作物生长过程模拟模型与形态三维可视化关键技术研究

针对作物产量形成、品种适应性分析的数字化解析和可视化表达需求,以提高作物模拟模型的时效性、协同性和真实感为目标,结合物联网技术与作物模拟模型,进行了田间数据实时采集;应用多智能体技术进行了作物协同模拟方法研究与框架设计;开展了作物生长过程模拟模型及基于作物模型的形态三维可视化关键技术研究,以小麦作物为例,进行了田间试验,阐述了小麦三维形态模拟可视化系统的设计实现并进行了试验验证;构建了Logistic方程模拟小麦叶长、最大叶宽、叶片高度、株高等的生长变化,采用基于曲线、曲面的参数化建模方法和3D图形库OpenGL构造了小麦器官几何模型。结果表明小麦叶长、最大叶宽、叶片高度和株高模拟模型R ²值在0.772~0.999之间,回归方程的F值在10.153~4359.236之间,且Sig.小于显著水平0.05,模型显著性较好,模型的拟合度较高。本研究将作物模拟模型结果和形态结构模型有效结合,实现了以小麦为代表的作物在不同管理措施条件下的生长过程形态三维可视化表达,为作物生产数字化系统应用提供了更有效的途径,该技术体系与方法同样适用于玉米、水稻等作物。     

草地贪夜蛾种群性诱测报方法研究

草地贪夜蛾已经成为中国农业生产的重大害虫,准确地预测预报是指导防治的基础。本研究采用国产草地贪夜蛾性诱剂诱陷多测试了3种不同类型诱捕器对草地贪夜蛾的田间诱捕效果。结果表明,诱陷多有效期可达60 d以上,3种诱捕器中以桶型诱捕器诱捕量最高。实验室研究显示,不同日龄草地贪夜蛾雄虫精巢长轴长度有显著性差异,精巢长轴长度随日龄增加不断减小。据此规律,制定了按照精巢长轴大小判断雄蛾日龄的指标,并反演重构了田间雌、雄虫种群羽化的动态曲线。本研究表明,可以利用性诱到的雄虫的精巢发育状况推算田间种群的年龄结构,进而达到通过预测雌虫产卵与幼虫孵化动态指导防治的目的。     

仿人机器人头部设计与目标跟踪运动控制

针对仿人机器人视觉目标跟踪任务需求,设计了一种高精度、灵巧型仿人机器人头部系统,构建了视觉感知模块与3自由度机械臂运动机构。利用虚拟连杆方法对仿人机器人头部进行运动学建模,将目标跟踪问题转换为机械臂的运动学逆解问题,通过计算机构可操作度与条件数,显示机器人头部对目标跟踪任务具有良好的运动学灵活性。在此基础上,基于梯度投影法建立了目标跟踪运动学逆解与规避关节极限位置的同步优化算式,并针对视觉测量系统带宽较窄、容易造成较大跟踪误差的问题,提出了在两次视觉测量间隔内用轨迹预测的方法获得目标位置的估计值,以提高跟踪精度。仿真与实验结果表明,在测量盲区内采用轨迹预测方法,可将跟踪精度提高约80%,实现高精度目标跟踪。所提出的仿人机器人头部及控制方法,对动态目标具有良好的跟踪性能。     

二次聚类与神经网络结合的日光温室温度二步预测方法

精确预测日光温室温度是实现对温室精准调控的前提。由于温室是复杂非线性系统，受室内外众多环境因素影响，且部分因素难以准确测量和建模，因此，难以通过机理分析建立室外因素精确影响室内温度的物理模型。而现有时间序列分析、人工神经网络等仅基于数据的方法预测准确度也较低。本文提出连续时间段聚类与BP神经网络相结合的二步日光温室温度预测方法。首先，进行二次聚类，对室外温度情况相似的日进行聚类，并将全年划分为若干个类似时间段，根据连续时间段内相似日的数量进行聚类，将全年内的连续时间段归入若干类别。其次，对不同类别的时间段，分别采用BP神经网络建立室外温度、相对湿度、太阳辐射、风速和温室室内温度间的关联模型，通过数据训练，能够较为准确的根据室外环境数据预测室内温度。通过涿州实验农场2年数据试验验证，通过二次聚类，全年连续时间段可划分为3类，通过分别建立BP神经网络并分别训练，结果表明本方法预测误差仅为6.23%，与现有未分类的BP神经网络预测算法对比，本文方法有效地提高了准确度，平均误差降低5.4个百分点。     

基于BEPS模型的雨养冬小麦农田土壤水分动态模拟

北部生态系统生产力模拟(BEPS,Boreal Ecosystem Productivity Simulator)模型能够模拟不同生态系统碳水循环过程,并通过气孔导度将二者有机地结合,在土壤水分模拟上具有更大的优势。为了使BEPS模型适用于较小空间尺度的雨养冬小麦农田生态系统的土壤水分模拟,根据冬小麦的降水截留过程、冠层的辐射传输过程、根系分布规律和区域土壤水文参数的获取方法对BEPS模型的水平衡模块进行参数方案调整。在此基础上,基于实现BEPS模型与遥感反演的农田土壤水分数据同化的目的,利用经上述调整方案后的BEPS模型,对郑州农业气象试验站2011—2015年冬小麦生长季的农田土壤水分进行动态模拟,并用观测数据进行验证。结果表明,调整后的BEPS模型能够较好地模拟雨养冬小麦农田土壤水分及动态变化,决定系数R2可达0.70以上,平均相对误差MRE总体低于25.0%,但对底层模拟能力较差;在以旬为步长条件下,拔节前模拟效果优于拔节后;土壤水文参数是影响模型模拟土壤水分垂直交换和分布的主要因素,可通过优化进一步提高土壤水分模拟能力。     

黑龙江干流水质评价与预测

为探究黑龙江干流水质对居民生活和农业灌溉用水的影响,选择溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮和p H四项监测指标作为研究对象,对漠河北极村、大兴安岭呼玛、黑河和伊春嘉荫四个断面过去一年每周水质监测数据进行预处理,运用物元综合评价模型,对黑龙江干流水质做出综合评价。然后根据监测结果,采用灰色预测模型对相应地区未来26周的各项监测指标进行预测。结果表明:漠河北极村、大兴安岭呼玛断面水质主要为Ⅰ类和Ⅱ类,黑河断面水质主要为Ⅱ类和Ⅲ类,伊春嘉荫断面水质主要呈Ⅰ类和Ⅲ类。漠河北极村、大兴安岭呼玛断面未来26周水质较好,黑河断面高锰酸盐浓度较高,伊春嘉荫断面高锰酸盐与氨氮浓度均较高。研究表明:黑龙江干流水质基本可以满足居民生活和农业灌溉用水需要,运用物元分析法和灰色预测模型对水质进行评价及预测是可行的。     

农用运输车用液力缓速器的设计与仿真分析

为解决农用运输车长时间制动造成的热衰退问题,参考THB40液力缓速器,基于相似理论设计了一款液力缓速器。计算确定了其设计制动力矩值和定转子叶轮参数,运用Pro/E构建了其三维结构,并在CFX14.5平台上以SST-kω湍流模型进行仿真计算。结果表明:制动力矩符合设计要求,流场的特征与THB40流场特征高度一致,为设计适合农用车用液力缓速器提供了借鉴。     

RCPs气候情景下三江平原典型流域耕地动态模拟

选取三江平原典型流域挠力河流域为研究区,以1990、2002和2014年3期Landsat影像、DEM数据和社会经济统计资料等多源数据为基本信息源,结合3S技术,运用FLUS模型定量模拟代表性浓度路径情景系列(RCPs)下耕地动态变化特征。结果表明:24 a间挠力河流域的旱地面积变化幅度较小,水田面积持续增加,1990—2002年水田扩张剧烈,2002—2014年扩张速度趋于缓和;3个时点的旱地均沿东北-西南轴方向进行分布,主轴沿顺时针缓慢旋转,空间变化稳定,分布范围逐渐减小。水田沿东北-西南走向分布,1990—2002年其主轴逆时针旋转,后顺时针旋转至45.31°,整体分布较为离散,极化特征不明显;通过对比不同空间分辨率及时间尺度下模拟精度,确定最优模拟空间分辨率为200 m,最优模拟时间点为2038年;MESSAGE气候模式下,未来挠力河流域的旱地面积先减少后增加,水田继续维持扩张态势,2029年后面积将以2%速度逐年下降,其分布将更加聚集,主轴沿顺时针旋转,重心逐渐向东北方向进行偏移;AIM气候模式下,气候波动对水田的影响程度大于旱地,旱地面积持续缓慢增加,水田面积在波动中下降,空间分布的极化特征突出。     

冻融土壤Philip入渗模型参数的非线性传输函数模型研究

为满足季节性冻土地区越冬期间储水灌溉管理的需求,基于山西省汾河灌区季节性冻土的冬季大田土壤水分入渗试验,得到了120组Philip入渗模型参数实测样本,借助MATLAB软件,建立了以土壤温度、有机质质量分数、土壤含水率、土壤体积质量、物理性黏粒量为输入因子、以Philip入渗模型参数吸渗率和稳渗率为输出因子的多元非线性传输函数模型,并用实测资料对该模型进行了精度检验。结果表明,预测参数的相对误差均小于11%,预报精度在可接受范围之内。     

聚脲喷枪混合室的设计和FLUENT仿真分析

为提高聚脲喷涂喷枪的混合效果，基于撞击流理论设计了一种新型聚脲喷涂喷枪的混合室。混合室采用两级撞击混合，分别采用两组T型和两组Y型对撞混合形式。利用SolidWorks设计混合室的结构模型后，利用FLUENT软件，采用冷、热水在混合室内撞击混合、对流传热的方法进行仿真模拟，并且计算了流体在混合室内的微观混合时间。结果表明:合理增加撞击流混合室的混合级数和采用多组T型、Y型对撞混合形式可增益混合效果；撞击流混合室的主要混合区是在撞击区；流体在喷枪内停留的总时间约为5.71 ms，满足具有反应迅速这一特性的材料的混合要求；微观混合时间小于1 ms，混合效果优异。