Программная реализация адаптированного метода многокритериального анализа альтернатив TOPSIS для поддержки принятия решений при оценке энтомофагов вредителей сельскохозяйственных растений

В настоящее время оценка альтернатив является распространенным компонентов процесса принятия решений в различных областях деятельности человека. Очевидно, что для повышения объективности оценки и качества принимаемого в дальнейшем решения, следует применять наиболее эффективный и удобный инструментарий, наиболее часто включающий в себя математические модели и программные продукты, поддерживающие и автоматизирующие их использование. Существует достаточно большое количество различных методов, использование которых позволяет повысить качество оценки и сравнения альтернатив: метод анализа иерархий (AHP), ELECTRE, многокритериальная теория полезности (MAUT), TOPSIS и другие. Проведенные исследования показали, что наиболее перспективным для использования в рамках проводимого исследования является метод TOPSIS, так как именно он позволяет гибко настраивать параметры оценки и подключать к процедуре не одного эксперта, а их группу, что существенно повышает объективность проводимой процедуры.

Процесс многокритериальной оценки альтернатив при подборе энтомофагов вредителей сельскохозяйственных культур является неотъемлемой составляющей, так как для успешной интродукции энтомофага в агроценоз необходимо четко понимать, не является ли рассматриваемый вариант неоптимальным с точки зрения требуемых инвестиций (для создания необходимых для энтомофага внешних и внутренних условий), соответствует ли он изначально условиям имеющейся экологической ниши и т.д. В связи с этим разработка эффективных инструментов поддержки многокритериальной оценки альтернатив при подборе энтомофагов сельскохозяйственных вредителей является актуальной.

Системы и продукты, подобные предлагаемой в данном исследовании, отсутствуют на рынке; не применяются в настоящее время методы многокритериальной оценки альтернатив в неавтоматизированном виде, так как являются достаточно сложными для реализации.

Ранее отмечалось, что в качестве базового инструмента для реализации многокритериального анализа альтернатив при подборе энтомофагов вредителей сельскохозяйственных культур выбран адаптированный метод TOPSIS. Использование этого метода позволяет производить гибкую настройку параметров оценки альтернатив, тем самым повышая качество оценки и увеличивая ее объективность.

К работе по оценке альтернатив с использованием адаптированного метода TOPSIS может привлекаться неограниченное количество экспертов, имеющих разную квалификацию и являющихся представителями разных отраслей. Отметим однако, что при привлечении к оценке значительного количества экспертов существенно повышается сложность дальнейших расчетов без применения программных продуктов и инструментов.

Алгоритм проведения оценки альтернатив в рамках использования адаптированного метода TOPSIS

1. Определение групп критериев и перечня частных критериев для проведения текущей процедуры оценки альтернатив:

(1)

2. Расстановка коэффициентов значимости групп критериев и частных критериев.

3. Оценка альтернатив экспертами (с использованием лингвистических переменных).

4. Агрегирование матрицы:

(2)

5. Нормализация матрицы полученных результатов:

(3)

6. Расчет взвешенной матрицы:

(4)

7. Расчет идеального позитивного и идеального негативного решений (ИПР и ИНР):

(5)

(6)

8. Расчет расстояний оцениваемых альтернатив до ИПР и ИНР:

(7)

(8)

9. Получение интегральной оценки альтернатив с их последующим ранжированием:

(9)

Метод удобен для использования экспертами, так как для оценки им предлагается использовать набор лингвистических переменных, а не присваивать альтернативе по критерию нечеткую оценку. Перевод набора лингвистических переменных, полученных на этапе оценки альтернатив экспертами, в трапециевидные числа производится на этапе нормализации матрицы. Использование трапециевидных чисел также позволяет повысить точность оценки.

С учетом того, что наиболее подходящими для использования при интродукции в агроценоз для борьбы с сельскохозяйственными вредителями в условиях Краснодарского края и в целом Южного федерального округа являются хищные жужелицы (Coleoptera: Carabidae)

Предлагается разделить все используемые в рамках оценки критерии на следующие группы:

- географические (температура, влажность, тип почвы и т.д.);

- корректирующие (рельеф, особенности возделывания культуры, состав почвы и т.д.);

- экономические (включает критерии, описывающие особенности использования и интродукции энтомофага с экономической точки зрения).

Для обеспечения соответствия программного продукта требованиям экспертов, а также учета всех этапов проектирования программного продукта, разработана модель процесса оценки альтернатив из числа энтомофагов вредителей сельскохозяйственных культур в нотации BPMN.

Рисунок 1 - Модель процесса оценки альтернатив методом TOPSIS

DOI:10.60797/JAE.2025.56.16.1

Модель процесса оценки альтернатив адаптированным методом TOPSIS в нотации BPMN представлена ниже.

Рисунок 2 - Подмодель процесса оценки альтернатив методом TOPSIS

DOI:10.60797/JAE.2025.56.16.2

На базе представленных моделей разработан рабочий прототип программного продукта, автоматизирующего расчеты согласно адаптированному методу TOPSIS.

На рисунке 3 представлено окно настройки процедуры оценки.

Рисунок 3 - Окно настройки процедуры оценки

DOI:10.60797/JAE.2025.56.16.3

Логически окно настройки разделено на две части: «настройка критериев», в которой вводятся данные, необходимые для дальнейшей расстановки весовых коэффициентов, и «настройка оценки», в которую вносится количество альтернатив и экспертов, принимающих участие в оценке. После настройки критериев производится отрисовка матрицы критериев; ввод данных по количеству альтернатив позволяет отрисовать оценочную матрицу. Важно выполнять операции именно в следующей последовательности:

1. Настройка критериев.

2. Настройка оценки.

Отрисованные матрицы представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Формы ввода информации по весовым коэффициентам критериев и оценкам

DOI:10.60797/JAE.2025.56.16.4

Далее оператором информационной системы производится ввод данных. Отметим, что возможен не только ручной ввод параметров, но и их импорт из файла при помощи соответствующих кнопок в формах настройки.

После ввода или импорта данных оценки можно производить вычисление результатов оценки. Оператору не демонстрируются промежуточные этапы вычислений, а сразу выводятся результаты ранжирования (последний этап алгоритма адаптированного метода TOPSIS). На рисунке 5 представлены результаты ранжирования альтернатив.

Рисунок 5 - Результаты ранжирования альтернатив

DOI:10.60797/JAE.2025.56.16.5

Адаптированный метод TOPSIS представляет собой первый уровень эколого-математической модели анализа и прогнозирования динамики популяций энтомофагов сельскохозяйственных вредителей. Всего модель состоит их двух уровней:

1. Оценка энтомофагов, доступных для использования или интродукции в агроценоз с помощью адаптированного метода TOPSIS;

2. Прогнозирование динамики популяции энтомофагов в агроценозе с использованием адаптированной модели А.Н. Колмогорова

Использование предлагаемой эколого-математической модели позволит существенно упростить процедуру выбора оптимального энтомофага или карабидокомплекса для его использования в качестве основного элемента системы защиты растений (в рамках применения биологических методов).

Реализация первого уровня модели позволит сократить перечень уже имеющихся в агроценозе или доступных для интродукции энтомофагов, определив оптимальных для использования и выявив, что искомые отсутствуют.

Реализация второго уровня модели (при условии получения данных с первого уровня) позволит произвести анализ динамики популяции выбранного энтомофага и произвести ее прогноз для принятия окончательного решения о возможности его применения для борьбы с сельскохозяйственными вредителями в конкретном случае или отсутствии доступных для использования энтомофагов.

Общая модель программного комплекса анализа и прогнозирования динамики популяций энтомофагов сельскохозяйственных вредителей может быть проиллюстрирована следующей моделью процесса.

Рисунок 6 - Модель процесса реализации двухуровневой эколого-математической модели

DOI:10.60797/JAE.2025.56.16.6

Использование программно-математического инструментария анализа и прогнозирования динамики популяций энтомофагов вредителей сельскохозяйственных культур позволит существенно продвинуться в вопросе более эффективного и обоснованного использования биологических методов защиты растений. Отметим, что именно использование биометода позволяет повышать качество сельскохозяйственной продукции, успешно реализовывать концепцию «зеленого земледелия».

Очевидно, что большое значение имеет именно анализ конкретного энтомофага на первом уровне предлагаемой эколого-математической модели, так как именно он позволяет «отсеять» неподходящие альтернативы. Отметим, что зачастую при оценке энтомофага сельскохозяйственных вредителей ключевую роль будут играть критерии из группы «экономические», так как даже при возможности создания внешних и внутренних условий для конкретного агроценоза, такие процедуры могут быть не рентабельны. В связи с этим следует особенно тщательно подходить к подбору экономических критериев оценки и настройки модели в части установки коэффициентов значимости для них.