"Разработка принципов построения и моделей, методов и средств функционирования интеллектуальной кибер-физической системы для управления сельскохозяйственным предприятием точного земледелия на основе "цифрового двойника" растений" по теме: Теоретические и экспериментальные исследования. Обобщение и оценка результатов исследований (заключительный)

Основной целью выполнения научно-исследовательской работы является создание прототипа интеллектуальной кибер-физической системы (ИКФС) для управления сельскохозяйственным предприятием точного земледелия на основе «цифрового двойника» растений, позволяющей формализовать знания предметной области по новым технологиям выращивания растений и автоматизировать процессы принятия решений при внедрении технологий точного земледелия с гарантированной точностью от 2.5 см до 10 см. Объектом исследования и разработки являлись модели, методы и программные средства создания и функционирования ИКФС, для реализации которой была предложен принцип сетецентрического взаимодействия основных сервисов (подсистем): управления, «цифрового двойника» растений, планирования техники точного земледелия и мониторинга и контроля, которые поддерживаются сервисом взаимодействия и интеграции с внешними системами погоды, Топкона, Скаута и Геоскана. Подсистема управления ИКФС позволяет хранить основные данные о полях, посевах и ресурсах хозяйстве и поддерживает взаимодействие с пользователями. Подсистема «цифрового двойника» позволяет создавать, модифицировать и загружать из модуля конструктора онтологий и базы знаний растений онтологические модели роста и развития сортов растений и создавать конкретные экземпляры «цифровых растений» (агентов растений) на каждом поле с момента посева культуры в мультиагентном модуле планирования стадий развития растений, оценки урожайности и выдачи рекомендаций. База знаний строится на основе онтологии развития стадий растений и использует накопленные агрономами формализованные экспертные знания о параметрах стадий роста и развития растений (в данном проекте рассматривается пшеница, но результаты проекта применимы и для любых других зерновых культур). Каждое «цифровое растение» (агент растения) в мультиагентной системе на каждом поле представляется множеством субагентов стадий роста и развития растений, настраиваемых через базу знаний на конкретный сорт растения. Получая ежедневно данные о погоде из внешней среды через погодный сервис, «цифровые растения» рассчитывают индивидуальные постадийные планы роста и развития растений на каждом поле, а также вырабатывают оценку урожайности и рекомендации по агротехническим мероприятиям в случае проблемного роста посевов. Получаемая информация по планам роста и развития растений используется для проведения осмотров агрономами на полях с целью подтверждения полученных оценок или их корректировки через мобильное приложение. На основе подтвержденных планов развития растений в подсистему планирования техники точного земледелия передаются конкретные виды работы, которые требуется запланировать на выбранные типы тракторов и подобрать механизаторов с требуемыми квалификациями. Подсистема планирования техники точного земледелия также построена как интеллектуальная система на основе базы знаний и мультиагентных технологий и использует разработанные выше средства, чтобы обеспечить возможность адаптивно перестроения планов использования техники и механизаторов в соответствиии со стадиями роста и развития растений. В подсистеме мониторинга и контроля для запланирвоанной техники на каждом поле прокладываются маршруты движения техники точного земледелия, которые могут учитывать «неудобки» на полях и построенные индексы NDVI из системы Геоскан для дифференциальног внесения удобрений и средств защиты растений с точностью до 2.5 см. Маршруты отображаются на карте с учетом ширины захвата орудия, что позволяет избежать двойной обработки (захлестов) или недообработки («залысин») посевов на полях. Созданные маршруты загружаются в оборудование Topcon автоподруливателей для автоматического вождения, использующих РТК комплексы для расчета поправок с указанной высокой точностью. В ходе движенения техники обеспечивается мониторинг исполнения маршрутов и контроль отклонений как в режиме реального времени на основе системы Топкон или Скаут, так и по факту проезда. В ходе исследования и разработки предложены новые принципы и подходы к созданию умных «цифровых двойников» растений, построенных в виде интеллектуальных систем на основе баз знаний и мультиагентных технологий, выбраны основные значимые параметры внешней среды и разработана математическая модель стадий роста и развития растений на основе нормальной и критической «трубки» параметров траектории развития усредненного растения, предложены методы расчета длительности стадий развития растений и оценки урожайности, а также выработки рекомендаций. Разработаны методы адаптивного планирования техники и других ресурсов точного земледелия для хозяйств, построения маршрутов движения по полю, мониторинга хода движения техники и контроля отклонений с выдачей сообщений на мобильное устройство. Предложен подход к разработке и реализации разработанных моделей, методов и средств на основе баз знаний и мультиагентных технологий с использованием языков C# и Java, баз данных MS SQL, MongoDB и OrientDB, Postgress, XAF фреймворка и других современных и перспективных средств построения программных систем. На основе анализа большого числа источников по агрономии собраны значительные массивы исходных данных и построены онтология стадий роста и развития растений и онтология техники точного земледелия в виде семантической сети формализованных классов понятий и отношений предметной области, проведено наполнение баз знаний указанных выше подсистем экземплярами понятий и отношений для хозяйства «Рассвет» - индустриального партнера проекта. Разработаны базовые классы агентов для каждой из прикладных подсистем и общей подсистемы управления ИКФС и протоколы их взаимодействия, реализующие предложенные модели и методы. Разработаны функции и открытая архитектура ИКФС, использующая сервис-ориентированный подход и принципы сетецентрического взаимодействия указанных выше подсистем, сервисная шина и механизмы подписки с использованием очередей сообщений, что обеспечивает возможность расширения системы новыми сервисами без перепроектирования ИКФС, снижает стоимость владения для предприятий точного земледелия и позволяет в каждом хозяйстве строить свою собственную индивидуальную и гибкую конфигурацию сервисов под требования бизнеса. Внедрение ИКФС позволит уменьшить сложность и трудоемкость управления предприятием точного земледелия, повысить качество продукции растениеводства в хозяйствах и поднять эффективность бизнеса, снизить зависимость хозяйств от знаний квалифицированных агрономов, сократить риски снижения или потери урожая. Новизна разработанных моделей, методов и средств ИКФС состоит в предложенных новых принципах и подходах, моделях, методах и средствах, которые дают возможность динамически формировать, связывать и синхронизировать планы проведения агротехнических мероприятий по технологиям точного земледелия с ходом роста и развития растений на каждом из полей хозяйства для обеспечения точного земледелия не только точно по «месту», но и точно по «времени». Разработанный подход имеет особую актуальность и значимость для качества и повышения эффективности растениеводства в условиях глобальных изменений климата, когда накопленные ранее знания агрономов перестают работать и требуются новые подходы, методы и средства накопления, систематизации и формализации экспертных знаний агрономов на местах в хозяйствах и их обработки и использования в процессах принятия управленческих решений. Цель отчетного этапа – разработка моделей, методов и средств построения ИКФС для управления сельскохозяйственным предприятием точного земледелия, а также создание прототипа ИКФС и его наполнение знаниями и данными по пшенице.