效益优先的温室环境多因子协同调控模型与方法研究

发布时间：2020-06-25 00:15

【摘要】：温室环境是影响温室作物产量与品质的关键因素之一,而多环境因子之间存在相互关联关系,且调控成本差异显著,如何在满足作物生长需求的同时降低调控成本,已成为温室环境高效调控亟待解决的科学问题和难点问题。本文在分析影响作物光合速率内外部影响因子的基础上,针对温度对光合速率的影响特性,研究基于径向基插值-鱼群算法的温度适宜区间获取方法;针对光与CO_2对光合速率的影响特性,研究基于遗传-支持向量机算法的光合速率预测模型构建方法,进而探寻基于L离散曲率-粒子群算法的光合速率次优目标值模型获取方法,建立满足温度约束的光合速率次优目标值模型;融合光合速率次优目标值模型和实时信息感知,基于粒子群多目标寻优算法研究约束条件下的效益优先的光与CO_2协同调控目标值在线寻优方法;基于上述理论研究,设计并研发了温室环境协同调控系统并进行实际部署验证。本文融合作物光合速率次优目标值模型与调控效益,提出了温室环境多因子协同调控模型与方法,对温室环境高效调控和设施产业转型升级具有理论意义。论文研究内容及结论如下。(1)开展了环境影响光合作用的机理分析与多因子嵌套试验,研究并提出了基于径向基插值-二维鱼群寻优算法的光合适宜温度区间获取方法。设计光、温、CO_2嵌套的光合速率试验方案,获取14个温度梯度、10个CO_2梯度与22个光合光量子通量密度(PPFD)梯度组合条件下的3080个试验数据样本。测试函数的5类插值基函数误差结果表明,逆复合二次径向基函数插值精度最高。以径向基插值网络作为鱼群寻优目标函数,实现不同温度条件下的光与CO_2二维寻优,获取光与CO_2饱和条件下的温度与光合速率的关系。验证结果表明,拟合直线斜率为1.0070,截距-0.1505,决定系数为0.9973,均方根误差为0.5649μmol/(m~2?s)。基于L离散曲率最大值法获取番茄初花期的光合温度适宜区间为[22,32]℃。(2)研究并提出了温度约束条件下的光合速率次优目标值模型的获取方法。基于遗传-支持向量机算法构建光合速率预测模型,模型测试集决定系数为0.9867,均方根误差为1.358μmol/(m~2?s)。以光合速率预测模型网络为输入,以光合适宜温度区间作为温度实例化条件,基于L离散曲率法对曲面曲线进行曲率计算。以曲率结果作为寻优目标函数,进行粒子群离散曲率最大值寻优,获取光合速率次优目标值坐标点。基于LM法拟合11个温度条件下的光合速率次优目标值函数曲面,曲面与原温度实例化的光合速率预测模型曲面相交,获取最终的光合速率次优目标值模型。模型校验结果表明,光合速率次优目标实测值与预测值相关性拟合决定系数为0.9843,均方根误差为0.3541μmol/(m~2?s),最大相对误差小于3.33%。(3)研究了效益优先的PPFD与CO_2协同调控目标值获取方法,并进行了效益优先性分析。以光合速率次优目标值模型与PPFD、CO_2总调控成本函数构建寻优目标函数,以光合速率尽可能高、调控成本尽可能低为目标,进行粒子群多目标寻优,获取效益优先的PPFD与CO_2协同调控目标值。效益对比分析结果显示,与光合最优PPFD与CO_2协同调控方式对比,效益优先调控方式其光合速率平均下降11.67%,但需光量平均下降36.66%,需CO_2量下降29.79%。在实时环境PPFD为500μmol/(m~2?s),CO_2为600μmol/mol的条件下,采用光合最优调控方式时光合速率平均提升26.92μmol/(m~2?s),调控成本平均为0.77元;采用效益优先调控方式时光合速率平均提升22.27μmol/(m~2?s)调控成本平均为0.43元。(4)研发了温室环境协同调控系统并进行实际部署验证。系统主要分为传感器监测子系统、数据融合与智能决策子系统、协同调控子系统。其中,传感器监测子系统主要实现光、温、CO_2、电量与CO_2流量实时监测与传输;数据融合与智能决策子系统集成光合适宜温度区间获取方法、光合速率次优目标值获取方法、效益优先的光与CO_2协同调控目标值获取方法,当接收监测子系统上传的数据后,判断温度是否在适宜温度区间。若在适宜温度区间,调用对应温度下的光合速率次优目标值模型进行寻优,获取协同调控目标值,否则等待下一次数据刷新后重新判断;协同调控子系统根据下发的调控目标值驱动对应的光和CO_2调控设备,实现光与CO_2协同调控;调控结果经过传感器监测子系统上传,对调控目标值进行闭环修正。调控系统原型部署于西北农林科技大学五泉试验基地,能耗数据统计显示,效益优先调控平均日消耗成本为4.48元,光合最优平均日消耗成本为6.96元。相对于自然对照区,效益优先协同调控区CO_2日消耗1503.17L,日用电量2.97KW/h,光合速率平均提升45.15%,光合最优协同调控区CO_2日消耗2290.61L,日用电量4.70KW/h,光合速率平均提升53.64%。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S625
【图文】：

温室环境影响光合作用的机理分析与-phosphoricacid,GAP 的醛基反应P+6NADPH+6H+→6GAP+6ADP+6N基本完成标志即为 CO2被还原为阶段的 GAP 重新形成 RuBP，反P+3ATP+2H2O→3RuBP+3ADP+2Pi+3磷酸化的 碳糖的一系酸激酶 Riboketose-1,5-diphospha3,4,5,6和 7

实验地点位于北纬 34°07'39''，东经 107°59明，有记录最冷温度-21℃，最高温度 42℃，平均气温 13水量 548.7 毫米，一年中日照时间平均达到 2195.2 小时。试斯”，该品种具有植株长势旺盛，不黄叶，不早衰，产量高茄种子经温汤浸种后，播种于 54 孔穴盘（上口直径 6cm、高机质含量 50%以上，PH 在 5.5-6.5 之间，腐殖酸达到 20%的间温室昼夜温度分别控制为 25℃/18℃，CO2浓度保持大气水肥充足。待番茄幼苗长至 6 叶 1 心，株高约达到 20cm，茎定植。定植缓苗成功后，当自顶往下当第七片叶片宽度超过、灌溉充分、长势均一的番茄苗进行光合测试。在 16 日到玻璃温室的追肥、灌溉等日常温室的管理工作按常规日常操用任何农药与激素类药物。3.2 组合嵌套试验方案设计试验期间，选择晴朗天气条件下植株自顶往下第七片叶片置，同时尽可能选择无遮挡、受光条件好的叶片作为样品叶

本文编号：2728571