一種植物工廠集成控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及植物工廠控制領(lǐng)域，具體涉及一種植物工廠集成控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標既要高產(chǎn)高效，又要優(yōu)質(zhì)低耗。以植物工廠為代表的現(xiàn)代設(shè) 施農(nóng)業(yè)的發(fā)展順應(yīng)了這種時代潮流，它集成了現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，以工廠化的 精細管理來改造傳統(tǒng)粗放型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，取得了很好的效果。
[0003] 植物工廠生產(chǎn)過程控制包括環(huán)境和水肥兩個子系統(tǒng)。環(huán)境因素包括溫度、濕度、光 照、二氧化碳濃度等，環(huán)境控制子系統(tǒng)就是要通過控制這些環(huán)境氣候因子，為作物生長創(chuàng)造 良好環(huán)境條件。水肥控制子系統(tǒng)包括灌溉和施肥控制兩部分，主要控制灌溉水量和肥料品 質(zhì)（如EC/PH值）。近年來植物工廠基礎(chǔ)控制技術(shù)獲得了長足進步，工廠環(huán)境控制和水肥調(diào) 控已經(jīng)逐步走向自動化，配套設(shè)施日益齊全。
[0004] 作業(yè)生產(chǎn)排產(chǎn)是植物工廠精細化管理的一個核心問題，即如何根據(jù)有關(guān)信息制定 階段性種植計劃，從而獲得最優(yōu)的生產(chǎn)效益。由于農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)周期長短不一、生產(chǎn)計劃制 定存在不可變更性等特點，生產(chǎn)計劃制定的準確性對于植物工廠的最終經(jīng)濟效益有較大的 影響作用。
[0005] 另外，由于植物生長對環(huán)境溫度具有高度依賴性，能耗優(yōu)化及溫度調(diào)控技術(shù)一直 以來是植物溫室領(lǐng)域研究的重點。傳統(tǒng)植物工廠控制重點大多聚焦于基礎(chǔ)環(huán)境因子的控 制，隨著節(jié)能高效及成本優(yōu)化的實際需求，集成的優(yōu)化經(jīng)營調(diào)控系統(tǒng)及方法成了新的研究 熱點。
[0006] 專利號為CN201410735279的發(fā)明專利公開了一種監(jiān)控植物工廠生長因子的溫室 裝置及其監(jiān)控方法，包括溫室裝置、二氧化碳監(jiān)控模塊、臭氧監(jiān)控模塊及乙烯監(jiān)控模塊。
[0007] 專利號為CN201410684635的發(fā)明專利公開了一種用于花卉生產(chǎn)的溫室型植物工 廠系統(tǒng)，包括智能環(huán)境系統(tǒng)、無土栽培系統(tǒng)、上位控制系統(tǒng)。
[0008] 專利號為CN201410588304的發(fā)明專利公開了一種應(yīng)用多色LED的智能型植物工 廠的光照控制系統(tǒng)和方法，通過對多種光色LED植物燈的發(fā)光功率進行連續(xù)、實時的在線 探測，結(jié)合植物在不同生長階段的光照需求來調(diào)節(jié)多種光色LED植物燈的發(fā)光功率，使得 植物工廠內(nèi)的植物處于最佳的生長狀態(tài)。
[0009] 專利號為CN201310414613的發(fā)明專利涉及一種基于植物生長特性和規(guī)律的流水 線式植物工廠的實現(xiàn)方法，提供了一種可擴展式植物生產(chǎn)方式，模擬植物在整個成長過程 中的最佳生長環(huán)境。
[0010] 專利號為CN201310037258的發(fā)明專利涉及一種植物種植系統(tǒng)，包括圍蔽式獨立 于外界的利用自然光源的種植區(qū)域，對種植區(qū)域內(nèi)環(huán)境進行控制的中央控制系統(tǒng)以及與中 央控制系統(tǒng)聯(lián)系的子控制系統(tǒng)。
[0011] 專利號為CN201210573160的發(fā)明專利涉及一種溫室大棚溫度控制系統(tǒng)，包括冷 熱交換機、冷熱水兩用保溫存儲箱和冷熱空氣循環(huán)分布機以及送風排風系統(tǒng)，使溫室大棚 或其它場所的室內(nèi)溫度自如調(diào)控，在短時間內(nèi)，迅速降溫或升溫，從而降低了用戶初次投資 成本及長時間運行費用。
[0012] 專利號為CN201410271472的發(fā)明專利涉及一種基于時令的節(jié)能溫室控制系統(tǒng)， 包括實時及歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、溫室傳感系統(tǒng)、分區(qū)控制器和計算機控制系統(tǒng)。
[0013] 專利號為CN201310316947的發(fā)明專利公開了一種種植業(yè)溫室控制方法及控制 器，通過將實際溫度值與預(yù)設(shè)溫度信息進行對應(yīng)，獲取與該實際溫度信息或?qū)嶋H時間信息 相對應(yīng)的風口檔位信息，控制器控制通風口打開相應(yīng)的檔位。
[0014] 專利號為CN201310296504的發(fā)明專利本發(fā)明提供一種基于CFD數(shù)值模擬的溫室 控制方法，使PID參數(shù)整定通過計算模擬和計算實現(xiàn)，工程師不用到溫室現(xiàn)場，或者溫室處 于設(shè)計階段就可確定溫室的PID控制參數(shù)。
[0015] 專利號為CN201110359701的發(fā)明專利公開了一種溫室控制裝置，包括裝設(shè)在溫 室頂部的太陽能板和電能轉(zhuǎn)換裝置以及安裝在溫室內(nèi)部的蓄電池、溫度感測器、濕度感測 器、加濕器、加溫器、控制器和照明裝置。
[0016] 專利號為CN200710041549的發(fā)明專利公開了一種溫室智能控制方法，以作物智 能數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)控制溫室整體氣候，再跟蹤作物生長期間的實時信息，校正完善數(shù)據(jù)庫，并 在控制溫室氣候的輸入數(shù)據(jù)中疊加混沌信號，再加上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進行優(yōu)化調(diào)節(jié)得以實 現(xiàn)的。
[0017] 專利號為CN200410014434的發(fā)明專利公開了一種基于經(jīng)濟最優(yōu)的溫室環(huán)境控制 技術(shù)，通過建立環(huán)境因子與作物生長量的數(shù)據(jù)庫、控制效果數(shù)據(jù)庫。計算在設(shè)定時段內(nèi)所能 達到的環(huán)境因子預(yù)期調(diào)控量，同時計算在這時間內(nèi)機構(gòu)動作所耗費的控制成本P ;再計算 出作物的經(jīng)濟產(chǎn)出值C ;通過計算選擇最大的C/P值，確定以按經(jīng)濟最優(yōu)為控制目標的由調(diào) 控機構(gòu)的不同動作狀態(tài)組合而成的控制方案。
[0018] 江蘇大學項美晶提出了一種"基于信息融合的溫室環(huán)境因子調(diào)控優(yōu)化方法"，建立 了一種溫室作物C02濃度-光合速率預(yù)測模型、溫度-光合速率預(yù)測模型、CO 2損失成本模 型、溫度調(diào)控成本模型等，并以價格季節(jié)性變化規(guī)律為依據(jù)建立市場價格規(guī)律模型。
[0019] 中科大秦琳琳等通過將室外環(huán)境因子作為系統(tǒng)的連續(xù)輸入量，天窗的開啟和關(guān)閉 狀態(tài)作為離散變量，室內(nèi)溫度作為連續(xù)輸出量，建立了溫室混雜自動機的模型現(xiàn)代溫室溫 度混雜系統(tǒng)的建模。中科大王子洋等提出了一種基于切換控制的溫室溫濕度控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種植物工廠集成控制系統(tǒng)和方法。本發(fā)明 參考植物的生長規(guī)律和生理特性，通過構(gòu)建植物生產(chǎn)過程能量平衡和質(zhì)量平衡方程，定量 或定性研究影響植物工廠環(huán)境因子的因素及程度，計算并控制維持溫室特定環(huán)境所需的能 耗負荷，建立集成能源優(yōu)化的環(huán)境調(diào)控算法，給出植物工廠植物生長的最優(yōu)種植方案，達到 節(jié)能增效的效果，為植物工廠設(shè)計、生產(chǎn)、發(fā)展以及環(huán)境調(diào)控提供指導(dǎo)依據(jù)。
[0021] -種植物工廠集成控制系統(tǒng)，包括：
[0022] 生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)庫，包含植物工廠的資源數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、營銷數(shù)據(jù)；
[0023] 集成生產(chǎn)條件的作業(yè)計劃模塊，按照預(yù)設(shè)的生產(chǎn)周期根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)庫以經(jīng)濟 效益最高為原則形成初始生產(chǎn)方案，并根據(jù)初始生產(chǎn)方案下植物的機理特性和植物工廠的 實際能耗成本對初始生產(chǎn)方案進行修正得到的最佳生產(chǎn)方案；
[0024] 植物生產(chǎn)過程仿真器，根據(jù)實時生長環(huán)境仿真在初始生產(chǎn)方案下植物的機理特 性，并反饋供作業(yè)計劃模塊以用于修正初始生產(chǎn)方案；
[0025] 能耗控制模塊，利用多介質(zhì)能耗模型計算初始生產(chǎn)方案下植物工廠的實際能耗成 本，并反饋給作業(yè)計劃模塊以用于修正初始生產(chǎn)方案；
[0026] 信息采集及環(huán)境控制模塊，用于采集植物的實時生長環(huán)境，并根據(jù)集成生產(chǎn)條件 的作業(yè)計劃模塊輸出的最佳生產(chǎn)方案控制植物的生長環(huán)境。
[0027] 資源數(shù)據(jù)包括植物工廠栽培架數(shù)量、結(jié)構(gòu)、種植能力、裝置能耗平均值（即苗床在 每個生產(chǎn)周期內(nèi)的平均能耗系數(shù)的初始值）等；
[0028] 環(huán)境數(shù)據(jù)包括植物工廠中各車間環(huán)境因子，所述的環(huán)境因子包括光照、溫度、空 氣、水中PH值、溶解氧、富營養(yǎng)物數(shù)據(jù)等；
[0029] 生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括栽培植物基本機理數(shù)據(jù)、作業(yè)調(diào)度、工況監(jiān)控及遠程服務(wù)等的數(shù) 據(jù)；
[0030] 營銷數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)農(nóng)資、原料、種子等的成本價格以及成品植物的市場供需情況、 價格波動等數(shù)據(jù)。
[0031] 根據(jù)上述生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)庫可以獲取植物工廠的基礎(chǔ)能耗成本數(shù)據(jù)（包括初始能 耗成本和初始能耗系數(shù)）以及產(chǎn)品市場價格及需求數(shù)據(jù)（即供應(yīng)鏈模型）。
[0032] 本發(fā)明的生產(chǎn)周期可以根據(jù)具體的植物種植情況設(shè)置。
[0033] 所述的植物生產(chǎn)過程仿真器利用預(yù)設(shè)的植物生長機理模型庫及生長環(huán)境控制模 型庫仿真不同的生產(chǎn)方案下植物的機理特性；
[0034] 所述的植物生長機理模型庫包括至少一個植物生長機理模型；
[0035] 所述的生長環(huán)境控制模型庫包括至少一個生長環(huán)境控制模型（即環(huán)境仿真模 型）。
[0036] 在對初始生產(chǎn)方案仿真時，根據(jù)初始生產(chǎn)方案調(diào)用對應(yīng)的植物生長機理模型和生 長環(huán)境控制模型計算即可得到仿真結(jié)果。通過仿真分析比較在不同生產(chǎn)方案下植物的生長 情況特點，為植物工廠生產(chǎn)計劃調(diào)度與優(yōu)化策略提供仿真驗證。
[0037] 所述作業(yè)計劃模塊輸出最佳生產(chǎn)方案包括相應(yīng)生產(chǎn)周期內(nèi)植物的生產(chǎn)作業(yè)計劃 方案以及相應(yīng)的環(huán)境控制給定值。
[0038] 本發(fā)明的集成生產(chǎn)條件的作業(yè)計劃模塊（即最佳生產(chǎn)方案）實際上集成了植物生 長環(huán)境模型、能耗成本以及供應(yīng)鏈模型。假設(shè)生產(chǎn)計劃周期（即生產(chǎn)周期）內(nèi)不同植物的 價格及供需情況已知，一個生產(chǎn)周期內(nèi)種植多種不同的植物，以經(jīng)濟效益最大化為目標函 數(shù)建立模型。
[0039] 作為優(yōu)選，制定最佳生產(chǎn)方案通過在原料市場供應(yīng)約束、產(chǎn)品市場需求約束和苗 床的種植量約束的約束條件下求解如下目標函數(shù)得到：
[0040]
[0041] 其中，Pk為第k個生產(chǎn)周期的全廠利潤，
[0042] A':為第k個生產(chǎn)周期內(nèi)第i種植物的需求量，
[0043] ^為第k個生產(chǎn)周期內(nèi)第i種植物的銷售價格，
[0044] gf為第k個生產(chǎn)周期內(nèi)第η種原料的采購量，
[0045] 《為第k個生產(chǎn)周期內(nèi)第η種原料的采購價格，
[0046] 第k個生產(chǎn)周期內(nèi)第u個苗床在第m種生產(chǎn)方案的苗床生產(chǎn)量；
[0047] W為苗床在每個生產(chǎn)周期內(nèi)的平均能耗系數(shù)（即能耗系數(shù)），在計算時通常作為常 數(shù)處理。
[0048] 能耗系數(shù)和能耗成本可以相互推導(dǎo)，即已知其中任意一個，即可推算出另外一個。 本發(fā)明中從生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)庫可以計算得到W的初始值（即初始能耗系數(shù)）。
[0049] 其中，所述的原料市場供應(yīng)約束如下：
[0050]
[0051] 其中，為第η種原料的采購量的下限，W為第η種原料的采購量的上限