虚拟农业（精选8篇）
虚拟农业 篇1
0 引言
传统农业装备的开发一般都要经过对各方面性能进行分析、拟定设计方案、按选定方案进行零件图与装配图的绘制等过程,然后制造物理样机,并经过反复试验、修改和不断完善后,才能正式投入生产。这样无法预先发现设计造成的装配干扰(装配干涉或不到位)等问题,其结果往往要等到所有零件加工制造好后进行实际装配时才发现。一旦发现装配干扰问题,往往只有不惜代价重新设计或修改,再进行零件的加工制造和装配,反复多次才能成功,造成时间和资金的很大浪费。
与传统的农业装备制造技术相比,采用虚拟装配技术,在沉浸式或半沉浸式的环境中进行产品的装配,可以从整个产品的装配角度考虑其可装配性,而不是从单个零件的角度进行考虑。设计人员在产品原型实际加工之前就可以全方位地检查零部件之间的装配间隙和干涉情况,也可通过程序自动检查装配状态[1]。虚拟装配中的装配序列和路径规划为解决装配工艺规划问题提供了一个新的有效途径,这样大大缩短了产品的开发周期,降低了产品的开发和制造成本,优化了产品的设计,提高了产品的质量,也体现了基于并行工程原则的要求。
1 虚拟装配技术的定义及特点
1.1 虚拟装配技术的定义与内涵虚拟装配(VA,Virtual Assembly)是实际装配过程在计算机上的本质实现,是基于产品的数字化实体模型,在计算机上分析与验证产品的装配性能及工艺过程,从而提高产品的可装配性的一项仿真技术[2]。即采用计算机仿真与虚拟现实技术,在一个计算机生成的环境中,利用装配操作模型,将设计出的零部件装配成产品,检查产品零部件之间的正确装配关系,包括可达性、顺序性、方向性、干涉情况以及公差配合等方面的内容[3]。这主要是从技术层面描绘虚拟装配及其实现功能。
从具体的表现形式上,虚拟装配也可以定义为:在虚拟环境中通过虚拟交互方式(直接操作或自然语言指令)对零部件进行三维可视化的装配操作,构建虚拟产品原型[4]。这是与传统的CAD装配不同的,虚拟装配的重点在于实现它的人机交互的思想[5]。
从本质上说,虚拟装配就是要利用计算机生产出“虚拟产品”,它将DFA( Design for Assembly)技术与VR(Virtual Reality)技术相结合。它是一种将CAD技术、可视化技术、仿真技术、决策理论及装配和制造过程研究、虚拟现实技术等多种技术加以综合运用的技术[6],可以解决设计与装配对象在设计和研制过程中难以实现的动态性能。
1.2 虚拟装配技术的特点
1) 虚拟装配系统是以实现可装配性的全面改善为目的的。可装配性就是产品及其装配零件或子装配体容易装配的能力和特性。借助虚拟装配设计系统,设计人员可以综合考虑技术特性、经济特性和社会特性,在虚拟环境中使用各种装配工具对设计的机构进行检验,可以预见装配系统的完善性。
2) 虚拟装配系统可以实现操作仿真的高度逼真。由于虚拟装配的实施对象、操作过程以及使用的装配资源均与实际的生产过程相类似,所以在虚拟的系统下,可以生动、直观地体现产品装配的真实过程,并且VR技术的发展使操作者可以有交互性的体验。
3) 虚拟装配系统的装配信息模型是集成化的。虚拟装配信息模型包括几何实体模型、功能结构模型、装配工艺模型和装配资源模型等,这些模型必须集成化为一个统一体,在计算机内部能保证局部更改,在各种模型之间可以实现数据上的一致性[2]。
4) 虚拟装配系统的装配方式是多样化的。虚拟装配系统支持自顶向下和自底向上的装配方式,保证已有零件和新零件的造型设计都可在装配体内进行,实现已有零件的装配和新零件的设计造型相结合的功能,提高了工作效率,体现了并行工程的需要。
1.3 虚拟装配的意义
1) 通过虚拟装配分析,可在虚拟环境中对机构进行运动仿真,对产品进行可行性分析,从而降低研制费用。
2) 采用廉价的数字模型,设计人员可以从多方面对产品进行观察和分析,预见生产和装配过程中可能出现的问题,并能节约制造物理样机的费用。
3) 通过虚拟装配,能分析维修过程中可能出现的问题,从而考虑所需工具以及安全性、视线和拆卸等方面情况,从而有利于提高产品的质量和可靠性等。
4) 通过虚拟装配,从设计到生产制造整个过程可制定更周密的计划,有利于减少材料和产品库存,降低成本。
5) 在虚拟环境中,对不同装配方案进行比较,选择最佳方案,可完善装配系统,保证产品的合格率和优质率。
6) 虚拟环境与CAD/CAM的集成有利于快速引入先进设计方法和技术。
7) 虚拟装配为解决装配工艺规划问题提供了一个新的有效途径。它利用虚拟现实技术提供的沉浸性和交互性,为装配工艺规划人员建立了一个高逼真度的多模式交互规划环境,使人们能充分发挥自身的智慧和经验[7]。
2 虚拟装配系统的构建
虚拟装配系统的构建需要软硬件协同完成。虚拟装配系统不仅需要位姿跟踪传感器、头盔、立体眼镜、立体声系统和力反馈等硬件传感器设备,而且良好的软件系统也是它不可或缺的重要组成部分。硬件和软件的有机结合才能构建一个体现虚拟现实系统的3I(Interaction ,Immersion, Imagination )特征[8]的虚拟装配系统,才能实现系统与用户的交互操作。虚拟装配系统的硬件环境如图1所示。
由图1可知,硬件环境的构建需要多通道大屏幕投影系统及VR外设部分的支持。其中,VR外设部分就是由立体眼镜、力反馈或位姿跟踪传感器(三维鼠标或数据手套)等组成的虚拟场景操作系统。
除此之外,虚拟视景的生成及管理也是虚拟装配系统一个尤为重要的部分。由于虚拟装配系统对三维场景图像显示与控制等功能的要求较高,所以国内外比较大型的虚拟现实系统都是在图形工作站以及UNIX操作系统环境下开发的。如山东大学的“基于多通道沉浸式VR平台的虚拟装配可视化研究”[9]一文的硬件就是采用SGI Onyx300虚拟可视化系统。当然,近几年计算机技术的飞速发展,使个人微机CPU 的优异性能和低成本三维图形卡接合,也可以起到三维图形工作站的作用。如电子科技大学的“虚拟装配系统及应用研究”[10]便是采用PC机作为硬件设备。
虚拟装配建模软件常用现在的专业三维CAD软件(如Pro/ENGINEER,UG, Solidworks ,Solid Edge),在此基础上,采用开发软件OpenGL或虚拟世界工具包World Tool Ktis[10]在VC++开发下完成。也有应用国内外涌现的专业虚拟装配软件,比如UGS公司的UGS Vis Concept 和Vis Mockup,PTC公司的PTC Division Mockup,达索公司的DS Delmia,IBM公司的Enovia Portal DMU等。这些数字样机分析设计软件可以进行样机的动态剖视、零部件的装配定位、变换操作、静态干涉和碰撞检查等,可以支持立体投影系统和VR外设,对产品进行交互式操作。
3 虚拟装配的工作流程
虚拟装配的工作流程如图2所示。
首先,要在CAD系统中创建零部件的几何实体模型,然后把零部件的几何实体模型导入到虚拟环境中,进行可视化显示与分析。虚拟装配设计环境(VADE,Virtual Assembly Design Environment)的预处理程序自动提取模型的装配信息,并提供给VADE。这些信息包括零件的可视属性(如色彩、纹理等)、几何属性、公差、位置、方位和装配约束等。另外,还要在VADE中进行预规划,包括把不同的零件放到不同的位置、重新定义确定可视属性(如使某些零件透明)以及为某些零件定义公差等。
其次,在虚拟装配环境中对虚拟装配进行计算机辅助装配序列规划,应用计算机设计零件的装配顺序,同时进行装配干涉的检查,然后在装配建模和装配序列规划的基础上,充分利用装配信息进行路径分析和求解,判断并生成一条合理的装配路径,为装配仿真提供显示数据,为设计人员提供可视化的辅助设计工具。
虚拟装配过程产生的信息可用于多种途径:装配规划信息被送给装配评价系统,来使设计人员修改设计;VADE信息可训练工人进行装配;可送给计算机辅助过程规划(CAPP)系统进行过程规划;还有一些有价值的信息可辅助设计特殊的装配设备[11]。
4 虚拟装配在农业装备设计中的应用
当前,虚拟装配技术在农业装备方面的应用主要是通过对产品数字化模型的操作实现的。现在的三维CAD软件都提供有草图、零件设计和装配设计模块。进行零部件的总装设计时,可以利用系统中提供的装配关系描述进行零部件装配关系的定义,建立部件之间的链接关系,快速将零部件组合成产品。这些装配关系有面贴合、面对齐和轴心对齐等,基本上满足农业装备在装配工艺设计中的装配关系约束要求。基于CAD软件的虚拟装配已在联合收割机脱粒装置、小型农业装载机与精密播种机等农业装备上进行了相关的应用[12,13,14,15,16]。
应用专业的三维CAD软件进行农业装备的虚拟装配,代替了原来的设计方法,避免了设计人员到实际装配阶段才发现可装配性的错误地方,避免了零件的报废和工期的延误,防止造成巨大的经济损失和时间的浪费,从而对缩短产品的开发周期、提高工作效率起到了良好的作用。这不是真正的虚拟装配,只是电子装配或数字化装配过程[17],不符合虚拟现实技术沉浸感、交互感的要求,并且对装配过程的干涉检测是静态的。因为真正的虚拟装配系统重点在于直观的人机交互,即操作者利用三维鼠标、数据手套、液晶立体眼镜和头盔等特殊的输入输出设备,所以在虚拟装配系统中通过直接操作零件或自然语言命令完成装配操作[4]。
由此可见,虚拟装配技术在我国农业装备中的应用还不够广泛。造成这种现象的主要原因:一是由于虚拟装配和虚拟制造技术的研究在我国的起步较晚,还处于研究与探索的阶段;二是实现人机交互的输入输出硬件设备价格比较昂贵[18]。这些原因都限制了虚拟装配技术在农业装备设计领域的推广与应用。
5 结论
虚拟装配技术是VR技术和DFA技术的结合,是多学科融合的交叉技术,已经引发了产品设计和开发模式的重大的改革,在很多领域已经得到了广泛的应用,但是在农业装备中人机交互技术方面的应用还很少。相信随着虚拟装配技术和虚拟制造技术的不断发展,虚拟装配在农业装备中的应用会体现沉浸性、交互性等虚拟现实技术的要求,实现真正的具有人机交互功能的虚拟装配。
虚拟农业 篇2
虚拟水在解决农业生产和粮食安全问题中的作用研究
随着人口增长和经济发展,水资源问题日益突出,农业用水和粮食安全问题已经成为全球关注的重要问题.本文简要回顾了虚拟水的内涵及其国内外研究现状,分析了我国的.农业用水和粮食安全问题,根据粮食进口变动趋势和国内外粮食生产条件估算出和我国进口的虚拟水量分别为88×109m3和95×109m3,并提出了通过进口虚拟水解决我国农业和粮食问题,从而实现我国水资源的可持续利用.
作 者：柯兵 柳文华 段光明 严岩 邓红兵 赵景柱 作者单位：中国科学院生态环境研究中心系统生态重点实验室,北京,100085 刊 名：环境科学 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCE 年，卷(期)：2004 25(2) 分类号：X37 F304 关键词：虚拟水 农业用水 粮食 安全 水资源虚拟农业 篇3
关键词：虚拟水战略,农业产业,空间布局,优化,宁夏
水资源是影响区域农业生产发展与空间布局的基础性资源。20世纪90年代初期,英国学者Allan提出虚拟水的新概念[1],认为虚拟水是指生产产品和服务中所需要的水资源数量,即凝结在产品和服务中的虚拟水量[2],这为水资源问题的深入研究开创了新领域。虚拟水战略是指贫水国家或地区通过贸易的方式从富水国家或地区购买水密集型农产品(尤其是粮食)来保障自己国家或地区内的水资源安全和粮食安全[3],它的提出为全球和地区解决水资源短缺问题提供了新思路。在全球和地区水资源短缺日益严峻的形势下,虚拟水战略越来越受到国家和地区政府以及水资源管理部门的重视,并开始在区域农业水资源开发利用和农产品贸易等方面付诸实施[4]。近年来,国内外学者对虚拟水问题的研究主要集中在虚拟水量化分析[5]、虚拟水贸易[6,7]、虚拟水战略内涵与实施[8,9,10]、虚拟水战略区划[11,12]、虚拟水战略与粮食安全[13]、虚拟水与农业空间布局[14,15]、区域水足迹研究[16,17]等方面。纵观国内外虚拟水研究成果,可以发现:在研究尺度上,国家尺度的研究居多,省(县)域尺度的研究较少;在研究内容上,主要以产品虚拟水的量化分析和水足迹的研究为重点,对虚拟水战略的应用研究仍显薄弱。宁夏地处西北内陆干旱地区,是全国水资源严重匮乏的省区之一,水资源短缺和空间配置不合理是制约区域农业生产与布局的主要限制性因素。基于此,本研究试图以虚拟水战略为背景,采用定性与定量相结合的方法,研究宁夏农业生产空间布局现状及存在的问题,探讨宁夏农业生产空间布局的理想模式,以期为优化区域水资源空间配置和农业空间布局,促进农业产业转型升级和结构调整提供参考。
1 研究区概况
宁夏回族自治区位于35°14′-39°23′N,104°17′-107°39′E之间,东邻陕西省,北接内蒙古自治区,南连甘肃省,处于东部季风区域与西北干旱区域的过渡地带,总面积5.19万km2。按自然地理特征划分为北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区三大地理单元。平均海拔1 090-2 000 m,年平均气温5.3-9.9℃,年平均降水量183.4-677 mm。全区现有耕地面积110.35×104hm2,园地3.33×104 hm2,林地60.36×104hm2,牧草地233.09×104 hm2,其中,灌溉水田4.05×104hm2,水浇地36.99×104 hm2[18]。地表水资源拥有量84.47×108 m3,地下水资源拥有量215.42×108 m3。2012年,全区拥有总人口647.19万人,其中,农业人口402.94万人,农业总产值达到385.15亿元。农业生产耗水量287.36×108 m3,农村人畜耗水量6.29×108m3[19],共计占全区各行业耗水总量的89.9%。
2 研究数据与研究方法
2.1 指标体系构建
区域农业生产优势度评价指标体系是评价区域农业生产优势度的基础和依据,也是在虚拟水战略背景下研究宁夏农业生产空间布局的前提。根据虚拟水战略背景下区域农业生产优势度的内涵[8],立足宁夏农业生产实际,结合相关研究成果[15,20],在遵循科学性、系统性、可操作性、简洁性等原则的前提下,构建由资源禀赋、经济效益、社会效益、生态效益和技术保障5个一级指标共计17个二级指标构成的区域农业生产优势度评价指标体系(表1)。
注:表中“+”表示正指标,“-”表示逆指标;农业气象灾害指数值参考《西北地区国土主体功能区划研究》[21]中宁夏各县气象灾害指数值。
2.2 数据来源与处理
本研究的基础数据主要来源于:1《宁夏统计年鉴》(2013);2《中国区域经济统计年鉴》(2013)[22];3《2012宁夏回族自治区水资源公报》(总第二十七期);4国内外虚拟水研究成果中有关中国农作物产品和动物产品的虚拟水含量的研究成果[23,24];52012年宁夏各县市国民经济和社会发展统计公报。
为消除各样本指标的量纲差异,本研究采用极差标准化法对各指标原始数据进行无量纲化处理:
对正指标:
对逆指标:(1)
式中:xij、Xij分别指第i个样本第j个指标的原始值和标准化之后的数值分别指第j个指标所在序列的最大值和最小值。
2.3 研究方法
2.3.1虚拟水含量指数区域人均农村人口主要农产品虚拟水含量指数是表征当前区域农业生产布局现状和农业生产所贡献的虚拟水资源量的重要指标[25]。计算公式如下:
式中:Ai为区域人均农村人口主要农产品虚拟水含量指数,WFPi为区域主要农产品虚拟水总量,TPi为农村人口数量。
其中,区域主要农产品虚拟水含量由农作物产品虚拟水含量和动物产品虚拟水含量构成。在本研究中,农作物产品包括粮食(稻谷、小麦、玉米、大豆和薯类)、油料、药材、蔬菜和瓜果;动物产品包括牛肉、羊肉、猪肉、奶类、禽蛋和水产品。计算公式如下:
式中:WFc为农作物产品生产用水量,VWCc为单位质量农作物产品的虚拟水含量,Pc为第j类农作物产品的产量,n为农作物产品的类别数;WFl为动物产品生产用水量,VWCl为单位质量动物产品的虚拟水含量,Pl为第j类动物产品的产量。
2.3.2农业生产优势度区域农业生产优势度采用综合指数加权求和模型进行计算, 指标权重采用熵值法[26]确定。具体计算步骤如下:
1)计算指标比重。第i个样本第j项指标的比重:
式中,Kij为指标比重,Xij为标准化之后的数据,i为样本个数,j为指标个数。
2)计算指标熵值。第j项指标的熵值:
式中,ej为第j项指标的信息熵值,ln为自然对数,g=lnn, 0≤ej≤1(当Kij=0时,规定Kijln Kij=0)。
3)计算指标信息效用价值。
式中,dj为信息效用价值,ej为第j项指标信息熵值。
4)计算指标权重。第j项指标的权重值:
5)计算农业生产优势度。第i个样本的农业生产优势度:
式中:Sj为区域农业生产优势度,具体可分为五个等级,即:1低优势度(Sj≤0.3);2较低优势度(0.3<Sj≤0.4);3中等优势度(0.4<Sj≤0.5);4较高优势度(0.5<Sj≤0.6);5高优势度(Sj>0.6)。
2.3.3农业调整指数区域农业生产布局调整指数是判定虚拟水战略背景下地区农业生产贡献的虚拟水资源与其现实水土资源匹配程度的重要指标[25]。计算公式如下:
式中:Ti为调整指数,RSi为区域农业生产优势度排名,RAi为区域人均农村人口主要农产品虚拟水含量排名。当Ti>0时,说明该区域农业生产规模已经超出了其水土资源所能承受的合理范围,处于超载状态;当Ti<0时,说明该区域的水土资源优势并没有得到充分发挥,需要增加农业生产;当Ti=0时,说明该区域的农业生产规模与其水土资源的承受度基本一致,农业生产空间布局不需要作大的调整。具体包括三种类型:1生产布局合理型(-3≤Ti≤3);2生产布局过密型(Ti>3);3生产布局过疏型(Ti<-3)。
3 结果与分析
3.1 虚拟水战略背景下宁夏农业生产空间布局现状
根据公式(3)-(4),首先分别计算宁夏19个县市主要农产品虚拟水含量,再根据公式(2),求得宁夏各县市人均农村人口农产品虚拟水含量(表2)。在此基础上,借助Arc GIS 10.0软件绘制宁夏县域人均农村人口农产品虚拟水含量空间分布图(图1)。
根据表2和图1,可以看出宁夏县域人均农村人口农产品虚拟水含量空间分布存在如下特征。3.1.1人均农村人口虚拟水量呈现“北高南低”的空间分布格局宁夏县域人均农村人口农产品虚拟水含量空间差异显著,排名第1位的银川市人均农村人口虚拟水含量达到9 714.46 m3,而排名第19位的海原县人均农村人口虚拟水含量仅为1 378.27 m3。且人均农村人口农产品虚拟水含量的前9位县市全部位于北部引黄灌区;而人均农村人口虚拟水含量排名后5位的县市,除红寺堡区位于中部干旱带以外,其余各县市均位于南部山区。表明宁夏农业生产主要分布在北部平原地区,而中南部地区布局较少。这与宁夏农业生产布局的实际相一致。
3.1.2发达区域人均农村人口虚拟水含量高,欠发达区域人均农村人口虚拟水含量低宁夏北部引黄灌区各县市经济发展水平普遍高于中部干旱带和南部山区各县市,而这与宁夏县域人均农村人口虚拟水含量空间分布格局基本一致。具体来看,在研究区的19个县市中,位于北部引黄灌区的银川市经济发展水平最高,其人均农村人口虚拟水含量也最高。而位于南部山区欠发达区域的海原县经济发展水平相对较低,其人均农村人口虚拟水含量也最低。
3.1.3区域人均农村人口虚拟水量空间分布与降水量空间分布不匹配宁夏北部引黄灌区的银川市、平罗县、贺兰县、石嘴山市、利通区、永宁县、青铜峡市、灵武市的人均农村人口农产品虚拟水含量普遍较高,而中宁县、沙坡头区、盐池县、同心县居其次,南部山区的原州区、西吉县、彭阳县、隆德县、泾源县的人均农村人口虚拟水含量普遍较低。这与宁夏区域降水量分布由南向北逐步递减的规律并不匹配。
3.2 虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产优势度
首先根据公式(1)对宁夏区域农业生产优势度各评价指标的原始数据进行标准化处理,在此基础上根据公式(5)-(8)确定各指标权重(表1),再根据公式(9)分别计算宁夏19个县市的农业生产优势度的综合评价得分(表3),并借助Arc GIS 10.0软件绘制出宁夏县域农业生产优势度空间分布图(图2)。
根据表3和图2,可以发现在虚拟水战略背景下,宁夏区域农业生产优势度空间差异显著,具体可从两方面分别分析:
1) 从虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产优势度所属的等级来看,在研究区的19个县市中,低优势度等级的县市有7个,较低优势度等级的县市有7个,较高优势度等级的县市有2个,中等优势度等级的县市有3个,没有属于高优势度等级的县市。这种空间分布规律表明,在虚拟水战略背景下,宁夏区域农业生产优势度存在着较大差异。
2)从虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产优势度等级空间分布结构看,整体呈现北部高,中南部偏低的宏观态势。其中,较高优势度和中等优势度区域主要分布于北部灌区的平罗县、贺兰县、永宁县、灵武市、青铜峡市等市县;低优势度区域主要分布于中南部地区的红寺堡区、同心县、原州区、西吉县、隆德县、彭阳县、海原县等县市。这种分布态势与传统的区域农业生产优势度的空间分布并不完全吻合。主要是因为在虚拟水战略背景下,区域农业生产优势度的影响因素与传统的农业生产优势度的影响因素存在一定差异,致使评价结果也不完全一致。
3.3 虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产空间布局的调整
根据公式(10)计算宁夏区域农业生产布局调整指数(表4),借助Arc GIS 10.0软件绘制虚拟水战略背景下宁夏区域农业生产布局类型图(图3)。
根据表4和相关研究成果[15],立足宁夏农业发展的实际,遵循《宁夏回族自治区主体功能区规划》[27]所制定的区域农业发展方向,具体可作如下调整:3.3.1农业生产布局合理型农业生产布局合理型的县市包括灵武市、永宁县、贺兰县、平罗县、红寺堡区、盐池县、沙坡头区、中宁县、原州区、西吉县、彭阳县、隆德县和海原县13个县市。其中,平罗县和西吉县的农业生产布局调整指数为0,表明该区域在虚拟水战略背景下,基本不需要调整农业生产布局,平罗县因其优越的农业生产条件,在今后一段时期内,将继续为区域食物安全和虚拟水战略的实施服务。而西吉县因其属于国家级重点生态功能区,不宜扩大农业生产与布局;永宁县、贺兰县、灵武市、隆德县、沙坡头区、中宁县、海原县的调整指数为负值,说明区域农业地域资源优势还未发挥出来,在虚拟水战略背景下可以根据地区农业发展的实际,适度扩大农业生产;红寺堡区、盐池县、原州区、彭阳县的调整指数为正值,说明区域水土资源已经超载,在虚拟水战略背景下需要适度压缩农业生产规模,以减轻区域水土资源的压力。
3.3.2农业生产布局过密型农业生产布局过密型的县市包括银川市、石嘴山市、利通区和同心县4个市县。农业生产布局调整指数大,尤其是银川市,达到9,表明区域农业生产布局现状与虚拟水战略背景下农业生产布局现状不吻合,也就是说,在虚拟水战略背景下,这些县市在保障区域水资源和食物安全方面,做出的贡献已经远大于其应承担的责任。故此,在虚拟水战略背景下,这些区域应当对现有的农业生产布局进行合理调整,适当压缩高虚拟水含量农产品的生产,保证非农用水尤其是生态用水的安全。
对于地处宁夏北部平原地区,水土资源优越,经济发展水平较高的银川市、石嘴山市和利通区,今后的发展方向是实施虚拟水战略,提高水资源利用率,适当减少高耗水农产品的生产,保证生态用水、生活用水和工业用水的供应;对于地处中部干旱带的同心县,今后的发展方向是调整农业种植结构,发展旱作高效节水农业,减少高耗水农产品的生产,并根据区域发展的实际,探索实施虚拟水战略,弥补地区生态用水的不足,改善区域生态环境。
3.3.3农业生产布局过疏型农业生产布局过疏型的县市包括青铜峡市和泾源县2个市县。农业生产布局调整指数小,其中泾源县调整指数最小,为-12,表明区域农业生产布局与虚拟水战略背景下区域农业生产布局现状不吻合,即在虚拟水战略背景下,该县市在保障区域水资源和食物安全方面,做出的贡献远低于其应承担的责任。故此,在虚拟水战略背景下,这些县市应充分利用农业地域资源优势,积极发展农业特色优势产业[28],为保证区域食物和水资源安全做出其应有的贡献。对于经济发展水平较高的青铜峡市,今后的发展方向是提高农业集约化经营水平,大力发展高效农业和设施农业,优化农业生产布局和种养殖结构,促进农业经济健康发展;对于地处南部山区的泾源县,今后的发展方向是以水土保持和生态修复为重点,大力发展林果产业、中药材产业和畜牧养殖业等适合当地资源环境的特色农业,提高农业产业化水平,实现区域生态、经济和社会的协调发展。
4 结论
通过对虚拟水战略背景下宁夏农业生产空间布局现状和理想空间布局模式的研究,可以得出以下基本结论:
1)宁夏县域人均农村人口虚拟水量呈现“北高南低”的空间分布格局,发达区域人均农村人口虚拟水含量普遍高于欠发达区域人均农村人口虚拟水含量,农业生产以北部平原地区为主体进行布局,中南部地区布局较少,农业生产布局的密度与区域降水量之间并不协调。
2) 宁夏区域农业生产优势度空间差异显著,整体呈现北部地区高,中南部地区偏低的宏观态势。其中,高优势度区域主要分布于北部灌区的平罗县、贺兰县、永宁县、灵武市、青铜峡市等市县;低优势度区域主要分布于中南部地区的红寺堡区、同心县、原州区、西吉县、隆德县、彭阳县、海原县等县市。
3)宁夏区域农业生产布局可分为农业生产布局合理型、农业生产布局过密型和农业生产布局过疏型三种类型。其中,灵武市、永宁县、贺兰县、平罗县、红寺堡区、盐池县、原州区、西吉县、彭阳县、沙坡头区、中宁县和海原县13个县市为农业生产布局合理型;银川市、石嘴山市、利通区和同心县4个市县属于农业生产布局过密型;农业生产布局过疏型的县市包括青铜峡市和泾源县2个市县。
虚拟农业 篇4
我国是一个农业大国, 传统农业模式多采用粗放式管理, 主要依靠个人感知来管理农作物周围的环境参数, 无法做到对影响农业环境参数的精确控制, 从而很难做到投入产出比的最优化[1]。智能农业作为农业科技的最新发展方向, 通过对农作信息的智能化采集, 并对采集后的信息通过科学地分析, 从而制定出高效集约的可持续性发展方式, 高效利用农业资源, 实现可观的经济效益。
信息采集作为智能农业的起点, 主要通过对农作物生长环境系统中大气温湿度、光照强度、土壤湿度、二氧化碳浓度、土壤p H值等参数进行测量与汇总, 为技术人员提供分析与决策的依据。虽然目前的研究主要都是基于无线传感器网络的农业检测系统[2], 但是在应用中由于专业传感器模块价格昂贵, 导致节点成本偏高。本文提出一种基于开源硬件的智能农业监测系统, 以高性价比的开源硬件Arduino为核心控制器, 采用Zig Bee技术无线连接上位机Lab VIEW, 实现数据的可视化。同时由于Arduino的强扩展性, 可以根据使用需求增加传感器模块, 以及采用有线串口连接Arduino控制板与上位机。
1 系统硬件组成
监测系统的数据采集部分主要使用Arduino作为核心控制器, 配合BH1750光照传感器、YL-69土壤水分传感器、DHT22温湿度传感器以及CO2浓度传感器采集农作物生长环境参数后, 采用接口扩展板连接Xbee, 通过无线 (也可采用RS-485总线) 与上位机的虚拟仪器LabVIEW软件通信。
1.1 Arduino控制器
Arduino作为一个开源的电子平台, 其不仅是一种基于Atmel AVR单片机的控制器, 也是包含Arduino IDE以及开源社区的一个开源系统。Arduino控制器采用了多样的硬件配置, 其中应用最为广泛的Arduino Uno采用ATmega 328作为核心处理器, 包括14通道数字输入/输出, 其中包括6通道PWM输出、6通道10 bit ADC模拟输入/输出通道, 电源电压主要有5 V和3.3 V[3]。在核心控制板的外围, 有开关量输入输出模块、各种模拟量传感器输入模块、总线类传感器的输入模块, 还有网络通信模块[4]。使用者通过编程与输入和输出信号做出各种交互。由于Arduino采用开源协议, 任何人和公司都可以利用开源公布的文档生产兼容的Arduino控制器。Arduino兼容控制器的低廉价格, 受到广大极客的热捧。
1.2 光照传感器
BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。其内部结构如图1所示。
光敏二极管PD的信号通过集成运算放大器将电流转化为电压, 之后通过ADC进行数模转换为16 bit数字信号, 转换后的数字信号通过逻辑芯片输出为I2C信号。BH1750FVI的地址模式分为高位和低位两种, 当ADD接VCC时为高地址模式, 当ADD接GND时为低地址模式。
1.3 土壤水分传感器
在监测系统中, 采用了价格低廉的电阻式水分传感器。可以根据使用需要更换为抗电离腐蚀的专用数字土壤水分传感器。
如图2所示, 当传感器探头插入土壤中时, 由于土壤水分含量影响土壤电阻值的大小, 从而影响三极管基极的导通电流的大小。基极电流放大为发射极电流后经下拉电阻转化为电压形式输入Arduino控制板。
1.4 温湿度传感器
本监测系统采用DHT22作为温湿度传感器, 它采用了电容式感湿元件与NTC测温元件, 并集成了一个微型8位单片机。DHT22将在湿度实验室中校准的系数存储在OTP内存中, 检测信号需要通过校准系数进行处理。
DHT22采用单总线数据结构进行通信和同步。每次通信发送数据量为40 bit, 其中湿度数据为16 bit, 温度数据为16 bit, 校验和为8 bit。一般采用高速模式通信, 每次通信发送时间约为5 ms。DHT22在收到Arduino所发出开始信号后才开始一次温湿度的测量, 平时不会主动收集数据。
1.5 CO2浓度传感器
CO2浓度传感器主要采用了MG-811 CO2探头, 对CO2极为敏感, 同时还能排除酒精和CO的干扰。其内部结构如图3所示。
当传感器在CO2的环境中, 电极将会发生如下反应:
负极:2Li++CO2+1/2O2+2e-=Li2CO3
正极:2Na++1/2O2+2e-=Na2O
总电极反应:Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2
传感器敏感电极与参考电极间的电势差 (EMF) 符合能斯特方程:
当探头内部通过外电路提供的电压加热时, 探头就相当于一个固体电解质电池, 其两端对应输出电压信号, 其值符合能斯特方程。故可将空气中的CO2以电压的形式输出。
1.6 Zig Bee通信模块
Zig Bee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议。其特点是近距离、自组织、低功耗、相对成本低。Zig Bee工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz频段上, 可靠传输距离为75 m以内, 一般室内为30 m。Zig Bee的网络层采用了星型、树型和网状网3种网络拓扑结构, 每个Zig Bee网络最多可以支持65 000个节点[5], 广泛地使用于自动控制和远程控制领域。
在Arduino系统中主要采用的是美国Max Stream公司生产的Xbee模块。该模块使用方便, 只需将数据输入一个XBee模块, 它就能自动地将数据发送到另一个匹配好的XBee模块。
采用XBee扩展板可以将XBee模块连接至Arduino, USB适配器则可将XBee模块通过USB口与计算机连接, 从而实现Arduino与计算机的数据通信。并可采用串口指令或X-CTU软件对XBee参数进行配置。
1.7 RS-485串口通信模块
虽然Arduino与上位机可以采用Zig Bee技术进行无线连接, 但是XBee相对其他传感器模块来说成本比较高, 不适合大规模使用。Arduino作为开源硬件有着丰富的扩展性, 可以根据使用需求与Lab VIEW采用有线串口通信。并且只需要使用Lab VIEW Interface for Arduino的库函数, 并不需要了解具体的底层实现。
RS-485作为串口通信的标准之一, 采用平衡传输方式。当采用二线制时, 可以实现多点双向通信, 总线上最多可接32个设备, 最大传输距离约为1 200 m。
在使用RS-485时, Arduino端主要采用MAX485接口芯片模块完成RS-485与TTL电平的转换。由于上位机通常只带有USB接口, 可以通过USB/RS-485转换电路, 先将USB信号转化为TTL信号, 再由TTL信号转化为RS-485信号。
2 虚拟仪器与Lab VIEW
虚拟仪器是采用计算机为控制器, 以软件方式实现数据测量的技术。虚拟仪器将采集的数据通过计算机传输、分析、处理、存储后, 在虚拟面板显示测量结果。即通过编程实现真实仪器的功能, 而通过虚拟面板显示。
2.1 Lab VIEW
Lab VIEW是由美国NI公司开发的图形化程序开发平台, 早期用于自动控制设计, 现已成为成熟的高级编程语言, 广泛被工业界以及学术界所使用, 作为标准的数据采集与设备控制软件[6]。
Lab VIEW作为可视化的图形编程软件编写仪器软面板, 界面友好, 操作方便, 具有以下特点[7]: (1) 函数封装于可视化的模块之中, 采用连线表示功能模块间的数据传递; (2) 可采用高亮执行调试, 直观显示运行中的问题; (3) 多操作系统平台支持; (4) 通信接口建立方便, 可采用多种形式与下位机连接; (5) 提供丰富的库函数供用户使用。
2.2 Lab VIEW与Arduino的连接
Lab VIEW与Arduino的连接方式包括了Lab VIEW Interface for Arduino, 有线串口、无线串口以及网络接口。Lab VIEW Interface for Arduino由于实际上并不涉及Arduino编程, 只能采用官方的Arduino函数库在Lab VIEW端完全控制, 所以可用传感器非常有限, 扩展性差。网络接口的方式虽然是只需要Arduino与Lab VIEW联入互联网就能实现方便地通信, 但是对于农用耕地要实现互联网的覆盖和接入, 在现阶段很难做到。所以, 在农业监测系统中采用串口连接Arduino与Lab VIEW。
在使用串口连接Arduino与Lab VIEW之前, LabVIEW需要先安装VISA。VISA是虚拟仪器软件体系结构的缩写, 主要应用于仪器编程的标准I/O应用程序接口。在Lab VIEW采用VISA节点进行串口通信, 配置好VISA是实现串口通信的首要步骤。
当采用无线串口, 即设计方案中的Zig Bee方式连接Arduino与上位机时, 由于需要实现2个或者以上的XBee模块来实现通信, 所以需要使用X-CTU软件每个XBee模块的参数进行配置[8]。XBee模块具有64 bit的长地址与16 bit的短地址, 其中64 bit长地址为出厂时写入, 不能修改, 16 bit短地址需要进行人工配置。当采用长地址作为寻址方式时就需要将接收模块的64 bit地址设置为发送模块的目标地址高位 (Destination Address High, DH) +目标地址低位 (Destination Address Low, DL) 。若采用短地址作为寻址方式则需将接收模块的16 bit地址设置为发送模块的目标地址低32 bit (DL) , 并将发送模块的DH置零。
3 Arduino与Lab VIEW系统整合设计
3.1 传感器设置
Arduino语言建立在C/C++基础上, 其基本程序框架由setup () 和loop () 两部分组成。Arduino程序首先执行setup () 函数, 并且只运行一次。因此, setup () 函数一般用于初始化, 例如设置引脚类型、配置串口、引入类库文件、外围器件的初始化等。初始化之后执行loop () 函数, 而且loop () 函数将会不断循环执行, 故所有的执行语句都放在loop () 函数中, 完成指定的输入/输出。
在本设计中, 采用光照传感器、土壤水分传感器、温湿度传感器以及CO2浓度传感器采集农作物生长环境参数。其中土壤水分传感器与温湿度传感器的数据可以通过模拟输入口直接被Arduino读取。
对于光照传感器由于采用I2C总线传输, 在配置完总线参数后, 自定义读取数据函数如下:
对于CO2浓度传感器, 虽然输出电压可以通过模拟输入端直接读取, 但是为了防止浓度的不均匀引起的突发误差, 还需要对采样数据做平滑处理并转化为ppm浓度。
3.2 Lab VIEW配置
Lab VIEW的主要功能为:向Arduino控制板发送采集光照、温度、湿度、水分、二氧化碳的命令, Arduino在接收到Lab VIEW的命令后, 通过传感器模块接收相应的数据 (并将二氧化碳传感器采集的电压数据转化的二氧化碳浓度) 传送回Lab VIEW, Lab VIEW将收到的数据显示在前面板。
Lab VIEW的前面板如图4所示, 主要通过仪表盘表示了光照、温度、湿度、水分以及二氧化碳浓度的状态。
Lab VIEW的主程序采用状态机实现。主程序分为6个状态:0状态初始化串口, 1状态光照测量, 2状态温度测量, 3状态湿度测量, 4状态水分测量, 5状态二氧化碳测量。初始为0状态。程序框图如图5所示 (以二氧化碳浓度采集环节为例) 。
4 总结
基于开源硬件的智能农业监测系统, 充分利用了开源硬件价格低廉、扩展性强的特点, 并结合Zig Bee低功耗、自组网的优势, 使得整个系统可以基于虚拟仪器方便地对农业环境中的各个参数进行可视化监控, 从而做到对环境的智能监测, 以实现农作物的优质高产。而且本系统可以根据环境监测需要扩展新的传感器, 并可在有线与无线组网间进行切换, 在智能农业领域有着较强的实践性和可操作性。
参考文献
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[7]李江全.Lab VIEW虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实战[M].北京:人民邮电出版社, 2010.
虚拟农业 篇5
然而,20世纪80年代以来,众多自然资源丰裕的国家却陷入了增长的陷阱,这使得一种基于实证分析的新学说———“资源诅咒”假说逐渐发展起来。“资源诅咒”指的是丰富的自然资源并没有对经济增长起到促进作用,反而限制了经济发展,自然资源相对贫乏地区的经济增长速度远远超过自然资源相对丰裕地区。
学者们基于“资源诅咒”假说对世界多数经济体展开了实证研究,主要集中在对地区经济增长与能源产品、矿产品等传统自然资源之间的关系展开分析,刘红梅等[1]首次认识到水也是一种重要的自然资源,面临中国现阶段越来越紧张的水资源短缺,从虚拟水的角度展开了基于省际层面的“资源诅咒”假说的实证检验,后来却鲜有学者基于虚拟水角度继续开展研究。虚拟水并不是真正意义上的水,农作物、畜产品等的生长与制作过程需要使用大量的水,因此其产品等于以“虚拟”的形式包含了大量“看不见”的水。虚拟水作为一种新兴水资源管理视角,为水资源短缺的国家与地区解决水短缺问题提供了全新的思路。
我国农业用水占据全社会总用水量的70% 以上,农业水资源地区分布严重不均,即各地区农业水资源的资源禀赋程度不同。本文以农业虚拟水资源为研究对象,基于省际面板数据,探讨近20年来在我国各地区经济快速发展的背景之下,农业虚拟水“资源诅咒”效应在我国省级层面的适用性以及长期发展趋势,丰富“资源诅咒”假说的研究范围,对于我国农业虚拟水资源管理具有现实意义。
1 “资源诅咒”假说研究进展
“资源诅咒”假说的研究文献主要围绕在实证检验和传导机制研究两方面。
关于“资源诅咒”理论的实证检验,学者们主要持有两种观点,即“资源诅咒”的存在论和不存在论。
存在论的支持者们相信“资源诅咒”假说的存在,认为丰富的自然资源会对经济的发展产生一定程度的制约。其中以Sachs等[2]为代表,他们基于全球95个发展中国家1970—1989年的数据,对“资源诅咒”假说进行实证检验,结果表明经济增长与自然资源丰裕度之间呈现一定的负相关性。后来,Papyrakis[3]和Hammond[4]等学者分别基于美国、委内瑞拉等市场进行研究都得出了一致结论。国内学者徐康宁等[5]检验了“资源诅咒”假说,基于煤炭、石油、天然气3种能源资源为代表构建资源丰裕度指数,结果证明我国资源丰裕地区的经济增长速度普遍慢于资源贫乏地区; 随后,他基于1970—2000年的跨国样本数据,引入更全面的控制变量,对“资源诅咒”命题进行再检验,证实了其存在性[6]。张馨等[7]选取中国30个省份1997—2007年的数据,检验得出我国能源禀赋与经济增长之间存在负相关,但这种负效应在近10年有所减小。
Brunnschweiler[8]是不存在论的代表者,他选取了1970—2000年42个国家的面板数据,实证检验出经济增长率和自然资源丰裕度之间存在正相关关系。国内学者张贡生等[9]从自然资源的丰度衡量指标设计存在缺陷、经济增长速度界定不清晰、忽视区域的异质性等方面也反驳了“资源诅咒”命题。
根据国内外大多数文献的研究结论,自然资源制约经济增长的传导机制,主要可以概括为: 1贸易条件恶化。Auty[10]提出,初级产品的价格多缺乏收入和需求弹性,出口初级产品的发展中国家出口产品的价格长期保持不变甚至下降,而出口工业制成品的发达国家出口产品的价格却快速上升,造成它们之间的收入差距越来越大。2“荷兰病”效应。Subramanian[11]认为一国的经济可分成制造业部门和初级产品部门,通过资源转移效应和支出效应,自然资源丰富的发展中国家的制造业逐渐走向衰落,制造业作为一个国家长足发展的动力机器一旦衰落,经济发展就会受到负面影响。3人力资源不足。李莉[12]研究发现自然资源丰裕的国家和地区减少了对人力资本的投入,导致经济发展缺少创新,抑制了经济增长。4制度因素。冯宗宪等[13]基于不同的经济利益集团,考察寻租行为对资源丰富国家的影响,结果多发现自然资源的丰裕带来更多的寻租行为,寻租导致了大量的腐败和市场残缺,一定程度上解释了“资源诅咒”假说。
虽然关于“资源诅咒”效应的研究文献较多,但以往学者多是基于能源和矿产资源展开分析,刘红梅等[1]以固定资产投资、人力资本投入等为影响因素首次检验农业虚拟水的“资源诅咒”效应及其传导机制,本文在其研究基础上,更侧重分析农业虚拟水“资源诅咒”效应在我国省际层面的适用性以及长期变化趋势。
虚拟水的概念最早由英国伦敦大学的Allan教授[14]提出,目前国内外关于虚拟水的相关研究主要集中于产品虚拟水含量的计算、虚拟水贸易及其对水安全和粮食安全的影响、虚拟水战略下的区域生态补偿机制等方面[15,16,17,18]。
资源丰裕度的测量是实证中相对较难确定的一个问题,借鉴以往学者衡量能源资源丰裕程度的思想,如果一个地区有代表性的农产品( 包括主要农作物、畜产品、水产品) 的虚拟水含量多,则该地区的农业虚拟水资源相对丰富。部分学者在其研究中测算了我国主要农产品单位重量的平均虚拟水含量,由于农产品虚拟水的量化不是本文的研究重点,因此论文直接运用他们的研究结论计算各地区的农业虚拟水资源禀赋程度,以检验农业虚拟水资源是否存在“资源诅咒”效应。
2 “资源诅 咒”假说实证模型设定与变量选择
2. 1 模型设定与变量说明
检验“资源诅咒”假说的实证模型随着计量经济学的发展而发展。早期主要是在经典回归模型的框架下进行,随着面板数据的发展,学者们越来越多的使用面板数据模型进行“资源诅咒”命题的实证检验。
一般的线性面板数据模型可以表示为
式中: Yit为被解释变量; Xit为解释变量; i为截面数据,t为时间序列数据; C + αit为构成截距项,其中,C是常数,αit是随机变量,衡量变量在时间上或个体间的差异; βit为回归系数构成的向量; εit为随机误差项,代表模型中被忽略的随时间和横截面的变化而变化的影响因素。
2. 2 数据来源
本文的数据全部为面板数据,包含了中国29个省份( 直辖市、自治区) ( 鉴于数据的可得性,将台湾、西藏、重庆除外) 1993—2012年20年间的样本观察值。数据主要来源于中国统计局网站以及《中国统计年鉴》。除此之外,计算各地区农业虚拟水含量的数据主要基于以外学者关于单位农产品虚拟水含量的测算结果。论文测算的各地区农业虚拟水资源含量包括各省份由粮食、谷物、小麦、玉米、豆类、薯类、棉花、蔬菜等构成的农作物虚拟水含量加上由猪肉、牛肉、羊肉、牛奶、禽蛋等构成的畜产品虚拟水含量以及各省区的水产品虚拟水含量之和。
3 地区经济发展与农业虚拟水资源丰裕度的相关性检验
3. 1 初步数据分析
我国是一个农业生产大国,但各地区之间农业虚拟水资源含量差异较大,同时各个地区的经济发展水平存在较大的差距。论文首先通过具体的数据来展示各省农业虚拟水含量与经济增长率之间的大致关系。
农业虚拟水资源丰裕度指标的设计: 首先以主要农作物、畜产品、水产品为代表计算各地区的农业虚拟水含量; 然后计算出1993—2012年各地区的年均虚拟水含量; 最后以各地区年均虚拟水含量占全国比重作为农业虚拟水资源丰裕度:
经济增长率: 由各地区1993—2012年GDP计算得到。各地区的计算公式均为
根据1993—2012年的统计年鉴取得相应数据进行计算。本文分别按照经济增长速度前10名和农业虚拟水资源含量比重前10名的方法整理出重要省份的农业虚拟水资源含量比重和经济增长速度对照表,见表1和表2。
从经济增长速度前10名表来看: 经济增长速度前4名的内蒙古、天津、宁夏、北京以及上海、浙江等地,其GDP增长速度高于全国15. 42% 的平均水平,但是除内蒙古由于畜产品资源比较丰富以外,其余各地的农业虚拟水资源丰裕度都低于全国平均水平( 1. 0002) 。但山东省和江苏省的经济增长速度较快,农业虚拟水资源丰裕度也较高,两者大致上是相匹配的。从农业虚拟水资源丰裕度前10名表来看,许多农业虚拟水大省的经济增长速度确实差强人意,如四川、黑龙江、安徽等省,农业虚拟水资源丰裕度高于全国平均水平,但是经济增长速度却低于全国平均水平。值得注意的是,农业虚拟水资源大省河南的经济表现也可圈可点。
因此初步判断在我国某些地区的经济增长与农业虚拟水资源丰裕度之间呈现负相关关系,一定程度上存在“资源诅咒”效应。
3. 2 “资源诅咒”困扰省份的确定
上文初步检验出农业虚拟水“资源诅咒”效应在我国客观存在。为了更清楚地表明每个省市经济增长率与农业虚拟水资源丰裕度的关系,根据式( 5) 、( 6) 的结果绘制图1。对x轴、y轴分别做如下划分: 资源丰裕度x轴取29个截面单位的平均点1. 002处; 经济增长率y轴取中点即平均增速为15. 42% 处,由此构造出“资源丰度—经济增长率”象限图,并得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个象限。处于第Ⅳ象限的省份,其资源丰裕度指数在全国平均之上,但经济增长速度在平均之下,因此是遭受“资源诅咒”的省市。处于第Ⅱ象限的省市虽然资源丰裕度指数低于全国平均,但经济发展速度高于平均值,因此是“资源诅咒”效应的反例。此外,也有部分省份资源丰裕度指数与经济增长速度都位于平均之上。
从图1中可以看出: 1山东、江苏两省的虚拟水资源丰裕度高并且经济增长速度也快,二者互相促进; 2山西、贵州、甘肃、陕西、青海、新疆、云南、海南等地区农业虚拟水资源较匮乏,同时经济增长速度也较慢; 3北京、上海、天津、浙江、宁夏等地农业虚拟水资源虽较少但经济发展速度快,是农业虚拟水资源“资源诅咒”效应的反例; 4湖南、湖北、安徽、四川、河北、黑龙江、辽宁、吉林等省份经济增长速度落后于虚拟水资源含量,表现出“资源诅咒”效应,这些省份多位于我国东北、中南地区。
3. 3 面板模型回归
通过经验观察可以初步断定农业虚拟水“资源诅咒”效应在我国客观存在,下面以各省份的数据建立面板模型考察农业虚拟水资源丰裕度与经济增长的关系。根据检验,选择固定效应的变系数回归模型。由于需要分析每一年份省际层面之间的个体差异,因而选择时间固定效应模型。同时考虑到同一地区各期经济增长率之间存在相关关系,根据式( 1) ,建立如下的动态面板数据回归模型:
式中: yit为以不变价格计算的地区生产总值年增长率; Eit为农业虚拟水资源丰度,m3/ 元,从对地区经济增长的角度,并为了保持指标的一致性,面板回归模型中采用各地区农业虚拟水含量占该地GDP的比重来衡量农业虚拟水资源丰度E,则E表示每百万元产值中所包含的农业虚拟水含量; αt为t年自发经济增长率对平均经济增长率的偏离,用来衡量年际间的差异; ε为误差干扰项。
模型( 4) 中,系数β表征了农业虚拟水“资源诅咒”的方向和程度,其符号度量了农业虚拟水“资源诅咒”效应存在与否,其绝对值表示效应的程度。如果β < 0,则说明地区经济增长速度与资源丰裕程度成负相关关系,农业虚拟水“资源诅咒”效应确实存在; 且β的绝对值越大,该效应越大,反之则越小。
运用Eviews软件得到该时间固定效应面板数据的回归结果,如表3和表4所示,从表中可以看出: 式( 4) 的系数β为 - 0. 002 79,即农业虚拟水资源的对数值 每增加一 个单位,GDP增长率减 少0. 279% ,农业虚拟水资源对经济增长存在较低程度的负效应。从时间固定效应来看,1993—2012年,αt呈现出这样一种趋势: 随着时间的推移先逐渐减小,到1999年达到最小值之后虽有所波动,但总体呈逐渐增大之势,表现出“资源诅咒”效应由增大到减小的转折过程。说明我国农业虚拟水资源对经济增长在一定时期内存在“资源诅咒”效应,但近几年来,我国省域层面的“资源诅咒”效应逐渐淡化,很可能在以后的发展过程中被打破。分析原因,从经济发展阶段和长期趋势来看,随着经济总量增长到一定程度,农业占地区经济生产总值的比重会逐渐降低,与地区经济往往容易过分依赖的煤炭、石油等矿产不同,农业资源对经济的影响力会逐渐降低,因此农业虚拟水“资源诅咒”效应只是一个阶段性的规律,它跟中国经济所处的发展阶段是密切关联的,随着中国经济结构的优化和总量的发展,会逐渐呈现弱化趋势。
除去山东、江苏2个经济发展速度较快的农业虚拟水资源大省,按式( 4) 再次验证剩余27个省区的农业虚拟水资源对经济增长率的贡献,结果见表5。拟合优度R2= 63. 86% ,可以看出拟合效果较好。回归系数下降为 - 0. 016 3,且在1% 的水平上显著,即农业虚拟水“资源诅咒”效应明显增大,时间固定效应趋势变化不明显。反过来说,山东、江苏2省区农业虚拟水资源作为一种优势对经济增长产生了正效应,主要归因于山东、江苏两省将三次产业同时放开,在发展农业的同时,大力推进工业和服务业的发展,实现了地区经济的均衡发展。
总的来说,我国农业虚拟水资源丰裕地区的经济表现不如虚拟水资源较之贫乏的地区,只有同属丰富虚拟水资源的山东、江苏两省依靠其较高的开放程度、产业结构带动了地区经济的迅速发展,成功摆脱了“资源的诅咒”。
4 结论与建议
笔者通过初步观察、建立省际动态面板数据回归模型等对我国农业虚拟水“资源诅咒”效应进行检验,实证考察了经济增长与农业虚拟水资源丰度之间的关系。实证结果表明: 1农业虚拟水“资源诅咒”效应在我国短期内客观存在,湖南、湖北、安徽、四川、河北、黑龙江、辽宁、吉林等省份的经济增长率与农业虚拟水资源丰裕度之间呈现负相关,表现出“资源诅咒”效应; 北京、上海、天津、广东、宁夏、内蒙古等地虽农业虚拟水资源丰裕度较低,但经济发展速度快,表现为“资源诅咒”效应的反例; 山东、江苏两省是经济发展快的农业虚拟水资源大省。2面板模型分析表明,随着时间的推移,农业虚拟水“资源诅咒”效应逐渐减弱,这种“资源诅咒”效应趋于淡化主要得益于经济的快速发展,使得农业资源在地区GDP中所占的比重越来越小,长期看来,我国省级层面农业虚拟水的“资源诅咒”效应只是一个阶段性的规律,随着经济的不断发展,未来将会逐渐减弱甚至趋于消失。
短期内农业虚拟水的“资源诅咒”效应仍然发挥作用,对我国各地区经济的协调发展产生不利影响。农业虚拟水资源丰裕地区在发展过程中,由于过分依赖农业,将更多的资源、积累向农业部门倾斜; 出于保护国家粮食安全的角度考虑,这些地区的水土资源开发都会受到一定程度的限制,从而导致第二、三产业资源相对不足、发展相对落后,加上人力资本的投入不足、农产品出口受到限制,使得地区间发展差异进一步加大。笔者提出如下政策建议:
a. 农业是经济发展的基础性产业,经济附加值和单位贡献率较低,然而鉴于这些地区在保护国家粮食安全中所扮演的重要角色,需要国家通过实施税收、转移支付等财政手段,补偿这些地区在保护国家安全方面作出的经济增长上的牺牲,才能不损害其积极性,捍卫国家粮食安全。
b. 由于农业虚拟水资源丰裕地区的固定资产投入相对不足,需要宏观经济部门从政策、资金上加以支持,扶持二、三产业,完善这些地区的产业发展结构。
c. 加大对农业虚拟水资源丰裕地区的科教投入,引进人才促进人力资本积累,减少这些地区人力资本的挤出效应,引导农业虚拟水“资源诅咒”效应的条件发生变化。
d. 国家出于粮食安全战略的考虑,不可能大规模的依靠出口农产品来发展地区经济,但可以发展农产品的国内贸易,依据比较优势理论,农业虚拟水资源丰裕的省份向国内其他省份输送农产品,既充分发挥地区比较优势,也促进了经济发展,利于缩小地区差距,实现可持续发展。
摘要：“资源诅咒”效应困扰地区的经济增长。针对中国现阶段水资源短缺状况,基于省际面板数据,参照“资源诅咒”假说,通过初步检验和建立时间效应的动态面板数据回归模型,以我国29个省份(地区)1993—2012年面板数据为样本,对农业虚拟水“资源诅咒”效应进行了实证检验,并通过构建“资源丰度—经济增长率”象限图确定“资源诅咒”困扰省份。结果表明:农业虚拟水“资源诅咒”效应在我国短期内客观存在,但随着时间的推移,农业虚拟水“资源诅咒”效应趋于减弱。
虚拟农业 篇6
1 虚拟现实技术概述
1.1 概念
虚拟现实技术(Virtual Reality,缩写为VR)又称灵境技术或幻境技术。是一种高新的人—机界面形式。它依托于数学、计算机科学、机械学、声学、力学、生物学、光学乃至社会科学和美学等多种学科,在计算机图形学、智能接口技术、图像处理与模式识别、多传感技术、人工智能技术、网络技术、语音处理与音响技术、高性能计算机系统和并行处理技术等基础上迅速发展起来的信息技术。[1]目前,该应用已涉及教育培训、科研、军事、工程设计、影视、医学、商业等众多领域,是专家学者们公认的能促使21世纪社会发展巨大变化的几大技术之一。[2]
1.2 技术特性
虚拟现实系统也是由软件系统和硬件系统构成的。一个完备的虚拟现实系统应具有以下三个方面的本质特征:1)沉浸感。VR技术的核心内容是虚拟环境的建立,目的是获取真实环境的三维数据,并建立虚拟环境模型,实时显示三维图像,达到真实环境的虚拟图形展示。2)交互性。用户与虚拟环境里各种对象相互作用,传感器是高级人机交互技术的关键,例如人取物体时,机器应对虚拟环境作相应的变化。[4](3)空间想像力。VR应用的关键是发挥主观能动性、进行创造性思维,它与多媒体技术、计算机技术的发展密切相关。
2 虚拟植物在农业职业教育中的应用
2.1 虚拟植物
虚拟植物(Virtual Plants)是VR技术模拟植物在三维空间中的生长发育过程,是数学、植物学、计算机图形学和虚拟现实技术等交叉学科。它不仅能够提供植物生长的空间规律反映植物的形态结构,还可以摸拟生产管理以及探索出植物生长的规律和奥秘。[3]由于它易控制、便于交互操作、真实感强,因此在教育教学、科研、农业生产等领域已广泛应用。
2.2 教学应用
对于农业职业教育教学而言,利用虚拟植物技术做实验可使课堂的学习形象化。首先通过VR技术可以摸拟植物的生长周期,不必费长时间实地种植即可观察分析,降低教育成本,提高教学效率。[9]其次摸拟生产管理,使学生快速高效地掌握植物管理技术和现代农业知识。再次可直观生动的对农田、森林等复杂的生态系统研究,从而探索科学规律和奥秘。[5]另外在教学实验中,运用虚拟模型可以解决部分实验设备不足,型号落后,耗费时间长等问题,从而提高教学效率和质量。
2.3 代码模型实现
2.3.1 模型结构
植物的可视化模型包含了植物形态结构发生改变以及生态生理发生变化的过程,同时植物还有一些不同于其它物体的特性,如根茎枝条的弯曲、植物的向光性、由日照强弱和季节更替等引起的植物各器官组织的大小、形状以及颜色等的变化。[6]
2.3.2 可视化流程
在计算机系统中通过VRML语言可视化方式来显示植物生长发育状况,是在充分利用二维或三维图形信息及各子系统基础之上的,将所建立的植物生长模型中获取的一些数据信息转换为植物的各器官组织的图形信息,在计算机系统以可视化的方式来输出到屏幕。[8]
2.3.3 结构代码
3 VR的未来应用
虚拟农业职业教育是农业技术和VR相结合的产物,VR的不断发展为农业教育教学提供了先进的方法和手段,而农业职业教育对虚拟现实技术又不断提出新的要求,进而动虚拟现实技术不断的创新和发展。
随着计算机软件技术和硬件设备的不断发展,对VR虚拟场景的要求越来越高,仅生成虚拟物体模型已经无法满足农业职业教育某些方面的要求。以农业职业教育为应用背景的VR系统开发将是一项艰巨、长期的研究任务,未来的VR系统在农业职业教育应用内容将会经历一个由局部到全面的发展过程。未来农业职业教育将使用VR模拟系统在屏幕上虚拟农作物实验,为教育教学提供系统集成平台,有效促进农业职业教育、培训以及科研的科学化、高效化、虚拟化,更好的促进我国农业职业教育的发展。
参考文献
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虚拟农业 篇7
传统的物理样机设计由于要考虑研制成本、周期等因素, 只能进行有限范围、有限次数的试验, 而虚拟样机技术则可实现对虚拟样机无数次的仿真测试, 便于及时发现产品在设计、制造和使用中的各种缺陷并采取有效措施并修正之。
1 虚拟样机技术简介
1.1 虚拟样机技术的定义
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术, 源于对多体系统动力学的研究。虚拟样机技术就不同的领域, 有着不同的定义。机械工程中的虚拟样机技术称为机械系统动态仿真技术, 是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。多体系统动力学是虚拟样机技术的核心理论。
1.2 虚拟样机技术的优点
虚拟样机技术优点: (1) 全新的研发模式; (2) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量; (3) 实现动态联盟的重要手段等。它是许多技术的综合。目前, 最先进的虚拟样机技术及其分析软件包含以下技术:几何形体的计算机辅助设计 (C A D) 软件和技术;动态仿真;有限元分析 (F E A) 软件和技术;模拟各种各样作用力的软件编程技术;利用试验装置的实验结果进行某些构件的建模;控制系统设计与分析软件和技术和优化分析软件和技术等。
1.3 虚拟样机技术的研究范围
虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析, 其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析, 以确定系统及其各构件在任意时间的位置、速度和加速度, 同时, 通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力和其反作用力。
1.4 虚拟样机技术的发展现状
目前, 虚拟样机技术已在我国得到了应用与推广, 主要在汽车、航天航空、武器制造、机械工程等。
1.4.1 虚拟样机技术在国内的应用。
中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机;在863项目“月球表面探测机器人方案研究”中运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境, 并对涉及的多项关键技术进行了深入研究, 取得了很好的成果。但从我国目前的情况来看, 虚拟样机技术只停留在初步应用阶段, 有很大的提升空间。
1.4.2 虚拟样机技术在国外的应用。
虚拟样机技术最早在一些发达国家, 如美国、德国、日本等。在各领域, 针对各种产品, 虚拟样机技术都为用户节约开支、时间并提供满意的设计方案。
约翰·迪尔 (John Deere) 利用虚拟样机技术解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题;福特汽车公司在某一款新车的开发中也采用了虚拟样机技术, 缩短设计周期70天;美国海军的NAVAIR/APL项目, 利用虚拟样机技术, 实现多领域多学科的设计并行和协同, 形成了协同虚拟样机技术;当然最为熟悉的是, 美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首家以无图纸方式研发并制造的飞机。
综上, 从产品优化设计到工程咨询, 虚拟样机技术的应用无处不在。
2 虚拟样机技术在农业机械领域的应用
2.1 虚拟样机技术在农业机械领域的应用现状
目前, 虚拟样机技术在我国正被引起重视, 但在农业机械设计开发上的应用还不是很普遍。今后, 应该进一步加强虚拟样机在农业机械设计开发中的推广应用, 增强我国农业机械产品的开发能力。
2.2 农业机械虚拟研究的必要性
由于我国多样性的地形和作物以及农业机械对季节性的高要求, 决定了农业机械设计研发过程周期长, 成本高, 加上有些理论的分析和综合计算过程复杂, 计算量相当大, 农业机械的研制存在较大的困难。而传统的农业机械设计对于相对复杂的机构分析和综合问题, 往往借助于作图法和经验的拼凑。由于这些原因, 传统的理论分析, 很多只是定性地说明问题, 缺乏精确的计算和验证。同时, 传统的农业机械设计中很多设计参数靠设计人员的经验决定, 并且常常只是对产品进行静态分析而不注重动态特征分析, 这些都严重制约了产品质量的提高。
2.3 农业机械关键部件虚拟研究的意义
对农业机械进行虚拟研究可克服传统物理样机设计中的不足之处, 可降低成本, 提高效益, 实现信息资源共享等。同时, 利用虚拟样机技术对农业机械关键部件的虚拟研究具有如下意义: (1) 对农业机械关键部件的工作性能好坏严重影响到整机的工作性能。利用虚拟样机对其关键部件的参数进行动态仿真分析, 并进行有效结构优化是必要的; (2) 利用虚拟样机技术, 对农业机械的关键部件进行动力学仿真研究, 可以在较短的时间内, 以较小的成本分析确定影响整机工作性能的主要因素。
3 结束语
根据农艺要求, 利用虚拟样机创新性地设计制作农业机械, 并尝试利用相关C A D技术对关键机构进行参数优化、二维草图设计、三维建模、虚拟样机仿真和有限元强度分析。通过虚拟样机的制作及相关CAD技术的使用, 对农业机械进行不断改进, 最后设计出结构简单、工作性能可靠、成本可行的农业机械, 这为物理样机的制造及其使用提供了理论依据和科学指导。
参考文献
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虚拟农业 篇8
21世纪是我国农业全面实现农业现代化的时期。农业现代化的主要标志就是现代工业装备现代农业,其中农业机械的大规模使用是主要内容。由于农业机械的特殊性,造成了农业机械成本过高,从而影响其推广。 实现农业机械化的首要问题就是降低农业机械成本问题。降低成本的方法很多,但通过设计降低成本是最有效的。研究表明,设计阶段的实际经费投入虽然只占产品总成本的5%,但是却决定了70% ～80%的产品成本[1]。
农机部件是组成农机的基本单元,避免部件的重复设计,尽量利用已有设计和市场上现有的成品部件,能最大限度地降低开发成本。基于此,建立这些部件的模型库,并且通过运用网络技术和虚拟现实技术增加了模型库的易用性,拓展了模型库的功能,有效地降低了农业机械的成本。
1 研究意义
农业机械的定义为用于农业生产的各种机械设备的总成,包括养殖业、种植业、农产品的运输与加工过程中所使用的相关机械。由于工作对象的不固定和工作环境的恶劣多变,农业机械具有广泛的适应性和复杂性。另外,为了适应新型农业的发展,适用于不同作业的个性化农业机械被提出。例如,水稻插秧机在行进中要完成横向移箱、纵向送秧、分取秧和插秧等工作,有的还同时进行施肥与洒除草剂等作业[2]。
为了实现这些农用机械的快速、低成本开发,需要相应的资源库来支持。然而当前正在使用的模型库不能满足农业机械设计的需求,并且存在很多缺陷,主要分为以下3类:第一类是模型库多见于论坛和相关的机械设计素材网站,只是一些三维模型的压缩包,查找和使用都很不方便;第二类是模型库以相关设计软件的插件形式安装于个人电脑上,这类模型库多是相关软件的标准件库,缺少非标准的部件且不便用于网络共享;第三类是模型库多用于产品展示和模型教学,有些已经实现了交互功能,但不适于网络共享和农业机械设计。
针对现行模型库的不足,开发了农机部件的网络虚拟模型库系统。系统主要针对农业机械设计,能有效地解决当前模型库的缺陷,具有以下两方面的意义:首先,对于农机设计者而言,可以通过系统直接在线查询、交互浏览模型、下载模型或直接拖动模型到软件的装配环节中,用于装配和仿真,缩短了产品开发周期,有效地降低了整机的开发成本,对于实现农业机械化有很大帮助;其次,对于农机部件制造商而言,系统为其提供了产品在线交互展示和销售服务,节约了农业机械产品市场推广的成本,间接地降低了农业机械的成本。
2 系统结构体系
2.1 系统结构
系统主要分为内燃机、电动机、减速器和传动装置等部分。采用网络B/S模式,综合应用动态网页技术、网络数据库和Cult3D在线交互浏览等技术建立了一个提供Web服务的农机部件网站。整个系统通过网络环境集成产品搜索、交互浏览、下载模型和订购产品等模块。页面提供给使用者方便的操作环境。系统主要由网络服务器、网络数据库和Cult3D 三维展示等部分组成[3],结构和功能如图1所示。
2.2 系统的使用
本系统主要针对Pro/E软件的用户,使用非常方便。在农业机械设计的装配环节,可以直接登录系统,在系统中按所需部件参数条件搜索,得到相关部件的产品列表。点击产品列表的小图,可以三维交互浏览选中的部件,对其进行缩放、移动、旋转等操作,这样可以仔细观察部件内部和外部结构,并从参数列表中读取相关参数,直接拖动部件模型至Pro/E软件中,设置装配基准和约束条件后进行装配和仿真操作。如果模型能满足设计需要,用户可以通过系统向厂家订购真实产品。
3 系统具体实施的几项技术
柴油机在农业生产、农产品加工和运输中有着重要的作用。本文以柴油机为例,介绍系统具体实施的几项技术。
3.1 模型的建立与交互事件的设置
随着虚拟现实技术的发展,基于网络的虚拟现实技术(即Web3D技术)在产品展示中逐渐应用。通过对产品模型设置交互动作和触发动作的事件,用户可以实现产品模型的在线三维交互,包括实时渲染、缩放、平移、旋转、换色和装配等。
普通软件生成的三维模型文件比较大,受网络带宽的限制不能用于网络交互。早期用于网络的三维交互模型由VRML(虚拟现实语言)编写,语言的繁琐、节点的设置及交互事件设置的复杂性,在很大程度上限制了模型的复杂程度和与实物的接近程度。
Clut3D是一种基于JAVA的网络“3D”技术软件,可以在互联网页面上建立交互的“3D”对象,并能使用鼠标和键盘在网页上交互操作和控制Cult3D对象。运用Cult3D进行部件的三维虚拟动态展示,不但能够展示出部件的外形,而且还包括结构布局以及仿真效果,真正实现了动态交互、实时渲染和平台无关等特性,很好地实现了人机互动。
本系统采用了Cult3D软件来实现部件模型的在线交互。目前, Clut3D不支持建模功能,系统模型的创建必须由其它软件完成后导入。系统主要针对Pro/E软件用户,本系统所有三维模型的构建采用Pro/E完成。
Clut3D支持创建3D模型的主要工具有3DSMax和Maya等。在这些软件安装相应的Cult3D插件后能将三维模型导出为“c3d”文件(Cult3D模型文件)。3DMax以其出色的建模和渲染功能而出众,并且可以安装很多插件弥补不足,模型库选用3Dmax作为格式转化的工具,安装Clut3D for 3Dmax插件,将Pro/E完成的柴油机模型导入3Dmax中。具体设置过程如图2所示。
Clut3D是一个拖放式的软件。在SceneGrap中选择操作对象,将其拖入到EventMap窗口中,然后在Action窗口中选择要实施的动作,并将动作拖入到EventMap窗口中,并设置触发该动作的事件。在Clut3D软件中,用户有鼠标和键盘两种触发事件,通过预览窗口检验动作、事件以及操作对象之间的相互关系[3]。
将产品的Pro/E三维模型保存为igs格式,通过3Dmax导出为Clut3D模型后,在Clut3D中对模型进行旋转、移动或缩放等动作的编辑,直接在Clut3D中完成设计,具体设置如图3所示。对于不能直接完成设计的一些复杂动作,可以借助Java语言编程,编译后自动生成class文件,在Clut3D中添加Java语言编程完成交互设计。完成后的设计保存为“.co”文件,用于发布到系统页面上。
3.2 动态页面的规划和制作
页面是一个网站的界面,是用户与网站内部功能的交流接口。所谓动态网页是区别于静态网页而言,通过程序代码,实现页面与数据库连接,数据库与后台的链接,做到使用一个预设页面的模板,调用数据库任何一个信息,使页面做到动态的变换。本系统使用ASP(Active Server Pages)动态网页技术实现。
ASP动态网页技术是由微软公司开发的应用于服务器端的WEB应用程序开发工具,具有以下优势:第一允许加入脚本,用户可以轻松实现与交互模型的通讯;第二与数据库的良好通讯,使用ASP内置ADO组件可以方便地存取各种数据库,并即时将各种数据传递到客户端浏览器中;第三与浏览器无关性,ASP的运行结果以HTML格式传送到客户端,用户可以使用各种浏览器浏览[4]。
按照系统要实现的功能和访问流程,在网页设计软件Dreamweaver中对整个页面进行布局规划,把网页的各种构成要素文字、图像、“.co”文件、数据和搜索菜单等模块在页面上合理地排列。完成后,通过ASP语言实现数据的上传和调用。
1)页面交互模块“.co”文件与数据库的连接代码如下:
" alt="<%=rs("zpxt")%>
2)模型下载部分与数据库的连接代码如下:
" target="_blank" style=" color:#CC3300">
input type="text" name="filedt"
input type="text" name="cultdt"
页面主要分为两大部分,主页为产品列表与搜索功能,点击产品图片后连接到子页面,即三维交互页面。用户进入到这个页面实现交互浏览,读取部件相关参数,下载模型,订购产品等操作。页面布局如图4和图5所示。
摘要：分析了农业机械设计的特点以及当前零部件模型库的现状和不足,提出了网络虚拟模型库系统对于农业机械设计的意义,并探讨了系统的具体结构和实施路线。对农机设计、交互技术、模型库技术进行了研究,综合运用Cult3D技术、三维造型软件、动态网页技术和数据库技术开发出了用于农机设计的网络虚拟模型库系统。以柴油机为例,介绍了模型的创建、交互事件的设置和数据库等相关技术。
关键词：农业机械,虚拟交互:模型库,网络数据库
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