УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Актуальность цифровой трансформации процесса водораспределения на межхозяйственных оросительных системах обусловлена потребностью практики в научно обоснованных методологических решениях по эффективному управлению водопользованием. Организация и проведение водопользования требуют также оперативности принятия решений и автоматизации рутинных вычислений и операций. Цель исследования: разработка и внедрение эффективных методов управления и технологических решений по рациональному распределению поливной воды между пользователями, учитывающих в напряженных природно – хозяйственных условиях интересы каждого из участников процесса водопользования. Материалом исследований служили: научные публикации и фондовые материалы, отчёты и др. сведения от организаций - разработчиков технологических решений по водопользованию и эксплуатационных организаций, нормативно-правовые акты, стандарты, экспертные заключения, интервью специалистов. В качестве приоритетных методов приняты: анализ, систематизация и обобщение информации по тематике НИР. Изучены информационные потоки водохозяйственных организации мелиоративного сектора АПК, выявлены проблемы управления водораспределением в сложных природно-хозяйственных условиях. Разработаны модели и алгоритмы для решения приоритетных задач водопользования, включая задачу рационального водораспределения при дефиците водных ресурсов с использованием многокритериальной модели в качестве функции цели. Реализована оптимизация модели методом эволюционно генетического программирования – одного из ведущих методов искусственного интеллекта. Создано специализированное программное обеспечение для автоматизированной системы управления водопользованием (АСУ «Водораспределение»). Тестирование АСУ на примере материалов службы эксплуатации Городищенской оросительной системы ФГБУ «Волгоградмелиоводхоз» показало рост эффективности водораспределения на 10% по сравнению с традиционными методами назначения управляющих воздействий
цифровизация, оптимизация, автоматизация, искусственный интеллект, водораспределение
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. Кирейчева, Л. В. Основные направления водосбережения в орошаемом земледелии России / Л. В. Кирейчева // Мелиорация и водное хозяйство. – 2024. – № 4. – С. 79-82. – EDN LJTZCL.
2. Принципы применения информационных технологий при организации и проведении планирования водопользования на оросительных системах / В. И. Ольгаренко, И. В. Ольгаренко, И. В. Коржов, В. И. Ольгаренко // Мелиорация и гидротехника. – 2024. – Т. 14, № 3. – С. 100-115. – DOIhttps://doi.org/10.31774/2712-9357-2024-14-3-100-115. – EDN URAPHZ.
3. Использование мобильных IT-приложений для решения задач водопользования на внутрихозяйственной оросительной сети / Е. А. Волкова, Д. А. Кудравец, В. И. Коржов, И. В. Коржов // Мелиорация и гидротехника. 2023. Т. 13, № 3. С. 30–47. https://doi.org/10.31774/2712-9357-2023-13-3-30-47.
4. Мелихова, Е. В. Реализация методов искусственного интеллекта и глубоких нейронных сетей в задачах сельскохозяйственных мелиораций / Е. В. Мелихова, И. С. Белоусов // Научное обоснование стратегии цифрового развития АПК и сельских территорий : материалы Национальной научно-практической конференции, Волгоград, 09 ноября 2022 года / Волгоградский государственный аграрный университет. Том I. – Волгоград: Волгоградский государственный аграрный университет, 2023. – С. 302-307. – EDN QXWTEK.
5. Интеллектуальная система поддержки принятия решений для управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом : К 100-летию Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова / С. Д. Исаева, Э. Б. Дедова, А. В. Матвеев [и др.]. – Москва : Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова, 2024. – 204 с. – ISBN 978-5-907464-78-0. – DOIhttps://doi.org/10.37738/VNIIGIM.2024.19.62.001. – EDN ZTXNHM.
6. Ресурсы агромелиоративных систем: Научно-практическое издание / В. Н. Щедрин, А. Н. Бабичев, Ю. Е. Домашенко [и др.]. – Москва: Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса, 2021. – 312 с. – ISBN 978-5-7367-1673-9. – EDN JXLZJB.
7. Рогачев, Д. А. Управление системным водораспределением на основе экономико-математического моделирования и методов искусственного интеллекта / Д. А. Рогачев, И. Ф. Юрченко, А. Ф. Рогачев // Мелиорация и гидротехника. – 2023. – Т. 13, № 3. – С. 87-106. – DOIhttps://doi.org/10.31774/2712-9357-2023-13-3-87-106. – EDN YPTZVK.
8. Годовой технический отчет за 2017г. Городищенского филиала ФГБУ «Управление «Волгоградмелиоводхоз».
9. Годовой отчет по технической эксплуатации за 2022 год Красногвардейского филиала. Раздел II. Водопользование и гидрометрия. Государственного бюджетного учреждения Республики Крым «Крымское управление водного хозяйства и мелиорации».
10. ГОСТ Р 58376-2019 "Мелиоративные системы и гидротехнические сооружения. Эксплуатация. Общие требования" [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://docs.cntd.ru/document/1200163279 (дата обращения 24.12.2024 г.).
11. Федеральный закон о мелиорации земель. Принят Государственной Думой 8 декабря 1995 г. (редакция с поправками от 2022 г.).
12. Технология управления системным водопользованием с применением методов искусственного интеллекта и моделей - двойников организации / Д. А. Рогачев, Л. В. Кирейчева, И. Ф. Юрченко, А. Ф. Рогачев // Международный сельскохозяйственный журнал. – 2024. – № 4(400). – С. 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. Аlaimo, 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.
