牛舍环境智能控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明提出一种牛舍环境智能控制系统及控制方法，智能控制系统由舍内外温湿度传感器、气体分析仪、风速测量仪作为信号源，由舍内循环风机、卷帘窗驱动电机以及喷淋驱动电机作为执行设备。控制设备采用案例推理和群决策智能推理方法能够根据环境变量的状态实现舍内环境的智能决策与推理；对目标案例的决策结果可实现群决策修正；自动输出设备的启停命令，实现自动控制功能。该控制系统硬件结构简单、响应速度快、测量精度高，无须专人看管；控制方法运用案例推理和群决策智能算法控制舍内环境，具有很强的自适应和自学习能力，可使牛舍被控制在一个相对稳定而舒适的环境，避免了奶牛所处环境的恶化而导致产奶量降低甚至生病死亡而引起的重大损失。
【专利说明】牛舍环境智能控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种牛舍环境智能控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]牛奶含有丰富的矿物质，钙，磷、铁、锌、铜、锰、钥的含量都很多。最难得的是，牛奶是人体钙的最佳来源，而且钙磷比例非常适当，利于钙的吸收。随着奶牛的养殖业越来越规模化、现代化进程的不断加快，对牛舍的规模、质量、环境控制程度等各方面的要求也越来越高。实验结果表明:当舍内温度能够被控制在-10°C~27°C，室内湿度能够被控制在50~70%RH，有害气体的含量能够被控制在C02〈0.15%，H2S<15mg/m3, NH3<19.5mg/m3，奶的产量和质量都能达到较高水平。因此，牛舍环境控制技术的应用具有重要的现实意义。
[0003]由于牛舍容积大，排除有害气体及降温除湿设备分布众多，对这些设备的运行决策难度很大，通过操作人员或常规控制手段难以将舍内环境实时调节在一个相对舒适的水平，因而，需考虑引进先进技术与方法去攻克这一难题。20世纪80年代以来，人工智能中一种新的问题求解方法-案例推理(Case-Based Reasoning,CBR)得到了广泛重视和研究，它适合在很难建立机理模型和领域知识不完全且难以定义但经验丰富的决策环境中运用。CBR作为一种新的问题求解与机器学习方法，推理过程可用经典的4R认知模型进行描述，即案例的检索(Retrieve)、重用(Reuse)、修正(Revise)和存储(Retain)。其中，修正阶段对问题求解的质量起着至关重要的作用，直接影响推理结果的正确性，是一个尚未解决的开放性问题。因此，在应用CBR方法时，需要考虑案例修正的方法，以获得准确的推理结果。
【发明内容】
[0004]本发明主要解决的技术问题在于，提供一种能够实时调节牛舍内环境的智能控制方法，可以根据温湿度、有害气体含量和室外温湿度、风速的状态变化，运用案例推理和群决策智能算法，对舍内循环风机、卷帘窗、喷淋等设备的启停进行控制，进而为奶牛提供一个健康适宜的生活、生长环境。本发明第一目的在于提出一种牛舍环境智能控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
[0005]步骤1、变量初始化；
[0006]步骤2、建立案例库；案例库中的源案例Ck=(Xk;Yk)，k=l，2，…，P，其中，P是源案例总数AkKxu, x2；k, *..,χ8；?5)和Yk= (yu, y2;k,…，y5，k)分别是第k个源案例的问题描述和案例解答；Xi，k(i=l，2，…，8)表示第k个源案例中问题描述的第i个牛舍环境特征变量的状态值^^(1=1，2，…，5)表示第k个源案例的案例解答中第I个牛舍执行设备的启停状态；
[0007]步骤3、判断是否出现新的目标案例，若为否，则跳转步骤10 ;否则，获取目标案例的问题描述:Xp+i=(Xi，p+i，X2，p+1，…，χ8，ρ+1)，其中，Xif1Q = I, 2，..., 8)表示目标案例的问题描述xp+1中第i个牛舍环境特征变量的状态值，并执行步骤4 ；
[0008]步骤4、将源案例问题描述Xk=Uu, X2jk,…，x8；k)，k=l,2,…,P和目标案例问题描述Χρ+1=(Χι，ρ+1，χ2,ρ+1)...，χ8,ρ+1)中的牛舍环境特征变量的状态值进行归一化处理；[0009]步骤5、根据目标案例问题描述与源案例问题描述中归一化后的各个牛舍环境特征变量的状态值，计算各源案例与目标案例的相似度Sk ；
[0010]步骤6、根据设定的相似度阈值Sv，确定匹配案例的个数，若匹配案例个数m>l时跳转步骤7 ;否则，选择所述相似度Sk最大值所对应源案例的案例解答作为目标案例的案例解答 Υρ+ι，其中，Yp+i=(yi，p+i，y2,P+i,...，y5,P+i)，Υι,Ρ+ι (1=1, 2，...，5)表示第 I 个牛舍执行设备的启停状态，并转步骤8。
[0011]步骤7、群决策修正设备的启停状态，获取该目标案例的案例解答Yp+1= (y1； p+1, y2； p+1
>...> y 5, p+i);
[0012]步骤8、案例重用；
[0013]步骤9、将目标案例案例解答Yp+1=(yi，p+1，y2,p+1)...，y5,p+1)及归一化前的目标案例问题描述Xp+1= (X1-X2H,…，χ8，ρ+1)组成新的源案例CP+1=(XP+1;YP+1)存储于案例库中，并将源案例总数P增I;
[0014]步骤10、若控制任务结束，则程序结束；否则，转步骤3。
[0015]优选地，所述牛舍环境特征变量为室外温度、室外湿度、室外风速、室内温度、室内湿度、室内的CO2、NH3、H2S浓度。
[0016]优选地，所述牛舍执行设备包括舍内循环风机、上卷帘窗驱动电机、下卷帘窗驱动电机、南喷淋驱动电机、北喷淋驱动电机。
[0017]优选地，牛舍执行设备的启停状态的取值为O或I。
[0018]优选地，步骤4中所述归一化处理按如下公式进行:
【权利要求】
1.一种牛舍环境智能控制方法，其特征在于，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 步骤1、变量初始化； 步骤2、建立案例库；案例库中的源案例Ck=(Xk;Yk)，k=l，2，…，P，其中，P是源案例总数AkKxu, x2；k, *..,χ8；?5)和Yk= (yu, y2;k,…，y5，k)分别是第k个源案例的问题描述和案例解答；Xi，k(i=l，2，…，8)表示第k个源案例中问题描述的第i个牛舍环境特征变量的状态值；yi，k(l=l，2，…，5)表示第k个源案例的案例解答中第I个牛舍执行设备的启停状态； 步骤3、判断是否出现新的目标案例，若为否，则跳转步骤10 ;否则，获取目标案例的问题描述Ap+eUm, x2，p+1,…，χ8，ρ+1),其中,Xif1Q=1, 2，…，8)表示目标案例的问题描述Χρ+1中第i个牛舍环境特征变量的状态值，并执行步骤4 ； 步骤4、将源案例问题描述XfUu, x2，k,…，x8，k), k=l,2,..., p和目标案例问题描述Xp+1=(Xl，p+1，x2,p+1)...，x8,p+1)中的牛舍环境特征变量的状态值进行归一化处理； 步骤5、根据目标案例问题描述与源案例问题描述中归一化后的各个牛舍环境特征变量的状态值，计算各源案例与目标案例的相似度sk ； 步骤6、根据设定的相似度阈值sv,确定匹配案例的个数，若匹配案例个数m>l时跳转步骤7 ;否则,选择所述相似度Sk最大值所对应源案例的案例解答作为目标案例的案例解答 χρ+1，其中，YP+i=(yi，P+i，y2,P+i,...，y5,P+i)，χ1,Ρ+ι (1=1,2，...，5)表示第 1 个牛舍执行设备的启停状态，并转步骤8。 步骤7、群决策修正设备的启停状态，获取该目标案例的案例解答Yp+1=(yi，p+1，y2；p+1,...，y 5, ρ+ι); 步骤8、案例重用； 步骤9、将目标案例案例解答Yp+1= (y1；p+1, y2；p+1,...，y5；p+1)及归一化前的目标案例问题描述Xp+1= (XHPX2H,…，x8，p+1)组成新的源案例Cp+1=(Xp+1;Yp+1)存储于案例库中，并将源案例总数P增I ; 步骤10、若控制任务结束，则程序结束；否则，转步骤3。
2.如权利要求1所述的牛舍环境智能控制方法，其特征在于，所述牛舍环境特征变量为室外温度、室外湿度、室外风速、室内温度、室内湿度、室内的CO2、NH3、H2S浓度。
3.如权利要求1所述的牛舍环境智能控制方法，其特征在于，所述牛舍执行设备包括舍内循环风机、上卷帘窗驱动电机、下卷帘窗驱动电机、南喷淋驱动电机、北喷淋驱动电机。
4.如权利要求1所述的牛舍环境智能控制方法，其特征在于，牛舍执行设备的启停状态的取值为O或I。
5.如权利要求1所述的牛舍环境智能控制方法，其特征在于，步骤4中所述归一化处理按如下公式进行:
6.如权利要求1所述的牛舍环境智能控制方法，其特征在于，步骤5中按下式计算各源案例与目标案例的相似度sk:
7.如权利要求1所述的牛舍环境智能控制方法，其特征在于，步骤6中，sve (0，1]，相似度大于等于Sv的源案例为目标案例的匹配案例。
8.如权利要求1所述的牛舍环境智能控制方法，其特征在于，步骤7中获取该目标案例的案例解答Yp+i=(yi，p+i，y2,P+i,...，y5,P+i)根据以下公式获得:
9.一种牛舍环境智能控制系统，包括舍内和舍外温湿度传感器、舍内CO2气体分析仪、舍内H2S气体分析仪、舍内NH3气体分析仪、风速测量仪以及PLC控制器、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、电源模块、触摸屏、监控终端和继电器模块，其特征在于，室内温湿度传感器、室外温湿度传感器、风速测量仪、CO2气体分析仪、H2S气体分析仪、NH3气体分析仪分别与模拟量输入模块相连，获得室内温度、室内湿度、室外温度、室外湿度、室外风速以及室内的CO2浓度、H2S浓度、NH3浓度；数字量输出模块通过继电器与牛舍执行设备相连，并控制其启停；各执行设备同时与继电器相连，将运行信号传送给数字量输入模块；PLC控制器分别通过RS232串行口与触摸屏相连，通过以太网口与监控终端相连。
10.一种如权利要求9所述的牛舍环境智能控制系统，特征在于，所述牛舍执行设备包括舍内循环风机、上卷帘窗驱动电机、下卷帘窗驱动电机、南喷淋驱动电机和北喷淋驱动电机。
【文档编号】G05D27/02GK103558888SQ201310597079
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】苍晓笛, 周佑家, 李守忠, 张川川 申请人:中博农(北京)牧场建设有限公司