智能温室环境控制的研究概况

史志明 孙聪 曹亮 陈贤 赵旭辉

【摘  要】 在智能温室领域中，温室环境控制技术居于核心地位，国内近年来持续强化了该领域的研究和探索，开展了智能温室环境控制的诸多实践活动。本文重点论述了我国在智能温室领域中所进行的诸多研究和分析工作，把握这方面的发展现状，更好地促进该领域的相关研究和分析。

【关键词】 智能温室;环境控制;研究概况

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

在农业现代化过程中，智能温室是其至关重要的缩影之一，它的主要目标是促进经济效益的最大化。如今，就智能温室领域的相关环境控制策略而言，涵盖了以模型为基础以及知识为基础的控制，此外是以知识与模型结合为基础的控制。它的控制水平涵盖了三个不同的层次，首先是只关注植物生长，或者只关注节能问题，从而实现对控制系统的最优赋值，其次是从节能、植物产量或生长态势等领域，全方位实现控制系统的最优化。再次是植物的整个生长过程、成本费用，节能、以及市场变化等多种因素，全方位把握相关的栽培、种植、管理方案，从而达到经济效益最大化。

1  智能温室控制系统的目标

智能温室体现出了无污染、高效益、高产出、高投人等多个特征，被视作农业现代化领域的重要缩影。它的最终目的是促进农业生产效益的最大化，所以，智能温室在进行环境控制的过程中，应该确保下列方面。第一，智能温室中种植了有生命的各种经济植物，所以必须确保温室中各种培育对象的基本安全。第二，为了推动温室中各种培育对象的有效生长和壮大，应该循序渐进地调节和控制温室中的气候，要尽量通过诸多设施，循序渐进地降低温室外部气候影响智能温室中的气候以及环境。第三，切实依据温室中各种培育对象的具体生长规律，逐步控制温室中的环境，在各个阶段中均要确保防病虫害、水肥、环境气候等相关指标，满足相应的要求。第四，结合市场中各种农产品的市场信息，准确把握今后市场的变化趋势，合理地确定投入到温室中的各种要素，对产品进入市场的时间进行控制。第五，既要促进我国农业生产的可持续发展，又要在农业生产加工的过程中持续地保护现有的生态环境。所以，温室生产应该尽可能地关注生态效益的要求，不使用各种农药，确保土壤本身的酸碱度，保护空气以及地下水不受到污染等。第六，尽量减少智能温室的运作成本，比如尽可能利用新能源，比如太阳能，采取最恰当的加温温度，循环使用以及在线检测营养液，尽快实现通风除湿的低成本、低消耗。温室控制系统的预期目标是确保农业生产的综合效益，也就是说，在确保生态效益的基础上，尽可能地增加经济效益，提升产量，降低能源消耗以及资源消耗。

2  智能温室环境控制的现状

温室生产的过程比较复杂，周期较长，温室系统是复杂的庞大系统，强耦合、多变量、大惯性、非线性、强干扰。它的外部环境与随着季节和市场变化的种植作物，都存在着相当多的不确定性，温室作物的光合作用以及蒸腾作用的动态模型、数学模型也存在着不精确性。只能确定部分参数，必须动态识别其他参数。温室环境控制很难进行高效率的建模、控制以及处理，无法真正地摆脱人工干预。如今温室环境控制的指导策略是：首先是以模型为基础的环境控制。以实用简单性为基础而构建的模型，比如非线性模型以及线性模型，利用下列方法控制相关模型：预测控制、HD控制、自适应控制以及优化控制等。其次，以知识为基础的控制。它利用专家系统、知识库、数据库等，有效地控制和管理温室环境的变化。再次，采取软计算、神经网络以及模糊系统等，破解温室系统环境控制的不确定性以及不精确性。

从前文所述可知，温室气候控制的实际水平涵盖了三个不同的层次。第一层次只关注植物的具体生长（依据植物的相关生长要求，确保稳定的气候环境），或者只是从节能视角，为智能温室的控制系统进行最优化赋值。如今国内外投用的大部分智能温室控制系统，均处于该层次之上。就我国研究和实践后两个层次的智能温室控制系统而言，依旧处于控制模型的仿真以及研究层面，尚未真正投用。荷兰开展了植物节能以及生长的诸多实验，采取积光、积温等指导思想，提升了智能温室的管理水平以及作物的数量和质量，为在节能最优化情况下实现了植物生长最优的实践基础和理论依据。顾寄南，李萍萍及毛罕平等多位学者，采取了系统工程理论，将温室系统当作大的系统，首先构建了针对性的动态综合模型，借助大系统理论为温室环境控制寻找最优方法。他们指出，温室大系统涵盖了经济分析、环境控制、作物生长在内的三个子系统，各个子系统还能够被分成更小更多的子系统，整体而言涵盖了四层状态空间。他们还选用结球莴苣，将其光合速率模型当作植物生长模型，然后加入了温室环境控制、环境控制成本等两个子模型，此外加上了双方关系，打造了动态综合模型，在一个大系统中深入地研究这些子系统。文中通过大系统控制论的协调——分解策略，依次求出了每个子系统本身的局部最优化，然后借助系统优化子模型，对大系统全局最优化进行求解，获得了最优环境控制方式，找到了能够实现较低控制成本以及较好控制效果的两个必要條件。

3   智能温室环境控制的发展方向

智能温室是当前最新的设施栽培技术。它通过实施相应的控制环境措施，让植物长时间处于优良的生长环境中。各种植物对环境的具体要求并不相同，同种植物在各个阶段对环境的具体要求也不完全相同。急需初步构建差异化的温室作物生长模型。然而应该认识到，作物模型的研究难度比较大，必须要积累诸多生产周期的实践实验以及理论知识，定期收集各种信息和数据，如今国内在该领域才刚刚起步。

在适度、光照、温度等多种生长环境因子的全面作用，作物才能不断地生长，所以决不可静态地、单独地看待各种因子，必须从总体上把握环境控制的动态变化。必须把环境控制与温室运行的有效控制成本密切结合，研发设计出可行性较强、更实用的环境控制技术，以切实达到植物工厂化的种植生产要求，这也是促使现代温室控制系统创造更多经济效益方面，亟需深入研究的重大问题。温室系统的干扰模型以及控制过程及是难以辨识的、未知的，存在着较大的不確定性。比如外部气候的突变，突发性灾害天气等。所以人们难以用传统的环境控制方法进行建模，很难有针对性地控制智能温室的环境变化过程，这是由于其中存在着相当多的高度非线性难题。尽管传统的控制理论也能够利用多种非线性的控制措施，然而非线性理论却无法赶得上线性理论的稳定性与成熟度，此外温室环境控制的过程极度复杂，导致无法有效地运用上述非线性理论。此外，温室生产过程中有不少非结构化、半结构化的问题，很难构建数学定量分析模型。比如采取状态方程、微分方程的数值计算测控，仅仅适用于近似的、简化的不精确前提下，无法达到精确控制的效果。因此，相关科研院所、高校、龙头企业等都应该积极行动起来，持续创新智能温室的环境控制策略，采取更多的先进措施和分析模型，有效地提升智能温室环境控制的效果和水平。

4  结语

综上所述，智能温室生产控制系统以自动化技术与计算机技术为基础，能够在较大程度上摆脱传统农业无法克服的诸多影响因素，切实增加农业生产力。应该采取针对性的措施，让智能温室系统处于最佳的节能状态，降低能源消耗，达到增产增收，为种植者创造更多收益的目的。

参考文献：

[1] 孙力帆，张雅媛，郑国强，等.基于D—S证据理论的智能温         室环境控制决策融合方法[J].农业机械学报，2018，49（1）：            268-275.

[2] 赵文兵，毛罕平，马万征.基于物联网的智能温室远程监控       系统设计[J].中国农机化学报，2016，37（6）：230-233.

[3] 邓璐娟，冯巧玲，李淑君，牛月兰，李宝珍.智能温室环境控          制的研究现状与发展方向[J].郑州轻工业学院学报自然科      学版），2013，18（4）：20-23.

[4] 顾寄南，毛罕平，李萍萍.温室系统综合动态模型的研究[J]        .农业工程学报，2001，17（4）：55—59.