基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)的溫室環(huán)境控制策略分析

摘要：將溫室作物生長周期分成營養(yǎng)生長和生殖生長2個(gè)階段，在生長各個(gè)階段需要從溫度出發(fā)采取優(yōu)化控制策略。本文主要在經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)基礎(chǔ)上討論溫室環(huán)境控制對(duì)策，實(shí)現(xiàn)溫室作物生長環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)。通過建立成本控制模型、作物生長模型和預(yù)測調(diào)節(jié)模型，將產(chǎn)出投入比作為核心控制目標(biāo)，提出適合作物生長的環(huán)境條件，在保證作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時(shí)，使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo);溫室環(huán)境;控制策略

中圖分類號(hào)：S2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215017

1基本原理

營養(yǎng)生長期間實(shí)施溫度優(yōu)化策略，將溫度作為控制重點(diǎn)，確保環(huán)境溫度符合作物生長要求，根據(jù)消耗情況調(diào)控溫度變化，降低種植成本并減少能源消耗。生殖生長期間需要綜合分析作物溫度調(diào)控設(shè)備的作用效果模型、成本模型和作物生長模型，以經(jīng)濟(jì)效益最大化策略為主進(jìn)行調(diào)控，要求結(jié)合上述模型計(jì)算結(jié)果調(diào)節(jié)溫室環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行成本，將產(chǎn)出投入比為控制基準(zhǔn)，確保各項(xiàng)控制決策的實(shí)施能提高產(chǎn)出投入比，在達(dá)到預(yù)期種植效果的基礎(chǔ)上提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益。

溫室控制是設(shè)施農(nóng)業(yè)種植過程中有效的生產(chǎn)工具，已經(jīng)成為國內(nèi)外重要的研究課題。溫室環(huán)境是一個(gè)非常復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的環(huán)境系統(tǒng)，溫室內(nèi)各個(gè)環(huán)境因子間相互作用，并且作物生長也影響著環(huán)境因子。因此如何實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)各環(huán)境因子的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)降低設(shè)備的操作費(fèi)用，將是溫室環(huán)境控制要解決的主要問題[1]。

在溫室作物管理系統(tǒng)中，最優(yōu)控制策略應(yīng)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)、成本等函數(shù)取最小值。進(jìn)行溫室環(huán)境調(diào)控時(shí)，需要利用環(huán)境和作物生長規(guī)律方面的模型，落實(shí)環(huán)境調(diào)控目標(biāo)，達(dá)到作物生長和環(huán)境控制間的平衡。在環(huán)境控制過程中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)前環(huán)境溫度信息制定調(diào)控機(jī)構(gòu)運(yùn)行方案，通過執(zhí)行方案使作物產(chǎn)出和環(huán)境調(diào)控成本間的比值最大，由此實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)。將其表示為：

Max（Routput-input）=G（T，L，H，p）/J（K，t）

式中：

G—作物生長產(chǎn)值

R—產(chǎn)出投入比

J（K，t）—環(huán)境調(diào)控成本

P—作物市場價(jià)格

這里沒有考慮作物產(chǎn)量，而是用單位時(shí)間的作物產(chǎn)值和環(huán)境調(diào)控成本比值來表示產(chǎn)出投入比。在控制策略制定方面重點(diǎn)用于作物的生殖生長環(huán)節(jié)，環(huán)境控制模型包括環(huán)境動(dòng)態(tài)模型、作物產(chǎn)值模型、設(shè)備運(yùn)行成本模型。對(duì)溫室作物進(jìn)行分階段的環(huán)境調(diào)控，進(jìn)而提高種植效益。

2模型構(gòu)建

將作物生長周期劃分成冬半年和夏半年，在溫室環(huán)境因素中，光照強(qiáng)度和溫度是主要2個(gè)參數(shù)。當(dāng)前溫室環(huán)境調(diào)控手段中，光強(qiáng)控制需要成本較高，種植過程中只進(jìn)行遮光處理，建立日光溫室小氣候模型是實(shí)現(xiàn)日光溫室控制的重要環(huán)節(jié)。室內(nèi)溫度和濕度環(huán)境不僅受到室內(nèi)環(huán)境因素和溫室結(jié)構(gòu)的影響，還受到室外氣象條件的影響，并且這些影響因子之間有著十分復(fù)雜的關(guān)系[2]。而溫度能對(duì)作物器官建構(gòu)以及產(chǎn)量品質(zhì)等產(chǎn)生影響，因此往往將溫度要素作為控制要點(diǎn)，是達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化的關(guān)鍵。本文將溫度實(shí)際值和設(shè)定值分成9級(jí)，分別是-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，狀態(tài)0表示溫室環(huán)境符合作物生長特性不需要進(jìn)行調(diào)控，這時(shí)調(diào)控機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)是天窗全部打開。負(fù)號(hào)表示實(shí)際溫度低于要求值，反之說明實(shí)際溫度超過要求值，值越大則差距越大。溫度控制根本條件為能量消耗的多少，結(jié)合環(huán)境溫度實(shí)際值和設(shè)定值間的差值實(shí)施執(zhí)行操作。為了保證調(diào)控效果良好，應(yīng)將采樣時(shí)間設(shè)定成20min。

在作物生殖生長環(huán)節(jié)，涉及的模型包括環(huán)境調(diào)控模型、調(diào)控機(jī)構(gòu)運(yùn)行成本模型、生長模型，分階段的調(diào)控環(huán)境參數(shù)，降低溫室調(diào)控成本，并將經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)落實(shí)到作物生長管理全過程。在獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)后采取回顧分析法，在溫室內(nèi)作物光合速率和環(huán)境因素間建立函數(shù)關(guān)系，表示為：

Pn（T，H，L）=a1T2+a2H2+a3L2+b1TH+b2TL+b3HL+c1T+c2H+c3L+d

式中：

Pn—取樣作物的凈光合速率

a，b，c，k—系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定

T，K，L—室內(nèi)溫度、相對(duì)溫度、光照強(qiáng)度

溫室作物發(fā)生光合作物主要部位分別是葉、莖、根、果，產(chǎn)生的營養(yǎng)物資分配在各個(gè)器官。從溫?zé)崞胶夂唾|(zhì)量平衡來看，構(gòu)建溫室內(nèi)調(diào)控設(shè)備不同組合方式下的運(yùn)作效果模型。本次試驗(yàn)中調(diào)控設(shè)備包括卷簾、天窗、風(fēng)機(jī)、遮陽網(wǎng)、噴淋、加熱系統(tǒng)。為了達(dá)到作物需要的生長環(huán)境調(diào)控設(shè)備運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的成本，可用以下成本模型來計(jì)算。

J（Ki，t）=∑n1i=1KiPi+∑n2i=n1KiPiti

式中：

Pi—單獨(dú)調(diào)控設(shè)備運(yùn)行成本

Ki—調(diào)控設(shè)備開機(jī)狀態(tài)

ti—調(diào)節(jié)到作物適合生存環(huán)境時(shí)，調(diào)控設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)間

進(jìn)行溫室環(huán)境調(diào)節(jié)時(shí)，需要結(jié)合當(dāng)時(shí)的室內(nèi)溫度條件，使設(shè)備單獨(dú)運(yùn)行或多個(gè)調(diào)控設(shè)備配合使用，確保在合理選擇調(diào)控方案的情況下，降低能量消耗，即是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)。常見的溫度調(diào)控設(shè)備組合方式包括內(nèi)噴淋+內(nèi)遮陽+風(fēng)機(jī)、內(nèi)噴淋+內(nèi)遮陽、外噴淋+外遮陽、內(nèi)噴淋+外遮陽+風(fēng)機(jī)、內(nèi)噴淋+內(nèi)遮陽+風(fēng)機(jī)+外噴淋、外遮陽+內(nèi)噴淋+風(fēng)機(jī)+外噴淋等，通過逐一驗(yàn)證得到最佳調(diào)控設(shè)備組合方案。

3基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)的溫室環(huán)境控制策略分析

本文以黃瓜作物為例，建立有關(guān)作物生長、室內(nèi)環(huán)境調(diào)控、環(huán)境調(diào)控成本等模型，加大調(diào)控成本控制，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提高。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建調(diào)控設(shè)備運(yùn)行成本模型，具體分析環(huán)境控制優(yōu)化策略。從實(shí)際生產(chǎn)需要入手優(yōu)化環(huán)境調(diào)控方案，確保作物營養(yǎng)生長階段及生殖生長階段成本的有效控制，實(shí)際營養(yǎng)生長階段主要運(yùn)用積溫控制策略，旨在降低能量消耗，減少調(diào)控設(shè)備運(yùn)行成本，減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)并避免不必要的能量浪費(fèi)。在生殖生長過程中，以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)為核心進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，保證作物生長環(huán)境良好，并提高經(jīng)營者利潤。不同農(nóng)作物的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)要求存在區(qū)別，因此要保證環(huán)境控制策略體現(xiàn)出針對(duì)性、有效性的特點(diǎn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證最佳控制方案。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)在玻璃溫室中進(jìn)行，該溫室結(jié)構(gòu)為：天溝高3.8m，南北長20m，單跨寬6.4m，地面面積為256m2。溫室中配備2組整體式天窗，分別安裝在東西屋頂，實(shí)驗(yàn)過程中利用傳感器收集并記錄氣候參數(shù)，整理成電子檔案，室外利用小氣象站采集室外濕度、溫度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度等參數(shù)。黃瓜種植在塑料穴盤中，在生長出2～3片真葉時(shí)移栽至溫室中。運(yùn)用的基質(zhì)為腐熟的蘆葦加珍珠巖，確保作物生長過程中營養(yǎng)和水分充足。收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方面，每隔10d記錄植株的各器官的生長情況，對(duì)長勢(shì)較好的3個(gè)植株取平均值。不同時(shí)間段作物光合作用在不同器官中的分布情況有所差異。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：當(dāng)溫室溫度為37℃、濕度為44.7%且光照強(qiáng)度為19.54klx時(shí)，結(jié)合作物生長需要，應(yīng)進(jìn)行降溫操作。室內(nèi)各類調(diào)控設(shè)備在不同組合方式下對(duì)應(yīng)的消耗成本和調(diào)節(jié)效果不同，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)出發(fā)，應(yīng)優(yōu)先選擇風(fēng)機(jī)和濕簾相結(jié)合的方式，能實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境溫度有效控制。經(jīng)過20min后，監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)為：溫度29.5℃、光照強(qiáng)度19.23klx、濕度為70.2%，這種環(huán)境條件下黃瓜生長狀況良好，同時(shí)保證了經(jīng)濟(jì)效益較高，說明上述設(shè)備組合方案有著一定可行性。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求和環(huán)境調(diào)節(jié)作用，需要采取適合的環(huán)境調(diào)控策略，將溫度要素作為主要調(diào)控因子。從溫室作物生長實(shí)際情況看，基于經(jīng)濟(jì)最大化目標(biāo)的優(yōu)化策略，是環(huán)境調(diào)控應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)，是作物經(jīng)營者要掌握的根本管理手段。

溫室黃瓜產(chǎn)量和室內(nèi)環(huán)境調(diào)控消耗成本間的比值主要受到溫度要素影響，通常來講，環(huán)境溫度的增加，促使產(chǎn)出投入比值升高后再降低，主要是由于黃瓜屬于喜溫蔬菜，溫度低時(shí)作物生長緩慢，而溫度高于31℃后，黃瓜作物將出現(xiàn)瘋長現(xiàn)象，會(huì)影響作物品質(zhì)。因此一般將溫室環(huán)境控制在31℃內(nèi)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度調(diào)控設(shè)備的組合分析，找出最佳組合方案。另外，黃瓜對(duì)環(huán)境響度濕度要求較高，隨著濕度的增加，黃瓜產(chǎn)投比呈現(xiàn)出先升高后下降的規(guī)律，實(shí)踐表明，當(dāng)溫室內(nèi)空氣濕度高于85%后需要進(jìn)行通風(fēng)處理，能避免作物瘋長，同時(shí)可加大對(duì)病蟲害的防范，是保證黃瓜作物健康生長的關(guān)鍵。而在光照強(qiáng)度方面，從光強(qiáng)和作物產(chǎn)投比間的關(guān)系來說，光照強(qiáng)度過高將影響產(chǎn)投比，無法保證作物產(chǎn)量和質(zhì)量。黃瓜是短日照作物，當(dāng)光照強(qiáng)度過強(qiáng)時(shí)會(huì)對(duì)作物生長帶來不良影響?？紤]到這一生長特性需要進(jìn)行遮陽處理，減少環(huán)境調(diào)節(jié)花費(fèi)的成本，進(jìn)而提高產(chǎn)出投入比，提高經(jīng)濟(jì)效益。

本次試驗(yàn)為溫室黃瓜種植管理及環(huán)境控制提供了有效借鑒，在指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐上具有實(shí)際意義。溫度因素是影響最終生產(chǎn)效益的主要原因，其次為光強(qiáng)和空氣濕度，環(huán)境控制方案制定上將溫度控制作為提高環(huán)境調(diào)控效果的關(guān)鍵，配備相應(yīng)的調(diào)控設(shè)備，為環(huán)境控制和經(jīng)濟(jì)效益的提高提供條件。從上述試驗(yàn)結(jié)果可得，室內(nèi)溫度為31℃、光照強(qiáng)度為16klx、相對(duì)濕度85%時(shí)，作物產(chǎn)出值和環(huán)境控制成本比值最大，說明這時(shí)作物種植經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

5結(jié)論

綜上所述，在溫室作物生存環(huán)境管理實(shí)踐中，應(yīng)注重溫度的控制，減少能量損耗，加大對(duì)種植成本的控制。同時(shí)需要根據(jù)作物生長特點(diǎn)和溫室環(huán)境調(diào)控效果，以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化為各項(xiàng)決策的依據(jù)進(jìn)行環(huán)境控制，制定可行性強(qiáng)的環(huán)境調(diào)節(jié)方案，保證作物生長環(huán)境符合其生長需要，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)營者利潤的提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 毛罕平，晉春.溫室環(huán)境控制方法研究進(jìn)展分析與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49（02）：1-13.

[2]高玉賢.溫室環(huán)境建模及控制策略研究[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2015.

作者簡介：

史志明（1982-），男，本科，副高級(jí)工程師。研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化。