Производственное планирование выращивания тепличных овощей и зелени. Часть I. Площади выращивания

1. Программирование урожая и моделирование выращивания

С середины XIX века наука задалась вопросом о том, что необходимо сделать человеку для хорошего урожая на полях. К середине XX века стремление ответить на этот вопрос выросло в целое направление науки – программирование урожаев.

1.1. Программирование урожаев

Учёные ставили перед собой цели выявить факторы, влияющие на урожайность культур, увязать эти факторы с урожайность законами, формулами, найти необходимые коэффициенты для того, чтобы понимать: что, в каких количествах надо дать растению, чтобы оно дало тот или иной хозяйственно-полезный урожай.

Для растений было выявлено следующие основные факторы, без учёта которых невозможно управлять развитием и плодоношением растений: солнечная радиация, углекислый газ, температура, влагообеспечение вместе с питательными веществами.

Безусловно, не была найдена единая формула, соединяющая все эти факторы для всех растений. И до сих пор все существующие формулы имеют чисто эмпирические коэффициенты, никак не связанные с агрохимией и агрофизикой процессов. За этими коэффициентами прячутся индивидуальные свойства сортов (и гибридов) растений, качество использования агротехники и агротехнологии, перекрёстное влияние разных факторов друг на друга.

Тем не менее, эти наработки, полученные более чем за полтора столетия, дают возможность формировать модели выращивания растений. Причём моделей разной степени сложности и разного назначения. Естественно, чем сложнее модель, тем сложнее её настроить, подобрать все необходимые для её работы параметры и граничные условия. Чем проще модель, тем больше вероятность пропустить тот или иной эффект, который в конечном итоге приведёт к значительному изменению результата моделирования.

Использование законов программирования урожая в открытом грунте, кажется, не всегда оправдано и несёт достаточную точность в расчётах. Это происходит из-за того, что при выращивании в открытом грунте человек практически не может влиять на такие ключевые факторы развития растений, как падающая солнечная радиация, окружающее растение тепло, обеспечение водой, углекислым газом и минеральными веществами. Всё, на что способен агротехнолог открытого грунта, так это помочь доставить растению минеральные вещества в виде удобрений, да уменьшить влияние сорняков и паразитов. Искусство агронома подчас граничит с искусство оракулов: надо понять, когда сеять, чтобы не прихватило заморозками, когда вносить удобрения, чтобы не смыло дождём, нужны ли в этом году гербициды и какие лучше подойдут для этого сезона, когда лучше снимать урожай, чтобы он оказался больше, но не сгнил и не замёрз, не оказался под снегом.

Возможности агротехнолога защищённого грунта значительно выше. Интенсивные технологии, применяемые в современные тепличном хозяйстве, позволяют поддерживать требуемый тепловой режим, обеспечивать растения необходимым количеством питательных веществ, влаги и нужной концентрацией углекислого газа. Развитие светотехники практически заменяет солнечную радиацию и обеспечивает любой необходимый её уровень вне зависимости от времени года или широты выращивания растений.

При таких возможностях не использовать принципы программирования урожаев можно считать технологическим недостатком. Моделирование выращивания тепличных растений ставит перед собой не только цели формирования производственной программы, определения объёма необходимых ресурсов для её достижения, оценки экономического эффекта от её реализации. Моделирование даёт возможность безболезненно для текущих производственных процессов формировать различные сценарии выполнения производственной программы, как с точки зрения её реализуемости, так и с точки зрения её финансовых результатов. Текущий мониторинг выполнения созданной модели производственной программы позволяет своевременно реагировать на текущие изменения с целью предотвращения негативных последствий. Математическая модель производственной программы таким образом становится вполне удобным видом «дорожной карты» развития бизнеса как на этапе формирования инвестиционных программ, так и при текущей операционной деятельности, показывая границы, внутри которых возможно успешное развитие.

1.2. Инструментарий для моделирования

При моделировании одним из ключевых факторов является инструментарий моделирования и его возможности. В качестве общедоступного инструментария для формирования математической модели выращивания тепличных овощей и зелени выбран Microsoft Excel 2013.Microsoft Excel 2013

За последние десятилетия Excel стал общедоступным средством, с помощью которого производят расчёты, хранят цифровую информацию, формируют отчётность. Excel выступает как самый гибкий из имеющихся программных средств, для пользования которым не надо получать специальное образование в области программирования.

Другие программные средства математического моделирования либо носят более специальный характер, настроенный на определённую предметную область, либо не имеют столь широкого распространения.

1.3. Основные ограничения Microsoft Excel

Файл Excel имеет страничную структуру, каждая из страниц представляет собой двумерную таблицу или матрицу ячеек. Любая из ячеек может содержать как значения, так и формулы, которые опираются на значения других ячеек данного листа, другого листа этого файла или ячейку определённого листа другого файла Excel.

В связи с этим построение трёхмерных математических моделей на Excel становится довольно-таки сложным занятием.

Общим параметром как для производственного, так и для финансово-экономического планирования является время. Поэтому модель выстраивается по этому основному динамическому параметру времени.

Для листов Microsoft Excel есть ограничение по максимальному количеству ячеек на одном листе. На листе Excel может разместиться в длину не более 16 384 ячеек, а в высоту – не более1 048 576. Если размещать вектор временив горизонтальном направлении, то на листе поместиться порядка 44 лет плана, разбитого по календарным дням.

Существует несколько форматов (типов) файлов Excel. Для целей математического моделирования наиболее подходит двоичная книга Excel или бинарный формат файла с расширением .xlsb. Этот формат файла имеет практически важные преимущества перед обычным файлом Excel с расширением .xlsx.

Если взять бинарный (двоичный) файл Excel размером 113 683 кБ и сохранить его в обычном формате .xlsx, то его объём увеличится почти на 24%. Такой бинарный файл открывается в течении 5 минут, а его полная копия формата .xlsx – уже 9 с половиной минуты. Закрытие бинарного файла происходит тоже почти в два раза быстрее – за 25 сек, по сравнению с форматом .xlsx.

Сравнение форматов Excel 2013

Безусловно, на разных по вычислительной мощности компьютерах получаются разные результаты. Большие, сложные, насыщенные расчётами файлы требуют высокую скорость процессоров, большой объём оперативной памяти. Установка твердотельных накопителей (SSD) вместо жёстких дисков (HDD) увеличивает скорость работы со сложными файлами моделей.

Для работы с такими файлами существенным является:

Время открытия файла,

Время сохранения файла,

Время принудительного расчёта файла,

Время изменения структуры файла (добавления или удаления строк, листов).

Excel позволяет пользоваться двумя режимами расчётов: автоматическим и ручным. При автоматическом расчёте любые изменения как в ячейках, так и в структуре файла приводит ка запуску пересчёта значений ячеек, содержащих формулы. Большой файл со сложными расчётами и ссылками в автоматическом режиме расчётов требует значительного времени на расчёты. Иногда это время исчисляется десятками секунд или даже минутами. Поэтому автоматический режим расчёта для таких файлов использовать крайне неудобно. В этих случаях расчёты переводят в ручной режим, который позволяет быстро изменять содержимое ячеек или структуру листа, файла Excel, а затем производить расчёты.

Расчётные ячейки листа Excel могут содержать довольно-таки сложные формулы с десятками параметров. Для работы с такими файлами математическая модель должна содержать в себе элементы проверки как результатов вычислений, так и правильности формирования формул.

Корректность формул для любого временного периода достигается тем, что формулы, содержащиеся в ячейках, относящихся к одному временному периоду, копируются, охватывая другие временные периоды.

Высокая гибкость построения модели при использовании Excel имеет обратную сторону медали. При заполнении формулами большого массива ячеек на листе Excel практически невозможно контролировать заполнение ячеек нужными, правильными формулами. Для того, чтобы удостовериться в их правильности необходимо оказаться внутри каждой из проверяемых ячеек. Excel имеет ещё одну не очень приятную функцию. Он не хранит историю. То есть после сохранения файла нельзя откатиться назад на некоторое количество изменений.

Практически это приводит к тому, что внутри однотипных - по сути моделируемых процессов – ячеек могут оказаться различные формулы. И, кромке формул, параметры модели. Внешне определить в какой ячейке листа Excel находится параметр, влияющий на расчёты, невозможно.

Поэтому технологии работы с большими и сложными файлами Excel требуют от разработчиков принудительное выделение исходных показателей на специально выделенных листах.

При этом книга Excel разделяется на листы, которые содержат только исходные данные – параметры создаваемой модели, и расчётные листы, которые содержат только формулы и ссылки на исходные параметры модели.

Исходные параметры модели могут иметь вид как массивов, так и единичных значений (скалярный вид). Так, например, дата начала работы описываемого моделью процесса – величина скалярная – вполне конкретная единичная дата. А архив суточных температур – вектор или массив, в котором могут содержатся данные по уличным температурам в определённом месте. Причём такие данные как по максимальным, так и по средним и минимальным дневным температурам. Часто эти данные можно получить с точностью до одного дня или даже до нескольких часов или минут. Другое дело, что для моделирования с шагом в один календарный день минутная или часовая точность совсем не нужна. Но для разных территорий источник информации – разный, и он может иметь такую высокую точность, которую надо обрабатывать, приводя её к дневному шагу.

Excel имеет табличную структуру, из которой формируются листы, входящие в книгу (файл) Excel. Каждая ячейка имеет конкретный адрес: лист, номер (буква) колонки и номер строки расположения ячейки. Все связи и ссылки идут на место расположения ячеек. Это приводит к жёсткому структурированию нахождения данных в Excel. Любая ошибка, при неправильном обращении к адресу ячейки, приводит к ошибке в расчётах.

Изменение структуры листа Excel меняют адреса ячеек. Мало того, что сложносочинённый лист требует значительного времени на добавление, удаление и перенос колонок или строк, ряд формул, работающих с ссылками, не отслеживают такие изменения в адресах ячеек.

Новые версии Microsoft Excel как правило исправляют ошибки предыдущих версий, работают быстрее, но, как правило, требуют за это бОльших ресурсов. И, если новые версии Excel могут работать с файлами, созданными на старых версиях этой программы, то новые версии файлов старые программы Excel даже не открывают. Можно, конечно же конвертировать новые версии в старые для дальнейшей работы на старых программах, но в случае со сложными и большими файлами Excel нет гарантии, что такая конвертация пройдёт успешно.

Такая жёсткая структура листов Excel предполагает знание пользователем данного сложного файла его структуры. К сожалению, книги (файлы) Excel не предполагают тщательного документирования, т.е. описания их структуры и мест расположения информации или расчётов того или иного назначения. Часто это приводит к значительным трудностям при пользовании сложным файлом сторонним пользователем. Некоторые свойства и инструменты Excel позволяют наглядно структурировать таблицы. К таким инструментам относятся, например, многоуровневое группирование колонок и столбцов.

Нельзя так же не сказать об определённых требованиях к компьютерной грамотности пользователей сложных книг Excel. Первое из этих требований – аккуратное отношение к первоисточнику – исходному файлу Excel. Если есть желание внести изменения в математическую модель, сформированную на инструментарии Excel, то в первую очередь надо скопировать исходный файл и делать все изменения с полученной копией, а не с оригиналом. Выше уже подчёркивалось, что сам Excel не поддерживает последовательность изменений файла. После сохранения файла уже нельзя «откатиться» назад к предыдущей версии файла. Поэтому корректному пользователю всегда необходимо фиксировать новые версии модели в новом файле Excel с новым именем (или новым месторасположением).

Второе квалификационное требование связано с возможным желанием менять формулы в ячейках. Естественно, не зная формул, невозможно не только получить требуемый результат, но и даже разобраться в уже сформированных в первоисточнике формулах. Кроме того, надо всегда проверять: есть ли ссылки на значения, полученные после расчётов в данной ячейке, при расчётах в других ячейках данного листа или данной книги Excel.

1.4. Особенности моделирования на Excel

Ограничения Excel, как любого инструментария, заставляют пользователя применять те или иные технологии при формировании математических моделей на Excel. Особенности использования Excel следуют из ограничений этого продукта.

Следующие рекомендации помогут работать со сложными файлами Excel.

В книге Excel необходимо выделить отдельные листы, на которых будут находиться только исходные данные. В расчётных листах не должно быть иных констант, кроме как параметров из листов с исходными данными. Среди листов с исходными данными удобнее выбелить лист со скалярными – одиночными – параметрами модели и лист (листы) с массивами однотипных исходных (векторных) данных.

Все расчётные листы модели развёрнуты по одному и тому же основному параметру. Часто для планов (и отчётов) этим параметром является время. Как правило, по горизонтали листа Excel разворачивается время, а по вертикали – остальные расчётные показатели модели.

Для цели уменьшения количества ошибок в соседних (по времени) колонках, формулы в ячейках формируются так, чтобы можно было получить содержимое формул для соседних (по времени) ячеек строки простым копированием ячеек.

Внутренний алгоритм расчёта значений ячеек листа Excel производит расчёты слева направо и сверху вниз. Это значит, что первой будет рассчитываться верхняя левая ячейка. Кроме того, внутренний алгоритм расчёта Excel отслеживает зависимости в результатах расчёта между ячейками. Так, первыми будут рассчитываться те ячейки, которые зависят только от констант – ячеек, в которых нет формул. Затем те ячейки, которые используют константы и уже рассчитанные ячейки и так далее.

В этом плане опасны так называемые рекурсивные или циклические ссылки. Циклические ссылки появляются при «замыкании» последовательности расчётов, когда цепочка расчётов начинается не с константы(констант), а с ячейки, которая сама находится в цепочке расчётов и не содержит константу. Неприятности от циклических ссылок две.

Первая - Excel даёт первую (по его мнению) ячейку, которая входит в кольцо расчётов. Но, как известно, в кольце «нет начала, нет конца», поэтому для того чтобы найти ошибку и разорвать кольцо расчётов, надо пройти по всей расчётной цепочке.

Вторая неприятность заключается в том, что результаты вычислений при наличии в книге Excel циклических ссылок может быть буквально любыми. Excel, наткнувшись на такую ссылку останавливает делать расчёты по всей книге, и какую часть книги он уже пересчитал, а какую нет – непонятно. Поэтому результатам расчётов в книге Excel, содержащей циклические ссылки доверять ни в коем случае нельзя. К сожалению, случайная ошибка при программировании или пользовании Excel может привести к появлению циклических ссылок.

Не смотря на высокую гибкость Excel и его широкие возможности, всё-таки существуют программные ограничения на вложенность ряда функций Excel. Кроме того, сложные формулы, содержащие десятки ссылок на другие ячейки и функции сложны как для контроля за правильностью вычислений, так и для отражения физического, экономического или финансового смыслов. В таком случае, лучше сделать несколько промежуточных результатов вычислений, которые имеют определённый для формируемой модели смысл, чем пытаться всё свести к «одной формуле» в одной ячейке.

Разбиение на длинных формул на короткие с результатами, имеющими определённый смысл для модели, имеет обратную сторону – лист покрывается б?льшим количеством строк с ячейками, заполненными формулами. При больших и сложных книгах Excel требует от пользователя время в том случае, когда требуется удалить или вставить ячейки, колонки, строки. В это время он пытается корректно поменять ссылки в тех ячейках, которые ссылаются на строки или колонки с изменяемым адресом. С одной стороны, корректировка структуры листа требует существенного времени (до нескольких минут), с другой стороны – при этом возможны ошибки, так как некоторые функции требуют дополнительных усилий при программировании, более сложных формул для того, чтобы относительно спокойно и безошибочно пережить изменение структуры листа книги Excel.

2. Ресурсы для планирования выращивания тепличных овощей

Промышленное растениеводство делится на растениеводство открытого грунта и закрытого грунта.

В открытом грунте невозможно регулировать температуру выращивания, сложно защищаться от избытка влаги. Да и необходимый для растений полив не всегда можно обеспечить. Размер солнечной радиации определяется в основном широтою местности и облачностью. Перенести поле южнее – невозможно, а если и разгонять облака, то себестоимость продукции с полей станет дороже золота.

В отличии от открытого грунта выращивание растений в теплицах позволяет регулировать и температуру, и влажность и поливом, и фотосинтетическую радиацию, необходимую для развития растений. Правда, всё это можно сделать на ограниченных площадях. А создание современного тепличного комплекса требует немалого объёма инвестиций.

Поэтому выращивание в закрытом грунте идёт по интенсивному пути, пытаясь получить больший урожай с меньших площадей. В отличии от открытого грунта, где до настоящего времени есть возможность двигаться по пути экстенсивного развития – распахивая целинные степи.

Интенсивные технологии защищённого грунта решают две основные задачи.

Первая – защита выращиваемых культур от неблагоприятного влияния климатических и погодных факторов: ветра, мороза, снега, града, избыточных дождя и солнца.

Второй задачей является предоставление тем же культурам наиболее благоприятных для их развития и плодоношения температурных, влажностных показателей, уровня освещения и питания.

И основным ресурсом, позволяющим выращивание растений по этим интенсивным технологиям, в случае растениеводства защищённого грунта будет площадь этого защищённого грунта. Ограниченность этого ресурса – тоже налицо: увеличение площади защищённого грунта связно со значительными инвестиционными вложениями.

Другими ресурсами выращивания культур в защищённом грунте являются поддержание температурного режима, режима освещения, питания растений.

3. Площади выращивания

Тепличные комплексы в настоящее время являются носителями современных технологий защищённого грунта. Первым показателем, характеризующим каждый тепличный, является площадь защищённого грунта. Именно он в первую очередь попадает в статистику и сообщения СМИ.

Вторым показателем - культура выращивания: цветы, ягоды, овощи, рассада. Третий показатель, который ещё советское время был определяющим для характера выращиваний и применяемых технологий, сезонность выращивания.

По величине площадь закрытого грунта для одной и той же теплицы имеет два значения: общая площадь закрытого грунта и полезная площадь закрытого грунта.