Информационная технология поддержки принятия решений при планировании технической эксплуатации гидромелиоративных систем
Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы предусматривается проведение агротехнических мероприятий по сохранению и повышению почвенного плодородия, в том числе более рациональному использованию земель сельскохозяйственного назначения. При решении этих задач важное место занимает техническая эксплуатация гидромелиоративных систем в условиях ограниченности материально-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 условиях ограниченности средств, выделяемых на техническую эксплуатацию, цена принятия управленческих решений возрастает, поэтому необходимы научно обоснованные технологии поддержки процедуры принятия решений. Применение информационных технологий, в том числе использующих географические информационные системы (ГИС) существенно расширяет возможности 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 рациональность управленческих решений является особенно актуальным.
Известные работы по применению ГИС-технологий в мелиорации посвящены в основном разработке систем контроля и визуализации почвенного плодородия земель и технического состояния ОС. В то же время, требуется системы поддержки принятия решения при выборе вариантов технической эксплуатации с реализацией оптимизационного подхода. Необходима оценка последствий принятых решений и прогнозирование развития ситуаций при технической эксплуатации ОС.
Актуальность исследований подтверждается выполнением их в соответствии с научно-технической программой РАСХН «Земледелие, мелиорация и лесное хозяйство» (2006-2010 гг.).
Целью работы является обоснование и разработка информационной технологии поддержки принятия решений при планировании технической эксплуатации гидромелиоративных систем с использованием геоинформационных систем, интегрированных с подсистемами оптимизации на основе математического моделирования.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Обоснована методика оптимизации планируемого размера поливных площадей в пределах ОС с учетом стохастичности и задаваемой вероятностью производства сельскохозяйственной продукции. Определены для условий Городищенской ОС численные параметры эмпирической функции f(Q) многолетнего распределения количества воды, подаваемой на орошение возделываемых севооборотов.
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 орошаемого и неорошаемого севооборотов и на расчетную мощность оросительной сети.
Обоснована методика автоматизированного выбора вариантов технической эксплуатации ОС, реализованная методом дискретной оптимизации на основе задачи линейного программирования с учетом ограничений на материально-технические, финансовые и трудовые ресурсы и объем сельскохозяйственного производства.
Основные положения:
Работа выполнена в соответствии с п. 33 Паспорта специальности ВАК 06.01.02 «Исследование, разработка и совершенствование методов, способов и технологий информационного обеспечения управленческой мелиоративной деятельности».
Научная гипотеза: Информационная технология поддержки принятия решения, использующая ГИС оросительной системы, интегрированная с подсистемой оптимизации на основе математического моделирования, позволит повысить обоснованность выбора варианта технической эксплуатации.
Практическая значимость: создан инструментарий для эксплуатационных водохозяйственных организаций для решения задач оптимизации параметров и распределения средств по водохозяйственным объектам в процессе эксплуатации.
Личный вклад соискателя заключается в разработке научной гипотезы и программы исследований, теоретическом и методическом обосновании научных исследований, разработке методик математического моделирования и программной реализации на ЭВМ, численному моделированию и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы. Материалы исследований рассматривались на секциях Ученого Совета ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии в 2002-2005 годах, на Региональной научно-практической конференции НГМА «Проблемы и перспективы развития мелиорации» (Новочеркасск, 2002), Республиканской научной конференции РГПУ «Экологические и социально-гигиенические аспекты среды обитания человека» (Рязань, 2003), Международной научно-практической конференции ВГСХА «Проблемы АПК» (Волгоград, 2003),: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития АПК» (Волгоград, 2005), Региональной научно-практической конференции «Применение инновационных технологий в подготовке специалистов высшей квалификации для АПК Волгоградской области (Волгоград, 2008), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской ГСХА (Волгоград, 2002-2009).
Основные положения работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 2 патента на изобретения.
Общие выводы
Решенная в рамках диссертационной работы задача создания информационной технологии для оптимального распределения материально-технических, финансовых и других ресурсов оптимизирует, на основе математических моделей, планирование и выполнение ремонтно-эксплуатационных работ в процессе технической эксплуатации гидромелиоративных систем.
Информационная технология планирования эксплуатационных мероприятий, объединяющая системы ввода и обработки данных, математические модели обоснования вариантов технического обслуживания и ремонта, а также принятия управленческих решений и интерактивные средства визуализации получаемых результатов, позволяет повысить качество управленческих решений.
Использование разработанной СППР позволяет снизить негативные последствия традиционных методов и источников информации: неполнота, неточность, разнородность и разобщенность, низкая оперативность доступа ЛПР к информационным ресурсам, низкий уровень автоматизации процессов сбора, анализа, поиска, хранения, актуализации и интерпретации данных, использования базы знаний.
Использование геоинформационной системы, интегрированной в состав СППР, обеспечивает возможность динамической актуализации и визуализации информации, что особенно привлекательно в случаях планирования и обоснования управленческих решений.
Опытная эксплуатация разработанной СППР на базе Городищенской ОС показала эффективность реализованных методов при решении задачи задач, являющихся традиционными для службы эксплуатации в целом - разработки плана ремонта и технического ухода, обеспечивающих оптимальное использование материально-технических, финансовых и трудовых ресурсов в рамках выделяемых лимитов. Использование разработанной СППР позволяет дополнительно получать важную oneративную информацию для ЛПР, послужит стимулом к распространению информационных технологий и управленческих ИС в области технической эксплуатации и реконструкции гидромелиоративных объектов.
Техническим результатом использования СППР на базе Городищенской ОС является повышение, по экспертным оценкам специалистов отрасли, уровня автоматизации на 12...15%, информационного обеспечения технического состоянии гидромелиоративной системы на 10. 12%, снижение интеллектуальной нагрузки ЛПР на 7.9% при анализе многовариантных ситуаций.
В то же время, реальная эффективность применения СППР во многом определяется уровнем подготовленности обслуживающего персонала и достоверностью, качеством и своевременностью представления достоверных исходных данных.
При разработке планов технической эксплуатации необходимо учитывать значительные и постоянно возрастающие объемы природно-экологической, технико-технологической и организационно-экономической информации. В условиях ограниченности средств, выделяемых на техническую эксплуатацию, цена принятия управленческих решений возрастает, поэтому необходимы научно обоснованные технологии поддержки процедуры принятия решений. Применение информационных технологий, в том числе использующих географические информационные системы (ГИС) существенно расширяет возможности 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 рациональность управленческих решений является особенно актуальным.
Известные работы по применению ГИС-технологий в мелиорации посвящены в основном разработке систем контроля и визуализации почвенного плодородия земель и технического состояния ОС. В то же время, требуется системы поддержки принятия решения при выборе вариантов технической эксплуатации с реализацией оптимизационного подхода. Необходима оценка последствий принятых решений и прогнозирование развития ситуаций при технической эксплуатации ОС.
Актуальность исследований подтверждается выполнением их в соответствии с научно-технической программой РАСХН «Земледелие, мелиорация и лесное хозяйство» (2006-2010 гг.).
Целью работы является обоснование и разработка информационной технологии поддержки принятия решений при планировании технической эксплуатации гидромелиоративных систем с использованием геоинформационных систем, интегрированных с подсистемами оптимизации на основе математического 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 оптимизации распределения ресурсов;
- обоснование методики и выбор вариантов планирования технической эксплуатации гидромелиоративных систем;
- разработка информационной технологии ППР технической эксплуатации гидромелиоративных объектов.
- проверка функционирования и эффективности применения разработанной системы на объектах технической эксплуатации оросительной системы.
Обоснована методика оптимизации планируемого размера поливных площадей в пределах ОС с учетом стохастичности и задаваемой вероятностью производства сельскохозяйственной продукции. Определены для условий Городищенской ОС численные параметры эмпирической функции f(Q) многолетнего распределения количества воды, подаваемой на орошение возделываемых севооборотов.
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 орошаемого и неорошаемого севооборотов и на расчетную мощность оросительной сети.
Обоснована методика автоматизированного выбора вариантов технической эксплуатации ОС, реализованная методом дискретной оптимизации на основе задачи линейного программирования с учетом ограничений на материально-технические, финансовые и трудовые ресурсы и объем сельскохозяйственного производства.
Основные положения:
- информационная технология поддержки принятия решений в области планирования технической эксплуатации ОС, основанная на ГИС-технологиях;
- математические модели для решения оптимизационных задач планирования, на базе ГИС, технической эксплуатации ОС;
- методика, алгоритмы и процедуры принятия управленческих решений с использованием разработанной СППР на базе ГИС-технологий.
Работа выполнена в соответствии с п. 33 Паспорта специальности ВАК 06.01.02 «Исследование, разработка и совершенствование методов, способов и технологий информационного обеспечения управленческой мелиоративной деятельности».
Научная гипотеза: Информационная технология поддержки принятия решения, использующая ГИС оросительной системы, интегрированная с подсистемой оптимизации на основе математического моделирования, позволит повысить обоснованность выбора варианта технической эксплуатации.
Практическая значимость: создан инструментарий для эксплуатационных водохозяйственных организаций для решения задач оптимизации параметров и распределения средств по водохозяйственным объектам в процессе эксплуатации.
Личный вклад соискателя заключается в разработке научной гипотезы и программы исследований, теоретическом и методическом обосновании научных исследований, разработке методик математического моделирования и программной реализации на ЭВМ, численному моделированию и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы. Материалы исследований рассматривались на секциях Ученого Совета ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии в 2002-2005 годах, на Региональной научно-практической конференции НГМА «Проблемы и перспективы развития мелиорации» (Новочеркасск, 2002), Республиканской научной конференции РГПУ «Экологические и социально-гигиенические аспекты среды обитания человека» (Рязань, 2003), Международной научно-практической конференции ВГСХА «Проблемы АПК» (Волгоград, 2003),: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития АПК» (Волгоград, 2005), Региональной научно-практической конференции «Применение инновационных технологий в подготовке специалистов высшей квалификации для АПК Волгоградской области (Волгоград, 2008), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской ГСХА (Волгоград, 2002-2009).
Основные положения работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 2 патента на изобретения.
Общие выводы
- Анализ научно-технических источников показал, что задачу оптимизации планирования технической эксплуатации ОС целесообразно решать на основе ГИС-технологий, что позволяет не только получать запланированные урожаи путем обеспечения планируемого водного режима орошаемых земель, но и способствует поддержанию почвенного плодородия на допустимом уровне.
- Анализ информационных потоков при технической эксплуатации ОС выявил необходимость применения СППР на основе ГИС-технологии для решения задачи планирования мероприятий технической эксплуатации, позволяющей повысить уровень информационного обеспечения анализа и принятия многовариантных управленческих решений и обеспечивать возможностью оптимизации решения задач технической эксплуатации с использованием методов статистического анализа и математического моделирования.
- Предложена структурно-функциональная модель СППР на основе ГИС-технологии, интегрирующая картографическую и атрибутивную реляционные БД, блоки математического моделирования, учитывающие стохастический характер процессов, и блок дискретной оптимизации выбора вариантов технической эксплуатации ОС.
- Обоснована целесообразность включения информациионно-аналитической, картографической и учетно-управленческой подсистем в СППР технической эксплуатации и доказана целесообразность реализации такой интегрированной системы на платформе «1С-Предприятие-8», поддерживающей ввод, актуализацию и обработку атрибутивной и картографической информации, решение учетно-аналитических и оптимизационных задач во взаимодействии с глобальной навигационной системой ГЛОНАС.
- Обоснована методика оптимизации планируемого размера поливных площадей в пределах ОС с учетом стохастичности и задаваемой вероятностью производства сельскохозяйственной продукции. Определены для условий Городищен-ской ОС численные параметры эмпирической функции Ц^) многолетнего распределения количества воды, подаваемой на орошение возделываемых севооборотов, в качестве которой принята парабола второго порядка.
- Расчеты на разработанной компьютерной модели показали, что численные параметры эмпирической функции распределения ^С)) количества воды, подаваемой ОС на орошение возделываемых севооборотов, а также их структура существенно влияют на оптимальное соотношение площадей орошаемого и неорошаемого севооборотов и на расчетную мощность оросительной сети.
- Обоснована методика автоматизированного выбора вариантов технической эксплуатации ОС, реализованная методом дискретной оптимизации на'основе задачи линейного программирования с учетом ограничений на материально-технические, финансовые и трудовые ресурсы и объем сельскохозяйственного производства.
- Разработана информационная технология принятия решений по выбору эффективных вариантов технической эксплуатации гидромелиоративных объектов, реализованная в СПГТР и включающая:
- 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 особенностям и условиям эксплуатируемой гидромелиоративной системы;
- прогноз вариантов при возможных сценариях планирования технической эксплуатации;
- выбор оптимального варианта и формирования технической документации
- Визуализацию результатов моделирования.
- Апробация разработанной информационной технологии на Городищенской ОС Волгоградской области, показали, по экспертным оценкам специалистов отрасли, повышение уровня автоматизации на 12. 15%, информационного обеспечения технического состоянии гидромелиоративной системы — на 10. 12%, снижение интеллектуальной нагрузки ЛПР при анализе многовариантных ситуаций на 7.9%.
- Применение разработанной СППР повышает эффективность разработки плана ремонта и технической эксплуатации ОС. Расчетный экономический эффект за счет оптимизации использования ограниченных материально-технических, фит, нансовых и трудовых ресурсов составляет для условий Городищенской ОС Волгоградской области 127 руб./га.
Решенная в рамках диссертационной работы задача создания информационной технологии для оптимального распределения материально-технических, финансовых и других ресурсов оптимизирует, на основе математических моделей, планирование и выполнение ремонтно-эксплуатационных работ в процессе технической эксплуатации гидромелиоративных систем.
Информационная технология планирования эксплуатационных мероприятий, объединяющая системы ввода и обработки данных, математические модели обоснования вариантов технического обслуживания и ремонта, а также принятия управленческих решений и интерактивные средства визуализации получаемых результатов, позволяет повысить качество управленческих решений.
Использование разработанной СППР позволяет снизить негативные последствия традиционных методов и источников информации: неполнота, неточность, разнородность и разобщенность, низкая оперативность доступа ЛПР к информационным ресурсам, низкий уровень автоматизации процессов сбора, анализа, поиска, хранения, актуализации и интерпретации данных, использования базы знаний.
Использование геоинформационной системы, интегрированной в состав СППР, обеспечивает возможность динамической актуализации и визуализации информации, что особенно привлекательно в случаях планирования и обоснования управленческих решений.
Опытная эксплуатация разработанной СППР на базе Городищенской ОС показала эффективность реализованных методов при решении задачи задач, являющихся традиционными для службы эксплуатации в целом - разработки плана ремонта и технического ухода, обеспечивающих оптимальное использование материально-технических, финансовых и трудовых ресурсов в рамках выделяемых лимитов. Использование разработанной СППР позволяет дополнительно получать важную oneративную информацию для ЛПР, послужит стимулом к распространению информационных технологий и управленческих ИС в области технической эксплуатации и реконструкции гидромелиоративных объектов.
Техническим результатом использования СППР на базе Городищенской ОС является повышение, по экспертным оценкам специалистов отрасли, уровня автоматизации на 12...15%, информационного обеспечения технического состоянии гидромелиоративной системы на 10. 12%, снижение интеллектуальной нагрузки ЛПР на 7.9% при анализе многовариантных ситуаций.
В то же время, реальная эффективность применения СППР во многом определяется уровнем подготовленности обслуживающего персонала и достоверностью, качеством и своевременностью представления достоверных исходных данных.
