CN106874578B - 一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法、光环境调控方法及系统 - Google Patents

一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法、光环境调控方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法以及光环境调控方法。本发明同时提供一种商业化闭锁式叶菜生产系统。本发明以获得叶用蔬菜种植的最大利润为目的，提供商业化闭锁叶菜生产系统的光环境调控方法与装置，通过一系列的数学物理模型计算，通过优化方法确定合理光照强度，实现叶菜的高效集约化生产，具有极强的实用和推广价值。

Description

一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方 法、光环境调控方法及系统
技术领域
本发明涉及蔬菜高效清洁生产技术领域，尤其涉及一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法、光环境调控方法及系统。
背景技术
叶用蔬菜生长周期短、复种指数高，味道鲜美，深受广大消费者所喜爱。由于较高的复种指数经常导致病虫害爆发，为了保持高产，在蔬菜种植过程中不得不使用大量农药，一方面造成了蔬菜品质的恶化，另一方面农药残留也给市民的健康带来危害。随着生活水平的提高，人们对叶用蔬菜的品质要求越来越高。
闭锁式叶菜生产系统，是在完全封闭隔绝的环境中进行叶用蔬菜的生产，蔬菜生长所需的水、肥、光、气、热、完全由人工提供，将生产系统内部与外部的物质和能量的交换减少到最低。一方面封闭隔绝的栽培环境有利于防范致病微生物和害虫的进入，从源头上遏制了作物发生病虫害的发生，减少了农药的喷施，为无公害清洁蔬菜的生产创造了条件，同时还可以将温室内部环境的二氧化碳浓度、温度、湿度、光照控制在最优的范围内，是光合作用达到最大，作物产量显著增加。因此，闭锁式叶菜生产系统在无公害蔬菜生产方面具有广泛的应用前景。
目前，在闭锁式叶菜生产模式下，蔬菜光合光作用所需的光源由荧光灯、LED等人工光源来提供，栽培系统的温度用空调进行控制，为作物创造了最优的光温环境。然而，在闭锁式蔬菜生产系统人工光源和空调系统的运行成本占到闭锁式蔬菜生产系统运行成本的90％以上。在闭锁式叶菜生产系统中可以通过增加叶菜生产系统的绝热性来减少外界环境变化对蔬菜生产的影响，进而降低温控系统的运行成本。LED照明技术的应用使光能的转化效率大大提高，但人工光源的能耗仍占总能耗的55％以上。因此，能耗高、效益低一直以来是制约商业化闭锁叶菜生产模式推广应用的主要瓶颈。
有鉴于此，如何对闭锁式叶菜生产系统的光环境进行优化，合理降低闭锁式叶菜生产系统的光照能耗，实现商业化闭锁叶菜生产效益的最大化，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明以获得叶用蔬菜种植的最大利润为目的，提供商业化闭锁叶菜生产系统的光环境调控方法与装置，通过一系列的数学物理模型计算，通过优化方法确定合理光照强度，实现叶菜的高效集约化生产。
具体而言，本发明提供了一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取商业化闭锁叶菜生产系统中拟种植叶用蔬菜的市场销售价格P；
S2、设所述生产系统中的光照强度为Li；设蔬菜种植天数为j，且j＝1,2,3……h-1,h；按照公式I逐日计算自种植日j＝1起至收获日j＝h所述蔬菜的每日有效产量，所得第h天蔬菜的有效产量YLi，h即为收获时蔬菜的有效产量Y(Li)；
Figure BDA0001215348020000021
所述公式I中，YLi，j代表光照强度Li条件下第j天蔬菜的有效产量；YLi，j-1代表光照强度Li条件下第j-1天蔬菜的有效产量，当j＝1时，所述YLi，j-1＝0；ΔYLi，j代表光照强度Li条件下自第j-1天至第j天蔬菜有效产量的日增加量；
所述ΔYLi，j通过公式II计算得到：
ΔYLi,j＝(WA-WAWP×{VPDj-1})(PARLi)(1-0.4+0.2×HUIj) II；
所述公式II中，WA代表所述蔬菜通过光合作用辐射能转化为生物能的转化系数；WAWP代表水汽压亏缺指数；VPDj代表第j天所述生产系统中的实际水汽压；HUIj代表第j天的热量单元系数；PARLi代表光照强度Li条件下所述蔬菜的冠层可截获光合有效辐射的最大值；
公式II中所述HUIj采用公式III进行计算：
Figure BDA0001215348020000031
所述公式III中，Tk代表第k天所述生产系统中的实际温度，且k＝1,2,3……j-1,j；Tb代表所述蔬菜生长的基点温度；PHT代表所述蔬菜成熟所需的最大热量单元；当j＝1时，所述热量单元系数HUIj的值取0；当j＝h时，所述热量单元系数HUIj的值取1；
公式II中所述PARLi采用公式IV进行计算：
PARLi＝0.5LLi[1-exp(-0.65LAIj)] IV；
所述公式IV中，LLi代表所述生产系统中光源的辐射强度，LAIj代表第j天所述蔬菜的叶面积指数；所述LAIj采用公式V～VII进行计算：
LAIj＝LAIj-1+ΔLAIj V；
ΔLAIj＝(HUFj-HUFj-1)(LAImax)(1-exp[5(LAIj-1-LAImax)])j VI；
Figure BDA0001215348020000032
所述公式V中，LAIj-1为第j-1天蔬菜叶面积指数，；ΔLAIj为自第j-1天至第j天所述蔬菜叶面积指数的日增加量；
所述公式VI中，LAImax为(在最优环境条件下)自种植日至收获日所述蔬菜叶面积指数所能达到的最大值；HUFj代表第j天的热量单元因子；HUFj-1代表第j-1天的热量单元因子；
所述公式VII中，ah1为蔬菜叶面积变化曲线第一控制点参数和ah2为为蔬菜叶面积变化曲线第二控制点参数；HUIj采用公式III进行计算；
S3、设所述Li＝Lc,Lc+ΔL,Lc+2ΔL,……Lc+(n-1)ΔL,Lc+nΔL；其中，LC为所述蔬菜的光补偿点；ΔL为5～15W/m2；n为正整数且Lc+nΔL≤LS，所述LS为所述蔬菜的光饱和点；
将上述Li的各取值代入步骤S2所得收获时蔬菜的有效产量Y(Li)以及系统耗电成本E(Li)中；所述E(Li)＝PE×αe×Li，其中PE为电能的价格，αe为能耗系数，即人工光源的光照强度与消耗电能的比值；
设通过增加光照强度在收获时蔬菜的有效产量增加值ΔY(ΔL)＝Y(Lc+nΔL)-Y(Lc+(n-1)ΔL)，因光照强度增加(即人工光源电能投入增加)而导致的系统耗电成本增加值ΔE(ΔL)＝E(Lc+nΔL)-E(Lc+(n-1)ΔL)，则净收益增加值ΔNP＝P×ΔY(ΔL)-ΔE(ΔL)；求出所述净收益增加值最接近0时的n值，即no，则所述生产系统中最优光照强度Lo＝Lc+no×ΔL。
本发明所述拟种植叶用蔬菜的市场销售价格P通过市场调研获取。
其中，所述ah1和ah2均可根据预实验的结果通过常规的参数优化方法获得。
作为一种优选方案，所述Tb为3～7℃；所述PHT为1800～2200℃。
本发明同时提供一种商业化闭锁式叶菜生产系统的光环境调控方法，该方法采用上述方法确定所述生产系统中的最优光照强度，并将所述生产系统中的光照强度值调节至所述最优光照强度值，在所述最优光照强度值条件下种植蔬菜。所述方法的流程示意图可参考图1。
本发明同时提供一种商业化闭锁式叶菜生产系统，包括：光照传感器单元、光照强度优化决策单元、光照强度控制单元和光照强度执行单元；所述光照强度优化决策单元采用上述方法确定所述生产系统中的最优光照强度；
所述光照传感器单元通过光照强度采集信息传递通路与所述光照强度控制单元相连；
所述光照强度优化决策单元通过光照强度优化信息传递通路与所述光照强度控制单元相连；
所述光照强度控制单元通过光照强度调节通路与所述光照强度执行单元相连。
本发明优选所述光照传感器单元由平均分布于栽培区域内的多个光照传感器组成。本发明进一步优选所述光照传感器单元由三组光照传感器组成，所述三组传感器分别安装在栽培区内的两个边缘栽培行和中间栽培行；每组包括3个传感器，分别安装在每行的两端和中间。
本发明提供的商业化闭锁叶菜生产系统的光环境调控方法与装置，一方面将商业化闭锁式蔬菜生产过程与市场销售价格动态紧密联系，确保了该系统产出效益的最大化，另一方面，将商业化闭锁式蔬菜生产过程与能耗投入相联系，避免片面追求蔬菜产量，忽略能源投入的生产模式，减少了闭合式叶菜生产过程中成本的盲目投入，使能耗管理方式由粗放式转变为集约化。
附图说明
图1示出了本发明所述商业化闭锁叶菜生产系统的光环境调控方法的流程图。
图2为不同光照强度条件下生菜的产量、产量增量、能耗、能耗增量、净收益、净收益增量示意图。
图3示出了本发明所述商业化闭锁叶菜生产系统的光环境调控装置的结构示意图；图中，1、光照传感器单元；2、光照强度优化决策单元；3、光照强度控制单元；4、光照强度执行单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法，以下方法中，采用最优水、肥、二氧化碳浓度条件，且在调控过程中设为固定不变。
具体为：
S1、获取商业化闭锁叶菜生产系统中拟种植叶用蔬菜的市场销售价格P；
S2、设所述生产系统中的光照强度为Li；设蔬菜种植天数为j，且j＝1,2,3……h-1,h；按照公式I逐日计算自种植日j＝1起至收获日j＝h所述蔬菜的每日有效产量，所得第h天蔬菜的有效产量YLi，h即为收获时蔬菜的有效产量Y(Li)；
Figure BDA0001215348020000061
所述公式I中，YLi，j代表光照强度Li条件下第j天蔬菜的有效产量；YLi，j-1代表光照强度Li条件下第j-1天蔬菜的有效产量，当j＝1时，所述YLi，j-1＝0；ΔYLi，j代表光照强度Li条件下自第j-1天至第j天蔬菜有效产量的日增加量；
所述ΔYLi，j通过公式II计算得到：
ΔYLi,j＝(WA-WAWP×{VPDj-1})(PARLi)(1-0.4+0.2×HUIj) II；
所述公式II中，WA代表所述蔬菜通过光合作用辐射能转化为生物能的转化系数；WAWP代表水汽压亏缺指数；VPDj代表第j天所述生产系统中的实际水汽压；HUIj代表第j天的热量单元系数；PARLi代表光照强度Li条件下所述蔬菜的冠层可截获光合有效辐射的最大值；
公式II中所述HUIj采用公式III进行计算：
Figure BDA0001215348020000071
所述公式III中，Tk代表第k天所述生产系统中的实际温度，且
k＝1,2,3……j-1,j；Tb代表所述蔬菜生长的基点温度；PHT代表所述蔬菜成熟所需的最大热量单元；当j＝1时，所述热量单元系数HUIj的值取0；当j＝h时，所述热量单元系数HUIj的值取1；
公式II中所述PARLi采用公式IV进行计算：
PARLi＝0.5LLi[1-exp(-0.65LAIj)] IV；
所述公式IV中，LLi代表所述生产系统中光源的辐射强度，LAIj代表第j天所述蔬菜的叶面积指数；所述LAIj采用公式V～VII进行计算：
LAIj＝LAIj-1+ΔLAIj V；
ΔLAIj＝(HUFj-HUFj-1)(LAImax)(1-exp[5(LAIj-1-LAImax)])j VI；
Figure BDA0001215348020000081
所述公式V中，LAIj-1为第j-1天蔬菜叶面积指数；ΔLAIj为自第j-1天至第j天所述蔬菜叶面积指数的日增加量；
所述公式VI中，LAImax为自种植日至收获日所述蔬菜叶面积指数能达到的最大值；HUFj代表第j天的热量单元因子；HUFj-1代表第j-1天的热量单元因子；
所述公式VII中，ah1为蔬菜叶面积变化曲线第一控制点参数和ah2为为蔬菜叶面积变化曲线第二控制点参数；HUIj采用公式III进行计算；
S3、设所述Li＝Lc,Lc+ΔL,Lc+2ΔL,……Lc+(n-1)ΔL,Lc+nΔL；其中，LC为所述蔬菜的光补偿点；ΔL为5～15W/m2；n为正整数且Lc+nΔL≤LS，所述LS为所述蔬菜的光饱和点；
将上述Li的各取值代入步骤S2所得收获时蔬菜的有效产量Y(Li)以及系统耗电成本E(Li)中；所述E(Li)＝PE×αe×Li，其中PE为电能的价格，αe为能耗系数，即人工光源的光照强度与消耗电能的比值；
设通过增加光照强度在收获时蔬菜的有效产量增加值ΔY(ΔL)＝Y(Lc+nΔL)-Y(Lc+(n-1)ΔL)，因光照强度增加而导致的系统耗电成本增加值ΔE(ΔL)＝E(Lc+nΔL)-E(Lc+(n-1)ΔL)，则净收益增加值ΔNP＝P×ΔY(ΔL)-ΔE(ΔL)；求出所述净收益增加值最接近0时的n值，即no，则所述生产系统中最优光照强度Lo＝Lc+no×ΔL。
在具体实践过程中，以北京市农业信息技术研究中心闭合式叶菜生产系统种植生菜过程的光环境控制方法应用为例，对发明的应用效果进行详细说明。系统中人工光源为LED灯，发光效率为90lm/W。
首先经调研市场无公害生菜的超市售价为10元/斤，农业电能价格0.6元/度，通过人机交互界面输送给光照强度决策优化单元。
计算从光照补偿点Lc(13w/m2)至光照饱和点LS(286W/m2)范围内生产的净产量，用试差法优化得到模型中各参数值见表1。
表1：相关参数值
参数 参数值
WA 20
WAWP 8
AR1 0.4
AR2 0.2
Tb 0
PHT 2000
ah1 13.55
ah2 55.35
同时根据人工光源的发光效率计算电能消耗量，其中光源的变化步长为10W/m2。不同光照强度条件下生菜的产量、产量增量、能耗、能耗增量、净收益、净收益增量如图2所示。从图2中可以看出，随着电能消耗成本的增加生菜的产量逐渐增大，每增加10w/m2的光强，约增加1.5kg/m2的产量，而能源投入消耗的增量也相应增加，收益增量逐渐减少，从图中可以产出行光照强度为270W/m2时，收益增量约为0，此时净收益达到最大，从而得到最优的光照强度为270w/m2。
以10W/m2为变化步长的收益增量，当光照强度为270W/m2时ΔN≈0，从而优化出最优光强为270W/m2。
采用上述方法确定所述生产系统中的最优光照强度270W/m2，并将所述生产系统中的光照强度值调节至所述最优光照强度值270W/m2后，在光照强度270W/m2条件下种植蔬菜，并保持营养液浓度、特性和光源均处于最优条件下，直至第28天生菜收获。
通过上述方法管理封闭式叶菜生产系统的光照强度，实现了商业化闭锁叶菜生产系统利润的最大化，有效控制了叶用蔬菜的生产成本。
实施例2
本实施例提供了一种商业化闭锁叶菜生产系统的光环境调控装置，其结构如图3所示，包括：光照传感器单元1、光照强度优化决策单元2、光照强度控制单元3、光照强度执行单元4。
所述光照传感器单元1由三个分布在生产系统不同位置的光照传感器，采集系统内人工光源的光照强度，将不同传感器采集的光照强度求平均值后传送给光照强度控制单元3。
所述光照强度优化决策单元2根据市场拟种植蔬菜的价格行情和电能价格，结合蔬菜产量估算模型模拟不同光照强度条件下蔬菜的有效产出量，同时评估不同光照条件下蔬菜生产的净收益，并优化出最大的收益和对应的最优光照强度。将最优的光照强度发送给光照强度控制单元3。
所述光照强度控制单元3判断光照强度传感器单元采集的光照强度值是否与光照强度优化决策单元2输送的最优光照强度值相等，若二者值不相等，则驱动光照强度执行单元4调节生产系统的光照强度至光照强度优化决策单元3输出的最优光照强度值。
在实际应用中，本实施例提供的装置可利用实施例1提供的方法进行操作。
上述实施例提供的商业化闭锁叶菜生产系统光环境调控方法以及系统，一方面将商业化闭锁式蔬菜生产过程与市场销售价格紧密联系，确保了该系统产出效益的最大化，另一方面，将商业化闭锁式蔬菜生产过程与能耗投入相联系，避免片面追求蔬菜产量，忽略能源投入的生产模式，减少了闭合式叶菜生产过程中成本的盲目投入，使能耗管理方式由粗放式转变为集约化。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种商业化闭锁式叶菜生产系统的光环境调控方法，其特征在于，包括确定所述生产系统中的最优光照强度，并将所述生产系统中的光照强度值调节至所述最优光照强度值，在所述最优光照强度值条件下种植蔬菜；所述最优光照强度的确定方法包括以下步骤：
S1、获取商业化闭锁叶菜生产系统中拟种植叶用蔬菜的市场销售价格P；
S2、设所述生产系统中的光照强度为Li；设蔬菜种植天数为j，且j＝1,2,3……h-1,h；按照公式I逐日计算自种植日j＝1起至收获日j＝h所述蔬菜的每日有效产量，所得第h天蔬菜的有效产量YLi，h即为收获时蔬菜的有效产量Y(Li)；
Figure FDA0002564918160000011
所述公式I中，YLi，j代表光照强度Li条件下第j天蔬菜的有效产量；YLi，j-1代表光照强度Li条件下第j-1天蔬菜的有效产量，当j＝1时，所述YLi，j-1＝0；△YLi，j代表光照强度Li条件下自第j-1天至第j天蔬菜有效产量的日增加量；
所述△YLi，j通过公式II计算得到：
ΔYLi,j＝(WA-WAWP×{VPDj-1})(PARLi)(1-0.4+0.2×HUIj) II；
所述公式II中，WA代表所述蔬菜通过光合作用辐射能转化为生物能的转化系数；WAWP代表水汽压亏缺指数；VPDj代表第j天所述生产系统中的实际水汽压；HUIj代表第j天的热量单元系数；PARLi代表光照强度Li条件下所述蔬菜的冠层可截获光合有效辐射的最大值；
公式II中所述HUIj采用公式III进行计算：
Figure FDA0002564918160000021
所述公式III中，Tk代表第k天所述生产系统中的实际温度，且k＝1,2,3……j-1,j；Tb代表所述蔬菜生长的基点温度；PHT代表所述蔬菜成熟所需的最大热量单元；当j＝1时，所述热量单元系数HUIj的值取0；当j＝h时，所述热量单元系数HUIj的值取1；
公式II中所述PARLi采用公式IV进行计算：
PARLi＝0.5LLi[1-exp(-0.65LAIj)] IV；
所述公式IV中，LLi代表所述生产系统中光源的辐射强度，LAIj代表第j天所述蔬菜的叶面积指数；所述LAIj采用公式V～VII进行计算：
LAIj＝LAIj-1+ΔLAIj V；
ΔLAIj＝(HUFj-HUFj-1)(LAImax)(1-exp[5(LAIj-1-LAImax)])j VI；
Figure FDA0002564918160000022
所述公式V中，LAIj-1为第j-1天蔬菜叶面积指数；△LAIj为自第j-1天至第j天所述蔬菜叶面积指数的日增加量；
所述公式VI中，LAImax为自种植日至收获日所述蔬菜叶面积指数所能达到的最大值；HUFj代表第j天的热量单元因子；HUFj-1代表第j-1天的热量单元因子；
所述公式VII中，ah1为蔬菜叶面积变化曲线第一控制点参数，ah2为蔬菜叶面积变化曲线第二控制点参数；HUIj采用公式III进行计算；
S3、设所述Li＝Lc,Lc+△L,Lc+2△L,……Lc+(n-1)△L,Lc+n△L；
其中，LC为所述蔬菜的光补偿点；△L为5～15W/m2；n为正整数且Lc+n△L≤LS，所述LS为所述蔬菜的光饱和点；
将上述Li的各取值代入步骤S2所得收获时蔬菜的有效产量Y(Li)以及系统耗电成本E(Li)中；所述E(Li)＝PE×αe×Li，其中PE为电能的价格，αe为能耗系数，即人工光源的光照强度与消耗电能的比值；
设通过增加光照强度在收获时蔬菜的有效产量增加值ΔY(ΔL)＝Y(Lc+nΔL)-Y(Lc+(n-1)ΔL)，因光照强度增加而导致的系统耗电成本增加值ΔE(ΔL)＝E(Lc+nΔL)-E(Lc+(n-1)ΔL)，则净收益增加值ΔNP＝P×ΔY(ΔL)-ΔE(ΔL)；求出所述净收益增加值最接近0时的n值，即no，则所述生产系统中最优光照强度Lo＝Lc+no×△L。
2.根据权利要求1所述的光环境调控方法，其特征在于，拟种植叶用蔬菜的市场销售价格P通过市场调研获取。
3.根据权利要求1所述的光环境调控方法，其特征在于，所述ah1和ah2均根据预实验的结果通过常规的参数优化方法获得。
4.根据权利要求1所述的光环境调控方法，其特征在于，所述Tb为3～7℃；所述PHT为1800～2200℃。
5.一种商业化闭锁式叶菜生产系统，其特征在于，包括：光照传感器单元、光照强度优化决策单元、光照强度控制单元和光照强度执行单元；所述光照强度优化决策单元采用权利要求1～4任意一项所述的光环境调控方法中所述最优光照强度的确定方法确定所述生产系统中的最优光照强度；
所述光照传感器单元通过光照强度采集信息传递通路与所述光照强度控制单元相连；
所述光照强度优化决策单元通过光照强度优化信息传递通路与所述光照强度控制单元相连；
所述光照强度控制单元通过光照强度调节通路与所述光照强度执行单元相连。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光照传感器单元由平均分布于栽培区域内的多个光照传感器组成。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光照传感器单元由三组光照传感器组成，所述三组传感器分别安装在栽培区内的两个边缘栽培行和中间栽培行；每组包括3个传感器，分别安装在每行的两端和中间。
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