Использование систем управления базами данных (СУБД) для проектирования технологий сельскохозяйственного производства Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

РАЗДЕЛ I. ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МЕХАНИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА

УДК 631.36:62-52

А.М. ВАЛГЕ, д-р техн. наук;

Д.В. ПОПОВ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ (СУБД) ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Рассмотрена возможность использования систем управления базами данных (СУБД) для решения оптимизационных задач при проектировании технологий сельскохозяйственного производства. Приведен пример использования разработанной на базе СУБД «Access» диалоговой системы для проектирования технологий заготовки кормов из трав.

Современное сельскохозяйственное производство основано на механизированных технологиях, исследованию и оптимизации которых посвящено достаточно большое количество работ [1, 2, 3]. Проблема решается, в основном, разработкой экономико-математических моделей выбора оптимального состава машинотракторного парка для хозяйств различной специализации.

В качестве математического аппарата для решения таких задач, как правило, используется метод линейного программирования, а также методы имитационного моделирования, массового обслуживания и другие. Размерности задач достигают сотен переменных и нескольких сотен ограничений. Громоздкие и сложные в использовании экономико-математические модели не вышли за пределы научных институтов и не используются непосредственно в производственнохозяйственных условиях.

Основными недостатками экономико-математических моделей в форме задач линейного программирования являются:

- отсутствие оперативного диалога модели с пользователем, что требует привлечения к решению задачи квалифицированного программиста;

5

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

- неустойчивость и зависание алгоритма в случаях нарушения основной аксиоматики и теорем задачи линейного программирования выбранным взаимоотношением параметров задачи;

- затруднения с получением смешанных (целочисленных и дробных) решений;

- оптимизация по одной целевой функции, которая, как правило, отражает некоторый обобщенный параметр, не соответствующий реальной проблеме (например: приведенные затраты);

- отсутствие конкурирующих вариантов, что затрудняет процесс принятия решения;

- необходимость полной перестройки задачи и ее отладки при увеличении, уменьшении количества машин и операций или используемых экономико-технических показателей.

Современные компьютерные системы программирования предлагают, кроме традиционных языковых средств, новые универсальные системы, получившие название баз данных и табличных процессоров. Последние позволяют создавать расчетные системы на других принципах. Особого внимания заслуживают «Системы Управления Базами Данных» (СУБД) [4], которые позволяют создавать и хранить большие массивы текстово-цифровой информации, а также создавать удобные экранные формы для диалога с пользователем. Современные СУБД позволяют создавать программные продукты как способом командного программирования, так и в интерактивном режиме, используя автоматизированные возможности системы. Системы СУБД в настоящее время интенсивно развиваются. В частности последние СУБД обладают реляционными свойствами, что позволяет работать сразу с несколькими таблицами баз данных.

Особенностью всех СУБД является то, что они напрямую не решают оптимизационные задачи, но позволяют выполнять широкий круг операций с базами данных. Основными из них являются: фильтрация по возрастанию (убыванию), поиск и отбор данных. Для использования этих свойств при проектировании технологий кормопроизводства должен быть разработан соответствующий алгоритм.

Работа всех алгоритмов математического программирования состоит из двух этапов:

- поиск опорного решения;

- поиск оптимального решения.

Первый этап анализирует исходное множество на наличие в нем возможных вариантов решения, среди которых должны быть один

6

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

или несколько вариантов, удовлетворяющих некоторому поисковому критерию. Если первый этап дает положительный результат, то алгоритм переходит ко второму варианту и выделяет из множества конкурирующих вариантов оптимальный.

В качестве основных алгоритмов наибольшее применение получили симплекс-метод и метод градиента. Этими методами решаются все задачи линейного программирования. Задачи оптимизации по выбору и использованию технических средств обладают некоторыми особенностями, учитывая которые можно отказаться от использования методов математического программирования и использовать более простые методы, предлагаемые системами СУБД.

Основными особенностями названных задач являются следующие.

1. Для выполнения отдельных операций используются, как правило, разные машины.

2. Технологии обладают свойствами поточности, т.е. операции выполняются в определенной последовательности.

3. Связь между операциями техническими средствами, видами продукции и показателями имеет множественно-логический характер.

Например, при производстве кормов из трав связь между видами кормов, технологическими операциями и процессами имеет множественно-логический характер, который может быть представлен в графическом виде и логическом взаимоотношении множеств. Фрагмент графического представления взаимосвязи множеств процессов в кормопроизводстве представлен на рис. 1.

Каждому виду корма соответствует некоторое множество технологий, множеству технологий соответствует множество выполняемых операций, последовательность выполнения которых соответствует физическим процессам изменения состояния травы. Каждая из операций характеризуется состоянием физических процессов в траве.

Каждое множество определяется прямоугольной матрицей размерностью Ak (n , mj ).

Множества Ak и A k+1 пересекаются и образуют произведение Эйлера, которое образует множество из ( nj x mj ) элементов в котором могут быть и пустые составляющие, если такое соотношение в данной технологии не может быть реализовано.

Например, множество видов кормов пересекается с множеством технологий, множество технологий пересекается с множеством операций, и т.д.

7

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

Введем обозначения: n - количество видов кормов;

mi - количество технологий для заготовки данного вида корма; m2 - количество операций в каждой из технологий; n2 - количество физических процессов в операциях.

Эти векторы образуют три матрицы:

Aj(ni, mj), A2(mj,m2), Аз(т2,Пз) .

Вид корма С nl ) 0 п е р а ц и и (м3)

Скащив.Б прок/ Скашив. б валок' Скашив. с плющ. Ворошение й. О хо лэ о с (0 х о 7» (L го о с л о о. 3 t- (L о с 0 1 £L н CL X л * X Л) * с X 35 ф 3 I л) ф 3 3 7» о о CJ Трамбовка Скашив. с погр.

0 1 1 Л О с J Сенаж

о о Технологии (м2)

X Силос из св.травы X X X X

X X Силос из пр.травы X X X X

* Сено рассыпное * X X X X X X X X

# Сено в тюках X X X X X X X X

X Сено в кор.тюках X X X X X X X X X

X Сено в рулонах X X X X X X X X

X Сенаж в рулонах X X X X X X X X

Процессы (п2)

Сушка X

Консервирование X

Потери X X X X X X

Рис. 1. Фрагмент графического представления взаимосвязи множества процессов в кормопроизводстве

Соотношение между ними определяется матричным произведением:

A1(nl,m)х A2(m1,т2)х Лъ(ш2,n2) = щ), (i)

где B (n1, n2) - результирующая матрица, определяющая взаимосвязь между вектором вида кормов и вектором физических процессов.

8

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Множество возможных вариантов физического состояния травы определяется пересечением множеств в виде следующего соотношения:

N = [BK х TB] П TB + [TB х TO] f| TO + [TO хФ] П Ф ,(2)

где знак х обозначает произведение Эйлера для множеств;

знак П обозначает пересечение соответствующих множеств.

ВК - количество видов кормов;

ТВ - количество технологических вариантов;

ТО - количество операций в технологическом варианте;

Ф - количество физических процессов в технологическом варианте.

Соотношение (2) описывает взаимодействие всех процессов кормопроизводства и позволяет сформулировать основные блоки при формализации технологий.

Для разработки системы проектирования технологий кормопроизводства рассмотрим множественно-логическую связь технических средств, операций и видов кормов. Эта связь описывается следующим соотношением множеств:

(TB х TO) ^ TO + (TO х TC) ^ TC = N , (3)

где TB — множество технологических вариантов заготовки определенного вида кормов;

TO — множество технологических операций, обеспечивающих получение кормов определенного вида;

TC — множество технических средств, обеспечивающих выполнение множества операций;

Nb - количество возможных вариантов технологий.

Множественно-логическое описание совокупностей технологических вариантов, операций и технических средств подразумевает, что оно содержит конечное множество вариантов, среди которых, обязательно должны быть один или несколько, удовлетворяющих заданным технико-экономическим требованиям. Такой подход позволяет использовать возможности системы «Access» [5] для отбора и фильтрации данных из некоторой совокупности для выбора оптимальных вариантов.

Блок-схема алгоритма выбора оптимальных технологий приведена на рис. 2.

9

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

Рис. 2. Блок-схема алгоритма выбора оптимальных технологий кормопроизводства

10

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Разработанная на базе «Access» система проектирования технологий заготовки кормов «Корма-2003» работает в режиме диалога с использованием кнопочных форм, и позволяет проектировать технологии уборки трех видов кормов из трав: сена, сенажа и силоса.

Для всего объема кормов из трав определяются совокупности уборочных машин, тракторов и автомобилей, обеспечивающих минимальные затраты по каждому виду корма.

Основу системы составляют таблицы данных, объединенные реляционной связью по ключевым полям. Использованы следующие таблицы данных: корма, операции, рабочие, техника, травы, трактора, энергия.

Фрагмент схемы взаимосвязи таблиц приведена на рис. 3.

Код_тр ж

Марка

Код_р

Мощи _дв

Расх_топл

Код_э

Стоим

Норм_рем

Норм_рен

Норм_страх

Норм_соц

Произв

V_pa6

Шир_зах

Масса

Мощ_прив —

К_исп_прив

К_надежн

К_МЕХР

PERSON

KONSTR

NUMjOPERl zl

Марка

Код_тр

Мощи

Расх_топл

Стоим

Норм_рем

HopMjDeM

Норм_страх

Норм_соц

Г од_загр

• [

Наймем

Код_р

Тариф

Наймем

Код_э

Цена_топ

Рис. 3. Фрагмент взаимосвязи данных в таблицах системы «Корма-2003»

11

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

В каждой таблице содержится информация, соответствующая названию таблицы. В качестве примера на рис. 4 приведено содержание таблиц «Корма» и «Травы».

В таблицу «Корма» вводится следующая информация:

- наименование корма;

- код травы;

- объем заготовки;

- число дней уборки;

- длительность смены;

- начальная влажность травы;

- влажность провяливания;

- конечная влажность корма;

- кратность ворошения;

- коэффициент погодных условий;

- коэффициент использования грузоподъемности;

- радиус перевозки.

Код Корм Код_т|Код_к| Обьем Дн_уб Дл_ см Нач_вл|Влаж _про|Влаж_ко|Кре Т_Е(| Коэф _п_;| Коэф _ис_Рад_п

* а ] Сено 1 1 777 10 10 /5 1/ 17 2 1,5 0,5 10

а 2 Силос 2 2 666 5 10 /5 75 75 0 1,2 0,6 10

а 4 Сенаж 3 4 444 5 10 /5 55 55 1 1,1 0,7 5

* ■щ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

а

В ТРАВЫ : таблица

П Нанм Код_т Урожай Дл_гона Р

|И Злаковая 1 11,1 200

М Бобовая 2 22,2 400

И Злаково - бобовая смесь 3 33,3 7001

► 0 о

б

Рис.4. Представление данных в таблицах «Корма» и «Травы»: а - форма таблицы «Корма»; б - форма таблицы «Травы»

В таблицу «Травы» вводится урожай травы и длину гона поля.

12

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

В остальных таблицах содержится информация, соответствующая необходимым данным для проектирования технологий и расчета их технико-экономических показателей.

Все таблицы связаны между собой по ключевым полям, что позволяет формировать логически связанную информацию по технологическим операциям, средствам механизации, видам кормов, механизаторам, и другим показателям.

Результаты работы с системой отражаются в следующих отчетах:

- по сену;

- по сенажу;

- по силосу;

- по машинам;

- по тракторам;

- по рабочим;

- затраты по всем видам кормов.

Работа с системой начинается с вызова в среде «ACCESS» программы «Корма_2003.ш<!Ь».

Далее открывается основная кнопочная форма.

Подводится курсор к кнопке «ВВОД ДАННЫХ ДЛЯ РАСЧЕТА» и нажимается левая клавиша «мышки» (ЛКМ) при этом открывается кнопочная форма выбора форм для ввода.

Далее последовательно нажимаются кнопки «ТРАВЫ», «КОРМА», «РАБОЧИЕ», «ТРАКТОРА», «ЭНЕРГИЯ», «ТЕХНИКА» при этом раскрываются формы, и в доступные поля вводится соответствующая информация.

При вводе данных в столбец «Вид травы» открывается меню для выбора вида травы из таблицы «Травы».

При нажатии кнопки «РАБОЧИЕ» вводятся тарифные ставки механизаторов и рабочих. При нажатии кнопки «ТРАКТОРА» вводится стоимость тракторов, нормативные начисления, нормативная годовая загрузка.

При нажатии кнопки «ЭНЕРГИЯ» открывается форма для ввода стоимости используемых энергоносителей. При нажатии кнопки «ТЕХНИКА» открывается форма для ввода расхода топлива, стоимости и нормативной годовой загрузки технических средств. Нормативные отчисления для всех машин одинаковы и уже введены в базу данных по технике.

13

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

После заполнения всех данных форма «ВВОД ДАННЫХ» закрывается и нажимается кнопка «ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗ ОПЕРАЦИЙ» на главной кнопочной форме. Открывается кнопочная форма формирования технологий заготовки сена и сенажа. Операции при заготовке силоса постоянные и указаны в базе данных по операциям.

Нажатие кнопок «Операции сено» и «Операции сенаж» приводит к открытию форм для формирования технологии из технологических операций путем проставления порядковых номеров против используемых операций в графе «Операции_сено».

Вид открытой формы, при нажатии кнопки «СЕНО_ОПЕРАЦИИ», приведен на рис. 5.

В! СЕНО_ОПЕРАЦИИ

Ном_опер Наим_опер Операции_сено

18 трансп.тюков (рулонов)

2 скашивание в валок

9 оборот валка

21 досушивание в скирде

22 досушиван.в хранилище

25 загрузка и трамбовка травы

33 скашивание с изм. и погр.

4 скашив. с плющ, в валок

5 скашив.с кондиц.в прокос

6 разбрасывание валков

1 скашивание в прокос 1

7 ворошение в прокосе 2

8 сгребание в валки 3

12 прессование в рулоны 4

16 погр.в тран. средство 5

17 трансп. с поля 6

19 загрузка в хранилище 7

0

Запись: И I < 11 Г * I И |мП из 23

Рис. 5. Форма для ввода информации при формировании технологий 14

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

В данном случае цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 в графе «Операции... » помечены операции: скашивание в прокос; ворошение в прокосе; сгребание в валки; прессование в рулоны; погрузка в транспортное средство; транспортировка с поля; загрузка в хранилище.

Так же формируются технологии при нажатии кнопки «Операции сенаж».

После формирования технологий для сена и сенажа формы закрываются, и возвращаемся к главной кнопочной форме, на которой нажимается кнопка вывод результатов. При этом открывается кнопочная форма формирования рациональных технологий.

Последовательно нажимаются кнопки «СЕНО_ОПТИМ», «СЕНАЖ_ОПТИМ», «СИЛОС_ОПТИМ», при этом открываются формы с результатами расчетов технико-экономических показателей для всех машин, которые могут быть использованы при выполнении данной операции.

В форме (рис. 6) приведены следующие поля: наименование операции, марка технических средств, марка трактора, поле выбора технических средств, количество машин, эксплуатационные затраты.

Наим опер 1ТЕХНИКА Г ТРАКТОРА Марка Выбор ко11 Экс зав I

скашивание в прокос МФ-74 Нет 1 9872,4665434528

скашивание в прокос К-1.4 Нет 3 22039,499904213

скашивание в прокос КС-Ф-2,1 Б МТЗ-82 1 52609,614860425

скашивание в прокос КП С-5 Г Нет 1 1 56925,965133356

скашивание в прокос АМ-242 МТЗ-82 1 58607,191755625

скашивание в прокос КРД-2.4 МТЗ-82 1 61738,608114804

скашивание в прокос КРН-2.1 А МТЗ-82 1 79701,149181369

Рис. 6. Фрагмент формы для вывода результатов проектирования технологий

Такие же формы открываются при нажатии кнопок «СЕНАЖ_ОПТИМ», «СИЛОС_ОПТИМ».

В данной форме для пользователя доступно только поле «Выбор», в котором цифрой отмечается выбранное техническое средство.

15

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2004. Вып. 76.

Эксплуатационные затраты каждой из машин располагаются в порядке возрастания. Технолог просматривает эксплуатационные затраты по всем машинам для каждой операции и проставляет цифру равную номеру операции напротив той машины, которая имеет наименьшие затраты, или той, которая у него есть в хозяйстве.

При этом специалист видит сравнительные затраты для наиболее дешевой машины и выбранной.

После заполнения всех форм, они закрываются и открываются формы отчетов кнопками «ОТЧЕТ ПО СЕНУ», «ОТЧЕТ ПО СЕНАЖУ», «ОТЧЕТ ПО СИЛОСУ», «ОТЧЕТ ПО ТРАКТОРАМ», «ОТЧЕТ ПО МАШИНАМ», «ОТЧЕТ ПО РАБОЧИМ», «ВСЕ ЗАТРАТЫ».

Для анализа все отчеты можно выводить на принтер.

В отчетах по видам корма приводится объем заготовки данного вида корма, число дней уборки, площадь уборки.

В отчете приводятся наименование операции, марки машин и тракторов, их количество, продолжительность выполнения работ, стоимость топлива, оплата труда, эксплуатационные затраты на машины и трактора, суммарные эксплуатационные затраты. Рассчитывается также удельные показатели для всех видов кормов.

В графическом виде результаты расчетов приведены под таблицей расчетов.

При нажатии кнопок «ОТЧЕТ ПО ТРАКТОРАМ», «ОТЧЕТ ПО МАШИНАМ», «ОТЧЕТ ПО РАБОЧИМ» выдаются данные по затратам соответствующих разделов.

Технологии рассчитываются несколько раз по различным критериям, что позволяет получить варианты для принятия окончательного решения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Долгов И.А., Большаков С.И., Тимофеев А.В. Статистическое моделирование технологических процессов кормопроизводства //Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. - 1975. - № 5.

2. Еникеев В.Г. Критерии и методы оценки технической оснащенности растениеводства и качества работы агрегатов с учетом веро-

16

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

ятностной природы условий их функционирования. Дисс...д-ра техн. наук. - Л.: ЛСХИ, 1983. - 421 с.

3. Сечкин В.С. Прогрессивные технологии и комплексы машин для заготовки и хранения кормов из трав в условиях Нечерноземной зоны РСФСР. Дисс...д-ра техн. наук. - Л., 1979. - 460 с.

4. Король В.И. Разработка приложений в MS Access. М. Изд-во ПРИОР, 1998. - 274 с.

5. Харитонова И.А., Михеева В.Д. Microsoft Access 2000. СПб.: БХВ - Петербург, 2001. - 1088 с.

Получено 05.05.2004.

УДК 631.358.44

ГА. ЛОГИНОВ;

И.М. ФОМИН, канд. техн. наук;

АН. СТЕПАНОВ, канд. техн. наук

ФОРМИРОВАНИЕ АДАПТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПРОИЗВОДСТВА КАРТОФЕЛЯ

Представлены результаты научных исследований по формированию адаптивных технологий и разработке перспективных технических средств для производства, послеуборочной и предреализационной обработки картофеля, оптимальных для конкретных заданных (сложившихся) условий.

Точное земледелие предусматривает управление продуктивностью поля путем преодоления факторов, лимитирующих урожайность. В целях преодоления этих факторов разработаны различные технологические приемы и технические средства их осуществления. На европейском рынке машинных технологий картофелеводства представлены десятки марок машин для внесения удобрений и обработки почвы, посадки, ухода за посадками, уборки, послеуборочной и предреализационной обработки картофеля. В результате ранее проведенных исследований и испытаний установлено, что машины одинакового назначения обладают различной способностью преодоления факторов, лимитирующих урожайность. Учитывая многообразие почвенно-

17