一种植物工厂集成控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及植物工厂控制领域，具体涉及一种植物工厂集成控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 现代农业生产的目标既要高产高效，又要优质低耗。以植物工厂为代表的现代设 施农业的发展顺应了这种时代潮流，它集成了现代信息技术与农业工程技术，以工厂化的 精细管理来改造传统粗放型的农业生产，取得了很好的效果。
[0003] 植物工厂生产过程控制包括环境和水肥两个子系统。环境因素包括温度、湿度、光 照、二氧化碳浓度等，环境控制子系统就是要通过控制这些环境气候因子，为作物生长创造 良好环境条件。水肥控制子系统包括灌溉和施肥控制两部分，主要控制灌溉水量和肥料品 质（如EC/PH值）。近年来植物工厂基础控制技术获得了长足进步，工厂环境控制和水肥调 控已经逐步走向自动化，配套设施日益齐全。
[0004] 作业生产排产是植物工厂精细化管理的一个核心问题，即如何根据有关信息制定 阶段性种植计划，从而获得最优的生产效益。由于农业作物生产周期长短不一、生产计划制 定存在不可变更性等特点，生产计划制定的准确性对于植物工厂的最终经济效益有较大的 影响作用。
[0005] 另外，由于植物生长对环境温度具有高度依赖性，能耗优化及温度调控技术一直 以来是植物温室领域研究的重点。传统植物工厂控制重点大多聚焦于基础环境因子的控 制，随着节能高效及成本优化的实际需求，集成的优化经营调控系统及方法成了新的研究 热点。
[0006] 专利号为CN201410735279的发明专利公开了一种监控植物工厂生长因子的温室 装置及其监控方法，包括温室装置、二氧化碳监控模块、臭氧监控模块及乙烯监控模块。
[0007] 专利号为CN201410684635的发明专利公开了一种用于花卉生产的温室型植物工 厂系统，包括智能环境系统、无土栽培系统、上位控制系统。
[0008] 专利号为CN201410588304的发明专利公开了一种应用多色LED的智能型植物工 厂的光照控制系统和方法，通过对多种光色LED植物灯的发光功率进行连续、实时的在线 探测，结合植物在不同生长阶段的光照需求来调节多种光色LED植物灯的发光功率，使得 植物工厂内的植物处于最佳的生长状态。
[0009] 专利号为CN201310414613的发明专利涉及一种基于植物生长特性和规律的流水 线式植物工厂的实现方法，提供了一种可扩展式植物生产方式，模拟植物在整个成长过程 中的最佳生长环境。
[0010] 专利号为CN201310037258的发明专利涉及一种植物种植系统，包括围蔽式独立 于外界的利用自然光源的种植区域，对种植区域内环境进行控制的中央控制系统以及与中 央控制系统联系的子控制系统。
[0011] 专利号为CN201210573160的发明专利涉及一种温室大棚温度控制系统，包括冷 热交换机、冷热水两用保温存储箱和冷热空气循环分布机以及送风排风系统，使温室大棚 或其它场所的室内温度自如调控，在短时间内，迅速降温或升温，从而降低了用户初次投资 成本及长时间运行费用。
[0012] 专利号为CN201410271472的发明专利涉及一种基于时令的节能温室控制系统， 包括实时及历史数据库系统、温室传感系统、分区控制器和计算机控制系统。
[0013] 专利号为CN201310316947的发明专利公开了一种种植业温室控制方法及控制 器，通过将实际温度值与预设温度信息进行对应，获取与该实际温度信息或实际时间信息 相对应的风口档位信息，控制器控制通风口打开相应的档位。
[0014] 专利号为CN201310296504的发明专利本发明提供一种基于CFD数值模拟的温室 控制方法，使PID参数整定通过计算模拟和计算实现，工程师不用到温室现场，或者温室处 于设计阶段就可确定温室的PID控制参数。
[0015] 专利号为CN201110359701的发明专利公开了一种温室控制装置，包括装设在温 室顶部的太阳能板和电能转换装置以及安装在温室内部的蓄电池、温度感测器、湿度感测 器、加湿器、加温器、控制器和照明装置。
[0016] 专利号为CN200710041549的发明专利公开了一种温室智能控制方法，以作物智 能数据库为基础控制温室整体气候，再跟踪作物生长期间的实时信息，校正完善数据库，并 在控制温室气候的输入数据中叠加混沌信号，再加上神经网络控制器进行优化调节得以实 现的。
[0017] 专利号为CN200410014434的发明专利公开了一种基于经济最优的温室环境控制 技术，通过建立环境因子与作物生长量的数据库、控制效果数据库。计算在设定时段内所能 达到的环境因子预期调控量，同时计算在这时间内机构动作所耗费的控制成本P ;再计算 出作物的经济产出值C ;通过计算选择最大的C/P值，确定以按经济最优为控制目标的由调 控机构的不同动作状态组合而成的控制方案。
[0018] 江苏大学项美晶提出了一种"基于信息融合的温室环境因子调控优化方法"，建立 了一种温室作物C02浓度-光合速率预测模型、温度-光合速率预测模型、CO 2损失成本模 型、温度调控成本模型等，并以价格季节性变化规律为依据建立市场价格规律模型。
[0019] 中科大秦琳琳等通过将室外环境因子作为系统的连续输入量，天窗的开启和关闭 状态作为离散变量，室内温度作为连续输出量，建立了温室混杂自动机的模型现代温室温 度混杂系统的建模。中科大王子洋等提出了一种基于切换控制的温室温湿度控制方法。
【发明内容】
[0020] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种植物工厂集成控制系统和方法。本发明 参考植物的生长规律和生理特性，通过构建植物生产过程能量平衡和质量平衡方程，定量 或定性研究影响植物工厂环境因子的因素及程度，计算并控制维持温室特定环境所需的能 耗负荷，建立集成能源优化的环境调控算法，给出植物工厂植物生长的最优种植方案，达到 节能增效的效果，为植物工厂设计、生产、发展以及环境调控提供指导依据。
[0021] -种植物工厂集成控制系统，包括：
[0022] 生产经营数据库，包含植物工厂的资源数据、环境数据、生产数据、营销数据；
[0023] 集成生产条件的作业计划模块，按照预设的生产周期根据生产经营数据库以经济 效益最高为原则形成初始生产方案，并根据初始生产方案下植物的机理特性和植物工厂的 实际能耗成本对初始生产方案进行修正得到的最佳生产方案；
[0024] 植物生产过程仿真器，根据实时生长环境仿真在初始生产方案下植物的机理特 性，并反馈供作业计划模块以用于修正初始生产方案；
[0025] 能耗控制模块，利用多介质能耗模型计算初始生产方案下植物工厂的实际能耗成 本，并反馈给作业计划模块以用于修正初始生产方案；
[0026] 信息采集及环境控制模块，用于采集植物的实时生长环境，并根据集成生产条件 的作业计划模块输出的最佳生产方案控制植物的生长环境。
[0027] 资源数据包括植物工厂栽培架数量、结构、种植能力、装置能耗平均值（即苗床在 每个生产周期内的平均能耗系数的初始值）等；
[0028] 环境数据包括植物工厂中各车间环境因子，所述的环境因子包括光照、温度、空 气、水中PH值、溶解氧、富营养物数据等；
[0029] 生产数据包括栽培植物基本机理数据、作业调度、工况监控及远程服务等的数 据；
[0030] 营销数据包括生产农资、原料、种子等的成本价格以及成品植物的市场供需情况、 价格波动等数据。
[0031] 根据上述生产经营数据库可以获取植物工厂的基础能耗成本数据（包括初始能 耗成本和初始能耗系数）以及产品市场价格及需求数据（即供应链模型）。
[0032] 本发明的生产周期可以根据具体的植物种植情况设置。
[0033] 所述的植物生产过程仿真器利用预设的植物生长机理模型库及生长环境控制模 型库仿真不同的生产方案下植物的机理特性；
[0034] 所述的植物生长机理模型库包括至少一个植物生长机理模型；
[0035] 所述的生长环境控制模型库包括至少一个生长环境控制模型（即环境仿真模 型）。
[0036] 在对初始生产方案仿真时，根据初始生产方案调用对应的植物生长机理模型和生 长环境控制模型计算即可得到仿真结果。通过仿真分析比较在不同生产方案下植物的生长 情况特点，为植物工厂生产计划调度与优化策略提供仿真验证。
[0037] 所述作业计划模块输出最佳生产方案包括相应生产周期内植物的生产作业计划 方案以及相应的环境控制给定值。
[0038] 本发明的集成生产条件的作业计划模块（即最佳生产方案）实际上集成了植物生 长环境模型、能耗成本以及供应链模型。假设生产计划周期（即生产周期）内不同植物的 价格及供需情况已知，一个生产周期内种植多种不同的植物，以经济效益最大化为目标函 数建立模型。
[0039] 作为优选，制定最佳生产方案通过在原料市场供应约束、产品市场需求约束和苗 床的种植量约束的约束条件下求解如下目标函数得到：
[0040]
[0041] 其中，Pk为第k个生产周期的全厂利润，
[0042] A':为第k个生产周期内第i种植物的需求量，
[0043] ^为第k个生产周期内第i种植物的销售价格，
[0044] gf为第k个生产周期内第η种原料的采购量，
[0045] 《为第k个生产周期内第η种原料的采购价格，
[0046] 第k个生产周期内第u个苗床在第m种生产方案的苗床生产量；
[0047] W为苗床在每个生产周期内的平均能耗系数（即能耗系数），在计算时通常作为常 数处理。
[0048] 能耗系数和能耗成本可以相互推导，即已知其中任意一个，即可推算出另外一个。 本发明中从生产经营数据库可以计算得到W的初始值（即初始能耗系数）。
[0049] 其中，所述的原料市场供应约束如下：
[0050]
[0051] 其中，为第η种原料的采购量的下限，W为第η种原料的采购量的上限