效益优先的温室光照优化调控模型研究.pdf

效益优先的温室光照优化调控模型研究 单慧勇 李晨阳 张程皓 赵辉 卫勇 郭旭存 天津农学院工程技术学院 天津市 摘要 针对当前温室光照环境调控成本较高的问题 在满足作物生长需求的条件下降低调控成本 提出效益优先的温室光 照优化调控模型 通过设计嵌套试验获取温室不同温度 二氧化碳浓度 光照强度组合下的黄瓜光合速率数据 以此环境 参数作为输入 光合速率作为输出构建基于最小二乘支持向量机 的光合速率预测模型 继而采用融合两种不 同光照寻优方案的效益优先的寻优算法 基于 神经网络构建光照优化调控模型 数据表明提出的效益优先的光照优化调 控方案与依据光饱和点调控对比 理论光照供需量下降 光合速率降低 验证试验中 光照供需量下降 光合速率减少 较自然条件下对比组的光合速率提高 对设施温室补光的精准调控具有指导意义 关键词 光合速率 光照优化调控 差分曲率 中图分类号 文献标识码 文章编号 单慧勇 李晨阳 张程皓 赵辉 卫勇 郭旭存 效益优先的温室光照优化调控模型研究 中国农机化学报 收稿日期 年 月 日 修回日期 年 月 日 基金项目 天津市企业优秀科技特派员项目 天津市滨海新区社会发展领域科技项目 天津市科 技重大专项与工程计划项目 天津市农业科技成果转化与推广项目 第一作者 单慧勇 男 年生 山西临汾人 硕士 副教授 研究方向为农业自动化系统 引言 光是植物进行光合作用的主导因子 在设施温 室种植方面 以提高作物光合速率为目的 综合考虑温 度及二氧化碳浓度 建立植物光照优化调控模型 是设 施温室智能调控系统的重要组成部分 光照优化调控模型的基础是光合速率预测模型 传 统的预测模型存在拟合精度低等问题 近年来 众多学者 以光合作用的主要影响因子为变量进行光合速率预测模 型研究 构建了不同的光合速率模型 极大改善了预测 模型的适应性和准确度 在光照调控方面 以光饱和点为 调控指标的调控模型得到广泛应用研究 然而基于饱 和点的调控虽可达到最大光合速率 但会造成调控效益下 降 目前 在考虑环境参数调控效益的前提下 胡瑾 白京 华等基于离散曲率寻找光响应曲线曲率最大值点对应的 光照强度作为效益最优的调控目标值 可在有效降低 调控成本的前提下提升作物光合速率 本文在考虑光合速率与光照调控效益的前提下 首先研究构建基于 的光合速率预测模型 继而设计了两种基于曲线平滑差分曲率的光照目标值 寻优方案 经分析提出了融合两种寻优方案获取效益 优先的光照调控目标值 最后基于 神经网络构建 光照优化调控模型 通过远程控制系统实现温室光照 融合效益原则的精准高效调控 材料与方法 试验设计 试验于 年 月在天津农学院西校区实训基 地温室内进行 以黄瓜品种津优 为试验材料 环境 因子变量包括温度 光照强度及二氧化碳浓度 其中温 度设定为 梯度 光照强度设定为 梯度 二氧化碳浓 度设定为 梯度 具体如表 所示 试验采用各环境因 子间嵌套的方式进行设计 表 环境变量设置 环境变量 梯度 变量值 温度 光照 浓度 第 卷 第 期 年 月 中国农机化学报 第 期 单慧勇 等 效益优先的温室光照优化调控模型研究 净光合速率的测量 选取植株生长状况差异较小 健壮的黄瓜植株进 行试验 测量设备为 便携式光合作用仪 其可 按需控制测量叶室的小环境 以设置不同试验条件 为 避免植物 午休现象 对数据采集的影响 选择在 和 进行试验 本试验为单叶片瞬时试验 为得到足够稳定的净光合 速率 选择连续 以上相同天气进行测量 测量前充 分诱导夹入叶室的叶片 最终形成以温度 二氧化碳 浓度 光照强度 为输入 光合速率 为输出的 组试验样本集 模型构建 本文分 步构建光照调控模型 首先基于 构建黄瓜光合速率预测模型 其次通过构建的光 合速率预测模型获取不同温度与二氧化碳浓度下各光 强所对应光合速率关系 提出两种基于曲线平滑差分 曲率的光照调控目标值获取方案 继而基于 神经 网络构建两种调控方案的光照调控模型 基于 的黄瓜光合速率预测模型 本文采用 算法构建光合速率预测模 型 其具体流程图如图 所示 图 光合速率预测模型流程图 影响黄瓜光合速率的主要影响因素有温度 光强 及 浓度 光合速率模型的构建 就是寻求温度 光强 及二氧化碳浓度 和输出光合速率 之间的关系 基于试验所得到的数据 利用 进行 编程 对前期 组数据进行随机排序 取前 组数 据作为预测模型的输入 占总数据的 剩余 组 对预测模型进行检验 由于各输入参数及输出参数的 数量级不同 采用 平台自带的归一化函数 模型归一化区间为 选取径向 基函数作为核函数进行建模 是控制错分样本 惩罚程度的可调参数 是径向基核函数的参数 通过网格搜索获取最优的建模参数 和 其确定的 模型各 参数确定后调用 工具箱的 函数 进行光合速率预测模型的构建 不同寻优方案下的光照最优值获取方案 本文提出了两种光照寻优方案 方案一依据光照 增长相对价值曲线曲率最大值进行寻优 方案二依据 光合速率增长率曲线曲率最大值进行寻优 其中光照 增长价值等于 光合速率增长率 式中 为光 合速率样本数 为清晰地描述本部分的研究内容 绘制不同寻优 方案下的光照最优值获取流程图如图 所示 为精确地描述程序中的寻优条件及寻优目标函数 等关键参数 现结合流程图 对上述两种寻优方案的具 体操作步骤进行如下描述 获取不同环境因子嵌套条件下的光合速率 在试验梯度范围内 通过循环形式以每个环境因素的 不同步长增加的形式 可获取嵌套环境因子的所有梯 度条件 本文设置温度区间为 固定步 长 为 二 氧 化 碳 浓 度 区 间 为 固定步长为 光照强度 设定范围为 固定步长为 通过调用已建立的 光合 速率预测模型 获取上述环境因子嵌套条件下对应的 光合速率 采用曲线平滑的差分曲率计算寻优 在不同 寻优方案下的光照最优值获取过程中 需要进行温度 实例化和二氧化碳浓度实例化 获取对应曲线寻优 方案一以光照增长相对价值为评价指标 方案二以光 合速率增长率为评价指标 寻优时确定温度与二氧化 碳浓度 光强依次递增 绘制评价指标曲线 中国农机化学报 年 图 不同寻优方案下的光照最优值获取流程图 基于曲线平滑的差分曲率进行曲率计算 记 所需处理的曲线 式中 边界像素点 应用高斯函数将曲线平滑处理 记处理后的曲线 其中 继而应用差分法计算当前点的离散曲率 其中 按照以上方法对两种方案下评价指标曲线各点求 曲率并找出最大值点 此最大值对应的光强即寻优光 强 记录和保存其对应的光照强度 直到获取所有评价 指标曲线曲率最大点对应的光照强度结束 基于 神经网络的光照强度优化模型的构建 基于上述两种寻优方法 分别得到了以温度 二氧 化碳为输入 以光照强度调控目标值为输出的 组 目标数据集 采用 神经网络分别进行光照强度优 化模型构建 随机选取方案一中 组数据作为预测模型的输 入 占总数据的 剩余 组对预测模型进行检 验 在训练时数据归一化处理函数采用 自 带函数 模型设计为三层神经网络 结合 式 确定隐层节点的数 槡 式中 隐层节点数 输入层节点数 本文为 输出层节点数 本文为 之间的常数 经过多次反复的训练和调试 最终将隐层的神经 元设置为 网络训练的目标误差为 训练步数 设为 步 在此基础上网络隐含层传递函数为 输出层传递函数为 方案二的光照强度 优化模型构建方案与方案一相同 模型的验证与结果分析 光合速率预测模型验证结果 在 的 工具箱中调用 函数进行模型验证 将预测结果与实际样本进行反归一化 处理 结果表明其平均绝对误差为 决定系数 均方误差为 预 测结果误差如图 所示 由图 可见 基于 建 立的光合速率预测模型误差较小 即使最大的误差也均 保持在 的范围之内 即可以较好预测 作物光合速率变化趋势 图 预测结果误差图 第 期 单慧勇 等 效益优先的温室光照优化调控模型研究 不同寻优方案下的光照调控模型目标值获取结 果分析 在建模过程中每种方案均获取了 组不同条 件下光照的调控点 由于无法完全罗列 故下文仅展 示温度为 以 为步长 二氧化碳从 区间以 为步长 条件下的不同寻优方案光照获取结果 如图 所示 三角形为方案一所确定的补光点 正方形形为方案 二所确定的补光点 星形为传统光饱和点所确定的 补光点 时不同 浓度下光合速率与光照强度关系图 时不同 浓度下光合速率与光照强度关系图 时不同 浓度下光合速率与光照强度关系图 时不同 浓度下光合速率与光照强度关系图 时不同 浓度下光合速率与光照强度关系图 时不同 浓度下光合速率与光照强度关系图 图 不同方案寻优结果对比图 由图 可以发现 方案一光调控点在低于 时 随着二氧化碳浓度升高 光照调控点逐渐降低 在 高于 时 随着二氧化碳浓度升高 光照调控点小 幅度增长 方案二的光调控点与温度和二氧化碳浓度 呈正相关 同一二氧化碳浓度下 随着温度升高 所需 光强也随之高 同一温度下 随着二氧化碳浓度升高 所需光强也随之升高 进一步分析不同温度下方案一与方案二光照调控 点的变化 可以发现在温度较低时 基于方案二所获取 的光照调控点低于基于方案一所获取的光照调控点 在温度较高时 基于方案二所获取的光照调控点高于 基于方案一所获取的光照调控点 基于上述分析 提出 效益优先的光照调控策略 在获取实时温度与二氧化 碳环境参数后 输入到两个调控模型中 获取两个光强 中国农机化学报 年 调控点 选取其中光照调控点较小的作为效益优先的 光照调控策略 光照强度优化模型结果及验证 方案二预测结果与误差如图 所示 图 方案二预测结果与误差图 对基于 神经网络构建的方案一优化模型验证 结果表明 其决定系数 均方误差为 平 均 绝 对 误 差 为 对基于 神经网络构建的方 案二优化模型验证结果表明 其决定系数 均方误差为 平均绝对误差为 可见基于 神经网络建立 的方案二的光照强度优化模型误差略高于方案一的光 照强度优化模型 但其最大的误差也均保持在 的范围之内 如图 所示 具有较高 的预测准确度 调控效果对比 理论调控效果分析 为了验证上述提出的效益优先的光照调控模型的 调控效果 与获取光饱和点作为调控目标值的传统方 案进行对比 选取 的温度区间 的二氧化碳浓度区间 以 的温度 梯度 的二氧化碳浓度梯度为例 对比 结果如表 所示 从表 中可以看出 依据效益优先的光照调控可 以使得光照强度大幅降低的同时 光合速率仅小幅度 下降 数据表明 本文提出的效益优先的光照调控策 略 相比于传统光饱和点调控 光照供需量平均下降 而光合速率平均仅降低了 说明采用 效益优先的光照优化调控策略 可以使得设施温室作 物补光在投入较少的情况下获得相对较高的效益 表 传统光饱和点调控方案与效益优先的调控方案对比 温度 二氧化碳浓度 传统光饱和点调控 效益优先的光照调控 新方法较传统方法降低率 光照强度 光合速率 光照强度 光合速率 光照强度 光合速率 实际调控效果分析 为了验证本模型的实际调控效果 在天津农学院 西校区实训基地温室内开展调控模型验证试验 光照 远程调控系统整体工作流程图如图 所示 环境参数 通过日光温室远程智能监控系统实时获取 上位机通 过读取环境参数 利用 软件运行两种光照优化 第 期 单慧勇 等 效益优先的温室光照优化调控模型研究 调控模型并进行对比 获取效益优先的光照调控目标 值 然后根据实时的光照强度 判断是否需要进行光照 调控 若当前实时光照高于目标值 则不进行调控 继 续进行调控目标值的计算与实时环境的比较 若当前 光照强度低于目标值 则进行动态光照差值计算 发出 光照调控信号 试验光源选取项目合作单位西北农林 科技大学机械与电子工程学院自主研发矩阵多光源补 光灯 补光灯利用 控制电流方式控制灯珠光照 强度 通过 内部程序运算 将光照强度值发给协 调器 进而进行精准补光 补光系统通过 协议利用无线数传电台与上位机通讯 图 光照远程调控系统整体工作流程图 试验在同一温室的 块黄瓜生长发育状况相同的 区域进行 分别按效益优先补光策略 传统光饱和点补 光策略 不进行补光策略进行光照调控 记为效益组 光饱和对照组和自然对照组 试验中运行效益组与光 饱和对照组的光调控程序 自然对照组不进行补光 试验在 年 月 日进行 试验时间为 间隔 记录一组数据 共计 组数据 当天温室内二氧化碳浓度与温度变化曲线图如图 所 示 利用 便携式光合作用仪对不同试验区域 的黄瓜进行光合速率测量 得到 组对应的光合速率 曲线如图 所示 三组不同调控方案下的平均光合速率分别为 式中 效益组光合速率数据 光饱和组光合速率数据 自然对照组光合速率数据 试验记录数据样本量 图 温度和二氧化碳浓度变化图 图 组光合速率的变化趋势 故而效益组整体光合速率比光饱和组光合速率降 低量为 效益组整体光合速率比自然组光合速率提升量为 设效益组在不同环境条件下的目标补光值为 光饱和点组在不同环境条件下的目标补光值 为 则效益组整体光合速率比光饱和组补充 光照供需量降低量 经对比计算 效益组整体光合速率比光饱和组光 合速率低 补充光照供需量降低 效益 组整体光合速率比自然组高 说明提出的以 效益优先的光照调控可以在大幅度提高光合效益的同 时降低光照补充能耗 对设施温室补光的精准调控具 中国农机化学报 年 有指导意义 结论 本文在 算法构建的光合速率预测 模型的基础上 提出了融合两种不同寻优方案的效益 优先的光照优化调控目标值获取方案 继而基于 神经网络构建了光照优化调控模型 对提出的光照优化调控模型进行评估分析 数 据表明所提出的调控方案较传统光饱和点调控方案的 理论光照供需量下降 但光合速率仅降低 经对比试验验证 光照供需量下降 光 合速率减少 较自然条件下的光合速率提高了 因此所提出的光照优化调控模型可在大幅提 高光合效益的同时降低光照补充能耗 作物的生长受温室多种环境因素影响 多环境 因子之间存在相互关联的关系 且调控成本差异显著 后续课题组将深入研究 探讨智能多因子耦合的调控 方案 将二氧化碳 光照等环境因子进行融合调控 进 一步提高设施环境智能精准调控水平 参 考 文 献 梁文娟 王美玲 艾希珍 等 黄瓜幼苗光合作用对亚适温 弱光胁迫的适应性 农业工程学报 张振贤 艾希珍 赵世杰 等 黄瓜叶片光合作用的温度补 偿点与光合启动时间 园艺学报 张盼 非均匀光合特性约束下的黄瓜立体需光模型构建方 法研究 杨凌 西北农林科技大学 张海辉 张珍 张斯威 等 黄瓜初花期光合速率主要影响 因素分析与模型构建 农业机械学报 李天来 颜阿丹 罗新兰 等 日光温室番茄单叶净光合速率 模型的温度修正 农业工程学报 史为民 陈青云 乔晓军 日光温室黄瓜叶片光合速率模 型及其参数确定的初步研究 农业工程学报 胡瑾 何东健 任静 等 基于遗传算法的番茄幼苗光合作 用优化调控模型 农业工程学报 胡瑾 闫柯 何东健 等 基于改进型鱼群算法的番茄光 环境调控目标值模型 农业机械学报 胡瑾 田紫薇 汪健康 等 基于离散曲率的温室 优 化调控模型研究 农业机械学报 辛萍萍 效益优先的温室环境多因子协同调控模型与方法 研究 杨凌 西北农林科技大学 白京华 基于光合速率预测模型的黄瓜幼期 光照 协同调控目标参数获取方法 杨凌 西北农林科技大 第 期 单慧勇 等 效益优先的温室光照优化调控模型研究 学 李萍萍 李冬生 王纪章 等 温室黄瓜叶片光合速率的 类卡方模型 农业工程学报 胡瑾 高攀 陈丹艳 等 融合暗荧光参数的茄子叶片光 合速率预测模型构建 农业机械学报 陈涛 吕松 任廷林 等 基于最小二乘支持向量机的周 用电量预测方法 华电技术 孙双林 杨倩 基于最小二乘支持向量机的船舶集中空调 系统能耗预测 舰船科学技术 陶开鑫 俞成丙 侯颀骜 等 基于最小二乘支持向量机 的棉针织物活性染料湿蒸染色预测模型 纺织学报 郭娟娟 钟宝江 弦长曲率 一种离散曲率计算方 法 模式识别与人工智能 陶彦蓉 基于 神经网络的黄瓜光合速率预测模型研 究 杨凌 西北农林科技大学 刘翔 基于光温耦合的设施光环境检测与智能调控系统设 计 杨凌 西北农林科技大学 梁岩 番茄智能补光监控算法研究与系统软件开发 杨凌 西北农林科技大学