Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью

Разработаны методы оптимизации оперативного управления влагообеспечением в ирригационной системе в условиях неопределенности за счет использования адаптивной системы управления с прогнозирующей моделью, которая решает текущие задачи диспетчерского управления: наблюдение, формирование прогноза состоя...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Поливода, О.В., Рудакова, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України 2014
Назва видання:	Системні дослідження та інформаційні технології
Теми:	Методи оптимізації, оптимальне управління і теорія ігор
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85502
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью / О.В. Поливода, А.В. Рудакова // Системні дослідження та інформаційні технології. — 2014. — № 2. — С. 95-101. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-85502
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-855022015-08-07T03:02:07Z Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью Поливода, О.В. Рудакова, А.В. Методи оптимізації, оптимальне управління і теорія ігор Разработаны методы оптимизации оперативного управления влагообеспечением в ирригационной системе в условиях неопределенности за счет использования адаптивной системы управления с прогнозирующей моделью, которая решает текущие задачи диспетчерского управления: наблюдение, формирование прогноза состояния влажности почвы, поиск и реализацию оптимального управления с распределением по интервалам времени. Использование непрерывной модели распределенного объекта позволяет прогнозировать динамику влажности почвы в корнеобитаемом слое по всей площади орошаемой территории с учетом ее гидрологических характеристик, вида культивируемых растений, уровня грунтовых вод, объемов воды, поступающих на поля от поливных систем, либо в виде случайных осадков. Применение разработанных методов в интегрированных автоматизированных системах управления влагообеспечением обуславливает гарантированное поддержание оптимальных условий выращивания культур, а также экономное использование водных и энергетических ресурсов. Розроблено методи оптимізації оперативного керування вологозабезпеченням в іригаційній системі в умовах невизначеності за рахунок використання адаптивної системи керування з прогнозуючою моделлю, яка вирішує поточні завдання диспетчерського управління: спостереження, формування прогнозу стану вологості ґрунту, пошук та реалізацію оптимального керування з розподілом за інтервалами часу. Застосування безперервної моделі територіально розподіленого об’єкта дозволяє прогнозувати динаміку вологості ґрунту на рівні розташування кореневої системи по всій площині зрошуваної території з урахуванням її гідрологічних характеристик, виду рослин, що культивуються, рівня ґрунтових вод, об’ємів води, які поступають на поля від поливних систем, або у вигляді випадкових опадів. Застосування розроблених методів в інтегрованих автоматизованих системах управління вологозабезпеченням обумовлює гарантовану підтримку оптимальних умов вирощування культур, а також економне використання водних та енергетичних ресурсів. Optimization methods of operational control of water supply in the irrigation system under the conditions of uncertainty were developed by using an adaptive control system with a predictive model which solves the real time supervision control problems: observation, predicting the state of soil moisture, and search and realization of optimal control disaggregated by time intervals. Using the continuous model of a spatially distributed object allows to predict the dynamics of soil moisture in the root zone over the entire irrigated area, depending on its hydrological characteristics, the type of cultivated plants, the groundwater level, the volume of water coming to the field of irrigation systems, or in the form of random precipitations. An application of the developed methods in integrated automated control systems of moisture determines the guaranteed support of optimum conditions for growing plants, and economical use of water and energy resources. 2014 Article Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью / О.В. Поливода, А.В. Рудакова // Системні дослідження та інформаційні технології. — 2014. — № 2. — С. 95-101. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1681–6048 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85502 517.977.5:631.67 ru Системні дослідження та інформаційні технології Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Методи оптимізації, оптимальне управління і теорія ігор Методи оптимізації, оптимальне управління і теорія ігор
spellingShingle	Методи оптимізації, оптимальне управління і теорія ігор Методи оптимізації, оптимальне управління і теорія ігор Поливода, О.В. Рудакова, А.В. Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью Системні дослідження та інформаційні технології
description	Разработаны методы оптимизации оперативного управления влагообеспечением в ирригационной системе в условиях неопределенности за счет использования адаптивной системы управления с прогнозирующей моделью, которая решает текущие задачи диспетчерского управления: наблюдение, формирование прогноза состояния влажности почвы, поиск и реализацию оптимального управления с распределением по интервалам времени. Использование непрерывной модели распределенного объекта позволяет прогнозировать динамику влажности почвы в корнеобитаемом слое по всей площади орошаемой территории с учетом ее гидрологических характеристик, вида культивируемых растений, уровня грунтовых вод, объемов воды, поступающих на поля от поливных систем, либо в виде случайных осадков. Применение разработанных методов в интегрированных автоматизированных системах управления влагообеспечением обуславливает гарантированное поддержание оптимальных условий выращивания культур, а также экономное использование водных и энергетических ресурсов.
format	Article
author	Поливода, О.В. Рудакова, А.В.
author_facet	Поливода, О.В. Рудакова, А.В.
author_sort	Поливода, О.В.
title	Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью
title_short	Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью
title_full	Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью
title_fullStr	Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью
title_full_unstemmed	Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью
title_sort	методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью
publisher	Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу" НТУУ "КПІ" МОН та НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Методи оптимізації, оптимальне управління і теорія ігор
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85502
citation_txt	Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью / О.В. Поливода, А.В. Рудакова // Системні дослідження та інформаційні технології. — 2014. — № 2. — С. 95-101. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Системні дослідження та інформаційні технології
work_keys_str_mv	AT polivodaov metodyoperativnogoupravleniâvlagoobespečeniemvirrigacionnyhsistemahsprognoziruûŝejmodelʹû AT rudakovaav metodyoperativnogoupravleniâvlagoobespečeniemvirrigacionnyhsistemahsprognoziruûŝejmodelʹû
first_indexed	2025-07-06T12:46:43Z
last_indexed	2025-07-06T12:46:43Z
_version_	1836901732483858432
fulltext	 О.В. Поливода, А.В. Рудакова, 2014 Системні дослідження та інформаційні технології, 2014, № 2 95 TIДC МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ, ОПТИМАЛЬНЕ УПРАВЛІННЯ І ТЕОРІЯ ІГОР УДК 517.977.5:631.67 МЕТОДЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЛАГООБЕСПЕЧЕНИЕМ В ИРРИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С ПРОГНОЗИРУЮЩЕЙ МОДЕЛЬЮ О.В. ПОЛИВОДА, А.В. РУДАКОВА Разработаны методы оптимизации оперативного управления влагообеспечени- ем в ирригационной системе в условиях неопределенности за счет использова- ния адаптивной системы управления с прогнозирующей моделью, которая ре- шает текущие задачи диспетчерского управления: наблюдение, формирование прогноза состояния влажности почвы, поиск и реализацию оптимального управления с распределением по интервалам времени. Использование непре- рывной модели территориально распределенного объекта позволяет прогнози- ровать динамику влажности почвы в корнеобитаемом слое по всей площади орошаемой территории с учетом ее гидрологических характеристик, вида культивируемых растений, уровня грунтовых вод, объемов воды, поступаю- щих на поля от поливных систем, либо в виде случайных осадков. Приме- нение разработанных методов в интегрированных автоматизированных сис- темах управления влагообеспечением обусловливает гарантированную поддержку оптимальных условий выращивания культур, а также экономное использование водных и энергетических ресурсов. ВВЕДЕНИЕ Оросительные системы представляют собой сложные территориально- распределенные объекты, цель функционирования которых заключается в своевременном подведении к орошаемой территории поливных вод, необ- ходимых для обеспечения оптимальной влажности почвы при выращивании различных сельскохозяйственных культур [1]. Повышение эффективности функционирования таких систем в значительной мере связано с совершен- ствованием методов и средств планирования графиков полива и оперативно- диспетчерского управления влагообеспечением. Современные системы управления влагообеспечением представляют собой интегрированные автоматизированные системы (ИАС), которые с по- мощью подсистемы мониторинга осуществляют систематическое измерение всех текущих параметров функционирования объекта и параметров окру- жающей среды, пополнение баз данных новой информацией и оценку сос- тояния системы с возможностью прогнозирования поведения системы [2]. Эффективная работа подсистемы мониторинга является необходимым усло- вием для повышения эффективности функционирования ирригационной О.В. Поливода, А.В. Рудакова ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2014, № 2 96 системы. В первую очередь необходимо избегать информационной избыточ- ности измерений, что обеспечивается за счет оптимального размещения дат- чиков. Периодичность опроса датчиков и схему их размещения можно определить на основе методов одномерного и двумерного спектрального анализа динамики влажности по всей орошаемой территории [3]. Следую- щей задачей является своевременная идентификация состояния влажности почвы, на основе которой в ИАС формируется управление. Оперативное управление режимами влагообеспечения сельхозугодий, которое осуществляется на протяжении всего вегетационного периода, сос- тоит из следующих периодически повторяющихся этапов: составление пла- нов работы оборудования ирригационной системы на текущий период на основе графиков полива; реализация планов влагообеспечения и их коррек- тировка; мониторинг, оценка и прогноз влажности почвы; формирование графиков полива на предстоящий расчетный период на основе заявок от по- требителей [4]. Расчет оптимального управления влагообеспечением может осущест- вляться в АРМ диспетчера, с помощью системы поддержки принятия реше- ний (СППР) [5], структура которой приведена на рис. 1. Ирригационная система как объект управления, которая функциониру- ет с целью поддержания достаточного уровня влагообеспечения прикорне- вого слоя почвы, характеризуется наличием неопределенностей относитель- но состава почв, объема случайных осадков, колебаний метеорологических условий, способа распределения оросительных вод и водопотребления вы- ращиваемых культур. Применение соответствующих моделей для прогноза динамики влажности почвы позволяет оптимизировать процесс управления ирригационной системой. Цель работы — разработка методов оптимизации оперативного управ- ления влагообеспечением в условиях неопределенности за счет использова- ния адаптивной системы управления с прогнозирующей моделью. Рис. 1. Структура СППР для управления влагообеспечением Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах … Системні дослідження та інформаційні технології, 2014, № 2 97 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Для достижения поставленной цели необходимо сформировать динамиче- скую модель распределения влаги в пахотном слое, позволяющую прогно- зировать влажность почвы в корнеобитаемом слое; разработать структуру и алгоритм работы системы оперативного управления с прогнозом в пре- делах отдельной оросительной системы; провести анализ временных интер- валов работы отдельных компонентов системы оперативного управления влагообеспечением. МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ Для моделирования динамики влажности в пахотном слое принято исполь- зовать уравнение Дарси, описывающее процессы фильтрации влаги в почве [4]. Применение метода конечных разностей позволяет получить дискрети- зированную модель динамики распределения влаги в пахотном слое, при- годную для анализа влажности почвы на любой интересующей глубине [6]:       , ,)()( xy quxbxf dt xd     C (1) где T Nk xxxxx ),,,,,( 10   — вектор состояния (значения влажности поч- вы по глубине); )(xf  и )(xb  — набор непрерывных функций, зависящих от элементов вектора состояния и формирующихся на основе гидрофизических характеристик почвы;  TNN qxTRxTRqq )()( 110   — вектор внешних воздействий, включающий осадки 0q , водопотребление культур по слоям )( ixTR , 11  N,i , а также сток в подпахотный слой ;Nq C — мат- рица, формирующаяся согласно структуре системы измерения влажности; u  — вектор управления, сформированный с учетом типа поливной систе- мы; y  — вектор выхода, представляющий доступные для измерения значе- ния влажности почвы. Прогнозирующая модель (1) предназначена для оценки возможной влажности почвы, а также формирования управления оборудованием ирри- гационной системы на предстоящий период при фиксированном режиме работы поливного оборудования с учетом текущей влажности почвы и про- гноза метеорологических условий. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ Предлагаемая структура системы оперативного управления с прогнозирую- щей моделью приведена на рис. 2. Объект управления (ОУ) наблюдается посредством измерительной системы (ИС). Блок оценивания (БО) формиру- ет оценку текущего состояния объекта ix  ˆ . Модель долгосрочного прогноза (МДП) формирует вектор состояния 1ix  на горизонт прогноза, т.е. для мо- мента времени it . Для прогноза вектора состояния 1ix  используется О.В. Поливода, А.В. Рудакова ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2014, № 2 98 условно-постоянная информация (массив данных R  ), которая хранится в базе данных (БД), о типе почвы пахотного и подпахотного слоев, почвенно- гидрологических константах слоев, о типе культивируемых культур и усло- виях их выращивания, о наличии единиц оросительной техники, их распо- ложении на географической плоскости (координаты оборудования), а также статистическая информация о климатических условиях. Модуль адаптивного управления с экспоненциальным сглаживанием (МАУсЭС) и краткосрочным прогнозом [7] формирует вектор управления  1iu  (график полива) на горизонт управления для интервала времени )2,(   ii ttt с учетом заданного коридора влажности  iд yyy  опт дyy  опт  . Найденное оптимальное управление записывается в блок за- поминания программ управления (БЗПУ) и передается в модуль хранения программ управления (МХПУ) к моменту времени  ii tt 1 для реализа- ции на интервале времени )2,(   ii ttt . На следующем 1i интервале управления формирование графика полива повторяется с учетом скорректи- рованной оценки прогноза состояния влажности почвы 1ˆ iy  с сохранением длины интервала прогноза . Продолжительность интервала достоверного прогноза для формирова- ния графика полива, в течение которого систему можно считать квазили- нейной, как и периодичность опроса датчиков, определяется с помощью од- номерного спектрального анализа динамики влажности почвы в конкретных климатических и агротехнических условиях [3]. ВРЕМЕННЫЕ ИНТЕРВАЛЫ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ При практической реализации системы оперативного управления с прогно- зом в течение всего периода вегетации повторяются циклы длительностью , в процессе которых измерение и управление осуществляется в режиме МХПУ ОУ ИС БОМДП МАУсЭСБЗПУ iu  ix  iy  БД оптy  R  q  поq  1ˆ iy  iu   1iu  ix  ˆ Рис. 2. Структура системы оперативного управления с прогнозом: 1 — t );,( 1 ii tt 2 — );,( 1 ii ttt 3 — );,( 211   ii ttt 4 —  itt Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах … Системні дослідження та інформаційні технології, 2014, № 2 99 реального времени, а формирование векторов оценки состояния 1ˆ iy  и оп- тимального управления  1iu  — в режиме ускоренного времени. Временные интервалы работы различных компонент системы опера- тивного управления в i -м цикле приведены на рис. 3. При ),( 1 ii ttt для всех Ni ,,0  осуществляется измерение и непо- средственно управление объектом на протяжении всего вегетационного пе- риода ),( кн TTt . Блоки на рис. 2 соединены толстыми сплошными линия- ми (1) и задействованы постоянно. Интервал 1 — промежуток времени, в течении которого формируется прогноз состояния влажности почвы 1ˆ iy  . При этом в системе оперативного управления, приведенной на рис. 2, задействованы блоки, соединенные тон- кими сплошными линиями (2). Интервал 2 — промежуток времени, в течение которого осуществля- ется поиск оптимального управления  1iu  на следующий период времени ),( 21  ii ttt . При этом задействованы блоки, соединенные пунктирными линиями (3) (рис. 2). Момент времени  itt — предельный момент передачи найденного графика оптимального полива на предстоящий интервал времени из БЗПУ в МХПУ (задействованы блоки, соединенные пунктирными линиями (4)) для своевременной реализации управления оборудованием ирригационной системы на следующем цикле оперативного управления. АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Периодический расчет оптимального управления влагообеспечением в пре- делах отдельной оросительной системы должен осуществляться в АРМ дис- петчера для каждой единицы поливной техники. В этом случае при форми- ровании оценки вектора состояния 1ˆ iy  на горизонт прогноза результат i1 i2 11 i  12 i  it 1it 2it  1ˆ iy   1iu   Интервалы расчета в ускоренном времени Интервалы управления в реальном времени iu  1iu  t 1iy  нT 2iy  кT 2ˆ iy   2iu  t Рис. 3. Временные интервалы работы системы оперативного управления О.В. Поливода, А.В. Рудакова ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2014, № 2 100 опроса датчиков влажности  p iky в зоне действия p -й единицы поливной техники усредняют. Блок-схема алгоритма работы системы оперативного управления с прогнозом, обеспечивающей эффективное водораспределение по всей орошаемой площади приведена на рис. 4. При моделировании алгоритма оперативного управления с прогнозом оказалось, что при 3 суток и 8P для фрагмента ирригационной сис- темы продолжительность формирования прогноза и управления составила менее часа. Ввод условно-постоянной информации из БД: параметров почв, поливных систем, схем высадки культур P, Lp, Kp, Tн, Tк, ?, MG, VZ, NV Начало t<Tн + – i=0 Выполнение влагозарядного полива u0 Для каждой p-й единицы поливной техники, p=1,P Расчет усредненной влажности в зоне действия единицы поливной техники )( p iy  Опрос датчиков влажности в зоне действия единицы поливной техники . 1 2 3 4 5 6 7 8 Расчет прогноза по модели 9 )( 1ˆ p iy   Расчет графика полива для . 10 )( 1 p iu   Передача вектора управлений для . 12 1iu  )2,(   ii ttt + – 11  itt – кTt +i=i+1 14 Конец 15 13 p )( ,1, Kky p ik  )2,(   ii ttt Рис. 4. Блок-схема алгоритма оперативного управления влагообеспечением Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах … Системні дослідження та інформаційні технології, 2014, № 2 101 Параметры функционирования системы управления, состояния обору- дования и распределенного объекта, которые необходимы для оперативного управления с применением современных программно-аппаратных средств, целесообразно визуализировать в виде интерфейсных окон SCADA-системы. Усовершенствование систем водораспределения путем использования предлагаемых методов оперативного управления с прогнозирующей мо- делью должно сопровождаться внедрением современных подсистем мони- торинга, которые обеспечивают постоянный контроль климатических пара- метров, влажности почвы и состояния оборудования по всей территории распределенных сельскохозяйственных угодий. ВЫВОДЫ Оперативное управление влагообеспечением в условиях неопределенности должно осуществляться с использованием методов адаптивного управления с прогнозирующей моделью. Применение дискретизированного представле- ния уравнения Дарси позволяет анализировать динамику влажности почвы в корнеобитаемом слое в зависимости от ее гидрологических характеристик, вида культивируемых растений, объемов воды, поступающих на поля от по- ливных систем, грунтовых вод, либо в виде случайных осадков. ИАС влаго- обеспечением в ирригационной системе обуславливает гарантированное поддержание рациональных условий выращивания культур, а также эко- номное использование водных и энергетических ресурсов. ЛИТЕРАТУРА 1. Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв. — М.: МГУ, 2003. — 448 с. 2. Рудакова А.В., Шейник С.П., Поливода О.В. Информационно-управляющая система для систем водораспределения // Вестник Херсонского национально- го технического университета. — 2009. — № 1(34). — С. 333–337. 3. Поливода О.В. Применение спектрального анализа в контуре идентификации состояния информационно-управляющей системы ирригационной сети // Вестник Херсонского национального технического университета. — 2011. — № 2(41). — С. 245–250. 4. Морозов В.В., Плоткін С.Я., Поляков М.Г. Моделювання і прогнозування для проектів геоінформаційних систем: Навч. посіб. — Херсон, ХДАУ, 2007. — 328 с. 5. Поливода О.В. Рудакова А.В., Шейник С.П. Оптимизация управления влаго- обеспечением в ирригационных системах // Международная научно- практическая конференция «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития», 10 декабря 2012 г. / Приволжский научно- исследовательский центр. — Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2013. — С. 120–123. 6. Поливода О.В., Рыженко Н.И., Рудакова А.В. Динамическая модель распреде- ления влаги в пахотном слое // Вестник Херсонского национального техни- ческого университета. — 2010. — № 3(39). — С. 374–380. 7. Поливода О.В., Рудакова Г.В., Сарафанникова Н.В. Использование метода экс- поненциального сглаживания для адаптивного управления ирригационной системой // Автоматика–2012: ХIХ міжнародна конференція з автоматично- го управляння, Київ, 26–28 вересня 2012 р.: тези доповідей. — Київ: НУХТ, 2012. — С. 118 Поступила 08.07.2013

Методы оперативного управления влагообеспечением в ирригационных системах с прогнозирующей моделью

Репозитарії

Схожі ресурси