运用数字孪生的大棚能源协同控制方法与流程

本发明涉及数字孪生领域，具体为运用数字孪生的大棚能源协同控制方法。

背景技术：

1、现有大棚能源协同控制通常采用基于环境参数独立闭环调节的数字孪生方案，其具体实现方式为：在大棚内部署温度传感器、湿度传感器和光照传感器，采集环境数据并上传至数字孪生平台；孪生平台将大棚空间划分为独立调节区域，针对温度、湿度和光照参数分别设定目标阈值；当某一区域的温度偏离阈值时，单独控制变频水泵增加热媒流量；当湿度偏离阈值时，单独控制通风风机转速；当光照偏离阈值时，单独控制调光电路输出功率，各环境参数的调节过程相互独立，未在孪生模型中建立热湿光多物理场之间的耦合关系，控制指令仅基于单一参数偏差生成。

2、上述现有技术中，由于未考虑大棚密闭空间内热湿光多物理场的非线性耦合效应，单一参数调节引发的物理场变化会破坏其他参数的平衡状态，导致局部微气候失调；物理能源供给缺乏基于多场耦合能流梯度的整体调度，仅依靠单一参数偏差进行补偿，造成能源分配方向与实际物理场耦合需求错位，产生局部微气候失衡与能源分配粗放的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供运用数字孪生的大棚能源协同控制方法，可以有效解决上述背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、运用数字孪生的大棚能源协同控制方法，包括：

4、实时采集大棚内的温度场数据、湿度场数据、光照强度场数据以及各传感器的空间坐标数据；

5、基于所述温度场数据、所述湿度场数据、所述光照强度场数据和所述空间坐标数据，利用偏微分方程构建热湿光多物理场耦合的大棚数字孪生模型；

6、基于所述大棚数字孪生模型，计算所述大棚内各空间网格的能流密度梯度；

7、在所述大棚数字孪生模型中，基于所述能流密度梯度识别微气候失衡网格；

8、将所述微气候失衡网格的能流需求映射至物理空间的能源供给网络，生成动态能源路由表；

9、基于所述动态能源路由表，控制变频水泵的输出频率、调光电路的导通角以及通风风机的转速，使物理能源供给流向与所述能流密度梯度的方向一致。

10、优选的，基于所述温度场数据、所述湿度场数据、所述光照强度场数据和所述空间坐标数据，利用偏微分方程构建热湿光多物理场耦合的大棚数字孪生模型包括：

11、将所述大棚内部空间离散化为多层六面体空间网格；

12、将所述温度场数据、所述湿度场数据和所述光照强度场数据作为初始场变量赋予对应的所述六面体空间网格；

13、提取所述六面体空间网格的界面热导率、质扩散系数和光透射率，将所述界面热导率、所述质扩散系数和所述光透射率代入所述偏微分方程的边界条件中；

14、基于所述初始场变量和所述边界条件，在所述偏微分方程中引入热湿交叉耦合项和光热反馈项，求解所述偏微分方程获得所述大棚数字孪生模型内各所述六面体空间网格的稳态物理场分布。

15、优选的，基于所述大棚数字孪生模型，计算所述大棚内各空间网格的能流密度梯度包括：

16、从所述大棚数字孪生模型中提取目标空间网格的温度梯度向量、湿度梯度向量和光强梯度向量；

17、获取温度能流转换系数、湿汽能流转换系数和光子能流转换系数；

18、将所述温度梯度向量与所述温度能流转换系数相乘获得热能流密度向量，将所述湿度梯度向量与所述湿汽能流转换系数相乘获得潜热能流密度向量，将所述光强梯度向量与所述光子能流转换系数相乘获得辐射能流密度向量；

19、将所述热能流密度向量、所述潜热能流密度向量和所述辐射能流密度向量进行空间矢量叠加，获得所述目标空间网格的综合能流密度梯度。

20、优选的，在所述大棚数字孪生模型中，基于所述能流密度梯度识别微气候失衡网格包括：

21、计算所述能流密度梯度的模值；

22、将所述能流密度梯度的模值与预设能流密度阈值进行比对；

23、若所述能流密度梯度的模值大于所述预设能流密度阈值，则判定所述能流密度梯度对应的空间网格为候选失衡网格；

24、提取所述候选失衡网格在所述大棚数字孪生模型中的温度偏差值、湿度偏差值和光照偏差值；

25、将所述温度偏差值、所述湿度偏差值和所述光照偏差值分别与对应的偏差容忍区间进行比对；

26、若所述温度偏差值、所述湿度偏差值或所述光照偏差值中任一者超出所述对应的偏差容忍区间，则将所述候选失衡网格标记为所述微气候失衡网格。

27、优选的，将所述微气候失衡网格的能流需求映射至物理空间的能源供给网络，生成动态能源路由表包括：

28、在所述物理空间的能源供给网络中，定位所述微气候失衡网格对应的物理能源供给节点；

29、以所述物理能源供给节点为汇点，在所述能源供给网络中进行逆向拓扑搜索，获取所有可达能源源点；

30、基于所述能源供给网络中各管路和线路的当前负载率，为所述可达能源源点至所述物理能源供给节点的传输路径分配权重；

31、根据所述权重计算所述可达能源源点至所述物理能源供给节点的最短加权路径；

32、将所述最短加权路径转化为所述物理能源供给节点与对应所述可达能源源点之间的能源流分配序列，组合生成所述动态能源路由表。

33、优选的，基于所述动态能源路由表，控制变频水泵的输出频率、调光电路的导通角以及通风风机的转速，使物理能源供给流向与所述能流密度梯度的方向一致包括：

34、解析所述动态能源路由表，获取所述微气候失衡网格所需的能源类型和能源流向；

35、若所述能源类型为热能，则根据所述能源流向确定目标变频水泵，并调节所述目标变频水泵的输出频率，同时控制对应管路电动阀门的开度；

36、若所述能源类型为辐射能，则根据所述能源流向确定目标调光电路，并调节所述目标调光电路中可控硅的导通角；

37、若所述能源类型为潜热能，则根据所述能源流向确定目标通风风机，并调节所述目标通风风机的转速及风阀朝向，使所述变频水泵、所述调光电路和所述通风风机输出的物理能源流方向与所述能流密度梯度的矢量方向重合。

38、优选的，提取所述六面体空间网格的界面热导率、质扩散系数和光透射率，将所述界面热导率、所述质扩散系数和所述光透射率代入所述偏微分方程的边界条件中包括：

39、获取所述大棚内作物冠层的空间分布数据；

40、基于所述空间分布数据计算相邻所述六面体空间网格之间的冠层遮挡体积比；

41、根据所述冠层遮挡体积比，动态修正所述界面热导率和所述质扩散系数，获得修正热导率和修正质扩散系数；

42、根据所述冠层遮挡体积比，计算冠层叶片的光合有效辐射吸收率，基于所述光合有效辐射吸收率下调所述光透射率，获得修正光透射率；

43、将所述修正热导率、所述修正质扩散系数和所述修正光透射率作为动态参数代入所述偏微分方程的时变边界条件中，更新所述大棚数字孪生模型。

44、优选的，将所述热能流密度向量、所述潜热能流密度向量和所述辐射能流密度向量进行空间矢量叠加，获得所述目标空间网格的综合能流密度梯度包括：

45、获取所述目标空间网格在历史连续时间窗口内的历史综合能流密度梯度序列；

46、计算所述历史综合能流密度梯度序列随时间的变化率，获得能流梯度变化趋势向量；

47、提取当前时刻的所述综合能流密度梯度作为当前能流梯度向量；

48、将所述能流梯度变化趋势向量与预设步长的乘积，与所述当前能流梯度向量进行矢量相加，获得预测能流密度梯度；

49、将所述预测能流密度梯度作为所述目标空间网格在下一时刻的所述综合能流密度梯度，用于后续所述微气候失衡网格的识别。

50、优选的，根据所述权重计算所述可达能源源点至所述物理能源供给节点的最短加权路径，将所述最短加权路径转化为所述物理能源供给节点与对应所述可达能源源点之间的能源流分配序列，组合生成所述动态能源路由表包括：

51、遍历所述能源供给网络中所有的所述最短加权路径；

52、检测不同所述最短加权路径之间是否存在共享管路或共享线路；

53、若存在所述共享管路或所述共享线路，则获取所述共享管路或所述共享线路的最大允许负载容量；

54、根据所述最大允许负载容量，对经过所述共享管路或所述共享线路的所述最短加权路径进行流量分配，构建互不冲突的所述能源流分配序列；

55、将所述互不冲突的能源流分配序列按照所述微气候失衡网格的优先级排列，组合生成所述动态能源路由表。

56、优选的，调节所述目标变频水泵的输出频率，同时控制对应管路电动阀门的开度，调节所述目标调光电路中可控硅的导通角，调节所述目标通风风机的转速及风阀朝向包括：

57、获取所述目标变频水泵、所述目标调光电路和所述目标通风风机的当前运行状态参数；

58、基于所述当前运行状态参数和所述动态能源路由表中的目标状态参数，计算状态切换差值；

59、将所述状态切换差值输入至预设的平滑控制函数中，生成随时间渐变的控制指令序列；

60、将所述控制指令序列下发至所述目标变频水泵、所述管路电动阀门、所述目标调光电路和所述目标通风风机，使所述输出频率、所述开度、所述导通角和所述转速按照所述控制指令序列渐变至所述目标状态参数。

61、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

62、1.通过利用偏微分方程构建热湿光多物理场耦合的大棚数字孪生模型，计算各空间网格的能流密度梯度，将热湿光之间的非线性耦合关系纳入模型求解过程，克服了单一参数独立调节导致的物理场干涉现象；基于能流密度梯度识别微气候失衡网格，并将能流需求映射至物理空间生成动态能源路由表，使变频水泵、调光电路和通风风机的控制指令基于多场耦合的综合能流梯度生成，物理能源供给流向与能流密度梯度方向保持一致，解决了局部微气候失衡与能源分配方向错位的问题。

63、2.引入冠层遮挡体积比对界面热导率、质扩散系数和光透射率进行修正，使偏微分方程的边界条件随作物冠层分布动态变化，提高了多物理场耦合模型的计算精度；通过矢量叠加计算综合能流密度梯度并结合历史序列获取预测能流密度梯度，提前预判微气候失衡趋势；在生成动态能源路由表时，针对共享管路或线路基于最大允许负载容量进行流量分配，避免了多支路能源调度冲突；采用平滑控制函数生成随时间渐变的控制指令序列，避免了执行机构状态突变对管路和电路造成的物理冲击。