一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统及方法与流程

本发明涉及农业精准灌溉与智能施肥，具体是指一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统及方法。

背景技术：

1、玉米是我国三大粮食作物之一，常年播种面积约6.5亿亩，黄淮海平原、东北平原为核心主产区。传统玉米种植普遍采用大水漫灌与表施追肥的粗放管理模式，存在水肥利用率低、资源浪费严重、环境污染风险高等问题。

2、水肥一体化技术将灌溉与施肥有机结合，通过管道系统将溶解后的肥料随水均匀输送至作物根区，可显著提升水肥利用效率。现有水肥一体化系统多采用集中式控制架构，由中央控制柜统一管理全场设备，存在以下技术缺陷：

3、其一，集中式架构存在单点故障风险，主控设备故障将导致全场瘫痪，难以适应大面积连片种植的可靠性要求；其二，决策模型多采用固定阈值或简单经验公式，未能充分考虑田间空间异质性与动态气象变化，决策精度有限；其三，现有智能决策多为纯机理模型或纯数据驱动模型，机理模型参数校准困难、适应性差，数据驱动模型缺乏农学机理约束易出现违背常识的决策结果；其四，多数系统依赖云端在线运行，网络通信中断时无法正常工作，不适用于网络条件较差的偏远农田。

4、针对上述问题，业内已有部分研究尝试引入分布式架构与智能算法，但实际应用中仍存在决策模型与玉米农艺需求结合不紧密、分布式协同机制不完善、闭环反馈能力不足等问题，难以满足玉米全生育期精准水肥管理的实际需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统及方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统，采用"云-边-端"三级分布式架构，包括田间感知层、边缘决策层、云端管控层和分区执行层；所述田间感知层用于采集田间多源环境与作物数据并传输至边缘决策层；所述边缘决策层部署于各田块控制单元，基于本地数据独立生成水肥施用决策指令；所述云端管控层用于全局数据汇聚、模型训练与优化调度；所述分区执行层根据决策指令执行分区变量灌溉与配肥作业。

3、进一步的，所述田间感知层包括土壤监测节点、气象监测站和作物长势采集单元；土壤监测节点按网格部署于各分区内，采集10cm、20cm、40cm三层土壤体积含水率与土壤电导率；气象监测站采集空气温湿度、光照强度、风速与降雨量；作物长势采集单元通过近地光谱传感器获取玉米冠层ndvi与株高数据。

4、进一步的，所述边缘决策层内置机理-数据双驱动智能决策模型，耦合fao-56penman-monteith作物需水机理模型与lstm时序预测算法；所述机理模型用于计算参考作物蒸散量与玉米作物系数，所述lstm算法用于基于历史数据修正预测偏差，两者输出加权融合生成最终灌溉量决策。

5、进一步的，所述智能决策模型还包括玉米生育期知识库与水肥耦合优化模块；生育期知识库存储玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期、成熟期六个阶段的水肥需求阈值；水肥耦合优化模块采用nsga-ii多目标优化算法，以产量最大化、水肥投入最小化为目标求解最优氮磷钾配比与灌溉定额。

6、进一步的，所述边缘决策层具备离线独立运行能力，内置边缘计算网关与本地数据存储单元；当云端通信中断时，边缘节点基于本地历史数据与预设规则持续执行水肥管控，通信恢复后自动同步数据与决策日志。

7、进一步的，所述分区执行层包括主供水管道、分区电磁阀组、文丘里施肥器组、肥料母液罐与滴灌管网；每个田块分区配置独立的进水电磁阀与施肥通道，支持分区独立灌溉启停、流量调节与肥料浓度控制；肥料母液罐至少设置氮、磷钾两个独立储液罐，通过电磁计量泵精确调节吸肥比例。

8、进一步的，所述云端管控层包括数据中台、模型训练模块与全局优化调度模块；数据中台汇聚所有边缘节点的感知数据与执行数据，构建土壤-作物-环境时空数据库；模型训练模块采用滑动窗口机制定期更新lstm预测模型参数；全局优化调度模块基于水源约束与电力峰谷时段优化各分区灌溉时序。

9、进一步的，系统还包含闭环反馈校验机制；每次水肥施用完成后，田间感知层持续监测土壤水分与电导率变化，边缘决策层对比实测值与预测值的偏差，当偏差超过15%阈值时自动触发模型参数修正与下一次决策调整。

10、一种基于所述系统的玉米水肥一体化施用方法，包括以下步骤：

11、s1：将目标玉米田划分为若干管理分区，每个分区部署一套边缘决策单元与感知节点；

12、s2：感知节点按设定频率采集土壤、气象与作物数据，传输至本地边缘决策单元；

13、s3：边缘决策单元调用双驱动智能决策模型，结合当前生育期生成本分区灌溉量、施肥量与水肥配比决策；

14、s4：边缘决策单元向分区执行层下发控制指令，启动对应电磁阀与施肥泵，执行水肥一体化施用；

15、s5：施用完成后采集反馈数据，计算决策偏差并修正模型参数；数据同步上传至云端；

16、s6：云端定期进行全局模型迭代训练与调度优化，将更新后的模型参数下发至各边缘节点。

17、进一步的，步骤s3中灌溉量计算公式为：

18、i=kc×et0×(θfc-θactual)/η；

19、其中，i为灌溉量，kc为玉米作物系数，et0为参考作物蒸散量，θfc为田间持水量，θactual为实测土壤体积含水率，η为灌溉水利用系数；所述et0由fao-56模型计算得到基础值，再经lstm模型基于近7天气象数据进行修正。

20、采用以上结构后，本发明具有如下优点：1、分布式架构，可靠性高：采用"云-边-端"三级架构，各分区边缘节点独立决策、独立执行，避免集中式系统单点故障导致全场瘫痪的风险。单节点故障仅影响对应分区，其余分区可正常运行，系统整体可靠性显著提升。

21、2、双驱动决策，精度提升：机理模型与数据驱动模型优势互补，fao-56机理模型提供农学理论基础，lstm数据模型基于实际数据修正偏差，两者融合后决策精度较纯机理模型提升18%以上，较纯数据模型避免了违背农艺常识的异常决策。

22、3、离线运行，适应性强：边缘节点内置完整决策能力与数据存储，不依赖云端在线运行，网络中断时可正常工作，适用于网络条件较差的偏远农田与规模化种植场景。

23、4、分区变量，适配异质性：支持田块级分区变量施用，可根据不同分区的土壤质地、地力水平与作物长势差异化决策，适应田间空间异质性，较统一施用模式提升水肥利用效率。

24、5、闭环优化，持续进化：构建"感知-决策-执行-反馈-修正"完整闭环，系统在运行过程中持续自我优化，使用时间越长数据积累越丰富，决策精度越高。

25、6、农艺深度融合：内置玉米全生育期知识库，决策过程充分结合玉米生长发育规律，关键生育期重点保障水肥供应，非关键期适度控制，符合玉米栽培学原理，可实现稳产前提下的节水节肥。

1.一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统，其特征在于，采用"云-边-端"三级分布式架构，包括田间感知层、边缘决策层、云端管控层和分区执行层；所述田间感知层用于采集田间多源环境与作物数据并传输至边缘决策层；所述边缘决策层部署于各田块控制单元，基于本地数据独立生成水肥施用决策指令；所述云端管控层用于全局数据汇聚、模型训练与优化调度；所述分区执行层根据决策指令执行分区变量灌溉与配肥作业。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统，其特征在于，所述田间感知层包括土壤监测节点、气象监测站和作物长势采集单元；土壤监测节点按网格部署于各分区内，采集10cm、20cm、40cm三层土壤体积含水率与土壤电导率；气象监测站采集空气温湿度、光照强度、风速与降雨量；作物长势采集单元通过近地光谱传感器获取玉米冠层ndvi与株高数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统，其特征在于，所述边缘决策层内置机理-数据双驱动智能决策模型，耦合fao-56penman-monteith作物需水机理模型与lstm时序预测算法；所述机理模型用于计算参考作物蒸散量与玉米作物系数，所述lstm算法用于基于历史数据修正预测偏差，两者输出加权融合生成最终灌溉量决策。

4.根据权利要求3所述的一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统，其特征在于，所述智能决策模型还包括玉米生育期知识库与水肥耦合优化模块；生育期知识库存储玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期、成熟期六个阶段的水肥需求阈值；水肥耦合优化模块采用nsga-ii多目标优化算法，以产量最大化、水肥投入最小化为目标求解最优氮磷钾配比与灌溉定额。

5.根据权利要求1所述的一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统，其特征在于，所述边缘决策层具备离线独立运行能力，内置边缘计算网关与本地数据存储单元；当云端通信中断时，边缘节点基于本地历史数据与预设规则持续执行水肥管控，通信恢复后自动同步数据与决策日志。

6.根据权利要求1所述的一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统，其特征在于，所述分区执行层包括主供水管道、分区电磁阀组、文丘里施肥器组、肥料母液罐与滴灌管网；每个田块分区配置独立的进水电磁阀与施肥通道，支持分区独立灌溉启停、流量调节与肥料浓度控制；肥料母液罐至少设置氮、磷钾两个独立储液罐，通过电磁计量泵精确调节吸肥比例。

7.根据权利要求1所述的一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统，其特征在于，所述云端管控层包括数据中台、模型训练模块与全局优化调度模块；数据中台汇聚所有边缘节点的感知数据与执行数据，构建土壤-作物-环境时空数据库；模型训练模块采用滑动窗口机制定期更新lstm预测模型参数；全局优化调度模块基于水源约束与电力峰谷时段优化各分区灌溉时序。

8.根据权利要求1所述的一种基于智能决策模型的分布式玉米水肥一体化施用系统，其特征在于，系统还包含闭环反馈校验机制；每次水肥施用完成后，田间感知层持续监测土壤水分与电导率变化，边缘决策层对比实测值与预测值的偏差，当偏差超过15%阈值时自动触发模型参数修正与下一次决策调整。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述系统的玉米水肥一体化施用方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤s3中灌溉量计算公式为：