數(shù)學(xué)模型在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用

謝峰

（銅仁學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州銅仁 554300）

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化理論體系的不斷發(fā)展和完善，數(shù)學(xué)模型理論在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)理論中的重要性逐漸凸顯出來(lái)，農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)模型已經(jīng)成為了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)科學(xué)的運(yùn)算基礎(chǔ)和理論依據(jù)。通過(guò)以下三種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)模型在生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了數(shù)學(xué)模型，提高了人們對(duì)數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)程度，為建立農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的數(shù)學(xué)模型理論的創(chuàng)新構(gòu)想提供了新想法與新思路。

對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)很廣泛的應(yīng)用到了新的科學(xué)技術(shù)，以及現(xiàn)代工業(yè)高速發(fā)展所帶來(lái)的農(nóng)業(yè)肥料。同時(shí)，配合科學(xué)合理的管理方式對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向社會(huì)化農(nóng)業(yè)發(fā)展。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、連續(xù)數(shù)據(jù)采集傳感器系統(tǒng)、地理信息綜合系統(tǒng)等一系列高科技技術(shù)應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)過(guò)程中。同時(shí)，利用遠(yuǎn)程遙感衛(wèi)星系統(tǒng)可以更加詳細(xì)的采集到糧食作物的生長(zhǎng)情況和即時(shí)的地理天氣等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析找到引起產(chǎn)品不同的真實(shí)原因。進(jìn)而對(duì)該地區(qū)的農(nóng)田進(jìn)行有效的調(diào)整控制措施?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)中每個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門(mén)都應(yīng)該進(jìn)行數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的科學(xué)管理，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中越來(lái)越多的運(yùn)用到了數(shù)學(xué)模型。在提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí)，也提高了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，滿(mǎn)足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品消費(fèi)需求，更好的保護(hù)了人們賴(lài)以生存的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)最終的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展而努力奮斗。

1 數(shù)學(xué)模型思維對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響

農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)模型使數(shù)字化融入到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，將農(nóng)業(yè)科學(xué)體系從經(jīng)驗(yàn)型提升到了專(zhuān)業(yè)理論型，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題提供了科學(xué)的解決方案。其中主要涉及到了數(shù)學(xué)中的概率學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、優(yōu)化數(shù)學(xué)、非線(xiàn)性數(shù)學(xué)和計(jì)算學(xué)等五門(mén)學(xué)科。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用統(tǒng)籌學(xué)中的數(shù)學(xué)規(guī)劃法，通過(guò)集中整理農(nóng)業(yè)問(wèn)題的方式建立數(shù)學(xué)模型。靈活運(yùn)用應(yīng)用型數(shù)學(xué)的思考方式進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建工作。運(yùn)用數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，利用更加標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的方式為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)優(yōu)化決策處理機(jī)制，提供更加全面的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，利用單純形法，可以求出線(xiàn)性規(guī)劃中的最佳方案。但是，在實(shí)際種植過(guò)程中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食產(chǎn)量受到很多因素的制約，涉及到的決策變量和制約條件也在增多，使利用人工處理問(wèn)題的難度成幾何式增長(zhǎng)，但隨著網(wǎng)絡(luò)信息化科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，可以用計(jì)算機(jī)構(gòu)建農(nóng)業(yè)問(wèn)題數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力推算出解決此類(lèi)問(wèn)題的最佳解決方案。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為線(xiàn)性規(guī)劃等數(shù)學(xué)模型在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了可行性和強(qiáng)大的技術(shù)支持，使數(shù)學(xué)模型在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。

2 數(shù)學(xué)模型在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 線(xiàn)性規(guī)劃模型對(duì)農(nóng)業(yè)的影響

線(xiàn)性規(guī)劃模型主要是利用線(xiàn)性規(guī)劃來(lái)解決農(nóng)業(yè)數(shù)字化建設(shè)中的難點(diǎn)問(wèn)題。在模型的應(yīng)用過(guò)程中，首先要明確目的，與未知、已知條件三者之間的關(guān)系。求解的目標(biāo)可以理解為最大化和最小化，但是礙于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題的多樣性，一些已知的數(shù)據(jù)都是通過(guò)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采樣、調(diào)查，整理和分析而得到的，最后還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性核實(shí)認(rèn)證。通過(guò)多次對(duì)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，來(lái)獲得最準(zhǔn)確的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。

獲取方式可以通過(guò)三個(gè)基本步驟來(lái)完成，以此來(lái)構(gòu)建線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型。第一，根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題最終確定決策變量。第二，第一時(shí)間明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最終目標(biāo)，建立起目標(biāo)函數(shù)。第三，認(rèn)真核實(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所出現(xiàn)的制約條件，構(gòu)建一組制約方程式。例如，在農(nóng)作物肥水供應(yīng)模型中，其模型本質(zhì)就是一個(gè)農(nóng)業(yè)線(xiàn)性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。這個(gè)模型用農(nóng)作物需水需肥的規(guī)律、土壤詳細(xì)參數(shù)、氣候情況，建立一套線(xiàn)性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。在當(dāng)中可以看到該數(shù)學(xué)模型中的決策變量就是所供應(yīng)的水肥量，水肥量作為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)制約條件確定水肥量的最大值和最小值。使用數(shù)學(xué)模型受到一定條件的制約，其栽培土壤就是最基本的制約條件，農(nóng)作物的基本水肥成分狀況，作物的每個(gè)生長(zhǎng)周期所需要的水肥情況和天氣情況都制約著作物的生長(zhǎng)。

近一段時(shí)間通過(guò)實(shí)地考察，以及對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和大量的試驗(yàn)得到的最終數(shù)據(jù)證明。當(dāng)決策變量通過(guò)傳感系統(tǒng)得到有用數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，求得出每個(gè)生育周期所需要的水肥量的最大數(shù)值和最小數(shù)值，利用互聯(lián)網(wǎng)就可以直接控制田內(nèi)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)啟作業(yè)，為缺水作物進(jìn)行補(bǔ)水補(bǔ)肥作業(yè)，從而達(dá)到作物肥水的按需施用，因地制宜地調(diào)整作物肥水用量。

在線(xiàn)性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算機(jī)對(duì)其起到了很大的幫助作用。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)大量的運(yùn)算模擬出農(nóng)作物在哪種情況下會(huì)受到制約條件的限制，即需水和需肥的臨界點(diǎn)，計(jì)算機(jī)計(jì)算的過(guò)程是通過(guò)很多的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算而進(jìn)行演算的。運(yùn)算中所調(diào)用的數(shù)據(jù)都是通過(guò)作物使用的傳感器采集而來(lái)的。但由于一些技術(shù)還不是很成熟，數(shù)據(jù)傳感器的精度還有待提升。這一技術(shù)上的缺失，對(duì)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定量的影響。受到上述的影響，目前使用的數(shù)學(xué)模型所構(gòu)建的水肥供給系統(tǒng)，都是依托于數(shù)學(xué)模型理論和對(duì)作物的管理經(jīng)驗(yàn)互補(bǔ)結(jié)合而產(chǎn)生的。因此，如果想進(jìn)一步深化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用程度，就必須盡快解決傳感器精度問(wèn)題。只有傳感器得到進(jìn)一步升級(jí)完善，才能真正發(fā)揮出數(shù)學(xué)模型在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的理論實(shí)力。

2.2 多目標(biāo)規(guī)劃模型

多目標(biāo)規(guī)劃模型的構(gòu)建，主要是為了解決具有多目標(biāo)函數(shù)的復(fù)雜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題而出現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型。大多應(yīng)用在循環(huán)農(nóng)業(yè)的模型構(gòu)建中。通過(guò)對(duì)模型的計(jì)算，得出有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，同時(shí)還要具備經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益等多方面的高級(jí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。模型中主要包括目標(biāo)函數(shù)和制約條件。在模型構(gòu)建完成后，主要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和導(dǎo)入工作，開(kāi)展對(duì)大數(shù)據(jù)的處理。這樣可以大大的提高計(jì)算的運(yùn)算速度和精度，多目標(biāo)規(guī)劃模型在生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了最為廣泛的應(yīng)用。多目標(biāo)規(guī)劃模型的建立需要龐大的數(shù)據(jù)支撐，這些數(shù)據(jù)多來(lái)源于試驗(yàn)研究的結(jié)果數(shù)據(jù)和長(zhǎng)期駐外實(shí)地調(diào)研所總結(jié)出來(lái)的數(shù)據(jù)，其工作量十分巨大，耗時(shí)時(shí)間長(zhǎng)。

2.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的時(shí)段模擬數(shù)字模型

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)時(shí)段數(shù)學(xué)模型主要引用在農(nóng)業(yè)干旱、作物能量轉(zhuǎn)化等研究工作當(dāng)中。在研究過(guò)程中主要把研究對(duì)象進(jìn)行分時(shí)段研究，以此獲得農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的最佳生長(zhǎng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)合理的農(nóng)技指導(dǎo)。時(shí)段模擬數(shù)據(jù)模型主要通過(guò)傳感系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行處理，最終得到最好的解決方案。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)如果想得到長(zhǎng)足穩(wěn)定的發(fā)展，就必須進(jìn)行數(shù)據(jù)模型化。應(yīng)用數(shù)學(xué)技術(shù)和當(dāng)今先進(jìn)的科學(xué)手段，借助計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)的處理能力，實(shí)現(xiàn)一個(gè)先進(jìn)、高效、節(jié)能、環(huán)保的和諧農(nóng)業(yè)新格局。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變量多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型化，可以有效提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率和作物產(chǎn)量。