На правах рукописи

Рогачев Дмитрий Алексеевич

ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ

ПЛАНИРОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ

Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2009 2

Работа выполнена в Волгоградском комплексном отделе ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова» Россельхозакадемии

Научный руководитель – Член-корреспондент РАСХН, Заслуженный деятель науки РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Бородычев Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: Член-корреспондент РАСХН, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ольгаренко Владимир Иванович кандидат технических наук, доцент Пахомов Александр Алексеевич

Ведущая организация – ФГНУ «РосНИИПМ», г. Новочеркасск

Защита состоится 21 декабря 2009 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу:

400002, г. Волгоград, пр-т Университетский, 26, ауд.214.

С диссертационной работой можно ознакомится в научной библиотеке ВГСХА.

Автореферат разослан 20 ноября 2009 г. и размещен на сайте ВГСХА http: //www.vgsha.ru

Ученый секретарь диссертационного совета А.И. Ряднов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы предусматривается проведение агротехнических мероприятий по сохранению и повышению почвенного плодородия, в том числе более рациональному использованию земель сельскохозяйственного назначения. При решении этих задач важное место занимает техническая эксплуатация гидромелиоративных систем в условиях ограниченности материально-технических, финансовых и трудовых ресурсов.

При разработке планов технической эксплуатации необходимо учитывать значительные и постоянно возрастающие объемы природно-экологической, технико-технологической и организационно-экономической информации. В условиях ограниченности средств, выделяемых на техническую эксплуатацию, цена принятия управленческих решений возрастает, поэтому необходимы научно обоснованные технологии поддержки процедуры принятия решений.

Применение информационных технологий, в том числе использующих географические информационные системы (ГИС) существенно расширяет возможности лица, принимающего решения (ЛПР). Для задач планирования технической эксплуатации гидромелиоративных систем, характеризующихся существенной ресурсоемкостью, изношенностью оборудования и стохастичностью природноклиматических условий сельскохозяйственного производства, качество и рациональность управленческих решений является особенно актуальным.

Известные работы по применению ГИС-технологий в мелиорации посвящены в основном разработке систем контроля и визуализации почвенного плодородия земель и технического состояния ОС. В то же время, требуется системы поддержки принятия решения при выборе вариантов технической эксплуатации с реализацией оптимизационного подхода. Необходима оценка последствий принятых решений и прогнозирование развития ситуаций при технической эксплуатации ОС.

Актуальность исследований подтверждается выполнением их в соответствии с научно-технической программой РАСХН «Земледелие, мелиорация и лесное хозяйство» (2006-2010 гг.).

Целью работы является обоснование и разработка информационной технологии поддержки принятия решений при планировании технической эксплуатации гидромелиоративных систем с использованием геоинформационных систем, интегрированных с подсистемами оптимизации на основе математического моделирования.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- оценка технического состояния выбранных фрагментов оросительных систем и объектов технической эксплуатации;

- обоснование структуры атрибутивной и графической информации в БД;

- постановка задачи математического моделирования и дискретной оптимизации распределения ресурсов;

- обоснование методики и выбор вариантов планирования технической эксплуатации гидромелиоративных систем;

- разработка информационной технологии ППР технической эксплуатации гидромелиоративных объектов.

- проверка функционирования и эффективности применения разработанной системы на объектах технической эксплуатации оросительной системы.

Научная новизна:

Обоснована методика оптимизации планируемого размера поливных площадей в пределах ОС с учетом стохастичности и задаваемой вероятностью производства сельскохозяйственной продукции. Определены для условий Городищенской ОС численные параметры эмпирической функции f(Q) многолетнего распределения количества воды, подаваемой на орошение возделываемых севооборотов.

Расчеты на разработанной компьютерной модели показали, что численные параметры эмпирической функции распределения f(Q) количества воды, подаваемой ОС на орошение возделываемых севооборотов, а также их структура существенно влияют на оптимальное соотношение площадей орошаемого и неорошаемого севооборотов и на расчетную мощность оросительной сети.

Обоснована методика автоматизированного выбора вариантов технической эксплуатации ОС, реализованная методом дискретной оптимизации на основе задачи линейного программирования с учетом ограничений на материально-технические, финансовые и трудовые ресурсы и объем сельскохозяйственного производства.

Основные положения, выносимые на защиту:

- информационная технология поддержки принятия решений в области планирования технической эксплуатации ОС, основанная на ГИС-технологиях;

- математические модели для решения оптимизационных задач планирования, на базе ГИС, технической эксплуатации ОС;

- методика, алгоритмы и процедуры принятия управленческих решений с использованием разработанной СППР на базе ГИС-технологий.

Методика исследований основана на трудах отечественных и зарубежных ученых в области технической эксплуатации гидромелиоративных систем, информационных технологий, в том числе использующих ГИС, фундаментальных положениях системного анализа, математического программирования и моделирования, теории оптимизации. В работе использованы современные инструментальные средства реализации информационных технологий MS Excel с надстройкой «Поиск решения», картографические пакеты ArcGis, MapInfo, интегрированная система «1С-Предприятие-8».

Научная гипотеза: Информационная технология поддержки принятия решения, использующая ГИС оросительной системы, интегрированная с подсистемой оптимизации на основе математического моделирования, позволит повысить обоснованность выбора варианта технической эксплуатации.

Практическая значимость: создан инструментарий для эксплуатационных водохозяйственных организаций для решения задач оптимизации параметров и распределения средств по водохозяйственным объектам в процессе эксплуатации.

Личный вклад соискателя заключается в разработке научной гипотезы и программы исследований, теоретическом и методическом обосновании научных исследований, разработке методик математического моделирования и программной реализации на ЭВМ, численному моделированию и интерпретации полученных результатов.

Апробация работы. Материалы исследований рассматривались на секциях Ученого Совета ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии в 2002-2005 годах, на Региональной научно-практической конференции НГМА «Проблемы и перспективы развития мелиорации» (Новочеркасск, 2002), Республиканской научной конференции РГПУ «Экологические и социально-гигиенические аспекты среды обитания человека» (Рязань, 2003), Международной научнопрактической конференции ВГСХА «Проблемы АПК» (Волгоград, 2003),: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития АПК» (Волгоград, 2005), Региональной научно-практической конференции «Применение инновационных технологий в подготовке специалистов высшей квалификации для АПК Волгоградской области (Волгоград, 2008), на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской ГСХА (Волгоград, 2002-2009).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 2 патента на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и предложений, изложена на 142 страницах основного текста, включая 31 рисунок и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 107 наименований, в том числе 13 работ зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Аналитическая оценка использования информационных технологий в задачах управления» дан обзор научно-технических и патентных источников по использованию геоинформационных технологий в задачах поддержки принятия решений, а также в задачах управления в мелиоративной отрасли.

Разработкой и исследованием применения информационных технологий в задачах мелиорации земель, в том числе орошаемых, посвящены работы С.М. Васильева, М.С. Григорова, Ю.П. Добрачева, Л.В. Кирейчевой, Н.В. Коломийцева, И.П. Кружилина, В.И. Ольгаренко, Н.А. Пронько, В.Н. Щедрина, И.Ф. Юрченко, А.Г. Болотина, В.П. Остапчика.

Проблемы совершенствования технической эксплуатации и ремонта оросительных систем рассмотрены в работах Е.П. Борового, С.М. Григорова, К.В. Губера, А.Д. Гумбарова, Б.С. Маслова, Г.В. Ольгаренко, В.Н. Рыбкина, М.Ю. Храброва, А.А. Пахомова, Ю.И. Сухарева и других ученых.

Разработкой, исследованием и совершенствованием ГИС для мониторинга и управления почвенным плодородием занимались С.Н. Дубенок, А.М. Зейлигер, В.В. Корсак, Н.В. Кузнецова, О.Ю. Холуденева, О.Е. Киселева, Т.В.Корнева, В.В. Метелкин, Н.И. Тупикин, А.Ю. Черемисинов, Д.И. Якушев.

В результате анализа публикаций установлено, что существенный эффект от внедрения информационных технологий в задачи планирования технической эксплуатации мелиоративных может дать использование Геоинформационных систем (ГИС). Международный опыт показывает, что внедрение ГИС в задачах сельского хозяйства и мелиорации позволяет анализировать разнородные данные в привязке к географическим координатам, что существенно повышает эффективность управленческих решений. В США и Евросоюза разработаны различные инструменты и стандарты для создания и использования картографических данных. Наиболее развитыми зарубежными ГИС системами являются:

ArcGis (США), MapInfo (США), WinSTAR (Евросоюз). С использованием данных ГИС проведено большое количество внедрений систем различного масштаба от национальной информационной системы до локального сельскохозяйственного предприятия, которые показали рост эффективности принимаемых решений с использованием ГИС.

В РФ так же существуют разработчики ГИС систем, в том числе адаптированных к задачам сельского хозяйства и мелиорации. Среди российских разработчиков стоит отметить: Конструкторское бюро «Панорама» (ГИС «Панорама-АГРО»), Центр геоинформационных исследований института географии РАН (ГеоГраф). Российские системы также имеют специализированные модули для задач сельского хозяйства.

Министерством сельского хозяйства РФ проведены работы по подготовки картографической основы с использованием данных дистанционного зондирования земли с использованием спутниковых снимков, а так же созданию тематических карт различного масштаба, для использования в ГИС различного уровня.

В задачах мелиорации ГИС использовались при реализации систем поддержки принятия решений (СППР) реализованных во ВНИИГиМ под руководством Л.В. Киреечевой, И.Ф.Юрченко (СППР «Яхрома», СППР «Комплекс», СППР «ЭКСИНЖЭКС»).

Проведенный анализ показал, что использование информационной технологии принятия решений с использованием ГИС в задачах технической эксплуатации мелиоративных систем позволяет повысить качество управленческих решений а следовательно и эффективность функционирования ОС.

Во второй главе «Характеристика традиционной технологии планирования мероприятий технической эксплуатации в условиях условия Городищенской ОС» были проанализированы условия функционирования и информационные потоки Городищенской ОС Волгоградской области.

В геоморфологическом отношении Городищенская оросительная система расположена на правом берегу реки Волга на южной оконечности Приволжской возвышенности и занимает Восточную часть Волго-Донского междуречья. Структура и характеристика почв Городищенского района приведены в таблице 1.

Рисунок 1 – Схема Городищенской оросительной системы Эксплуатацию Городищенской ОС осуществляет Городищенский филиал ФГНУ «Волгоградмелиовод», обслуживающий земли Городищенского района.

В функции Городищенского «Райводхоза» входят содержание в исправном состоянии, принятие мер по предупреждению повреждений оросительных систем и отдельных их элементов; распределение воды, изъятой из водных объектов, между водопотребителями в соответствии с установленными лимитами и графиками водоподачи; ведение учета орошаемых земель, контроля за их мелиоративным состоянием и техническим состоянием оросительных систем; повышение технического уровня и работоспособности, совершенствование оросительных систем.

Были описаны и формализованы этапы обработки информации для автоматизации документооборота с учетом требований к проектируемым базам данных СППР. Также было проведено обследование состояния гидротехнических сооружений и проведен статистический анализ полученных результатов.

Результаты анализа видов деформаций каналов представлены на рис.2.

В третьей главе «Информационная технология поддержки принятия решений» в результате анализа научно-технических и патентных источников информационной технологии к поддержки принятия решения.