Введение
Питательная среда для выращивания растений представляет собой комплексное средство, используемое для создания оптимальных условий, в которых растения могут полноценно расти и развиваться. Питательная среда содержит различные элементы питания, необходимые для обеспечения растения питательными веществами, которые позволяют ему восстанавливать энергию, производить новые клетки и ткани, а также поддерживать жизненную активность. Применение питательных сред является эффективным методом для обеспечения оптимальных условий для растений в тех ситуациях, где недостаточно плодородной почвы или подходящего климата. Они могут также использоваться для контроля качества почвы или воздуха в лабораторных условиях, где уровень загрязнения можно регулировать и контролировать, а также для создания культурных условий, которые позволяют растениям обхватывать их светом, теплом и питательными элементами, что может способствовать развитию растений.
Методология
Целью данного исследования является разработка интеллектуальной системы для расчета и оптимизации состава питательных сред для выращивания асептической культуры растений. Предмет исследования – расчёт и оптимизация составов питательных сред. Объектом исследования является лаборатория РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Исследование основано на методах абстрагирования, анализа и измерения. Одной из задач исследования является проектирование интеллектуальной системы, которая будет автоматизировать расчёт компонентов питательных сред, предоставлять информацию по питательным средам.
Результаты
Первый этап исследования – выделение требований к информационной системе. Для выполнения задачи система должна: обеспечивать ввод и хранение данных о питательных средах, её компонентах; рассчитывать и оптимизировать состав питательных сред; предоставлять информацию о составе питательных сред в таблицах и графиках. В рамках исследования рассмотрен бизнес-процесс расчёта состава питательных сред. С точки зрения актуальности содержания модели бизнес-процесса делятся на модель «Как есть» (англ. «as is»), которая отражает реальное положение дел на момент описания и показывает фактически имеющуюся, сложившуюся технологию работы и на модель «Как должно быть» (англ. «to be»), отражающая целевое состояние, которое в дальнейшем предполагается претворить в жизнь [7].
Результаты
Чтобы успешно приготовить среду, нужно с высокой точностью знать, какие ингредиенты в каком количестве необходимо приготовить. Рассмотрим бизнес-процесс так, как он есть в текущем виде. Сотрудник лаборатории определяет необходимый объем среды, затем смотрит, какие ингредиенты нужны для приготовления среды, какая концентрация должна быть у ингредиентов. Далее сотрудник должен вручную посчитать, какое количество компонентов нужно для приготовления раствора необходимого объема, что требует проведения множества арифметических операций. Модель данного бизнес-процесса представлена на рисунке 1.
Обсуждение
Рисунок 1 – Модель бизнес-процесса “as is” Чтобы снизить вероятность ошибки, было принято решение разработать интеллектуальную систему для расчёта компонентов питательной среды. Отметим, что и процесс будет более эффективным по времени. На рисунке 2 представлена модель бизнес-процесса после внедрения интеллектуальной системы.
Обсуждение
В рамках построения моделей системы была использована нотация IDEF0 — методология функционального моделирования (англ. function modeling) и графическая нотация, предназначенная для формализации и описания бизнес-процессов. Отличительной особенностью IDEF0 является ее акцент на соподчиненность объектов. В IDEF0 рассматриваются логические отношения между работами, а не их временна́я последовательность (поток работ) [8]. На рисунке 3 представлена схема IDEF0, показывающая принцип работы системы. Система получает исходные данные от пользователя - сотрудника лаборатории. Данные включают в себя выбранную питательную среду и объем компонентов. Система на сервере вычисляет все необходимые компоненты для выбранной среды и возвращает пользователю результат вычислений в виде графиков. Дополнительно отображается информация по выбранной среде, ссылки на справочники. Рисунок 3 – Контекстная диаграмма информационной системы расчета питательных сред в нотации IDEF0
Выводы
Диаграмма декомпозиции на рисунке 4 показывает более детально процессы, происходящие в системе. Исходные данные пользователь вводит в поля на сайте онлайн калькулятора и отправляет запрос на сервер. Сервер производит необходимые арифметические операции и возвращает пользователю результаты вычислений и дополнительную информацию в окне в браузере. Рисунок 4 - Диаграмма декомпозиции информационной системы Помимо структурных диаграмм в работе для построения моделей системы была использована и объектно-ориентированная нотация UML [1, 2]. Диаграмма классов – это UML-диаграмма, описывающая систему, визуализируя различные типы объектов внутри системы и виды статических связей, которые существуют между ними. Он также иллюстрирует операции и атрибуты классов [6]. На рисунке 5 изображена диаграмма классов информационной системы. Рисунок 5 - Диаграмма классов информационной системы Был разработан прототип интеллектуальной системы с функционалом расчёта состава питательных сред, добавлением питательных сред и их компонентов. На рисунке 6 изображён экран калькулятора с выбором питательной среды, где пользователь может выбрать среду из выпадающего списка с возможностями автозаполнения. Рисунок 6 – Экран выбора питательной среды На рисунке 7 изображён следующий этап работы калькулятора – работа с композицией. В питательных средах есть предопределённая композиция – микроэлементы, макроэлементы, витамины. Однако, есть смысл предоставить пользователю возможность создать и другие группировки, потому что разные микроэлементы могут быть несмешиваемыми. Рисунок 7 – Экран редактирования композиции питательной среды Далее пользователь должен ввести значения объёма и концентрации маточного раствора. На рисунке 8 изображена форма с возможностью ввода значений объёма и концентрации. Рисунок 8 – Экран ввода концентрации и объёма маточного раствора При нажатии на кнопку “Далее” на экране ввода концентрации и объёма маточного раствора, отправляется запрос на сервер расчёта состава питательной среды. Результаты расчётов отображаются в таблицах по каждой из групп композиции. На рисунке 9 изображён экран результатов расчёта. Рисунок 9 – Экран результатов расчёта состава питательной среды Также были реализованы формы создания питательных сред и их компонентов. На рисунке 10 изображена форма создания питательных сред. Администратор должен ввести название питательной среды, её описание, а также выбрать компоненты питательной среды и их количество. Рисунок 10 – Форма создания питательных сред На рисунке 11 изображена форма создания компонентов питательных сред вместе с таблицей компонентов. У каждого компонента есть его название, тип компонента: микроэлемент, макроэлемент или витамин и у микроэлементов и макроэлементов есть химическая формула. При отправке формы происходит обработка данных о компоненте с помощью Python-модуля, который определяет состав микроэлементов и макроэлементов по формуле, и компонент вместе с данными о его составе сохраняется в базу данных. Рисунок 11 – Форма создания компонентов питательных сред В результате работы была спроектирована информационная система расчета и оптимизации состава питательных сред для выращивания асептической культуры растений. Был проведен анализ процессов, которые происходят в процессе расчета питательных сред, были построены функциональные модели. Был разработан прототип информационной системы. Внедрение информационных технологий в процессы управления хозяйствующими субъектами и их бизнес-процессы способствуют повышению их эффективности [3 – 5]. И реализация данной системы ориентирована на развитие сельского хозяйства, в частности растениеводства, и экономики страны в целом.