一种生态复合微生物菌肥的发酵工艺控制方法与流程

本发明涉及生物农业有机肥加工，具体为一种生态复合微生物菌肥的发酵工艺控制方法。

背景技术：

1、生态复合微生物菌肥是将多种功能微生物菌种与有机基质复合后，通过好氧固态发酵实现有机质腐熟化及功能菌扩繁的一类新型肥料产品，具有改良土壤结构、提高作物抗病性、促进养分转化等作用，属于生物农业有机肥加工领域，好氧固态发酵通常在条垛式或槽式发酵系统中进行，通过翻堆、强制通风等方式为微生物提供氧气并散发发酵热，属于典型的多菌种复合发酵体系，涉及生物农业有机肥加工、农业微生物技术及农业环保工业控制系统等多个技术领域的交叉，

2、在工业化生产中，为实现发酵过程的自动化管理，行业内已发展出基于温度、湿度、氧气浓度等物理参数的在线监测与控制系统，通常配备分布式温湿度探头、溶解氧或氧含量传感器，并与变频罗茨风机、自动翻抛机、喷淋系统等执行机构联动，通过工业控制系统实现定时或按温度阈值触发的通风、翻堆、补水等操作，构成一类典型的物联网工业控制系统，

3、目前行业内与本发明最接近的现有技术方案为基于温度—时间静态曲线或温度阈值触发的好氧固态发酵自动控制方法，该方法的实施步骤通常为：在发酵堆体内布置若干温度探头及湿度探头，实时采集堆体核心区温度与含水率；

4、将采集的温度信号与预设的发酵阶段温度曲线进行比对；

5、当检测温度超过预设上限阈值时，控制系统触发翻堆机进行翻堆散热，或启动变频风机加大通风量进行强制降温；

6、当检测到堆体含水率低于预设下限时，触发喷淋系统进行定量补水；

7、该过程按预先设定的固定发酵周期循环执行，直至达到预设总发酵天数后判定发酵结束，

8、该现有方案的控制逻辑本质上属于单一物理量阈值判断驱动执行机构动作的开环或简单反馈控制，未涉及对微生物代谢状态及菌群演替的在线感知与建模，其控制目标仅为维持温度、湿度等物理参数处于安全区间，不区分也不兼顾不同功能菌种的存活状态，由于控制系统仅能感知宏观物理参数，无法在线获取发酵体系内部多菌种协同与拮抗代谢状态及核心功能菌孢子化情况，导致发酵控制长期依赖静态经验时间表，难以在保证物料腐熟度的同时兼顾核心功能菌的存活率与孢子化率，进而造成菌肥产品活菌数虚高、贮存稳定性差、田间促生效果不稳定等问题，亟需一种能够在线感知菌群代谢演替状态并实现腐熟度与菌活双目标协同调控的发酵工艺控制方法。

技术实现思路

1、现有的好氧固态发酵控制方法存在以下技术问题：其一，由于现有技术仅依赖温度、湿度等宏观物理参数进行控制，未能感知堆体内部微生物代谢产生的特征气体信号，因此无法识别发酵中后期因营养基质改变、局部酸碱度波动而导致的多菌种拮抗与竞争失衡现象，进而导致核心功能菌在总活菌数表观虚高的情况下大量死亡，造成菌肥产品后期贮存过程中活菌数衰减迅速、田间促生效果不稳定的问题；

2、其二，由于现有技术缺乏将气体代谢信号与微生物群落状态相关联的数学模型，即便获取气体传感数据也无法转化为可用于控制决策的功能菌活数、拮抗强度等生物学量化指标；

3、其三，由于现有技术采用固定时间表或单一阈值触发控制，其控制目标单一，未将腐熟度与功能菌孢子化率、存活率同时作为优化目标，导致过度追求高腐熟度容易引起后期营养耗竭、功能菌提前衰亡，而为保活菌数提前结束发酵又容易导致肥料施用后二次发酵烧苗的问题，二者相互矛盾且现有技术无法在线动态平衡。

4、本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够在线感知菌群代谢演替状态并实现物料腐熟度与核心功能菌孢子化率、存活率双目标闭环自适应调控的生态复合微生物菌肥发酵工艺控制方法。

5、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种生态复合微生物菌肥的发酵工艺控制方法，通过部署于发酵堆体多个控制分区的分布式电子鼻与多维传感器矩阵，采集各分区的温度、含水率、氧含量以及特征代谢气体浓度信号，所述特征代谢气体包括短链脂肪酸类物质、含氮化合物和特征醇类物质中的至少两种；

6、将采集到的上述信号输入预先训练完成的基于长短期记忆网络构建的代谢物—菌群状态数字孪生映射模型，得到各分区对应的核心功能菌活菌数估计值、拮抗强度估计值和孢子化率估计值；

7、将上述生物学状态估计值与物理传感数据组合形成当前系统状态，输入预先经过训练的强化学习策略网络，得到各分区对应的控制动作，所述控制动作包括分区变频补氧目标风量、分区翻堆散热触发信号以及分区脉冲式雾化补液的剂量和触发时机，其中所述强化学习策略网络以由腐熟度推进程度评分、孢子化率评价、拮抗强度评价及控制动作对应执行能耗成本构成的奖励函数进行训练；

8、将上述控制动作转换为可编程逻辑控制器可执行的控制指令，下发至变频罗茨风机、自动翻抛机及脉冲式雾化喷淋系统执行；

9、重复上述过程，直至各分区的腐熟度与孢子化率均达到预设终点判据，判定发酵结束，从而形成感知、建模、决策、执行四层构成的完整闭环控制回路。

10、在上述基础上，本发明还可以将发酵堆体按空间网格划分为多个独立控制分区，每个控制分区内独立部署感知节点并分别配置执行动作，实现分区式精准变频补氧与翻堆散热；

11、还可以设定拮抗强度上升判据及腐熟度过度推进判据，当满足相应判据时触发反向调控，由策略网络输出针对性的补氧、翻堆或补液指令。

12、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

13、1.本发明通过在发酵堆体空间嵌入分布式电子鼻与多维传感器矩阵，实时捕获能够指示菌群协同与拮抗代谢状态的特征气体信号并将其作为在线生物标志物，突破了传统固态发酵仅监测温度、湿度、氧气等物理参数的局限，达到能够在线感知菌群代谢演替动态的技术效果；

14、2.本发明通过构建基于长短期记忆网络的代谢物—菌群状态数字孪生映射模型，实现由环境物理参数与特征代谢气体到功能菌活数、拮抗强度、孢子化率的动态映射，达到对堆体内部生物学状态进行实时定量推演的技术效果；

15、3.本发明通过将物料腐熟度与核心功能菌孢子化率及存活率共同作为优化目标构建强化学习闭环自适应调控算法，在预测到拮抗加剧或过度腐熟趋势时自动输出分区变频补氧、翻堆散热或脉冲式雾化补液等控制指令，实现发酵终点腐熟度与功能菌贮存稳定性的端到端协同控制，相较于依赖固定时间表或单一物理阈值的现有技术，能够实现发酵终点腐熟度与功能菌孢子化率、存活率的协同控制，同时减少无效通风及补液能耗，同时兼具降低无效通风及补液能耗、提升土壤改良类绿色农业投入品品质的附加效果。

1.一种生态复合微生物菌肥的发酵工艺控制方法，其特征在于，包括：通过部署于发酵堆体多个控制分区的分布式电子鼻与多维传感器矩阵，采集各控制分区的温度、含水率、氧含量以及特征代谢气体浓度信号，所述特征代谢气体包括短链脂肪酸类物质、含氮化合物和特征醇类物质中的至少两种；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字孪生映射模型的输入为第个控制分区在时刻的特征向量，所述特征向量包括该控制分区时刻的温度、含水率、氧含量以及种特征代谢气体的浓度信号；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字孪生映射模型通过以下方式训练得到：在小试和中试发酵阶段同步采集各控制分区的温度、含水率、氧含量和特征代谢气体浓度信号，并在对应时间点通过宏基因组测序和16srrna绝对定量检测获得核心功能菌活菌数、拮抗强度和孢子化率的标签值，构建带标签的时序训练样本集；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腐熟度推进程度评分根据t时刻综合物理化学指标推算得到的腐熟度估计值与预设目标腐熟度终值之间的偏离程度确定，所述物理化学指标包括温度变化速率、含水率和耗氧速率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：当任一控制分区的拮抗强度估计值在连续预设数量个采样周期内均呈上升趋势且上升后的数值超过预设拮抗强度阈值时，触发反向调控，由所述强化学习策略网络输出对应控制分区的补氧控制指令、翻堆控制指令和补液控制指令中的至少一种；

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵堆体沿长度方向和深度方向划分为多个控制分区，每个控制分区内独立部署由温度探头、湿度探头、氧含量探头和电子鼻气体传感器阵列构成的感知节点，各感知节点采集的信号通过边缘数据采集网关汇聚后上传至运行有所述数字孪生映射模型和所述强化学习策略网络的计算单元。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电子鼻气体传感器阵列包括对短链脂肪酸类物质敏感的气体传感器单元、对含氮化合物敏感的气体传感器单元和对特征醇类物质敏感的气体传感器单元，所述气体传感器单元包括金属氧化物半导体气体传感器和电化学气体传感器。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于长短期记忆网络构建的数字孪生映射模型包括依次连接的输入层、由若干层长短期记忆网络单元构成的隐藏层以及输出层，所述隐藏层末次时间步的隐藏状态经全连接层映射后输出核心功能菌活菌数估计值、拮抗强度估计值和孢子化率估计值。

9.一种生态复合微生物菌肥的发酵工艺控制系统，其特征在于，包括：分布式电子鼻与多维传感器矩阵，部署于发酵堆体的多个控制分区，用于采集各控制分区的温度、含水率、氧含量以及特征代谢气体浓度信号；

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述分布式电子鼻与多维传感器矩阵中每个控制分区对应的感知节点包括温度探头、湿度探头、氧含量探头和电子鼻气体传感器阵列，所述电子鼻气体传感器阵列包括金属氧化物半导体气体传感器和电化学气体传感器。