บทที่ 1
บทนำ
ความเป็นมาและความสำคัญของปัญหา
พลังงาน เป็นสิ่งสำคัญต่อการอุปโภค หรืออาจจะเป็นปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งที่ทำให้สังคมมนุษย์ มีความสะดวกสบายได้จากการใช้พลังงาน เพื่อขับขี่เครื่องยนต์ เครื่องจักร โดยพลังงานมีหลายชนิด เช่น พลังงานจากน้ำ พลังงานไฟฟ้า พลังงานจากน้ำมัน เป็นต้น ซึ่งในปัจจุบัน เราจะเห็นได้ว่าราคาน้ำมันได้มีการปรับราคาสูงขึ้น การวิจัยเพื่อหาพลังงานทดแทน เพื่อให้ได้พลังงานที่ราคาถูกและใช้งานได้เทียบเท่าจึงเป็นสิ่งจำเป็น ปัจจุบันได้มีการพัฒนาการกลั่นน้ำมันจากต้นปาล์ม และสบู่ดำ แต่เทคโนโลยี ปัจจุบันยังทำให้การผลิตมีต้นทุนสูง ดังนั้น หากเราสามารถหาแนวทางที่มำให้มีผลผลิตสูงขึ้น อาจทำให้การลงทุนมีความคุ้มค่า
ด้วยเหตุนี้ เราจึงสนใจปัญหาที่อาจนำไปสู่การเพิ่มผลผลิตของพืชสบู่ดำนี้ขึ้น สบู่ดำมีชื่อว่า Jatropha Curcas Linn. ชื่อในภาษาอังกฤษว่า Jatropha หรือ Physic Nut เป็นพืชที่สามารถนำมาสกัดเป็นน้ำมันดีเซล และยังมีสรรพคุณทางด้านอื่นๆอีก เช่น ใช้ก้านใบในการรักษาโรคปากเปื่อย ปากนกกระจอก กิ่งใบของต้นสบู่ดำ เป็นสมุนไพร และ เชื้อเพลิง รวมทั้งนำไปผลิตเป็นกระดาษอัด เปลือกลำต้นนำมาทำเป็นสีย้อมผ้าและด้าย เป็นต้น
วัตถุประสงค์ของการวิจัย
เพื่อสร้างแบบจำลองการเจริญเติบโตของต้นสบู่ดำ ที่พิจารณาจากปริมาณการให้น้ำและปุ๋ยที่ส่งผลต่อปริมาณผลผลิตที่ดีที่สุด
ขอบเขตของการวิจัย
ข้อมูลที่นำมาใช้พิจารณาแบบจำลองเป็นข้อมูลที่ได้จากการทดลอง ในการถางเป็นต้นเดี่ยว และพิจารณาสิ่งแวดล้อมเฉพาะปริมาณน้ำและปุ๋ยที่พืชได้รับ โดยเก็บข้อมูลจากการปลูกอย่างน้อย 3 ครั้งในแต่ละ 1 กรณี
ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ
แบบจำลองที่ได้จะสามารถนำไปใช้ทำนายผลผลิตเบื้องต้น ในสภาพแวดล้อมที่คล้ายคลึงกับแบบทดลอง และมีการปรับปริมาณน้ำและปุ๋ย
-------------------------------------------------------------------------
บทที่ 2
แนวคิดทฤษฎีและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง
รูปที่ 2.1 เป็นการแสดงขั้นตอนของ Visualization
ที่มา Fig. 1. The visualization pipeline along with client-sever scenarios. (IEEE transactions on visualization and computer graphics, Vol. 6 No. 1, January – March 2000 page 9)
ทฤษฎีตัวแบบทางคณิตศาสตร์โครงข่ายประสาทเทียม (Neural Networks)
เป็นทฤษฎีที่ใช้โครงข่ายแบบเคลื่อนที่ไปข้างหน้า Feedforward neural network (FNNs) ข้อมูลที่ประมวลผลในวงจรข่ายจะถูกส่งไปในทิศทางเดียวจาก Input nodes ส่งต่อมาเรื่อย ๆ จนถึง output nodes โดยไม่มีการย้อนกลับของข้อมูล หรือแม้แต่ Nodes ใน layer เดียวกันก็ไม่มีการเชื่อมต่อกัน นำมาช่วยในการสร้างตัวแบบจำลองการเติบโตของต้นสบู่ดำซึ่งจะให้ได้ผลการทำนายการเจริญเติบโตที่ใกล้เคียงความเป็นจริงมาก
รูปที่ 2.2 รูปแสดง Model ของ Neuron ในคอมพิวเตอร์
รูปที่ 2.3 รูปเป็นการแสดงสถาปัตยกรรมของ Feedforward network
เทคโนโลยี Plant VR
โปรแกรมการจำลองการเติบโตของต้นไม้ มันถูกพัฒนามาจาก Lindenmayer System
(L-Systems) เป็นวิธีเขียนซ้ำสามารถทำงานบน Windows 95/98/NT โดยผู้ใช้ สามารถสังเกตการเติบโตของต้นไม้ในมุมมอง 3 มิติ L- Systems ได้ถูกนำมาใช้ เพื่อออกแบบรูปทรงลักษณะเฉพาะ จะประกอบด้วย axiom และ rules การพัฒนาตัวแบบต้นไม้ถูกควบคุมโดยฟังก์ชันของคณิตศาสตร์ ที่สอดคล้องกับเวลาที่ต้นไม้ เจริญเติบโตของ วงจรชีวิต โปรแกรมนี้สามารถนำไฟล์ออกมาใช้ในการทำแอนิเมชัน รูปแบบไฟล์เป็นนามสกุล gif และสร้างการพัฒนาการของต้นไม้ เทคนิคของ Visualization ทำให้ต้นพืชที่ได้มีความเสมือนจริงยิ่งขึ้น
รูปที่ 2.4 การพัฒนาของการเจริญเติบโตของต้นไม้ที่เริ่มมีดอกจนถึงได้ผลผลิตสุก
เทคโนโลยี L – systems
เทคโนโลยี L- System เป็นFormal Grammar การตั้งค่าของกฎและสัญลักษณ์ ส่วนใหญ่มักนิยมใช้ตัวแบบกระบวนการพัฒนาการเจริญเติบโตของต้นไม้ตลอดจนสามารถทำตัวต้นแบบเป็นโครงสร้างและรูปแบบของสิ่งมีชีวิตได้หลายประเภท L-system ยังสามารถให้เกิดความเหมือนตัวในมันเองที่เป็นส่วนเล็กๆ เช่น ระบบฟังก์ชันการทำซ้ำ โครงสร้างของอัลกอริทึมที่ถูกแนะนำเป็นตัวต้นแบบ ที่สามารถเป็นตัวแบบในการพัฒนาสิ่งมีชีวิต หลายๆเซลล์อย่างง่าย ในช่วงของการเจริญเติบโต และ การตาย ของเซลล์ที่มีลักษณะเฉพาะ
รูปที่ 2.5 รูปแสดงโมดูลที่ดีเยี่ยม และ กลุ่มของโมดูล (ที่ล้อมรอบด้วยเส้นประ) ใช้บรรยายต้นไม้
ที่มาจาก The original version of this apper appeared in M.T. Michalewicz (Ed.): Plants to Ecosystems. Advances in Computational Life Sciences, CSIRO, Collingwood, Australia 1997, pp. 1-27
รูปที่ 2.6 การพัฒนาตัวต้นแบบ ของใบเลี้ยงคู่ ถูกทำเป็นตัวแบบเท่ากับรูปร่างของ ส่วนยอด
และระหว่างโหนด
งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง
การพัฒนาวิธีการศึกษาด้วยตนเอง อาจจะมีการพัฒนาจากหลายรูปแบบ โดยมีงานวิจัยจากนักศึกษาระดับปริญญาโทของมหาวิทยาลัยต่างๆ ซึ่งเป็นตัวอย่างและเป็นแนวทางด้านความคิด ให้เกิดแรงผลักดันในการทำการวิจัยแบบจำลองความสัมพันธ์ระหว่างน้ำและปุ๋ยที่มีผลต่อจำนวนของเมล็ดสบู่ดำ
วิทยานิพนธ์ ของ คุณสมพร ช่วยอารีย์ ได้ทำวิจัยเกี่ยวกับเรื่อง “An algorithm for simulation and visualization of plant shoots growth” ขั้นตอนวิธีสำหรับการจำลองและการสร้างภาพนามธรรมของการเจริญเติบโตของลำต้นพืช เป็นการวิจัยในการเจริญเติบโตของพืช ณ เวลาต่างๆโดยใช้ L – Systems ด้วยวิธี Parametric Functional Symbols ในการสร้างภาพเคลื่อนไหวของการเจริญเติบโตของพืชให้เป็นไปตามธรรมชาติมากขึ้นและ เจริญเติบโตอย่างราบรื่น ซึ่งสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการสร้างต้นไม้ชนิดอื่นๆ ได้ด้วยหลัก ของ Bracketed L-Systems นักศึกษาคณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์ มหาวิทยาลัย, 2543
วิทยานิพนธ์ของ Richard William Bukowski[8,9] ได้พัฒนาระบบ Walkthru Editor เพื่อใช้สำหรับแก้ไขวัตถุ 2 มิติ และ 3 มิติ ในสภาพแวดล้อม 3 มิติ โดยไม่ขึ้นกับโปรแกรมที่สร้างวัตถุและ ระบบ Interactive Walkthrough Environment for simulation เพื่อขยายความสามารถของระบบ “The Berkeley Architectural WALKTHRU System” โดยเพิ่มฐานข้อมูลของวัตถุแบบใหม่และสนับสนุนการจำลองสถานการณ์ของผู้ใช้หลายๆคน และ รองรับการทำงานได้มากขึ้น
วิทยานิพนธ์ของ Hanan, J. เรื่อง “Virtual Plants Integrating architectural and physiological plant models” The Modeling and Simulation Society of Australia, Proceedings of ModSim 95, 1:44-50, 1995
วิทยานิพนธ์เรื่อง Animation of L-system based 3-D Plant Growing in Java Tong Linของ David S. Ebert (Advisor), Assistant Professor of Computer Science Charles Abzug (Reader), Instructor in Computer Science http://www.csee.umbc.edu/~ebert/693/TLin/
ผลของการวิจัยเรื่องนี้ คือ การทำแบบจำลองภาพการเติบโตของต้นไม้ในคอมพิวเตอร์
วิทยานิพนธ์เรื่อง “Interactive Modeling of Plants” ของ Lintermann, B and Deussen, O., IEEE Computer Graphics and Applications, 19(1): 56-65, January 1999
วิทยานิพนธ์ ของ Mitch Allen, Przemyslaw Prusinkiewicz, and Theodore DeJong. เรื่อง“Using L-systems for modeling source-sink interactions, architecture and physiology of growing trees: the L-PEACH model”. New Phytologist 166, pp. 869-880. ผลของการวิจัยเรื่องนี้ ได้ทำแบบจำลองระหว่างการพัฒนาโครงสร้างของต้นไม้ และ แก้ปัญหาความไม่เท่ากันของผลต่างอนุพันธ์ สำหรับการจัดสรรและ การไหลของธาตุคาร์โบไฮเดรต
------------------------------------------------
บทที่ 3
แนวทางการศึกษาวิจัยและพัฒนาระบบ
ขั้นตอนและวิธีการดำเนินการ
วิธีการดำเนินการ เราจะต้องทำการ ศึกษาข้อมูลการปลูกต้นสบู่ดำ และข้อมูลผลผลิตจากประเทศต่างๆนำขั้นตอนการปฏิบัติการปลูกและดูแลรักษาต้นสบู่ดำจาก หนังสือ Joachim Heller. 1996. Physic nut, IPGRI, Rome, Italy. page 36 และ หนังสือพิมพ์มติชน วันที่ 1 ตุลาคม 2548 ปีที่ 18 ฉบับที่ 368 Website http://www.jatrophaworld.org http//www.svlele.com/jatropha_plant.htm
รวบรวมข้อมูลลักษณะการเจริญเติบโตของต้นสบู่ดำ อยู่ในการควบคุมน้ำและปุ๋ย โดยจัดเป็นชุดการทดลองเป็น 5 ชุด โดยมีตัวแปร ตามอัตราส่วน เป็น 5 กรณี ตามตารางนี้ ใช้จำนวนต้นสบู่ดำที่นำมาทดลองทั้งหมด 50 ต้น
ตารางที่ 3.1 ตารางชุดการทดลองทั้ง 5 กรณี โดยควบคุมตัวแปรน้ำ และ ปุ๋ย
ทำการตรวจสอบสภาพดินก่อนทำการนำต้นกล้าไปปลูกในแปลงดิน เมื่ออายุต้นกล้า ได้ 2 เดือน โดยใช้ชุด ตรวจสอบธาตุ อาหารในดิน น้ำ และ ปุ๋ย ของโครงการพัฒนาวิชาการดิน ปุ๋ย และ สิ่งแวดล้อม ภาควิชาปฐพีวิทยา คณะเกษตรศาสตร์ จึงได้ค่าธาตุอาหาร NPK ตามตารางผลการทดลองดังนี้
ตารางที่ 3.2 ตารางผลการทดลองสภาพของดิน น้ำ และปุ๋ย
หมายเหตุ : ค่าของข้อมูลข้างต้นได้มาจากนำมาเปรียบเทียบค่าที่ได้จากการทดลอง
ตารางที่ 3.3 เป็นการทดลองที่หาค่า Nitrate (N)
ตารางที่ 3.4 เป็นการทดลองที่หาค่า Phosphorous (P)
ตารางที่ 3.5 เป็นการทดลองที่หาค่า Potassium (K)
pH (พี เอช) หมายถึง หน่วยวัดค่าความเป็น กรด-ด่าง ซึ่งมีช่วงตั้งแต่ 0-14 เช่น ถ้าความเป็นกรดในอาหารสูงมาก ค่า pH = 0 แต่ถ้าความเป็นด่างสูงมาก ค่า pH = 14 หรือ ถ้าเป็นกลาง ไม่เป็นกรดไม่เป็นด่างจะมี ค่า pH = 7 เราจึงนำ ดิน ปุ๋ย และ น้ำ มาทดสอบค่า pH เพื่อไว้เป็นข้อมูลในการสังเกตการทดลอง
ที่มา : หนังสือ "สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชน" เล่ม ๑๙ หน้า ๑๐๙ โดยพระราชประสงค์ในพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว
รูปที่ 3.1 รูปแสดงการเปรียบเทียบค่า pH ของ ดิน น้ำ และ ปุ๋ย
เราจึงได้วัดค่าเฉลี่ยในการเจริญเติบโตของต้นกล้า ของสบู่ดำทั้งหมด 50 ต้น การนำต้นกล้านำลงปลูกในพื้นที่ ที่กำหนดไว้ โดยใส่ปุ๋ยที่ก้นหลุมในปริมาณที่เท่ากัน และ สภาพดินที่ถูกปรับสภาพเรียบร้อยแล้วได้ค่าตามข้อมูลดังกล่าวข้างต้น
อุปกรณ์และเครื่องมือที่ใช้ในการวิจัย
ฮาร์ดแวร์
เครื่องคอมพิวเตอร์ที่ AVIC LAB
RAM 512MB
HDD 20 GB ขึ้นไป
PC Pentium 4.0
Mouse/Keyboard
Modem
Camera
อุปกรณ์ตรวจสภาพดิน, น้ำ, ปุ๋ย ของโครงการพัฒนาวิชาการดิน-ปุ๋ย และสิ่งแวดล้อม ภาควิชาปฐพีวิทยา คณะเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
สายวัด
ไม้บรรทัด วัดองศา
ซอฟต์แวร์
โปรแกรมออกแบบ 3D Animation
โปรแกรมแสดงภาพ 3 มิติ Wild Tangent Web Media Viewer 3D Animation
Microsoft Windows XP professional
โปรแกรมตกแต่งภาพ Adobe Photoshop CS Tools
Microsoft Access 2003
L-System
Microsoft Internet Explorer ใช้ในการค้นข้อมูลผ่านอินเทอร์เน็ต
VR plant
Matlab
ระยะเวลาในการดำเนินงาน
เริ่มการศึกษาและทดลองการทำวิจัยในการปลูกต้นสบู่ดำ เพื่อให้ได้ผลการเจริญเติบโต ตั้งแต่วันที่ 9 กันยายน 2549 ถึง 31 สิงหาคม 2550 ตามตารางดังนี้
ตารางที่ 3.6 ตารางแสดงระยะเวลาการดำเนินงาน
การวิเคราะห์และออกแบบระบบ
วิเคราะห์ถึงสภาพการเจริญเติบโตตั้งแต่ เพาะเมล็ดให้กลายเป็นต้นกล้า จนกระทั่งถึงต้นสบู่ดำออกเมล็ด จากนั้น เราจะ นำข้อมูลที่ได้ มาศึกษาและวางแผนในการสร้างรูปแบบจำลองการเจริญเติบโตของต้นสบู่ดำ ซึ่งมี 2 ตัวแปรเป็นปัจจัยหลักที่ผลต่อการเจริญเติบโตของต้นสบู่ดำนี้มาใช้ในการตั้งค่าและเงื่อนไขของการจำลองการเจริญเติบโตของต้นสบู่ดำให้เสมือนจริง
ทำการออกแบบจำลองของการปลูกต้นสบู่ดำที่มีความสัมพันธ์ 2 ตัวแปร คือ น้ำ และ ปุ๋ย
เพื่อความเสมือนจริงของการเจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมตัวแปรสองตัวแปรเราจึงได้นำเทคโนโลยีของ Software Plant VR มาทำการสร้างแบบจำลอง ซึ่งเราต้องหาค่า Angle, Diameter, Axiom และค่าอื่นๆ ที่เกี่ยวกับส่วนประกอบของต้นสบู่ดำทั้งหมดมาทำการออกแบบ
-
รูปที่ 3.2 รูปแสดงการทำงานของโปรแกรม Plant VR (ต่อ)
รูปที่ 3.3 รูปแสดงการทำงานของโปรแกรม Plant VR (ต่อ)
รูปที่ 3.4 รูปแสดงการทำงานของโปรแกรม Plant VR
----------------------------------------------
บรรณานุกรม
[1] Mitch Allen, Przemyslaw Prusinkiewicz, and Theodore DeJong. Using L-systems for modeling source-sink interactions, architecture and physiology of growing trees: the L-PEACH model. New Phytologist 166, pp. 869-880.
[2] Available http://algorithmicbotany.org/papers/
[3] L-systems were introduced and developed in 1968 by the Hungarian theoretical biologist and botanist from the University of Utrecht, Aristid Lindenmayer (1925-1989).
[4] Available http://www.jatrophaworld.org/15.html
[5] ศูนย์ส่งเสริมและพัฒนาอาชีพการเกษตร จังหวัดชัยนาท หมู่ 4 ต.เขาท่าพระ อ.เมือง จ.ชัยนาท 17000. (http://aopdm01.doae.go.th/data/physicnut21.htm)
[6] ศูนย์ส่งเสริมและพัฒนาอาชีพการเกษตร จังหวัดพิษณุโลก.(http://aopdm02.doae.go.th/black%20oil%201.htm)
[7] ศิษฏพงษ์ รัตนกิจ. 2548. สบู่ดำ. สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ. 14 มิถุนายน 2548. 4 หน้า.
[8] นิรนาม. 2548. ส่วนส่งเสริมวิศวกรรมเกษตร สำนักพัฒนาคุณภาพสินค้าเกษตร กรมส่งเสริมการเกษตร กทม. 10900.
[9] นิรนาม. 2548 เอกสารประกอบการสัมมนาระดมความคิด เรื่อง พืชพลังงานที่มีศักยภาพ หน้า 116-129 เรื่องสบู่ดำ โดย รศ. ดร. สมบัติ ชิณะวงศ์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วันที่ 12-13 พฤษภาคม 2548.
[10] นิรนาม. 2548. เอกสารประกอบการประชุม การสร้างเครือข่ายผู้ปลูก ผู้ค้า และนักวิชาการเพื่อการพัฒนาพืชน้ำมันสบู่ดำอย่างยั่งยืน โดย สำนักงานนวัตกรรมแห่งชาติร่วมกับสภาอุสาหกรรมแห่งประเทศไทย วันที่ 25 เมษายน 2548.
[11] Joachim Heller. 1996. Physic nut, IPGRI, Rome, Italy. 66 pp.
[12] Satish Lele. 2005. The Cultivation of Jatropha curcas. http//www.svlele.com/jatropha_plant.htm
[13] Anon. 2005. Economic of Jatropha Cultivation, http://www.jatrophaworld.org/15.html
[14] วิทยานิพนธ์ ของ คุณสมพร ช่วยอารีย์ ได้ทำวิจัยเกี่ยวกับเรื่อง An algorithm for simulation and visualization of plant shoots growth, ขั้นตอนวิธีสำหรับการจำลองและการสร้างภาพนามธรรมของการเจริญเติบโตของลำต้นพืช นักศึกษาคณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์ มหาวิทยาลัย, 2543
[15] วิทยานิพนธ์ของ Hanan, J. เรื่อง Virtual Plants Integrating architectural and physiological plant models, The Modeling and Simulation Society of Australia, Proceedings of ModSim 95, 1:44-50, 1995
[16] วิทยานิพนธ์เรื่อง Animation of L-system based 3-D Plant Growing in Java Tong Linของ David S. Ebert (Advisor), Assistant Professor of Computer Science Charles Abzug (Reader), Instructor in Computer Science http://www.csee.umbc.edu/~ebert/693/TLin/
[17] วิทยานิพนธ์เรื่อง Interactive Modeling of Plants ของ Lintermann, B and Deussen, O., IEEE Computer Graphics and Applications, 19(1): 56-65, January 1999
[18] Available http://en.wikipedia.org/wiki/L-system
