Агротехническое производство, в частности процессы возделывания и уборки сельскохозяйственных культур, в значительной степени подвержены случайным воздействиям. На порядок протекания (и результаты) подобных процессов влияет громаднейшее количество разнообразнейших факторов, каждый из которых, в свою очередь, испытывает воздействие со стороны значительного количества других параметров и т. д. Абсолютное большинство участвующих в подобном взаимодействии переменных имеют случайную природу происхождения и существования. Можно утверждать, что сам процесс культивирования сортов растений является по своей природе вероятностным.
Вероятностные основы земледелия формируются на нескольких уровнях. Первый уровень составляют природно-климатические особенности региона функционирования системы технической оснащенности. Вероятностная природа функциональных процессов в данном случае проявляется в формировании:
- набора культур, возделыванию которых природно-климатические особенности региона наиболее благоприятны;
- набора технологических операций, позволяющих наиболее успешно возделывать сформированный набор сельскохозяйственных культур и основных требований кним. Задачами набора технологических операций будет получение максимальной урожайности возделываемых культур, а также сохранение и повышение уровня природного плодородия возделываемых земель.
- конструктивных требований к техническим средствам, необходимым для выполнения планируемых технологических операций. Технические средства следует производить в нескольких вариантах исполнения, максимально адаптированных к почвенно-климатическим условиям конкретного региона.
Вероятностный характер процессов на данном уровне отличается наибольшими параметрами рассеянности, снизить которые можно только максимальным учетом основных статистических характеристик и векторной направленности формообразующих полей, т. е. наибольшей адаптацией к природно-климатическим особенностям по всем направлениям данного уровня.
Второй уровень образуют мероприятия, задающие приоритеты и параметры качественной оценки как отдельных технологических операций, так и всего процесса функционирования системы технических средств земледелия. Созидание данных полей вполне управляемо и с достаточной точностью прогнозируемо. Вероятностная природа в данном случае проявляется в формировании:
- стоимостных условий существования системной модели. Представляется крайне важным установление, применение и обеспечение стабильности структурных стоимостных соотношений (и интервалов их варьирования), формирующих комплексы исходных и итоговых условий для сбалансированного функционирования системы технических средств земледелия.
- условий, определяющих масштабные (количественные) параметры рассматриваемой системы. Кроме стоимостных условий к их числу относятся социально-политические (численность населения, уровень потребления и т. п.) и технико-технологические (уровень производства технических средств, технологическая культура эксплуатации и т. п.) условия функционирования системы. Определяющей в формировании тенденций развития этих полей представляется роль государственных структур посредством кредитной, налоговой, таможенной политики, госзаказов, целевых поставок и т. п.
- - условий, определяющих структурные качественные параметры системы. Приоритетное ранжирование качественных параметров ее работы определяется целиком (и только) государственной политикой в агропромышленной отрасти. В любом случае, в том числе и для сглаживания вероятностной природы рассматриваемого процесса, основные структурные, формообразующие требования должны быть сформулированы, задекларированы и неизменны в течение определенного промежутка времени.
В настоящий же момент абсолютное большинство формирующихся на данном уровне процессов отличаются значительной нестабильностью (особенно стоимостные условия), что имеет несколько противоестественный характер.
Таким образом, практически все основные процессы, влияющие на функционирование системы средств технической оснащенности в земледелии имеют четко выраженную вероятностную природу происхождения, что значительно затрудняет как настройку и управление внутрисистемными процессами, так и прогнозирование (и достижение) конкретных результатов.
Если представить процесс земледелия как последовательность выполнения ряда технологических операций (рисунок 1), то на каждый элемент последовательности будет воздействовать значительное количество как природно-климатических (влажность почвы, ее структура, вероятность заморозка, дождей и т.п.), так и технологических параметров (производительность технических средств, вероятность сохранения во времени ее скалярного значения и т. п.).
При этом скалярные характеристики, степень воздействия параметров, сама возможность оказывать какое-либо воздействие существенно
отличаются для различных технологических операций и сортов сельскохозяйственных растений.
Комплексное воздействие данных параметров формирует особенный (конкретный) набор характеристик качества выполнения для каждой технологической операции рассматриваемой последовательности. Выходной поток какой-либо операции (его структура, скалярные параметры) является, в свою очередь, возмущающим воздействием на совокупность качественных характеристик последующей операции технологического процесса, одновременно повышая неопределенность расчета их численных значений.
Как уже отмечалось, каждая технологическая операция характеризуется специфическим набором качественных характеристик, наиболее важной из которых следует считать вероятность ее своевременного выполнения (в соответствии с оптимальными агротехническими сроками). При этом неопределенность скалярного расчета характеристик данного показателя качества для какой-либо технологической операции одновременно усиливает вероятностную неопределенность этого же параметра для всего ряда последующих операций.
Рассматривая технологические операции возделывания именно как последовательность взаимосвязанных вероятностных процессов (рис. 1), можно сформулировать основные принципы и сформировать, на их основе, систему качественных допусков на технологические операции в земледелии.
Определяя задачу технологических операций как реализацию условий обеспечения наиболее благоприятных условий развития культивируемых сельскохозяйственных растений, качество выполнения операций следует оценивать именно по степени реализации данных условий (благоприятности развития растений).
Количественно степень реализации благоприятных условий развития растений можно оценить коэффициентом реализации потенциальной урожайности КреалПУ. соотношением величин получаемой и максимально возможной (потенциальной) урожайности возделываемых культур:
где Уфат - фактическая (реализуемая) урожайность возделываемой культуры, ц/га; Утах - максимально возможная в данных почвенно - климатических условиях урожайность возделываемой культуры, ц/га.
Учитывая невозможность обеспечения абсолютных (идеальных) условий развития растений в процессе выполнения каждой технологической операции, степень отклонения фактических условий развития растений от идеального уровня для всего технологического процесса можно представить как функциональную зависимость от количества применяемых технологических операций возделывания и качества их выполнения (отклонения фактических технологических параметров от оптимальных агротехнических требований).
Тогда степень отклонения фактических условий развития растений от идеального уровня для конкретной k-ой операции (вероятность реализации потенциальной урожайности при выполнении данной операции) можно представить
как функцию, зависящую от вероятности выполнения установленных на данную операцию агротехнических требований Kipeavi πy=f(Pk).
Вероятность реализации потенциальной урожайности данной культуры при множественном взаимодействии вероятностных факторов (режимов технологических операций) в соответствии с положениями теории вероятностей определяется как:
Параметры качества выполнения технологических операций (соблюдения технологических допусков) составляют две группы случайных величин:
- отступления времени (продолжительности) выполнения операций от оптимальных агротехнических сроков;
- отклонения технологических параметров (неравномерности глубины обработки, нормы внесения удобрений и т. п.) от оптимальных доверительных интервалов (рекомендованных технологических режимов)
В рамках одной операции вероятности соблюдения параметров обеих групп (технологических режимов) являются независимыми случайными величинами. Тогда вероятность неотклонения идеальных
121
Зависимости (9 - 11) оценивают вероятность соблюдения только одного, кроме сроков выполнения, технологического параметра для 2 - ой операции. Однако попадание в установленный интервал только одного технологического режима не обеспечивает высокого качества выполнения всей операции. Для этого необходима высокая вероятность попадания в интервал заданных значений всех технологических режимов, т.е. нужно оценить вероятность совместного проявления нескольких случайных событий. Тогда выражение (11) примет вид:
где Рхц ...Ярц (Xj,i) - условная вероятность соблюдения j-го технологического режима (при условии выполнения всех остальных технологических режимов) j-ой операции.
Из анализа выражения (13) следует объективная закономерность снижения качества технологической операции по мере увеличения числа контролируемых технологических параметров (технологических режимов).
Необходимо учитывать, что вероятность соблюдения j-го технологического режима i-ой операции определяется не только вероятностями попадания в доверительные интервалы других технологических параметров этой же операции, но и качеством выполнения (вероятностью соблюдения) некоторых (иногда значительного количества) технологических параметров предыдущих операций. Например, неравномерность заделывания семян, от величины которой зависит неравномерность прорастания растений и качество операций по обработке посевов, определяется не только настройками посевного агрегата, но и качеством основной обработки (неравномерностью глубины вспашки), предпосевной обработки (в частности, комковатостью) почвы, макрорельефом земельного массива (качеством выравнивания зяби) и т. п. Вследствие этого вероятность качественного выполнения операции снижается по мере увеличения количества технологических операций и контролируемых технологических режимов.
Подставляя в выражения (6, 7) зависимости (11 - 13), можно определить доверительные границы допусков технологических параметров для основных операций возделывания сельскохозяйственных культур. Для нормального (двустороннего) распределения технологического параметра доверительные границы его значений, гарантирующие получение планируемой урожайности с заданной вероятностью, будут рассчитываться как:
123
операции, дней;
j - количество операций в технологическом процессе возделывания, ед.
Оценка адекватности представленной зависимости (17) производилась сопоставлением экспериментальных данных о совместном влиянии на урожайность нескольких технологических операций с расчетными, полученными по выражению (17). Среднее суммарное отклонение по всем рассмотренным случаям (23 сопоставления) составило 31,51 %, что является удовлетворительной точностью для условий аграрного производства. Таким образом, полученная в результате исследований зависимость (17) представляется достаточно адекватной.
Выражения (14 16) позволяют также сформулировать комплекс требований для контроля качества выполнения технологических операций:
- отступления по срокам (продолжительности) выполнения технологических операций, при прочих равных условиях, сильнее влияют на величину по луч аемой урожайности, чем такие же (по относительной величине)отклонения технологических параметров (режимов);
- качество (вероятность соблюдения) технологических режимов должно повышаться по мере уменьшения порядкового номера операции в технологическом процессе, т. е. для получения запланированной урожайности (с заданной вероятностью) предыдущие операции должны выполняться с более жестким соблюдением технологических допусков (сами технологические допуска должны быть уже) в сравнении с последующими;
- для повышения качественных характеристик (урожайности) технологического процесса возделывания в растениеводстве следует снижать количество жестко контролируемых в каждой операции технологических параметров (допусков технологических режимов);
- исключение из технологии возделывания технологических операций, произвольное сокращение количества технологических режимов (контролируемых параметров) не повышает величину реализуемой урожайности возделываемых культур;
- первоочередное значение имеет контроль технологических режимов, обладаю щи х наименьшими статистическими характеристиками: более узкими интервалами значений, меньшей величиной рассеивания (среднего квадратического отклонения о), большей доверительной вероятностью и т.д.;
- границы допусков технологических режимов, обеспечивающие достижение планируемой урожайности возделываемых культур с заданной вероятностью Ритог , определяются как случайные величины по выражениям (14, 15).
Выражения (14, 15) оценивают вероятность совместного проявления сразу нескольких случайных величин (соблюдения при выполнении технологической операции некоторого количества режимов), взаимодействующих между собой как условные, совместные и независимые случайные события, или их комбинации.
В то же время в земледелии имеется потребность оценить вероятность проявления одного отдельного случайного явления из всего массива взаимосвязанных и взаимообусловленных случайных событий. Такая необходимость возникает, например, при оценке экологической безопасности возделываемой сельскохозяйственной культуры, и заключается в определении верхних пределов доверительных пооперационных допусков на наличие экологически вредных веществ. В этом случае доверительные границы технологических параметров (режимов) будут определяться выражением:
Общий же уровень загрязненности реализуемого урожая (по всему комплексу вредных веществ) можно оценить выражениями (14 - 16, 18). При этом вероятность совместного проявления случайных событий (загрязнения продукции несколькими элементами), как по каждой операции, так и для всего технологического цикла определяется с учетом распределения данных событий по группам случайных величин (независимые, совместные, условные и т. п.).
Таким образом, изложенные в настоящей работе методологические принципы позволили сформулировать основные требования к формированию системы качественных пооперационных допусков с учетом вероятностного характера протекания технологических операций в земледелии, улучшающей точность прогнозирования и вероятность достижения запланированной урожайности, и формализовать как зависимость коэффициента реализации потенциальной урожайности возделываемых культур от технологических режимов, так и расчет параметров их доверительных границ.
