一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法、光环境调控方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法以及光环境调控方法。本发明专利技术同时提供一种商业化闭锁式叶菜生产系统。本发明专利技术以获得叶用蔬菜种植的最大利润为目的，提供商业化闭锁叶菜生产系统的光环境调控方法与装置，通过一系列的数学物理模型计算，通过优化方法确定合理光照强度，实现叶菜的高效集约化生产，具有极强的实用和推广价值。

Method for determining optimum illumination intensity in commercial closed type leafy vegetable production system, light environment regulation method and system

The invention relates to a method for determining the optimum illumination intensity in a commercial closed leaf vegetable production system and a method for controlling the light environment. The invention also provides a commercial closed leaf vegetable production system. The invention is to obtain the maximum profit for leaf vegetables planting for the purpose of providing light environment control method and device for commercial vegetable production system by blocking, the physical and mathematical model of a series of calculation, the optimization method to determine reasonable light intensity, high efficiency and intensive production of vegetables, with a strong practical value.

【技术实现步骤摘要】
一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法、光环境调控方法及系统
本专利技术涉及蔬菜高效清洁生产
，尤其涉及一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法、光环境调控方法及系统。
技术介绍
叶用蔬菜生长周期短、复种指数高，味道鲜美，深受广大消费者所喜爱。由于较高的复种指数经常导致病虫害爆发，为了保持高产，在蔬菜种植过程中不得不使用大量农药，一方面造成了蔬菜品质的恶化，另一方面农药残留也给市民的健康带来危害。随着生活水平的提高，人们对叶用蔬菜的品质要求越来越高。闭锁式叶菜生产系统，是在完全封闭隔绝的环境中进行叶用蔬菜的生产，蔬菜生长所需的水、肥、光、气、热、完全由人工提供，将生产系统内部与外部的物质和能量的交换减少到最低。一方面封闭隔绝的栽培环境有利于防范致病微生物和害虫的进入，从源头上遏制了作物发生病虫害的发生，减少了农药的喷施，为无公害清洁蔬菜的生产创造了条件，同时还可以将温室内部环境的二氧化碳浓度、温度、湿度、光照控制在最优的范围内，是光合作用达到最大，作物产量显著增加。因此，闭锁式叶菜生产系统在无公害蔬菜生产方面具有广泛的应用前景。目前，在闭锁式叶菜生产模式下，蔬菜光合光作用所需的光源由荧光灯、LED等人工光源来提供，栽培系统的温度用空调进行控制，为作物创造了最优的光温环境。然而，在闭锁式蔬菜生产系统人工光源和空调系统的运行成本占到闭锁式蔬菜生产系统运行成本的90％以上。在闭锁式叶菜生产系统中可以通过增加叶菜生产系统的绝热性来减少外界环境变化对蔬菜生产的影响，进而降低温控系统的运行成本。LED照明技术的应用使光能的转化效率大大提高，但人工光源的能耗仍占总能耗的55％以上。因此，能耗高、效益低一直以来是制约商业化闭锁叶菜生产模式推广应用的主要瓶颈。有鉴于此，如何对闭锁式叶菜生产系统的光环境进行优化，合理降低闭锁式叶菜生产系统的光照能耗，实现商业化闭锁叶菜生产效益的最大化，成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术以获得叶用蔬菜种植的最大利润为目的，提供商业化闭锁叶菜生产系统的光环境调控方法与装置，通过一系列的数学物理模型计算，通过优化方法确定合理光照强度，实现叶菜的高效集约化生产。具体而言，本专利技术提供了一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法，该方法包括以下步骤：S1、获取商业化闭锁叶菜生产系统中拟种植叶用蔬菜的市场销售价格P；S2、设所述生产系统中的光照强度为Li；设蔬菜种植天数为j，且j＝1,2,3……h-1,h；按照公式I逐日计算自种植日j＝1起至收获日j＝h所述蔬菜的每日有效产量，所得第h天蔬菜的有效产量YLi，h即为收获时蔬菜的有效产量Y(Li)；所述公式I中，YLi，j代表光照强度Li条件下第j天蔬菜的有效产量；YLi，j-1代表光照强度Li条件下第j-1天蔬菜的有效产量，当j＝1时，所述YLi，j-1＝0；ΔYLi，j代表光照强度Li条件下自第j-1天至第j天蔬菜有效产量的日增加量；所述ΔYLi，j通过公式II计算得到：ΔYLi,j＝(WA-WAWP×{VPDj-1})(PARLi)(1-0.4+0.2×HUIj)II；所述公式II中，WA代表所述蔬菜通过光合作用辐射能转化为生物能的转化系数；WAWP代表水汽压亏缺指数；VPDj代表第j天所述生产系统中的实际水汽压；HUIj代表第j天的热量单元系数；PARLi代表光照强度Li条件下所述蔬菜的冠层可截获光合有效辐射的最大值；公式II中所述HUIj采用公式III进行计算：所述公式III中，Tk代表第k天所述生产系统中的实际温度，且k＝1,2,3……j-1,j；Tb代表所述蔬菜生长的基点温度；PHT代表所述蔬菜成熟所需的最大热量单元；当j＝1时，所述热量单元系数HUIj的值取0；当j＝h时，所述热量单元系数HUIj的值取1；公式II中所述PARLi采用公式IV进行计算：PARLi＝0.5LLi[1-exp(-0.65LAIj)]IV；所述公式IV中，LLi代表所述生产系统中光源的辐射强度，LAIj代表第j天所述蔬菜的叶面积指数；所述LAIj采用公式V～VII进行计算：LAIj＝LAIj-1+ΔLAIjV；ΔLAIj＝(HUFj-HUFj-1)(LAImax)(1-exp[5(LAIj-1-LAImax)])jVI；所述公式V中，LAIj-1为第j-1天蔬菜叶面积指数，；ΔLAIj为自第j-1天至第j天所述蔬菜叶面积指数的日增加量；所述公式VI中，LAImax为(在最优环境条件下)自种植日至收获日所述蔬菜叶面积指数所能达到的最大值；HUFj代表第j天的热量单元因子；HUFj-1代表第j-1天的热量单元因子；所述公式VII中，ah1为蔬菜叶面积变化曲线第一控制点参数和ah2为为蔬菜叶面积变化曲线第二控制点参数；HUIj采用公式III进行计算；S3、设所述Li＝Lc,Lc+ΔL,Lc+2ΔL,……Lc+(n-1)ΔL,Lc+nΔL；其中，LC为所述蔬菜的光补偿点；ΔL为5～15W/m2；n为正整数且Lc+nΔL≤LS，所述LS为所述蔬菜的光饱和点；将上述Li的各取值代入步骤S2所得收获时蔬菜的有效产量Y(Li)以及系统耗电成本E(Li)中；所述E(Li)＝PE×αe×Li，其中PE为电能的价格，αe为能耗系数，即人工光源的光照强度与消耗电能的比值；设通过增加光照强度在收获时蔬菜的有效产量增加值ΔY(ΔL)＝Y(Lc+nΔL)-Y(Lc+(n-1)ΔL)，因光照强度增加(即人工光源电能投入增加)而导致的系统耗电成本增加值ΔE(ΔL)＝E(Lc+nΔL)-E(Lc+(n-1)ΔL)，则净收益增加值ΔNP＝P×ΔY(ΔL)-ΔE(ΔL)；求出所述净收益增加值最接近0时的n值，即no，则所述生产系统中最优光照强度Lo＝Lc+no×ΔL。本专利技术所述拟种植叶用蔬菜的市场销售价格P通过市场调研获取。其中，所述ah1和ah2均可根据预实验的结果通过常规的参数优化方法获得。作为一种优选方案，所述Tb为3～7℃；所述PHT为1800～2200℃。本专利技术同时提供一种商业化闭锁式叶菜生产系统的光环境调控方法，该方法采用上述方法确定所述生产系统中的最优光照强度，并将所述生产系统中的光照强度值调节至所述最优光照强度值，在所述最优光照强度值条件下种植蔬菜。所述方法的流程示意图可参考图1。本专利技术同时提供一种商业化闭锁式叶菜生产系统，包括：光照传感器单元、光照强度优化决策单元、光照强度控制单元和光照强度执行单元；所述光照强度优化决策单元采用上述方法确定所述生产系统中的最优光照强度；所述光照传感器单元通过光照强度采集信息传递通路与所述光照强度控制单元相连；所述光照强度优化决策单元通过光照强度优化信息传递通路与所述光照强度控制单元相连；所述光照强度控制单元通过光照强度调节通路与所述光照强度执行单元相连。本专利技术优选所述光照传感器单元由平均分布于栽培区域内的多个光照传感器组成。本专利技术进一步优选所述光照传感器单元由三组光照传感器组成，所述三组传感器分别安装在栽培区内的两个边缘栽培行和中间栽培行；每组包括3个传感器，分别安装在每行的两端和中间。本专利技术提供的商业化闭锁叶菜生产系统的光环境调控方法与装置，一方面将商业化闭锁式蔬菜生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取商业化闭锁叶菜生产系统中拟种植叶用蔬菜的市场销售价格P；S2、设所述生产系统中的光照强度为L

【技术特征摘要】
1.一种商业化闭锁式叶菜生产系统中最优光照强度的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取商业化闭锁叶菜生产系统中拟种植叶用蔬菜的市场销售价格P；S2、设所述生产系统中的光照强度为Li；设蔬菜种植天数为j，且j＝1,2,3……h-1,h；按照公式I逐日计算自种植日j＝1起至收获日j＝h所述蔬菜的每日有效产量，所得第h天蔬菜的有效产量YLi，h即为收获时蔬菜的有效产量Y(Li)；所述公式I中，YLi，j代表光照强度Li条件下第j天蔬菜的有效产量；YLi，j-1代表光照强度Li条件下第j-1天蔬菜的有效产量，当j＝1时，所述YLi，j-1＝0；ΔYLi，j代表光照强度Li条件下自第j-1天至第j天蔬菜有效产量的日增加量；所述ΔYLi，j通过公式II计算得到：ΔYLi,j＝(WA-WAWP×{VPDj-1})(PARLi)(1-0.4+0.2×HUIj)II；所述公式II中，WA代表所述蔬菜通过光合作用辐射能转化为生物能的转化系数；WAWP代表水汽压亏缺指数；VPDj代表第j天所述生产系统中的实际水汽压；HUIj代表第j天的热量单元系数；PARLi代表光照强度Li条件下所述蔬菜的冠层可截获光合有效辐射的最大值；公式II中所述HUIj采用公式III进行计算：所述公式III中，Tk代表第k天所述生产系统中的实际温度，且k＝1,2,3……j-1,j；Tb代表所述蔬菜生长的基点温度；PHT代表所述蔬菜成熟所需的最大热量单元；当j＝1时，所述热量单元系数HUIj的值取0；当j＝h时，所述热量单元系数HUIj的值取1；公式II中所述PARLi采用公式IV进行计算：PARLi＝0.5LLi[1-exp(-0.65LAIj)]IV；所述公式IV中，LLi代表所述生产系统中光源的辐射强度，LAIj代表第j天所述蔬菜的叶面积指数；所述LAIj采用公式V～VII进行计算：LAIj＝LAIj-1+ΔLAIjV；ΔLAIj＝(HUFj-HUFj-1)(LAImax)(1-exp[5(LAIj-1-LAImax)])jVI；所述公式V中，LAIj-1为第j-1天蔬菜叶面积指数；ΔLAIj为自第j-1天至第j天所述蔬菜叶面积指数的日增加量；所述公式VI中，LAImax为自种植日至收获日所述蔬菜叶面积指数所能达到的最大值；HUFj代表第j天的热...

【专利技术属性】
技术研发人员：王利春，郭文忠，陈晓丽，薛绪掌，徐凡，余礼根，孙维拓，
申请(专利权)人：农芯科技北京有限责任公司，北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11