Полевой опыт и компьютерный эксперимент

Полевой опыт
и
компьютерный эксперимент:
трехуровневая схема
взаимодействия
А.Г. Топаж
Региональный семинар с международным участием
по методологии полевых исследований
«Развитие методических основ полевых исследований
в ресурсосберегающем земледелии», АФИ, 2-3 июля 2015
une Théorie vs. the Experiment
NULLIS IN VERBA
(лат)
Ничего на слово
«Причину же этих свойств силы
тяжести я до сих пор не мог вывести
из явлений, гипотез же я не
измышляю. Довольно того, что
тяготение на самом деле существует и
действует согласно изложенным нами
законам и вполне достаточно для
объяснения всех движений небесных
тел и моря»
Исаак Ньютон
«Тому, кто единым взглядом смог бы окинуть Вселенную,
все мироздание показалось бы единственно правильным
и необходимым»
д’Аламбер
Методология полевого опыта. Вчера
 Объект – реальный посев
 Представительность
 Повторности
 Рандомизация
 Максимальная выровненность
 Серийность
 Принцип сравнения вариантов
 Принцип единственного различия
 Полная факторная схема
 Ограниченная наблюдаемость
Мало вариантов – много повторностей
Методология полевого опыта. Сегодня
 Объект – реальный посев
 Представительность
 Неоднородность – как фактор исследования
 Локальность
 Принцип верификации априорной гипотезы
 Переменный шаг варьирования
 Неполные факторные схемы
 Расширенная наблюдаемость
 Ненарушающие измерения
 Бесконтактное (дистанционное)
зондирование
Много вариантов – мало повторностей
Методология компьютерного
эксперимента
 Объект – динамическая модель
агроэкосистемы
 Идеальность
 100%-ная воспроизводимость
 Многофакторность
 Полная наблюдаемость
 Неограниченная вариативность
 Оперативность
 Субъективность
Фактор 1
APEX-AGROTOOL как инструментарий
компьютерного эксперимента
ПРОЕКТ
Фактор 2
Результаты
РАСЧЕТ
Сценарий
Дата
BLEAF WSOIL EPLANT
13/04/11 0.12
22.1 324
14/04/11 0.14
24.1 345
15/04/11 0.16
23.4 355
…
ТРЕХУРОВНЕВАЯ СХЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ОПЫТ ДЛЯ МОДЕЛИ. ИДЕНТИФИКАЦИЯ

Идентификация параметров блока
фенологического развития

Идентификация параметров блока
продуктивности и формирования урожая

Идентификация параметров блока почвенной
гидрофизики
МОС: Агроэкологический
стационар
250
40
230
Прогнозируемый урожай, ц/га
Прогнозируемые дни наступлления фенофаз
ОПЫТ ДЛЯ МОДЕЛИ. ВЕРИФИКАЦИЯ
210
190
170
150
150
170
190
35
30
25
20
210
230
250
Фактические дни настуления
15 фенофаз
15
Ячмень: 2006-2008
20
25
30
Фактический урожай, ц/га
35
40
ОПЫТ ДЛЯ МОДЕЛИ. ВЫЗОВЫ.
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ VS. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ
Лимитирующие факторы
конкуренция,
болезни, вредители
Продуктивность
ПОЛЕВОЙ ОПЫТ
V
КОНТРОЛЬ
(экология)
P, K,
микроэлементы
N, C
IV
(минеральное
питание)
ДВУ
III
(азотный режим)
II
W, P
(водный режим)
КОУ
I
Q, T
КОНТРОЛЬ
(фотосинтез, фенология)
КОНТРОЛЬ
ПУ
МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПЫТА. УПРОЩЕНИЕ СХЕМЫ
ПОНИЖЕНИЕ РАЗМЕРНОСТИ
МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПЫТА. ИСТОЧНИК ГИПОТЕЗ.
ТАЙМИНГ-ЭФФЕКТ АЗОТНЫХ ПОДКОРМОК.
Почва 2
Почва 1
Начальная доза 0
03.06
10.06
17.06
24.06
15.07
0
24,14
24,14
24,14
24,14
24,14
5
24,75
24,99
25,18
25
10
25,53
26,33
26,51
15
27,61
27,6
20
28,97
25
03.06
10.06
17.06
24.06
15.07
0
24,47
24,47
24,47
24,47
24,47
25,32
5
25,76
25,99
25,55
25,86
27,99
26,75
28,45
10
26,58
26,84
25,69
24
31,2
28,04
24,10
31,66
15
24,87
24,83
29,28
26,07
33,88
29,47
30,49
25,38
34,87
20
26,86
27,37
25,33
29,22
37,5
28,16
27,85
27,42
28,51
38,01
25
27,04
28,78
24,76
32,36
39,47
30
27,13
31,84
24,06
31,65
39,70
30
29,33
32,36
27,46
35,51
40,83
35
26,70
31,62
25,51
34,79
40,46
35
31,14
27,05
30,21
38,65
40,94
кг/га
Начальная доза 45
03.06.10
10.06.10
24.06.10
0
28
28
28
5
29,73
30,7
10
31,79
15
кг/га
03.06.10
10.06.10
24.06.10
0
33
33
33
31,24
5
34,24
35,9
36,13
31,97
34,41
10
36,04
36,29
39,3
33,35
30,19
37,59
15
37,42
30,08
41,68
20
34,42
32,11
40,76
20
39,55
37,05
42,68
25
35,42
37,11
42,44
25
39,11
28,79
42,68
30
32,41
34,59
42,88
30
38,15
29,93
42,68
35
36,22
27,07
42,88
35
38,36
32,07
42,68
МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПЫТА. ИСТОЧНИК ГИПОТЕЗ.
ТАЙМИНГ-ЭФФЕКТ АЗОТНЫХ ПОДКОРМОК.
Темп роста (условные единицы)
No Dressing
0.40
Tdressing=13
Tdressing=33
Tdressing=37
0.30
0.20
0.10
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
Время (условные единицы)
50.00
60.00
МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПЫТА. ОБЪЯСНЕНИЕ
АБНОРМАЛЬНЫЕ ФОРМЫ ФУНКЦИИ ОТКЛИКА.
ОПЫТ
50
Доза
45 азота
0
30
60
90
120
150
180
НСР05
2012
21,0±2,0
24,5±1,5
29,5±1,5
34,0±1,0
28,0±1,0
27,5±0,5
-
3,6
35
2013
21,6±0,8
32,5±0,6
33,0±1,0
41,0±0,3
43,0±0,6
46,9±0,1
51,2±1,2
1,4
Год опыта
AGROSIM
AGROTOOL
30
25
20
15
0
20
40
60
80
Winter wheat grain yield [t ha-1]
Урожай (ц/га)
40
100
7
6
5
4
120
140
160
180
3
Доза удобрений (кг/га д.в.)
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180
N - fertilization [kg N ha
-1
]
200
МОДЕЛЬ + ОПЫТ. РЕАЛИИ
ОПЕРАТИВНОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ
АМС
Интернет-сервер
Радиомодем
срочные
данные
суточные
данные
APEX
1. Чтение и
преобразование
данных АМС
Модель
AGROTOOL
4. Расчет
входные
данные
Проект
оперативного
сопровождения
сценарии
погоды
2. Обновление
данных о погоде
3. Генератор
погоды
Стационарная
База Данных
МОДЕЛЬ + ОПЫТ. РЕАЛИИ
ОПЕРАТИВНОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ
Для перехода от модельных расчетов в режиме «посмертного учета» к
возможности оперативного прогноза и сопровождения необходимо:
35
30


Получать текущие метеорологические данные в режиме on-line
Прогнозировать развитие внешних условий в будущем
25
20
15
АМС
10
Ручной
ввод
5
0
10.05.12
30.05.12
19.06.12
09.07.12
29.07.12
18.08.12
07.09.12
27.09.12
МОДЕЛЬ + ОПЫТ. ПЕРСПЕКТИВЫ
ПРОАКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ.
x(k+1)= f(x(k),a,w(k),u(k)),
x(0)=x0, k=0,1...T
Декларативное управление: u = u(k)
Реактивное управление: u = u(x(k), k)
Проактивное управление: u = u(x(k), k, Ωwi, i=k+1, T)
Управление
Декларативное
Реактивное
Водный
режим


Азотный
режим

Сев


Уборка


Объект
Проактивное
НЕ ВМЕСТО, А ВМЕСТЕ…
http://agrotool.ru
http://www.rpoluektov.ru