一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法与流程

1.本发明涉及设施农业生产领域，具体涉及一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法。


背景技术：

2.作为一种半封闭生态系统，温室能减轻传统农业受外界环境的依赖，但其自我调节能力有限，内部环境的优劣对于作物生长、病虫害防治、节能减排等影响显著。针对温室内环境进行合理布局与优化能有效改善作物生长条件、促进作物增产同时节约能耗，对于促进设施农业进一步发展具有重要的现实意义和实际应用价值。
3.当前农业温室优化设计研究大多假设环境参数均匀分布，用集总参数来评价作物的生长环境。例如中国专利公开号cn113079881a的文献公开的大跨度可变空间日光温室优化设计方法，通过计算能量平衡方程得到冬季温室温度及供热负荷，进而推算出集热系统及墙体内空气温度场等热性能参数。其未考虑温室内部环境参数的空间变化，以及调控设备的优化布局；中国专利授权公告号cn107545100b的文献公开的温室环境高分辨率降阶建模方法，通过本征正交分解(pod)技术构造温室环境特征向量，从而提取出高分辨率的温室环境时空信息，但其没有与作物生长模型结合，导致由此专利衍生出的温室优化策略不能达到作物生产效益与节能效果的最优。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决目前农业温室环境设计方法过度依赖专家经验，导致优化精度低、设计结果并非经济效益最优。提出一种考虑作物生产效益和节省能耗的农业温室优化设计方法。特点在于：1.将基于奇异值分解(svd)的模型降阶技术与计算流体力学(cfd)稳态仿真相结合，快速求取温室作物区域的高分辨率环境响应，提高优化设计的空间分辨率；2.考虑温室环境与作物之间的交互作用，通过建立作物生长模型，使温室环境设计能最大化作物生产效益，同时促进节能减排。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法，包括以下步骤：
7.(1)根据温室外部天气条件和围护结构特性，确定影响温室环境的关键设计参数及可行范围。
8.(2)在可行范围内，对设计参数进行多维采样，每个采样点组成一个参数向量。
9.(3)根据步骤(1)所述外部天气条件与温室围护结构，以及步骤(2)所述参数向量，使用计算流体力学工具建立温室环境的三维模型。
10.(4)温室内部的作物区域由多孔介质构建，用于模拟作物与周围环境的热交互作用。
11.(5)针对每个参数向量分别运行cfd稳态仿真。
12.(6)提取每次仿真结果中作物区域的环境参数稳态响应值，包括温湿度场、二氧化
碳分布、风速流场等，组成对应的环境响应变化空间。
13.(7)利用奇异值分解技术对上述空间进行降维，重构出对应低维子空间，用于环境响应的快速解算。
14.(8)建立作物生长模型，用于求取各个环境响应下温室作物的生产效益。
15.(9)设置作物区域的环境均匀性指标，并结合作物生长效益指标建立优化设计的目标函数。
16.(10)根据步骤(9)所述目标函数，利用全局优化算法对步骤(1)所述设计参数进行多目标优化。每次迭代过程的温室环境响应由步骤(7)所得的低维子空间通过多维插值快速解算。
17.所述步骤(1)中，温室外部天气条件包括温湿度、光照强度和风速；影响温室作物生长环境的设计参数包括顶棚遮阳率范围、风机位置和二氧化碳加注位置等。
18.所述步骤(2)中，为保证环境参数模型降维的精度，参数采样方法采用多维等间距采样，见附图3。
19.所述步骤(3)中，cfd工具采用ansys软件；温室环境建模的具体步骤包括：
20.a、采用ansys里的designmodeler软件对温室结构进行几何建模；根据步骤(2)所述参数向量对温室顶棚遮阳帘、负压风机和二氧化碳加注设备分别进行参数设置；
21.b、将几何模型导入mesh软件进行网格划分，并将划分后的网格文件导入fluent软件；
22.c、设置cfd模型边界条件；选择动量、湍流和do辐射模型模拟温室内的热对流与热辐射现象。
23.所述步骤(4)中，设置多孔介质构建温室作物区域，运用显热、潜热模型模拟作物与环境之间的热交互作用。具体步骤包括：
24.a、由于温室中作物冠层与室内空气存在温差，作物-环境之间显热交换量q
sem
由以下作物冠层空气动力学特性决定：
[0025][0026]
式中ρ为温室内空气密度，c
p
为空气的比热容，lai为作物叶面积指数，tc为冠层温度，ti为室温，ra为作物叶片空气动力学阻力。
[0027]
b、作物将太阳辐射产生的显热转换为潜热释放到温室，潜热量q
lat
可用下式表示：
[0028][0029]
式中，λ为蒸腾通量，w
leaf
，wi为作物冠层和空气的绝对湿度，r
sl
为作物叶片的气孔阻力。
[0030]
所述步骤(6)中，提取作物区域环境参数稳态响应值的具体步骤包括：
[0031]
a、根据温室作物生长区域，选取作物冠层高度的平面，提取平面上所有网格点的环境响应值；
[0032]
b、提取方法：通过fluent\export导出选定区域的物理量，根据导出的profile文件格式整理得到各环境参数的响应矩阵；
[0033]
所述步骤(7)中，采用svd技术对环境响应变化空间进行降维，具体步骤包括：
[0034]
a、使用步骤(6)中的环境响应矩阵组成参数矩阵r。其中，r为一个n
×
m阶的矩阵，n为温室内部作物区域选定的网格点个数，m为参数向量的数目。
[0035]
b、利用特征值方程(r
t
r)vi＝λivi解出n个特征值与对应的n个特征向量vi，所有特征向量张成一个n
×
n的矩阵v。利用(rr
t
)ui＝λiui解出n个特征值与对应的n个特征向量ui。
[0036]
c、利用σi＝rvi/ui解出每个奇异值，对应的svd基表示为：
[0037][0038]
d、选择合适的截断值k，使得前k个奇异值包含的系统特征值占总能的比值达到99％以上。由此，环境响应变化空间可近似表述为k个奇异向量及其系数a的线性组合
[0039][0040]
其中p(n)表示n个网格点上的稳态环境响应结果。
[0041]
所述步骤(8)中，采用作物生长模型中的干物质质量表征作物的生产效益，时间段选取作物日间光合作用时段。以生菜类作物模型为例，表征干物质质量的一阶差分方程如下：
[0042][0043]
其中，xd为作物干物质质量，c
αβ
为作物产量因子，是光合反应速率，c
resp,d
是以呼吸干物质量表示的呼吸速率参数；z
t
为作物区域平均温度，由cfd环境响应得到；k为时间步。上式中的光合反应速率由下式计算：
[0044][0045]
其中，c
pl,d
是单位质量下的作物有效冠层面积参数(m2kg-1
)，c
rad,phot
是光利用效率参数(kgj-1
)；v
rad
为太阳辐射量(wm-2
)，由cfd室外太阳辐射和温室遮阳率变换得到；)，由cfd室外太阳辐射和温室遮阳率变换得到；和分别表示温度对光合作用的影响参数；zc(k)是作物区域的平均二氧化碳浓度，由cfd环境响应得到；cr是二氧化碳补偿点参数(kgm-3
)。
[0046]
所述步骤(9)中，作物区域的生长环境均匀性指标j
even
由作物区域网格点处的温度、湿度和二氧化碳浓度值的方差和表征；作物生长效益指标由作物生产的经济收益减去风机电能耗和二氧化碳的加注能耗。为统一单位，收益和能耗都折算为市场价格，以指标j
econ
表示。由此，优化设计的目标函数集为：
[0047][0048]
生长环境均匀性指标j
even
中，ti，hi，ci表示作物区域网格点处的温度、湿度和co2浓度，z
t
，zh，zc为其平均值；n
p
为网格点数目；作物生长效益指标j
econ
中，prc
xd
为作物市场价格，v
air,k
为风机送风速率(m3/s)，η
fan
为风机效率，δp为温室进出口压强差(pa)，prce为当地电价；v
co2
为二氧化碳加注速率(m3/s)，ωρ分别为co2的质量分数和密度，prc
co2
为co2加注价格，th
our
为作用时间。
[0049]
所述步骤(10)中，优化算法采用多目标moea/d优化算法，优化目标为作物生长环境均匀性指标j
even
最小，作物生长效益指标j
econ
最大。算法种群数设置为500，迭代次数设置为70。每次迭代过程的温室环境响应通过步骤(7)对奇异向量系数的多维插值快速解算得到。
[0050]
本发明采用上述技术方案后的有益效果是：
[0051]
1、本发明考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法通过引入作物模型来测算候选环境参数引起的作物干物质质量及经济效益，同时通过折算温室运行能耗的经济代价，使得温室环境的优化设计更具针对性，优化结果有经济效益数据作支持，能够最大化作物生产效益，同时促进设施农业节能减排。
[0052]
2、本发明考虑温室环境的空间分布影响，采用模型降阶的思想快速提取环境特征信息，使得本发明的温室环境设计方法能够保证最大化作物区域的环境适宜性，同时缩短优化设计的时长，提高优化效率。
附图说明
[0053]
图1是本发明考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计流程图；
[0054]
图2是一个三维多跨温室模型示意图。图中绿色区域模拟为作物生长区域，二氧化碳加注的候选位置有三个，标注为圆圈1、2、3；负压风机的候选位置由相互距离h决定；
[0055]
图3是多维设计参数的采样点分布示意图。
具体实施方式
[0056]
为了更为具体的描述本发明，下面结合附图和具体实施案例对本发明进行详细说明。
[0057]
图1描述了考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计流程。
[0058]
图2为一个多跨温室三维模型。温室长40m，宽19m，屋顶高5m。温室内部有一宽8m、长20m、占地160m2的作物生长区域。
[0059]
下面详细描述本发明方法的实施步骤：
[0060]
步骤1，根据温室外部温湿度、光照强度和风速等气候条件以及围护结构特性，确定影响温室环境的关键设计参数及可行范围。本例中，在温室几何模型已知的情况下，选取
对温室作物生长影响较大的设计参数为：顶棚遮阳率、风机位置和二氧化碳加注位置。
[0061]
步骤2，在可行范围内，对上述设计参数进行多维等间距采样，具体包括：遮阳率采样值为0.4、0.6、0.8，风机位置间隔(即附图2中风机相互距离h)采样值为1m、3m、5m，二氧化碳加注位置间隔(与南墙距离)采样值为3m、9m、15m，每组采样点组成一个参数向量参与cfd仿真，如附图3所示。
[0062]
步骤3，根据步骤1所述外部天气条件与温室围护结构，使用计算流体力学工具建立温室环境的三维模型。具体步骤包括：
[0063]
步骤3.1，确定温室、湿帘入口以及作物区域的位置和尺寸，利用designmodeler软件搭建温室几何模型，如附图2所示；根据步骤2所述参数向量对温室顶棚遮阳帘、负压风机和二氧化碳加注设备分别进行参数设置；
[0064]
步骤3.2，将几何模型导入mesh软件进行网格划分，对特殊边界(如湿帘入口、负压风机和二氧化碳加注口)局部加密。本例中共划分出182491个网格，并将网格文件导入fluent软件；
[0065]
步骤3.3，设置cfd模型边界条件，包括：四周与屋顶的围护设置为温度边界(浮法玻璃材质)，风机设置为速度进口边界，湿帘设置为压力入口边界；温室内气体假设为低速流动的不可压缩粘性牛顿流体，湍流模型选用标准k-ε模型，近壁处理采用标准壁面函数，辐射模型采用do辐射模型；使用组分运输方程以模拟二氧化碳等多组分气体的流动，采用压力速度耦合方式，采用simple算法求解。
[0066]
步骤4，采用多孔介质构建温室作物区域，运用显热、潜热模型模拟作物与环境之间的热交互作用。具体步骤包括：
[0067]
步骤4.1，根据作物特点设置孔隙率；由于温室中作物冠层与室内空气存在温差，作物-环境之间显热交换量q
sem
由以下作物冠层空气动力学特性决定：
[0068][0069]
式中ρ为温室内空气密度，c
p
为空气的比热容，lai为作物叶面积指数，tc为冠层温度，ti为室温，ra为作物叶片空气动力学阻力；
[0070]
步骤4.2，作物将太阳辐射产生的显热转换为潜热释放到温室，潜热量q
lat
用下式表示：
[0071][0072]
式中，λ为蒸腾通量，w
leaf
，wi为作物冠层和空气的绝对湿度，r
sl
为作物叶片的气孔阻力。
[0073]
步骤5，根据步骤2所述，本例候选参数向量共3
×3×
3＝27个；根据步骤3和步骤4所述，分别针对每个参数向量进行cfd设置，并完成离线的cfd稳态仿真。
[0074]
步骤6，提取每次仿真结果中作物区域的环境参数稳态响应值，包括温度场、二氧化碳分布、风速流场等，组成对应的环境响应变化空间。具体步骤包括：
[0075]
步骤6.1，根据温室作物生长区域，选取作物冠层平面高度为1.3米，提取平面上所有网格点的环境响应值，本例网格点数为4500；
[0076]
步骤6.2，提取方法：通过fluent\export导出选定区域的物理量，根据导出的profile文件格式整理得到各环境参数的响应矩阵，并组成变化空间。
[0077]
步骤7，利用奇异值分解技术对上述空间进行降维，重构出对应低维子空间，具体步骤包括：
[0078]
步骤7.1，使用步骤6中的环境响应变化空间组成参数矩阵r。其中，r为一个n
×
m阶的矩阵，n为温室内部作物区域选定的网格点个数，m为参数向量的数目。本例中，n＝4500，m＝27；
[0079]
步骤7.2，利用(r
t
r)vi＝λivi解出n个特征值与对应的n个特征向量vi，所有特征向量张成一个n
×
n的矩阵v。利用(rr
t
)ui＝λiui解出n个特征值与对应的n个特征向量ui；
[0080]
步骤7.3，利用σi＝rvi/ui解出每个奇异值，对应的svd基表示为：
[0081][0082]
步骤7.4，选择合适的截断值k，使得前k个奇异值包含的系统特征值占总能的比值i(k)达到99％以上，本例中k＝5。由此，环境响应变化空间可近似表述为k个奇异向量及其系数a的线性组合
[0083][0084]
其中p(n)表示n个网格点上的稳态环境响应结果。
[0085]
步骤8，建立作物生长模型，采用作物生长模型中的干物质质量表征作物产量，以此求取各个环境响应下温室作物的生产效益。本例将一周内光合作用时段作物干物质产生的累计量表征作物产量。以生菜类作物模型为例，关于干物质质量产生的一阶差分方程如下：
[0086][0087]
其中，xd为作物干物质质量；c
αβ
为作物产量因子，取值0.544；是光合反应速率；c
resp,d
是以呼吸干物质量表示的呼吸速率参数，取值2.65
×
10-7
s-1
；z
t
为作物区域平均温度，由cfd环境响应得到；k为时间步。进一步，上式中的光合反应速率由下式计算：
[0088][0089]
其中，c
pl,d
是单位质量下的作物有效冠层面积参数(m2kg-1
)，取值53；c
rad,phot
是光利用效率参数(kgj-1
)，取值3.55
×
10-9
；v
rad
为太阳辐射量(wm-2
)，由cfd室外太阳辐射和温室遮阳率变换得到；温度对光合作用的影响参数：取值5.11
×
10-6
，
取值2.30
×
10-4
，取值6.29
×
10-4
；zc(k)是作物区域的平均二氧化碳浓度，由cfd环境响应得到；cr是二氧化碳补偿点参数(kgm-3
)，取值5.2
×
10-5
。
[0090]
步骤9，设置作物区域的环境均匀性指标，并结合作物生长效益指标建立优化设计的目标函数。其中，生长环境均匀性指标j
even
由作物区域网格点处的温度、湿度和二氧化碳浓度值的方差和表征；作物生长效益指标由作物生产的经济收益减去风机电能耗和二氧化碳的加注能耗。为统一单位，收益和能耗都折算为市场价格，以指标j
econ
表示。由此，优化设计的目标函数为：
[0091][0092]
在生长环境均匀性指标j
even
中，ti，hi，ci表示作物区域网格点处的温度、湿度和co2浓度，z
t
，zh，zc为其平均值，均可由cfd结果计算得到；n
p
为网格点数目，本例为4600；作物生长效益指标j
econ
中，prc
xd
为作物市场价格；v
air,k
为风机送风速率(m/s)，本例设为3；η
fan
为风机效率，本例设为0.75；δp为温室进出口压强差(pa)，本例设为562.5；prce为当地电价；v
co2
为二氧化碳加注速率(m/s)，本例设为0.02；ωρ分别为co2的质量分数和密度，prc
co2
为co2加注价格；本例考虑一周光合作用时段内作物干物质的产生量，作用时间th
our
取值7
×
8＝56小时。
[0093]
步骤10，根据步骤9所述目标函数，利用全局优化算法对步骤1所述设计参数进行多目标优化。为提高优化速度，每次迭代过程的温室环境响应通过步骤7对奇异向量系数a的多维插值解算得到。优化算法可采用多目标moea/d优化算法，优化目标为作物生长环境均匀性指标j
even
最小，作物生长效益指标j
econ
最大。算法种群数设置为500，迭代次数设置为70。
[0094]
为了验证本发明效果，以华东地区生菜种植的温室环境为例，优化对温室作物生长影响较大的三个设计参数，即顶棚遮阳率范围、风机位置和二氧化碳加注位置。运用此方法可得到最佳温室环境设计参数，使得作物区域内的作物生长效益最优且维持温室的节能运行。