تصمیم گیری مبتنی بر ابر برای کشاورزی دقیق در باغات (مقاله ترجمه شده)

چکیده

تحولات تکنولوژیکی و تجاری اخیر، محاسبات ابری رابه  یک تکنولوژی و پلت فرم مقرون به صرفه، مقیاس پذیر و بسیار قابل دسترس تبدیل کرده است. در عین حال افزایش دقت در کشاورزی و بهبود عملیات کشاورزی با تصمیم گیری بهتر داده ها، نشان دهنده توانایی های این تکنولوژی است. با این وجود، توسعه بیشتردقت کشاورزی نیاز به تکنولوژی و ابزارهای بهتر برای پردازش داده ها به صورت موثر با هزینه معقول و انتقال داده ها به تصمیم گیری ها و اقدامات بهتر در یک زمینه دارد. ما یک چارچوب برای سیستم های تصمیم گیری مبتنی بر ابر و سیستم های اتوماسیون که می توانند داده ها را از منابع مختلف به دست آورند تنظیم کرده ایم ، سنتز تصمیم های خاص برنامه ، و دستگاه های کنترل میدان از ابر را توسعه دادیم. یکی از ویژگی های متمایز چارچوب ما، معماری نرم افزار قابل گسترش آن است: ماژول های تصمیم گیری  می توانند برای یک عملیات خاص اضافه شوند و یا پیکربندی شوند. این پلتفرم دارای ظاهرا یک  دستگاه-آگنوستیک است که می تواند داده های ورودی را در قالب ها و معانی مختلف پردازش کند. در نهایت، این پلت فرم شامل کنترل نرم افزاری است . یک پارادایم طراحی جدید نرم افزاری است که ما پیشنهاد کردیم تا کنترل های همه جانبه و ایمن دستگاه های زمینه را از یک پلت فرم محاسبات ابری ، کنترل کنیم. یک نسخه اولیه از این سیستم با حمایت USDA توسعه و آزمایش شده است.

معرفی

کشاورزی دقیق یک نوع کشاورزی خاص است ، که از فن آوری ها برای اندازه گیری و واکنش به تغییرات بین و درون زمینه در محصولات کشاورزی استفاده می کند. این کار به عنوان یک ابزار حیاتی برای افزایش بهره وری کشاورزی و حفظ منابع طبیعی دیده می شود . "مغز" دقت کشاورزی یک سیستم پشتیبانی تصمیم (DSS) است که به فرآیند رشد کمک می کند و به داده های داخلی و بین زمین پاسخ می دهد. با پیشرفت های تکنولوژیکی اخیر، به ویژه فن آوری های حسگر و خدمات داده آنلاین، کشاورزی به طور فزاینده ای تبدیل به یک عملیات غنی با داده ها می شوده صنعت ویژه صنایع خاص در ایالات متحده، از طریق یک تغییر و تحول از طریق استفاده از فناوری اطلاعات است. با تعریف USDA، محصولات تخصصی عبارتند از "میوه ها و سبزیجات، آجیل درخت، میوه های خشک، باغبانی و محصولات پرورشگاهی (از جمله گلخانه ای)". محصولات تخصصی نیمی از ارزش دروازه تولید محصولات کشاورزی ایالات متحده را به عهده دارند] 1[ در مقایسه با محصولات خاص، محصولات تخصصی بیشتر و کارآمدتر هستند. این امر به تغییر در زمینه وضعیت کار و بسیاری از عوامل دیگر بستگی دارد. در حالی که بسیاری از عملیات کشاورزی می توانند از یک سیستم پشتیبانی تصمیم استفاده کنند، محصولات مخصوص می توانند  سیستم پشتیبانی بهتر بهره مند شوند؛ ولی امروزه  اکثر باغ های هنوز هم از یک فرایند تصمیم گیری سنتی انسان محور استفاده می کنند.

توسعه ، یک سیستم پشتیبانی بهتر تصمیم برای صنایع تخصصی، چالش های خاصی را در زمینه فناوری اطلاعات ارائه می دهد. عملیات های  تخصصی محصول بسیار فصلی هستند. درخواست های پشتیبانی تصمیم می تواند به شدت در فصول و فصلی نوسان یابد. یکی از چالش ها این است که چگونه با خواسته های نوظهور مواجه شویم در حالیکه خدمات بسیاری در دسترس وجود دارد. علاوه بر این، هر باغچه ویژگی خاص خود را دارد. چالشی دیگر این است که چگونه  سیستم پشتیبانی تصمیمی تنظیم کنیم که بتواند برای یک عملیات خاص دوباره تنظیم شود. در نهایت یک عملیات دقیق کشاورزی یک سیستم کنترل نزدیک است که  ورودی ها  (مثلا حسگرها و سایر منابع داده) را  از مزرعه می گیرد  و بازخورد ها  (مثلا اعمال مزرعه) به مزرعه می دهد.سیستم پشتیبانی تصمیم گیری سنتی تنها بر بخش اول حلقه یعنی ورودی ها و تصمیم گیری های تلفیقی  کنترل و تأکید دارد. یک چالش بزرگ هم  چگونگی بستن حلقه کنترل با دستگاه های کنترل  مزرعه است به طوری که  با خیال راحت با تصمیمات بهینه بگیرد.

بررسی اجمالی سیستم

شکل 1 نمای کلی چارچوب ما برای DSAS های مبتنی بر ابر را نشان می دهد. این دستگاه ظاهری وارداتی اطلاعاتی دارد. قسمت جلویی از مدل داده ها برای تعریف فرمت ها و معناشناسی مجموعه داده های ورودی استفاده می کند. جزئیات مدل داده در بخش 2 ارائه شده است. ماژول های تصمیم گیری آن با یک معماری نرم افزاری قابل برنامه ریزی طراحی شده است که شامل یک طراحی مدولار سلسله مراتبی می باشد. یک ماژول، که به عنوان یک برنامه وب در DSAS نامیده می شود، توسط رابط های آن مشخص می شود. یک برنامه وب جدید می تواند به سلسله مراتب تصمیم گیری بر روی پرواز اضافه شود یا برای جایگزینی یک ماژول موجود با یک رابط سازگار استفاده شود. جزئیات معماری نرم افزار قابل گسترش ما در بخش 3 معرفی شده است. در بخش 4، کنترل نرم افزاری تعریف شده، یک پارادایم جدید طراحی نرم افزار برای مدیریت پیچیدگی کنترل نمایه متنوع دستگاه ها را معرفی می کنیم. کنترل تعریف شده توسط نرم افزار ، مجازی سازی دستگاه های فیزیکی از طریق لایه های انتزاعی است. هر لایه جزئیات اجرایی لایه زیر را خلاصه می کند، در حالی که یک رابط کنترل  ، کنترل را به لایه بالا ارائه می دهد .

وارد کردن اطلاعات مربوط به دستگاه آگنوستیک

کشاورزی دقیق با استفاده از سنسورهای مختلف (مانند سنسور رطوبت خاک، سنسور نیتروژن) و منابع داده (به عنوان مثال، مکان آب و هوا) برای اندازه گیری تغییرات درون و بین مزرعه مشخص می شود. DSAS مبتنی بر ابر نیاز به کار با طیف وسیعی از سنسورها و منابع داده دارد. برای رسیدگی به تنوع داده ها از منابع مختلف، ما یک روش مبتنی بر متد داده را که در ابتدا ارائه شده است گسترش می دهیم. این تکنیک از یک مدل داده برای مشخص کردن نوع قالب وداده یک مجموعه داده ورودی استفاده می کند، مانند دما، رطوبت خاک، و غیره. ] 5[ مدل متادون مدل مدل داده است. این نوع داده های مجاز برای ستون ها و معانی عملیاتی مربوط به هر نوع داده را مشخص می کند. معناشناسی های عامل، یک نوع داده خاص عملیاتی که می تواند در نوع داده ها را مشخص کند. به عنوان مثال، معنای عملیاتی برای درجه حرارت .

یک معماری نرم افزاری گسترده برای ماژول های تصمیم گیری

منطق تصمیم گیری هسته ی سیستم پشتیبانی تصمیم گیری است. . در یک سیستم پشتیبانی تصمیم گیری سنتی منطق تصمیمات سخت براساس یک برنامه خاص است. با این وجود، عملیات هر باغ متفاوت است و تحت تأثیر بسیاری از عوامل مانند انواع محصولات باغی، محیط زیست و حتی مدل کسب و کار قرار دارد. ما یک معماری نرم افزاری قابل انعطاف پیشنهاد دادیم که DSAS را به راحتی با منطق تصمیم گیری جدیدی گسترش می دهد . معماری نرم افزار به دنبال اصل باز / بستن است ، به همین خاطر یک اصل مهم در طراحی نرم افزار شی گرا بودن آن است، به عنوان مثال، نرم افزار باید گسترش یابد، اما برای اصلاح هم آماده باشد [8]. چارچوب ماژول های تصمیم گیری، به این معنی است که سیستم را بتوان به راحتی با ماژول های تصمیم گیری جدید و با تغییرات جزئی در اجرای آن توسعه داد. به همین خاطر ، یک معماری نرم افزاری قابل گسترش برای ساخت ماژول های تصمیم گیری بسیار قابل تنظیم را ایجاد کردیم. شکل 3 انواع مختلفی از مکانیزم های بازپشتیبانی را که توسط معماری نرم افزار قابل برنامه ریزی باشد ، از جمله پیکربندی جریان داده ها و پارامترهای ارزش و بلوک را نشان می دهد .

کنترل تعریف شده توسط نرم افزار: یک پارادایم طراحی نرم افزاری برای کنترل مبتنی بر ابر است .

در مقایسه با DSS های موجود، یک ویژگی متمایز DSAS مبتنی بر ابر قابلیت کنترل ، ستگاه ها به طور مستقیم از ابر آن است . کشاورزان اغلب انواع دستگاه ها را برای برنامه های کاربردی مختلف (به عنوان مثالآبیاری، کنترل آفات). این دستگاه ها با رابط های کنترل اختصاصی خود می آیند. یک چالش در اتوماسیون کنترل مبتنی بر ابر ، نحوه کنترل انواع دستگاه های زمینه از ابر است. برای شناخت این چالش، ما ایده کنترل نرم افزار را پیشنهاد کردیم. البته با الهام از مفهوم شبکه تعریف شده توسط نرم افزار . [10] کنترل از راه دور نرم افزاری باعث می شود که دستگاه ها با استفاده از یک نرم افزار یکپارچه استفاده کنند و باهم سازگار باشند . این باعث می شود دستگاه ساز انعطاف پذیر باشد (رابط کاربری توسط نرم افزار و نه سخت افزار تعریف می شود) و بدون نفوذ (بدون اصلاح رابط دستگاه، خود لازم است) راه را برای دستگاه های خود که با یک DSAS کار می کنند هموار سازد . کنترل نرم افزاری انطباق پذیری نرم افزاری چند مرحله ای را از تصمیم گیری های مستقل دستگاه برای سیگنال های کنترل خاص دستگاه فراهم می کند. جدا از نگرانی های طراحی، ساختارهای کنترل شده و تعریف شده توسط نرم افزار در یک معماری سه لایه ، هر سه لایه باید با هم سازگار : 1) یک تصمیم گیری سنتز مستقل از دستگاه. این تصمیمات اقدامات مورد نیاز را در سطح بالا مشخص می کند، مثلا توزیع جغرافیایی حجم آبیاری؛ 2) یک سرویس دهنده در حال ترجمه یک تصمیم برای برنامه برای هر دستگاه. یک برنامه نشان دهنده پیکربندی و طرح دستگاه است؛ و 3) هواپیمایی دستگاه برنامه را روی آن اجرا می کند. شکل 4، کنترل نرم افزاری را نشان می دهد، به عنوان مثال، با استفاده از یک سیستم آبیاری 3 منطقه ای . هر منطقه آبیاری دارای کنترل کننده خاص خود (Devirri2، Devirri1، و Devirri0) به منظور کنترل مجموعه ای از دریچه ها است.تصمیم گرفته شده توسط هواپیما روش توزیع آب در یک باغ را مشخص می کند. هواپیما سرویس تصمیم گیری برای برنامه های آبیاری را برای هر کنترلر ترجمه می کند و در نهایت هواپیما شامل سه کنترل کننده از برنامه های کنترل شیر می شود .

پیاده سازی سیستم

نسخه اولیه Agrilaxy در ماه مه 2014 اجرا شده است. که اجزای سازنده ی اطلاعات شناسایی را به پایان می رساند. این سیستم با استفاده از روبی ساخته شد. روبی یک زبان برنامه نویسی پویا است که زبان مورد علاقه توسعه دهندگان وب است. بخشی از محبوبیت آن با جامعه وب به علت ریلز است،روبی یک چارچوب کتابخانه است که به طور خاص برای توسعه وب سرور طراحی شده است [11]. ما Agrilaxy را بر روی سرویس AWS مبتنی بر ابر آمازون آزمایش کردیم [12] و در حال حاضر ما در حال کار بر روی یک نسخه جدید از Agrilaxy، با تاکید بر اجرای یک کنترل مبتنی بر ابر کنترل و ماژول های تصمیم سازگار هستیم .

نتیجه گیری

محاسبات ابر در حال تبدیل شدن به یک انتخاب اصلی برای میزبانی وب سیستم های اطلاعاتی است.محاسبات ابر یک پلت فرم محاسباتی قابل مقیاس و بسیار قابل دسترس با تخصیص منابع تقاضا را فراهم می کند و با چالش هایی که با سیستم پشتیبانی تصمیم گیری کشاورزی مبتنی بر وب مطابقت دارد و کمک می کند . برای استفاده از محاسبات ابری، و همچنین برای بستن حلقه کنترل در کشاورزی دقیق، ما یک چارچوب طراحی جدید برای سیستم های تصمیم گیری مبتنی بر ابر و سیستم های اتوماسیون پیشنهاد می دهیم. چارچوب ویژگی های ظاهری واردات داده ها به صورت آگاهانه . معماری نرم افزار قابل گسترش برای ماژول های تصمیم گیری و اتوماسیون کنترل مبتنی بر ابر با استفاده از کنترل طراحی نرم افزار . . ظاهرا دستگاه آگنوستیک از داده های ورودی از منابع مختلف داده پشتیبانی می کند . معماری نرم افزاری قابل گسترش، DSAS را برای برنامه های مختلف تصمیم گیری گسترش می دهد . توماسیون مبتنی بر ابر، حلقه تصمیم گیری، از ورودی های سنسور، به تصمیم گیری، برای کنترل سیگنال ها به نمایه متنوع دستگاه های زمینه بسته می شود. در نهابت ما یک نسخه اولیه از چارچوب ما با استفاده از Ruby on Rails اجرا کردیم و آن را بر روی خدمات ابری آمازون (AWS) آزمایش کردیم.

این مقاله در سال 2016 در نشریه الزویر و در مجله IFAC-PapersOnLine، توسط دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله تصمیم گیری مبتنی بر ابر برای کشاورزی دقیق در باغات در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.