基于ECore的作物生長元模型構建及模型設計工具研究.pdf

1、作物生長模擬模型是揭示作物生長發(fā)育與自然環(huán)境以及栽培管理技術之間定量關系的數學模型，它利用計算機軟件技術對作物生長過程進行動態(tài)模擬和預測。因此，構建作物模型軟件系統(tǒng)是數字農作研究的重要內容。但現有的作物模型軟件開發(fā)一般都存在著領域知識專業(yè)性過強、模型重復研發(fā)，模型軟件系統(tǒng)的實現受限于具體的編程語言和編程技巧，模型軟件系統(tǒng)的開發(fā)速度往往落后于作物生長模型的科學研究。需要研究面向農業(yè)系統(tǒng)研究人員的快速建模方法，設計和研制通用化、規(guī)范化、非編

2、程的作物模型建模工具。
　　元建模是對建模語言進行建模，最終生成面向特定領域的建模語言(Domain Specific Language，DSL)和領域建模工具。目前在系統(tǒng)仿真領域和電信領域的元建模應用案例表明通過元建模可以規(guī)范領域模型，提升領域模型的重用性，降低領域專家獲取領域模型軟件的難度。因此，應用元建模技術可以解決作物生長模型軟件中存在的上述問題。但是，目前元建模技術在實際應用中存在如下三個問題:
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3、較少關注領域動態(tài)行為概念的識別。
　?、谠＜夹g在作物生長模擬領域應用中使用UML描述作物生長模型結構不便于農學建模人員使用。
　?、刍谠Ｐ偷淖魑锷L模型建模工具普遍存在建模圖形元素不直觀，建模界面不美觀等問題。
　　針對上述問題，本文首先對水稻、小麥等大田作物的生長模型進行分析提煉，構建了作物生長模擬共性概念模型。然后在作物生長模擬共性概念模型的基礎之上，按照元建模理論構建了基于ECore的作物生長元模型;最后

4、通過GMF構建了基于作物生長元模型的作物生長模型可視化設計工具。最后通過WheatGrow小麥生育期模型、ORYZA2000水稻生育期模型的構建實驗表明本文所構建的作物生長元模型和作物生長模型設計工具是可行的。本文主要研究貢獻如下:
　　(1)構建了作物生長模擬共性概念模型，為作物生長元模型的構建提供基礎。
　　通過對水稻、小麥等大田作物的生長模型共性概念特征進行分析發(fā)現，作物生長模擬模型可由共性的模型結構、算法結構和計算變

5、量共三部分組成。共性模型結構申包括模型、模型組分以及算法組分等3個對象和層次關系、包含關系、與或關系、計算過程關系和依賴關系等5種關系以及關鍵環(huán)節(jié)控制規(guī)則、全生育期循環(huán)規(guī)則、逐日計算規(guī)則和拓撲排序規(guī)則等4種規(guī)則。共性算法結構中包括算法、條件塊公式組、條件塊、公式組、條件、公式、邏輯運算符、關系運算符以及算術運算符等9個對象和層次關系、包含關系、計算過程關系、條件對象之間的邏輯與或關系以及公式對象之間的順序計算關系等5種關系以及公式之間的

6、計算規(guī)則、條件塊公式組的計算約束規(guī)則。共性計算變量包括模型與外界交互的氣象、土壤、栽培、作物、品種以及模型輸出量等6個基礎對象和模型內部計算交互的中間變量對象。
　　(2)提出了基于ECore的作物生長元模型抽象語法構建方法。
　　在作物生長模擬共性概念模型的基礎之上，首先將計算變量、模型結構和算法結構中的對象轉換為通過EClass實例化得到的對象元類;將模型結構中的層次關系、包含關系、與或關系、計算過程關系和依賴關系以及算

7、法結構中的層次包含關系、條件塊組織條件關系、公式組組織公式關系和計算過程關系轉換為通過EReference實例化得到的對象元類間的組合和關聯關系以及通過代碼實現的對象元類間的關系。將模型結構中的關鍵環(huán)節(jié)控制規(guī)則、全生育期循環(huán)規(guī)則、逐日計算規(guī)則和拓撲排序規(guī)則以及算法結構中的公式之間的計算規(guī)則、條件塊公式組的計算約束規(guī)則使用OCL和代碼實現。;最后通過建立算法組分對象元類和算法對象元類之間的組合關系以及模型結構和算法結構中對象元類和計算變量

8、對象元類之間的組合關系得到基于ECore的作物生長元模型抽象語法。
　　(3)構建了基于ECore和GMF的作物生長元模型圖形語法。
　　為共性模型結構中的模型、模型組分和算法組分對象分別構建了對應的圖形語法。通過GMF分屏技術實現層次以及包含關系圖形語法，通過繪制關鍵模型組分圖形表示法和關鍵算法組分圖形表示法的形式實現與或關系圖形語法，通過基于Type的連接線建模技術實現計算過程關系和依賴關系圖形語法。為共性算法結構中的算

9、法、條件塊公式組、條件和公式對象構建了以列表形式展示的圖形語法。在算法內部按照“條件塊公式組集合”的形式，在條件塊公式組內部按照“條件集合+公式集合”的形式作為層次包含關系、條件塊組織條件關系、公式組組織公式關系以及計算過程關系的圖形語法。直接以計算變量中的氣象、土壤、栽培、作物、品種、模型輸出量以及中間變量的文本書寫形式作為其對應的圖形語法。
　　(4)研制了基于元模型的作物生長模型可視化設計工具，便于農業(yè)系統(tǒng)研究人員進行作物生

10、長模型建?；顒?。
　　在作物生長元模型的基礎之上，研制了基于Eclipse平臺的作物生長模型可視化設計工具。本文設計了以下3個實驗:
　?、贅嫿诵←湣⑺?、油菜和棉花生長元模型，表明本文研究的作物生長元模型可實例化得到不同作物類別的生長元模型。
　?、诨谛←湣⒂筒撕兔藁ㄉL元模型分別構建了WheatGrow小麥生育期模型、RapeGrow油菜生育期模型和CottonGrow棉花生育期模型，表明本工具可復用已有建模知