基于ECore的作物生長(zhǎng)元模型構(gòu)建及模型設(shè)計(jì)工具研究.pdf

1、作物生長(zhǎng)模擬模型是揭示作物生長(zhǎng)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(jì)算機(jī)軟件技術(shù)對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)。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(kāi)發(fā)一般都存在著領(lǐng)域知識(shí)專業(yè)性過(guò)強(qiáng)、模型重復(fù)研發(fā)，模型軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)受限于具體的編程語(yǔ)言和編程技巧，模型軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度往往落后于作物生長(zhǎng)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(jì)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(duì)建模語(yǔ)言進(jìn)行建模，最終生成面向特定領(lǐng)域的建模語(yǔ)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(guò)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(zhǎng)模型軟件中存在的上述問(wèn)題。但是，目前元建模技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在如下三個(gè)問(wèn)題:
　?、僭?yīng)用中

3、較少關(guān)注領(lǐng)域動(dòng)態(tài)行為概念的識(shí)別。
　?、谠＜夹g(shù)在作物生長(zhǎng)模擬領(lǐng)域應(yīng)用中使用UML描述作物生長(zhǎng)模型結(jié)構(gòu)不便于農(nóng)學(xué)建模人員使用。
　?、刍谠Ｐ偷淖魑锷L(zhǎng)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(wèn)題。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先對(duì)水稻、小麥等大田作物的生長(zhǎng)模型進(jìn)行分析提煉，構(gòu)建了作物生長(zhǎng)模擬共性概念模型。然后在作物生長(zhǎng)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(zhǎng)元模型;最后

4、通過(guò)GMF構(gòu)建了基于作物生長(zhǎng)元模型的作物生長(zhǎng)模型可視化設(shè)計(jì)工具。最后通過(guò)WheatGrow小麥生育期模型、ORYZA2000水稻生育期模型的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)表明本文所構(gòu)建的作物生長(zhǎng)元模型和作物生長(zhǎng)模型設(shè)計(jì)工具是可行的。本文主要研究貢獻(xiàn)如下:
　　(1)構(gòu)建了作物生長(zhǎng)模擬共性概念模型，為作物生長(zhǎng)元模型的構(gòu)建提供基礎(chǔ)。
　　通過(guò)對(duì)水稻、小麥等大田作物的生長(zhǎng)模型共性概念特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，作物生長(zhǎng)模擬模型可由共性的模型結(jié)構(gòu)、算法結(jié)構(gòu)和計(jì)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(gè)對(duì)象和層次關(guān)系、包含關(guān)系、與或關(guān)系、計(jì)算過(guò)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(jì)算規(guī)則和拓?fù)渑判蛞?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(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符以及算術(shù)運(yùn)算符等9個(gè)對(duì)象和層次關(guān)系、包含關(guān)系、計(jì)算過(guò)程關(guān)系、條件對(duì)象之間的邏輯與或關(guān)系以及公式對(duì)象之間的順序計(jì)算關(guān)系等5種關(guān)系以及公式之間的

6、計(jì)算規(guī)則、條件塊公式組的計(jì)算約束規(guī)則。共性計(jì)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(gè)基礎(chǔ)對(duì)象和模型內(nèi)部計(jì)算交互的中間變量對(duì)象。
　　(2)提出了基于ECore的作物生長(zhǎng)元模型抽象語(yǔ)法構(gòu)建方法。
　　在作物生長(zhǎng)模擬共性概念模型的基礎(chǔ)之上，首先將計(jì)算變量、模型結(jié)構(gòu)和算法結(jié)構(gòu)中的對(duì)象轉(zhuǎn)換為通過(guò)EClass實(shí)例化得到的對(duì)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(jì)算過(guò)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(jì)算過(guò)程關(guān)系轉(zhuǎn)換為通過(guò)EReference實(shí)例化得到的對(duì)象元類間的組合和關(guān)聯(lián)關(guān)系以及通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)的對(duì)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(jì)算規(guī)則和拓?fù)渑判蛞?guī)則以及算法結(jié)構(gòu)中的公式之間的計(jì)算規(guī)則、條件塊公式組的計(jì)算約束規(guī)則使用OCL和代碼實(shí)現(xiàn)。;最后通過(guò)建立算法組分對(duì)象元類和算法對(duì)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(duì)象元類和計(jì)算變量

8、對(duì)象元類之間的組合關(guān)系得到基于ECore的作物生長(zhǎng)元模型抽象語(yǔ)法。
　　(3)構(gòu)建了基于ECore和GMF的作物生長(zhǎng)元模型圖形語(yǔ)法。
　　為共性模型結(jié)構(gòu)中的模型、模型組分和算法組分對(duì)象分別構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的圖形語(yǔ)法。通過(guò)GMF分屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)層次以及包含關(guān)系圖形語(yǔ)法，通過(guò)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(shí)現(xiàn)與或關(guān)系圖形語(yǔ)法，通過(guò)基于Type的連接線建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程關(guān)系和依賴關(guān)系圖形語(yǔ)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(duì)象構(gòu)建了以列表形式展示的圖形語(yǔ)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(jì)算過(guò)程關(guān)系的圖形語(yǔ)法。直接以計(jì)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(duì)應(yīng)的圖形語(yǔ)法。
　　(4)研制了基于元模型的作物生長(zhǎng)模型可視化設(shè)計(jì)工具，便于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究人員進(jìn)行作物生

10、長(zhǎng)模型建?；顒?dòng)。
　　在作物生長(zhǎng)元模型的基礎(chǔ)之上，研制了基于Eclipse平臺(tái)的作物生長(zhǎng)模型可視化設(shè)計(jì)工具。本文設(shè)計(jì)了以下3個(gè)實(shí)驗(yàn):
　　①構(gòu)建了小麥、水稻、油菜和棉花生長(zhǎng)元模型，表明本文研究的作物生長(zhǎng)元模型可實(shí)例化得到不同作物類別的生長(zhǎng)元模型。
　?、诨谛←?、油菜和棉花生長(zhǎng)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