一种冷链环境与果品温湿度耦合感控方法及系统与流程

本发明实施例涉及冷链储运技术领域，尤其涉及一种冷链环境与果品温湿度耦合感控方法及系统。

背景技术：

温湿度是影响果品品质安全的关键因子，也是目前冷链全程重点监控数据。动态监测冷链环境温湿度，特别是动态监控果品自身温湿度变化是减少冷链损耗的关键，也是促进冷链提质增效的基础。

目前传感器点位监测是冷链运输中主要监控手段，并将监测结果作为评判果品温湿度是否满足需求或品质是否安全的重要指标。由于受数量、位置与环境限制，受环境温湿度波动、均匀性差及果心与环境存在温差等客观因素影响，致使该评判方式存在片面性、主观性与不科学性，且缺乏非破坏性果品温湿度感控能力，既不能精准获取果品自身温湿度动态变化规律，也不能实现环境与果品品质的协同调控，这也是导致我国水果运输损失率严重的主要原因，且伴随果品产前产后相关人力物力与能耗的流失与浪费。

有鉴于此，如何实现储运载体环境与果品温湿度精确耦合感控，并依据储运载体内部微环境风场、温度场及湿度分布均匀性以及能耗量实现最优化的冷风机调控设置，对突破传统冷链点位监测的局限性，实现品质与能耗双重优化，以及对提升冷链运输保质力、节能性与经济效益具有重要工程应用价值。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种冷链环境与果品温湿度耦合感控方法及系统，用于克服或部分解决现有技术在冷链环境与果品温湿度耦合感控中存在的调控精度差，从而导致水果冷链运输损失率严重等缺陷。

第一方面，本发明实施例提供一种冷链环境与果品温湿度耦合感控方法，主要包括：

s1，确定在不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量；

s2，根据时空耦合分布均匀性与风机能耗量，确定储运载体冷风机的最优调控参数。

作为可选地，步骤s1具体可以包括：

s11，基于环境与果品湿热扩散性系数、果品初始温湿度、冷风机位置、基准冷却参数、储运载体空间尺寸及果品堆栈打包方式，构建储运载体内部空间与堆栈果品的数字孪生体；

s12，对数字孪生体进行网格划分，确定网格划分后数字孪生体的初始边界条件信息，并构建储运载体内部的多物理场时空耦合分布预测模型；

s13，基于多物理场时空耦合分布预测模型，确定不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量。

作为可选地，步骤s12具体可以包括：

融合结构化与非结构化网格划分方法，对数字孪生体进行网格化；将冷风机出口位置设置为湿冷空气入口边界；将风机出风口温湿度与风速设置为多相流入口边界值；将堆栈打包果品所在区域设置为固体区域，并将堆栈打包果品所在区域的湿热扩散系数、初始温度、初始含水量设置为固体区域的边界值；基于能量守恒、动量守恒与质量守恒方程，并结合有限体积法，构建储运载体的多物理场时空耦合分布预测模型。

作为可选地，在对数字孪生体进行网格化之后，还可以包括：调节网格扭曲度以及果品呼吸强度、表面蒸发与冷凝强度，对多物理场时空耦合分布预测模型进行模拟训练。

作为可选地，湿热扩散系数主要包括：水分扩散系数、热量扩散系数、体积密度和/或比热容等。

作为可选地，在步骤s13中，操控参数的选取方法可以包括：确定在冷链运输过程中储运载体内部的基准冷却参数值；其中，基准冷却参数值包括基准送风速度、基准送风温度和基准送风湿度；根据基准冷却参数值设置调控参数阈值范围；在调控参数阈值范围内选取操控参数。

作为可选地，步骤s2具体可以包括：确定在时空耦合分布均匀性最高以及风机能耗量最低时的操控参数，并以所述操控参数作为最优调控参数。

第二方面，本发明实施例提供一种冷链环境与果品温湿度耦合感控系统，主要包括：多场耦合时空模拟模块和最优调控参数运算模块；多场耦合时空模拟模块，用于确定在不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量；最优调控参数运算模块，用于根据时空耦合分布均匀性与风机能耗量，确定储运载体冷风机的最优调控参数。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行所述程序时实现如第一方面任一所述的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一所述的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法的步骤。

本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法及系统，利用元启发算法，依据多物理场特别是果品温湿度场时空分布均匀性以及制冷机组能耗量，实现最优化的储运载体环境与果品品质调控，对实现品质与能耗的双重优化以及促进冷链物流降本增效具有重要工程应用价值与经济价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种冷链环境与果品温湿度耦合感控方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种冷链环境与果品温湿度耦合感控系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种冷链环境与果品温湿度耦合感控系统结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于说明，在后续各实施例中均统一以果品冷链运输过程为研究对象，并以苹果为货物试验材料，对本发明实施例提供的链环境与果品温湿度耦合感控方法及系统进行具体的说明。

图1为本发明实施例提供的一种冷链环境与果品温湿度耦合感控方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括但不限于以下步骤：

步骤s1，确定在不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量；

步骤s2，根据时空耦合分布均匀性与风机能耗量，确定储运载体冷风机的最优调控参数。

一般来说，同一水果在不同的温湿度情况下，其各项品质的变化速率会出现不同的变化。例如，低温能够抑制微生物的生理代谢，从而可以抑制微生物的生长与繁殖。当温度每降低10摄氏度，代谢速率可以下降2-3倍。另外在不同的湿度情况下，同样对果品的各项品质产生重要的影响，过于干燥的环境会导致果品脱水速率加快，但过于潮湿的环境则又会导致微生物的繁殖加快，导致果品腐坏的速度加快。

为了有效的提高果品在冷链存储以及运输过程中的损耗并降低风机能耗，在本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法中，通过将冷链运输环境与果品温湿度进行耦合，以获取冷风机的最优调控参数的获取及调整。

具体地，上述操控参数主要包括环境与果品湿热扩散性系数、果品初始温湿度、冷风机位置、基准冷却参数、储运载体空间尺寸及果品堆栈打包方式等。其中，基准冷却参数主要包括基准的送风速度、送风温度、送风湿度等。

作为可选地实施例，将不同操控参数进行随机组合后，分别确定在不同的操控参数组合下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量。

其中，多物理场主要包括风场、温度场与湿度场。储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性的获取方法包括：

首先，在设置一定的操控参数下，通过设置于储运载体内部的温湿度传感器、风速传感器测量储运载体内部具有时空特性(时间+空间)的数据值。具体地测量方法可以是在预设的时间段段内，测量储运载体内部不同部位的风场、温度场与湿度场等数据值。

然后，根据所测量收集的储运载体内部的多物理场时空数据值，确定出多物理场时空耦合分布均匀性。其中，多物理场时空耦合分布均匀性越高，说明在该操控参数下，储运环境越适宜果品的存储。

其中，风机的耗能可以根据监控风机的电量消耗来实现，对此本实施例不作具体地限定。

进一步地，通过步骤s1获取到在不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量之后，从中选取处能够实现时空耦合分布均匀性越大且相对来说风机能耗量越小的操控参数作为最优调控参数。

最后，可以根据所确定的最优调控参数，对运载体冷风机的工作状态、果品的堆栈位置、堆栈方式等进行适当的调整，以创建良好的冷链环境，减小冷链储运过程中的损耗，并实现节能减耗的目的。

本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法，依据多物理场特别是果品温湿度场时空分布均匀性以及制冷机组能耗量，实现最优化的储运载体环境与果品品质调控，对实现品质与能耗的双重优化以及促进冷链物流降本增效具有重要工程应用价值与经济价值。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述步骤s1可以包括但不限于以下步骤：

s11，基于环境与果品湿热扩散性系数、果品初始温湿度、冷风机位置、基准冷却参数、储运载体空间尺寸及果品堆栈打包方式，构建储运载体内部空间与堆栈果品的数字孪生体；

s12，对数字孪生体进行网格划分，确定网格划分后数字孪生体的初始边界条件信息，并构建储运载体内部的多物理场时空耦合分布预测模型；

s13，基于多物理场时空耦合分布预测模型，确定不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量。

具体地，s11，基于环境与果品湿热扩散性系数、果品初始温湿度、冷风机位置、基准冷却参数(送风速度、送风温度、送风湿度)、储运载体空间尺寸及果品堆栈打包方式，构建储运载体内部空间与堆栈果品的数字孪生体；s12，实现数字孪生体网格划分及确定其初始边界条件信息，构建储运载体微环境多物理场时空耦合分布预测模型(风场、温度场与湿度场)；s13，基于创建的预测模型，获得基准冷却参数值上下一定范围内不同操控参数下储运载体内部多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量。

其中，数字孪生体，是指通过数字化的手段将储运载体内部环境进行映射构建一个虚拟的数字化的空间，相当于是对储运载体内部进行的模拟仿真，并在仿真的虚拟模型中仿真出环境与果品湿热扩散性系数、果品初始温湿度、冷风机位置、基准冷却参数、储运载体空间尺寸及果品堆栈打包方式等特征，并进一步地，可以在仿真的虚拟模型中刻画出多物理场时空耦合分布的均匀性以及风机能耗量的具体分布状态。

在本发明实施例中为了进一步在不同的操控参数下，分析储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性，并确定对应的风机能耗量，对所构建完成的数字孪生体进行网格划分，并在网格化划分后的数字孪生体中确定出各个网格的初始边界条件信息。

具体地，作为可选地实施例，步骤s12所述的对数字孪生体进行网格划分，确定网格划分后数字孪生体的初始边界条件信息，并构建储运载体内部的多物理场时空耦合分布预测模型，可以包括但不限于以下步骤：

融合结构化与非结构化网格划分方法，对数字孪生体进行网格化；将冷风机出口位置设置为湿冷空气入口边界；将风机出风口温湿度与风速设置为多相流入口边界值；将堆栈打包果品所在区域设置为固体区域，并将堆栈打包果品所在区域的湿热扩散系数、初始温度、初始含水量设置为固体区域的边界值；基于能量守恒、动量守恒与质量守恒方程，并结合有限体积法，构建储运载体的多物理场时空耦合分布预测模型。

其中，结构化网格划分方法是指使网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元，以方便实现区域的边界拟合，主要适用于流体和表面应力集中的方面的计算。在对曲面或空间的拟合上可以采用参数化或者样条插值的方法来生成，划分后的网格区域光滑，与实际的模型更容易接近。非结构化网格划分方法中，网格区域内所有的内部点不具有相同的毗邻单元，即网格划分区域内的不同内点相连的网格数目不同。由于结构化网格划分方法对于非规则的图形的划分适用性差，在本发明实施例所提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法，在结构化网格划分方法的基础上融合非结构化网格划分方法，以实现对数字孪生体的网格化，能够兼顾两者的优点，真实的映射出储运载体内部的真实状态。

作为可选的可以采用现有的网格化手段来实现数字孪生体的网格化，例如采用icem结构化或非结构化网格划分方法，对此本发明实施例不作具体限定。

进一步地，在对数字孪生体进行网格化之后，确定网格划分后各网格区域的初始边界条件信息，包括：设置冷风机出口位置为湿冷空气入口边界，设置冷风机出风口温湿度与风速为多相流入口边界值，堆栈打包果品即包装材料视为固体区域，设置货物区湿热扩散系数、初始温度、初始含水量作为堆栈打包果品固体区域的边界值。

最后，在每个网格区域内，基于能量守恒、动量守恒与质量守恒方程，利用有限体积法构建储运载体的多物理场时空耦合分布预测模型。

其中，有限体积法(finitevolumemethod)，又称为有限容积法、控制体积法，其基本思路为：

步骤1：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，每一个控制体积都有一个节点作代表，将待求的守恒型微分方程在任一控制体积及一定时间间隔内对空间与时间作积分；

步骤2：对待求函数及其导数对时间及空间的变化型线或插值方式作出假设；

步骤3：对步骤1中各项按选定的型线作出积分并整理成一组关于节点上未知量的离散方程。

本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法，利用融合结构化与非结构化网格划分方法，对由储运载体内部进行数字化获取的数字孪生体进行网格化；然后根据储运载体内部的实际状态，设置网格划分后数字孪生体的初始边界条件信息；最后，利用有限体积法，结合能量守恒、动量守恒与质量守恒方程，构建出储运载体内部的多物理场时空耦合分布预测模型。通过构建完成的多物理场时空耦合分布预测模型，可以根据预测在任一时刻在储运载体内部任一空间位置处的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在所述对所述数字孪生体进行网格化之后，还可以包括：调节网格扭曲度以及果品呼吸强度、表面蒸发与冷凝强度，对多物理场时空耦合分布预测模型进行模拟训练。

具体地，在本发明实施例中可以在网格化进程中，通过变换调节网格扭曲度以及果品呼吸强度、表面蒸发与冷凝强度，以提高储运载体内部的多物理场时空耦合分布预测模型的鲁棒性以及模拟精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，湿热扩散系数可以包括：水分扩散系数、热量扩散系数、体积密度和/或比热容等。

其中，水分扩散系数是指当水分浓度梯度为1的条件下，果品湿热在每秒钟通过单位面积水分的扩散量，该扩散量与水分扩散通过的横截面积、浓度梯度和扩散时间成正比。

热量扩散系数是物体中某一点的温度的扰动传递到另一点的速率的量度，导热系数越大，在相同的温度梯度下可以传导更多的热量。

体积密度是指储运载体内部的气体的体积密度，体积密度越大，其进行湿热扩散及传导的速率则越慢。

比热容主要用于反映出储运载体内部单位温度所吸收(或放出)的热量，其比热容越大，则湿热扩散及传导的速率则越慢

本发明实施例通过选择对储运载体内部环境与果品温湿度耦合最为关键的几个参数作为湿热扩散系数，对网格化后数字孪生体的边界进行设置，以实现多物理场时空耦合分布预测模型的构建，有效的提高了模型预测的精度和收敛性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在步骤s13中所述的操控参数的选取方法可以包括：

确定在冷链运输过程中储运载体内部的基准冷却参数值，基准冷却参数值包括基准送风速度、基准送风温度和基准送风湿度；根据基准冷却参数值设置调控参数阈值范围；在调控参数阈值范围内选取所述操控参数。

具体地，在本发明实施例中，首先基于环境与果品湿热扩散性系数、果品初始温湿度、冷风机位置、基准冷却参数(送风速度、送风温度、送风湿度)、储运载体空间尺寸及果品堆栈打包方式等，获得基准冷却参数值上下一定范围内(如：基准送风速度±δv，基准送风温度±δt、基准送风湿度±δh)，在不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量。

本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法，通过基准冷却参数值包括基准送风速度、基准送风温度和基准送风湿度，设置对应的调控参数阈值范围，并在该阈值范围内选取操控参数，以构建储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量，有效的减少了计算量，简化了模型构建的效率，同时避免了不相关数据的干扰，间接提高了模型预测的精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，步骤s2具体可以包括：确定在时空耦合分布均匀性最高以及风机能耗量最低时的操控参数，并以操控参数作为所述最优调控参数。

本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法的目的是，通过构建储运载体内部的多物理场时空耦合分布预测模型，以获取对储运载体冷风机的运行状态、果品的堆栈方式、堆栈位置等进行调控的最优调控参数。在本发明实施例中，以时空耦合分布均匀性和风机能耗量最为衡量调控参数优劣的指标，将分布均匀性最高以及风机能耗量最低时操控参数作为所述最优调控参数。

作为可选地，可以根据实际需要设定分布均匀性的衡量权重以及风机能耗量的衡量权重，并根据权重的不同，获取调控参数的总评分，并根据评分的大小来进行最优调控参数的确定。

图2为本发明实施例提供的一种冷链环境与果品温湿度耦合感控系统的结构示意图，如图2所示，该系统主要包括多场耦合时空模拟模块1和最优调控参数运算模块2；其中，多场耦合时空模拟模块主要用于确定在不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量；最优调控参数运算模块主要用于根据时空耦合分布均匀性与风机能耗量，确定储运载体冷风机的最优调控参数。

具体地，多场耦合分布时空模拟模块1具体还用于构建储运载体微环境与堆栈果品的数字孪生体，通过设置网格化数字孪生体的边界条件，构建多物理场时空耦合分布预测模型。

上述多场耦合分布时空模拟模块1中还包括计算子模块，该计算子模块用于基于所构建的储运载体微环境多场耦合时空分布预测模型，计算基准冷却参数值上下一定范围内(如：基准送风速度±δv，基准送风温度±δt、基准送风湿度±δh)储运载体内部不同操控参数下储运载体内部风场、温度场、湿度场时空分布均匀性以及冷风机的能耗量。

最优调控参数运算模块2主要用于根据多场耦合分布均匀性与冷风机能耗量，利用计算获取反馈最优的冷风机调控参数设置(送风风速、温度、湿度)。

进一步地，如图3所示，本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控系统还包括优化模块3，所述优化模块3主要用于调节网格扭曲度以及果品呼吸强度、表面蒸发与冷凝强度，以提高所述多场耦合分布时空模拟模块1的模拟精度。

进一步地，本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控系统还包括人机交互模块4，用于接受用户输入的信息并发送至相应的模块，用户输入的信息包括环境与果品湿热扩散性系数、果品初始温湿度、冷风机位置、基准冷却参数值、基准参数变化范围(即：δv，δt、δh三个参数值)、储运载体空间尺寸、果品堆栈打包方式与尺寸、运输时间信息。

进一步地，本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控系统还包括冷风机调控模块5，用于根据获取的储运载体冷风机的最优调控参数对储运载体冷风机进行自动设置，包括送风风速、温度、湿度的设置。

本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法及系统，依据多物理场特别是果品温湿度场时空分布均匀性以及制冷机组能耗量，实现最优化的储运载体环境与果品品质调控，对实现品质与能耗的双重优化以及促进冷链物流降本增效具有重要工程应用价值与经济价值。

需要说明的是，本发明实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控系统，在具体运行时，可用于执行上述任一实施例中所述的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法，在此不作一一赘述。

图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(communicationsinterface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行如下方法：

s1，确定在不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量；

s2，根据时空耦合分布均匀性与风机能耗量，确定储运载体冷风机的最优调控参数。

此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的冷链环境与果品温湿度耦合感控方法，例如包括：

s1，确定在不同操控参数下，储运载体内部的多物理场时空耦合分布均匀性与风机能耗量；

s2，根据时空耦合分布均匀性与风机能耗量，确定储运载体冷风机的最优调控参数。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。