التجارة خارج ديناميات النظام

عينات.

التقييم المعياري لإمكانيات وسبل كسب العيش في مجال التخفيف من آثار الزراعة.

طرق تحليل التبادل البيئي والإنتاجية في النظم الزراعية.

M. T. فان وييك 3، h. J. كلابويكه 1،2 *، تود س. روزنستوك 4، بييه جيه. فان أستن 2، فيليب ك. ثورنتون 5 و كين E. جيلر 1.

أبستراكت أصبح تحليل المقايضة نهجا متزايد الأهمية لتقييم مخرجات مستوى الإنتاج الزراعي، وتحديد أولويات واستهداف التدخلات الإدارية في المناظر الطبيعية الزراعية متعددة الوظائف. ونستعرض نقاط القوة والضعف في التقنيات المختلفة المتاحة لإجراء تحليل المقايضة. وقد تطورت هذه التقنيات، بما في ذلك البرمجة الرياضية والنهج التشاركية، بشكل كبير في السنوات الأخيرة بمساعدة من التقدم الرياضي، وزيادة القدرة الحاسوبية، والرؤى الناشئة في سلوك النظم. يتم تحديد نقاط القوة والضعف في النهج المختلفة ومناقشتها، ونحن نقدم اقتراحات لنهج متعدد المستويات للحالات ذات توافر البيانات المختلفة.

جدول المحتويات:

10.1 مقدمة.

والمقايضات التي نعني بها التبادلات التي تحدث كحل توفيقي، موجودة في كل مكان عندما تدار الأرض بأهداف متعددة. وقد تصبح املفاضالت حادة بشكل خاص عندما تكون املوارد مقيدة وعندما تتعارض أهداف مختلف أصحاب املصلحة) جيلر وآخرون 2008 (. وفي الزراعة، قد تنشأ مقايضات بين مؤشرات النواتج على جميع المستويات الهرمية، من المحصول (مثل الحبوب مقابل إنتاج مخلفات المحاصيل)، والحيوان (إنتاج الحليب مقابل إنتاج اللحوم)، والمجال (إنتاج الحبوب مقابل رشح النترات ونوعية المياه) ، والمزرعة (إنتاج محصول واحد مقابل آخر)، إلى المناظر الطبيعية وما فوقها (الإنتاج الزراعي مقابل الأرض للطبيعة). وقد يواجه المزارعون الفرديون مقايضات بين تعظيم الإنتاج على المدى القصير وضمان الإنتاج المستدام على المدى الطويل. وداخل املناظر الطبيعية، قد تنشأ مقايضات بني مختلف األفراد لالستخدامات املنافسة لألرض. ومن ثم، توجد مقايضات داخل النظم الزراعية، بين الأهداف الزراعية والأهداف البيئية أو الاجتماعية الثقافية الأوسع نطاقا، على مر الزمن والمكان، وبين العناصر الفاعلة. إن فهم ديناميات النظام التي تنتج وتغير طبيعة المفاضالت أمر أساسي لتحقيق مستقبل مستدام وآمن غذائي.

في هذا الفصل، نركز على كيفية تحليل العالقات المعقدة بين إدارة النظم الزراعية وعواقبها على اإلنتاج والبيئة - وهنا ممثلة بانبعاثات غازات الدفيئة - وكيف يمكن قياس المقايضات وأوجه التآزر الممكنة بين مؤشرات اإلنتاج. فعلى سبيل المثال، هناك فرضية هامة مفادها أنه من خلال زيادة عزل الكربون في النظم الزراعية، يمكن للمزارعين أن يولدوا حصة كبيرة من إجمالي تخفيضات الانبعاثات المطلوبة في العقود القليلة القادمة لتجنب المستويات الكارثية لتغير المناخ. وفي الوقت نفسه، فإن زيادة عزل الكربون في التربة يؤدي أيضا إلى زيادة المواد العضوية في التربة، وهو أمر أساسي لتحسين إنتاجية نظم الإنتاج المحصولي والثروة الحيوانية وقدرتها على الصمود، ومن ثم يمكن تحديد وضع مربح للجانبين. ومع ذلك، فمن المثير للجدل ما إذا كانت هذه الحالات المربح للجانبين موجودة في الواقع. ويتمثل أحد العوائق الهامة لهذه الفرضية في عدم وجود مواد عضوية مثل مخلفات المحاصيل في العديد من النظم المختلطة للمحاصيل والثروة الحيوانية، التي تخدم كأعلاف للماشية وكمساهمة في التربة من أجل زيادة المادة العضوية للتربة. ويمكن إنتاج هذه المادة العضوية من خلال استخدام الأسمدة المعدنية أو تكثيف الإنتاج الحيواني، ولكن كليهما له عواقب سلبية على انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، مما قد يعوض المكاسب التي تحققت في تخزين المواد العضوية في التربة. ولذلك يبدو من المرجح أنه من أجل تحقيق أقصى قدر من التأثير على إنتاج الأغذية لأصحاب الحيازات الصغيرة والأمن الغذائي، يجب أن تتعرض المؤشرات البيئية للخطر. ومع ذلك، لا تزال هناك نظرة نوعية جيدة في هذه الحلول الوسطية.

وقد برز تحليل المقايضة كنهج واحد لتقييم ديناميات النظام الزراعي من منظور متعدد الأبعاد. وعلى الرغم من أن مفهوم المقايضات ومعاكساتها - التآزر - يكمن في صميم العديد من مبادرات البحوث الزراعية الحالية من أجل التنمية (فيرميولن وآخرون، 2018؛ ديفريز وروزنزويغ 2018)، وأساليب لتحليل المقايضات داخل النظم الإيكولوجية الزراعية، (فولي وآخرون، 2018). ونستعرض أحدث ما توصلت إليه التحاليل من مقايضات، ونسلط الضوء على الابتكارات والقيود الهامة، ونناقش نقاط القوة والضعف في النهج المختلفة المستخدمة في الأدبيات الحالية.

10.2 طبيعة تحليل المقايضة.

ويتم تحديد المقايضات من خلال تحليل المدخلات والمخرجات على مستوى النظام مثل إنتاج المحاصيل أو استخدام اليد العاملة المنزلية أو الآثار البيئية مثل انبعاثات غازات الدفيئة. والنتائج التي قد ترغب الجهات الفاعلة المختلفة في تحقيقها، داخل وخارج المشهد، تحتاج إلى تحديدها في أوقات زمنية ومكانية مختلفة. إن فهم هذه النتائج المرجوة، أو أهداف مختلف أصحاب المصلحة، يعد خطوة أولى ضرورية في تحليل المقايضة.

ونوضح المفاهيم والعمليات الرئيسية لتحليل المقايضة بمثال بسيط ليس له سوى هدفان هما: الإنتاج على نطاق المزرعة والتأثير البيئي، وانبعاثات غازات الدفيئة. وبمجرد تحديد الأهداف، تتمثل الخطوة التالية في تحديد مؤشرات مفيدة تصف هذه الأهداف. وتشكل المؤشرات الأساس لتوصيف العلاقات بين الأهداف (الشكل 10-1). ويعطي شكل منحنى المفاضلة معلومات هامة عن شدة المفاضلة من الفائدة. هل هو مجرد خط مستقيم، مثل المنحنى المركزي (الشكل 10.1 أ)؟ هل منحنى منحنى (أي منحنى أقل)، مما يعني وجود مقايضات قوية بين المؤشرات)؛ أو مقعرة (أي المنحنى الأعلى)، مما يعني أن المؤشرات مستقلة عن بعضها البعض، والمفاضلة بين المؤشرات هي 'لينة' تماما؟ ويمثل شكل منحنى المقايضة علاقات وظيفية مختلفة ويمكن تقييمها عن طريق تقييم خيارات إدارة المزارع؛ في مثالنا، كل نقطة يمكن أن تمثل طريقة ومستوى تطبيق الأسمدة المعدنية (الشكل 10.1b). ويصف موقف كل خيار في مجال المقايضة نتائجه من حيث المؤشرين والإنتاجية والأثر البيئي. واستنادا إلى هذه المعلومات، يمكن رسم منحنى "أفضل" مقايضة (الشكل 10-1 ج). في تحاليل المبادلة سيهتم الباحث في أي تدخلات إدارة النظام تؤدي إلى أي نوع من نتائج الأهداف المختلفة (الشكل 10.1d).

وبمجرد تحديد أفضل منحنى (ملحوظ أو مستدل)، يمكن دراسة مختلف تدخلات إدارة النظام لتقييم مدى إسهامها في تحقيق الأهداف المنشودة (الشكل 10-1d). ويحدد هذا التحليل ما إذا كان من الممكن إيجاد حلول "مربحة للجانبين"، حيث يمكن تحسين أداء النظام فيما يتعلق بكل من الهدفين. وبدلا من ذلك، هل يؤدي التحسن في هدف واحد تلقائيا إلى انخفاض أداء النظام لهدف آخر (الشكل 10-1 ه)؟ ويمكن تحديد قيم العتبة الممكنة بمجرد معرفة شكل منحنى المقايضة. على سبيل المثال، هل توجد عتبات إنتاجية، فوقها يزيد الأثر البيئي بسرعة؟ وفي بعض الحالات، قد يكون من الممكن تغيير طبيعة المفاضلة بين الإنتاج والتأثير البيئي من خلال استكشاف تدخلات إدارية جديدة (الشكل 10-1 و)، وبالتالي إعادة تحديد منحنى أفضل "مقايضة".

الشكل 10.1 المفاهيم الرئيسية للمقايضات وتحليلها لمثالين موضوعيين بسيطين (للشرح انظر النص) a الشكل، ب نتائج خيارات الإدارة، ج المقايضة وإمكانية التآزر (د) الاستراتيجيات (التدخلات) والنتائج ه العتبات، و يمكن التخفيف من المقايضة.

10.3 مقاربات وأدوات البحث.

وعادة ما تكون المقايضات أكثر تعقيدا مع أبعاد وأهداف أكثر مما هو مبين في المثال البسيط ثنائي الأبعاد المعروض في القسم السابق. وقد تم تطوير مجموعة واسعة من الأدوات والنهج من أجل مراعاة الحالات المتنوعة. ويعتمد النهج الأنسب على طبيعة وحجم المشكلة التي ينبغي معالجتها، والمفاضلات المعنية، والمؤشرات المتاحة. ونحن نقيم خمسة نهج تطبيقية على نطاق واسع: (1) الأساليب التشاركية؛ (2) التحليلات التجريبية؛ (3) أدوات الاقتصاد القياسي؛ (4) نماذج التحسين و (5) نماذج المحاكاة. وتتداخل هذه النهج الخمسة في كثير من الأحيان ويمكن أن تساعد على توليد معارف تكميلية. ونتيجة لذلك، غالبا ما تستخدم تحاليل المقايضة عدة طرق في وقت واحد أو تكراري.

وأبرز مفهوم البحث التشاركي في الأصل الحاجة إلى المشاركة الفعالة من هم موضوع البحث، أو الذين قد يؤدي البحث إلى تغييرات في النتائج. وقد توسعت الفكرة في الآونة الأخيرة لتشمل الاعتراف بأن التغيير في افتراضات الباحثين وتصوراتهم قد تكون مطلوبة لتحقيق النتائج المرجوة التي تجذب المزارعين (كرين 2018). إن النهج التشاركية، مثل رسم الخرائط المعرفية الغامضة (مورونغويني وآخرون، 2018)، ورسم خرائط تدفق الموارد، والألعاب، ولعب الأدوار، هي طرق قوية لتحديد الأهداف والمؤشرات ذات الصلة بالفاعل، على الرغم من أن نطاق معرفة المزارعين وتصوراتهم داخل البحث العلمي في بعض الحالات، لا سيما في أوقات التغير السريع (فان أستن وآخرون، 2009). وهناك العديد من الأمثلة على النهج التشاركية (غونزالفس 2018) التي يمكن أن تستخدم أو تستخدم لتقييم المقايضات. وعادة ما تولد النهج التشاركية بيانات نوعية، وعلى الرغم من أنها قد لا تكون مناسبة تماما لقياس المقايضات، فإنها توفر معلومات هامة للغاية لدعم الأدوات الكمية، على سبيل المثال من خلال وضع سيناريوهات تشاركية (ديفريز و روزنزويغ 2018؛ كلايسنس إت آل. 2018). ومع ذلك، وعلى الرغم من الطبيعة التشاركية لهذه النهج، فإن تقييم المقايضات غالبا ما يظل قائما على الباحثين.

ويتطلب التقييم الكمي للمقايضات اتباع نهج تجريبية أو تجريبية لتوليد بيانات عن سلوك النظام في ظل ظروف مختلفة. ويمكن رسم منحنيات التبادل على أساس قياسات تجريبية للمؤشرات، مثل إزالة الكتلة الحيوية النباتية للأعلاف وغطاء التربة الناتج، وهو بديل جيد للسيطرة على تآكل التربة (نودين وآخرون، 2018). وميكن استخدام التقنيات اإلحصائية مثل تحليل مظروف البيانات) فريزر أند كوردينا 1999 (أو حتليل خط احلدود) فيرمونت إت آل 2009 (لقياس أفضل املقايضات املمكنة بني املؤشرات في مجموعات البيانات التجريبية) على سبيل املثال، الشكل 1 ج (. وتتعلق هذه المقاربات التجريبية بأدوات الاقتصاد القياسي: فهي تستخدم مجموعات بيانات كبيرة كأساس للمعاملات الإحصائية التي تحدد علاقات المدخلات والمخرجات من نتائج مستوى النظام (مثل أنتل وكابالبو 2001). تجمع التطورات بين الجوانب البيوفيزيائية والاجتماعية والاقتصادية للنظام، وتستخدم المزرعة & # 8211؛ (أنتل أند ستورفوجيل 2006). والنهج التجريبي والاقتصادي القياسي قويان بمعنى أنه يمكن استكشاف نتائج مختلف خيارات النظام باستخدام التباين القائم في تكوين النظام وأدائه. ومع ذلك، فإن المساحة الاستدلالية للتحليل مقيدة بمجموعة البيانات التي تم جمعها وبالتالي فهي ليست مناسبة للتنبؤ بالنتائج خارج نطاقات البيانات الأصلية.

ولا يمكن استخدام النهج التجريبية لتقييم المؤشرات التي يصعب قياسها مباشرة؛ وبالتالي، غالبا ما يتم دمجها مع نماذج المحاكاة للحصول على لمحة عامة عن أداء النظام بشكل عام. وتتيح نماذج المحاكاة استكشاف الطبيعة الديناميكية للمقايضات، حيث يمكن أن تختلف النتائج على المدى القصير أو الطويل (زينغور وآخرون، 2009). ويمكن استخدام أداء النظام، الذي يعبر عنه كميا من حيث النتائج الممثلة بمؤشرات مختلفة، كمساهمة لنهج التحسين مثل البرمجة الرياضية (مب). يجد النائب أفضل مقايضة ممكنة من خلال تحليل متعدد المعايير ويمكنه تقييم ما إذا كان من الممكن تخفيف منحنى المقايضة من خلال تدخلات جديدة. وللبروتوكول تاريخ طويل (على سبيل المثال هازيل ونورتون 1986) وهو من بين أكثر تطبيقات المقايضة استخداما على نطاق واسع في دراسات استخدام الأراضي (مثل جانسن وفان إترسوم 2007). وهذا على الرغم من قيوده المتأصلة، أن مستخدمي الأراضي لا يتصرفون دائما وفقا للعقلانية الاقتصادية وتحسين سلوكهم. وقد تم تطوير التقنيات مؤخرا لحل مشاكل البرامج غير الخطية ودمجها عبر المستويات، وربط المزارع والمناطق من خلال الأسواق والتعليقات البيئية (على سبيل المثال لابورت وآخرون 2007؛ رويتر وآخرون 2007؛ لوهيتشي وآخرون، 2018).

تستخدم تقنيات النمذجة العكسية نماذج المحاكاة غير الخطية مباشرة لإجراء تحسين متعدد الأغراض بدون الخطوة المتوسطة من مب. وعلاوة على ذلك، ومع تحديد النواتج النموذجية المناسبة، يمكن تقييم سلوك النظام عبر نطاقات زمنية ومكانية مختلفة، مع مراعاة التغذية المرتدة، التي غالبا ما تكون جزءا ضعيفا من نماذج النائب. ويمكن لتعقيد النظم الإيكولوجية الزراعية والعدد الكبير من المؤشرات المحتملة أن يعرقل التطبيقات الفعالة لهذه الطريقة المكثفة حسابيا. ولكن التقدم في الطاقة الحاسوبية أدى إلى العديد من التطبيقات في بحوث النظم الزراعية، والذهاب من المزرعة إلى المناظر الطبيعية (غروت وآخرون 2018؛ غروت وآخرون 2007؛ تيتونيل وآخرون 2007).

ويمكن أن توفر النهج المختلفة لتحليل المقايضة لكل منها نقاط القوة والضعف الرئيسية والجمع بين النهج فرصا معززة لإجراء تقييم واقعي ووثيق الصلة ومتكامل للنظم (الجدول 1). فعلى سبيل المثال، في كثير من الحالات، هناك حاجة إلى نهج تشاركية لتحديد أهداف ومؤشرات ذات مغزى، ولكنها ليست مناسبة لتحديد المقايضات المرتبطة بالتدخلات الممكنة بشكل موثوق. ويمكن استخدام النهج التجريبية والاقتصادية لقياس الحالة الراهنة للنظام الزراعي العام. ولكن في العديد من الحاالت، هناك حاجة إلى نماذج محاكاة لتحديد المؤشرات التي يصعب قياسها) على سبيل المثال، آثار اإلدارة على اإلنتاجية على المدى الطويل (واستكشاف خيارات تتجاوز تكوينات النظام وحدوده الحالية) الجدول 1 (. ويمكن أن يستخدم التحسين في تقييم إمكانيات التآزر والتخفيف من المفاضالت، ولكن محدودية تطبيقه عندما تلعب التقاليد والقواعد االجتماعية والثقافية دورا رئيسيا) ثورنتون وآخرون 2006 (.

ومن الواضح أن هناك حاجة إلى توليفات من التقنيات لإجراء تحليل للمقايضة. إن تحليل المعايير المتعددة هو مثال على هذا النهج المتكامل الذي يتم فيه الجمع بين أساليب المشاركة والتحسين: يتم ترتيب ترجيح المعايير الفردية في نماذج برمجة الأهداف جنبا إلى جنب مع أصحاب المصلحة، ومن خلال تغيير هذه الأوزان مع أصحاب المصلحة تحليل المقايضة (مثل روميرو و رحمن 2003).

10.4 نهج متدرج.

وتدل المناقشة أعلاه على أنه ينبغي الجمع بين نهج مختلفة لإجراء تحليل مقارن متكامل. غير أن توافر البيانات لن يسمح في كثير من الحالات بإجراء مثل هذه التحليلات المفصلة. التقنيات التي نوقشت في القسم السابق ليس فقط نقاط القوة والضعف المختلفة، ولكن أيضا مطالب البيانات المختلفة. عادة، النهج التجريبية والاقتصاد القياسي هي البيانات المطلوبة للغاية، في حين أن النهج التشاركية يمكن أن توفر معلومات أساسية عن أداء النظام بعد قليل فقط & # 8211؛ وأفرقة نقاش مصممة واستبيانات موجهة. ويمكن أن تكون نماذج المحاكاة والتحسين، من حيث الطلب على البيانات، في أي مكان بين هذه الظواهر المتطرفة. ويتحدد الطلب على البيانات بشكل كبير من خلال إعداد النموذج والتعقيد.

الجدول 10-1 نقاط القوة والضعف في النهج المختلفة لتحليل المقايضات في النظم الزراعية (الاستخدام الفعلي أو الحالي في المؤلفات العلمية، فائدة الفائدة المحتملة للتقنية)

قانون الاستخدام الفعلي أو الحالي في الأدب العلمي، وعاء فائدة محتملة من التقنية.

ومن الأمثلة على النهج المتدرج الذي ينتقل به الباحثون من تحليلات البيانات الأولية السريعة إلى عمليات معقدة أكثر تعقيدا للبيانات والنمذجة هو نهج الخطوات الأربع الذي يستخدمه فان نوردفيك وفريقه في المركز الدولي للحماية من الكوارث (ماين فان نوردويجك، الاتصالات الشخصية؛ انظر أيضا تاتا إت عام 2018 للخطوات الثلاث الأولى؛ فيلامور وآخرون (2018) لنهج القائم على النمذجة القائم على & # 8211.

هذا أربعة & # 8211؛ يوضح الطريقة التي يمكن بها الجمع بين نقاط القوة في الطرق المختلفة لتحليل المفاضلة، وكيف يمكن لهذا التحليل أن يتحرك تدريجيا نحو تمارين أكثر تعقيدا وتطلبا للبيانات.

الكل في كل شيء ليس من السهل تقديم المشورة الملموسة التي تتصل الغرض من التحليل إلى تقنية ونهج لاستخدامها. ويضع الباحثون خيارات شخصية حول التعقيد والنهج التحليلي كجزء من "فن" النمذجة والتحليل التجاري. هذا يصعب أحيانا التوفيق مع "الموضوعية" التي نسعى إليها في البحث العلمي. ومع ذلك، يمكن إعطاء بعض المؤشرات العامة.

إذا كان الهدف من التحليل هو تقييم الإمكانيات الكلية لتحسين النظام وغرفة المناورة لزيادة الكفاءة والربحية دون تأثيرات سلبية على المؤشرات البيئية، فإن نهج التحسين هي الخيار الأكثر منطقية. إذا كان الغرض هو تحليل قصيرة & # 8211؛ وطويلة & # 8211؛ والعواقب على المدى البعيد لبعض التدخلات والمفاضلة بين أهداف مختلفة على نطاقات زمنية مختلفة، ثم النمذجة المحاكاة هو مرشح واضح. ويمكن دمج هذا مع نوع من متعددة، غير الخطية الأمثل أو نهج النمذجة معكوس.

وعادة ما تستخدم كل من التحسين والمحاكاة للدراسات الموجهة علميا. ولتحقيق أثر واقعي، يأخذ ذلك في الاعتبار تعقيدات النظم الزراعية والتنوع الكبير في الدوافع والخيارات في استخدام الأراضي الزراعية، لا سيما في البلدان النامية، من المرجح أن تكون هناك حاجة إلى مجموعة متنوعة من النهج الكمية والنوعية (على سبيل المثال مورنغويني وآخرون، 2018). ويتعين تحديد إعداد هذه الأدوات، وتحديد المؤشرات، وعرض النتائج باستخدام نهج تشاركية يشارك فيها أصحاب المصلحة الرئيسيون ويدفعون القرارات منذ بداية المشروع. وهذا قد يؤدي إلى انخفاض قيمة الدراسة من حيث الجدة العلمية، ولكنه سيزيد من أهميتها العملية على أرض الواقع. ومع أخذ موضوع هذا الفصل في الاعتبار، فإنه من المفارقات أنه في كثير من الحالات قد يكون هناك مفاضلة بين الأثر العلمي والاجتماعي الذي يمكن تحقيقه من خلال مشروع بحثي له قيوده الخاصة من حيث الوقت والمال.

شكر وتقدير.

هذه الدراسة هي نتيجة لحلقة عمل بعنوان "تحليل المقايضات في النظم الزراعية" نظمت في جامعة فاغينينغن، فبراير / شباط 2018. نشكر جميع المشاركين على مناقشاتهم، التي ساهمت بقوة في مضمون هذا الفصل. وقد تم تمويل ورشة العمل والأعمال اللاحقة من قبل برنامج البحوث التابع للجماعة الاستشارية للبحوث الزراعية الدولية بشأن تغير المناخ والزراعة والأمن الغذائي، الموضوع 4.2: التكامل من أجل صنع القرار - البيانات والأدوات للتحليل والتخطيط. هذا الفصل هو نسخة معدلة وممددة من كلابويجك وآخرون. (2018).

الكاتب الانتماءات.

(1) مجموعة نظم الإنتاج النباتي، جامعة فاغينينغن، هولندا.

(2) المعهد الدولي للزراعة المدارية، كمبالا، أوغندا.

(3) المعهد الدولي لبحوث الثروة الحيوانية، نيروبي، كينيا.

(4) المركز العالمي للحراجة الزراعية، نيروبي، كينيا.

(5) برنامج بحوث الجماعة الاستشارية للبحوث الزراعية الدولية بشأن تغير المناخ والزراعة والأمن الغذائي، نيروبي، كينيا.

المراجع.

غونزالفس جف) 2018 (جدوى جديدة وآفاق أفضل لالستيعاب األوسع للتعلم االجتماعي داخل الجماعة االستشارية للبحوث الزراعية الدولية. كفس ورقة عمل رقم. 37 - برنامج بحوث الجماعة الاستشارية للبحوث الزراعية الدولية بشأن تغير المناخ والزراعة والأمن الغذائي، كوبنهاغن، الدانمرك. ccafs. cgiar / أسسد 13 مارش 2018.

للبحث عن كلمة أو عبارة في هذه الصفحة، استخدم كترل + F (سمد + F فور ماك).

للبحث عن جميع فصول أساليب القياس، استخدم وظيفة البحث البرتقالي أدناه.

لا يوجد مفاضلة بين السرعة والقوة في نظام رافعة ديناميكية.

أنظمة ليفر داخل قوة نقل هيكل عظمي بسعة تحددها الميزة الميكانيكية، A. A هي المسافة من قوة المدخلات إلى مفصل، مقسوما على المسافة من المفصل إلى قوة الإخراج. ذراع مع ارتفاع نسبيا A في توازن ثابت لديه قدرة كبيرة لتوليد القوة ولكن يتحرك حمولة على مسافة صغيرة. ولذلك، فإن هندسة ذراع الهيكل العظمي تقدم مقايضة بين القوة والسرعة تحت ظروف شبه ثابتة. هذه الدراسة تعتبر ديناميات الهيكل العظمي التي لا تفترض التوازن الساكن عن طريق النمذجة الركل من قبل الساق الجراد، الذي هو مدعوم من الطاقة المرنة المخزنة. ويتنبأ هذا النموذج بأن قوة خرج هذه الرافعة تتناسب مع A، ولكن السرعة القصوى لها مستقلة عن A. ولذلك، لا توجد مقايضة بين القوة والسرعة موجودة في نظام رافعة مع ديناميات الربيع والكتلة. وهذا يدل على أن حركة الهيكل العظمي تعتمد على القوى الرئيسية التي تحكم دينامياتها ولا يمكن الاستدلال عليها من هندسة الهيكل العظمي وحده.

1 المقدمة.

هندسة هيكل عظمي يؤثر على قدرة الحيوان على توليد القوة والتحرك بسرعة [1]. الميزة الميكانيكية (A) يقيس الرافعة المالية حول مفصل، وبالتالي، يوفر مؤشرا للأداء الحيوي الحيوي. A هي المسافة من قوة الإدخال إلى المفصل، مقسوما على المسافة من المفصل إلى قوة الانتاج (الشكل & # x000a0؛ 1 أ). تحت التوازن الساكن، انتاج القوة من قبل ذراع يساوي نتاج قوة المدخلات و a. وتكون سرعة الإخراج مساوية لسرعة الإدخال، مقسومة على A (الشكل & # x000a0؛ 1 ب). لذلك، يشير A إلى ما إذا كان الهيكل العظمي هب مع القدرة على قوة عالية أو سرعة سريعة في ظل ظروف شبه ثابتة [1 & # x02018؛ 3].

ومن غير الواضح ما إذا كانت هناك مفاضلة بين القوة والسرعة في ظل ظروف دينامية. على سبيل المثال، المقاومة الناتجة عن كتلة في نهاية إخراج ذراع يعتمد على معدل تسارع. إذا كانت قوة الإدخال ثابتة، فإن ذراع منخفض A سوف يتسارع ببطء أكثر من رافعة عالية A بسبب ضعفها نسبيا الرافعة المالية. وعلى النقيض من حالة شبه ثابتة، تشير هذه الحالة الديناميكية إلى أن الرافعة ذات الارتفاع النسبي A تولد قوة أكبر وتحقق سرعة عالية بسرعة أكبر.

هذه الدراسة تعتبر العلاقة بين السرعة و A في نظام رافعة ديناميكية. على وجه الخصوص، لقد وضعت نموذج الركل من قبل الساق ميتاثوراسيك من الجراد، الذي هو مدعوم من الطاقة المرنة المخزنة وقاومت في المقام الأول من كتلة الساق [4]. على عكس العضلات، القوة والطاقة الناتجة عن نظام مرن مستقلة عن معدل الانكماش. هذه البساطة النسبية تسمح للنظر مركزة من آثار الهيكل العظمي الهندسة على الأداء الميكانيكي الحيوي. وعلاوة على ذلك، فإن هذا النظام الكلاسيكي لديه التشكل والخصائص الميكانيكية والحركية التي تم وصفها جيدا [5 & # x02018؛ 7]، الذي يوفر أساسا للتحقق النموذج.

2. المواد والأساليب.

ركلة ساق الجراد تم نمذجة رياضيا من خلال النظر في عزم الدوران الذي تم إنشاؤه في المفصل بين عظم الفخذ والساق (الشكل & # x000a0؛ 1 ج) باستخدام قيم المعلمة المقاسة سابقا [5 & # x02018؛ 7]. يتم إنشاء هذا العزم من قبل قوة الربيع (F الربيع) التي أنشأتها هياكل مرنة داخل الساق:

حيث k هو صلابة الربيع و L هو المسافة تم تمديد الربيع خارج طول يستريح لها. المكون من هذه القوة العادية إلى الرافعة (F الربيع الخطيئة & # x003b8؛، حيث & # x003b8؛ هي زاوية الساق) يخلق عزم الدوران الذي يعتمد على المسافة بين تطبيق القوة والمفصل (ل في). هذا العزم يدفع تسارع كتلة الساق، على النحو الذي تحدده المعادلة الحاكمة:

حيث أنا هي لحظة الساق من الجمود (I = 6.3 غرام مم 2، على غرار اسطوانة مع حجم وكتلة الساق والطرسوس، م = 21 ملغ)، وهو تسارع دوران من قبل الساق. على الرغم من أن هذه المعادلة يمكن حلها تحليليا للانحرافات الصغيرة، وجدت أنه من الضروري استخدام حلالا العددية للرحلات الكبيرة التي تحققت خلال ركلة. تم إجراء عمليات المحاكاة بطريقة رونغ و # x02018 من الدرجة الرابعة صريحة في طريقة M أتلاب (2009، ماثوركس، ناتيك، ما، الولايات المتحدة الأمريكية) للعثور على موضع وسرعة () زاوية الساق مع الشروط الأولية التالية : & # x003b8؛ o = 6 & # x000b0 ؛، o = 0 & # x000b0؛ s & # x02212؛ 1. تم اختبار هذه الكينماتيكا ضد القياسات السابقة [6] ووفرت الأساس للحسابات النشيطة. تم حساب الطاقة المرنة من ساق الربيع (E مرونة) والطاقة الحركية (E الحركية) من الساق على النحو التالي:

تم النظر في تأثير A على حركيات الساق من قبل سلسلة من المحاكاة. تم تعريف A من خلال علاج لحظة الجمود ككتلة نقطة على مسافة ثابتة (لتر) من المشترك:

ويتساوى التسارع عند هذه النقطة (= l أوت) مع الميزة الميكانيكية (A = l إن / l أوت)، كما يتضح من شكل بديل للمعادلة الحاكمة (2):

(A) و = x0003c؛ 50.7، مع l = 0.76 مم) و l في (0.87 مم & # x0003c؛ l في & # x0003c؛ 1.73 ملم، مع l أوت = 17.3 مم) على فترات منتظمة. لكل محاكاة، تم تسجيل السرعة القصوى لكتلة النقطة (v ماكس) والوقت للوصول إلى هذا الحد الأقصى (& # x003bb؛).

ويتوقع النموذج أن سرعة الساق تزداد كدالة على شكل سيني من الزمن (الشكل & # x000a0؛ 2 أ)، كما يتم نقل الطاقة المرنة من ربيع الساق إلى الطاقة الحركية للساق والطحص (الشكل & # x000a0 ؛ 2 ب). ويتوقع النموذج v ماكس = 59.3 & # x000b0؛ m s & # x02212؛ 1 (تحقق في غضون 6.7 مللي ثانية، حيث L o = 1.5 مم، k = 0.3 N مم & # x02212؛ 1)؛ وهذا يشبه القياسات السابقة (حوالي 55 & # x000b0؛ م s & # x02212؛ 1 في حوالي 6 مللي ثانية؛ [6]). وقد وجد أن نسبة أقصى قوة خرج (F أوت، ماكس) إلى أقصى قوة دخل (F إن، ماكس) تعادل A (الشكل & # x000a0؛ 2 c). وكانت السرعة القصوى مستقلة عن A وتوقعت بالضبط من خلال مساواة الطاقة الحركية القصوى إلى الطاقة المرنة القصوى (المعادلات (2.3) و (2.4)، حيث):

وكان الوقت للوصول إلى السرعة القصوى متناسبا عكسيا مع A في المحاكاة حيث كان l خارجا، ولكن تحجيمها مع A إلى قوة & # x02212؛ 0.74 عند تغيير l في (الشكل & # x000a0؛ 2 د).

4. مناقشة.

يقدم النموذج الحالي تفسيرا للهندسة الهيكلية، وهو تباين مع النظرية الحالية. في الركل من الساق الجراد، وقيمة كبيرة من A تنتج قوة أكبر وتحقيق سرعة عالية بسرعة أكبر من رافعة مع أصغر A (المعادلة (2.6)، الشكل & # x000a0؛ 2 ج & # x02018؛ د). وعلاوة على ذلك، A لا يؤثر على السرعة القصوى للركلة، والتي يمكن التنبؤ بها فقط من كمية الطاقة المرنة المخزنة وكتلة النظام (المعادلة (3.1)، الشكل & # x000a0؛ 2 ج). ولذلك، فإن هندسة نظام رافعة مع ديناميات الربيع الكتلة لا تقدم مفاضلة بين القوة والسرعة. هذه النتيجة تختلف عن تنبؤات النظرية الحالية (الشكل & # x000a0؛ 1 أ، ب) لأن النموذج الحالي لا يفترض أن القوى التي تعمل في توازن ثابت (كما في [1،3]).

هذه الدراسة محدودة في قدرتها على تقديم نموذج عام للديناميات الهيكل العظمي. نموذج الساق الجراد يفترض الحفاظ على الطاقة، وهو مناسب لساق الجراد الركل لأن كتلته توفر المصدر الرئيسي للمقاومة للحركة، مع فقدان ضئيل للطاقة [5،6]. ومع ذلك، فإن هذا الافتراض سوف تنتهك في النظم حيث يتم نقل الطاقة الهامة للبيئة المحيطة أو فقدت لتخفيف الداخلي. وعلاوة على ذلك، فإن تخزين الطاقة المرنة التي تحكم حركة ساق الجراد تعمل بشكل مختلف عن العضلات. والعضلات، وهي المصدر الأكثر شيوعا للطاقة الميكانيكية بين الحيوانات، تتحرك ببطء أكبر عندما تواجه حمولة أكبر [9]. لذلك، قوة غير الخطية & # x02018؛ سرعة مقايضة ممكنة في العتلات التي تعمل بالطاقة. الساق الجراد لا تشمل هذه الديناميات، وبالتالي، لا نموذج العلاقة بين A وسرعة لكثير من النظم التي تعمل بالطاقة العضلية.

على الرغم من أنه لا يقدم نموذجا عاما لديناميكيات الهيكل العظمي، فإن ساق الجراد يوضح بعض القيود على النظرية الحالية. قوة و # x02018؛ وتوقع سرعة المفاضلة عندما يمكن افتراض سرعة الإدخال لمواجهة المقاومة الميكانيكية التي هي مستقلة عن الحركة ذراع (الشكل & # x000a0؛ 1 ب). وينتهك هذا الافتراض شبه الساكن في ساق الجراد لأن الجمود في الساق يخلق مقاومة تعتمد على تسارع الساق. وينتهك هذا الافتراض أيضا للسباحة أو الحيوانات الطائرة، حيث المقاومة الديناميكية السوائل تختلف مع السرعة، أو مربع السرعة، من الزائدة. لذلك، فإن العلاقة بين الميزة الميكانيكية لنظام الرافعة وحركتها تعتمد على طبيعة المقاومة الميكانيكية وقدرة العضلة أو الربيع الذي يجبر النظام على التغلب على هذه المقاومة. ولذلك، هندسة الهيكل العظمي يوفر وسيلة ضرورية، ولكن غير كافية، لتوصيف الأداء الديناميكي لنظام رافعة.

شكر وتقدير.

تطورت هذه الدراسة من المحادثات مع S. باتيك، M. ويستنيت، J. ستروثر و A. سامرز، لم تتطلب موافقة رعاية الحيوان المؤسسية، وكان بدعم من نسف (يوس-0952344).

تحليل المقايضات في النظم الزراعية: الوضع الحالي والمضي قدما.

يسلط الضوء.

ونستعرض التطورات الحديثة في تحليل المقايضة في النظم الزراعية.

وقد تطورت أساليب إجراء تحاليل المقايضة تطورا كبيرا في السنوات الأخيرة.

ولم يحسن التقدم من قدرتها المحدودة على إبلاغ عملية اتخاذ القرارات العملية.

ونحن نقدم اقتراحات ملموسة لتحسين هذا الوضع.

وأصبح تحليل المقايضة نهجا متزايد الأهمية لتقييم نتائج مستوى الإنتاج الزراعي على مستوى النظام ولإعطاء الأولوية لاستهدافات الإدارة واستهدافها في المناظر الطبيعية الزراعية المتعددة الوظائف. ونقوم باستعراض أحدث ما توصل إليه تحليل المقايضة، وتقييم مختلف التقنيات عن طريق استكشاف مثال ملموس للمقايضات حول استخدام مخلفات المحاصيل في نظم زراعة الحيازات الصغيرة. وقد تطورت تقنيات إجراء تحاليل المقايضة بشكل كبير في السنوات الأخيرة بمساعدة من التقدم الرياضي، وزيادة القدرة الحاسوبية، والرؤى الناشئة في سلوك النظم. الجمع بين تقنيات مختلفة يسمح لتقييم جوانب سلوك النظام عبر وجهات نظر مختلفة، وبالتالي توليد المعرفة التكميلية. ومع ذلك، فإن هذا ال يحل التحدي األساسي: فالتحاليل المفاضلة دون مشاركة كبيرة من أصحاب المصلحة غالبا ما يكون لها فائدة عملية محدودة لتوجيه عملية صنع القرار العملي. ونقترح طرقا لدمج النهج وتحسين إمكانيات التأثير المجتمعي لتحليلات المقايضة في المستقبل.

ديناميات النظام الذكية.

وتركز البحوث الديناميكية للنظام الذكي على تطوير وتنفيذ / تحقيق والتحقق التجريبي للمفاهيم الميكاترونية المبتكرة التي تهدف إلى تحسين أداء النظم الديناميكية فيما يتعلق الاهتزازات، وانبعاث الضوضاء، والسلامة، والإنتاجية في كثير من الأحيان في المفاضلة مع كفاءة استخدام الطاقة. ويجمع هذا البحث بين تطوير الأنظمة الذكية لتطبيقات محددة، والتحقق من صحتها التجريبية وتنفيذها الصناعي، مع وضع منهجيات التصميم والتحليل والنمذجة ودعم المساهمات النظرية.

وتركز الموضوعات البحثية الرئيسية على التعلم التكراري ومنهجيات تصميم التحكم المتكرر للأنظمة الخطية وغير الخطية وتطبيقها في التحكم النشط بالضوضاء والاهتزازات، وعلى منهجيات تحديد الهوية والتحكم في الأنظمة المتغيرة المعلمة الخطية، وعلى تطبيق التحكم التنبئي النموذجي السريع وتقدير الأفق المتحرك على الأنظمة الميكاترونية، ووضع مخططات خفض نموذجية متقدمة (بارامترية) لاستراتيجيات التحكم القائمة على النماذج، واستراتيجيات اقتران متعددة الأبعاد 1D-3D للمحاكاة الميكاترونية على مستوى النظام والتحسين، وعلى تطوير وتطبيق الحقيقي المراقبين الدولة الوقت.

التطبيقات المستهدفة هي في الغالب في مجالات الميكاترونيك مركبة، الآلات الصناعية وخفيفة الوزن لوحات خفيفة والهياكل.

مواضيع البحث:

البنية التحتية الديناميكية.

البنية التحتية الديناميكية هي موضوع هندسي يدرس عموما سلوك الأنظمة الميكانيكية عن طريق اقتران مكوناتها الفرعية. العكس، حيث يتم دراسة المكون الذي يمكن اختباره فقط عندما يكون على جهاز اختبار، وغالبا ما تكون مفيدة أيضا عندما يكون العنصر اختبار إما ثقيلة جدا، هشة أو جزء من محرك القطار. ويركز البحث الحالي على الفصل الأساسي القائم على فرف. والهدف من ذلك هو جعل البنية التحتية التجريبية أكثر قوة للضوضاء وأخطاء القياس الأخرى، حيث أن تضخيم هذه التناقضات هو عنق الزجاجة الرئيسي لهذه التقنيات التجريبية لتصبح أكثر انتشارا.

تقنيات تقليص النظام النموذجي لمحاكاة نماذج مستوى النظام.

عالية الدقة، ونماذج على مستوى النظام تمكن من تحسين كبير في تصميم ورصد أنظمة الميكاترونيك. وعادة ما تكون هذه النماذج شبكة منظمة مع النماذج القائمة أو المرسومة القائمة على التقسيم. إن التحسين على مستوى النظام، بدلا من مستوى المكون، هو أمر حتمي للتلاقي مع السرعة العالمية لمؤشرات الأداء في حالة الأنظمة الفرعية المقترنة بقوة. وهناك حاجة إلى العديد من المحاكاة خلال التحسين. لذلك، فإن البحث يركز على تطوير تقنية تخفيض نموذج لخفض العبء الحسابي لمحاكاة نماذج مستوى النظام مع مجموعة كبيرة من المعلمات، مع وجود تبعيات غير خطية قوية.

رواية غير الخطية النموذجية تقنيات الحد من أجل محاكاة ديناميكية من أنظمة الميكاترونيك.

يتم تطوير نماذج الميكاترونيك في مرحلة التصميم لوصف وتحسين أداء النظم. تميل هذه النماذج إلى إحداث صعوبات فيما يتعلق بالنمذجة العددية والمحاكاة بسبب (1) عدد كبير من درجات الحرية (2)، مقترنة بقوة معادلات غير خطية، (3) فرق تردد واسع بين السلوك المهيمن من المجالات الفيزيائية المختلفة و (4) التبعيات البارامترية غير الخطية بقوة. للتغلب على العبء الحسابي بسبب العدد الكبير من دوفس، ينبغي تخفيض النموذج. الحالة الراهنة للفن في الحد من نموذج نموذج ليست مناسبة تماما للتعامل بطريقة فعالة مع الخصائص الموصوفة. ولذلك، فإن الهدف هو تطوير غير الخطية، نموذجية نموذج خفض النظام تقنية مثل أن النموذج الميكاترونيك انخفاض يطرح مشاكل أقل في المحاكاة. وينبغي أن يؤدي ناتج البحث إلى نماذج مخفضة حدودي ة تصف النظم المعقدة ولكنها تتسم بالكفاءة الحسابية ودقيقة بعد. النماذج مع هذه الخصائص مناسبة بشكل خاص للتحليل العكسي واستكشافات مساحة التصميم.

كفاءة تصميم مستوى النظام الأمثل لتصميم أنظمة الميكاترونيك.

أنظمة الميكاترونيك الحديثة تظهر تفاعلات قوية (ديناميكية) بين مختلف (مولتيفيسيكال) مكونات. وهذا يجعل من الصعوبة بمكان تصميم نظام بأسلوب كلاسيكي بشكل فعال حيث يجري تحسين مستوى المكون في كثير من الأحيان تحت افتراض ظروف السطح البيني الثابت. ومع ذلك، فإن التصميم على مستوى النظام المقترن بالكامل يطرح، من الناحية العملية، تحديات بسبب العدد الكبير من معلمات التصميم والمحاكاة الباهظة التكلفة للنظام. ويركز هذا المسار البحثي على الاستفادة المثلى من مخططات التحسين التلقائي وخفض نماذج النظام من أجل الحد من الحمل الحسابي لهذه التمارين التصميم.

تطبيق غير الخطية نموذج خفض الطلب والاستشعار الظاهري لسيارات الركاب تصميم الإطارات.

من أجل تلبية متطلبات أداء الإطارات، وتستخدم نماذج في غير الخطية للغاية لمحاكاة آثار تغييرات التصميم وتستخدم نتائج المحاكاة لتحديث تصميم الإطارات بطريقة تكرارية. يتم بناء النماذج الاطارات بعد التصميم الجديد ويتم التحقق من نتائج محاكاة في عن طريق القياسات المأخوذة من النماذج الأولية. هذه العملية مرهقة ويقيدها تعقيد نماذج في غير الخطية وإعداد القياس. ومن خلال تطبيق تقنيات خفض الطلب النموذجية غير الخطية (نلمور) على نماذج في وفي تقنيات الاستشعار الظاهري (فس) على النماذج الأولية، يمكن جعل عملية التصميم هذه أكثر كفاءة.

نمذجة ترادوف في صناعة كسر السفن النظر في جوانب الاستدامة: نهج ديناميات النظام ☆

وتوفر صناعة كسر السفن حوافز للبلدان النامية. وبالتالي، فإنه يمثل حافزا اقتصاديا للبلاد. ومن ناحية أخرى، يسهم نشاط كسر السفن في المواد الخطرة التي تؤدي إلى اختلال التوازن الإيكولوجي لمنطقة التعرض. وعلاوة على ذلك، عملية كسر السفينة بأي معيار هو الاحتلال خطير بسبب التسمم من المواد الخطرة والحوادث التي وقعت على المؤامرات. وفي ضوء ذلك، فإن فوائد الاقتصاد والخسارة الاجتماعية والبيئية فيما يتعلق بصناعة كسر السفن قابلة للنقاش. وتلاحظ هذه الدراسة التبادل بين فقدان وفائدة صناعة كسر السفن. تم إنشاء نموذج لصناعة كسر السفن النظر في القضايا الاقتصادية والبيئية والاجتماعية باستخدام نظام ديناميكي. النموذج المقترح يلتقط الحساسية المتغيرة في حين يتفاعل كل متغير مع آخر. ويمكن النظر في النتيجة المتعلقة بتنظيم وتنفيذ السياسات فيما يتعلق بكسر السفن وجوانبها، ولا سيما في البلدان النامية.

اختيار واستعراض الأقران تحت مسؤولية لجنة المؤتمر ستين وبدعم من جامعة كيوتو. (غسو-إس) و (غسو-هس) و (كساس) و (ريش) و (غسو-أرس) و (غس) كمضيفين مشتركين.