智能溫室環(huán)境控制的研究概況

史志明 孫聰 曹亮 陳賢 趙旭輝

【摘 ?要】 在智能溫室領(lǐng)域中，溫室環(huán)境控制技術(shù)居于核心地位，國內(nèi)近年來持續(xù)強化了該領(lǐng)域的研究和探索，開展了智能溫室環(huán)境控制的諸多實踐活動。本文重點論述了我國在智能溫室領(lǐng)域中所進行的諸多研究和分析工作，把握這方面的發(fā)展現(xiàn)狀，更好地促進該領(lǐng)域的相關(guān)研究和分析。

【關(guān)鍵詞】 智能溫室;環(huán)境控制;研究概況

Overview of research on environmental control?of intelligent greenhouse

Shi Zhiming ? ?Sun Cong ? ?Cao Liang ? ?Chen Xian ? ?Zhao Xuhui

（Chengdu academy of agricultural and forestry， sichuan ? ?611130）

[Abstract] In the field of intelligent greenhouse， greenhouse environmental control technology is in the core position， domestic in recent years has continuously strengthened the research and exploration in this field， carried out a lot of practical activities of intelligent greenhouse environmental control. This paper focuses on a lot of research and analysis in the field of intelligent greenhouse in China， grasp the current situation of development in this field， to better promote the relevant research and analysis in this field.

[Keywords] intelligent greenhouse; environmental control; research work

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化過程中，智能溫室是其至關(guān)重要的縮影之一，它的主要目標(biāo)是促進經(jīng)濟效益的最大化。如今，就智能溫室領(lǐng)域的相關(guān)環(huán)境控制策略而言，涵蓋了以模型為基礎(chǔ)以及知識為基礎(chǔ)的控制，此外是以知識與模型結(jié)合為基礎(chǔ)的控制。它的控制水平涵蓋了三個不同的層次，首先是只關(guān)注植物生長，或者只關(guān)注節(jié)能問題，從而實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的最優(yōu)賦值，其次是從節(jié)能、植物產(chǎn)量或生長態(tài)勢等領(lǐng)域，全方位實現(xiàn)控制系統(tǒng)的最優(yōu)化。再次是植物的整個生長過程、成本費用，節(jié)能、以及市場變化等多種因素，全方位把握相關(guān)的栽培、種植、管理方案，從而達(dá)到經(jīng)濟效益最大化。

1 ?智能溫室控制系統(tǒng)的目標(biāo)

智能溫室體現(xiàn)出了無污染、高效益、高產(chǎn)出、高投人等多個特征，被視作農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化領(lǐng)域的重要縮影。它的最終目的是促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的最大化，所以，智能溫室在進行環(huán)境控制的過程中，應(yīng)該確保下列方面。第一，智能溫室中種植了有生命的各種經(jīng)濟植物，所以必須確保溫室中各種培育對象的基本安全。第二，為了推動溫室中各種培育對象的有效生長和壯大，應(yīng)該循序漸進地調(diào)節(jié)和控制溫室中的氣候，要盡量通過諸多設(shè)施，循序漸進地降低溫室外部氣候影響智能溫室中的氣候以及環(huán)境。第三，切實依據(jù)溫室中各種培育對象的具體生長規(guī)律，逐步控制溫室中的環(huán)境，在各個階段中均要確保防病蟲害、水肥、環(huán)境氣候等相關(guān)指標(biāo)，滿足相應(yīng)的要求。第四，結(jié)合市場中各種農(nóng)產(chǎn)品的市場信息，準(zhǔn)確把握今后市場的變化趨勢，合理地確定投入到溫室中的各種要素，對產(chǎn)品進入市場的時間進行控制。第五，既要促進我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，又要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工的過程中持續(xù)地保護現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境。所以，溫室生產(chǎn)應(yīng)該盡可能地關(guān)注生態(tài)效益的要求，不使用各種農(nóng)藥，確保土壤本身的酸堿度，保護空氣以及地下水不受到污染等。第六，盡量減少智能溫室的運作成本，比如盡可能利用新能源，比如太陽能，采取最恰當(dāng)?shù)募訙販囟?，循環(huán)使用以及在線檢測營養(yǎng)液，盡快實現(xiàn)通風(fēng)除濕的低成本、低消耗。溫室控制系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)是確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合效益，也就是說，在確保生態(tài)效益的基礎(chǔ)上，盡可能地增加經(jīng)濟效益，提升產(chǎn)量，降低能源消耗以及資源消耗。

2 ?智能溫室環(huán)境控制的現(xiàn)狀

溫室生產(chǎn)的過程比較復(fù)雜，周期較長，溫室系統(tǒng)是復(fù)雜的龐大系統(tǒng)，強耦合、多變量、大慣性、非線性、強干擾。它的外部環(huán)境與隨著季節(jié)和市場變化的種植作物，都存在著相當(dāng)多的不確定性，溫室作物的光合作用以及蒸騰作用的動態(tài)模型、數(shù)學(xué)模型也存在著不精確性。只能確定部分參數(shù)，必須動態(tài)識別其他參數(shù)。溫室環(huán)境控制很難進行高效率的建模、控制以及處理，無法真正地擺脫人工干預(yù)。如今溫室環(huán)境控制的指導(dǎo)策略是：首先是以模型為基礎(chǔ)的環(huán)境控制。以實用簡單性為基礎(chǔ)而構(gòu)建的模型，比如非線性模型以及線性模型，利用下列方法控制相關(guān)模型：預(yù)測控制、HD控制、自適應(yīng)控制以及優(yōu)化控制等。其次，以知識為基礎(chǔ)的控制。它利用專家系統(tǒng)、知識庫、數(shù)據(jù)庫等，有效地控制和管理溫室環(huán)境的變化。再次，采取軟計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊系統(tǒng)等，破解溫室系統(tǒng)環(huán)境控制的不確定性以及不精確性。

從前文所述可知，溫室氣候控制的實際水平涵蓋了三個不同的層次。第一層次只關(guān)注植物的具體生長（依據(jù)植物的相關(guān)生長要求，確保穩(wěn)定的氣候環(huán)境），或者只是從節(jié)能視角，為智能溫室的控制系統(tǒng)進行最優(yōu)化賦值。如今國內(nèi)外投用的大部分智能溫室控制系統(tǒng)，均處于該層次之上。就我國研究和實踐后兩個層次的智能溫室控制系統(tǒng)而言，依舊處于控制模型的仿真以及研究層面，尚未真正投用。荷蘭開展了植物節(jié)能以及生長的諸多實驗，采取積光、積溫等指導(dǎo)思想，提升了智能溫室的管理水平以及作物的數(shù)量和質(zhì)量，為在節(jié)能最優(yōu)化情況下實現(xiàn)了植物生長最優(yōu)的實踐基礎(chǔ)和理論依據(jù)。顧寄南，李萍萍及毛罕平等多位學(xué)者，采取了系統(tǒng)工程理論，將溫室系統(tǒng)當(dāng)作大的系統(tǒng)，首先構(gòu)建了針對性的動態(tài)綜合模型，借助大系統(tǒng)理論為溫室環(huán)境控制尋找最優(yōu)方法。他們指出，溫室大系統(tǒng)涵蓋了經(jīng)濟分析、環(huán)境控制、作物生長在內(nèi)的三個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)還能夠被分成更小更多的子系統(tǒng)，整體而言涵蓋了四層狀態(tài)空間。他們還選用結(jié)球萵苣，將其光合速率模型當(dāng)作植物生長模型，然后加入了溫室環(huán)境控制、環(huán)境控制成本等兩個子模型，此外加上了雙方關(guān)系，打造了動態(tài)綜合模型，在一個大系統(tǒng)中深入地研究這些子系統(tǒng)。文中通過大系統(tǒng)控制論的協(xié)調(diào)——分解策略，依次求出了每個子系統(tǒng)本身的局部最優(yōu)化，然后借助系統(tǒng)優(yōu)化子模型，對大系統(tǒng)全局最優(yōu)化進行求解，獲得了最優(yōu)環(huán)境控制方式，找到了能夠?qū)崿F(xiàn)較低控制成本以及較好控制效果的兩個必要條件。

3 ? 智能溫室環(huán)境控制的發(fā)展方向

智能溫室是當(dāng)前最新的設(shè)施栽培技術(shù)。它通過實施相應(yīng)的控制環(huán)境措施，讓植物長時間處于優(yōu)良的生長環(huán)境中。各種植物對環(huán)境的具體要求并不相同，同種植物在各個階段對環(huán)境的具體要求也不完全相同。急需初步構(gòu)建差異化的溫室作物生長模型。然而應(yīng)該認(rèn)識到，作物模型的研究難度比較大，必須要積累諸多生產(chǎn)周期的實踐實驗以及理論知識，定期收集各種信息和數(shù)據(jù)，如今國內(nèi)在該領(lǐng)域才剛剛起步。

在適度、光照、溫度等多種生長環(huán)境因子的全面作用，作物才能不斷地生長，所以決不可靜態(tài)地、單獨地看待各種因子，必須從總體上把握環(huán)境控制的動態(tài)變化。必須把環(huán)境控制與溫室運行的有效控制成本密切結(jié)合，研發(fā)設(shè)計出可行性較強、更實用的環(huán)境控制技術(shù)，以切實達(dá)到植物工廠化的種植生產(chǎn)要求，這也是促使現(xiàn)代溫室控制系統(tǒng)創(chuàng)造更多經(jīng)濟效益方面，亟需深入研究的重大問題。溫室系統(tǒng)的干擾模型以及控制過程及是難以辨識的、未知的，存在著較大的不確定性。比如外部氣候的突變，突發(fā)性災(zāi)害天氣等。所以人們難以用傳統(tǒng)的環(huán)境控制方法進行建模，很難有針對性地控制智能溫室的環(huán)境變化過程，這是由于其中存在著相當(dāng)多的高度非線性難題。盡管傳統(tǒng)的控制理論也能夠利用多種非線性的控制措施，然而非線性理論卻無法趕得上線性理論的穩(wěn)定性與成熟度，此外溫室環(huán)境控制的過程極度復(fù)雜，導(dǎo)致無法有效地運用上述非線性理論。此外，溫室生產(chǎn)過程中有不少非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化的問題，很難構(gòu)建數(shù)學(xué)定量分析模型。比如采取狀態(tài)方程、微分方程的數(shù)值計算測控，僅僅適用于近似的、簡化的不精確前提下，無法達(dá)到精確控制的效果。因此，相關(guān)科研院所、高校、龍頭企業(yè)等都應(yīng)該積極行動起來，持續(xù)創(chuàng)新智能溫室的環(huán)境控制策略，采取更多的先進措施和分析模型，有效地提升智能溫室環(huán)境控制的效果和水平。

4 ?結(jié)語

綜上所述，智能溫室生產(chǎn)控制系統(tǒng)以自動化技術(shù)與計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠在較大程度上擺脫傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)無法克服的諸多影響因素，切實增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。應(yīng)該采取針對性的措施，讓智能溫室系統(tǒng)處于最佳的節(jié)能狀態(tài)，降低能源消耗，達(dá)到增產(chǎn)增收，為種植者創(chuàng)造更多收益的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫力帆，張雅媛，鄭國強，等.基于D—S證據(jù)理論的智能溫 ? ? ? ? 室環(huán)境控制決策融合方法[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018，49（1）： ? ? ? ? ? ?268-275.

[2] 趙文兵，毛罕平，馬萬征.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控 ? ? ? 系統(tǒng)設(shè)計[J].中國農(nóng)機化學(xué)報，2016，37（6）：230-233.

[3] 鄧璐娟，馮巧玲，李淑君，牛月蘭，李寶珍.智能溫室環(huán)境控 ? ? ? ? ?制的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報自然科 ? ? ?學(xué)版），2013，18（4）：20-23.

[4] 顧寄南，毛罕平，李萍萍.溫室系統(tǒng)綜合動態(tài)模型的研究[J] ? ? ? ?.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2001，17（4）：55—59.