UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The paper characterizes the methods of construction and algorithms for the functioning of an in-formation and analytical management system for technological and financial and economic process-es of water use in interstate irrigation systems using mathematical and neural network models, as well as organization twin models.
artificial intelligence, water use, water distribution, information system, artificial neural network, economic and mathematical modeling, twin models
Введение
Дефицит пресной воды в ближайшей перспективе может стать одним из наиболее острых глобальных вызовов человечеству. Урбанизация, изменения климата, повышение антропогенной нагрузки привели к повышению потреблению воды в различных отраслях экономики. Несмотря на то, что Россия обладает большими запасами питьевой воды, ее рациональное использование является крайне важным. Дефицит поливной воды уже сейчас и, по большей мере, в ближайшей перспективе становится актуальной проблемой в ряде регионов РФ с низким уровнем водообеспеченности. Проведенный анализ отечественной практики водопользования свидетельствует о необходимости существенного снижения непроизводительных затрат поливной воды: на фильтрацию, испарение, сбросы, приближающихся в некоторых случаях к 3040%.
Теория и практика задач планирования, реализации, совершенствования и развития водопользования орошаемого земледелия всегда были и остаются предметом пристального внимания многих советских и российских ученых. В последнее время решениями по анализу и разработке технологий оптимизации и планирования водораспределения в условиях дефицита поливной воды занимались: И. Бегимов, А. Бубер, С. Васильев, Ю. Добрачев, В. Духовный, Ю. Домашенко, Л. Кирейчева, С. Найденов, Г. Ольгаренко, И. Ольгаренко, И. Юрченко и другие ученые [1,2,3,4,5,6,7]. Масштабное применение в мелиоративном секторе российского АПК инновационных информационных технологий позволит, по мнению экспертов, существенно сократить объемы забора воды из источников орошения [1,2,6].
В настоящей работе изложены результаты НИР, проводимые ФГБНУ «Федеральный научный центр гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова» по разработке технологий управления системным водопользованием, в том числе с в условиях дефицита, с использованием интеллектуальных решений.
Материалы и методы
В качестве методологической основы исследований используются труды отечественных и зарубежных ученых в области водопользования мелиоративного сектора АПК, информационных технологий, в том числе базирующихся на решениях и инструментариях цифровой трансформации, фундаментальных положений математического программирования, теории оптимизации.
Методы настоящих исследований включают: системный, сравнительный, эвристический анализы; математическое и экономикоматематическое моделирование; методы математикостатистического подхода, оценки экологоэкономической эффективности, информационноаналитической и интеллектуальной поддержки принятия решений; теорию и практику обработки и трансформации массивов больших данных (Big Data) в сфере системного водопользования с применением искусственного интеллекта (ИИ).
Современный мировой опыт и отечественная практика показывают, что приоритетным направлением снижения рисков планирования и оперативной реализации водоподачи на ОС является использование автоматизированных систем управления технологическими процессами и производством.
Результаты и обсуждение
Планирование водораспределения на межхозяйственных оросительных системах в настоящее время опирается на обеспечение декадных заявок сельхозпроизводителей в пределах лимитов поливной воды, предусмотренных производственным планом водохозяйственной организации. В условиях дефицита решение о подаче воды осуществляется, как правило, на основании экспертных оценок лица принимающего решения, преимущественно без учета интересов мелких потребителей. При таком подходе оптимальность критериев распределения водных ресурсов четко не формулируется, а последствия результатов принятого варианта не оцениваются. Подобный подход способствует формированию проблемы нарушения базовых принципов, декларируемых плановым водопользованием – равноправности водопотребителей и непрерывности водоподачи, усугубляющейся в периоды дефицита водообеспеченности орошения [8].
Проблемы системного водораспределения во многом связаны со старением и неудовлетворительным состоянием гидротехнических сооружений, что приводит к потерям поливной воды и отказу предоставляемых услуг.
В составе НИР разработаны предложения по модернизации и совершенствованию управления водопользованием на межхозяйственных оросительных, системах, базирующиеся на методологии моделирования и создания прототипов (цифровых двойников) моделируемых процедур, операций и процессов.
С этой целью выполнены следующие работы:
описаны стадии становления системного водопользования; охарактеризовано его актуальное состояние, определены узкие места действующих подходов к его управлению, возможности и перспективы рационализации системного водопользования на орошении;
установлены наиболее важные направления и определены задачи совершенствования системного водопользования, опирающиеся на научно обоснованные подходы и методологию реализации управляющих воздействий [9,10];
выявлены критерии оптимизации и спроектированы экономикоматематические модели выбора мероприятий технической эксплуатации на межхозяйственных оросительных системах, планирования водораспределения в условиях дефицита поливной воды и финансовоэкономическая модель «Цифровой двойник» водохозяйственной организации;
разработаны алгоритмы процедур водопользования, в том числе в условиях дефицита поливной воды [7];
апробированы модели и технологии оптимизации управленческих решений на материалах службы эксплуатации Городищенской оросительной системы (Волгоградская область) и Красногвардейской оросительной системы (Республика Крым) [11];
разработан прототип интеллектуальной автоматизированной системы управления водопользованием ИАС «Водопользование ОС»;
выполнена пилотная программная реализация подсистемы ИАС «Техническая эксплуатация» с использованием эволюционногенетических вычислений и средств визуализации ГИС (свидет. о гос. регистрации № 2024667866).
Базовые концептуальные положения этих исследований в части моделирования процессов системного водопользования, разработки прототипа интеллектуальной автоматизированной системы и программной реализация подсистемы ИАС характеризуются в настоящей публикации.
Моделирование процессов системного водопользования
Перечень разработанных в рамках НИР математических моделей процессов системного водопользования и решаемых ими задач приведен в таблице 1.
Таблица 1. Математические модели процессов системного водопользования
|
Название модели |
Решаемые задачи |
|
1.Экономико–математическая модель оптимального распределения ограниченных водных ресурсов на межхозяйственных оросительных системах |
Моделирование сценариев тактического и оперативного планирования водораспределения |
|
2.Стохастическая модель системного водораспределения в условиях дефицита водных ресурсов |
Оптимизация площадей орошения в пределах ОС с учетом ретроспективных данных водопользования |
|
3.Модель планирования мероприятий технической эксплуатации. |
Моделирование сценариев выделения средств в условиях ограничения финансирования ремонтновосстановительных работ. |
|
4.Финансовоэкономическая модель «Цифровой двойник» водохозяйственной организации. |
Оценка последствий принятых решений по водопользованию на показатели работы организации. |
|
5.Статистическая модель прогнозирования временных рядов урожайности сельскохозяйственных культур в процедурах планирования системного водораспределения |
Прогнозирование урожайности на базе ретроспективных данных для оценки альтернативных сценариев водораспределения |
На сегодняшний день эффективным инструментарием реализации оптимизационных моделей становятся интеллектуальные информационные технологии с приоритетным использованием нейросетевых технологий. Во всех отраслях экономики, включая агропромышленный комплекс, они занимают ведущие позиции в системах поддержки принятия решений [12]. На смену классическим методам оптимизации при многокритериальности или нелинейности целевой функции приходят методы эволюционногенетического программирования, являющиеся одним из направлений ИИ.
Обоснованием необходимости использования методов ИИ в задачах управления водопользованием на межхозяйственных ОС с применением моделей многокритериальной оптимизации является отсутствие четкого алгоритма решения в связи с его высокой вариабельностью, неопределенность поведения моделей, а также необходимость повышения эффективности применения автоматизированных систем управления, как производством в целом, так и отдельными технологическими процессами производства.
Прототип интеллектуальной автоматизированной системы управления водопользованием ИАС «Водопользование ОС»
В рамках НИР была сформирована структурно–функциональная схема автоматизированной системы управления ИАС «Водопользование ОС».
Целью создания ИАС «Водопользование ОС» является повышение качества управления:
технологическим процессом планирования оптимального тактического (годового) и оперативного (суточного) водораспределения на межхозяйственных оросительных системах, имеющего решающее значение в условиях маловодья источников орошения, аварий и других форсмажорных обстоятельств;
техническим состоянием и ремонтновосстановительными работами на ГТС по результатам плановых обследований, обеспечивающих возможность реализации управляющих воздействий системной водоподачи;
финансово–экономическими процессами водохозяйственной организации, необходимыми для сохранения и расширения требующихся предприятий при усиливающейся конкуренции на рынке сельскохозяйственной продукции.
Функциональная модель ИАС интегрирует: картографическую и атрибутивную реляционные базы данных (БД); процедуры экономикоматематического моделирования; модели искусственного интеллекта для оптимизации нелинейных многокритериальных целевых функций водораспределения; интеллектуальные модели прогнозирования технического состояния водопроводящих ГТС, а также финансово–экономическую модель оценки качества управления водохозяйственной организацией (рис. 1).
Система реализует информационную и технологическую поддержку специалистов службы водохозяйственной организации путем совершенствования структуры потоков информации, обеспечивая системное планирование водораспределения за счет внедрения многокритериальных экономикоматематических моделей оптимизации, реализуемых методами ИИ.
В настоящее время в процессе разработки ИАС реализована пилотная версия подсистемы «Техническая эксплуатация» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024667866).
Программное обеспечение ИАС
Разработка прототипа автоматизированной системы управления ведется на базе технологической платформы 1СПредприятие 8.3, обеспечивающей возможность интеграции с типовыми тиражными решениями на базе программного комплекса «1С». Для реализации функционала ГИС использовано тиражируемое решение компаний «1С» и «Центр Программ Систем» 1СGIS «Управление пространственными данными» [13].
Рисунок 1. Структурнофункциональная схема ИАС «Водопользование ОС»
Такой подход позволяет применять готовые решения по визуализации пространственной информации и сфокусироваться на реализации содержательных аспектов функционала системы.
Подсистема «Техническая эксплуатация», обеспечивая решение задачи оптимизации мероприятий технической эксплуатации осуществляет так же и учет технического состояния объектов ОС, данных водопотребителей и дополнительных объектов, позволяющих визуализировать пространственноориентированные данные на карте.
Програмное решение позволяет упростить ведение учета объектов технической эксплуатации и связанных с ними элементах, реализует хранение сведений о иерархической структуре системы, в том числе с возможностью визуализации объектов на линейной схеме (рис. 2).
Рисунок 2. Форма элемента «Справочника ОС», на примере объектов Насосные станции
Решение задачи оптимизации выполняется с использованием надстройки «Поиск решения» программного комплекса MS Excel, адаптированной автором для рассматриваемой модели [3]. На рисунке 3 представлены результаты оптимизации распределения ограниченных финансовых ресурсов на ремонт насосных станций. Расчеты выполнены на материалах службы эксплуатации Красногвардейской оросительной системы ГБУ Республика Крым «Крымское управление водного хозяйства и мелиорации».
Система позволяет визуализацию информации по объектам учета (количество отказов за контролируемый период времени, даты капитального ремонта, реконструкции, потребности в финансировании последних и т. п. сведения). В качестве подложки ГИС возможно использовать карты и спутниковые снимки.
В рамках дальнейших исследований планируется разработка:
- подсистемы «Водораспределение» АСУ «Водопользование ОС», для решения задач планирования водоподачи и водораспределения;
- подсистемы «Прогнозирование» АСУ «Водопользование ОС», для прогнозирования урожайности, погодных явления и решения прочих вспомогательных задач;
- моделей двойниковорганизаций и их интеграция с АСУ «Водопользование ОС» на базе тиражируемых решений 1С.
Рисунок 3. Результаты оптимизации распределения средств на ремонтновосстановительные работы
Внедрение системы автоматизации управления эксплуатацией планируется на ОС в Республике Крым.
В заключение следует отметить, что при всей важности решения проблемы совершенствования управления водопользованием на ОС мелиоративного водохозяйственного комплекса с приоритетным использованием инновационных решений, отвечающих современным требованиям агропроизводства, потенциал методов и способов искусственного интеллекта не имеет должного уровня реализации в сфере управленческих решений по мелиорации.
1. Begimov I. Automation of Ferghana Valley canals. The results of the work on the project. – Tash-kent, 2010. [electronic resource]. Access mode: http://sic.icwcaral.uz .
2. Olgarenko, I. V. Information technologies of water use planning and operational management of water distribution in irrigation systems : specialty 06.01.02 "Land reclamation, reclamation and pro-tection of lands" : dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences / Olgarenko Igor Vla-dimirovich. – Novocherkassk, 2013. – 448 p. – EDN SVAPAZ.
3. Kireicheva, L. V. Models and information technologies of water use management on meliorative systems providing a favorable meliorative regime / L. V. Kireicheva, I. F. Yurchenko, V. M. Yashin // Melioration and water management. – 2014. – № 56. – pp. 5055. – EDN SZNXEV.
4. Updated software methods for calculating water consumption and design irrigation standards within the framework of modern requirements, taking into account the bioclimatic potential of agri-cultural crops, the best available agricultural technologies and spatial and temporal variability of soil and climatic conditions: Methodological recommendations / G. V. Olgarenko, S. S. Turapin, T. A. Kapustina [et al.]. Kolomna: IP "Lavrenov A.V.", 2020. – 112 p. – ISBN 9785604528242. – EDN QKUDDF.
5. Buber, A. L. The task of planning and managing water resources in the interests of water users of the agroindustrial complex / A. L. Buber, Yu. P. Dobrachev // . – 2019. – № 5. – Pp. 3640. – EDN YIACCL.
6. Dukhovny V.A., Muminov Sh.Kh., Mirzaev N.N. The potential of agroindustrial clusters for the introduction of market mechanisms for managing and financing water management in Uzbekistan // "Melioration and water management", 2021. 1. S Naydenov, S. V. Optimization of water distribu-tion in irrigation systems with a shortage of water resources / S. V. Naidonov, Yu. E. Domashenko, S. M. Vasiliev // Ways to increase the efficiency of irrigated agriculture. – 2018. – № 1(69). – Pp. 132136
7. .Optimization of the distribution of limited water resources by methods of evolutionary ge-netic programming / L. V. Kireicheva, D. A. Rogachev, I. F. Yurchenko, A. F. Rogachev // Interna-tional Agricultural Journal. – 2024. – № 2(398). – Pp. 233238. – DOIhttps://doi.org/10.55186/25876740_2024_67_2_233. – EDN QABDGE.
8. Federal Law on Land Reclamation. Adopted by the State Duma on December 8, 1995 (as amended in 2022)
9. Rogachev, D. A. Management of systemic water distribution based on economic and mathemati-cal modeling and artificial intelligence methods / D. A. Rogachev, I. F. Yurchenko, A. F. Rogachev // Melioration and hydraulic engineering. 2023. – Vol. 13, No. 3. – pp. 87106. – DOIhttps://doi.org/10.31774/27129357202313387106. – EDN YPTZVK.
10. Rogachev, D. A. Management and Optimization of Systematic Water Adjustment by Econom-icMathematical Modeling Methods and AI / D. A. Rogachev, I. F. Yurchenko, A. F. Rogachev // 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, September 1016, 2023. – Sochi: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2023. – P. 888893. – DOIhttps://doi.org/10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272907.
11. Certificate of state registration of the computer program No. 2024611825 Russian Federation. "Optimization of irrigation water distribution in conditions of deficits by the method of evolution-ary genetic calculations with a nonlinear multicriteria objective function" : No. 2023688940 : appli-cation. 12/22/2023 : publ. 25.01.2024 / D. A. Rogachev ; applicant Federal State Budgetary Scien-tific Institution "Federal Scientific Center for Hydraulic Engineering and Melioration named after A.N. Kostyakov". – EDN KIKMXC.
12. Decree of the President of the Russian Federation "On the development of artificial intelligence in the Russian Federation" dated 10.10. 2019 No. 490 (together with the "National Strategy for the Development of Artificial Intelligence for the period up to 2030").
13. 1C: Enterprise 8. GIS Spatial Data Management. https://solutions.1c.ru/catalog/gis/features (ac-cessed 05/27/24)
