношение площадей орошаемого и неорошаемого севооборотов и на расчетную мощность оросительной сети.
Обоснована методика автоматизированного выбора вариантов техниче ской эксплуатации ОС, реализованная методом дискретной оптимизации на ос нове задачи линейного программирования с учетом ограничений на материаль но-технические, финансовые и трудовые ресурсы и объем сельскохозяйствен ного производства.
Основные положения, выносимые на защиту:
- информационная технология поддержки принятия решений в области планирования технической эксплуатации ОС, основанная на ГИС-технологиях;
- математические модели для решения оптимизационных задач планиро вания, на базе ГИС, технической эксплуатации ОС;
- методика, алгоритмы и процедуры принятия управленческих решений с использованием разработанной СППР на базе ГИС-технологий.
Методика исследований основана на трудах отечественных и зарубеж ных ученых в области технической эксплуатации гидромелиоративных систем, информационных технологий, в том числе использующих ГИС, фундаменталь ных положениях системного анализа, математического программирования и моделирования, теории оптимизации. В работе использованы современные ин струментальные средства реализации информационных технологий MS Excel с надстройкой «Поиск решения», картографические пакеты ArcGis, MapInfo, ин тегрированная система «1С-Предприятие-8».
Научная гипотеза: Информационная технология поддержки принятия решения, использующая ГИС оросительной системы, интегрированная с под системой оптимизации на основе математического моделирования, позволит повысить обоснованность выбора варианта технической эксплуатации.
Практическая значимость: создан инструментарий для эксплуатацион ных водохозяйственных организаций для решения задач оптимизации парамет ров и распределения средств по водохозяйственным объектам в процессе экс плуатации.
Личный вклад соискателя заключается в разработке научной гипотезы и программы исследований, теоретическом и методическом обосновании науч ных исследований, разработке методик математического моделирования и про граммной реализации на ЭВМ, численному моделированию и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы. Материалы исследований рассматривались на сек циях Ученого Совета ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии в 2002-2005 годах, на Региональной научно-практической конференции НГМА «Проблемы и пер спективы развития мелиорации» (Новочеркасск, 2002), Республиканской науч ной конференции РГПУ «Экологические и социально-гигиенические аспекты среды обитания человека» (Рязань, 2003), Международной научно практической конференции ВГСХА «Проблемы АПК» (Волгоград, 2003),: Ме ждународной научно-практической конференции «Актуальные проблемы раз вития АПК» (Волгоград, 2005), Региональной научно-практической конферен ции «Применение инновационных технологий в подготовке специалистов выс шей квалификации для АПК Волгоградской области (Волгоград, 2008), на еже годных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Вол гоградской ГСХА (Волгоград, 2002-2009).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опублико ваны в 12 печатных работах, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 2 патента на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти раз делов, выводов и предложений, изложена на 142 страницах основного текста, включая 31 рисунок и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 107 наименований, в том числе 13 работ зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе «Аналитическая оценка использования информационных технологий в задачах управления» дан обзор научно-технических и патентных источников по использованию геоинформационных технологий в задачах под держки принятия решений, а также в задачах управления в мелиоративной от расли.
Разработкой и исследованием применения информационных технологий в задачах мелиорации земель, в том числе орошаемых, посвящены работы С.М. Васильева, М.С. Григорова, Ю.П. Добрачева, Л.В. Кирейчевой, Н.В. Ко ломийцева, И.П. Кружилина, В.И. Ольгаренко, Н.А. Пронько, В.Н. Щедрина, И.Ф. Юрченко, А.Г. Болотина, В.П. Остапчика.
Проблемы совершенствования технической эксплуатации и ремонта оро сительных систем рассмотрены в работах Е.П. Борового, С.М. Григорова, К.В. Губера, А.Д. Гумбарова, Б.С. Маслова, Г.В. Ольгаренко, В.Н. Рыбкина, М.Ю. Храброва, А.А. Пахомова, Ю.И. Сухарева и других ученых.
Разработкой, исследованием и совершенствованием ГИС для мониторин га и управления почвенным плодородием занимались С.Н. Дубенок, А.М. Зей лигер, В.В. Корсак, Н.В. Кузнецова, О.Ю. Холуденева, О.Е. Киселева, Т.В.Корнева, В.В. Метелкин, Н.И. Тупикин, А.Ю. Черемисинов, Д.И. Якушев.
В результате анализа публикаций установлено, что существенный эффект от внедрения информационных технологий в задачи планирования технической эксплуатации мелиоративных может дать использование Геоинформационных систем (ГИС). Международный опыт показывает, что внедрение ГИС в задачах сельского хозяйства и мелиорации позволяет анализировать разнородные дан ные в привязке к географическим координатам, что существенно повышает эф фективность управленческих решений. В США и Евросоюза разработаны раз личные инструменты и стандарты для создания и использования картографиче ских данных. Наиболее развитыми зарубежными ГИС системами являются:
ArcGis (США), MapInfo (США), WinSTAR (Евросоюз). С использованием дан ных ГИС проведено большое количество внедрений систем различного мас штаба от национальной информационной системы до локального сельскохозяй ственного предприятия, которые показали рост эффективности принимаемых решений с использованием ГИС.
В РФ так же существуют разработчики ГИС систем, в том числе адапти рованных к задачам сельского хозяйства и мелиорации. Среди российских раз работчиков стоит отметить: Конструкторское бюро «Панорама» (ГИС «Пано рама-АГРО»), Центр геоинформационных исследований института географии РАН (ГеоГраф). Российские системы также имеют специализированные модули для задач сельского хозяйства.
Министерством сельского хозяйства РФ проведены работы по подготовки картографической основы с использованием данных дистанционного зондиро вания земли с использованием спутниковых снимков, а так же созданию тема тических карт различного масштаба, для использования в ГИС различного уровня.
В задачах мелиорации ГИС использовались при реализации систем под держки принятия решений (СППР) реализованных во ВНИИГиМ под руково дством Л.В. Киреечевой, И.Ф.Юрченко (СППР «Яхрома», СППР «Комплекс», СППР «ЭКСИНЖЭКС»).
Проведенный анализ показал, что использование информационной тех нологии принятия решений с использованием ГИС в задачах технической экс плуатации мелиоративных систем позволяет повысить качество управленче ских решений а следовательно и эффективность функционирования ОС.
Во второй главе «Характеристика традиционной технологии планирования мероприятий технической эксплуатации в условиях условия Городищенской ОС» были проанализированы условия функционирования и информационные потоки Городищенской ОС Волгоградской области.
В геоморфологическом отношении Городищенская оросительная система расположена на правом берегу реки Волга на южной оконечности Приволж ской возвышенности и занимает Восточную часть Волго-Донского междуре чья. Структура и характеристика почв Городищенского района приведены в таблице 1.
Рисунок 1 – Схема Городищенской оросительной системы Эксплуатацию Городищенской ОС осуществляет Городищенский филиал ФГНУ «Волгоградмелиовод», обслуживающий земли Городищенского района.
В функции Городищенского «Райводхоза» входят содержание в исправ ном состоянии, принятие мер по предупреждению повреждений оросительных систем и отдельных их элементов;
распределение воды, изъятой из водных объ ектов, между водопотребителями в соответствии с установленными лимитами и графиками водоподачи;
ведение учета орошаемых земель, контроля за их ме лиоративным состоянием и техническим состоянием оросительных систем;
по вышение технического уровня и работоспособности, совершенствование оро сительных систем.
Были описаны и формализованы этапы обработки информации для авто матизации документооборота с учетом требований к проектируемым базам данных СППР. Также было проведено обследование состояния гидротехниче ских сооружений и проведен статистический анализ полученных результатов.
Результаты анализа видов деформаций каналов представлены на рис.2.
В третьей главе «Информационная технология поддержки принятия решений» в результате анализа научно-технических и патентных источников было обоснованое использование системного подхода к разработке информационной технологии к поддержки принятия решения.
Виды разрушений Эрозия Трещины Разрушение швов 1/ Разрушение швов 1/ Разрушение бетонного покрытия Пустоты под бетонной облицовкой Занесения грунтом Выпучивание 0 10 20 30 40 50 60 70 80 проценты Рисунок 2 – распределение доли деформаций каналов видам (1 – Эрозия;
2 – Выпучивание;
3 – Трещины;
4 - Разрушение швов менее 1/3 периметра сече ния канала;
5 –Разрушение швов более 1/2 периметра сечения канала;
6 – Пустоты под бе тонной облицовкой;
7 – Разрушение бетонного покрытия 8 – Занесения грунтом) С использованием методов системного подхода была разработана схема взаимосвязи подсистем СППР.
На основании схемы взаимосвязи подсистем СППР былы разработаны описание процедур информационой технологии поддержки принятия решения.
С учетом проанализированного функционала и особенностей проекти руемой СППР была разработано описание архитектуры системы.
Основными компонентами системы поддержки принятия решений явля ются база данных, база моделей и программная подсистема, включающая сис тему управления базой данных (СУБД), систему управления базой моделей (СУБМ) и систему управления интерфейсом между пользователем и компьюте ром.
Разработанная структурно-функциональная схема информационной тех нологии ППР для планирования ремонта и ТО приведена на рисунке 4.
Разрабатываемая СППР может интегрироваться с автоматизированной учетно-управленческой системой. В нашей стране в последние 10 лет автомати зированные учетные системы развивались достаточно активно.
Важно отметить, что система «1С-Предприятие».обладает развитым язы ком разработки приложений и встраиваемых модулей, и изначально ориенти рована на взаимодействие с системами, использующими различные форматы передачи данных для выполнения операций экспорта-импорта.
Архитектура разрабатываемой СППР должна включать три основные подсистемы: информационную;
анализа;
поддержки решения.
Разрабатываемая информационная технология поддержки принятия ре шений по выбору эффективных вариантов технической эксплуатации гидроме лиоративных объектов, должна обеспечивать: формирование БД атрибутивной информации о состоянии ОТЭ гидромелиоративной системы;
предварительную обработку исходной информации для внесения в тематические слои цифровых карт подсистем ГИС;
адаптацию разработанных математически моделей к осо бенностям и условиям эксплуатируемой гидромелиоративной системы;
прогноз вариантов при возможных сценариях планирования технической эксплуатации;
выбор оптимального варианта;
формирования технической документации.
Важнейшая проблема планирования технического обслуживания, ремон та оросительной сети и гидротехнических сооружений заключается в установ лении потребности в материально-технических ресурсах и определении сроков выполнения работ, увязанных с потребностью сельскохозяйственного произ водства. Как правило, объемы ресурсов, необходимых для технической экс плуатации мелиоративной системы, превышают выделяемые, что порождает конфликт при распределении ограниченных капиталовложений и других ресур сов по объектам, подлежащим ремонту. Критические ситуации, возникающие повсеместно, требуют решения задачи жизнеспособного управления ресурсами, основанного на устойчивом компромиссе между наличием ресурсов и спросом.
Решение задачи управления продуктивностью агроценоза на функциони рующем объекте служит основой для формирования и целенаправленного ана лиза устойчивых компромиссных вариантов технической эксплуатации систе мы. При этом определяется оптимальный перечень объектов технической экс плуатации, обеспечивающих заданные объемы производства сельскохозяйст венной продукции и максимальную эффективность эксплуатационных меро приятий при ограничениях на капиталовложения и другие лимитирующие ре сурсы.
Проведенный анализ позволяют рекомендовать использование в рамках информационных ГИС-технологий блоков математической оптимизации вы бора дискретных вариантов для повышения функциональности и эффективно сти СППР.
В четвертой главе «Модели и алгоритмы задачи оптимизации планирования технической эксплуатации» была сформулирована задача опти мизации распределения ресурсов, выделяемых на ремонтные работы. Объем поливной воды, фактически подаваемой на орошаемые поля, имеет вероятност ную природу, т.е. является случайной величиной. Следовательно, затраты на орошение и объемы дополнительной продукции от орошения являются не де терминированными, а также случайными величинами.
Задачи выбора оптимальных размеров подготовки полей под орошение, а также оптимизации структуры орошаемого земледелия в сочетании с богарным, в особенности для зон рискованного земледелия, могут быть решены с приме нением стохастических методов.
Поскольку Q меняется по годам, то эффективность выбора соотношения орошаемой и богарной площадей будет случайной величиной и ее можно опре делить лишь с учетом многолетних результатов сельскохозяйственного произ водства. За ее величину можно принять средний годовой показатель эффектив ности, усредняя по реализациям Q:
Q Фx Ф x, Q f 'Q dQ (1) Q где Q – объем воды за оросительный сезон, подаваемой ОС от источника оро шения на поля;
x – площадь орошаемого массива, га;
Ф = Ф(x, Q) – суммарный годовой эффект, тыс. руб.;
Оптимальным размером орошения будем считать такую площадь оро шаемого массива x* и, соответственно, мощность сети, при которых величина Ф x достигает максимума.
Пусть возделывается m культур. Соотношение полей в орошаемом сево m обороте характеризуется числами i, i = 1, 2,..., m;
i 0, 1, указываю i i щими доли культур в общей площади севооборота. Нормативы чистого дохода 1 на богаре, орошении и недостаточном поливе обозначим соответственно с i, сi и сi, руб. на 1 га. Нормативы ck1, ck2, ck3 чистого дохода отражают влияние различных технико-технологических и природно-климатических факторов бо гарного и орошаемого земледелия на урожайности культур и на затраты, необ ходимые для их возделывания. Тогда задача классической оптимизации прини мает вид: найти значение х*, максимизирующее функционал (1).
Сравнительную эффективность использования поливной воды для раз личных культур характеризуют параметры i = (ci2 - ci3)/qi, i = 1, 2,..., m. (2) Величины i характеризуют относительный ущерб, возникающий при не возможности полива культуры, подготовленной к орошению.
' Для нахождения значения х* необходимо решить уравнение Ф x = 0.
Профессором В.А. Кардашом (1986) было получено необходимое условие экс ' тремума интегрального функционала Ф x для закона распределения f(Q) обще го вида. Считая f(Q) известной, после соответствующих преобразований можно записать уравнение в неявном виде:
m m, 2 h k 1 f x * hk c k k c k k (3) k k k 1 k где обозначено k hk qi i (4) l Для получения и решения уравнения (3) необходима предварительная па раметризация функции f(Q) распределения подачи поливной воды.
Распределение объемов воды, подаваемой на орошаемые поля, рассмот рим по данным племзавода «Кузьмичевский» - типичного хозяйства Городи щенского района – за двенадцатилетний период 1996-2007 гг.
Подача воды, тыс м План Факт 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Номер года Рисунок 4 - Динамика подачи поливной воды на поля племзавода «Кузьмичевский» Функция распределения f(Q) может быть аппроксимирована с помощью квадратичной параболы, параметры которой определяются по статистическим данным методом наименьших квадратов. Для приведенных выше данных, функция распределения может быть описана зависимостью (рис. 5) у = -0,0007 Q2 + 0,0948Q – 2,364, (5) параметры которой определялись с использованием MS Excel.
Для решения уравнения (3) была разработана специальная подпрограмма. По введенным техническим параметрам и нормативам затрат ресурсов и выпуска продукции вычисляются коэффициенты i сравнительной эффективности за трат воды для возделываемых культур и выполняется ранжирование их, что бу дет моделировать порядок орошения при ограниченных поливных ресурсах.
После автоматического формирования вида и параметров алгебраического квадратного уравнения (3) проверяется возможность его решения путем опре деления знака дискриминанта, после чего, при неотрицательных значениях, на ходятся корни.
Для использования в задачах СППР были экспериментально определены функциональные зависимости урожайности от водопотребления с.-х. культур при различных уровнях минерального питания, необходимые для обоснования оптимального соотношения площадей орошаемого и богарного участков, а также для обоснования оптимального распределения средств на ремонт и тех ническую эксплуатация орошаемых участков.
1, Функция распределения 0, 0, 0, y = -0,0007x + 0,0948x - 2, 0, 30 40 50 60 Подача воды, тыс. м Рис. 5 - Интегральная функция f(Q) распределения подачи поливной воды для типичного хозяйства Городищенского района Полевые опыты были заложены по двухфакторной схеме: фактор А (вод ный режим почвы) + фактор В (режим минерального питания). Поливы осуще ствлялись дождевальной машиной «Мини Кубань-К», содержащей три секции.
Схемой опыта по водному режиму были предусмотрены пять уровней во дообеспечения посевов:
А0 – поддержание предполивного порога влажности почвы 70 % НВ в слое 0,4 м до выметывания метелки, в слое 0,6 м – далее до наступления фазы восковой спелости зерна;
А1 – дифференцированный по фазам развития кукурузы водный режим почвы, 70 80-70 % НВ, слое 0,4 м до выметывания метелки, в слое 0,6 м – далее до наступле ния фазы восковой спелости зерна при поддержании предполивного уровня влаж ности 80 % НВ в течение периода «выметывание метелки…молочно-восковая спе лость зерна»;
А2 – дифференцированный по фазам развития кукурузы водный режим почвы, 70 80-70 % НВ, слое 0,4 м до выметывания метелки, в слое 0,6 м – далее до наступле ния фазы восковой спелости зерна при поддержании предполивного уровня влаж ности 80 % НВ в течение периода «11-й лист…молочно-восковая спелость зерна»;
А3 – дифференцированный по фазам развития кукурузы водный режим почвы, 70 80-70 % НВ, слое 0,4 м до выметывания метелки, в слое 0,6 м – далее до наступле ния фазы восковой спелости зерна при поддержании предполивного уровня влаж ности 80 % НВ в течение периода «7-й лист…молочно-восковая спелость зерна»;
А4 – поддержание постоянного в течение вегетации уровня предполивной влажно сти почвы 80 % НВ слое 0,4 м до выметывания метелки, в слое 0,6 м – далее до на ступления фазы восковой спелости зерна.
y = 1,8586Ln(x) + 4, R = 0, 9,5 y = 2,1091Ln(x) + 3, R2 = 0, 8, 7, Урожайность, т/га y = 0,7558Ln(x) + 5, 6, R2 = 0, 5,5 N90P40K y = 0,1422Ln(x) + 5, 4,5 R = 0, N140P60K 3, 2, N190P80K Водопотребление куб.м / га N240P100K Рисунок 6 – Зависимость урожайности кукурузы от водопотребления На каждом из вариантов по изучению водного режима почвы были зало жены исследования по фактору режима минерального питания. Программой исследований предусматривалось четыре уровня минерального питания куку рузы: N90P40K100, N140P60K160, N190P80K220, N240P100K280.
В частности, для первого из них зависимость имеет вид (рис.6) y = 0,142 ln(x) + 5,07 при величине r2 = 0,68, (6) где y – урожайность, т/га;
x – водопотребление, м3/га.
В пятой главе «Геоинформационная система поддержки принятия реше ний» были определены цели и задачи СППР, разработана функциональная схе ма системы. Целью СППР является обеспечение поддержки принятия решения при планировании и выборе оптимального варианта технической эксплуатации и ремонта гидромелиоративных систем. Основными решаемыми задачами яв ляются определение оптимального размера орошаемой площади и распределе ние ресурсов для ремонта и технического обслуживания с учетом ограничений.
Таблица 1 - Расчет параметров стохастической модели для ранжирования возделываемых культур по k c1 c2 c Неранжированные культуры k 1.Пшеница 1472 520 -2838,4 1049, 2.Овощи 681,42857 47541,6667 -13798,19 9201, 3.Картоф 1184,5 20454,6667 -7035,7333 5890, 4.Кукур. з/м -508,5 -4517,3333 -6490,1333 422, 5.Многолетние травы -984 -9532,6666 -12183,866 361, Для решения уравнения (3) необходимо ранжирование культур по пара метру эффективности использования оросительной воды k, результаты которо го для пяти культур, рассчитанные с использованием значений из БД, пред ставлены в табл. 1. После подстановки всех параметров в квадратное уравнение (3) и вычисления его корней в автоматическом режиме определяется оптималь ное значение орошаемой площади x* и мощность Q оросительной сети.
На основании введенных данных в автоматическом режиме формируется матрица технико-экономических коэффициентов (ТЭК) для выбора оптималь ного варианта плана технической эксплуатации методом дискретной оптимиза ции. Результатом решения оптимизационной части задачи являются бинарные значения переменных в третьей строке матрицы (табл.2).
Таблица 2 – Решение задачи дискретной оптимизации на примере семи орошаемых участков Переменные оптимизационной модели Ограничения Вид Расчет Фор- Зада ограничения X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 ма нное Двоич 0 1 1 0 0 0 0 - ное Финансовые, руб. 63360 86400 72240 87360 35000 63000 49000 158640 = Площади посевные, га 576 540 516 624 250 450 350 1056 = Продукция, корм. ед. 691,2 10854 3354 3494,4 1400 2520 1960 14208 = Целевая функция, руб. 172800 64800 33540 122304 49000 88200 68600 98340 — max В результате проведения процедуры Поиск решения, результаты которого представлены в табл.2, появляются ненулевые значения переменных Xi, соот ветствующие номерам участков, включаемых в оптимальный план. В частно сти, для приведенных ТЭК это будут X2 и X3 (выделены заливкой).
Это означает, что в соответствии с оптимальным вариантом распределе ния ресурсов, с учетом технико-экономических параметров и ограничений, в план ремонта попадают только орошаемые участки 2 и 3, а ожидаемый эффект – значение целевой функции составит 98340 руб. Для ремонта остальных уча стков ресурсов недостаточно, при этом лимитирующим оказываются посевные площади.
Для интеграции с картографической подсистемой был разработан модуль процедуры «ПоказатьКартуСПараметрами» (рис.7), обеспечивающий на глядную визуализацию участков ОС, выбираемых для включения в план ре монта.
Начало Получение па раметров точек и линий соору жений Создание заголовка «JAVA Script», инициа лизация констант Формирование текста «JAVA Script» для выво да точек и линий по спи ску сооружений Нет Количество сооружений Да Запрос к базе данных для получения списка свя занных участков Цикл по участкам Нет Колич.
участков Сформировать поли гоны участка Да Формирование файла формата HTML Конец Рисунок 7 – Блок схема процедуры интеграции карты с системой 1С Рисунок 8 – Выбор оптимального варианта распределения ресурсов на ремонт Визуализация результатов с использованием ГИС позволяет расширить возможности при экспертной оценке ЛПР результатов оптимизации и анализе факторов, которые не могут быть формализованы в рамках используемых ма тематических моделей (рис.9).
Рисунок 9 – Визуализация результатов планирования ремонта на схеме ОC Применение геоинформационной системы, интегрированной в состав СППР, обеспечивает возможность динамической актуализации и визуализации информации, что особенно важно при планировании и обосновании техниче ских решений на различных уровнях управления.
Общие выводы 1. Анализ научно-технических источников показал, что задачу опти мизации планирования технической эксплуатации ОС целесообразно решать с использованием информационных технологий, что позволяет не только полу чать запланированные урожаи путем обеспечения планируемого водного режи ма орошаемых земель, но и способствует поддержанию продуктивности мелио рируемых земель на допустимом уровне.
2. Анализ информационных потоков при технической эксплуатации ОС выявил необходимость применения СППР для решения задачи планирова ния мероприятий технической эксплуатации, позволяющей повысить уровень информационного обеспечения анализа и принятия управленческих решений и обеспечивать возможностью оптимизации решения многовариантных задач технической эксплуатации с использованием методов статистического анализа и математического моделирования.
3. Предложена структурно-функциональная модель СППР на основе ГИС-технологии, интегрирующая картографическую и атрибутивную реляци онные БД, блоки математического моделирования, учитывающие стохастиче ский характер процессов, и блок дискретной оптимизации выбора вариантов технической эксплуатации ОС.
4. Обоснована целесообразность включения информациионно аналитической, картографической и учетно-управленческой подсистем в СППР технической эксплуатации и доказана целесообразность реализации такой ин тегрированной системы на платформе «1С-Предприятие-8», поддерживающей ввод, актуализацию и обработку атрибутивной и картографической информа ции, решение учетно-аналитических и оптимизационных задач во взаимодейст вии с глобальной навигационной системой ГЛОНАС.
5. Обоснована методика оптимизации планируемого размера полив ных площадей в пределах ОС с учетом стохастичности и задаваемой вероятно стью производства сельскохозяйственной продукции. Определены для условий Городищенской ОС численные параметры эмпирической функции f(Q) много летнего распределения количества воды, подаваемой на орошение возделывае мых севооборотов, в качестве которой принята парабола второго порядка.
6. Расчеты на разработанной компьютерной модели показали, что численные параметры эмпирической функции распределения f(Q) количества воды, подаваемой ОС на орошение возделываемых севооборотов, а также их структура существенно влияют на оптимальное соотношение площадей оро шаемого и неорошаемого севооборотов и на расчетную мощность ороситель ной сети.
7. Обоснована методика автоматизированного выбора вариантов тех нической эксплуатации ОС, реализованная методом дискретной оптимизации на основе задачи линейного программирования с учетом ограничений на мате риально-технические, финансовые и трудовые ресурсы, а также на объем про изводства сельскохозяйственной продукции.
8. Разработана информационная технология принятия решений по выбору эффективных вариантов технической эксплуатации гидромелиоратив ных объектов, реализованная в СППР и включающая:
формирование БД атрибутивной информации о состоянии ОТЭ гид ромелиоративной системы;
предварительную обработку исходной информации для внесения в тематические слои цифровых карт подсистем ГИС;
адаптацию разработанных математически моделей к особенностям и условиям эксплуатируемой гидромелиоративной системы;
прогноз вариантов при возможных сценариях планирования техниче ской эксплуатации;
выбор оптимального варианта и формирования технической доку ментации Визуализацию результатов моделирования.
9. Апробация разработанной информационной технологии на Горо дищенской ОС Волгоградской области показали, по экспертным оценкам спе циалистов отрасли, повышение уровня автоматизации на 12…15%, информаци онного обеспечения технического состоянии гидромелиоративной системы - на 10…12%, снижение интеллектуальной нагрузки ЛПР при анализе многовари антных ситуаций на 7…9%.
10. Применение разработанной СППР повышает эффективность разра ботки плана ремонта и технической эксплуатации ОС. Расчетный экономиче ский эффект за счет оптимизации использования ограниченных материально технических, финансовых и трудовых ресурсов составляет для условий Горо дищенской ОС Волгоградской области 127 руб./га.
Основные положения диссертации отражены в следующих работах:
Издания, рекомендованные ВАК:
1. Бородычев, В.В. Оптимизация параметров оросительной системы в ус ловиях сочетания в её пределах орошаемого массива с богарным / В.В. Бороды чев, Д.А.Рогачёв // Мелиорация и водное хозяйство, 2007.- №6, с. 23-24.
2. Бородычев, В.В. Программное обеспечение поддержки принятия реше ний при эксплуатации оросительных систем / В.В. Бородычев, Д.А. Рогачёв // Мелиорация и водное хозяйство, 2009.- № 4, с. 31-34.
Материалы научно-технических конференций:
3. Рогачев, Д.А. Управленческие информационные системы в мелиорации / Д.А. Рогачев // Проблемы и перспективы развития мелиорации: Сборник ма териалов региональной научно-практической конференции. – Новочеркасск:
НГМА, 2002.- С. 77-79.
4. Рогачев, Д.А. Повышение эффективности управления гидромелиора тивными системами с использованием коммерческого геоинформационного программного обеспечения. Материалы республиканской научной конферен ции «Экологические и социально-гигиенические аспекты среды обитания чело века» / РГПУ, Рязань, 2003.
5. Рогачев, Д.А. Информационные технологии в задачах мониторинга экосистем / Д.А. Рогачев. - Влияние природных и антропогенных факторов на социоэкосистемы. Выпуск II/РГМУ, Рязань, 2003г.
6. Рогачев, Д.А. Многофакторный дисперсионный анализ влияния регу лирования фитоклимата на урожайность озимой пшеницы / Д.А. Рогачев, Т.И.
Мазаева. - Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы АПК» /ВГСХА, Волгоград.
7. Рогачев, Д.А. Информационные технологии принятия управленческих решений в задачах мониторинга состояния экосистем /Д.А. Рогачев - Научный вестник: Экономические и социальные науки. Вып.3 / Волгогр. гос. с.-х. акад.
Волгоград, 2004. С. 54-55.
8. Рогачев, Д.А. Интеграция инструментальных средств оперативной ана литической обработки (OLAP) с ГИС технологиями в задачах управления, тех нической эксплуатации ОС/ Д.А. Рогачёв. - Экологическое состояние природ ной среды и научно-практические аспекты современных мелиоративных техно логий: Сб. Науч тр. / Мещанский филиал ГНУ ВНИИГиМ. – Рязань, 2004.
С. 564-565;
9. Бородычев, В.В. Оптимизация управленческих решений на основе гео информационных технологий / В.В. Бородычев, Д.А. Рогачев.- Актуальные про блемы развития АПК: Матер. междунар. научн.-практич. конф. / Волгогр. гос.
с.-х. акад. Волгоград, 2005. -С. 18-20.
10. Рогачёв, Д.А. Оптимизация технико-экономических параметров систем орошения с учетом стохастичности / Д.А. Рогачёв, В.В. Бородычёв // Применение инновационных технологий в подготовке специалистов высшей квалификации для АПК Волгоградской области.- Волгоград, ФГОУ ВПО ВГСХА ИПК "Нива", 2008.- С.345-349.
Патенты на изобретения:
1. Пат. №2228607 Российская Федерация, МПК 7 А 01 G 7/00. Способ управления продукционными процессами при возделывании озимых зерновых культур в условиях засушливого климата [Текст] / А.Ф. Рогачёв, А.М. Салдаев, Д.А. Рогачёв;
заявитель и патентообладатель Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия;
опубл. 20.05.04, Бюл. № 14.
2. Пат. №2239310 Российская Федерация, МПК 7 G 01 25/09. Водозабор ное устройство поливной машины [Текст] / А.Ф. Рогачёв, А.М. Салдаев, Д.А. Рогачёв, А.Г. Гагарин;
опубл. 10.11.04, Бюл. №31.