一种基于信息技术的土壤-作物模拟系统的制作方法

1.本发明涉及计算机技术领域，特别涉及一种基于信息技术的土壤-作物模拟系统。


背景技术：

2.传统的土壤水、土及作物等模拟系统多为人工检测计算、计算机单机模拟等方法，在模拟和计算的时候效率较低，而且数据的组织管理功能稍显逊色，仅仅是在模型功能上比较强大。现有的技术方案中，多采用增加人工成本和提高计算配置的方式来提高模拟的效率，但是无形中增加了很多人工、设备成本，而且中试试验的模拟结果时效性很低，没有实现计算机性能在试验中的最大化利用。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种基于信息技术的土壤-作物模拟系统，用以解决现有技术中模拟系统模拟和计算效率低下的问题。
4.一方面，本发明实施例提供了一种基于信息技术的土壤-作物模拟系统，包括：
5.分布式数据层，包括分布式关系型数据库，分布式关系型数据库由分布式数据库hbase和关系型数据库mysql组成；
6.逻辑计算层，用于基于分布式数据层提供并行计算服务；
7.web应用层，通过b/s模式与逻辑计算层连接，web应用层获取土壤-作物模拟任务后提交给逻辑计算层，逻辑计算层通过并行计算生成模拟结果，通过web应用层展示给用户。
8.本发明中的一种基于信息技术的土壤-作物模拟系统，具有以下优点：
9.(1)利用分布式数据库hbase与关系型数据库mysql混合模式构建底层数据层，通过基于关系型数据库mysql与hbase形成的分布式关系型数据库(drds)的高并发和存储性能扩展性，很好的解决了模拟计算任务计算性能与存储管理并存的问题，提高了计算和模拟的效率。
10.(2)通过java多线程计算技术充分调动服务器多核并行计算能力，实现搭载土壤-作物模型与pest优化程序的分布式计算。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1为本发明实施例提供的一种基于信息技术的土壤-作物模拟系统的组成示意图；
13.图2为本发明实施例提供的应用层的功能模块图。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.图1为本发明实施例提供的一种基于信息技术的土壤-作物模拟系统的组成示意图，图2为本发明实施例提供的应用层的功能模块图。本发明实施例提供了一种基于信息技术的土壤-作物模拟系统，包括：
16.分布式数据层，分布式数据层包括分布式关系型数据库，分布式关系型数据库由分布式数据库hbase和关系型数据库mysql组成；
17.逻辑计算层，逻辑计算层用于基于分布式数据层提供并行计算服务；
18.web应用层，web应用层通过b/s模式与逻辑计算层连接，web应用层获取土壤-作物模拟任务后提交给逻辑计算层，逻辑计算层通过并行计算生成模拟结果，通过web应用层展示给用户。
19.示例性地，通过调研发现，传统成熟的农业管理应用模型及系统大多依靠国外的研发软件产品进行使用，整体为单一的c/s架构的系统，单线程计算，对于大量的任务模拟效率较低，用户友好性，同步操作性也较差。本发明则采取基于b/s(broswser/server，浏览器和服务器)模式的web平台，借助大数据的分布式计算能力及计算机的多线程计算技术来替代传统的基于c/s(client/server，客户端和服务器)的桌面单机的计算方式，从计算效率上进行优化，可以多线程同时对大量的，长期的数据进行模拟和优化调参，从而解决单机下计算条件的苛刻，以及计算效率低的情况。同时利用最新的前端框架进行数据的可视化呈现，使得在满足计算能力的前提下，提供了更加友好交互的展示情况，使得用户更好的对模拟数据进行分析和挖掘。本发明的技术效果主要有以下两点：(1)在数据层面上，通过分布式数据库和关系型数据库的各自的优势进行互补，构建混合的底层数据层，可以针对模拟任务中不同类型和不用需求数据进行针对性的管理和处理。(2)在系统搭建层面上，将农业机理模型和优化程序嵌入b/s架构模式的web应用系统中，确保模型可以很好的融合进系统的逻辑计算层，保证计算出的结果准确性。
20.在本发明的实施例中，采用“hbase mysql”分布式数据库与关系型数据库混合模式构建底层的分布式数据层。通过基于关系型数据库mysql与分布式数据库hbase形成的分布式关系型数据库(distributed relational database service，drds)的高并发和存储性能扩展性，很好的解决的模拟计算任务计算性能与存储管理并存的问题。drds通过水平拆分和垂直拆分，从而降低单个实例的处理压力。
21.同时，通过java多线程计算技术充分调动逻辑计算层中的服务器多核并行计算能力，实现搭载土壤-作物模型与pest优化算法的分布式计算。根据java调用多线程计算的优势特点，充分利用高性能服务器进行任务分解模拟计算，同时使用多个计算资源来解决一个计算任务，一个问题被分解成为一系列可以并发执行的离散部分，每个部分可以进一步被分解成为一系列离散指令，来自每个部分的指令可以在不同的处理器上被同时执行，因此需要一个总体的控制/协作机制来负责对不同部分的执行情况进行调度。对于pest优化算法，可以利用api借口的调用参与模拟结果的进一步参数优化。
22.而且，本发明的系统基于b/s架构下的农业系统过程模拟及数据可视化特点，构建该架构下的可视化应用。该系统对于前端的计算框架有很高的要求，本发明采用的react新一代主流技术框架的特点，在处理高并发计算快速响应上有独特的优势，利用其虚拟dom、丰富的组件系统和单向数据流等区别其他主流框架的特点，很好的应用在了高并发模拟计算的可视化界面中。
23.在上述三层结构的系统中，逻辑计算层可以采用spark引擎和mapreduce模型提供并行计算服务，而web应用层可以采用javascript、java、python和c#语言开发。
24.本发明通过农业系统过程模拟结合web技术、大数据分布式技术，并行计算框架、多线程异步操作等新一代信息技术，改变传统模型单机模拟的工作模式，利用信息化的手段解决中试实验农田土壤参数模拟效率低的问题，为试验田优化管理提供了新的技术尝试。该系统能够用于分析土壤-作物生长发育过程中的要素动态变化，对农业生产与管理有很大辅助作用。本发明通过借助大数据的分布式、并行计算能力，替代了传统的c/s端单机数据模拟的方式，利用web环境搭载计算模型，耦合pest优化算法实现了模型参数的自动优化，并提供了新的b/s架构下的土壤水、热、碳、氮动态模拟系统，使其成为中试试验的重要实验手段，解决土体有机重构中试实验周期长、成本高、地域差异等问题。系统实现了任务并行、数据并行的高并发模拟方式，多人多任务可同步异步进行模拟，满足同时对多个参数进行pest调参，并实现了后台计算的方式，提高了模拟效率和准确性，对于土地整治后农田环境的中试试验有新的改善。
25.图2为本发明实施例提供的应用层的功能模块图。在一种可能的实施例中，web应用层包括：参数录入模块，用于录入和土壤-作物相关的参数；模拟计算模块，用于根据参数进行土壤-作物模拟计算；结果展示模块，用于展示模拟获得的结果。
26.示例性地，参数包括：土壤参数、气象参数、作物参数、田间管理参数和有机碳参数。其中，土壤参数包括：土壤水参数、土壤溶质运移参数、土壤热传递参数和数值算法参数，田间管理参数包括：播种设置参数、肥料施用参数、秸秆还田参数。土壤参数除包括上述参数外，还包括大量的独立及数组类参数，这些参数之间可相互协助完成对模拟过程中的土壤模拟。在模拟计算过程中，各个模块采用特定的接口，将相应的功能封装起来以便模拟调用，并通过类关系来继承各类方法，以减小计算中的反复调用的冗余度。
27.本发明系统中的软件(主要是web应用层)部署在浏览器上，浏览器可采用chrome或firefox3.0以上，且推荐分辨率在1280
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1024以上。web应用层的各个模块都有相应的友好的操作界面，例如，模拟管理模块为用户提供了土壤-作物模拟项目总览、增加、查询等功能的界面，方便管理和查找；参数录入模块为土壤-作物模拟参数的录入界面，用户可以录入、查看以及修改对应的参数；参数优化模块提供了启动优化按钮，通过该按钮可以远程启动服务器进行参数优化计算，该模块可采用pest算法对参数进行优化处理；模拟计算模块提供了启动模拟按钮，通过该按钮可以远程启动服务器进行模拟计算；结果展示模块为用户提供多种方式呈现的模拟结果，把数据可视化呈现，而在参数经过优化后，结果展示模块还展示实测值与优化值的偏离程度，可以直观地判读优化的准确性。
28.除上述模块外，web应用层还可以包括：模拟管理模块和参数优化模块，模拟管理模块用于对土壤-作物模拟的项目进行展示，并对相关项目进行增加和查询的管理，而参数优化模块则用于根据已有的实测值对参数录入模块录入的参数进行优化，模拟计算模块根
据优化后的参数进行土壤-作物模拟计算。
29.具体地，可以将模拟管理模块的功能与用户权限管理功能结合，实现对模拟系统的分权分域、信息维护、过程控制、状态监控及资源调度等功能。通过该模块，使用者能够实现模拟记录的管理，实时的模拟在线调试、离线优化运行，提高模拟效率的同时也能提高对模拟信息的把控能力。模拟管理模块能够执行的操作包括：新建模拟项目、设置模拟项目、保存参数配置、克隆模拟项目和删除模拟项目等。
30.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
31.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。