智能溫室環境控制的研究概況

史志明 孫聰 曹亮 陳賢 趙旭輝

【摘 ?要】 在智能溫室領域中，溫室環境控制技術居于核心地位，國內近年來持續強化了該領域的研究和探索，開展了智能溫室環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域中所進行的諸多研究和分析工作，把握這方面的發展現狀，更好地促進該領域的相關研究和分析。

【關鍵詞】 智能溫室;環境控制;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

在農業現代化過程中，智能溫室是其至關重要的縮影之一，它的主要目標是促進經濟效益的最大化。如今，就智能溫室領域的相關環境控制策略而言，涵蓋了以模型為基礎以及知識為基礎的控制，此外是以知識與模型結合為基礎的控制。它的控制水平涵蓋了三個不同的層次，首先是只關注植物生長，或者只關注節能問題，從而實現對控制系統的最優賦值，其次是從節能、植物產量或生長態勢等領域，全方位實現控制系統的最優化。再次是植物的整個生長過程、成本費用，節能、以及市場變化等多種因素，全方位把握相關的栽培、種植、管理方案，從而達到經濟效益最大化。

1 ?智能溫室控制系統的目標

智能溫室體現出了無污染、高效益、高產出、高投人等多個特征，被視作農業現代化領域的重要縮影。它的最終目的是促進農業生產效益的最大化，所以，智能溫室在進行環境控制的過程中，應該確保下列方面。第一，智能溫室中種植了有生命的各種經濟植物，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，應該循序漸進地調節和控制溫室中的氣候，要盡量通過諸多設施，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境。第三，切實依據溫室中各種培育對象的具體生長規律，逐步控制溫室中的環境，在各個階段中均要確保防病蟲害、水肥、環境氣候等相關指標，滿足相應的要求。第四，結合市場中各種農產品的市場信息，準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，對產品進入市場的時間進行控制。第五，既要促進我國農業生產的可持續發展，又要在農業生產加工的過程中持續地保護現有的生態環境。所以，溫室生產應該盡可能地關注生態效益的要求，不使用各種農藥，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，采取最恰當的加溫溫度，循環使用以及在線檢測營養液，盡快實現通風除濕的低成本、低消耗。溫室控制系統的預期目標是確保農業生產的綜合效益，也就是說，在確保生態效益的基礎上，盡可能地增加經濟效益，提升產量，降低能源消耗以及資源消耗。

2 ?智能溫室環境控制的現狀

溫室生產的過程比較復雜，周期較長，溫室系統是復雜的龐大系統，強耦合、多變量、大慣性、非線性、強干擾。它的外部環境與隨著季節和市場變化的種植作物，都存在著相當多的不確定性，溫室作物的光合作用以及蒸騰作用的動態模型、數學模型也存在著不精確性。只能確定部分參數，必須動態識別其他參數。溫室環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。如今溫室環境控制的指導策略是：首先是以模型為基礎的環境控制。以實用簡單性為基礎而構建的模型，比如非線性模型以及線性模型，利用下列方法控制相關模型：預測控制、HD控制、自適應控制以及優化控制等。其次，以知識為基礎的控制。它利用專家系統、知識庫、數據庫等，有效地控制和管理溫室環境的變化。再次，采取軟計算、神經網絡以及模糊系統等，破解溫室系統環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。第一層次只關注植物的具體生長（依據植物的相關生長要求，確保穩定的氣候環境），或者只是從節能視角，為智能溫室的控制系統進行最優化賦值。如今國內外投用的大部分智能溫室控制系統，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。荷蘭開展了植物節能以及生長的諸多實驗，采取積光、積溫等指導思想，提升了智能溫室的管理水平以及作物的數量和質量，為在節能最優化情況下實現了植物生長最優的實踐基礎和理論依據。顧寄南，李萍萍及毛罕平等多位學者，采取了系統工程理論，將溫室系統當作大的系統，首先構建了針對性的動態綜合模型，借助大系統理論為溫室環境控制尋找最優方法。他們指出，溫室大系統涵蓋了經濟分析、環境控制、作物生長在內的三個子系統，各個子系統還能夠被分成更小更多的子系統，整體而言涵蓋了四層狀態空間。他們還選用結球萵苣，將其光合速率模型當作植物生長模型，然后加入了溫室環境控制、環境控制成本等兩個子模型，此外加上了雙方關系，打造了動態綜合模型，在一個大系統中深入地研究這些子系統。文中通過大系統控制論的協調——分解策略，依次求出了每個子系統本身的局部最優化，然后借助系統優化子模型，對大系統全局最優化進行求解，獲得了最優環境控制方式，找到了能夠實現較低控制成本以及較好控制效果的兩個必要條件。

3 ? 智能溫室環境控制的發展方向

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

在適度、光照、溫度等多種生長環境因子的全面作用，作物才能不斷地生長，所以決不可靜態地、單獨地看待各種因子，必須從總體上把握環境控制的動態變化。必須把環境控制與溫室運行的有效控制成本密切結合，研發設計出可行性較強、更實用的環境控制技術，以切實達到植物工廠化的種植生產要求，這也是促使現代溫室控制系統創造更多經濟效益方面，亟需深入研究的重大問題。溫室系統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，突發性災害天氣等。所以人們難以用傳統的環境控制方法進行建模，很難有針對性地控制智能溫室的環境變化過程，這是由于其中存在著相當多的高度非線性難題。盡管傳統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定性與成熟度，此外溫室環境控制的過程極度復雜，導致無法有效地運用上述非線性理論。此外，溫室生產過程中有不少非結構化、半結構化的問題，很難構建數學定量分析模型。比如采取狀態方程、微分方程的數值計算測控，僅僅適用于近似的、簡化的不精確前提下，無法達到精確控制的效果。因此，相關科研院所、高校、龍頭企業等都應該積極行動起來，持續創新智能溫室的環境控制策略，采取更多的先進措施和分析模型，有效地提升智能溫室環境控制的效果和水平。

4 ?結語

綜上所述，智能溫室生產控制系統以自動化技術與計算機技術為基礎，能夠在較大程度上擺脫傳統農業無法克服的諸多影響因素，切實增加農業生產力。應該采取針對性的措施，讓智能溫室系統處于最佳的節能狀態，降低能源消耗，達到增產增收，為種植者創造更多收益的目的。

參考文獻：

[1] 孫力帆，張雅媛，鄭國強，等.基于D—S證據理論的智能溫 ? ? ? ? 室環境控制決策融合方法[J].農業機械學報，2018，49（1）： ? ? ? ? ? ?268-275.

[2] 趙文兵，毛罕平，馬萬征.基于物聯網的智能溫室遠程監控 ? ? ? 系統設計[J].中國農機化學報，2016，37（6）：230-233.

[3] 鄧璐娟，馮巧玲，李淑君，牛月蘭，李寶珍.智能溫室環境控 ? ? ? ? ?制的研究現狀與發展方向[J].鄭州輕工業學院學報自然科 ? ? ?學版），2013，18（4）：20-23.

[4] 顧寄南，毛罕平，李萍萍.溫室系統綜合動態模型的研究[J] ? ? ? ?.農業工程學報，2001，17（4）：55—59.