Учёные впервые решили применить метод математической статистики, его ещё называют «методом Тагути», для выращивания зелени на вертикальной ферме. Исследователи поделились результатами в статье «Оптимизация условий выращивания при вертикальном земледелии: повышение эффективности выращивания салата-латука и базилика за счёт применения метода Тагути», которая опубликована в издании Nature.
Что за метод Тагути?
В конце 1960-х годов японский специалист по статистике Гэнъити Тагути (Genichi Taguchi) разработал метод математической статистики применительно к задачам планирования эксперимента и контроля качества. Совокупность своих идей Тагути назвал «методом надёжного проектирования».
Тагути предложил характеризовать производимые изделия устойчивостью технических характеристик. Он внёс поправку в понятие случайного отклонения, утверждая, что существуют не случайности, а факторы, которые иногда трудно поддаются учёту. Важное отличие метода Тагути заключается в отношении к основополагающим характеристикам произведённой продукции — качеству и стоимости. Отдавая приоритет экономическому фактору (стоимости), он тем не менее увязывает стоимость и качество в одной характеристике, названной функцией потерь.
При этом одновременно учитываются потери как со стороны потребителя, так и со стороны производителя. Задачей проектирования является удовлетворение обеих сторон.
Тагути создал надёжный метод расчёта, использовав отношение сигнал/шум, применяемое в электросвязи, которое стало основным инструментом инжиниринга качества. Основоположник нового метода ввёл понятие идеальной функции изделия, определяемой идеальным отношением между сигналами на входе и выходе. Факторы, являющиеся причиной появления отличий реальных характеристик продукции от идеальных, Тагути называет шумом.
К сути эксперимента на вертикальной ферме
Группа учёных провела серию экспериментальных исследований, в ходе которых изучалось влияние различных факторов окружающей среды на рост растений салата и базилика на вертикальных фермах. В исследовании как раз использовался метод Тагути. Сокращая время и затраты на разработку и проведение экспериментов, этот метод позволил одновременно исследовать множество факторов окружающей среды, влияющих на рост растений. В общей сложности было выбрано 27 обработок с использованием подхода Тагути, и было рассчитано отношение сигнал/шум для прогнозирования оптимальных уровней каждого условия окружающей среды для максимизации параметров роста базилика и латука.
Результаты показали, что большинство параметров, за исключением EC (показатель того, насколько хорошо та или иная среда (обычно вода) проводит электричество) и относительной влажности для определённых параметров роста, были взаимосвязаны друг с другом. Для подтверждения результатов были проведены подтверждающие тесты на основе прогнозируемых оптимальных параметров. Низкое соотношение ошибок между ожидаемыми и прогнозируемыми значениями (1–3%) подтвердило эффективность подхода Тагути для определения оптимальных условий окружающей среды для роста растений на вертикальных фермах.
Важные выводы
Оказалось, что EC и светодиодное освещение занимают первое место среди всех факторов производства биомассы в салате-латуке. CO2 оказывает наименьшее влияние на все измеренные параметры роста листьев салата, за исключением массы высушенных и свежих листьев. Однако ночная температура оказывает наименьшее влияние на вес свежих и сушёных листьев. Влажность влияет на все параметры роста салата больше, чем дневная/ночная температура. Дневная температура была более важна, чем ночная, для измеренных параметров роста салата-латука.
EC и LED-освещение оказывают наибольшее влияние на все изученные параметры роста базилика. Влажность оказывает наименьшее влияние на все измеренные параметры роста базилика, за исключением массы свежих листьев.
Проведя несколько десятков тестов, учёные пришли к выводу, что метод Тагути обладает рядом преимуществ для экспериментальных исследований для аграрного сектора.
Прежде всего, этот метод позволяет эффективно исследовать множество факторов одновременно, сокращая число экспериментов, что, в свою очередь, экономит как время, так и ресурсы. Так, исследователи провели 27 экспериментов, но если бы не применялся метод Тагути, то их число бы не превышало 18.
Кроме того, метод Тагути обеспечивает надёжные результаты даже при меньшем размере выборки, обеспечивая высокий уровень точности и надёжности. Метод математической статистики позволяет эффективно выявлять взаимодействия между факторами и количественно оценивать их индивидуальное и совокупное воздействие на желаемый результат.