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1、 基于智能农业理念的草莓立体栽培生产管控大系统构建摘 要：基于智能农业理念构建农业大系统其最终目的是对农业大系统应用智能控制技术进行调控，同时强调智能控制对农业整体系统带来的巨大作用。构建以大系统控制为目的智能农业系统先要从微观智能系统开始，根据复杂大系统的建模要求及本系统的划分构建出与农业体系各个层面相对应的管控子系统，同时基于通讯网络再构建广义智能农业系统，这其中更强调智能控制的作用。本文以草莓种植和管控体系为对象构建智能农业大系统控制体系，分别在微观智能、中观智能、宏观智能三个层次上阐述了农业大系统智能控制的特点，同时论述了智能控制系统中的智能协调控制器的功能。关键词：草莓 智能农业 控
2、制系统 协调控制器 0 前 言 草莓种植和加工是目前果蔬农业中比喜爱吃的肉质和味道、以及市场的经济收益很高，已经使草莓的种植和生产越来越受到重视，并且有逐年扩大种植、生产的趋势。作为草莓生长的环境载体大部分是温室生产，因此可以实现可控的参数和可控的目标相互结合并构建草莓智能控制系统，这便是以往温室环境控制的独立控制模式。而基于复杂农业大系统控制的智能农业理念 1，我们认为这种独立、单体温室控制模式虽然有其自身的优点，如对象单一、可控，容易实现单体温室的一个或几个控制目标2，但是更突出的不足是没有形成大系统控制观念，即温室与温室之间的协调控制、区域型 10 万栋级别温室的大系统协调控制、以及该领
3、域的农作物预报控制和决策最优控制等都没有体现出来。随着当今互联网技术、物联网技术、传感网技术的蓬勃发展，为实现上述农业大系统的智能控制系统提供了可能。同时，农业科技的进步需求和农业智能化目标的给出也迫切使科技人员要研究智能农业大系统控制理论，并开发出针对农业整体大系统的智能控制系统，而不是单一的、局部的、仅仅解决某个问题的小系统。当然，这一新兴的观点还有很多需要解决的理论问题和系统集成技术问题3，但是我们可以先从农业的某一局部系统开始做起。本文基于智能农业理念，研究以某大区草莓种植和生产为控制管理对象的广义智能农业系统。在充分体现智能控制的特点前提下，构建大系统智能控制体系，并阐述了与以往单体
4、、独立的温室控制系统不同之处，在更高的广义层面上分析了控制系统构建要素，对分散控制-集中控制-阶梯控制网络，按照微观智能、中观智能和宏观智能分析了协调控制器模型以及智能网络控制规则。1 基于智能农业理念的广义农业控制系统 智能农业理念强调将农业系统视为反馈的复杂大系统，这与控制理论奠基人维纳的思想：一切有生命和无生命的系统都是反馈系统是相吻合的 4。对于这样一个多参数、多目标、强耦合、大尺度的非线性系统，以往很少研究其大系统的整体控制问题。目前有关农业智能化的研究和应用基本上是集中在农业信息处理方面，即：将人工智能技术应用于农业知识获取、表达和加工推理、以及对行业的农业专家决策系统软件的开发与
5、研究上5。智能农业的一个根本理念是视农业大系统为可控的反馈系统，同时将大系统控制概念引入农业系统中，利用有效的智能控制手段对农业系统进行整体的优化调控13。基于此，我们综合了闭环控制和智能控制的特点提出了一个完整的农业控制大系统应该是如图 1 所示的架构的设想6。图 1.农业某一领域智能控制大系统架构 基于控制的任何一个智能控制系统均可以表示为“控制者+被控对象”、“调控+反馈”的组合。在分析智能农业大系统时，我们根据这些组合的不同划分，设计了这个闭环控制的智能农业系统。图中各个子系统 in 对应农业某一领域中的不同控制对象，而综合反馈和自适应调控则体现出该领域的智能化。这其中，我们设定的宏观
6、智能调控器则是体现大系统智能控制的一个关键点，同时在系统的协调控制中起到了至关重要的作用。如果将这个系统按照系统规模和递阶角度划分，我们进一步给出了农业某一领域基于微观级、中观级、宏观级划分的广义大系统控制架构，如图 2 所示。图 2.递阶式广义农业大系统智能控制体系架构 这个从系统递阶角度给出的智能农业的广义大系统控制架构，是基于农业某一领域的智能控制为基本点，通过各级局部智能协调器以达到农业系统整体控制目标。其中，从微观级到中观级则是对应图 1 的架构，而宏观级的智能协调器和智能决策系统则体现在农业系统的整体智能决策及调控 方面。同时，在这个广义智能农业大系统中，传感网、物联网、互联网是该
7、系统的通讯神经，其管理数据流和控制数据流共享网络资源、且含有双向信息流也是智能农业的另一个显著特点。2 草莓种植和管理控制系统 2.1 单体温室栽培的草莓管控体系构建 本文所涉及的草莓温室种植是针对北京市第七届世界草莓大会示范大棚的草莓立体栽培种植模式为对象。其中单体温室的调控框图如图3 所示。这里除了一般作物的温室控制目标，如土壤温度控制、两种营养液混合的滴灌控制、室外卷帘控制、通风控制外，我们还开发了草莓立体栽培控制系统的草莓支架阳光随动控制（图 4），以期使草莓植株的受光照性能良好，提高草莓品质。图 3.草莓立体栽培的温室控制系统 对于这样一个独立温室控制，其控制目标可以很好的实现。但是
8、对于多栋温室、甚至上万栋温室要做到按照某一个、几个最优目标进行统一的、协调的控制则根本办不到。那么显然，对该地区的整体草莓生产，在农业资源、施肥、协调培养管理等要想做到资源最优、能效最高的统一管理和调控很有必要。图 4.草莓立体栽培的电动支架实物 2.2 基于智能农业理念的草莓管控大系统构建 本文前言已经谈到，就某一地区的上万栋温室整体的、统一的、协调的、纳到一个大系统架构下的调控到目前为止还没有成熟的理念和技术。基于以上有关智能农业大系统构架的分析，我们将某一地区的 10 万栋草莓大棚作为调控对象，力图从大系统智能控制角度来控制该地区的草莓产业的生产及后续管理过程，以期实现该地区草莓整体生产
9、的最优控制，这其中还包括农业能效的最优控制。其系统架构如图 5 所示。图 5.基于智能农业大系统控制的草莓种植和生产管控大系统构架 在图 5 中含有如下几个显著的特点：（1）分三层构建草莓智能控制管理系统，将每一个温室作为该大系统最底层的智能节点；（2）中间层为某一区域的草莓种植和生产的管理控制层。其通过向下的协调控制，管理每一个温室的生产；（3）最高一级为该大区的广义管理控制层。其通过网络和高级智能协调控制来管理控 制以下各个分层的协调控制器，达到统一管理该大区的草莓种植和生产，并可以实现整体草莓产业的最优经济控制；（4）该大系统采用控制数据流和管理信息流融合的通讯渠道，底层是基于现场总线的
10、草莓智能控制系统，但其中的管理信息，如病虫害、产量、果实视频监控等，则通过路由器和以太网上传 给高一级的协调控制器；（5）中间级的协调控制器具有反馈控制执行和底层信息采集调用、管理的双功能，即不仅完成智能控制，还要完成生产管理、报表生成等诸如 URP的功能；（6）而最高一级的智能协调控制器只能完成远程监控、高级生产管理指令下达、在线决策支持咨询、品质及产量评估、网上交易管理等工作。3 协调控制器的功能 在构建智能农业大系统时，根据智能层面的不同，我们分别设置了底层协调控制器和区域协调控制器。我们赋予这些控制器的功能有:（1）具有控制初值设定及自调整能力。控制初值的设定关系到从属控制子系统的优良
11、性，同时根据智能控制要求，这个初值还要具备一定的自调整能力，即根据控制要求做一定的局部更改，这也是针对农业系统的大时变、不确定、不确知特点而设立的；（2）含有智能控制核心，并具备控制指令发出和检测信息返回通道；（3）具备自行闭环的控制构成和控制目标解析能力；（4）具备网络接口，不仅完成自行闭环的通讯网络架构，还具备与上位协调控制器的通讯接口，并且是双向信息流通道；如图 6 为底层协调控制器的内核构造架构。图 6 底层协调控制器的内核架构 至于在这个协调控制器中，应用到什么样的技术，比如无线传感技术等并不重要。重要的是引入协调控制器后，不仅凸显了智能农业的智能控制理念，还融合了专家决策支持系统的优势，将农 业信息处理的智能化和农业对象控制的智能化有机的结合起来。当然，这其中要研究和开发相应的、合适的智能控制技术，比如人工神经网络智能控制、无模型的预报控制、多目标的协调最优控制等等。4 结论
基于智能农业理念的草莓立体栽培生产管控大系统构建
