[發(fā)明專利]一種基于作物模型的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510031385.2
• 申請(qǐng)日: 2015-01-21
• 公開（公告）號(hào): CN104656451B
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 范興容;康孟珍;胡包鋼;王飛躍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京瀚仁知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11482
• 代理人: 宋寶庫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)處理方法和一般植物學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于作物模型的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控方法。

背景技術(shù)

作物模型是輔助密閉系統(tǒng)作物生長、環(huán)境調(diào)控以及栽培管理的有力工具。通常來說，對(duì)于生長在有限空間的密閉系統(tǒng)，如受控生態(tài)生保系統(tǒng)、植物工廠等，在沒有水肥脅迫的情況下，作物的生長發(fā)育主要受到溫度、光照和二氧化碳三個(gè)環(huán)境因子的影響。

溫度是作物生長發(fā)育及其重要的環(huán)境因素之一，作物整個(gè)生長周期中所發(fā)生的一切生物化學(xué)反應(yīng)，都必須在一定的溫度下進(jìn)行。溫度降低或升高到一定程度時(shí)，作物將停止生長甚至死亡，只有在某一最適溫度內(nèi)作物才能正常生長甚至加速生長。特別地，溫度對(duì)光合作用的影響很大，直接影響著作物的光合產(chǎn)量。

光照是作物生長發(fā)育必不可少的環(huán)境因子之一，作物的光合產(chǎn)量不僅與光照的強(qiáng)度有關(guān)，而且與光照的時(shí)間有關(guān)，即由一定光強(qiáng)積累的光照量決定。一定條件下，當(dāng)光照強(qiáng)度低于某一值使作物的凈光合速率為零時(shí)，此時(shí)的光照強(qiáng)度稱為光補(bǔ)償點(diǎn)；當(dāng)光照強(qiáng)度高于某一值使作物的凈光合速率不再增強(qiáng)時(shí)，此時(shí)的光照強(qiáng)度稱為光飽和點(diǎn)。只有在光補(bǔ)償點(diǎn)和飽和點(diǎn)范圍內(nèi)，作物的光合作用通常才隨光照強(qiáng)度的增加而增加，超過飽和點(diǎn)則不再增加。

作為綠色植物光合作用的原料，二氧化碳對(duì)光合速率影響很大，對(duì)作物的生長有著重要的意義。空氣中CO₂含量一般占體積的0.033％(即0.65mg/L，0℃，101kPa)，對(duì)植物的光合作用來說是比較低的。當(dāng)光合吸收的二氧化碳量等于呼吸放出的二氧化碳量，此時(shí)的CO₂濃度稱為該作物的二氧化碳補(bǔ)償點(diǎn)。密閉系統(tǒng)中隨著CO₂濃度的增加，作物的光合作用也增強(qiáng)，但當(dāng)增加到一定程度時(shí)，光合作用不再增強(qiáng)，此時(shí)的CO₂濃度為該作物的二氧化碳飽和點(diǎn)。

在實(shí)際的密閉系統(tǒng)中，通常采用基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估環(huán)境對(duì)作物的影響和光合產(chǎn)量。然而，由于作物生長具有一定的生命周期，獲取數(shù)據(jù)的周期長，難以快速評(píng)估系統(tǒng)在外部或內(nèi)部條件發(fā)生變化(例如光強(qiáng))情況下的響應(yīng)，而且作物對(duì)環(huán)境的響應(yīng)具有短板效應(yīng)，任何一種環(huán)境因子不足均會(huì)抑制其生長。因此，如何根據(jù)密閉系統(tǒng)作物的生長環(huán)境條件和作物自身的需求，采取簡單易行的調(diào)控措施，實(shí)現(xiàn)最大作物光合產(chǎn)量的同時(shí)，減小能耗，以滿足投入小產(chǎn)出大的密閉環(huán)境因子調(diào)控要求，是一個(gè)急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于作物模型的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控方法，通過作物的計(jì)算機(jī)模型定量地優(yōu)化調(diào)控溫度、光照強(qiáng)度和CO₂濃度三個(gè)環(huán)境因子，快速實(shí)現(xiàn)投入小產(chǎn)出大的密閉環(huán)境因子的優(yōu)化。

本發(fā)明提出的一種基于作物模型的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控方法，包括以下步驟：

步驟1，基于TomSim模型和GreenLab模型構(gòu)建作物模型，其中TomSim模型用于構(gòu)建密閉系統(tǒng)中作物光合產(chǎn)量模型，以模擬環(huán)境條件對(duì)光合過程的影響，GreenLab模型用于計(jì)算不同器官生物量分配的干重；

步驟2，基于作物模型構(gòu)建用于定量地描述溫度、光照強(qiáng)度和CO₂濃度三個(gè)環(huán)境因子與作物光合產(chǎn)量關(guān)系的密閉系統(tǒng)環(huán)境因子優(yōu)化調(diào)控模型；

步驟3，對(duì)三個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行初始賦值；選取兩個(gè)環(huán)境因子并計(jì)算第三個(gè)環(huán)境因子的變化曲線和光合產(chǎn)量的變化曲線，從而得到第三個(gè)環(huán)境因子的優(yōu)化值并更新第三個(gè)環(huán)境因子的值，以此方法順次并循環(huán)優(yōu)化三個(gè)環(huán)境因子的值，直到三個(gè)環(huán)境因子的值不再變化或光合產(chǎn)量達(dá)到設(shè)定值；輸出最終的三個(gè)環(huán)境因子的值為優(yōu)化調(diào)整的結(jié)果。

所述TomSim模型的作物葉片單位面積的日光合產(chǎn)量表示為：

其中，C_f為同化物轉(zhuǎn)換為干物質(zhì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)(g DM g^-1 CH₂O)；P_g為日總同化速率(g CH₂O m^-2d^-1)；R_m為日維持呼吸速率(g CH₂O m^-2d^-1)；

所述日總同化速率P_g由瞬時(shí)光合速率累積而來，同化速率與光合速率的轉(zhuǎn)換關(guān)系為作物的瞬時(shí)光合響應(yīng)曲線表示為：