Алгоритм многокритериальной оценки технологий заготовки кормов из трав

В статье представлена многокритериальная система оценки технологий заготовки кормов из трав. В основу разработанной оценочной системы заложены принципы сравнения и классификации многопризнаковых объектов по их свойствам, где большое число выходных показателей, характеризующих технологический процесс производства кормов, последовательно агрегируется в небольшое число критериев, в дальнейшем формализуемых через оппозиционную вербальную количественную шкалу оценок. Оценка эффективности технологий осуществлялась на основе совокупного взаимодействия критериев экономического, энергетического, биологического и экологического характеров. Сравнительная многокритериальная оценка производилась методом формализации экспертных знаний. Для преобразования разнородной информации, содержащейся в выходных показателях, в обобщённый комплексный показатель, по которому возможно осуществить сравнительную оценку эффективности технологий был разработан алгоритм.

Ключевые слова: заготовка кормов, технологии, критерии, сравнительная оценка, экспертный метод, алгоритм

В формировании технологического процесса производства кормов из трав задействовано множество факторов часто неопределенного характера, плохо подающиеся управлению, что затрудняет эффективное осуществление технологического процесса заготовки кормов из трав. Поэтому только принятие четких, обоснованных, своевременных решений по выбору рациональной технологии можно достичь производства высококачественных кормов для формирования сбалансированных рационов различных групп и видов животных, которые будут иметь низкую себестоимость при невысоких энергетических затратах и получены при минимальном негативном воздействии на окружающую среду [1].

Управление технологическим процессом производства кормов из трав представляет многоуровневую иерархическую систему [2]. Широкий выбор способов и технических средств обеспечивает многовариантность технологий. Оценка существующих вариантов осуществления кормозаготовительного процесса способствует выбору рационального технико-технологического решения. Ввиду наличия большого количества факторов обуславливающих протекание технологического процесса и выходных показателей, характеризующих технологию, невозможно оценить её по одному критерию. А многокритериальная оценка представляет собой оценочную систему, предполагающую рассмотрение всех критериев в совокупности путём применения различных методов. Оценочная система, используемая при многокритериальном оценивании, включает в себя следующие этапы:

1. Перечень выходных показателей, характеризующих объект принятия управленческого решения;
2. Определение оценочных критериев;
3. Агрегирование и формирование количественной шкалы оценок критериев;
4. Выбор метода многокритериальной оценки;
5. Осуществление сравнительного расчёта.

Формирование составляющих оценочной системы в большей мере трудоёмко. Однако отсутствие какой-либо из них либо недостаточное качество делают невозможным получение адекватной оценки технологии и как следствие затрудняют процесс выработки и принятия эффективных решений.

1. Перечень выходных показателей. Выходные показатели характеризуют в количественном выражении параметры технологического процесса, начиная на низшем уровне с отдельных технологических операций, и заканчивая на верхнем уровне оценкой всего кормозаготовительного процесса. Оценка эффективности технологического процесса предполагает одновременный и всесторонний учет при рассмотрении всех технологических вариантов и осуществляется по энергетическим показателям, свидетельствующим о затратах энергии или же соотношении полученной энергии к затраченной, сопутствующими являются экономические показатели, а ограничивающими показатели биологического и экологического содержания.
2. Определение оценочных критериев. Критерий — представляет собой совокупность выходных показателей отдельных элементов технологии, которые обобщаются и агрегируются в небольшое число (2–5) критериев, позволяющих осуществить как количественную, так и качественную оценку технологий или же технологических операций между собой. При малом количестве критериев не достаточно точной будет оценка эффективности технологий ввиду сложности объединения многопризнаковых показателей, обладающих различной физической размерностью и неоднородными качественными характеристиками. При большом количестве критериев сложность анализа и обработки результатов существенно возрастает, более трудоемким становится определение сравнительной предпочтительности технологий, как в количественном выражении, так и при качественной их оценке. Для оценки технологического процесса заготовки кормов из трав были определены 5 критериев.

Критерий экономического характера (С) — себестоимость 1 т (1 МДж обменной энергии в 1 кг сухого вещества) корма можно выразить через совокупность всех затрата участвующих в его получении, так и через конечный продукт животноводства (молоко, мясо, и др.), подлежащий реализации, в создании которого принимают участие различные виды кормов из трав:

.

Критерии энергетического характера (З) формируется на основании показателей, характеризующие энергоёмкость технологического процесса производства кормов, — баланса энергии затраченной на производство кормов из трав и энергии содержащейся в корме готовом для скармливания животным:

.

Показатели экологического характера, отображающие антропогенную нагрузку на окружающую среду со стороны технических средств, которые осуществляют технологический процесс, так же обуславливают принятие рационального технологического решения. В результате эксплуатации машин окружающая среда испытывает негативное воздействие с их стороны в виде выбросов выхлопных газов в атмосферу ДВС, запыленности воздуха мелкими механическими частицами, повышенного шума, разрушения почвенного покрова движителями, попадания ядовитых химических веществ в почву Совокупное воздействие данных показателей характеризуется критерием экологического характера (Э):

Критерий сбалансированности рационов (Р) учитывает сбалансированность рационов по питательным веществам для различных групп и видов сельскохозяйственных животных и отображает эффект от скармливания заготовленных кормов, через получаемую выходную продукцию от животных и длительность их службы:

.

Критерий использования биопотенциала кормовых угодий (П) характеризует полноту сбора биологического урожая полученного с имеющихся кормовых сельскохозяйственных угодий:

.

После выявления критериев, осуществляющих оценку эффективности технологических вариантов производства кормов из трав, часто возникает задача решения их совместного влияния в целом на эффективность. Технологический процесс заготовки кормов из трав является сложной системой ввиду невозможности обработки и учёта огромного количества факторов, многие из которых имеют стохастическую природу, обладают параметрами не поддающимся формализации и широким интервалом размерности. Поэтому для данной системы на низшем уровне характерны количественные зависимости, а на верхнем — качественные, из-за чего её оценка, по выявленным критериям, сопряжена со значительными сложностями.

3. Агрегирование иформирование количественной шкалы оценок критериев. Одним из способов преодоления сложностей является снижение размерности признаков пространства. Для этого актуально применение подхода к сравнению и классификации многопризнаковых объектов по их свойствам, в котором большое число выходных показателей, характеризующих технологический процесс производства кормов последовательно агрегируется в небольшое число критериев, имеющих небольшие шкалы оценок.

Процедура агрегирования предполагает поочередное объединение полученных групп критериев в новые группы следующего уровня иерархии. Агрегирование критериев является многоэтапной процедурой. Поэтому рекомендуется на каждом этапе агрегирования объединять в составной критерий ряд выходных показателей, одновременно увеличивая число стадий агрегирования. Итогом является иерархическая система критериев, верхний уровень которой определяется содержанием решаемой практической проблемы. Это может быть несколько итоговых критериев или один комплексный показатель [3].

Формирование критерия при агрегировании выходных показателей определяется через оппозиционную вербальную шкалу оценок, т. е. путём перевода словесных выражений значимости отдельного выходного показателя в численную форму, что представлено на рис. 1, на примере критерия энергетического характера при производстве рулонного прессованного сена в естественных условиях. В оппозиционной шкале маркируются лишь концы шкалы, а середина соответствует нейтральному значению между концами шкалы. Определение нижних и верхних значений рассматриваемого критерия и их кодирование в условных единицах («–1» и «+1») и привязка к словесным выражениям формирует факторное пространство, в котором осуществляется переход информации из качественного состояния в количественное.

Рис. 1. Оппозиционная вербальная шкала оценок критерия энергетического характера

4. Выбор метода многокритериальной оценки. Анализ методов оценки эффективности технологических процессов производства продукции с учётом условий обуславливающих функционирование технологий заготовки кормов из трав позволил выявить:

– при обработке статистической информации наибольшее применение найдёт метод сравнения, который дает возможность оценить эффективность технико-технологических решений, выявить отклонения фактических значений показателей от базисных величин, установить причины этих отклонений и найти резервы для повышения эффективности всего технологического процесса;

– для оценки эффективности технологий на верхнем уровне используют методы факторного анализа (индексного, балансового и цепных подстановок) и индексный метод.

Однако получаемые модели математическими методами являются в значительной мере идеализацией реальных законов функционирования объекта, а степень идеализации определяется требованием изучаемого аспекта или простоты модели [4]. В таких ситуациях специалисту, осуществляющего принятие технико-технологического решения (производящего выбор технологии) весьма непросто сделать выбор лучшего варианта, упорядочить или классифицировать имеющиеся варианты. При этом возникает необходимость при решении задач большой размерности применять различные упрощенные стратегии, учитывающие только часть имеющейся информации, что отрицательно сказывается на оценке эффективности технологий, и затрудняет анализ полученных результатов. Поэтому для оценки сложного технологического процесса целесообразно применение метода формализации экспертных знаний. Применение данного метода позволяет осуществить перевод нечеткой информации, которая предстаёт в таком виде при рассмотрении совместного влияния критериев в количественную [5].

5. Осуществление сравнительного расчёта. Ввиду большого количества информации и объёмных математических вычислений сравнительную оценку технологий заготовки кормов из трав целесообразно осуществлять на ПК. Оптимизация технологического процесса производится на основании математических методов по оптимизации различных технико-технологических решений, обуславливающих технологический процесс заготовки кормов. Выходные параметры технологий заготовки получаются в результате обработки технологических карт. Кодификация выявленных количественных параметров в условные показатели осуществляется на основании опроса экспертов. Опросные таблицы, применяемые для анкетирования экспертов, построены на основании включения в их структуру границы предельных значений рассматриваемых критериев и их кодирование в лингвистические переменные, которые затем переводятся в натуральные (метрические) значения. Сравнение технологий производства кормов из трав по совокупности критериев осуществляется на основании получаемой модели обобщённого критерия. Получение модели, на основании которой производится многокритериальная оценка технологий заготовки кормов из трав, осуществляется по алгоритму, представленному на Рисунке 2.

Алгоритм многокритериальной оценки технологии заготовки кормов из трав состоит из следующих этапов:

1. Формирование множества вариантов технико-технологических решений (технологий), где формируются технологические карты заготовки различных видов кормов из однолетних и многолетних трав;
2. Расчёт выходных показателей, получаемых в результате реализации технологии по разработанным технологическим картам или же в результате перехода с одной технологии на другую, либо при принятии в процессе заготовки определённого технико-технологического решения;
3. Формирование критериев (экономического характера — С, энергетического характера — З, экологического характера — Э, сбалансированности рационов — Р, использования биопотенциала кормовых угодий — П.), на основании которых осуществляется сравнительная оценка технологий или эффект от применения некоторого технико-технологического решения при заготовке кормов из трав;
4. Формирование границ оппозиционных лингвистических шкал критериев оценки и диапазон их варьирования;
5. Кодирование факторов лингвистической переменной заключается в преобразовании шкалы названий термов в метрические величины на интервале [–1, +1];
6. Подготовка матрицы опроса эксперта, где осуществляется извлечение знаний эксперта-специалиста с целью дальнейшей их формализации, выполняется согласно методам теории планирования экспериментов с учетом дробности полного факторного эксперимента;
7. Заполнение матрицы экспертом (экспертная оценка), которая осуществлять через опросные таблицы, в которых на вербальном уровне оценивается экспертом влияние каждого фактора на обобщённый критерий;
8. Получение модели, где экспертные значения, после соответствующей обработки на ПК, заполненной экспертом опросной таблицы способствуют получению полиномиального выражения многокритериальной оценки технологий заготовки кормов из трав;

Рис. 2. Блок-схема алгоритма многокритериальной оценки технологий заготовки кормов из трав

9. Оценивание коэффициентов математической модели производится с целью оценки достоверности полученной модели, которая заключается в сопоставлении между собой расчетных значений по полиному и экспертных оценок совокупного взаимодействия выбранного множества критериев.

Если полученный результат удовлетворяет специалиста, то завершить расчет и принять решение. Иначе предлагается: вновь заполнить матрицу экспертами, либо изменить градацию оппозиционной шкалы одного или нескольких с критериев, либо вновь осуществить агрегирование критериев, либо лучше определится с выходными показателями технологического процесса производства кормов из трав.

Функционирование по предложенному алгоритму разработанной системы многокритериальной оценки эффективности технологий заготовки кормов из трав, оцененных по множеству критериев, которые получены по вербальным оппозиционным шкалам с применением процедуры иерархического агрегирования выходных показателей, способствует сокращению времени специалиста на осуществление комплексной количественной оценки выходных показателей и в целом оценке эффективности технологий. Важной особенностью при разработке системы оценки является применение подхода, позволяющего сформировать разные наборы критериев, с тем, чтобы количественно сравнить полученные результаты для различных вариантов технико-технологических решений с целью оценки качества сделанного выбора в пользу рационального варианта.

Литература:

1. Сухопаров А. И. Информационная модель управления технологиями в растениеводстве // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: Сб. науч. трудов. — СПб.: СПбГАУ, 2010. — С. 257–260.
2. Сухопаров А. И. Структурная модель управления технологиями в растениеводстве // Технологии и средства механизации сельского хозяйства: Сб. науч. трудов. — СПб.: СПбГАУ, 2010. — С. 99–103.
3. Лобанов В. Н., Петровский А. Б. Выбор вычислительного кластера, основанный на агрегировании многих критериев // Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ. — 2013. — Вып.2. — С. 39–54.
4. Ивахненко А. Г., Юрчаковский Ю. П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. — М.: «Радио и связь», 1987. — 120 с.
5. Попов В. Д., Спесивцев А. В., Сухопаров А. И. Формализация экспертных знаний в виде логико-лингвистических моделей // Вестник РАСХН. — 2014. — № 3. — С. 10–13.