基于经济最优目标的温室环境控制策略分析
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摘要：将温室作物生长周期分成营养生长和生殖生长2个阶段，在生长各个阶段需要从温度出发采取优化控制策略。本文主要在经济最优目标基础上讨论温室环境控制对策，实现温室作物生长环境各项参数的灵活调节。通过建立成本控制模型、作物生长模型和预测调节模型，将产出投入比作为核心控制目标，提出适合作物生长的环境条件，在保证作物产量和品质的同时，使经济效益最大化。
关键词：经济最优目标;温室环境;控制策略
中图分类号：S2
文献标识码：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20191215017
1基本原理
营养生长期间实施温度优化策略，将温度作为控制重点，确保环境温度符合作物生长要求，根据消耗情况调控温度变化，降低种植成本并减少能源消耗。生殖生长期间需要综合分析作物温度调控设备的作用效果模型、成本模型和作物生长模型，以经济效益最大化策略为主进行调控，要求结合上述模型计算结果调节温室环境参数和运行成本，将产出投入比为控制基准，确保各项控制决策的实施能提高产出投入比，在达到预期种植效果的基础上提高经济运行效益。
温室控制是设施农业种植过程中有效的生产工具，已经成为国内外重要的研究课题。温室环境是一个非常复杂和动态的环境系统，温室内各个环境因子间相互作用，并且作物生长也影响着环境因子。因此如何实现温室内各环境因子的协调控制，同时降低设备的操作费用，将是温室环境控制要解决的主要问题[1]。
在温室作物管理系统中，最优控制策略应是实现风险、成本等函数取最小值。进行温室环境调控时，需要利用环境和作物生长规律方面的模型，落实环境调控目标，达到作物生长和环境控制间的平衡。在环境控制过程中，应结合当前环境温度信息制定调控机构运行方案，通过执行方案使作物产出和环境调控成本间的比值最大，由此实现经济最优目标。将其表示为：
Max（Routput-input）=G（T，L，H，p）/J（K，t）
式中：
G—作物生长产值
R—产出投入比
J（K，t）—环境调控成本
P—作物市场价格
这里没有考虑作物产量，而是用单位时间的作物产值和环境调控成本比值来表示产出投入比。在控制策略制定方面重点用于作物的生殖生长环节，环境控制模型包括环境动态模型、作物产值模型、设备运行成本模型。对温室作物进行分阶段的环境调控，进而提高种植效益。
2模型构建
将作物生长周期划分成冬半年和夏半年，在温室环境因素中，光照强度和温度是主要2个参数。当前温室环境调控手段中，光强控制需要成本较高，种植过程中只进行遮光处理，建立日光温室小气候模型是实现日光温室控制的重要环节。室内温度和湿度环境不仅受到室内环境因素和温室结构的影响，还受到室外气象条件的影响，并且这些影响因子之间有着十分复杂的关系[2]。而温度能对作物器官建构以及产量品质等产生影响，因此往往将温度要素作为控制要点，是达到经济最优化的关键。本文将温度实际值和设定值分成9级，分别是-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，状态0表示温室环境符合作物生长特性不需要进行调控，这时调控机构运行状态应是天窗全部打开。负号表示实际温度低于要求值，反之说明实际温度超过要求值，值越大则差距越大。温度控制根本条件为能量消耗的多少，结合环境温度实际值和设定值间的差值实施执行操作。为了保证调控效果良好，应将采样时间设定成20min。
在作物生殖生长环节，涉及的模型包括环境调控模型、调控机构运行成本模型、生长模型，分阶段的调控环境参数，降低温室调控成本，并将经济最优目标落实到作物生长管理全过程。在获得试验数据后采取回顾分析法，在温室内作物光合速率和环境因素间建立函数关系，表示为：
Pn（T，H，L）=a1T2+a2H2+a3L2+b1TH+b2TL+b3HL+c1T+c2H+c3L+d
式中：
Pn—取样作物的净光合速率
a，b，c，k—系数，根据实验数据确定
T，K，L—室内温度、相对温度、光照强度
温室作物发生光合作物主要部位分别是叶、茎、根、果，产生的营养物资分配在各个器官。从温热平衡和质量平衡来看，构建温室内调控设备不同组合方式下的运作效果模型。本次试验中调控设备包括卷帘、天窗、风机、遮阳网、喷淋、加热系统。为了达到作物需要的生长环境调控设备運作时产生的成本，可用以下成本模型来计算。
J（Ki，t）=∑n1i=1KiPi+∑n2i=n1KiPiti
式中：
Pi—单独调控设备运行成本
Ki—调控设备开机状态
ti—调节到作物适合生存环境时，调控设备连续运行时间
进行温室环境调节时，需要结合当时的室内温度条件，使设备单独运行或多个调控设备配合使用，确保在合理选择调控方案的情况下，降低能量消耗，即是实现经济最优目标。常见的温度调控设备组合方式包括内喷淋+内遮阳+风机、内喷淋+内遮阳、外喷淋+外遮阳、内喷淋+外遮阳+风机、内喷淋+内遮阳+风机+外喷淋、外遮阳+内喷淋+风机+外喷淋等，通过逐一验证得到最佳调控设备组合方案。
3基于经济最优目标的温室环境控制策略分析
本文以黄瓜作物为例，建立有关作物生长、室内环境调控、环境调控成本等模型，加大调控成本控制，促进经济效益的提高。结合实验结果构建调控设备运行成本模型，具体分析环境控制优化策略。从实际生产需要入手优化环境调控方案，确保作物营养生长阶段及生殖生长阶段成本的有效控制，实际营养生长阶段主要运用积温控制策略，旨在降低能量消耗，减少调控设备运行成本，减轻环境负担并避免不必要的能量浪费。在生殖生长过程中，以经济最优目标为核心进行环境调控，保证作物生长环境良好，并提高经营者利润。不同农作物的室内环境参数要求存在区别，因此要保证环境控制策略体现出针对性、有效性的特点，通过试验验证最佳控制方案。 4试验结果与分析
本次实验在玻璃温室中进行，该温室结构为：天沟高3.8m，南北长20m，单跨宽6.4m，地面面积为256m2。温室中配备2组整体式天窗，分别安装在东西屋顶，实验过程中利用传感器收集并记录气候参数，整理成电子档案，室外利用小气象站采集室外湿度、温度、风速、光照强度等参数。黄瓜种植在塑料穴盘中，在生长出2～3片真叶时移栽至温室中。运用的基质为腐熟的芦苇加珍珠岩，确保作物生长过程中营养和水分充足。收集实验数据方面，每隔10d记录植株的各器官的生长情况，对长势较好的3个植株取平均值。不同时间段作物光合作用在不同器官中的分布情况有所差异。根据实验数据可知：当温室温度为37℃、湿度为44.7%且光照强度为19.54klx时，结合作物生长需要，应进行降温操作。室内各类调控设备在不同组合方式下对应的消耗成本和调节效果不同，比较实验结果，从经济最优目标出发，应优先选择风机和湿帘相结合的方式，能实现温室环境温度有效控制。经过20min后，监测温室环境参数为：温度29.5℃、光照强度19.23klx、湿度为70.2%，这种环境条件下黄瓜生长状况良好，同时保证了经济效益较高，说明上述设备组合方案有着一定可行性。结合实际生产要求和环境调节作用，需要采取适合的环境调控策略，将温度要素作为主要调控因子。从温室作物生长实际情况看，基于经济最大化目标的优化策略，是环境调控应关注的重点，是作物经营者要掌握的根本管理手段。
温室黄瓜产量和室内环境调控消耗成本间的比值主要受到温度要素影响，通常来讲，环境温度的增加，促使产出投入比值升高后再降低，主要是由于黄瓜属于喜温蔬菜，温度低时作物生长缓慢，而温度高于31℃后，黄瓜作物将出现疯长现象，会影响作物品质。因此一般将温室环境控制在31℃内。在此基础上进行温度调控设备的组合分析，找出最佳组合方案。另外，黄瓜对环境响度湿度要求较高，随着湿度的增加，黄瓜产投比呈现出先升高后下降的规律，实践表明，当温室内空气湿度高于85%后需要进行通风处理，能避免作物疯长，同时可加大对病虫害的防范，是保证黄瓜作物健康生长的关键。而在光照强度方面，从光强和作物产投比间的关系来说，光照强度过高将影响产投比，无法保证作物产量和质量。黄瓜是短日照作物，当光照强度过强时会对作物生长带来不良影响。考虑到这一生长特性需要进行遮阳处理，减少环境调节花费的成本，进而提高产出投入比，提高经济效益。
本次试验为温室黄瓜种植管理及环境控制提供了有效借鉴，在指导生产实践上具有实际意义。温度因素是影响最终生产效益的主要原因，其次为光强和空气湿度，环境控制方案制定上将温度控制作為提高环境调控效果的关键，配备相应的调控设备，为环境控制和经济效益的提高提供条件。从上述试验结果可得，室内温度为31℃、光照强度为16klx、相对湿度85%时，作物产出值和环境控制成本比值最大，说明这时作物种植经济效益最优。
5结论
综上所述，在温室作物生存环境管理实践中，应注重温度的控制，减少能量损耗，加大对种植成本的控制。同时需要根据作物生长特点和温室环境调控效果，以经济最优化为各项决策的依据进行环境控制，制定可行性强的环境调节方案，保证作物生长环境符合其生长需要，并实现经营者利润的提高。
参考文献
[1] 毛罕平，晋春.温室环境控制方法研究进展分析与展望[J].农业机械学报，2018，49（02）：1-13.
[2]高玉贤.温室环境建模及控制策略研究[D].石家庄：河北科技大学，2015.
作者简介：
史志明（1982-），男，本科，副高级工程师。研究方向：农业机械化。
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