Рост урожая
Это первая из четырех бесед Гудрун во время Британского коллоквиума по прикладной математике, который проходил с 5 по 8 апреля 2016 года в Оксфорде.
Джози Додд получила степень магистра по математическому и численному моделированию атмосферы и океанов в Университете Рединга. В своем докторском проекте она работает в группе математической биологии в Департаменте математики и статистики в Рединге. В этой группе она разрабатывает модели, описывающие рост растения и кроны арахиса Бамбара, особенно взаимодействие растений при выращивании как части урожая. Проект является междисциплинарным, и взаимодействие с биологами поощряется финансирующей организацией.
Чем этот проект так интересен? В целом, экспериментальные попытки понять рост сельскохозяйственных культур обходятся очень дорого и требуют много времени. Так что иметь более дешевые и быстрые компьютерные эксперименты - большое преимущество. В рамках проекта изучается арахис Бамбара, поскольку он является кандидатом на добавление в наши продукты питания в будущем. Это чрезвычайно устойчивая культура, устойчивая к засухе и богатая азотом, что означает, что производство урожая не зависит от удобрений. Типичное растение растет 150 дней в году. В ходе исследования будут получены результаты, для которых доступна проверка и оценка параметров на основе фактических данных о теплицах. С другой стороны, весь опыт в области моделирования будет в определенной степени переносим на другие предприятия. Построение математической модели включает в себя нахождение достаточно простых, но охватывающих основные процессы уравнений, а также численных схем, эффективно их решающих.
На данный момент температура и солнечное излучение являются основными входными данными для модели. В будущем он должен включать и дождь. Другим важным параметром является размещение растений, особенно если требуется максимально увеличить урожайность. Анализ доступных данных от партнеров по эксперименту приводит к трем нелинейным ОДУ для каждого завода. Кроме того, производство отпусков имеет зависимость распределения Гаусса от времени и температуры. Затем результаты входят в уравнение биомассы. Процесс роста растения характеризуется изменением скорости изменения во времени. Это свойство объекта приводит к нелинейности уравнений.
Тем не менее, модель должна оставаться как можно более простой, при этом, во-первых, сокращая разрыв до сложных и более точных моделей, а во-вторых, оставаясь интерпретируемой, чтобы люди могли использовать ее и понимать ее поведение как нематематики.. Это основная группа, для которой модели должны быть полезным инструментом.
До сих пор модель взаимодействия с соседними растениями является вычислительной более затратной частью, где, конечно же, в модель должен входить геометрический учет перекрытия. Хотя она еще не рассматривает многие растения (поскольку доступны экспериментальные данные размером с теплицу), модель хорошо масштабируется для большого количества растений из-за присущей ей симметрии. Так как на данный момент оптимизация компоновки растений имеет приоритет - применяется множество стандартизирующих и упрощающих допущений. Так что на будущее следует включить больше параметров, таких как ввод воды, и было бы неплохо иметь больше шкал. Такие дополнительные чешуйки должны включать корневую систему или другие биологические процессы внутри растения.
Конечно, теплица хорошо контролируется, а имеющиеся полевые данные менее точны из-за сложности измерений в полевых условиях.
Во время работы над проектом и в качестве репетитора Джози Додд обнаружила, что ей очень нравится заниматься компьютерным программированием. Поскольку это так применимо ко многим вещам, эти навыки открывают много дверей. Поэтому она призывает всех попробовать.