Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

NORMATIVE-REFERENCE DATABASE STRUCTURE FOR AGRICULTURAL MANUFACTURERS SUPPORT SYSTEM AND RATIONAL CHOICE OF COST-EFFECTIVE ADAPTIVE TECHNOLOGIES FOR GRAIN CROPS CULTIVATION

Gostev A.V. 1 Pykhtin A.I. 2
1 All-Russia Research Institute of Arable Farming and Soil Erosion Control RAAS
2 Southwest State University
1068 KB
Nowadays, landscape specific agriculture development, along with precision farming, is one of the most promising areas for improving crop production worldwide. At the same time, further farming systems improvement should be based not only on the latest achievements of traditional fields of agronomical science, but on some of the interdisciplinary researches, that make good use of the results of modern scientific research. The study addresses the results of the scientific study on the development of the normative-reference database structure for agricultural manufacturers support system and rational choice of cost-effective technologies for grain crops cultivation, taking into account the current trends in the development of native agriculture, including a list of the necessary technological methods and the conditions for their smart use, aggregates, tools and machines, as well as varieties and hybrids of grain crops. As a result of the analysis and categorization of extensive experimental data on optimization and resource saving of agrotechnologies in different natural and climatic conditions of the European part of the Russian Federation, there has been made out an essentially new scheme of choosing a rational technology for cultivating grain crops, which allows agrarians to avoid wrong decisions and to make full use of environmental and physical assets. The normative-reference database structure includes three blocks: the initial (input) data block, the normative information block, the computational algorithms data block. From this point on, on the bedrock of the developed database, there will be developed a computer program «System for the agricultural manufactures support for the rational choice of cost-effective technologies for grain crops cultivation,» which, using the baseline information, interactively allows providing best practice advice in a certain agrotechnology usage for the purpose of getting stable and highly remunerative production of plant products of specified quantity and quality.
Keywords database
agrotechnologies
economic feasibility
adaptability
grain crops

Неотъемлемой частью системы хозяйствования на земле стало использование передовых разработок в области информатики и техники как на уровне внедрения автоматизации сельского хозяйства (бортовые датчики, системы позиционирования, навигации и т.п.), так и на уровне специализированного программного обеспечения, в том числе и в виде разнообразных систем поддержки принятия решений. Программное наполнение, создание и совершенствование специализированных баз знаний, генерация, оптимизация и реализация агротехнических решений с учетом вариабельности природно-климатических условий при возделывании различных сельскохозяйственных культур представляют обширный потенциал для дальнейшего развития аграрной науки. Решающую роль в процессе развития земледелия будут играть исследования по совершенствованию информационного обеспечения методов принятия решений (моделей, алгоритмов, баз данных и экспертных систем).

Неслучайно в настоящее время вектор направленности научных исследований и разработок переместился в область обобщения и анализа информации, получаемой из различных источников, создания новых и адаптации имеющихся моделей продукционного процесса сельскохозяйственных культур, совершенствования методов выработки решений на основе моделей и баз данных. Этой тематике посвящены как российские [1, 2], так и зарубежные [3–5] исследования.

Существующий информационно-технический потенциал современной науки позволяет, в частности, разработать и создать компьютерную систему по выработке максимально эффективной и вместе с тем экологически безопасной адаптивной агротехнологии для каждого поля с учётом вариабельности природных условий и экономических ограничений в конкретном хозяйстве. Решение этой задачи, в свою очередь, связано с необходимостью представления, формализации и чёткого синтеза научных знаний и информации, накопленной в агрономии [6].

Целью проведенных исследований являлась разработка нормативно-справочной базы данных системы поддержки сельхозтоваропроизводителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания зерновых культур.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

− на основе анализа и обобщения научных публикаций по вопросу научно обоснованного применения технологий возделывания зерновых культур определены наиболее эффективные условия применения агротехнологических приемов адаптивных агротехнологий;

− обоснованы региональные условия эффективного применения таких технологий, способствующие повышению рентабельности производства;

− подобран состав сортов и гибридов зерновых культур, а также сельскохозяйственной техники отечественного и импортного производства для обеспечения адаптивных агротехнологий;

− сформирована структура базы данных системы поддержки сельхозтоваропроизводителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания зерновых культур.

Исследования проводились на основе анализа, оптимизированного обобщения и систематизации существующих экспериментальных данных по применению технологий возделывания зерновых культур различного уровня интенсивности (в том числе и собственных) за период с 2000 по 2017 гг. с использованием системного подхода, структурно-функционального метода, метода экспертных оценок, метода прогнозирования, оценки адекватности, логического и математического анализа. Данное исследование соответствует мировому уровню, область применения – земледелие. Результаты исследования предназначены для сельхозтоваропроизводителей, научных сотрудников и студентов. Предполагается их внедрение на площади более 10 млн га.

База данных – организованная структура, предназначенная для хранения информации [7]. В состав концептуальной структуры разработанной проблемно-ориентированной базы данных (рис. 1) входят следующие блоки: блок данных исходной (вводимой) информации, блок данных нормативной информации, блок данных расчетных алгоритмов.

В процессе адаптации агротехнологий к сложившимся природно-климатическим особенностям ландшафта необходимо четко дифференцировать каждый агротехнологический прием по целесообразности его применения к текущим условиям [8]. Поэтому очень важно достоверно заполнить блок данных исходной информации, так как на базе данных показателей при использовании блока данных нормативной информации и происходит формирование адаптивной агротехнологии. Причем блок агроклиматических показателей используется в первую очередь для оценки соответствия сложившихся природных условий для комфортного произрастания сельскохозяйственных культур, а, например, природно-климатическая зона, экспозиция склона и содержание гумуса – для определения уровня базисной урожайности агротехнологии.

gost1.wmf

Рис. 1. Концептуальная структура нормативно-справочной базы данных системы поддержки сельхозтоваропроизводителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания зерновых культур

В свою очередь, для расчета потребности в ресурсах для обеспечения предлагаемой агротехнологии, а также для выявления наиболее высокорентабельного варианта, в базе данных предполагается наличие нормативной информации по каждой затратной позиции. Подобная нормативная информация подразумевает наличие обширной справочной информации (банка данных), работа по формированию которого уже ведется в рамках выполнения текущих задач данной научной работы [9].

Подбор адаптивной технологии возделывания выбранной культуры должен вестись поэтапно: в первую очередь необходимо определиться с сортом/гибридом выбранной культуры, определить целесообразность возделывания данной культуры исходя из информации о предшественнике, выявить назначение выходной продукции, желаемый уровень продуктивности, а затем последовательно и обоснованно приступить к формированию из отдельных технологических приемов целостной агротехнологии с учетом условий их наиболее эффективного применения исходя из многочисленных результатов научных исследований. Помимо этого, с целью установления наиболее высокорентабельной агротехнологии, необходимо использовать современную сельскохозяйственную технику, применение которой позволяет увеличивать производительность труда и экономить материальные ресурсы.

Традиционно любая технология возделывания сельскохозяйственной культуры включает в себя несколько блоков агротехнологических приемов: приемы по основной обработке почвы, приемы по предпосевной подготовке почвы и посеву, приемы по уходу за посевами, приемы по защите растений от сорняков, болезней и вредителей, приемы по уборке и первичной подработке выходной продукции. Если допустить, что каждый блок может иметь три варианта решения, то в пределах одной агротехнологии возможно 35 или 243 варианта и поэтому применение принципа адаптивности позволяет сокращать количество возможных вариаций, а выявление наиболее рентабельных из них позволяет получать сельхозтоваропроизводителям наибольшую прибыль в перерасчете на единицу затраченных ресурсов. Как раз для этого и производится автоматизированный ориентировочный расчет экономической эффективности для предлагаемых вариантов агротехнологий с целью установления наиболее рациональной и высокорентабельной из предложенных.

Так как современная конъюнктура рынка довольно нестабильна и рентабельность производства сельскохозяйственной продукции зависит в первую очередь от сложившихся цен на выходную продукцию, колеблющихся по годам в кратном размере, и от цен на ГСМ, удобрения и пестициды, имеющие тенденцию к ежегодному росту, то, скорее всего, следует обращать внимание и на энергетическую эффективность технологии, ориентировочный расчет которой также необходимо производить в автоматизированном режиме на основании выбранных показателей.

С каждым годом на рынке информационных систем появляется все больше программных продуктов, в том числе и предназначенных для эффективного менеджмента сельскохозяйственных предприятий. По своей функциональности, подобные программные продукты могут быть подразделены на следующие группы [10]:

− системы диалоговой обработки запросов (TPS), которые направлены на выполнение и обслуживание повседневных эксплуатационных операций сельскохозяйственного предприятия в диалоговом режиме;

− управляющие информационные системы (MIS), которые позволяют решать вопросы планирования и управления, используя структурные информационные потоки;

− системы поддержки принятия управленческих решений (DSS), которые способствуют принятию управленческих решений, синтезируя данные, сложные аналитические модели и удобное для пользователя программное обеспечение в единую мощную систему, которая способна поддерживать слабоструктурированное или неструктурированное принятие решений.

Последняя группа особо значима, так как ее программные продукты обладают наибольшими функциональными возможностями в области моделирования и прогнозирования. К сожалению подобные продукты, несмотря на их колоссальные преимущества, до сих пор не получили широкого распространения на отечественных сельскохозяйственных предприятиях. Основные причины – высокая стоимость подобных продуктов, а также сложность разработки, включающей в себя этапы по сбору и обработке имеющихся данных, анализу и проектированию моделей разрабатываемой информационной системы и непосредственно созданию алгоритма и готового программного продукта с последующей апробацией.

Для программной реализации нормативно-справочной базы данных системы поддержки принятия решений необходимо спроектировать соответствующую структуру компьютерной базы данных, инфологическая модель «сущность – связь» которой представлена на рис. 2 [9].

gost2.tif

Рис. 2. Инфологическая модель «сущность – связь» разрабатываемой системы

Модель содержит следующие основные взаимосвязанные сущности: «Crop» – сельскохозяйственная культура (с учетом сорта), «Predecessor» – предшественник, «Crop predecessors» – соответствие культур и предшественников, «Parameter» – показатель блока данных исходной и (или) нормативной информации, «Parameter type» – тип показателя (например, числовой, выбор из списка и т.д.), «Parameter level» – возможный уровень значения показателя, «Parameter level complience» – соответствие показателей и их возможных уровней, «Technology» – технология возделывания культуры, «Best technology» – адаптивная технология возделывания культуры, «Complience level» – возможный уровень соответствия определенного уровня показателя определенной технологии для заданной культуры и предшественника, «Technology complience» – соответствие значение показателя определенной технологии для заданной культуры и предшественника, «Register» – регистр технологий, «Machinery» – сельскохозяйственная техника. Указанная модель спроектирована с использованием технологии IDEF1Х, и на ее основе может быть создана конкретная реализация программной базы данных с использованием любой табличной СУБД.

Таким образом, применение приведенной структуры нормативно-справочной базы данных системы поддержки сельхозтоваропроизводителей по рациональному выбору высокорентабельных адаптивных технологий возделывания зерновых культур позволяет избежать неверных решений при выборе адаптивной к сложившимся природно-климатическим условиям агротехнологии, подойти к этому процессу с позиции научной обоснованности и экономической целесообразности. Дальнейшее создание на основе сформированной базы данных математической модели и алгоритма выбора высокорентабельной адаптивной агротехнологии позволит разработать программу для ЭВМ, способную в автоматизированном режиме по результатам введенной информации рекомендовать к использованию наиболее целесообразную агротехнологию выбранной сельскохозяйственной культуры.

Работа выполнена в рамках Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук № МК-1064.2018.11.