Сельское хозяйство и продовольствие
Поля, стада, пруды и цепочки поставок, прогнанные вперёд, чтобы оценить, хватит ли предложения для покрытия спроса.
Люди моделировали земледелие на бумаге задолго до компьютеров: севообороты, таблицы урожайности и племенные книги насчитывают века. Цифровые модели теперь связывают погоду, химию почвы, распространение болезней и рыночные потрясения в одном расчёте. Они могут заранее прогнозировать урожай, прирост стада или нехватку. Модель одного и того же рода работает от сроков полива на одном поле до раннего предупреждения о голоде для целого региона. Она выходит и за ворота фермы: к брожению, приготовлению, охлаждению и отслеживанию еды.
Модели роста и урожайности культур
Поле одной культуры сведено к запасам площади листьев, биомассы и зерна; модель считает по дням, в зависимости от погоды, даты посева и агротехники.
Вопрос, на который отвечает: Каким будет урожай на этом поле и когда его сеять?
Не учитывает: Поле считается пространственно однородным, поэтому изменения внутри него, например заболоченные или недосеянные участки, не представлены.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно ноутбук, секунды на полевой сезонС: 1965 к 1965 году: ранние модели роста сельскохозяйственных культур де Вита в Нидерландах
Перенос воды и питательных веществ в почве
Вода просачивается сквозь слои почвы, а питательные вещества перемещаются, связываются и вымываются; всё это прослеживают ячейка за ячейкой вниз по профилю.
Вопрос, на который отвечает: Сколько воды и удобрений доходит до корней и сколько смывается?
Не учитывает: Почва никогда не бывает такой аккуратно слоистой, как предполагает сетка модели.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно настольная машина для расчёта профиля за целый сезонС: 1972 к 1972 году: первые модели водного баланса почвы для исследований орошения
Распространение вредителей и болезней растений
Насекомые, грибы или бактерии распространяются по посевам или региону. Их несут ветер, дождь, животные или торговля, а погода помогает или мешает.
Вопрос, на который отвечает: Как далеко и как быстро распространится вспышка и где её нужно сдерживать?
Не учитывает: Предполагает, что зарегистрированные вспышки отражают истинный масштаб, а это бывает редко.
Работает на: около 1011 FLOPS приблизительно университетский кластер для регионального многосезонного расчётаС: 1980 к 1980 году: компьютерные модели распространения ржавчины пшеницы и фитофторы картофеля
Планирование орошения
Влажность почвы и потребность посевов в воде отслеживают день за днём, чтобы решить, когда и сколько поливать.
Вопрос, на который отвечает: Когда этому полю нужна вода и сколько?
Не учитывает: Предполагает, что насос, канал и прогноз погоды ведут себя как надо.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно работает на компьютере фермы или в приложении на телефонеС: 1975 к 1975 году: модели планирования водного баланса для орошаемых ферм
Эрозия почв и деградация земель
Дождь, сток и вспашка срывают почву со склонов. Это прослеживают как наносы, которые движутся вниз и уходят с поля.
Вопрос, на который отвечает: Сколько верхнего слоя почвы потеряет это поле и какие приёмы замедляют потерю?
Не учитывает: Откалибрована в основном на умеренных пахотных землях, поэтому плохо переносится на другой климат.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно настольная машина для расчёта в масштабе водосбораС: 1965 к 1965 году: универсальное уравнение потери почвы и его компьютерные потомки
Симуляция селекции культур
Виртуальные скрещивания сортов растений прогоняют вперёд через смоделированные поколения, чтобы предсказать, какое сочетание генов даст лучший сорт.
Вопрос, на который отвечает: Какое скрещивание стоит делать в поле из миллионов возможных?
Не учитывает: Эффект гена на бумаге не всегда совпадает с тем, что он делает на настоящем пастбище.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно университетский кластер, отсеивающий тысячи виртуальных скрещиванийС: 1990 к 1990 году: генетическая симуляция в программах селекции растений
Оптимизация точного земледелия
Поле разбито на небольшие участки, у каждого своя почва и история урожаев, чтобы подобрать для каждого лучшие семена, полив и дозу удобрений.
Вопрос, на который отвечает: Сколько удобрений и других ресурсов нужно именно этому участку, а не всему полю?
Не учитывает: Нужны хорошие данные датчиков, которых на большинстве ферм по-прежнему нет везде.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно ноутбук фермы, обрабатывающий карты датчиков одного поляС: 1995 к 1995 году: модели картирования урожайности и внесения удобрений с переменной нормой
Ансамбли моделей урожая из многих моделей
Много моделей урожая запускают с одними и теми же данными о погоде и климате, чтобы разброс показал неопределённость прогнозов урожая.
Вопрос, на который отвечает: Насколько неопределён прогноз урожайности при будущем климате?
Не учитывает: Вредители, экстремальные события и смена управления учитываются неравномерно.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно Десятки моделей на глобальных сеткахС: 2013 The Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project, AgMIP (2013) источник
Оборот органического углерода в почве
Углерод в почве перемещается между пулами, которые распадаются с разной скоростью в зависимости от температуры, влажности и поступления от растений.
Вопрос, на который отвечает: Накапливает ли поле углерод в почве или теряет его и что на это влияет?
Не учитывает: Пулы условные и напрямую не измеряются.
Работает на: около 105 FLOPS приблизительно ежемесячные симуляции пулов на ноутбуке.С: 1977 Jenkinson и Rayner, оборот органического вещества почвы в некоторых классических опытах Ротамстеда. источник
Модели загрязнения водосборов от сельского хозяйства
Дождь, культуры, почва и фермерские практики в речном бассейне симулируются, чтобы получить сток воды, наносов и питательных веществ.
Вопрос, на который отвечает: Сколько питательных веществ или наносов попадает в реку при разных практиках земледелия?
Не учитывает: Для калибровки нужно много данных, а управление на уровне поля угадывается.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно суточные симуляции масштаба бассейна на рабочей станции.С: 1998 Арнольд с коллегами: крупномасштабное гидрологическое моделирование и оценка, разработка модели. источник
Глобальные ансамбли сеточных моделей культур
Много моделей урожая запускают на мировой сетке при одних и тех же климатических сценариях, а их разброс показывает неопределённость прогнозируемого урожая.
Вопрос, на который отвечает: Насколько изменится мировой урожай при климатических сценариях и насколько это неопределённо?
Не учитывает: В моделях отсутствуют общие процессы, такие как вредители и сильная жара.
Работает на: около 1013 FLOPS приблизительно много моделей урожая, запущенных по всему миру на десятилетия на кластере.С: 2013 Rosenzweig и коллеги, протоколы Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project. источник
Агентные фермерские модели землепользования и внедрения
Фермерские хозяйства со своей землёй, трудом и соседями решают, что выращивать и какую технологию принять; нововведения распространяются в пространстве.
Вопрос, на который отвечает: Как фермеры отреагируют на цену, субсидию или технологию?
Не учитывает: Решения фермеров моделируются упрощёнными правилами.
Работает на: около 108 FLOPS приблизительно региональные агентно-ориентированные расчёты на рабочей станции.С: 2001 Бергер: агентные пространственные модели в сельском хозяйстве для распространения технологий и использования ресурсов. источник
Модели управления устойчивостью к пестицидам
Популяция вредителей под опрыскиванием вырабатывает устойчивость, и сравниваются такие стратегии, как убежища, севооборот и смеси.
Вопрос, на который отвечает: Какая стратегия опрыскивания дольше всего откладывает устойчивость?
Не учитывает: Издержки устойчивости и перемещение вредителей неопределённы.
Работает на: около 106 FLOPS приблизительно популяционно-генетические модели на ноутбуке.С: 1977 Коминс: управление устойчивостью к пестицидам. источник
Модели совместного использования света в агровольтаике
Солнечные панели над посевами отбрасывают на них движущуюся тень, поэтому расположение, свет на листьях и рост культур моделируют вместе с вырабатываемой электроэнергией.
Вопрос, на который отвечает: Сколько еды и энергии может дать то же поле, если солнечный свет делят между собой?
Не учитывает: Отклик культур на частичную тень известен лишь для нескольких видов, а влияние воды и температуры под панелями упрощено.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно часов на рабочей станции для одной планировки и одного сезона.С: 2011 Модель коэффициента эквивалентности земли Дюпра с коллегами для фотоэлектрических панелей, совмещённых с продовольственными культурами. источник
Модели роста архитектуры растений
Растение выращивается почка за почкой по ботаническим правилам ветвления и старения, и получается трёхмерная форма дерева или посева по мере роста.
Вопрос, на который отвечает: Как привычка ветвиться определяет, как растение заполняет пространство и ловит свет?
Не учитывает: Правила роста подогнаны под один вид и одну среду, а реакция на ветер, соседей и повреждения ограничена.
Работает на: около 108 FLOPS приблизительно от секунд до минут на одно растение.С: 1988 Модели растений де Рефе с коллегами, верные ботанической структуре и развитию. источник
Фенологические модели вредителей по градусо-дням
Тепло, накопленное за каждый день выше порогового значения, определяет, когда насекомые выходят, размножаются и достигают стадии, опасной для урожая. По этому можно подобрать сроки опрыскивания.
Вопрос, на который отвечает: В какой день вредитель дойдёт до стадии, на которой борьба действует?
Не учитывает: Насекомые реагируют на температуру по кривой, а не по прямой, а микроклимат на растении отличается от погоды на метеостанции.
Работает на: около 104 FLOPS приблизительно тривиально на ноутбуке; запускают ежедневно для многих участков.С: 1976 Модифицированный синусоидальный метод Аллена для расчёта градусо-дней для насекомых. источник
Модели выпуска стерильных насекомых
Выращенные в массе стерильные самцы, выпущенные в дикую популяцию, спариваются с самками, и те не дают потомства. Численность прослеживают, пока она падает.
Вопрос, на который отвечает: Сколько стерильных насекомых нужно выпустить и как долго, чтобы уничтожить вредителя?
Не учитывает: Дикие самки могут отвергать стерильных самцов, а насекомые, прилетающие извне, могут свести выпуск на нет.
Работает на: около 105 FLOPS приблизительно от секунд до минут на ноутбуке.С: 1955 Анализ Knipling борьбы с насекомыми или их искоренения с помощью стерильных самцов. источник
Агентные модели смены землепользования
Землевладельцы и фермеры, у каждого свои цели и сведения, решают, что делать с каждым участком, а получающийся земной покров наносится на карту на протяжении десятилетий.
Вопрос, на который отвечает: Как изменится земной покров под действием политики, дороги или сдвига цен на культуру?
Не учитывает: Правила, по которым решают люди, трудно измерить, поэтому их часто угадывают, а модели настраивают на прошлое без доказательств, что оно продолжится.
Работает на: около 108 FLOPS приблизительно часов на рабочей станции.С: 2003 Обзор многоагентных систем для симуляции смены землепользования и земного покрова, Parker и коллеги. источник
Модели климата в теплицах
Баланс тепла, влажности и углекислого газа в теплице: солнце, форточки, отопление и собственная транспирация растений. Нужен, чтобы проектировать и регулировать микроклимат внутри.
Вопрос, на который отвечает: Как нужно управлять вентиляцией и отоплением, чтобы культура оставалась тёплой и сухой с наименьшими затратами?
Не учитывает: Воздух считается хорошо перемешанным, хотя в настоящих теплицах есть градиенты, а обратная связь растений упрощена.
Работает на: около 107 FLOPS приблизительно секунды на смоделированный день, поэтому сезон считается за минуты.С: 1985 Простая модель климата теплицы Гарцоли (Acta Horticulturae). источник
Модели стада и кормов для скота
Рост стада, надои или выход мяса прослеживаются в зависимости от корма, породы и содержания, по каждому животному или по всей группе.
Вопрос, на который отвечает: Сколько продукции даст это стадо и сколько корма на это нужно?
Не учитывает: Ежедневные индивидуальные изменения в здоровье и состоянии животных не учитываются моделями на основе корма.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно работает на компьютере фермы на стадоС: 1970 к 1970 году: первые модели производства говядины и молока
Выпас и управление пастбищами
Рост и восстановление травы под нагрузкой выпаса, при разной погоде и плодородии почвы. Нужно, чтобы рассчитать, сколько животных выдержит пастбище.
Вопрос, на который отвечает: Сколько животных может прокормить это пастбище, не истощив его?
Не учитывает: Реакция пастбища на раннюю или необычно сильную засуху отклоняется от смоделированной кривой роста.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно запуск на ноутбуке на каждое пастбище за сезонС: 1973 к 1973 году: модели роста пастбищ для систем выпаса
Аквакультура и рыбоводство
Рыба или моллюски, выращиваемые в прудах, садках или бассейнах, отслеживаются по корму, кислороду, температуре и плотности посадки.
Вопрос, на который отвечает: Сколько посадочного материала закладывать и когда убирать, чтобы урожай был лучшим?
Не учитывает: Вспышки болезней в настоящем пруду редко совпадают с предупреждением, которое даёт модель.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно запуск на ноутбуке на каждый цикл фермыС: 1985 к 1985 году: биоэнергетические модели роста для разводимой рыбы
Модели вспышек болезней скота
Болезнь сельскохозяйственных животных распространяется между фермами с перевозкой животных, транспортом и ветром; модель помогает планировать выбраковку, запреты на перемещение и кольца вакцинации.
Вопрос, на который отвечает: Как далеко распространится эта вспышка и какая мера её остановит быстрее всего?
Не учитывает: Фермеры не всегда сообщают о симптомах так быстро, как предполагает модель.
Работает на: около 1011 FLOPS приблизительно университетский кластер для национального расчёта вспышкиС: 2001 модели эпидемии ящура в Великобритании 2001 года
Разведение и генетика сельскохозяйственных животных
Виртуальные спаривания животных прогоняют вперёд через поколения, чтобы предсказать удой, скорость роста или устойчивость потомства к болезням.
Вопрос, на который отвечает: Какого самца или какую самку скрещивать следующими из всего племенного поголовья?
Не учитывает: Предполагает, что записанная родословная верна, хотя на практике бывают ошибки в записях и неверно указанное происхождение.
Работает на: около 1011 FLOPS приблизительно кластер, оценивающий национальное племенное поголовьеС: 1990 к 1990 году: генетическая оценка молочного скота на основе BLUP
Точный мониторинг скота
За отдельными животными следят датчики движения, кормления и температуры, и данные сравнивают со смоделированной здоровой нормой, чтобы рано заметить проблемы.
Вопрос, на который отвечает: Какому отдельному животному из тысяч сегодня нужно внимание?
Не учитывает: Сбой датчика выглядит для модели в точности как больное животное.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно сервер фермы, обрабатывающий поток данных с датчиков одного коровникаС: 2005 к 2005 году: системы мониторинга молочного скота на основе датчиков
Биоэнергетика аквакультурных прудов
У каждой рыбы в пруду энергия из корма и кислорода превращается в рост, а кислород и отходы воды отслеживаются рядом.
Вопрос, на который отвечает: Сколько рыб и сколько корма нужно, чтобы они росли быстрее всего, пока вода в пруду не испортилась?
Не учитывает: Болезни, поведение и погодные потрясения в основном не учитываются, поэтому модель лучше всего подходит для стабильных условий.
Работает на: около 108 FLOPS приблизительно минуты на ноутбуке.С: 1985 Индивидуальная биоэнергетическая модель роста рыб для аквакультурных прудов Куэнко с коллегами. источник
Симуляция цепочки поставок продовольствия
Зерно, овощи и фрукты и переработанные продукты на пути от фермы к складу и в магазин, с учётом перевозок, потерь при хранении и скачков спроса.
Вопрос, на который отвечает: Где пищевая система ломается первой при нехватке или потрясении?
Не учитывает: Настоящие цепочки поставок скрывают неформальную торговлю, которой модель не видит.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно кластер, запущенный для национальной или региональной сетиС: 1985 к 1985 году: логистическая симуляция применена к распределению продовольствия
Модели раннего предупреждения о голоде
Дожди, урожаи, цены и конфликты объединяют, чтобы за месяцы до удара отметить регионы, которые идут к нехватке продовольствия.
Вопрос, на который отвечает: Какие регионы столкнутся с нехваткой еды и когда?
Не учитывает: Зависит от данных из тех мест, которые меньше всего способны о них сообщить.
Работает на: около 1010 FLOPS приблизительно кластер, оценивающий каждый месяц множество регионовС: 1985 к 1985 году: государственные системы раннего предупреждения о голоде в Сахеле
Моделирование процессов брожения
Дрожжи, бактерии или плесень растут в чане с тестом, суслом или брагой; их отслеживают, пока они потребляют сахара и производят спирт, кислоту или газ.
Вопрос, на который отвечает: Сколько должно бродить и при какой температуре, чтобы получить нужный результат?
Не учитывает: Дикое брожение приносит микробов, о которых модели никто не говорил.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно запуск на ноутбуке на каждый пакетный процессС: 1975 к 1975 году: кинетические модели брожения при пивоварении и выпечке
Выпечка и тепловая обработка пищи
Тепло, проникающее в тесто, консервные банки или упакованную еду. Его отслеживают, чтобы предсказать приготовление, подрумянивание и то, насколько надёжно уничтожены микробы.
Вопрос, на который отвечает: Прожарен ли центр этого продукта и безопасно ли его есть?
Не учитывает: Настоящие печи никогда не бывают такими равномерными, как тепловое поле в модели.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно запуск на ноутбуке на каждый проект изделияС: 1970 к 1970 году: модели теплопередачи для консервирования и выпечки
Моделирование холодовой цепи и порчи
Дрейф температуры в грузовиках, на складах и в магазинных холодильниках сопоставляют с ростом микробов, чтобы предсказать, сколько срока годности потеряно.
Вопрос, на который отвечает: Какая часть этой партии испортится, не дойдя до полки?
Не учитывает: Краткие сильные скачки температуры, например дверь, оставленная открытой на десять минут, наносят больше вреда, чем показывают усреднённые модели.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно запуск на ноутбуке, отслеживающий журнал температуры одной партии грузаС: 1990 к 1990 году: модели предсказания срока хранения для логистики охлаждённых продуктов
Симуляция безопасности пищи и прослеживаемости
Загрязнение, внесённое в одной точке пищевой системы, прослеживается вперёд через смешивание, переработку и распределение, чтобы увидеть, кто подвергнется воздействию.
Вопрос, на который отвечает: Если заражение начнётся здесь, как далеко оно распространится, пока отзыв продукции его не догонит?
Не учитывает: В бумажных следах настоящей цепочки поставок больше пробелов, чем предполагает модель.
Работает на: около 109 FLOPS приблизительно запуск на ноутбуке на каждый сценарий загрязненияС: 1995 к 1995 году: симуляция прослеживаемости после крупных вспышек заражения
Предсказательная пищевая микробиология
Рост и гибель бактерий в пище моделируют в зависимости от температуры, кислотности и активности воды, чтобы оценить срок годности и безопасность.
Вопрос, на который отвечает: Как быстро будет расти патоген в этом продукте при этой температуре?
Не учитывает: Пища разнообразнее, чем лабораторный бульон.
Работает на: около 105 FLOPS приблизительно подгонка кривых роста на ноутбуке.С: 1994 Бараньи и Робертс: динамический подход к предсказанию роста бактерий в пище. источник
Количественная оценка микробных рисков
Загрязнение, приготовление, хранение и употребление в пищу связаны как распределения вероятностей, чтобы оценить шанс заболеть от продукта.
Вопрос, на который отвечает: Насколько вероятно, что человек заболеет от этого продукта, и какой этап важнее всего?
Не учитывает: Зависимость «доза — эффект» плохо известна для редких возбудителей.
Работает на: около 108 FLOPS приблизительно Монте-Карло по цепочке от фермы до стола на ноутбуке.С: 1998 Кассен с коллегами: количественная оценка риска E. coli O157:H7 в гамбургерах из рубленой говядины. источник
Симуляция пищеварения и течения в желудке
Движение стенки желудка перемешивает и расщепляет пищу; расчёт потока и кислоты связывает структуру пищи с высвобождением питательных веществ.
Вопрос, на который отвечает: Как быстро пища расщепляется и всасывается в желудке?
Не учитывает: Движение стенки желудка и реология пищи упрощены.
Работает на: около 1012 FLOPS приблизительно симуляция течения с движущейся стенкой на кластере.С: 2010 Kozu и коллеги, анализ явлений течения в содержимом желудка при перистальтике человеческого желудка. источник