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
В работе характеризуются методы построения и алгоритмы функционирования информационно-аналитической системы управления технологическими и финансово-экономическими процессами водопользования на межхозяйственных оросительных системах с использованием математических и нейросетевых моделей, а также моделей-двойников организации.
искусственный интеллект, водопользование, водораспределение, информационная система, искусственная нейронная сеть, экономико-математическое моделирование, модели–двойники
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. Бегимов И. Автоматизация каналов Ферганской долины. Итоги работ по проекту. – Ташкент. 2010. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://sic.icwcaral.uz.
2. Ольгаренко, И. В. Информационные технологии планирования водопользования и оперативного управления водораспределением на оросительных системах : специальность 06.01.02 "Мелиорация, рекультивация и охрана земель" : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Ольгаренко Игорь Владимирович. – Новочеркасск, 2013. – 448 с. – EDN SVAPAZ.
3. Кирейчева, Л. В. Модели и информационные технологии управления водопользовани-ем на мелиоративных системах, обеспечивающие благоприятный мелиоративный режим / Л. В. Кирейчева, И. Ф. Юрченко, В. М. Яшин // Мелиорация и водное хозяйство. – 2014. – № 56. – С. 5055. – EDN SZNXEV.
4. Актуализированные программные методы расчёта водопотребления и проектных норм орошения в рамках современных требований, с учетом биоклиматического потенциала сель-скохозяйственных культур, наилучших доступных аграрных технологий и пространствен-новременной изменчивости почвенноклиматических условий: Методические рекомендации / Г. В. Ольгаренко, С. С. Турапин, Т. А. Капустина [и др.]. – Коломна: ИП "Лавренов А.В.", 2020. – 112 с. – ISBN 9785604528242. – EDN QKUDDF.
5. Бубер, А. Л. Задача планирования и управления водными ресурсами в интересах водо-пользователей АПК / А. Л. Бубер, Ю. П. Добрачев // . – 2019. – № 5. – С. 3640. – EDN YIACCL.
6. Духовный В.А., Муминов Ш.Х., Мирзаев Н.Н. Потенциал агропромышленных класте-ров по внедрению рыночных механизмов управления и финансирования водного хозяйства Узбекистана // «Мелиорация и водное хозяйство», 2021. 1. С Найденов, С. В. Оптимизация водораспределения на оросительных системах при дефиците водных ресурсов / С. В. Найде-нов, Ю. Е. Домашенко, С. М. Васильев // Пути повышения эффективности орошаемого зем-леделия. – 2018. – № 1(69). – С. 132136
7. .Оптимизация распределения ограниченных водных ресурсов методами эволюционно-генетического программирования / Л. В. Кирейчева, Д. А. Рогачев, И. Ф. Юрченко, А. Ф. Рогачев // Международный сельскохозяйственный журнал. – 2024. – № 2(398). – С. 233238. – DOIhttps://doi.org/10.55186/25876740_2024_67_2_233. – EDN QABDGE.
8. Федеральный закон о мелиорации земель. Принят Государственной Думой 8 декабря 1995 года (редакция с поправками от 2022 г.)
9. Рогачев, Д. А. Управление системным водораспределением на основе экономикомате-матического моделирования и методов искусственного интеллекта / Д. А. Рогачев, И. Ф. Юрченко, А. Ф. Рогачев // Мелиорация и гидротехника. – 2023. – Т. 13, № 3. – С. 87106. – DOIhttps://doi.org/10.31774/27129357202313387106. – EDN YPTZVK.
10. Rogachev, D. A. Management and Optimization of Systematic Water Adjustment by Eco-nomicMathematic Modeling Methods and AI / D. A. Rogachev, I. F. Yurchenko, A. F. Rogachev // 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, 10–16 сентября 2023 года. – Sochi: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2023. – P. 888893. – DOIhttps://doi.org/10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272907.
11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024611825 Российская Федерация. «Оптимизация распределения оросительной воды в условиях дефи-цита методом эволюционногенетических вычислений с нелинейной многокритериальной целевой функцией» : № 2023688940 : заявл. 22.12.2023 : опубл. 25.01.2024 / Д. А. Рогачев ; заявитель Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова». – EDN KIKMXC.
12. Указ Президента Российской Федерации «О развитии искусственного интеллекта в Российской Федерации» от 10.10. 2019 г. № 490 (вместе с «Национальной стратегией разви-тия искусственного интеллекта на период до 2030 года»).
13. 1С:Предприятие 8. GIS Управление пространственными данными. https://solutions.1c.ru/catalog/gis/features (дата обращения 27.05.24)
