畜禽养殖废弃物环境管理决策支持系统总体结构框架.docx
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畜禽养殖废弃物环境管理决策支持系统总体结构框架
畜禽养殖废弃物环境管理决策支持系统总体结构框架
摘要：
通过将DSS概念引入畜禽养殖废弃物环境管理，以辅助提高决策者的组织决策水平，获得更好的环境效益与经济效益为目的，初步设计了该环境管理决策系统的总体框架结构、功能目标和基本部件，为下一步研究开发明确了方向。
关键词：
决策支持畜禽养殖废弃物框架结构功能设计
前言：
决策支持系统DSS（DecisionSupportSystem）是在管理信息系统MIS（ManageInformationSystem）基础上发展起来的。
DSS是以管理学、运筹学、控制论和行为科学为基础，以信息、仿真和计算机等技术为手段综合利用现有的数据、信息和模型，辅助决策者解决半结构化或非结构化决策问题的人机交互系统。
将DSS应用于畜禽养殖的环境管理，可以辅助决策者作出决策，提高决策者的决策技能和组织的决策水平，从而能获得好的环境效益和经济效益。
1、系统总目标
本决策支持系统总目标是，以现有调查收集的资料及统计数据与知识体系为基础，以规模养殖场污染物预防治理为工作目标，通过养殖场的清洁生产管理评估、污染物处理方案选择确定、养殖场整体环境污染防治体系评估等工作，实现对养殖场从建立、运行及发展过程中的环境污染问题进行科学预测及提出有效解决方案。
2、系统功能设计
畜禽养殖废弃物环境管理决策支持系统包括养殖场清洁生产管理模拟、污染防治决策分析、环境污染与防治损益分析三个主要专题功能以及养殖场选址与规划评价、养殖污染有关知识体系与法律法规查询两个辅助功能。
各模块功能描述如下：
（1）养殖场清洁生产管理
该模块包括畜禽养殖场生产中不同用水方式模拟、饲料组分及添加剂使用模拟、畜舍清洁管理模拟、清洁生产损益分析等主要功能。
a.用水方式模拟
根据养殖场自身的条件，通过对不同的畜舍饲喂水、冲洗水及夏季喷淋降温用水方式的选择，模拟养殖场最佳的节水运行方式。
b.饲料组分改进、添加剂使用模拟
模拟选用目前较为常见的饲料，考虑养殖场及市场的具体情况，采取不同的组合方式来确定其环境污染影响最小的搭配方式；根据经济情况，模拟饲料中采用一定量的添加剂（天然植物或为生物制剂）后，畜禽排泄物中的N、P含量预测，确定选用的饲料添加剂种类。
c.畜舍清洁管理模拟
根据不同的养殖量，确定畜舍管理员人数，并模拟不同的畜禽粪便清理、不同的畜舍冲洗频率、不同病死畜禽处理方法，评价这些运行状态下的养殖场产生污水的浓度，养殖场臭气影响范围以及病死畜禽处理方式后果，从而确定理想的畜舍管理模式。
d.清洁生产损益分析
综合以上清洁生产措施及清洁管理方法，根据目前的实际情况，估算在一般情况下与实行清洁生产后，水利用及污水治理、饲料添加剂及员工管理支出与收益之比，并综合评价采用清洁生产后对生产销率及环境改善产生的作用。
（2）污染防治决策分析
该模块包括养殖场恶臭气体防治处理方案决策、污水处理及回用方案决策、粪便污染防治与利用方案决策等主要功能。
a.恶臭气体防治处理方案决策
提供不同的恶臭气体预防及治理方法：
各种饲料添加剂法、养殖场区绿化隔离、生物滤塔除臭工艺，分析评价各种恶臭防治措施的不同以及经济运行成本以供选择。
b.污水处理及回用方案决策
由于不同养殖规模的养殖场其污水处理方法有所不同，因此提供大型、中型、小型三种养殖规模的不同污水处理及回用建议，其中包括水处理整体工艺流程选择、常规处理设施构筑物的经验设计数据选用、工艺可适用性及优缺点分析。
最终找出较为方合理的污水处理工艺路线。
c.粪便污染防治与利用方案决策
对畜禽粪便处理分为几种处理方式，饲料化处理、堆肥肥料化处理以及进行蚯蚓、蝇蛆养殖利用等，对各项工艺提供详细运行参数选择，并预测运行后的环境改善效果及经济成本与收益。
（3）环境污染与防治损益分析
该模块综合以上养殖场采取的清洁生产与一系列的污染防治措施，对所采用的技术、设备、工程投资进行估算叠加，同时对清洁生产与废弃物资源化利用产生的经济收益预测分析，最终列出整个养殖场在废弃物处理处置方面总投入及总产出，为养殖场废弃物的处理模拟一整套处理方案，为不同经济承受能力的养殖企业提供废弃物治理解决方案。
（4）养殖场选址与规划评价
该模块主要用于新建及搬迁养殖场选址地确定，根据养殖养殖种类、养殖数量大小，参考有关规定及法规，从生产、销售、运输及土地可得性及环境相容性等方面考虑合理规划布局。
并对养殖场内的生产区、办公区、绿化带设置以及畜舍结构等提出合理性建议。
（5）养殖污染有关知识体系与法律法规帮助查询
该模块主要对决策支持系统中涉及的的有关专业术语进行解释、说明；对国家、地方制定的有关养殖行业的法律法规进行查询；同时包括对各个模块功能使用的帮助说明。
图2.1畜禽养殖废弃物环境管理决策支持系统功能结构
图2.2清洁生产决策子系统功能结构
图2.3污染防治决策子系统功能结构
图2.4养殖场选址与规划决策子系统功能结构
3、系统结构及基本部件
结合目前国内外关于DSS的开发与研究现状，本决策系统基本部件由五个部分组成：
人机接口，数据库，模型库，知识库和方法库。
3.1畜禽养殖废弃物环境管理决策支持系统结构
（1）DSS的三角式结构
这种结构是DSS最基本的结构，是把DSS的三大构件组成一个三角式的网络结构，用户通过对话管理部分以各种对话形式直接与数据管理和模型管理部分对话，查询或操作数据库，或运行模型获得结果。
在查询数据库时，根据对话管理部分送来的命令信息，由数据管理部分进行查询，然后再把结果经由对话管理部分送回用户。
在运行模型时，或者直接从外界（用户）获得输入参数，或者从数据库中查出数据作为输入，模型运行后产生的结果通过对话管理部分直接送给用户，或先放入数据库以便继续处理，或作为其他模型的输入。
所以三个管理部分部有直接联系，而且两两之间应有互相进行通信的接口。
图3.1DSS三角式系统结构
（2）畜禽养殖废弃物环境管理系统的结构
本系统在DSS的三角式结构基础上增设知识库，推理机，于多库之间插入问题处理系统（PPS）构成四库系统结构。
图3.2畜禽养殖废弃物环境管理系统的结构简图
（3）问题处理系统
问题处理系统处于DSS的中心位置，是联系人与机器及所储存的求解资源的桥梁，主要由问题分析器、问题求解器、问题接收器三部分组成，该系统任务是识别、分析与求解问题，设计求解方案，并调用四库中的数据模型及方法及知识等资源求解问题。
根据决策问题的结构化程度采用相应的求解方法，进行分析或构造模型或利用推理机进行求解。
图3.3问题处理系统工作流程
3.2人机对话接口
人机接口接受用自然语言或其他语言的方式表达的决策问题及决策目标，由语言处理功能通过语法、语义结构分析等方法转换成系统能够理解的形式。
运行后，对话子系统则以决策者能清晰理解的或指定的方式输出求解进程与结果。
对话子系统通过与决策者的不断交互开始一个决策问题的求解过程，并且向决策者提供各种信息，并对数据析取与组织、模型建造和知识处理等提供支持。
人机对话系统是DSS的一个窗口，体现了一个决策系统的水平。
基于这一点，本系统将采用结构化人机对话系统模式。
该模式的基本思想是如何把逻辑和对话内容分离开来，即人机对话的内容可看成是按逻辑要进行处理的数据。
为实现这种思路，基本出发点是：
（1）找出对话逻辑的规律并对它进行描述，使对话的定义由事件的定义和流的控制来产生。
（2）经过综合分析，对人机对话的内容预测归纳分类，与对话逻辑分离，进行集中存储。
3.3数据库子系统的设计
在搜集整理大量基础资料数据的基础上，按照统一的数据结构，本系统拟采用关系模型（relationmodel）数据库开发系统，建立包括图像数据、文本数据的数据库。
通过面向对象的编程语言强大的数据库管理功能，利用数据控件和数据库管理窗口，建立数据存储、检索和交换等管理功能。
（1）数据库设计与本系统开发
数据库设计是在选定的数据库管理系统基础上建立数据库的过程包括用户要求分析、概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计等四个阶段，此阶段与系统开发的各个阶段相对应，且融为一体，如图5-1所示
图3.4数据库设计与系统开发阶段对照
（2）数据库创建及维护
在数据库系统设计中拟创建养殖场信息数据库、饲料品种成分数据库、工艺参数数据库、多媒体数据库以及相关的数据库。
为方便数据库中的数据与其他数据库进行数据交换，本系统考虑采用数据库系统ACCESS。
以后也可以根据需要，改为SQL数据库系统。
数据库维护系统负责维护数据库，具体数据的输入、存储、检索等，数据库管理系统将为用户提供查询数据、修改数据、显示数据、删除数据等操作，以便完善数据库和方便用户。
3.4模型库子系统的设计
所谓模型是以某种形式对一个系统的本质属性的描述，以揭示系统的功能、行为及其变化规律。
人们认识和研究客观世界一般有三种方法：
逻辑推理法，实验法和模型法。
模型法是我们了解和探索客观世界的最得力、最方便、最有效的方法。
它在客观世界和科学理论之间架起一座桥梁，通过这座桥梁可以分析研究系统的各个侧面。
客观世界的实际系统是极其复杂的，它的属性也是多方面的。
但是，建立模型绝不能企图将所有这些因素和属性都包括进去，否则，模型不但不能解决实际问题，反而把问题搞复杂了，只能根据系统的目的和要求，抓住本质属性和因素，忽略非本质因素，准确地描述系统。
因此模型来源于实际，又高于实际，但比客观世界更简单、更抽象，它是认识问题的飞跃和深化，而且它又是认识客观世界的重要手段。
畜禽养殖废弃物管理决策支持系统为解决不同决策者的需要和不同决策问题适应性，将独立运行的模型个体与其他模型结合起来，以适当的序列组成复合模型，此创建过程涉及动态式、紧耦合和调用的多种协同方式组成模型序列。
3.4.1畜禽养殖废弃物决策支持系统模型的种类及存储方式的设计
（1）模型的种类设计
本系统模型库中将包括存储的预测类模型，如养殖场废弃物总量预测模型、处理污水农田利用预测模型，废弃物综合利用经济预测模型等。
（2）模型基本单元存储方式的设计
本决策支持系统采用模型存储方式，.以子程序方式、语句方式和数据方式存储，其中对于数据方式存储是按照有规则的格式来存储数据，把决策模型和数据合并到“知识表示”中。
本系统对模型库系统设计采用三个层次，应用级、生成级和工具级。
其中生成级是模型库系统的核心，如图3-5所示
模型库系统结构
3.5方法库子系统
本系统拟采用系统化方法实现方法库：
由系统的一般结构可以看出，MBS在很大程度上可用已有的“构件”来构造。
对某一特定的MBS，设计者可从中选取合适的构件，这样就可以得到许多现成的模块来构筑MBS，因而特别需要编制的程序就不会很多，只是与应用密切相关的解释部分需要特别处理。
这样构造MBS的主要任务就是选择合适的构件，编制缺少的构件，再把它们组合起来，这三方面都可以通过一定的软件支持来提高工作效率，构件选择要求把所有可用程序存储起来，并建立一个类似数据字典的信息系统，对程序加以说明；编程支持包括传统的编辑器、编译器，还有产生与外部方法接口的自动支持；构件组合需要静态联接，动态组装的自动表格生成、测试环境等。
3.6知识处理子系统
数据资料的收集、整理、分析是决策咨询系统开发的一个非常重要的环节，必须给予足够的重视.在领域专家的带领下，广泛搜集相关领域的书籍，科学研究成果，科学讨论结果，相关的文字，图片，等资料。
再结合专家的丰富知识，进行去粗取精，去伪存真的整理，分析过程.寻找资料数据的规律性，建立必要的逻辑关系模型等。
项目进行中注意考虑到下列问题：
①收集资料前作好计划准备
②注意资料的来源时间、出处、应用范围
③系统资料要注意其连续性
④对资料数据的有效性和科学性进行分析
将获取的数据专家的知识以及在此基础上建立的模型，按一定的结构构建起数据文件系统，用于支持系统运行。
知识获取过程可表示为
（1）知识源
本系统主要搜集和整理关于畜禽养殖方面的数据与资料，包括畜禽养殖数量、所用饲料及成分资料、各种污水处理工艺资料与参数、固体废弃物处置技术资料等与畜禽养殖相关的数据与技术资料，并以规则形式在各概念间建立联系。
（2）概念化
把畜禽养殖废弃物处理领域专家的长期知识经验和广泛收取的其它科学资料确定的知识源，选择条件关系的模式表达出来。
（3）形式化
对获取的概念以符号形式描述即形式化，以便计算机能够对知识进行处理。
本系统以规则形式描述概念。
（4）推理机
在DSS中，除了要研究推理的理论和方法之外，更重要的是研究如何在计算机上实现推理。
其中基于知识的推理是DSS要研究的重点。
推理机就是基于知识推理的计算机实现。
在DSS的方法论中，除了知识系统涉及到推理机以外，问题处理系统（PPS）也与推理机有比较密切的关系。
推理机的主要任务是选择知识和应用知识。
一般情况下，推理机只能利用搜索法或其他方法从复杂的系统中找出所需要的知识，这是一件十分费时的工作，弄不好就会使推理机无法实现。
因此，研究知识的选择（即控制策略）就成为推理机的一个关键问题。
推理机能否准确、迅速地找到与解答有关的知识，直接影响推理机的性能。
推理机的性能指标是指推理效果和推理效率，前者是衡量推理结论正确性的一个指标，后者可以用推理所花费的时间来说明，但由于不同计算机的运算速度有很大差异，为了作出对推理方法的合理评价，把推理费用作为衡量推理效率的一项指标。
4、下一步的计划
（1）针对系统总体结构，详细设计各个子系统的逻辑结构和功能架构，明确各个子决策项目所实现的功能；
（2）继续调查收集养殖场废弃物的处理处置技术工艺及资料，并开始资料的整理、分类工作；
（3）学习有关程序设计，在人机界面设计方面开展一些学习和研究。
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