Лента новостей

Вход на сайт





Посетители


Сегодня:42
За неделю:366
За месяц:1418
Всего:40357

AGROTOOL 

 

         Система имитационного моделирования AGROTOOL представляет собой компьютерную динамическую модель продукционного процесса сельскохозяйственного посева. Используя в качестве входных данных метеорологическую информацию, сведения о применяемой агротехнике, параметрах почвы и возделываемой культуры модель AGROTOOL позволяет в динамике с суточным шагом рассчитать основные характеристики состояния системы «почва-растение-атмосфера» в течение всего сезона вегетации — от посева до уборки. Модель может использоваться для решения практических задач агрономического мониторинга (прогноз урожайности, оценка темпов фенологического развития, исследование и выбор наилучших агротехнических решений) являясь быстрой и надежной альтернативой натурному полевому эксперименту. Наряду с этим, она представляет собой удобный и мощный инструмент научного исследования в агро- и геоэкологии, позволяя решать многие проблемы теоретического характера (описание водного режима почвы, оценка биоклиматического потенциала территории, прогноз реакции агроэкосистем на климатические изменения и т. д.)

История

         Динамическая модель агроэкосистемы  AGROTOOL разрабатывается в лаборатории математического моделирования Агрофизического НИИ с 1976 года. Бессменным руководителем лаборатории в течение 45 лет был заслуженный деятель науки РФ, профессор Ратмир Александрович Полуэктов (1930-2012). За эти годы коллективом лаборатории разработано и выпущено три концептуальных поколения AGROTOOL, отвечавших текущим представлениям о подходах к математическому моделированию агроэкологических процессов и уровню развития вычислительной техники.

Поколение 1. Базовая модель агроэкосистемы.

Программно-аппаратная база – стационарные ЭВМ серий СМ и ЕС.

Принципы программной реализации – процедурная декомпозиция.

Уровень продуктивности модели по классификации де Вита - второй

Интерфейс взаимодействия – перфокарты.

Язык программирования – Фортран.

Специальная инфраструктура информационного обеспечения – отсутствует.

Поколение 2. Прикладная модель агроэкосистемы.

Программно-аппаратная база – персональные ЭВМ 286-486, операционная система DOS.

Принципы программной реализации – процедурная декомпозиция.

Уровень продуктивности модели по классификации де Вита – второй (с включением упрощенного описания азотного стресса)

Интерфейс взаимодействия – графический оконный пользовательский интерфейс, реализованный в среде Turbo Vision.

Язык программирования – Turbo Pascal.

 

Специальная инфраструктура информационного обеспечения – банк данных вариантов расчета, реализованный средствами файловой системы.

Поколение 3. Прикладная модель агроэкосистемы.

Программно-аппаратная база – персональные ЭВМ класса Pentium, операционные системы Windows 95/XP/7.

Принципы программной реализации – объектная декомпозиция c использованием технологии MDA (Model-Driven Architecture)

Уровень продуктивности модели по классификации де Вита – третий

Интерфейс взаимодействия – графический оконный интерфейс Windows.

Язык программирования – Borland Delphi + Bold.

Специальная инфраструктура информационного обеспечения – интегрированная среда планирования и проведения многофакторных компьютерных экспериментов, включающая в себя реляционную базу данных полевого опыта и параметров моделей и универсальную систему поливариантного расчета.

 

          В настоящее время ведутся работы по проектированию архитектуры модели AGROTOOL следующего (четвертого) поколения, позволяющей вести ее кооперативную разработку научным сообществом в распределенном режиме   в рамках процесса, приближенного к технологии OpenSource.  

 

Базовые принципы, положенные в основу модели AGROTOOL v.3

         Базовый алгоритм модели представляет собой  реализацию эволюционного оператора, позволяющего рекурсивно вычислять вектор значений всех определяющих характеристик моделируемого объекта (агроэкосистемы) на следующем шаге расчета, если известно состояние этого вектора на предыдущем шаге. Иными словами, реализуемый алгоритм моделирования динамики агроэкосистемы формально записывается в виде:

Base algorythm
где x – вектор состояния модели; a – вектор постоянных параметров; u – вектор контролируемых внешних воздействий (агротехника); w –  вектор неконтролируемых внешних воздействий (погода); k –  временной шаг модели, f - составляющий логическую суть модели эволюционный оператор. Тогда конечный (имеющий практическую ценность) результат моделирования (например, урожай) определяется как некая функция от вектора состояния в конечный момент моделирования k=T, то есть на момент уборки. Все внешние характеристики, необходимые для проведения процесса расчета (текущие значения векторов агротехники и погоды u и w на каждом шаге, вектор постоянных параметров a и начальное значение вектора внутренних характеристик x0), соответствующие текущему варианту расчета, читаются моделью из предварительно сформированной Оперативной Базы Данных — файла формата Microsoft Excel.

Основные  функциональные возможности, предоставляемые моделью:

  • Пошаговый расчет динамики агроэкосистемы с возможностью контроля ее состояния на каждом временном шаге.
  • Полный расчет динамики продукционного процесса на всем протяжении вегетационного периода (от посева до уборки).
  • Учет как предопределенных планов технологических воздействий (жестко назначенные даты и нормы), так и исследование гибких условных алгоритмов агротехнических мероприятий, основанных на триггерных схемах их применения (запуск по достижению тех или иных условий, определяемых состоянием агроэкосистемы).
  • Использование единой алгоритмической модели продукционного процесса третьего уровня продуктивности для описания различных типов сельскохозяйственных культур. Переключение от одного типа культур к другому осуществляется исключительно выбором набора параметров в ОБД. Моделирование в единой среде яровых и озимых злаковых культур, корнеплодов и многолетних трав (с учетом возможной множественности укосов)
  • Табличная и графическая визуализация результатов расчета в полностью настраиваемой и управляемой в RunTime режиме графической среде
  • Оформление внутренней бизнес логики модели в виде набора функций, обеспечивающих ее базовый функционал и зарегистрированных в рамках выделенной динамически подключаемой библиотеки dll. Последнее дает возможность использовать (вызывать) модель из произвольных внешних оболочек и сред моделирования, предоставляемых сторонними разработчиками.

         Принципы и приемы работы с доступной для свободного скачивания демонстрационной версией модели приведены в документе «Руководство пользователя». Список внутренних переменных модели содержится в документе «Описание переменных состояния модели»

 Алгоритмическое наполнение модели AGROTOOL v.3

         Модель AGROTOOL является одноточечной, то есть описывает динамику развития гипотетического горизонтально-однородного посева, предусматривая стратификацию по единственной вертикальной координате. В текущей версии модели заложено математическое описание следующих взаимосвязанных процессов, протекающих в системе «почва-растение-атмосфера»

  • Турбулентность и энерго-массообмен в приземном слое атмосферы
  • Радиационный и тепловой баланс почвы и посева
  • Формирование и таяние снежного покрова
  • Перехват коротковолновой радиации и фотосинтез посева
  • Фенологическое развитие растений
  • Испарение влаги с поверхности почвы и транспирация слоем растительности
  • Динамика почвенного влагозапаса (многослойная модель почвы)
  • Термический режим почвы
  • Распределение первичных ассимилятов и органогенез
  • Динамика микробной популяции в почве
  • Динамика азотсодержащих соединений в почве (нитрификация, денитрификация, разложение органического вещества, вертикальный транспорт и вынос в грунтовые воды)
  • Двухпоточная динамика взаимодействия углерода и азота в растении с учетом пулов структурных и запасных веществ.
  • Рост растений и формирование урожая

         Детальное описание методов и алгоритмов математического описания перечисленных процессов содержится в документе «Алгоритмичекая структура модели» и/или в соответствующих научных публикациях, доступных для просмотра и скачивания на данном информационном ресурсе.

         В модели учитываются следующие виды агротехнологических мероприятий

  • Сев
  • Поливы (поддерживается схема декларативного и автоматического управления режимом орошения)
  • Внесение азотных удобрений в почву
  • Азотные подкормки «по листу»
  • Укосы
  • Уборка урожая

         В качестве входной метеорологической информации модель использует следующие характеристики

  • Минимальная за сутки температура воздуха
  • Максимальная за сутки температура воздуха
  • Минимальная (или средняя) за сутки относительная влажность воздуха
  • Количество выпавших за сутки осадков
  • Среднесуточная скорость ветра
  • Коэффициент ослабления солнечной радиации (безразмерная величина, характеризующая условия облачности для данного дня)

         Принципы информационного обеспечения модели и описание формата входных данных приведены в документах «Информационное обеспечение модели» и «Описание параметров модели»

 

Ограничения демонстрационной версии

         В разделе «Программы и разработки» доступна для свободного скачивания и использования демонстрационная версия модели AGROTOOL v.3

Функциональные ограничения демонстрационной версии:

  1. Модель предоставляется в конфигурации одновариантного расчета, то есть в виде «модель как она есть», (без инфраструктуры планирования и проведения многофакторных компьютерных экспериментов) Формирование набора входной информации (Оперативной Базы Данных) для очередного варианта расчета остается обязанностью и прерогативой пользователя. Тестовые варианты наборов входных параметров прилагаются при скачивании в качестве примеров.
  2. В качестве демонстрационного варианта выложена версия модели второго уровня продуктивности (с поддержкой упрощенного описания стресса роста по уровню внесенных азотных удобрений). То есть в нем отключены блоки детального описания динамики азота в почве и растительности. По мере развития модели четвертого поколения, полнофункциональная версия модели третьего уровня продуктивности будет также опубликована для свободного скачивания.

Правовые ограничения демонстрационной версии:

         Версия модели, свободно скачанная с данного сайта, может быть без ограничений использована для ознакомления с ее функциональностью, научных исследований, применения в качестве демонстрационного и/или методического материала в учебном процессе. Не допускается коммерческое использование демонстрационной версии с целью извлечения прибыли и/или ее распространение и передача третьим лицам на платной основе. Сообщество разработчиков AGROTOOL будет признательно всем потенциальным пользователям за любую обратную связь, то есть за предоставление информации об областях возможного использования модели, оценки ее функциональности и соображений об улучшениях.

 

По вопросам предоставления полнофункциональной версии модели или ее коммерческого использования необходимо связываться с любым представителем открытого сообщества разработчиков AGROTOOL по адресам, приведенным в разделе «Контакты»