Прогнозирование урожайности подсолнечника по Краснодарскому краю с применением системно-когнитивного анализа (решение задач прогнозирования и исследования предметной области)

Исследование особенностей системно-когнитивной модели искусственной экосистемы насаждений подсолнечника Краснодарского края. Рассмотрение и характеристика экранной формы результата прогнозирования будущего сценария изменения урожайности подсолнечника.

Рубрика Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 29.04.2017
Размер файла 2,0 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кубанский государственный аграрный университет

Прогнозирование урожайности подсолнечника по Краснодарскому краю с применением системно-когнитивного анализа (решение задач прогнозирования и исследования предметной области)

Луценко Евгений Вениаминович, д.э.н., к.т.н., профессор

Познышева Наталья Олеговна

Краснодар

Аннотация

В данной работе предложены технология и методика постановки и решения задачи прогнозирования сценариев изменения урожайности подсолнечника на уровне региона и его районов на основе системно-когнитивной модели, отличающиеся от традиционных: высокой степенью формализации модели знаний; возможностью синтеза матричной передаточной функции объекта прогнозирования непосредственно на основе эмпирических данных; корректной работой при неполных (фрагментированных) и зашумленных исходных данных. Впервые проведено исследование системно-когнитивной модели искусственной экосистемы насаждений подсолнечника Краснодарского края, которое корректно считать исследованием самой экосистемы, так как верификация данной модели показала ее высокую адекватность

Ключевые слова: системный подход, системно-когнитивный анализ, многоотраслевая корпорация, прогнозирование, семантическая информационная модель

1. Решение задач идентификации и прогнозирования

Идентификация - количественная оценка степени сходства конкретного объекта или его состояния с классом по признакам, которые относятся к тому же моменту времени, что и состояние.

Прогнозирование - количественная оценка степени сходства конкретного объекта или его состояния с классом по признакам, причем признаки относятся к более раннему времени, чем состояние (рисунок 1):

Рисунок 1. Экранная форма результата прогнозирования будущего сценария изменения урожайности подсолнечника

В верхней части карточки прогнозирования приведены сценарии, осуществление которых вероятно, а в нижней - осуществление которых не ожидается.

2. Решение задачи исследования предметной области

Информационные портреты классов и факторов

Информационный портрет класса - это список факторов, ранжированных в порядке убывания силы их влияния на переход объекта управления в состояние, соответствующее данному классу. Информационный портрет класса отражает систему его детерминации. Генерация информационного портрета класса представляет собой решение обратной задачи прогнозирования, т.к. при прогнозировании по системе факторов определяется спектр наиболее вероятных будущих состояний объекта управления, в которые он может перейти под влиянием данной системы факторов, а в информационном портрете мы наоборот, по заданному будущему состоянию объекта управления определяем систему факторов, детерминирующих это состояние, т.е. вызывающих переход объекта управления в это состояние. В начале информационного портрета класса идут факторы, оказывающие положительное влияние на переход объекта управления в заданное состояние, затем факторы, не оказывающие на это существенного влияния, и далее - факторы, препятствующие переходу объекта управления в это состояние (в порядке возрастания силы препятствования). Информационные портреты классов могут быть от отфильтрованы по диапазону факторов, т.е. мы можем отобразить влияние на переход объекта управления в данное состояние не всех отраженных в модели факторов, а только тех, коды которых попадают в определенный диапазон, например, относящиеся к определенным описательным шкалам.

Пример информационного портрета класса: «В следующем году ожидается высокая урожайность подсолнечника», приведен в таблице 12:

Таблица 1 - информационный портрет класса: Код: 1, Наименование: «B», Полный портрет. Фильтрация по кодам признаков: 1-172. Фильтрации по модулю информативности нет. 07-12-12 16:22:02 г. Краснодар

Предыдущий сценарий

Количество информации в битах

Код

Наименование

1

22

BBBB

2,837

2

37

BBBBC

2,837

3

53

BBBBCC

2,837

4

68

BBBBCCC

2,837

5

82

BBBBCCCC

2,837

6

95

BBBBCCCCC

2,837

7

107

BBBBCCCCCH

2,837

8

118

BBBBCCCCCHH

2,837

9

128

BBBBCCCCCHHH

2,837

10

137

BBBBCCCCCHHHH

2,837

11

145

BBBBCCCCCHHHHC

2,837

12

152

BBBBCCCCCHHHHCC

2,837

13

158

BBBBCCCCCHHHHCCC

2,837

14

163

BBBBCCCCCHHHHCCCC

2,837

15

167

BBBBCCCCCHHHHCCCCB

2,837

16

170

BBBBCCCCCHHHHCCCCBB

2,837

17

172

BBBBCCCCCHHHHCCCCBBB

2,837

18

23

BBBC

2,136

19

38

BBBCC

2,136

20

54

BBBCCC

2,136

21

69

BBBCCCC

2,136

22

83

BBBCCCCC

2,136

23

96

BBBCCCCCH

2,136

24

108

BBBCCCCCHH

2,136

25

119

BBBCCCCCHHH

2,136

26

129

BBBCCCCCHHHH

2,136

27

138

BBBCCCCCHHHHC

2,136

28

146

BBBCCCCCHHHHCC

2,136

29

153

BBBCCCCCHHHHCCC

2,136

30

159

BBBCCCCCHHHHCCCC

2,136

31

164

BBBCCCCCHHHHCCCCB

2,136

32

168

BBBCCCCCHHHHCCCCBB

2,136

33

171

BBBCCCCCHHHHCCCCBBB

2,136

34

12

BBC

1,727

35

24

BBCC

1,727

36

39

BBCCC

1,727

37

55

BBCCCC

1,727

38

70

BBCCCCC

1,727

39

84

BBCCCCCH

1,727

40

97

BBCCCCCHH

1,727

41

109

BBCCCCCHHH

1,727

42

120

BBCCCCCHHHH

1,727

43

130

BBCCCCCHHHHC

1,727

44

139

BBCCCCCHHHHCC

1,727

45

147

BBCCCCCHHHHCCC

1,727

46

154

BBCCCCCHHHHCCCC

1,727

47

160

BBCCCCCHHHHCCCCB

1,727

48

165

BBCCCCCHHHHCCCCBB

1,727

49

169

BBCCCCCHHHHCCCCBBB

1,727

50

5

BC

1,436

51

13

BCC

1,436

52

25

BCCC

1,436

53

40

BCCCC

1,436

54

56

BCCCCC

1,436

55

71

BCCCCCH

1,436

56

85

BCCCCCHH

1,436

57

98

BCCCCCHHH

1,436

58

110

BCCCCCHHHH

1,436

59

121

BCCCCCHHHHC

1,436

60

131

BCCCCCHHHHCC

1,436

61

140

BCCCCCHHHHCCC

1,436

62

148

BCCCCCHHHHCCCC

1,436

63

155

BCCCCCHHHHCCCCB

1,436

64

161

BCCCCCHHHHCCCCBB

1,436

65

166

BCCCCCHHHHCCCCBBB

1,436

66

44

CCCCC

1,210

67

59

CCCCCH

1,210

68

73

CCCCCHH

1,210

69

86

CCCCCHHH

1,210

70

99

CCCCCHHHH

1,210

71

111

CCCCCHHHHC

1,210

72

122

CCCCCHHHHCC

1,210

73

132

CCCCCHHHHCCC

1,210

74

141

CCCCCHHHHCCCC

1,210

75

149

CCCCCHHHHCCCCB

1,210

76

156

CCCCCHHHHCCCCBB

1,210

77

162

CCCCCHHHHCCCCBBB

1,210

78

11

BBB

0,460

79

4

BB

0,437

80

1

B

0,398

81

29

CCCC

-0,416

82

16

CCC

-1,054

83

7

CC

-1,471

84

2

C

-1,787

В информационном портрете прошлые сценарии приведены в порядке убывания степени, в которой они обусловливают будущий сценарий: «В следующем году ожидается высокая урожайность подсолнечника». Видно, что чем больше лет до этого была такая урожайность, тем выше вероятность того, что такой она будет и в будущем. Видно также, что на этот результат влияют, в основном, предыдущие четыре года, т.к. у всех сценариев, у которых совпадают эти четыре года, а остальные годы не совпадают, наблюдается одинаковое влияние на результат. Кроме того если в предшествующие четыре года была средняя урожайность, то это отрицательно сказывается на получении высокой урожайности в будущем году, причем чем больше лет со средней урожайностью предшествует нынешнему, тем меньше это отрицательное влияние, а когда таких лет паять, то это даже повышает ожидания высокой урожайности.

В таблице приведен информационный портрет класса: «В течение ближайших трех лет ожидается высокий урожай подсолнечника».

Таблица 2 - информационный портрет класса: Код: 11, Наименование: «BBB», Полный портрет. Фильтрация по кодам признаков: 1-172. Фильтрации по модулю информативности нет. 07-12-12 16:46:44 г. Краснодар

Предыдущий сценарий

Количество информации в битах

Код

Наименование

1

12

BBC

2,334

2

24

BBCC

2,334

3

39

BBCCC

2,334

4

55

BBCCCC

2,334

5

70

BBCCCCC

2,334

6

84

BBCCCCCH

2,334

7

97

BBCCCCCHH

2,334

8

109

BBCCCCCHHH

2,334

9

120

BBCCCCCHHHH

2,334

10

130

BBCCCCCHHHHC

2,334

11

139

BBCCCCCHHHHCC

2,334

12

147

BBCCCCCHHHHCCC

2,334

13

154

BBCCCCCHHHHCCCC

2,334

14

160

BBCCCCCHHHHCCCCB

2,334

15

165

BBCCCCCHHHHCCCCBB

2,334

16

169

BBCCCCCHHHHCCCCBBB

2,334

17

5

BC

2,043

18

13

BCC

2,043

19

25

BCCC

2,043

20

40

BCCCC

2,043

21

56

BCCCCC

2,043

22

71

BCCCCCH

2,043

23

85

BCCCCCHH

2,043

24

98

BCCCCCHHH

2,043

25

110

BCCCCCHHHH

2,043

26

121

BCCCCCHHHHC

2,043

27

131

BCCCCCHHHHCC

2,043

28

140

BCCCCCHHHHCCC

2,043

29

148

BCCCCCHHHHCCCC

2,043

30

155

BCCCCCHHHHCCCCB

2,043

31

161

BCCCCCHHHHCCCCBB

2,043

32

166

BCCCCCHHHHCCCCBBB

2,043

33

44

CCCCC

1,817

34

59

CCCCCH

1,817

35

73

CCCCCHH

1,817

36

86

CCCCCHHH

1,817

37

99

CCCCCHHHH

1,817

38

111

CCCCCHHHHC

1,817

39

122

CCCCCHHHHCC

1,817

40

132

CCCCCHHHHCCC

1,817

41

141

CCCCCHHHHCCCC

1,817

42

149

CCCCCHHHHCCCCB

1,817

43

156

CCCCCHHHHCCCCBB

1,817

44

162

CCCCCHHHHCCCCBBB

1,817

45

29

CCCC

0,191

46

1

B

-0,105

47

4

BB

-0,357

48

16

CCC

-0,447

49

7

CC

-0,864

50

2

C

-1,179

Видно, что этому результату способствует высокий урожай в предыдущие один и особенно два года, если им предшествовали годы со средней урожайностью, и в меньше степени средний урожай в последние 5 лет, но препятствует средний урожай за последние 1, два, три года. При этом видно, что урожайность подсолнечника 5 и более лет назад влияния на высокую урожайность в последующие 3 года уже практически не оказывает.

Информационный (семантический) портрет фактора - это список классов, ранжированный в порядке убывания силы влияния данного фактора на переход объекта управления в состояния, соответствующие данным классам. Информационный портрет фактора называется также его семантическим портретом, т.к. в соответствии с концепцией смысла системно-когнитивного анализа, являющейся обобщением концепции смысла Шенка-Абельсона, смысл фактора состоит в том, какие будущие состояния объекта управления он детерминирует. Сначала в этом списке идут состояния объекта управления, на переход в которые данный фактор оказывает наибольшее влияние, затем состояния, на которые данный фактор не оказывает существенного влияния, и далее состояния - переходу в которые данный фактор препятствует. Информационные портреты факторов могут быть от отфильтрованы по диапазону классов, т.е. мы можем отобразить влияние данного фактора на переход объекта управления не во все возможные будущие состояния, а только в состояния, коды которых попадают в определенный диапазон, например, относящиеся к определенным классификационным шкалам.

На рисунке 2 приведена Экранная форма семантического портрета признака: «Предшествующие 5 лет был средний урожай подсолнечника»:

Рисунок 2. Экранная форма семантического портрета признака: «Предшествующие 5 лет был средний урожай подсолнечника»

Из этой формы видно, что этот предшествующий сценарий в наибольше степени обусловливает высокий урожай в течение последующих 5 лет, во все меньшей степени - 4, 3, 2 лет и 1 года. Эти же данные приведены на рисунке 3:

Рисунок 3. Семантический портрет предыдущего сценария: «Предшествующие 5 лет был средний урожай подсолнечника»

Размеры секторов на круговой диаграмме соответствуют относительной силе влияния предшествующего сценария изменения урожайности подсолнечника: «Предшествующие 5 лет был средний урожай подсолнечника» на будущие сценарии изменения его урожайности.

Кластерный анализ и семантические классов и факторов

Кластерно-конструктивный анализ - это математический метод анализа данных, обеспечивающий: выявление классов, наиболее сходных по системе их детерминации и объединение их в кластеры; выявление кластеров классов, наиболее сильно отличающиеся по системе их детерминации и построение из них полюсов конструктов классов, при этом остальные кластеры включаются в конструкты в качестве промежуточных между полюсами; выявление факторов, наиболее сходных по детерминируемым ими классам и объединение их в кластеры; выявление кластеров факторов, наиболее сильно отличающиеся по детерминируемым ими классам и построение из них полюсов конструктов факторов, при этом остальные кластеры включаются в конструкты в качестве промежуточных между полюсами. экранный подсолнечник краснодарский

Состояния объекта управления, соответствующие классам, включенным в один кластер, могут быть достигнуты одновременно, т.е. являются совместимыми (коалиционными) по детерминирующим их факторам. Состояния объекта управления, соответствующие классам, образующим полюса конструкта, не могут быть достигнуты одновременно, т.е. являются противоположными по детерминирующим их факторам (антагонистическими).

Факторы, включенные в один кластер, оказывают сходное влияние на поведение объекта управления и могут, при необходимости, быть использованы для замены друг друга. Факторы, образующие полюса конструкта, оказывают противоположное влияние на поведение объекта управления.

Кластерно-конструктивный анализ классов позволяет сравнить их по сходству системы детерминации и отобразить эту информацию в наглядной графической форме семантической сети классов.

Кластерно-конструктивный анализ факторов позволяет сравнить факторы по сходству их влияния на переход объекта в будущие состояния и отобразить эту информацию в наглядной графической форме семантической сети факторов.

Рисунок 4. Экранная форма режима расчета матрицы сходства классов системы «Эйдос»

Рисунок 5. Экранная форма режима расчета матрицы сходства факторов системы «Эйдос»

В результате работы режимов кластерно-конструктивного анализа системы «Эйдос» формируются матрицы сходства классов и значений факторов (таблицы 3 и 4):

Таблица 3 - Матрица сходства будущих сценариев динамики урожайности подсолнечника (классов) в % (фрагмент)

Код

Сценарии

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

B

100

-52

-31

33

-19

-4

-44

-16

-11

-25

11

-19

2

C

-52

100

-30

-51

53

-4

73

-16

6

-25

-43

53

3

H

-31

-30

100

-30

-11

-5

-25

58

-5

78

-25

-11

4

BB

33

-51

-30

100

-19

-4

-43

-16

-11

-25

54

-19

5

BC

-19

53

-11

-19

100

-3

-17

-6

-3

-9

-16

100

6

CB

-4

-4

-5

-4

-3

100

-3

-2

-2

-4

-4

-3

7

CC

-44

73

-25

-43

-17

-3

100

-12

-8

-21

-36

-17

8

CH

-16

-16

58

-16

-6

-2

-12

100

-4

-6

-13

-6

9

HC

-11

6

-5

-11

-3

-2

-8

-4

100

-4

-9

-3

10

HH

-25

-25

78

-25

-9

-4

-21

-6

-4

100

-21

-9

11

BBB

11

-43

-25

54

-16

-4

-36

-13

-9

-21

100

-16

12

BBC

-19

53

-11

-19

100

-3

-17

-6

-3

-9

-16

100

13

BCC

-19

43

-12

-18

-7

-3

56

-6

-3

-9

-15

-7

14

CBB

-3

-4

-3

-3

-2

54

-3

-2

-1

-3

-3

-2

15

CCB

-4

-4

-5

-4

-3

100

-3

-2

-2

-4

-4

-3

16

CCC

-35

53

-20

-35

-14

-1

73

-9

-7

-17

-29

-14

17

CCH

-16

-16

58

-16

-6

-2

-12

100

-4

-6

-13

-6

18

CHH

-16

-16

52

-15

-6

-2

-13

-3

-4

66

-13

-6

19

HCC

-10

4

-6

-10

-4

-2

8

-3

0

-5

-8

-4

20

HHC

-11

6

-5

-11

-3

-2

-8

-4

100

-4

-9

-3

21

HHH

-19

-18

55

-19

-6

-3

-16

-6

-2

72

-16

-6

22

BBBB

2

-33

-19

29

-12

-4

-28

-10

-7

-16

59

-12

23

BBBC

-19

53

-11

-19

100

-3

-17

-6

-3

-9

-16

100

24

BBCC

-19

43

-12

-18

-7

-3

56

-6

-3

-9

-15

-7

25

BCCC

-19

35

-12

-18

-7

-3

47

-6

-4

-9

-15

-7

26

CCBB

-3

-4

-3

-3

-2

54

-3

-2

-1

-3

-3

-2

27

CCCB

-4

-4

-5

-4

-3

100

-3

-2

-2

-4

-4

-3

28

CCCC

-26

35

-14

-26

-10

2

50

-5

-6

-13

-22

-10

29

CCCH

-16

-16

58

-16

-6

-2

-12

100

-4

-6

-13

-6

30

CCHH

-16

-16

52

-15

-6

-2

-13

-3

-4

66

-13

-6

31

CHHH

-15

-16

46

-15

-6

-2

-13

-4

-3

60

-12

-6

32

HCCC

-10

3

-6

-10

-4

-1

7

-3

-1

-5

-8

-4

33

HHCC

-10

4

-6

-10

-4

-2

8

-3

0

-5

-8

-4

34

HHHC

-11

6

-5

-11

-3

-2

-8

-4

100

-4

-9

-3

35

HHHH

-12

-9

27

-11

-1

-2

-9

-4

2

37

-9

-1

36

BBBBB

-2

-20

-12

13

-7

-3

-18

-7

-4

-9

30

-7

37

BBBBC

-19

53

-11

-19

100

-3

-17

-6

-3

-9

-16

100

38

BBBCC

-19

43

-12

-18

-7

-3

56

-6

-3

-9

-15

-7

39

BBCCC

-19

35

-12

-18

-7

-3

47

-6

-4

-9

-15

-7

40

BCCCC

-18

29

-12

-18

-7

-3

40

-6

-4

-10

-15

-7

41

CCCBB

-3

-4

-3

-3

-2

54

-3

-2

-1

-3

-3

-2

42

CCCCB

-4

-4

-5

-4

-3

100

-3

-2

-2

-4

-4

-3

43

CCCCC

-17

19

-6

-17

-7

-3

28

-0

-4

-7

-14

-7

44

CCCCH

-16

-16

58

-16

-6

-2

-12

100

-4

-6

-13

-6

45

CCCHH

-16

-16

52

-15

-6

-2

-13

-3

-4

66

-13

-6

46

CCHHH

-15

-16

46

-15

-6

-2

-13

-4

-3

60

-12

-6

47

CHHHH

-12

-9

27

-11

-1

-2

-9

-4

2

37

-9

-1

48

HCCCC

-5

-2

-5

-5

-3

50

1

-3

-2

-4

-6

-3

49

HHCCC

-10

3

-6

-10

-4

-1

7

-3

-1

-5

-8

-4

50

HHHCC

-10

4

-6

-10

-4

-2

8

-3

0

-5

-8

-4

51

HHHHC

-11

6

-5

-11

-3

-2

-8

-4

100

-4

-9

-3

52

BBBBBC

-19

53

-11

-19

100

-3

-17

-6

-3

-9

-16

100

53

BBBBCC

-19

43

-12

-18

-7

-3

56

-6

-3

-9

-15

-7

54

BBBCCC

-19

35

-12

-18

-7

-3

47

-6

-4

-9

-15

-7

55

BBCCCC

-18

29

-12

-18

-7

-3

40

-6

-4

-10

-15

-7

56

BCCCCC

-17

19

-6

-17

-7

-3

28

-0

-4

-7

-14

-7

57

CCCCBB

-3

-4

-3

-3

-2

54

-3

-2

-1

-3

-3

-2

58

CCCCCH

-16

-16

58

-16

-6

-2

-12

100

-4

-6

-13

-6

59

CCCCHH

-16

-16

52

-15

-6

-2

-13

-3

-4

66

-13

-6

60

CCCHHH

-15

-16

46

-15

-6

-2

-13

-4

-3

60

-12

-6

61

CCHHHH

-12

-9

27

-11

-1

-2

-9

-4

2

37

-9

-1

62

CHHHHC

-11

6

-5

-11

-3

-2

-8

-4

100

-4

-9

-3

63

HCCCCB

-4

-4

-5

-4

-3

100

-3

-2

-2

-4

-4

-3

64

HHCCCC

-5

-2

-5

-5

-3

50

1

-3

-2

-4

-6

-3

65

HHHCCC

-10

3

-6

-10

-4

-1

7

-3

-1

-5

-8

-4

66

HHHHCC

-10

4

-6

-10

-4

-2

8

-3

0

-5

-8

-4

67

BBBBBCC

-19

43

-12

-18

-7

-3

56

-6

-3

-9

-15

-7

68

BBBBCCC

-19

35

-12

-18

-7

-3

47

-6

-4

-9

-15

-7

69

BBBCCCC

-18

29

-12

-18

-7

-3

40

-6

-4

-10

-15

-7

70

BBCCCCC

-17

19

-6

-17

-7

-3

28

-0

-4

-7

-14

-7

71

BCCCCCH

-16

-16

58

-16

-6

-2

-12

100

-4

-6

-13

-6

72

CCCCCHH

-16

-16

52

-15

-6

-2

-13

-3

-4

66

-13

-6

73

CCCCHHH

-15

-16

46

-15

-6

-2

-13

-4

-3

60

-12

-6

74

CCCHHHH

-12

-9

27

-11

-1

-2

-9

-4

2

37

-9

-1

75

CCHHHHC

-11

6

-5

-11

-3

-2

-8

-4

100

-4

-9

-3

76

CHHHHCC

-10

4

-6

-10

-4

-2

8

-3

0

-5

-8

-4

77

HCCCCBB

-3

-4

-3

-3

-2

54

-3

-2

-1

-3

-3

-2

78

HHCCCCB

-4

-4

-5

-4

-3

100

-3

-2

-2

-4

-4

-3

79

HHHCCCC

-5

-2

-5

-5

-3

50

1

-3

-2

-4

-6

-3

80

HHHHCCC

-10

3

-6

-10

-4

-1

7

-3

-1

-5

-8

-4

81

BBBBBCCC

-19

35

-12

-18

-7

-3

47

-6

-4

-9

-15

-7

82

BBBBCCCC

-18

29

-12

-18

-7

-3

40

-6

-4

-10

-15

-7

83

BBBCCCCC

-17

19

-6

-17

-7

-3

28

-0

-4

-7

-14

-7

84

BBCCCCCH

-16

-16

58

-16

-6

-2

-12

100

-4

-6

-13

-6

85

BCCCCCHH

-16

-16

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.