Введение 3
Актуальность работы 3
Цель работы 5
Практическая значимость работы 6
Глава 1. Обзор литературы и существующих решений 8
1.1. Обзор литературы 8
1.2. Обзор решений 10
Глава 2. Описание реализации приложения 13
2.1. Технологические требования к приложению 13
2.2. Проектирование и реализация архитектуры 14
2.3. Проектирование базы данных 19
2.4. Реализация программного комплекса 21
2.5. Апробация и тестирование приложения 25
Заключение 27
Результаты работы 27
Перспективы развития 29
Список литературы
Сегодня в индустриально развитых странах сельское хозяйство поставлено на промышленную основу. Это означает использование мощной сельско-хозяйственной техники, передовых агрономических методов и высокоэффективных химикатов, а также привлечение самых современных компьютерных технологий.
Особенность использования информационных технологий в сельском хозяйстве состоит в том, что практически все используемые данные имеют геопространственную привязку. Если мы хотим, например, проанализировать распределение увлажнения почвы совместно с урожайностью, то и те, и другие данные должны находиться в одной системе координат и иметь необходимую координатную точность. Обрабатывать же такие данные могут только программы, специализированные на работе с пространственной информацией, а именно - географические информационные системы (ГИС), которые предоставляют актуальность, точность и полноту исходных данных, необходимые для эффективного применения информационных технологий в сельском хозяйстве. Мы можем наблюдать массовое внедрение таких систем в сельское хозяйство США, Европы и России [1,2].
Применение ГИС в сельском хозяйстве позволяет интегрировать, вести и совместно анализировать самые разные виды пространственно распределенных показателей и описательных данных. Эти системы используются для создания и ведения кадастров земель и водных объектов, реестров собственности, экологического и погодного мониторинга, управления чрезвычайными ситуациями, оценки производственных рисков, анализа взаимосвязей различных факторов, влияющих на урожайность сельскохозяйственных культур и во многих других приложениях, основанных на пространственно распределенной информации [1,2, 3,4,5,6]. По сути, ГИС - это объединение электронных карт, баз данных и средств их ведения и анализа. Возможности и гибкость этих систем обеспечивают их применимость как в масштабах всей страны, так и на уровне отдельного фермерского хозяйства. И именно так эти системы используются сегодня.
Сотни тысяч организаций практически во всех областях используют ГИС для создания интеллектуальных карт, которые обеспечивают наглядное представление данных, выполнение продвинутого анализа, облегчают обмен информацией и помогают решать сложные проблемы. Это меняет наше понимание процессов, происходящих в мире и влияющих на его преобразование.
Данная работа посвящена реализации цифрового двойника сервиса для визуализации и обработки геопространственных агроэкологических данных. Веб-сервис должен хранить полезную для агропромышленности информацию о полях, которую в дальнейшем можно будет использовать для мониторинга, анализа и прогнозирования различных показателей поля.
Цель работы
Целью работы является разработка цифрового двойника для технологического управления и оптимизации сельского хозяйства посредством веб- ориентированного программного комплекса, позволяющего оптимизировать различные типы издержек в процессах, увеличить урожайность. Для дости¬жения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Составление и описание архитектуры приложения и описание технологий, которые используются в реализации;
2. Создание базы данных для хранения геопространственных агроэкологических данных, включающей информацию о почвенных свойствах, климатических условиях, объектах на местности и т.д.;
3. Разработка веб-интерфейса для отображения геопространственных данных, включая возможность создания и настройки пользовательских отчетов, интеграцию с другими системами и источниками данных;
4. Реализация механизмов безопасности и защиты данных, включая обеспечение отказоустойчивости и защиту от несанкционированного доступа к системе;
5. Интеграция системы с другими источниками данных и сторонними сер-висами, например, с сервисами прогнозирования погоды.
В современном мире в развитых странах происходит интегрирование IT в сельское хозяйство. Широкое применение находят ГИС, с помощью которых введется хранение различной информации о земельных участков в понятном для человека виде. Данные, хранящиеся в ГИС используются для аналитики, поиска взаимосвязей, мониторинга, управления.
В работе были рассмотрены современные геоинформационные программные продукты, использующиеся в сельском хозяйстве. Была поставлена цель реализовать свой цифровой двойник для технологического управления и оптимизации сельского хозяйства посредством веб-ориентированного программного комплекса.
Были поставлены требования к веб-приложению, составлена его общая архитектура, реализована базы данных, а также реализован веб-сервис для визуализации и обработки геопространственных агроэкологических данных, реализованы механизмы безопасности и защиты данных, произведена интеграция системы с другими источниками данных и сторонними сервисами.
С кодом веб-сервиса можно ознакомиться в опубликованном github репозитории [45].
В дальнейшем возможно расширить функционал веб-сервиса, например внедрить модели машинного обучения для анализа и прогноза показателей полей.
В работе были выполнены следующие задачи по разработке веб-сервиса:
• Проведён анализ литературы и существующих решений, в рамках которого определены направления развития области, а также изучены функциональные возможности современных решений.
• Разработана общая архитектура веб-сервиса, в результате чего были выбраны технологические решения, с помощью которых будет реализовано приложение и его структура.
• Спроектирована и реализована база данных для хранения геопространственных агроэкологических данных. В ходе проектирования были учтены особенности геоданных для реализуемого сервиса.
• Разработан веб-интерфейс для отображения геопространственных данных, возможности взаимодействия с ними. Оформление страничек получилось простым, но оно выполняет предназначенные для него функции.
• Реализованы механизмы безопасности и защиты данных на уровне доступа пользователей и их организаций.
• Интегрирован сервис прогнозирования погоды openweathermap Был написан сервис для взаимодействия с ним через API.
• Протестировано приложение с помощью rspec. Была проведена автоматическая проверка всех функциональных возможностей, а также интеграция с другими компонентами системы. Результаты тестирования демонстрируют высокую степень стабильности и работоспособности приложения.
• Проверена производительность системы с помощью RailsPanel. Производилась проверка на оптимизированность SQL-запросов, рендера страничек. Неоптимизированных участков обнаружено не было.
Перспективы развития
Данный программный комплекс имеет потенциал для расширения функционала. Используя данные о полях, можно провести анализ и прогнозирование урожайности на данном участке земли, что позволяет снизить риски потерь и оптимизировать производственные процессы. Например, при знании конкретных характеристик поля можно определить оптимальные сорта культурных растений, подобрать необходимые удобрения, эффективно распределить полив и прочие меры по уходу за посевами.
Можно использовать агроэкологические данные для выявления зон с высоким риском болезней и проблем с культурами. Кроме того, комплекс может быть расширен за счет автоматического определения границ полей по фотоаэроснимкам и управления агропромышленной техникой для сбора и обработки урожая.
Также можно добавить функционал для получения актуальных данных о урожае и для оптимизации использования ресурсов, например, воды и энергии, на основе агроэкологических данных.
Таким образом, существует множество возможных вариантов использования рассмотренных систем. Можно утверждать, что наличие актуальной информации о состоянии урожая и использовании ресурсов является ключевым фактором для улучшения качества и количества производимых аграрных продуктов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
