一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中最優(yōu)光照強(qiáng)度的確定方法、光環(huán)境調(diào)控方法及系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中最優(yōu)光照強(qiáng)度的確定方法以及光環(huán)境調(diào)控方法。本發(fā)明專利技術(shù)同時(shí)提供一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)。本發(fā)明專利技術(shù)以獲得葉用蔬菜種植的最大利潤(rùn)為目的，提供商業(yè)化閉鎖葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的光環(huán)境調(diào)控方法與裝置，通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)物理模型計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化方法確定合理光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)葉菜的高效集約化生產(chǎn)，具有極強(qiáng)的實(shí)用和推廣價(jià)值。

Method for determining optimum illumination intensity in commercial closed type leafy vegetable production system, light environment regulation method and system

The invention relates to a method for determining the optimum illumination intensity in a commercial closed leaf vegetable production system and a method for controlling the light environment. The invention also provides a commercial closed leaf vegetable production system. The invention is to obtain the maximum profit for leaf vegetables planting for the purpose of providing light environment control method and device for commercial vegetable production system by blocking, the physical and mathematical model of a series of calculation, the optimization method to determine reasonable light intensity, high efficiency and intensive production of vegetables, with a strong practical value.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中最優(yōu)光照強(qiáng)度的確定方法、光環(huán)境調(diào)控方法及系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及蔬菜高效清潔生產(chǎn)
，尤其涉及一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中最優(yōu)光照強(qiáng)度的確定方法、光環(huán)境調(diào)控方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
葉用蔬菜生長(zhǎng)周期短、復(fù)種指數(shù)高，味道鮮美，深受廣大消費(fèi)者所喜愛(ài)。由于較高的復(fù)種指數(shù)經(jīng)常導(dǎo)致病蟲害爆發(fā)，為了保持高產(chǎn)，在蔬菜種植過(guò)程中不得不使用大量農(nóng)藥，一方面造成了蔬菜品質(zhì)的惡化，另一方面農(nóng)藥殘留也給市民的健康帶來(lái)危害。隨著生活水平的提高，人們對(duì)葉用蔬菜的品質(zhì)要求越來(lái)越高。閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)，是在完全封閉隔絕的環(huán)境中進(jìn)行葉用蔬菜的生產(chǎn)，蔬菜生長(zhǎng)所需的水、肥、光、氣、熱、完全由人工提供，將生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部與外部的物質(zhì)和能量的交換減少到最低。一方面封閉隔絕的栽培環(huán)境有利于防范致病微生物和害蟲的進(jìn)入，從源頭上遏制了作物發(fā)生病蟲害的發(fā)生，減少了農(nóng)藥的噴施，為無(wú)公害清潔蔬菜的生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，同時(shí)還可以將溫室內(nèi)部環(huán)境的二氧化碳濃度、溫度、濕度、光照控制在最優(yōu)的范圍內(nèi)，是光合作用達(dá)到最大，作物產(chǎn)量顯著增加。因此，閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)在無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，在閉鎖式葉菜生產(chǎn)模式下，蔬菜光合光作用所需的光源由熒光燈、LED等人工光源來(lái)提供，栽培系統(tǒng)的溫度用空調(diào)進(jìn)行控制，為作物創(chuàng)造了最優(yōu)的光溫環(huán)境。然而，在閉鎖式蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)人工光源和空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行成本占到閉鎖式蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行成本的90％以上。在閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中可以通過(guò)增加葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的絕熱性來(lái)減少外界環(huán)境變化對(duì)蔬菜生產(chǎn)的影響，進(jìn)而降低溫控系統(tǒng)的運(yùn)行成本。LED照明技術(shù)的應(yīng)用使光能的轉(zhuǎn)化效率大大提高，但人工光源的能耗仍占總能耗的55％以上。因此，能耗高、效益低一直以來(lái)是制約商業(yè)化閉鎖葉菜生產(chǎn)模式推廣應(yīng)用的主要瓶頸。有鑒于此，如何對(duì)閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的光環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，合理降低閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的光照能耗，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化閉鎖葉菜生產(chǎn)效益的最大化，成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本專利技術(shù)以獲得葉用蔬菜種植的最大利潤(rùn)為目的，提供商業(yè)化閉鎖葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的光環(huán)境調(diào)控方法與裝置，通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)物理模型計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化方法確定合理光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)葉菜的高效集約化生產(chǎn)。具體而言，本專利技術(shù)提供了一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中最優(yōu)光照強(qiáng)度的確定方法，該方法包括以下步驟：S1、獲取商業(yè)化閉鎖葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中擬種植葉用蔬菜的市場(chǎng)銷售價(jià)格P；S2、設(shè)所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的光照強(qiáng)度為L(zhǎng)i；設(shè)蔬菜種植天數(shù)為j，且j＝1,2,3……h(huán)-1,h；按照公式I逐日計(jì)算自種植日j＝1起至收獲日j＝h所述蔬菜的每日有效產(chǎn)量，所得第h天蔬菜的有效產(chǎn)量YLi，h即為收獲時(shí)蔬菜的有效產(chǎn)量Y(Li)；所述公式I中，YLi，j代表光照強(qiáng)度Li條件下第j天蔬菜的有效產(chǎn)量；YLi，j-1代表光照強(qiáng)度Li條件下第j-1天蔬菜的有效產(chǎn)量，當(dāng)j＝1時(shí)，所述YLi，j-1＝0；ΔYLi，j代表光照強(qiáng)度Li條件下自第j-1天至第j天蔬菜有效產(chǎn)量的日增加量；所述ΔYLi，j通過(guò)公式II計(jì)算得到：ΔYLi,j＝(WA-WAWP×{VPDj-1})(PARLi)(1-0.4+0.2×HUIj)II；所述公式II中，WA代表所述蔬菜通過(guò)光合作用輻射能轉(zhuǎn)化為生物能的轉(zhuǎn)化系數(shù)；WAWP代表水汽壓虧缺指數(shù)；VPDj代表第j天所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的實(shí)際水汽壓；HUIj代表第j天的熱量單元系數(shù)；PARLi代表光照強(qiáng)度Li條件下所述蔬菜的冠層可截獲光合有效輻射的最大值；公式II中所述HUIj采用公式III進(jìn)行計(jì)算：所述公式III中，Tk代表第k天所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的實(shí)際溫度，且k＝1,2,3……j-1,j；Tb代表所述蔬菜生長(zhǎng)的基點(diǎn)溫度；PHT代表所述蔬菜成熟所需的最大熱量單元；當(dāng)j＝1時(shí)，所述熱量單元系數(shù)HUIj的值取0；當(dāng)j＝h時(shí)，所述熱量單元系數(shù)HUIj的值取1；公式II中所述PARLi采用公式IV進(jìn)行計(jì)算：PARLi＝0.5LLi[1-exp(-0.65LAIj)]IV；所述公式IV中，LLi代表所述生產(chǎn)系統(tǒng)中光源的輻射強(qiáng)度，LAIj代表第j天所述蔬菜的葉面積指數(shù)；所述LAIj采用公式V～VII進(jìn)行計(jì)算：LAIj＝LAIj-1+ΔLAIjV；ΔLAIj＝(HUFj-HUFj-1)(LAImax)(1-exp[5(LAIj-1-LAImax)])jVI；所述公式V中，LAIj-1為第j-1天蔬菜葉面積指數(shù)，；ΔLAIj為自第j-1天至第j天所述蔬菜葉面積指數(shù)的日增加量；所述公式VI中，LAImax為(在最優(yōu)環(huán)境條件下)自種植日至收獲日所述蔬菜葉面積指數(shù)所能達(dá)到的最大值；HUFj代表第j天的熱量單元因子；HUFj-1代表第j-1天的熱量單元因子；所述公式VII中，ah1為蔬菜葉面積變化曲線第一控制點(diǎn)參數(shù)和ah2為為蔬菜葉面積變化曲線第二控制點(diǎn)參數(shù)；HUIj采用公式III進(jìn)行計(jì)算；S3、設(shè)所述Li＝Lc,Lc+ΔL,Lc+2ΔL,……Lc+(n-1)ΔL,Lc+nΔL；其中，LC為所述蔬菜的光補(bǔ)償點(diǎn)；ΔL為5～15W/m2；n為正整數(shù)且Lc+nΔL≤LS，所述LS為所述蔬菜的光飽和點(diǎn)；將上述Li的各取值代入步驟S2所得收獲時(shí)蔬菜的有效產(chǎn)量Y(Li)以及系統(tǒng)耗電成本E(Li)中；所述E(Li)＝PE×αe×Li，其中PE為電能的價(jià)格，αe為能耗系數(shù)，即人工光源的光照強(qiáng)度與消耗電能的比值；設(shè)通過(guò)增加光照強(qiáng)度在收獲時(shí)蔬菜的有效產(chǎn)量增加值ΔY(ΔL)＝Y(jié)(Lc+nΔL)-Y(Lc+(n-1)ΔL)，因光照強(qiáng)度增加(即人工光源電能投入增加)而導(dǎo)致的系統(tǒng)耗電成本增加值ΔE(ΔL)＝E(Lc+nΔL)-E(Lc+(n-1)ΔL)，則凈收益增加值ΔNP＝P×ΔY(ΔL)-ΔE(ΔL)；求出所述凈收益增加值最接近0時(shí)的n值，即no，則所述生產(chǎn)系統(tǒng)中最優(yōu)光照強(qiáng)度Lo＝Lc+no×ΔL。本專利技術(shù)所述擬種植葉用蔬菜的市場(chǎng)銷售價(jià)格P通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研獲取。其中，所述ah1和ah2均可根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果通過(guò)常規(guī)的參數(shù)優(yōu)化方法獲得。作為一種優(yōu)選方案，所述Tb為3～7℃；所述PHT為1800～2200℃。本專利技術(shù)同時(shí)提供一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的光環(huán)境調(diào)控方法，該方法采用上述方法確定所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的最優(yōu)光照強(qiáng)度，并將所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的光照強(qiáng)度值調(diào)節(jié)至所述最優(yōu)光照強(qiáng)度值，在所述最優(yōu)光照強(qiáng)度值條件下種植蔬菜。所述方法的流程示意圖可參考圖1。本專利技術(shù)同時(shí)提供一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)，包括：光照傳感器單元、光照強(qiáng)度優(yōu)化決策單元、光照強(qiáng)度控制單元和光照強(qiáng)度執(zhí)行單元；所述光照強(qiáng)度優(yōu)化決策單元采用上述方法確定所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的最優(yōu)光照強(qiáng)度；所述光照傳感器單元通過(guò)光照強(qiáng)度采集信息傳遞通路與所述光照強(qiáng)度控制單元相連；所述光照強(qiáng)度優(yōu)化決策單元通過(guò)光照強(qiáng)度優(yōu)化信息傳遞通路與所述光照強(qiáng)度控制單元相連；所述光照強(qiáng)度控制單元通過(guò)光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)通路與所述光照強(qiáng)度執(zhí)行單元相連。本專利技術(shù)優(yōu)選所述光照傳感器單元由平均分布于栽培區(qū)域內(nèi)的多個(gè)光照傳感器組成。本專利技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)選所述光照傳感器單元由三組光照傳感器組成，所述三組傳感器分別安裝在栽培區(qū)內(nèi)的兩個(gè)邊緣栽培行和中間栽培行；每組包括3個(gè)傳感器，分別安裝在每行的兩端和中間。本專利技術(shù)提供的商業(yè)化閉鎖葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的光環(huán)境調(diào)控方法與裝置，一方面將商業(yè)化閉鎖式蔬菜生本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中最優(yōu)光照強(qiáng)度的確定方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、獲取商業(yè)化閉鎖葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中擬種植葉用蔬菜的市場(chǎng)銷售價(jià)格P；S2、設(shè)所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的光照強(qiáng)度為L(zhǎng)

【技術(shù)特征摘要】
1.一種商業(yè)化閉鎖式葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中最優(yōu)光照強(qiáng)度的確定方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、獲取商業(yè)化閉鎖葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中擬種植葉用蔬菜的市場(chǎng)銷售價(jià)格P；S2、設(shè)所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的光照強(qiáng)度為L(zhǎng)i；設(shè)蔬菜種植天數(shù)為j，且j＝1,2,3……h(huán)-1,h；按照公式I逐日計(jì)算自種植日j＝1起至收獲日j＝h所述蔬菜的每日有效產(chǎn)量，所得第h天蔬菜的有效產(chǎn)量YLi，h即為收獲時(shí)蔬菜的有效產(chǎn)量Y(Li)；所述公式I中，YLi，j代表光照強(qiáng)度Li條件下第j天蔬菜的有效產(chǎn)量；YLi，j-1代表光照強(qiáng)度Li條件下第j-1天蔬菜的有效產(chǎn)量，當(dāng)j＝1時(shí)，所述YLi，j-1＝0；ΔYLi，j代表光照強(qiáng)度Li條件下自第j-1天至第j天蔬菜有效產(chǎn)量的日增加量；所述ΔYLi，j通過(guò)公式II計(jì)算得到：ΔYLi,j＝(WA-WAWP×{VPDj-1})(PARLi)(1-0.4+0.2×HUIj)II；所述公式II中，WA代表所述蔬菜通過(guò)光合作用輻射能轉(zhuǎn)化為生物能的轉(zhuǎn)化系數(shù)；WAWP代表水汽壓虧缺指數(shù)；VPDj代表第j天所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的實(shí)際水汽壓；HUIj代表第j天的熱量單元系數(shù)；PARLi代表光照強(qiáng)度Li條件下所述蔬菜的冠層可截獲光合有效輻射的最大值；公式II中所述HUIj采用公式III進(jìn)行計(jì)算：所述公式III中，Tk代表第k天所述生產(chǎn)系統(tǒng)中的實(shí)際溫度，且k＝1,2,3……j-1,j；Tb代表所述蔬菜生長(zhǎng)的基點(diǎn)溫度；PHT代表所述蔬菜成熟所需的最大熱量單元；當(dāng)j＝1時(shí)，所述熱量單元系數(shù)HUIj的值取0；當(dāng)j＝h時(shí)，所述熱量單元系數(shù)HUIj的值取1；公式II中所述PARLi采用公式IV進(jìn)行計(jì)算：PARLi＝0.5LLi[1-exp(-0.65LAIj)]IV；所述公式IV中，LLi代表所述生產(chǎn)系統(tǒng)中光源的輻射強(qiáng)度，LAIj代表第j天所述蔬菜的葉面積指數(shù)；所述LAIj采用公式V～VII進(jìn)行計(jì)算：LAIj＝LAIj-1+ΔLAIjV；ΔLAIj＝(HUFj-HUFj-1)(LAImax)(1-exp[5(LAIj-1-LAImax)])jVI；所述公式V中，LAIj-1為第j-1天蔬菜葉面積指數(shù)；ΔLAIj為自第j-1天至第j天所述蔬菜葉面積指數(shù)的日增加量；所述公式VI中，LAImax為自種植日至收獲日所述蔬菜葉面積指數(shù)所能達(dá)到的最大值；HUFj代表第j天的熱...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王利春，郭文忠，陳曉麗，薛緒掌，徐凡，余禮根，孫維拓，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：農(nóng)芯科技北京有限責(zé)任公司，北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京,11