整合溫室生產系統之決策支援

 

丁冠中、方煒

 

前言

    溫室是一整合許多相關硬軟件的系統，這些硬軟件包括結構、結構下的環境、作物生長設備、物料運搬設備、環控儀器、策略、資訊處理軟硬體、管理及人工等。溫室系統的複雜程度取決於其操作的目標。欲保証所有組件的相容及整個系統的可行，以著眼於整體系統的眼光來研究整個溫室是非常重要的（Giacomelli    et al. 1987；Van Weel and Giacomelli, 1990）

 

    以工程化的眼光來看，系統設計及管理的第一步是識別可行的系統並進而決定最佳的系統，所謂可行的系統乃指一系統能滿足所有的限制條件，並允許所有給定的工作能順利完成，最佳系統則由可行系統中產生，最佳系統具備最佳的目標函數值。

 

    溫室生產比傳統露地栽培需要更多的單位面積投資成本，是以吾人預期能有更高的回收。整合溫室生產系統涉及複雜的設計、規劃與操作，在其間必須作許多不同的決定。欲有正確的決定，首先需要有適當的資訊，完整的資訊需要來自不同的來源，以溫室生產系統為例，我們需要工程、園藝、作業研究、電腦、統計等方面的知識，再者，具溫室內實際工作多年的經驗更是有價值。

 

    鑑於吾人了解到在溫室生產系統中不論設計、規劃或操作均需具備足夠的有用的知識，我們發展了一套決策支援的電腦軟體。所謂決策支援，我們認為是蒐集、存取有用的資訊，加以分析，並予以解釋以幫助決策者作決定，羅格斯大學生物農業工程學系多年來進行了一系列相關的研究計劃，本文旨在對這些研究計劃做一個概略的介紹。

 

 

使用方法

 

工程經濟

    丁冠中等人(1988)針對溫室上的應用發展了一套工程經濟軟體，可在友善的介面及螢幕輸入之方式下，計算溫室系統之可行性。程式中有許多工程經濟方面之基本運算，模式中亦分出許多小程式以計算在特定條件下，某種設計所需之成本及所可獲得之利潤。應用在溫室作業方面，有關工程經濟之可能用途包括如下：

 

    --就現有之溫室設備或未來提出之計畫作個案分析。

    --對選擇性之作業進行敏感度分析。

    --就輸入之某特定參數在特定範圍下，進行其影響分析。

    --使投資之風險分析更為容易。

    --可將此一經濟分析模式與其他技術性模式，如作物生產系統、環境控制、溫室之自動化及機械化等等合併研究。

    --在一個系統最佳化過程中，可提供一種估算目標函數之量化方法。

 

    應用此模式之例子是將單果串番茄種植於溫室中之經濟分析情形，這種系統並配有輔熱裝置。單果串番茄生產系統係由Giacomelli等人所發展的(1988)。在分析中，其溫室面積為4,047㎡，屬雙層塑膠溫室，座落於紐澤西州。有關初始資料及分析結果有興趣者可參考丁等人(1989)之文獻分析。

 

溫室內部搬運模擬

    方煒等人(1990a)使用SIMAN電腦語言發展出一套動態電腦模式來模擬溫室內部的物料運搬情形，此模式係與另一家公司(Systems  Modeling Corp., Sewickley, Pa, USA)發展之CINEMA軟體相結合而成，可用來研究溫室內物料運搬的情況。這是一套以福傳為基礎之模擬語言。一般潛在之運搬的瓶頸可在電腦螢幕上實際看到，各系統參考的統計分析結果，譬如工作人員及機器的使用率，工人工作時間，機器是否待工，總共操作時間等諸多涉及的因子，皆能加以記錄、分析，並直接顯示在螢幕上。由這些獲得的資料吾人能夠對機器、工作人員以及溫室內部配置情形的相互關係作進一步的研究。

 

溫室生產所需資源的配置

    方煒等人(1990b)亦發展出一套可使溫室作物生產系統在有限的資源下達到最佳的經濟效益的模擬程式。在此所謂有限的資源及限制的條件包括作物生產時間表、溫室內可用的生產空間、可用的人力以及可動用的活動資金。基本資料庫亦隨各參數之需要分別建立。本研究的成果為一電腦軟體，軟體中包括一作物資料庫以及一最佳化的程式模組。資料庫中收集了３４種溫室每月常見盆栽作物所需的資源及操作成本，並計算各作物的總支出、總收益、生產邊際(growth  maigin)值等。生產邊際值是該作物在溫室中佔一平方公尺的空間停留一週時間的總回收值($/㎡-週)，此值可作為一初始指標以決定各作物的經濟效益。最佳化程式模組首先決定某生產計劃的可行性再決定該年內各作物的產量以達最大利益。

 

    一個最佳策劃將包括一組作物資料庫、作物模組程式及一個最佳模組程式。作物資料庫可提供不同作物之相關資訊，如生產中之材料及能源成本、不同時期所需之空間及工人數，以及所預測之利潤等等。作物模組程式則允許使用者進入相關之資料庫，以計算各種作物在不同時期下，其所需之空間、時間及勞動人力。同時並可執行邊際利潤之運算以及準備未來進行最佳化過程中，其所需之生產時間表檔案。最佳化模組程式之主要功能則有：(1)執行個案研究，亦即決定一個生產計畫之可行性；(2)解決最佳化之問題，亦即決定在最大利潤狀況下，需生產之作物數量。一個生產系統之可行性是以檢驗其是否滿足限制條件為基準。經過最佳化之運算則可找出可行之方案，此方案並可產生最適當之目標函數值。最佳化之目標亦即在於如何使一年為週期之生產能獲得最大利潤。基本之限制條件則包括作物之種植方式、可用之空間、勞力與資金。

 

溫室生產系統的策略性規劃

    方煒(1989)發展了一套由許多模組合成的軟體，此軟體除了包括以上提及的各程式及資料庫外，尚有許多程式與資料庫針對溫室內物料運搬設備的選擇、配置的安排等問題，可用來協助溫室系統的設計、操作與管理。整套系統包括(1)作物模組（前已提及）。(2)設備模組，除設備資料庫外尚有程式以協助使用者決定如何選擇不同的機械設備。(3)配置(Layout)模組提供使用者一有用的工具以決定在給定尺寸的一個或多個溫室中使用何種尺寸的bench為最佳。此模組同時提議一統一的方法來表示不同的溫室內部配置情形。(4)模擬模組可用來研究溫室內部物料運搬的情形、勞工、設備與配置的關係等。(5)最佳化模組（前已提及）。(6)工程經濟模組（前已提及）。

 

結果與討論

 

經濟分析

    一個以溫室為主之經濟分析程式（ＥＥＧＡ）業已發展成功。使用者可依據程式之指引，依序輸入成本及利潤資料，並獲得表列及圖示之結果。程式輸出包括溫室企劃之投資報酬率及其損益平衡點。ＥＥＧＡ亦曾用來分析具有輔助光之單果串番茄生產系統。總計共有１５９個不同的個案被進行分析。其操作參數包括(1)收穫參考點；(2)每年種植次數；(3)輔助光之月數；(4)每日加光之時數等。在分析中，番茄之市場價格影響最大。市場價格只要些微的增加，主即會使整個投資報酬率大輻上升。

 

室內運搬

    一個以交談方式之動畫模擬程式已被發展，並可供作溫室運搬作業的動態模擬。其主要功能如下：

 

    1. 溫室之規劃可作多重選擇。

    2. 系統之參數如作業之型態、各棟之生產能量、工人之搬運速度等等均可加以改變，以符合需要。

    3. 可選擇使用動畫表示作業過程。

    4. 在模擬當中，可提供依時間變化之系統參數。而系統性能之摘要將可存在檔案中以供後來使用。

    5. 動畫可顯示溫室資料之實際時間變化。其中包括：機器與工作之利用率、工人運搬時之週期及上缽機與收穫站之作業時間等。

    6. 模擬進行以後，所有相關資料均可建檔記錄，以供分析。其結果可用圖或表顯示。

 

資源配置問題

    有關作物資料庫/模組程式與最佳化模組程式之組織架構可參考方煒(1990b)等人的著作。作物模組程式是採用dBASE III資料庫語言寫成，並以Clipper編譯而成。最佳化模組程式則以QuickBasic培基語言寫成。作物資料庫及最佳化程式之模組化架構主要目的在使整個系統更加有彈性，以供未來作物資料之修正與增添。如此可以協助生產者或經營者規劃其未來之生產計畫，是一項相當有用的工具。尤其在有許多情況提供選擇時，本軟式更能提供最佳之答案。整個程式輸出資料之精確性將可依資料庫內容之更新而在未來加以改進。

 

規劃

    將所有前面所介紹之模組程式組合而成為一套抉策支援系統，此稱為ＣＡＳＥ整合性軟體。此套軟體將維持其模組化之精神，並保留其動態資料模組及靜態程序模組。這套軟體相當友善，且能自行執行，不必藉助其他軟體（當然必須在作業系統之下方可執行）。

 

    資料模組本身相當具有彈性，因為所有資料內容均可由使用者藉其友善的介面輸入或修改。這些模組包括作物、溫室規劃、植物搬運器材及工程的規格等之相關資料。程序模組則為進行資料分析時，需操作相關資料之運算法。這些計算法純屬靜態方式，因為使用者不必加以修改。這些程序模組具有下列功能：

 

    1. 使用者介面。

    2. 資料庫之操作。

    3. 作物搬運模擬(人、機及圖面間之關係)

    4. 整年之生產規劃(時程可行性及最佳化)

    5. 工程設計。

    6. 生命週期之經濟預分析(投資報酬率等)。

 

    基於上述，顯然此套抉策支援系統可用於多方面的。其文件處理相當完善，且資料庫進出相當容易，故可提供相當有用的資料。本軟體可應用於溫室規劃之各種層面上，諸如：規劃、設計及操作等。這種自動式的資訊驅動結構，在設若的可行性分析上相當有用，是為抉策中甚為重要的過程。本軟體亦可作為研究及教學之用。

 

 

結論

 

    這是個資訊的時代，然而資訊需要經過處理才能成為知識，光資訊並不足以成事。事實上太多未經處理的資訊反而容易造成困擾。良好的資訊來源配合有效的處理、運用，將能對決策分析者有很大的助益。近年來，社會、經濟與科技的發展使得環控農業變得更複雜。就溫室而言，是否有整體化的設計與管理變得非常的重要，這常常是其企業成敗的關鍵。由於某部分的改變通常會影響到其他部份，正所謂牽一髮而動全身，是以一定要應用系統分析的技術以整體的眼光來處理相關資訊以求得某問題的改善或解決。

 

    電腦的應用已日益普及，由於其具備大量儲存資訊並作快速計算的能力使得其成為針對大型、複雜的系統作系統分析的最佳工具，這也是我們發展決策支援系統自動化的理念。剩下來的挑戰是如何將此決策支援系統交（教）給使用者。

 

 

參考資料

 

    1.  Fang W. (1989) Strategic planning through modeling of greenhouse produciton  systems.  Ph.D.  Dissertation, Biological and Agricultural Engineering Dept., Rutgers University, New Brunswick, NJ. USA.

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    3.  Fang W.,  Ting  K.  C.  and  Giacomelli G. A. 1990b. Optimizing resource allocation for greenhouse potted plant production. Transactions of the ASAE 33(4):1377-1382.

    4.  Giacomelli  G.  A.,  van Weel P. A. and van der Shilden M. 1987. Expert  systems development for greenhouse potted plant production. ASAE Paper No. 87-5012. St. Joseph, MI:ASAE.

    5.  Giacommelli  G. A., Fang W., Ting K. C. and van Weel P. A. 1990. Behavior  of  internal transport system for potted plant production. The XXIII  International  Horticultural Congress, Firenze, Italy. August 27, September 1, Abstract No. 2343.

    6.  Giniger  M.  S.,  McAvoy R. J., Giacomelli G. A. and Janes H. W. 1988.  Computer  simulation  of  a  single  trus tomato cropping system. Transactions of the ASAE 31(4):1176-1179.

    7.  McAvoy  R.  J.  and  Giacomelli  G.  A.  1985. Greenhouse tomato production  in  a transportable, potted plant cropping system. Presented at the Symposium on Mechanization, IISHS, Bonn, Germany. May 1985.

    8.  Ting K. C., Dijkstr J., Fang W. and Giniger M. 1989. Engineering economy of controlled enviroment for greenhouse porduction. Transactions of the ASAE 32(3):1018-1022.

    9.  van  Weel  P. A. and Giacomelli G. A. 1990. Systematic model for the  design  of  integrated  greenhouse  production  systems.  The XXIII International    Horticultural    Congress,   Firenze,   Italy,   August 27-September 1, Abstract No. 2271.