第11节 设施园艺的综合环境管理在线视频

同学们 大家好

我是中国农业大学的陈青云

欢迎大家来学习《设施园艺学》这门课程

前面几节课

同学们分别学习了

设施园艺的单一环境因子

光 温 水 气 土 肥的表现特征

变化规律与控制方法

这次课的内容是“设施园艺的综合环境管理”

也就是介绍如何将这些环境因子

作为一个有机综合的系统来进行调控管理

主要介绍三个方面的内容

第一就是设施园艺综合环境管理的定义与意义

第二就是综合环境管理的方式

第三综合环境管理今后的发展方向

首先我们来明确

设施园艺综合环境管理的定义

这一段话比较清晰地定义了

设施园艺综合环境管理

或者叫综合环境调控

这段话就是以实现作物高产优质为目标

通过利用各种传感器

环境调节装置 环境控制设备

计算机以及互联网与物联网等技术手段

将作物生长的各种环境因子

光 温 水 气 肥等

综合有机地调控到

适宜于作物生长发育的水平

这段定义是简单明了的

然而内容极为丰富

接下来我们将围绕这个定义

对设施园艺综合环境管理做一些剖析介绍

希望同学们加深

对综合环境管理的必要性 复杂性 发展方向

以及设施园艺的理解

更好地为设施园艺技术进步

贡献出你们的聪明才智

接下来我们分析

设施园艺综合环境管理的意义和作用

至少有以下三个方面的理由

可以来说明设施园艺环境

必须施行综合调控

第一 就是作物生长的状态

从来就不是由单一环境因子决定的

而是由多个也就是综合的环境因子

共同影响的结果

第二 就是温室不同于露地

由于温室有了结构设施 覆盖材料

从而产生了温室效应

温室效应 温室结构 室外气候变化等因素

往往会导致温室内的环境因子

不适应作物生长的需求

因此我们需要对这些环境因子

进行有效的综合调控

第三 就是对多个环境因子进行综合调控

不是一件简单的事情

因为环境因子之间

具有相互加强 减弱 耦合等作用

综合环境管理的精准实现就变得极为复杂

前面两点是显而易见的

在此不要作过多的讲解

在这里我们重点说一下第三点

就是环境因子之间的相互作用耦合问题

这个问题包括两个方面

一是环境因子之间的互作耦合

第二就是某个

也就是一个控制设备的一个动作

会引起多个环境因子的变化

而这些变化有时对作物是有利的

是我们所需要的

有时则是不利的

是我们不需要的

而综合环境调控的目的

就是要将所有的环境因子

都调控到适宜于作物生长

因此也就是说

要启用多个环境设备

遵循一定的规律来进行环境调控

才能达到综合环境管理的目的

我们来看这张表

可以用这张表简要的

也就是定性的来说明

设施园艺环境因子之间的互作耦合关系

所谓耦合 简单地说

就是一个环境因子

既影响其他的一个或多个环境因子

同时又受到其他环境因子的影响

同学们看这张表

表的横向和纵向的表头

都是光 温 水 气 肥五大环境因子

纵向的表头的环境因子发生变化

会引起横向表头的环境因子

相应发生变化

例如光照增加

必定使得温室内的

物体 土壤 植物等温度上升

进而通过对流换热

引起与这些物体接触的空气升温

空气温度升高

势必会降低空气的相对湿度

在低温高湿的时候

空气相对湿度的降低是有好处的

减少病虫害的发生

然而由于光照量增加 温度提升

又势必引起土壤蒸发植物蒸腾的加强

这样又会增加空气的绝对湿度

进而又影响空气的相对湿度

结果是相对湿度是增还是减

则难以简单地予以判断

说这样的互作耦合关系

要用数学物理的方法

定量分析描述是复杂的

因为这涉及到温室结构

土壤水分 植被密度

气候变化等多种因素

在这里只是用简单的方式

给予一些定性说明

表里列出了一些变化

以光照量增加对温湿度影响为例

作了一些说明

其实温室环境因子间的互作耦合关系

远不止于这些

同学们还可以作更多的进一步分析

定性的或者是定量的

这张表用图示的方式

说明了环控设备的一个动作

会引起多个环境因子的变化

横向表头

是环境因子光 温 水 气 肥

纵向表头是各种环控设备

表中符号的意思是

向上的箭头表示环境因子数量上升

向下的箭头表示降低

横杠表示没有影响

问号则表示影响不确定

也可能上升

也可能下降

以加温设备为例来看这个表

同学们在前面的几节课中

了解到温室加温设备有多种类型

例如 热水锅炉加温 热风采暖

电热辐射加温 还有地源热泵等等

每种加温方式对环境因子的影响

会略有不同

大体应该是类似的

加温的目的首先是提高温室气温

这时候相对湿度会表现出下降

所以在低温高湿的环境当中

启动供暖设备是一举两得

同上一张表所显示的一样

土壤蒸发 植物蒸腾 这些作用也会增强

会引起空气绝对湿度的上升

再来看一看常用的湿帘降温

在降低温度的同时也会增加湿度

如果这时候作物也需要增加湿度

则是一举两得

如果不需要这样高的湿度

则需要用其他的方法

来控制湿度的过量增加

再看看开窗通风对环境因子的影响

开窗通风对温度 湿度

二氧化碳浓度都会产生影响

因为这个环控动作不仅有能量的交换

还有温室内外的物质交换

开窗通风对光照的影响不太明确

可能会有微量的影响

开窗通风的主要目的是降低温度

如果温室里面的湿度高于室外

湿度会有所降低

二氧化碳浓度也是这样

是增加还是减少取决于

开窗时候的温室内外空气湿度

和二氧化碳浓度的差异

环控设备有很多种

表中所列的并不全面

在这里仅举了

加温 降温和开窗这三个例子

其他设备的影响请同学们自己分析

再来看这张图

这张图是设施内

环境和作物生理相互关系的模式图

这张图模式化的表示了温室环控设备

环境因子和作物生理之间的相互关系

如何来看这张图

这张图分4个层面

一个是作物

一个是土壤

一个是温室的环境因子

一个是温室的环控设备

作物从土壤当中吸收养分 水分

植物的叶温 水分 气温阻力

蒸腾 光合作用

以及光合产物的输送

受到气温 风速 空气湿度

二氧化碳浓度 光照强度等等的影响

而这些环境因子又受到温室的环控设备

通风换气 除湿 加湿 采暖保温

二氧化碳施肥 遮光 补光等的直接控制

综合上面所讲的内容

我们可以总结出

设施园艺综合环境管理的一些特点

设施园艺综合环境管理

具有多目标 多输出 多输入 多干扰

还有非线性 强耦合 大惯性等许多特点

所谓多目标

就是既要作物高产又要品质优良

还包括产品的外观 风味等等

还要考虑到温室生产的经济性

我们有很多环境因子变量

不是控制某个单一环境因子

而是要将这些环境因子进行综合的调控

多输入就是气象环境

温室结构的多样性

多干扰就是气象变化无常

光照温度都是一年365天

一天24小时都在发生变化

非线性就是环境因子的变化

并非成一定比例

变化规律呈现多样性

强耦合就是一个环境因子

受多个环境因子的影响

一个环境因子既受其他环境因子影响

而且还影响到其他因子的变化

大惯性就是土壤的传热

日光温室墙体传热

温室空间结构

生物学的特性

会导致环控设备启动一个动作

并不是立即就能实现控制目标

具有程度不同的滞后和误差

环境因子的变化呈现出程度不同的惯性

从控制学的角度来看

具有上述特点的系统称为复杂系统

而对复杂系统的精准有效的控制

是研究的热点 难点问题

所以请同学们注意

温室环境综合调控看似简单

其实要对温室环境

进行综合有效精准管理

无论从理论上还是实践上

都是极为复杂的

设施园艺经过几十年的发展

不仅温室结构在不断优化

在环境控制技术与理论方面

也取得了很大进展

取得了很多成果

现在讲第二个内容

就是设施园艺综合环境管理的方式

主要讲两种方式

一是依靠人所进行的综合环境管理

二是采用计算机的综合环境管理

下面就对这两种方式的特点

组成 适应性 各自的优势进行介绍

首先来看依靠“人”的综合环境管理

在这里对“人”字打了引号

这是因为不完全是靠人来进行的

而是由人+传统的机电设备

而实现的综合环境管理

如果从控制学的角度

将人和设备进行比较的话

人的眼 耳等感觉器官就是传感器

人脑就是控制系统中的调节器

发挥比较与计算的作用

手就是调节装置

执行从脑发出的指令

如前所述

温室环境从来就是要施行综合管理的

只是由于综合环境管理的复杂性

用普通机械难以实现而已

在计算机这种具有强大

记忆计算功能的机械出现以前

就是靠人脑

也就是人的经验施行综合管理

也就是说

单纯依靠生产者的经验和头脑

进行的温室环境综合管理是初级阶段

也是采用计算机进行综合环境管理的基础

许多生产能手早就善于

把多种环境要素综合起来进行考虑

来进行设施园艺的环境调控

依靠人脑实行的综合环境管理

对技术人员的要求很高

一是要具备丰富的知识和技术

二是要善于并勤于观察情况

随时掌握情况变化

三重要的要善于分析思考

能根据具体情况做出正确的判断

很显然尽管技术人员能力很强

但要处理多目标 多输入 多输出

强耦合 大惯性 非线性的复杂系统

还是显得力不从心

所以依靠人的综合环境管理

只是适用于一些调控要求不高的小型设施

难以实现设施园艺的

规模化 标准化 自动化的要求

因此随着计算机的普及

设施园艺规模的扩大

利用计算机

对温室环境进行综合调控管理

才得到广泛运用

现在介绍利用计算机

进行设施园艺综合环境调控方面的内容

主要介绍四个方面

这就是发展沿革

系统构成

控制软件结构

计算机综合管理的优势

首先看发展沿革

计算机综合环境管理发展沿革

从两个方面来看发展沿革情况

一是从时空来看

二是从技术发展来看

同学们都知道欧洲的荷兰国家虽小

但工农业都很发达

尤其是设施园艺

堪称世界上最发达的地方

将计算机用于温室园艺的

综合环境管理的研究

也是走在世界前面

上世纪60年代

荷兰就率先开始了这些研究与应用

日本也是工农业都很发达的地方

70年代就派遣专家 学生到荷兰去学习

他们不仅较早地

开始了计算机用于温室环控的研发

还于80年代初期

以千叶大学的古在教授为代表的研究团队

还开发了专家系统

将先进能手的经验和知识

变成计算机程序

用于指导栽培生产和病虫害的防治

我们国家设施园艺始于改革开放

80年代开始

也积极学习追赶这些发达国家

中国农科院 中国农业大学

还包括清华大学等单位的专家

也于80年代中期开始了这些研究

并推出了一些产品应用

从技术发展的角度来看

也是经历了由简单到复杂的过程

刚开始的时候

主要是将以前的

由“人+传统机电设备”中的

定时器 调节阀等硬件的功能

用计算机来取代

例如同学们在前面课程当中学过的

“四段变温管理”

PID调节

这些设备的参数变更

都需要用人工扭动设备的开关来完成

显得很麻烦

而用了计算机以后

利用模数转换

计算机则可根据软件程序发出指令

完成“四段变温管理”的时间设置

以及PID调节中的比例常数

积分常数 微分常数的灵活变更

在这里有必要补充一下

PID调节的概念

我们说调节的终极目的

就是用最短的时间实现控制目标

还要求稳定在这个目标值

譬如说要用热水锅炉加温

将温室温度从20度上升到28度

如果用最简单的控制方式

就是开关控制

或者叫on-off控制来进行的话

当温室温度达到28度的时候

就停止供给热水

但是这时候散热器本身的温度

是高于28度的

所以尽管断供热水了

但散热器还是在向温室供热

温度还会继续升高

当供热量和散热量达到平衡的时候

才停止上升

因此我们的目标是28度

但利用开关控制的方式

来控制加温的话

其实是实现不了真正的28度的

是在28度上下波动

为了减少这个波动 甚至消除这个波动

就产生了PID控制

PID三个字母分别是

比例 积分 微分的英文头字母

简单的理解就是在反馈控制的情况下

将目标值和实测值的差值

作为一个控制变量

就是根据这个差值的大小 比例

累加积分与变化速度

也就是微分关系

来确定调节阀的开启的状况

在计算机应用之前就有PID控制

也将这个装置运用到了温室环境的调控

但装置的三个参数

也就是比例常数 积分常数和微分常数

是要根据人的经验反复试错

并且用人工去拨动装置表盘来实现的

自从有了计算机

这些繁琐的事情就交由计算机来做了

而且效果很好

PID控制只是比开关控制先进一些

但在处理

温室综合环境调控的复杂系统时

还是显得力不从心

于是开发了基于模型的控制系统

模型中有气候模型

作物生长模型 水肥模型

也就是将这些模型

嵌入到计算机软件当中

随着这几年的互联网 物联网

人工智能技术的进步

也在不断融合这些技术

使得温室环境综合调控的理论与技术

日臻完善

这张图

就是计算机综合环境管理系统的构成

计算机在控制系统中处于中心核心地位

各种传感器将室外的气象因素

室内的环境因子

以及环控设备所处的状态

甚至作物生理信息

都经传感器传送到计算机

计算机根据控制软件程序

对环控设备发出动作指令

同时还兼具紧急情况的预警功能

对过往数据存储分析

积累新的经验

还有对操作人员的作业效率

进行监控管理等等

从前面的讲解中

多次提到

基于模型的温室环境综合调控

这个模式图就是基于模型的

温室综合环境控制系统软件结构图

所谓模型

就是根据物理原理和数学方式

描述一个现象或者一个系统

它们的内在关系

例如图中的温室环境动态模型

就是要运用传热传质理论

建立室外气象环境

温室结构和室内环境因子的变化关系

这些关系的表达式

往往是一组微分方程

模型就是相当于一个“黑箱”

一端是输入口 一端是输出口

在这个模型中输入量

就是室外气象因素

和光 温 湿这些气象因素

温室结构尺寸

温室所处地理位置等等

输出量就是温室内的

光照 气温 地温 湿度的数量变化规律

箱子里面

就是表示这些关系的数学表达式

模型的求解就是要知道输入变量以后

准确地计算出输出量

同学们可想而知

就是建立和求解这样一个模型

都不是简单的事情

如何建立模型 求解它

同学们可以去参考有关的书籍和论文

这个模式图将温室环境动态模型

作物生长模型 作物产量模型

二氧化碳消耗等模型

统一在了一个大系统中

计算机通过破解这些模型

并结合专家的经验

从而优化环境控制参数

将温室环境因子调节到

作物生长所需要的最优的限度内

以此实现作物的高产 降低能源的消耗

从而获得最大的经济效益

通过以上介绍

我们可以大概总结一下

计算机

用于温室环境综合管理方面的一些优势

主要表现在智能性

就是可以在计算机中

融入专家系统和AI

也就是人工智能技术

通用性

就是一套计算机程序

可以普遍使用

只是根据温室所处位置和结构不同

更新其中的一些参数即可

也适合于标准化

先进技术的快速普及

还有全面性

计算机不仅在环控方面大展身手

还可对经营管理 市场信息

作业管理 提高劳动生产率等等

这些方面发挥重要作用

最后 我们可以展望

设施园艺的综合环境管理的发展方向

如今的科技发展日新月异

技术层出不穷

尤其在信息科技领域更是如此

同时 无论是设施园艺的单体规模

还是全国的总体规模

都在继续扩大

国内大型温室单体面积

达到了15公顷左右

从单体面积上来讲与荷兰不相上下

当然 是否需要这么大

则是另外一个层面的问题

在此就不做过多的来评说

总体来说

温室面积越大

对控制要求越高

环境调控的难度也就越大

这些现象或者叫做发展动态

都要求越来越多地

发挥计算机在温室环控中的作用

前面讲过

温室环境控制系统

历经了手动 自动和智能控制

几个发展阶段

从字面上来讲

智能控制当属控制的高级水平

未来发展应该是朝着

综合环境管理调控的

网络化 远程化 智能化方向发展

随着技术的进步

这些应用软件开发

运用水平 运用领域

会进一步深化 拓展

自动化程度会越来越高

劳动强度会越来越低

人工利用会越来越少

控制精度会越来越准

产品产量和质量也会越来越好

设施园艺的产品

是蔬菜 花卉 果树等生物体

生物的生命规律

还有许多我们尚未知晓

应该说对生命科学的研究

是永无止境的

因此 许多生物生长发育的规律

是难以建模写进计算机程序的

尽管人工智能已经越来越发达

但电脑终究还是很难取代人脑

应该将人脑和电脑的优势互补

更好地做好人 机的结合

提高设施园艺的生产水平

同学们

设施园艺领域发展动能无限

期待着你们发挥聪明才智

为专业进步作出积极贡献