UDC 631.6
CSCSTI 68.31
Russian Classification of Professions by Education 35.00.00
Russian Library and Bibliographic Classification 4
Russian Trade and Bibliographic Classification 5607
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The relevance of the digital transformation of the water distribution process in inter-farm irrigation systems is determined by the need for practice in scientifically based methodological solutions for effective water use management. The organization and conduct of water use also require prompt decision-making and automation of routine calculations and operations. The purpose of the study is to develop and implement effective management methods and technological solutions for the rational distribution of irrigation water between users, taking into account the interests of each participant in the water use process in stressful natural and economic conditions. The research materials included scientific publications and stock materials, reports, and other information from organizations developing technological solutions for water use and operating organizations, regulatory legal acts, standards, expert opinions, and interviews with specialists. The following methods have been adopted as priority methods: analysis, systematization and generalization of information on research topics. The information flows of the water management organizations of the reclamation sector of the agro-industrial complex are studied, the problems of water distribution management in difficult natural and economic conditions are revealed. Models and algorithms have been developed to solve priority water use problems, including the problem of rational water distribution in case of water scarcity using a multi-criteria model as a goal function. The optimization of the model by the method of evolutionary genetic programming, one of the leading methods of artificial intelligence, is implemented. Specialized software has been created for the automated water management system (ACS "Water Distribution"). Testing of automated control systems using the example of materials from the Gorodishchenskaya irrigation system maintenance service of the Volgogradmeliovodkhoz Federal State Budgetary Institution showed a 10% increase in water distribution efficiency compared to traditional methods of assigning control actions.
digitalization, optimization, automation, artificial intelligence, water distribution
Введение. В современном мире, где технологии стремительно развиваются и проникают во все сферы жизни, цифровизация становится ключевым фактором успеха и конкурентоспособности предприятия, организации, сектора экономики и т.п. структуры. Особую актуальность цифровая трансформация производства приобретает в сфере водопользования мелиоративного водохозяйственного комплекса, так как эффективность использования водных ресурсов является залогом успешности как экономики, так и экологии.
Цифровизация системного водораспределения дает возможность комплексного подхода к оптимизации, автоматизации и внедрению искусственного интеллекта в процессы управления водными ресурсами. Это направление объединяет передовые технологии и методы, направленные на повышение эффективности использования воды, снижение потерь и обеспечение устойчивого развития агропроизводства на орошении .
Ключевым аспектом цифровизации системного водораспределения является оптимизация управления водопользованием. Она включает в себя анализ данных о водопотреблении, определение величины водозабора, формирование критериев эффективности водопользования, обеспечение своевременной и стабильной водоподачи пользователям, равноправное и справедливое распределение поливной воды между пользователями, назначение рациональных управляющих воздействий, выявление «узких мест» системы водораспределения и разработку мер по их устранению. Оптимизация позволяет снизить затраты на водоподачу и водоотвод, а также повысить качество предоставляемых услуг.
К следующему важному этапу цифровизации водораспределения относится автоматизация процессов назначения управляющих воздействий, что позволяет снизить влияние человеческого фактора на процессы принятия решений, повысить точность и оперативность управления водопользованием. Автоматизация предусматривает внедрение систем дистанционного управления, использование датчиков и систем мониторинга, а также разработку алгоритмов управления на основе искусственного интеллекта.
Искусственный интеллект (ИИ) представляет собой наиболее перспективное направление цифровизации водораспределения на межхозяйственных оросительных системах. Методы ИИ позволяют анализировать большие объёмы данных, выявлять закономерности и тенденции технологических процессов, а также прогнозировать поведение управляемых систем. Цифровизация системного водораспределения имеет преимущества в части эффективности водораспределения перед традиционными методами управления водопользованием, в составе которого вышеуказанные инновационные подходы, как правило, не практикуются.
В работе представлены результаты проектирования, разработки, тестирования и апробации подсистемы «Водораспределение», полученные учеными ФГБНУ «Федеральный научный центр гидротехники и мелиорации им А.Н. Костякова» в составе исследований по созданию автоматизированной системы управления водопользованием государственных оросительных систем АСУ «Водопользование ОС».
Материалы и методы. Материалом исследований служили:
- научные публикации и статьи, посвящённые цифровизации систем водопользованния, оптимизации технологических процессов водораспределения, автоматизации и применению искусственного интеллекта в данной области;
- отчёты и исследования отечественных и зарубежных организаций, занимавшихся вопросами водоподачи и водоотведения;
- нормативно-правовые акты и стандарты, регулирующие сферу водопользования в России и за рубежом;
- экспертные заключения и интервью специалистов в области цифровизации систем водораспределения.
В качестве методов исследований использованы: анализ литературных и фондовых материалов, а также нормативно – правовых актов по теме исследований; сравнительный анализ действующих подходов к цифровизации систем водораспределения и примеров успешных проектов в данной области; систематизация и обобщение информации.
Результаты и обсуждение. Выполненные исследования и анализ методологических и технологических подходов к управлению системным водопользованием, сформированных в основном в 70-80 г. г. прошлого столетия, выявили необходимость их развития и совершенствования в соответствии с требованиями становления конкурентоспособного и устойчивого отечественного агропроизводства. По мнению экспертов сферы мелиорации приоритетными направлениями трансформации управления водопользованием государственных оросительных систем должны стать:
- учет изменившихся социально-экономических условий и отношений в агропромышленном секторе, сформировавшихся за последнее время. К ним относятся: изменение структуры собственности, внедрение новых технологий, усиление конкуренции, а также изменения в государственной политике и регулирование рынка;
- повышение достоверности и масштабов прогнозируемых параметров, служащих исходной информацией и данными для управления водопользованием: планируемая водообеспеченность оросительной системы, урожайность и структура орошаемых земель, затрат водохозяйственной организации и т. п. факторов;
- совершенствование и формирование новых подходов и методов, алгоритмов и процедур управления водораспределением, включая планирование водоподачи в условиях дефицита водных ресурсов. Последнее, практически не регламентируется действующими нормативно – методическими документами;
- разработка показателей и мультикритериальной целевой функции оценки эффективности технологических процессов и организации водопользования, интегрирующей монокритерии, обусловленные разнообразными, порой противоречивыми требованиями к оптимальности управления водопользованием различных аспектов его организации и функционирования: бизнеса, экономики, экологии; социума;
- реализация методов искусственного интеллекта для решения задач оптимизации и прогнозирования результатов и параметров управления водопользования, существенно повышающих точность расчетов и достоверность планируемых результатов;
- автоматизация процедур назначения управляющих воздействий, выполнения трудоемких вычислений, оформления отчетной документации, отсутствие которых сдерживает использование эффективных, но трудоемких решений, и как следствие снижает производительность управленческой деятельности и качество эксплуатационных мероприятий.
Решение этих проблем достигается цифровой трансформацией управления водопользованием государственных оросительных систем, интерес к которой актуализировался в последнее время, в том числе и у специалистов ФНЦ «ВНИИГиМ им. А. Н. Костякова» . Функциональная структура подсистемы «Водораспределение» автоматизированной системы АСУ «Водопользования ОС» (далее по тексту система «Водораспределение»), разработанная во ВНИИГиМ, позволяет:
- осуществлять планирование годовой/сезонной) и/или декадной/суточной водоподачи;
- оптимизировать распределение ограниченного объёма воды между потребителями, участками и отводами водопроводящей сети, водовыделами;
- получать оперативную информацию для эффективного управления процессом распределения воды;
- проводить аудит качества водораспределения и формировать детальные отчеты для повышения прозрачности и эффективности управления водными ресурсами.
- автоматизировать процесс работы с информацией, данными, документами, процедурами принятия управляющих воздействий;
- повысить производительность труда через автоматизацию рутинных задач и вычислений.
В условиях достаточной водообеспеченности планирование системного водораспределения выполняется согласно заявкам потребителей. Водораспределение в условиях дефицита воды осуществляется на основе экономико-математического оптимизационного моделирования с использованием методов искусственного интеллекта. Эффективно сбалансированное распределение водных ресурсов достигается последовательным улучшением решения с помощью генетического алгоритма, который имитирует эволюционные процессы. В качестве локальных критериев для многокритериальной функции цели оптимизационной задачи планирования приняты: валовая стоимость продукции растениеводства на орошении, площадь орошаемых земель, доход водохозяйственной организации. Результаты работы модели визуализируются с помощью геоинформационной системы (ГИС), интегрированной в АСУ, что позволяет оценить распределение воды на картографической основе. Предложенный подход обеспечивает комплексное решение проблем системного водораспределения, учитывая потребности и предпочтения всех участников процесса. Это способствует устойчивости агропроизводства на орошаемых землях. Алгоритм автоматизированного планирования водораспределения на межхозяйственной оросительно системе представлен.
Рисунок 1. - Алгоритм автоматизированного планирования системного водораспределения
Программный комплекс «Водораспределение» обеспечивает системе функциональность, удобство использования, надежность, взаимодействие с внешними системами и устройствами, масштабируемость, адаптацию к изменениям объема данных и пользователей, быстродействие, соответствие законодательству, гибкость и т.п. свойства, отвечающие ключевым требованиям к работоспособности и интерфейсу автоматизированных систем.
Операции по планированию технологическими процессами водопользования ОС объединены в специализированные блоки, которые реализуют определенные этапы процесса управления. Выделены подготовительный блок, блок планирования годовой и сезонной водоподачи; блоки декадного, оперативного и суточного водораспределения; справочный блок. Каждый из них имеет свои структурные разделы, интерфейс для функционирования и взаимодействия с пользователем и другими блоками системы.
Структурные элементы подготовительного этапа включают следующие разделы: определение площадей полива и норм орошения для культур, расчет сезонного потребления воды, анализ водообеспеченности, передача предварительных лимитов водоподачи потребителям.
Этап годового /сезонного планирования представлен разделами: сбор, обобщение и анализ заявок на воду, балансовые расчеты водопользования с учетом лимитов водозабора и режима источника орошения, передача данных потребителям.
В составе этапа декадного/суточного планирования выделяются разделы: формирования заявок водопотребителей, мониторинг водоподачи и планирование транзитов, выявление дополнительных источников воды, расчет водоподачи по элементам инфраструктуры, информирование потребителей о плане водораспределения.
Укрупненная структура базы данных подсистемы «Водораспределение» на уровне объектов метаданных конфигурации 1С-Предприятие приведена в таблице.
Таблица . Структура объектов системы Водораспределение в конфигурации 1С-Предприятие
|
Группа объектов / Объект |
Тип объекта |
|
Справочники |
|
|
«Водовыделы» |
Описывает структуру сети, связи орошаемых участков потребителей с водовыделами на оросительной системе, позволяет определять лимиты подачи воды по водовыделам и в целом по системе для установленных периодов планирования |
|
«Периоды планирования водоподачи» |
Хранит информацию о периодах планирования водоподачи: год, месяц, декада, день и.т.п. |
|
«Потребители» |
Характеризует природно-хозяйственные условия хозяйств водопотребителей, перечень возделываемых культур; технико-экономические параметры орошения: площадь, структура орошаемых земель, оросительные нормы и пр. |
|
«Культуры» |
Позволяет собирать и хранить сведения об оросительных нормах, урожайности на поливе и на богаре, стоимости и затратах на производство продукции и прочих показателях, связанных с растениеводством. |
|
Документы |
|
|
«Заявки потребителей» |
Обеспечивает сбор, хранение обработку и подготовку к использованию данных заявок на водоподачу от хозяйств – потребителей по периодам планирования системного водораспределения. |
|
«Планы подачи воды» |
Осуществляет консолидацию заявок потребителей в разрезе водовыделов, выполняет анализ возможности обеспечения всех заявок или необходимости их корректировки с учетом дефицита водообеспеченности системы. |
|
Отчеты |
|
|
«Сводные планы водоподачи» |
Позволяет формировать выходные формы сводных планов водоподачи с возможностью различных отборов и группировок. |
|
«Сводные отчеты по фактической водоподаче» |
Позволяет формировать выходные формы по фактической водоподаче в различных разрезах, с возможностью отчетов и группировок. |
|
Сервис |
|
|
«Карта» |
Позволяет визуализировать на географической карте атрибутивные данные, связанные с потребителями воды, получать доступ к атрибутивным данным. |
Интерфейс главного меню системы «Водораспределение» представлен разделами «Справочники», «Документы», «Отчеты».
Объекты раздела «Справочники» хранят статическую информацию, «Документы» — данные с датами и периодичностью, «Отчеты» и «Сервисы» — формируют выходные формы для обработки данных средствами 1С - Предприятие. Эффективность и удобство взаимодействия оператора с автоматизированной системой обеспечивается «дружелюбностью» интерфейса. Интерфейс форм объектов системы «Водораспределение» иллюстрируются на рисунках 2-4. На рисунке 2 в качестве примера интерфейса раздела «Справочники» представлена форма объекта «Водовыделы».
Рисунок 2. – Интерфейс формы объекта - Справочник «Водовыделы»
Интерфейс раздела «Документы» демонстрируется на примере объекта «План подачи воды». На рисунке 3 приведена форма для реализации процедуры «Оптимизировать в условиях дефицита», которая применяется в ситуации недостаточной водообеспеченности ОС.
Рисунок 3. - Параметры запуска оптимизации многокритериальной целевой функции с использованием методов эволюционно-генетического программирования
Формирование выходных документов планирования водораспределения с учетом различных критериев отбора и группировки данных осуществляется в разделе «Отчеты» в табличной, графической и картографической формах, необходимых для подготовки оперативной и/или статистической отчетности. Наличие ГИС-подсистемы позволяет получить различные (гибко настраиваемые на уровне пользователей) визуализации параметров потребителей. На рисунке 4 представлены примеры визуализации параметров хозяйств водопотребителей и доступ к атрибутивным данным с использованием географической карты.
В рамках исследований разработаны и зарегистрированы база данных и комплекс программных продуктов, обеспечивающих реализации АСУ «Водораспределение». Апробация и внедрение разработанных решений осуществлено в ФГБУ «Волгоградмелиоводхоз» и его Городищенском филиале. Использование модели оптимизации распределения поливной воды в 2023-2024 г. обеспечило экономию ресурсов по сравнению с традиционными способами планирования свыше 10%.
Заключение
Результаты разработки и апробации технологии планирования водораспределения на межхозяйственных оросительных системах, сочетающей оптимизацию управления с методами искусственного интеллекта и автоматизацией, подтверждают целесообразность применения цифровизации для повышения эффективности использования водных ресурсов и управления водопользованием.
Использование имеющихся решений, как и дальнейшее совершенствование технологий управления водопользованием в практике организаций мелиоративного сектора будет способствовать росту конкурентоспособности и успешности отечественного АПК в процессах становления устойчивого агропроизводства, соответствующего мировым стандартам.
1. Kireicheva, L. V. The main directions of water conservation in irrigated agriculture in Russia / L. V. Kireicheva // Land reclamation and water management. – 2024. – No. 4. – pp. 79-82. – EDN LJTZCL.
2. Principles of the use of information technologies in the organization and planning of water use in irrigation systems / V. I. Olgarenko, I. V. Olgarenko, I. V. Korzhov, V. I. Olgarenko // Land reclamation and hydraulic engineering. – 2024. – Vol. 14, No. 3. – pp. 100-115. – DOI
3. The use of mobile IT applications to solve water use problems on an on-farm irrigation network / E. A. Volkova, D. A. Kudravets, V. I. Korzhov, I. V. Korzhov // Land reclamation and hydraulic engineering. 2023. Vol. 13, No. 3. pp. 30-47.
4. Melikhova, E. V. Implementation of artificial intelligence methods and deep neural networks in the tasks of agricultural land reclamation / E. V.
5. Intelligent decision support system for the management of the melioration and water management complex : On the 100th anniversary of the All-Russian Scientific Research Institute of Hydraulic Engineering and Melioration named after A.N. Kostyakov / S. D. Isaeva, E. B. Dedova, A.V. Matveev [et al.]. - Moscow : All-Russian Scientific Research Institute of Hydraulic Engineering and Melioration A.N. Kostyakov, 2024. – 204 p. – ISBN 978-5-907464-78-0. – DOIhttps://doi.org/10.37738/VNIIGIM.2024.19.62.001. – EDN ZTXNHM.
6. Resources of agro-reclamation systems: Scientific and practical edition / V. N. Shchedrin, A. N. Babichev, Yu. E. Domashenko [et al.]. - Moscow: Russian Scientific Research Institute of Information and Technical and Economic Research on engineering and technical support of the agro–industrial complex, 2021. - 312 p. - ISBN 978-5-7367-1673-9. - EDN JXLZJB.
7. Rogachev, D. A. Management of systemic water distribution based on economic and mathematical modeling and artificial intelligence methods / D. A. Rogachev, I. F. Yurchenko, A. F. Rogachev // Land reclamation and hydraulic engineering. – 2023. – Vol. 13, No. 3. – pp. 87-106. – DOIhttps://doi.org/10.31774/2712-9357-2023-13-3-87-106. – EDN YPTZVK.
8. Annual Technical Report for 2017. Gorodishchensk branch of the Federal State Budgetary Institution Volgogradmelovodkhoz.
9. Annual report on technical operation for 2022 of the Krasnogvardeysky branch. Section II. Water use and hydrometry. State Budgetary Institution of the Republic of Crimea "Crimean Department of Water Resources and Land Reclamation".
10. GOST R 58376-2019 "Reclamation systems and hydraulic structures. Exploitation. General requirements" [Electronic resource]. - Access mode: https://docs.cntd.ru/document/1200163279 (date of application: 12/24/2024).
11. Federal Law on Land Reclamation. Adopted by the State Duma on December 8, 1995 (as amended in 2022).
12. Technology for managing systemic water use using artificial intelligence methods and organization twin models / D. A. Rogachev, L. V. Kireicheva, I. F. Yurchenko, A. F. Rogachev // International Agricultural Journal. – 2024. – No. 4(400). – pp. 404-410. – DOIhttps://doi.org/10.55186/25876740_2024_67_4_404. – EDN WCANWT.
13. Sharma, S., Pathak, B.K. & Kumar, R. Multi-objective Service Composition Optimization Smart Agriculture Using Fuzzy-Evolutionary Algorithm. Oper. Res. Forum 5, 43 (2024). https://doi.org/10.1007/s43069-024-00319-7.
14. Salotagi, S., Mallapur, J.D. Multi-objective modified emperor penguin optimization for resource allocation in internet of things agriculture applications. Multimed Tools Appl 83, 61139–61164 (2024). https://doi.org/10.1007/s11042-023-18064-0
15. Alaimo, L. S. Sustainable development goals indicators at territorial level: Conceptual and methodological issues – the Italian perspective / L. S. Alaimo, F. Maggino // Social Indicators Research. – 2020. – Vol. 147. – P. 383-419.
