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