土壤-作物系統(tǒng)模擬的優(yōu)化方法簡介(編輯修改稿)
2025-02-14 17:38 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 過程的過去歷史只能通過當(dāng)前的狀態(tài)去影響它未來的發(fā)展。 這個性質(zhì)稱為 無后效性 。（馬爾科夫性） (3) 決策 當(dāng)過程處于某一階段的某個狀態(tài)時，可以做出不同的決定 （或選擇），從而確定下一階段的狀態(tài)，這種決定（或選擇） 稱為決策，決策用決策變量來描述。 (4) 策略 按順序排列的決策組成的集合 (5) 狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程 狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，又叫系統(tǒng)方程，是確定過程由一個狀態(tài) 到另一個狀態(tài)的演變過程。 (6) 指標(biāo)函數(shù)和最優(yōu)值函數(shù) 任何決策過程都必然有一個衡量其策略優(yōu)劣的尺度，一個 數(shù)量指標(biāo)，稱為指標(biāo)函數(shù)（目標(biāo)函數(shù)）。 指標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，稱為最優(yōu)值函數(shù) k=1 k=2 k k=n …… …… x1 x2 x3 xk+1 xn+1 xk u1 u2 uk un f1(x2) f2(x3) fk(xk+1) fn(xn+1) 動態(tài)規(guī)劃中各階段、各變量之間關(guān)系 xi : 狀態(tài) ui : 決策變量 是指第 k 階段狀態(tài)為 xk+1時，相對于始點的最優(yōu)指標(biāo) 函數(shù)值。而表示第階段狀態(tài)為取決策為時對本階段的階段 效益值。 )( 1?kk xf在一些動態(tài)規(guī)劃模型中，每個階段內(nèi)都有多于一個的目標(biāo) 函數(shù)，動態(tài)規(guī)劃和目標(biāo)規(guī)劃的思想常常結(jié)合起來加以應(yīng)用！ 例：基于作物生長模型的冬小麥田間優(yōu)化管理 －馮凌，陳研。 2022 作物生長模型 —— PS123模型 PS123模型是荷蘭 Wageningen大學(xué)土壤地質(zhì)系 Driessen 等人開發(fā)的用于定量化土地生產(chǎn)力評價的普適模型，可以用來 進行小麥、玉米、粟類及棉花等多種作物生產(chǎn)的生長模型。 PS123模型描述了生產(chǎn)水平的層次性。 PS1（最簡單的生產(chǎn)水平）：是在作物生理可能達(dá)到的范圍內(nèi) 把作物行為定量為只是有效的太陽輻射和溫度的影響；其它的 土地質(zhì)量因子則假設(shè)為充分滿足相應(yīng)的土地利用需求。 PS2 ：改變水分供給最適宜的假設(shè)，即認(rèn)為作物生產(chǎn)是由所 截獲的太陽輻射量、溫度和有效水分共同決定的，其它在實際 農(nóng)田生產(chǎn)中影響生產(chǎn)的土地產(chǎn)量因子都假設(shè)為最適宜。 PS3： 有效養(yǎng)分成為附加考慮的因子 在原 PS2模型中主要采用的是水量平衡模型計算實際的作物 蒸騰 （ TR） 和作物充分供水下的實際蒸騰速率 TRM ，從而 求得作物水分滿足系數(shù) 。 T R MTRw a te rcf /)( ?平衡模型在應(yīng)用于區(qū)域均衡研究時，避開了一些土壤水分物理 參數(shù)，計算相對簡單；然而某些分量難以準(zhǔn)確確定，因而精度 不夠高。 1. 通過基于水動力學(xué)的土壤模塊計算提供 TR和 TMR，在動態(tài) 定量化地考慮土壤水轉(zhuǎn)化和作物吸水等因素時更為直觀、精確。 對原 PS123 模型的改進 ： Daisy模型對 PS3模型進行了修正，并計算氮脅迫系數(shù) 動態(tài)規(guī)劃模型： 階段變量： 狀態(tài)變量： 將冬小麥的生育期劃分為六個階段 （ stage=6） 1. t 階段初始時可用于分配的灌水量 （ mm/ha） ； tWQ2. t 階段初始時可用于分配的氮肥施用量 （ kg/ha）； tNQ3. t 階段初始時 冬小麥的生物量（包括葉、根、莖、穗分別 的生物量） （ kg/ha）。 tS )(播種 出苗、出苗 返青，返青 拔節(jié)， 拔節(jié) 抽穗，抽穗 灌漿，灌漿 成熟。 決策變量： tWd（ mm/ha）： 表示 t 階段初的灌水決策。 （ kg/ha） :表示 t 階段初的施氮決策。 tNd狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程（系統(tǒng)方程） 1. 水量分配方程 : ttt WdWQWQ ??? 12. 肥量分配方程 : ttt NdNQNQ ??? 1 作物系統(tǒng)中的一個子模塊，因此，第三個 狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)的角色由土壤模塊和作物生長模塊共同擔(dān)任。 目標(biāo)函數(shù)： ?????N U EW U EY ie ldm a xm a xm a x 作物各器官干物質(zhì)的增加量同水分脅迫系數(shù)和氮脅迫系數(shù) 的乘積成正比。而對于特定作物品種來說，粒穗比是一定的， 即貯藏器官的干物重與經(jīng)濟產(chǎn)量成正比。 ???????????????????m i n..m a x..m a x))()((m a xNNNG Sc oOSD inE T aG Sc oOSNcfW at e rcfM axnmf具體為 ： 1. 初始 階段初始時可用于分配的灌水量 （ mm/ha） ； 1WQ2. 初始階段初始時可用于分配的氮肥施用量 （ kg/ha）； 1NQ3. 初始 階段初始時 冬小麥的生物量（包括葉、根、莖、穗分別 的生物量） （ kg/ha）。 1)(S初始條件： 約束條件： 11WQWdTtt??? 11 NQNdTtt???m a x0 WWd t ?? m a x0 NNd t ??每次進行田間管理時，一次性灌水量最大值為 160 mm/ha， 即灌水允許決策集合 為 0~160 mm/ha； 一次性施氮量最大值 為 220 kg/ha， 施肥允許決策集合 為 0~220 kg/ha。 存在的問題： 狀態(tài)的設(shè)計是否滿足無后效性？ 進一步的研究：降雨對決策的影響 優(yōu)化部分流程圖： 5. 隨機規(guī)劃 帶有隨機參數(shù)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型一般來說可以描述如下： ? ?? ?? ??????????????????mmmbXgbXgbXgXfM ax???????),(Pr ),(Pr),(Pr),( 222111???式中 , X 為 n 維決策向量 。 為隨機向量 。 為目標(biāo)函數(shù) 。
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