基于經濟最優目標的溫室環境控制策略分析

摘要：將溫室作物生長周期分成營養生長和生殖生長2個階段，在生長各個階段需要從溫度出發采取優化控制策略。本文主要在經濟最優目標基礎上討論溫室環境控制對策，實現溫室作物生長環境各項參數的靈活調節。通過建立成本控制模型、作物生長模型和預測調節模型，將產出投入比作為核心控制目標，提出適合作物生長的環境條件，在保證作物產量和品質的同時，使經濟效益最大化。

關鍵詞：經濟最優目標;溫室環境;控制策略

中圖分類號：S2

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215017

1基本原理

營養生長期間實施溫度優化策略，將溫度作為控制重點，確保環境溫度符合作物生長要求，根據消耗情況調控溫度變化，降低種植成本并減少能源消耗。生殖生長期間需要綜合分析作物溫度調控設備的作用效果模型、成本模型和作物生長模型，以經濟效益最大化策略為主進行調控，要求結合上述模型計算結果調節溫室環境參數和運行成本，將產出投入比為控制基準，確保各項控制決策的實施能提高產出投入比，在達到預期種植效果的基礎上提高經濟運行效益。

溫室控制是設施農業種植過程中有效的生產工具，已經成為國內外重要的研究課題。溫室環境是一個非常復雜和動態的環境系統，溫室內各個環境因子間相互作用，并且作物生長也影響著環境因子。因此如何實現溫室內各環境因子的協調控制，同時降低設備的操作費用，將是溫室環境控制要解決的主要問題[1]。

在溫室作物管理系統中，最優控制策略應是實現風險、成本等函數取最小值。進行溫室環境調控時，需要利用環境和作物生長規律方面的模型，落實環境調控目標，達到作物生長和環境控制間的平衡。在環境控制過程中，應結合當前環境溫度信息制定調控機構運行方案，通過執行方案使作物產出和環境調控成本間的比值最大，由此實現經濟最優目標。將其表示為：

Max（Routput-input）=G（T，L，H，p）/J（K，t）

式中：

G—作物生長產值

R—產出投入比

J（K，t）—環境調控成本

P—作物市場價格

這里沒有考慮作物產量，而是用單位時間的作物產值和環境調控成本比值來表示產出投入比。在控制策略制定方面重點用于作物的生殖生長環節，環境控制模型包括環境動態模型、作物產值模型、設備運行成本模型。對溫室作物進行分階段的環境調控，進而提高種植效益。

2模型構建

將作物生長周期劃分成冬半年和夏半年，在溫室環境因素中，光照強度和溫度是主要2個參數。當前溫室環境調控手段中，光強控制需要成本較高，種植過程中只進行遮光處理，建立日光溫室小氣候模型是實現日光溫室控制的重要環節。室內溫度和濕度環境不僅受到室內環境因素和溫室結構的影響，還受到室外氣象條件的影響，并且這些影響因子之間有著十分復雜的關系[2]。而溫度能對作物器官建構以及產量品質等產生影響，因此往往將溫度要素作為控制要點，是達到經濟最優化的關鍵。本文將溫度實際值和設定值分成9級，分別是-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，狀態0表示溫室環境符合作物生長特性不需要進行調控，這時調控機構運行狀態應是天窗全部打開。負號表示實際溫度低于要求值，反之說明實際溫度超過要求值，值越大則差距越大。溫度控制根本條件為能量消耗的多少，結合環境溫度實際值和設定值間的差值實施執行操作。為了保證調控效果良好，應將采樣時間設定成20min。

在作物生殖生長環節，涉及的模型包括環境調控模型、調控機構運行成本模型、生長模型，分階段的調控環境參數，降低溫室調控成本，并將經濟最優目標落實到作物生長管理全過程。在獲得試驗數據后采取回顧分析法，在溫室內作物光合速率和環境因素間建立函數關系，表示為：

Pn（T，H，L）=a1T2+a2H2+a3L2+b1TH+b2TL+b3HL+c1T+c2H+c3L+d

式中：

Pn—取樣作物的凈光合速率

a，b，c，k—系數，根據實驗數據確定

T，K，L—室內溫度、相對溫度、光照強度

溫室作物發生光合作物主要部位分別是葉、莖、根、果，產生的營養物資分配在各個器官。從溫熱平衡和質量平衡來看，構建溫室內調控設備不同組合方式下的運作效果模型。本次試驗中調控設備包括卷簾、天窗、風機、遮陽網、噴淋、加熱系統。為了達到作物需要的生長環境調控設備運作時產生的成本，可用以下成本模型來計算。

J（Ki，t）=∑n1i=1KiPi+∑n2i=n1KiPiti

式中：

Pi—單獨調控設備運行成本

Ki—調控設備開機狀態

ti—調節到作物適合生存環境時，調控設備連續運行時間

進行溫室環境調節時，需要結合當時的室內溫度條件，使設備單獨運行或多個調控設備配合使用，確保在合理選擇調控方案的情況下，降低能量消耗，即是實現經濟最優目標。常見的溫度調控設備組合方式包括內噴淋+內遮陽+風機、內噴淋+內遮陽、外噴淋+外遮陽、內噴淋+外遮陽+風機、內噴淋+內遮陽+風機+外噴淋、外遮陽+內噴淋+風機+外噴淋等，通過逐一驗證得到最佳調控設備組合方案。

3基于經濟最優目標的溫室環境控制策略分析

本文以黃瓜作物為例，建立有關作物生長、室內環境調控、環境調控成本等模型，加大調控成本控制，促進經濟效益的提高。結合實驗結果構建調控設備運行成本模型，具體分析環境控制優化策略。從實際生產需要入手優化環境調控方案，確保作物營養生長階段及生殖生長階段成本的有效控制，實際營養生長階段主要運用積溫控制策略，旨在降低能量消耗，減少調控設備運行成本，減輕環境負擔并避免不必要的能量浪費。在生殖生長過程中，以經濟最優目標為核心進行環境調控，保證作物生長環境良好，并提高經營者利潤。不同農作物的室內環境參數要求存在區別，因此要保證環境控制策略體現出針對性、有效性的特點，通過試驗驗證最佳控制方案。

4試驗結果與分析

本次實驗在玻璃溫室中進行，該溫室結構為：天溝高3.8m，南北長20m，單跨寬6.4m，地面面積為256m2。溫室中配備2組整體式天窗，分別安裝在東西屋頂，實驗過程中利用傳感器收集并記錄氣候參數，整理成電子檔案，室外利用小氣象站采集室外濕度、溫度、風速、光照強度等參數。黃瓜種植在塑料穴盤中，在生長出2～3片真葉時移栽至溫室中。運用的基質為腐熟的蘆葦加珍珠巖，確保作物生長過程中營養和水分充足。收集實驗數據方面，每隔10d記錄植株的各器官的生長情況，對長勢較好的3個植株取平均值。不同時間段作物光合作用在不同器官中的分布情況有所差異。根據實驗數據可知：當溫室溫度為37℃、濕度為44.7%且光照強度為19.54klx時，結合作物生長需要，應進行降溫操作。室內各類調控設備在不同組合方式下對應的消耗成本和調節效果不同，比較實驗結果，從經濟最優目標出發，應優先選擇風機和濕簾相結合的方式，能實現溫室環境溫度有效控制。經過20min后，監測溫室環境參數為：溫度29.5℃、光照強度19.23klx、濕度為70.2%，這種環境條件下黃瓜生長狀況良好，同時保證了經濟效益較高，說明上述設備組合方案有著一定可行性。結合實際生產要求和環境調節作用，需要采取適合的環境調控策略，將溫度要素作為主要調控因子。從溫室作物生長實際情況看，基于經濟最大化目標的優化策略，是環境調控應關注的重點，是作物經營者要掌握的根本管理手段。

溫室黃瓜產量和室內環境調控消耗成本間的比值主要受到溫度要素影響，通常來講，環境溫度的增加，促使產出投入比值升高后再降低，主要是由于黃瓜屬于喜溫蔬菜，溫度低時作物生長緩慢，而溫度高于31℃后，黃瓜作物將出現瘋長現象，會影響作物品質。因此一般將溫室環境控制在31℃內。在此基礎上進行溫度調控設備的組合分析，找出最佳組合方案。另外，黃瓜對環境響度濕度要求較高，隨著濕度的增加，黃瓜產投比呈現出先升高后下降的規律，實踐表明，當溫室內空氣濕度高于85%后需要進行通風處理，能避免作物瘋長，同時可加大對病蟲害的防范，是保證黃瓜作物健康生長的關鍵。而在光照強度方面，從光強和作物產投比間的關系來說，光照強度過高將影響產投比，無法保證作物產量和質量。黃瓜是短日照作物，當光照強度過強時會對作物生長帶來不良影響。考慮到這一生長特性需要進行遮陽處理，減少環境調節花費的成本，進而提高產出投入比，提高經濟效益。

本次試驗為溫室黃瓜種植管理及環境控制提供了有效借鑒，在指導生產實踐上具有實際意義。溫度因素是影響最終生產效益的主要原因，其次為光強和空氣濕度，環境控制方案制定上將溫度控制作為提高環境調控效果的關鍵，配備相應的調控設備，為環境控制和經濟效益的提高提供條件。從上述試驗結果可得，室內溫度為31℃、光照強度為16klx、相對濕度85%時，作物產出值和環境控制成本比值最大，說明這時作物種植經濟效益最優。

5結論

綜上所述，在溫室作物生存環境管理實踐中，應注重溫度的控制，減少能量損耗，加大對種植成本的控制。同時需要根據作物生長特點和溫室環境調控效果，以經濟最優化為各項決策的依據進行環境控制，制定可行性強的環境調節方案，保證作物生長環境符合其生長需要，并實現經營者利潤的提高。

參考文獻

[1] 毛罕平，晉春.溫室環境控制方法研究進展分析與展望[J].農業機械學報，2018，49（02）：1-13.

[2]高玉賢.溫室環境建模及控制策略研究[D].石家莊：河北科技大學，2015.

作者簡介：

史志明（1982-），男，本科，副高級工程師。研究方向：農業機械化。