基于ECore的作物生長元模型構(gòu)建及模型設(shè)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(shù)之間定量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，它利用計算機軟件技術(shù)對作物生長過程進行動態(tài)模擬和預(yù)測。因此，構(gòu)建作物模型軟件系統(tǒng)是數(shù)字農(nóng)作研究的重要內(nèi)容。但現(xiàn)有的作物模型軟件開發(fā)一般都存在著領(lǐng)域知識專業(yè)性過強、模型重復(fù)研發(fā)，模型軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)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(xué)研究。需要研究面向農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究人員的快速建模方法，設(shè)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(lǐng)域的建模語言(Domain Specific Language，DSL)和領(lǐng)域建模工具。目前在系統(tǒng)仿真領(lǐng)域和電信領(lǐng)域的元建模應(yīng)用案例表明通過元建模可以規(guī)范領(lǐng)域模型，提升領(lǐng)域模型的重用性，降低領(lǐng)域?qū)＜耀@取領(lǐng)域模型軟件的難度。因此，應(yīng)用元建模技術(shù)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(shù)在實際應(yīng)用中存在如下三個問題:
　?、僭?yīng)用中

3、較少關(guān)注領(lǐng)域動態(tài)行為概念的識別。
　?、谠＜夹g(shù)在作物生長模擬領(lǐng)域應(yīng)用中使用UML描述作物生長模型結(jié)構(gòu)不便于農(nóng)學(xué)建模人員使用。
　　③基于元模型的作物生長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(gòu)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(chǔ)之上，按照元建模理論構(gòu)建了基于ECore的作物生長元模型;最后

4、通過GMF構(gòu)建了基于作物生長元模型的作物生長模型可視化設(shè)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(gòu)建實驗表明本文所構(gòu)建的作物生長元模型和作物生長模型設(shè)計工具是可行的。本文主要研究貢獻如下:
　　(1)構(gòu)建了作物生長模擬共性概念模型，為作物生長元模型的構(gòu)建提供基礎(chǔ)。
　　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(xiàn)，作物生長模擬模型可由共性的模型結(jié)構(gòu)、算法結(jié)構(gòu)和計算變

5、量共三部分組成。共性模型結(jié)構(gòu)申包括模型、模型組分以及算法組分等3個對象和層次關(guān)系、包含關(guān)系、與或關(guān)系、計算過程關(guān)系和依賴關(guān)系等5種關(guān)系以及關(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)系運算符以及算術(shù)運算符等9個對象和層次關(guān)系、包含關(guān)系、計算過程關(guān)系、條件對象之間的邏輯與或關(guān)系以及公式對象之間的順序計算關(guān)系等5種關(guān)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(chǔ)對象和模型內(nèi)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(gòu)建方法。
　　在作物生長模擬共性概念模型的基礎(chǔ)之上，首先將計算變量、模型結(jié)構(gòu)和算法結(jié)構(gòu)中的對象轉(zhuǎn)換為通過EClass實例化得到的對象元類;將模型結(jié)構(gòu)中的層次關(guān)系、包含關(guān)系、與或關(guān)系、計算過程關(guān)系和依賴關(guān)系以及算

7、法結(jié)構(gòu)中的層次包含關(guān)系、條件塊組織條件關(guān)系、公式組組織公式關(guān)系和計算過程關(guān)系轉(zhuǎn)換為通過EReference實例化得到的對象元類間的組合和關(guān)聯(lián)關(guān)系以及通過代碼實現(xiàn)的對象元類間的關(guān)系。將模型結(jié)構(gòu)中的關(guān)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(jié)構(gòu)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(xiàn)。;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(guān)系以及模型結(jié)構(gòu)和算法結(jié)構(gòu)中對象元類和計算變量

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

9、法、條件塊公式組、條件和公式對象構(gòu)建了以列表形式展示的圖形語法。在算法內(nèi)部按照“條件塊公式組集合”的形式，在條件塊公式組內(nèi)部按照“條件集合+公式集合”的形式作為層次包含關(guān)系、條件塊組織條件關(guān)系、公式組組織公式關(guān)系以及計算過程關(guān)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(yīng)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(shè)計工具，便于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究人員進行作物生

10、長模型建模活動。
　　在作物生長元模型的基礎(chǔ)之上，研制了基于Eclipse平臺的作物生長模型可視化設(shè)計工具。本文設(shè)計了以下3個實驗:
　?、贅?gòu)建了小麥、水稻、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←?、油菜和棉花生長元模型分別構(gòu)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(fù)用已有建模知