遗传算法优化人工神经网络模型在日光温室湿度预报中的应用

提出一种基于遗传算法优化BP神经网络的方法预测日光温室湿度环境因子。实测日光温室内影响空气湿度的环境因子组成数据样本作为神经网络的输入,采用基于实数编码的遗传算法替代随机设定神经网络的初始权阈值,然后通过改进的BP算法在由遗传算法确定的搜索空间中对网络进行精确训练。模型预报值和实测值基于1：1线的决定系数R2和预测平均相对误差MSE分别为0.9857和3．1％。结果表明,遗传算法优化BP神经网络预报模型收敛速度快、预测精度高。可为日光温室的湿度环境调控制提供理论依据和决策支持。     

日光温室冬季环境因子变化关系研究

在日光温室冬季栽培条件下,利用温室智能监控系统,自动监测记录温室内外空气温度、光照强度、空气湿度,温室内CO_2浓度、土壤温度、土壤水分,研究各环境因子日变化规律及温室内环境因子与外界环境因子关系。结果表明,温室内外各环境因子间日变化联系紧密;除土壤温度和土壤水分外,其他各环境因子彼此之间都具有极显著相关性;温室内外光照、温室内外温度彼此之间呈极显著正相关,曲线呈不规则的"n"形,并与温室内外湿度、温室内CO_2浓度呈极显著负相关,日变化呈不规则的"u"形;土壤水分日变化较小,有一个趋同土壤温度变化的微弱变化;温室内环境变化与温室外环境变化联系紧密,温室内温度变化是温室外温光条件共同影响的结果,土壤温度受外界环境温度影响最大,温室内光照与温室外光照紧密联系。     

上海春季蟠桃温室内气温变化特征及低温预报

为提高上海市金山区设施农业气象服务水平,减轻春季低温冻害对温室内‘玉露’蟠桃授粉的影响,利用2015—2017年春季蟠桃温室内外气象观测资料对春季棚内气温影响特征进行分析研究,采用多元线性回归和逐步回归分析方法建立3种典型天气类型下蟠桃温室内日最低气温预报模型。结果表明,晴天和多云天气下温室内气温有明显日变化特征,阴雨天温室内的平均气温偏低、湿度偏大,严重影响蟠桃的春季授粉率。蟠桃温室内的最低气温与温室内前一天的小气候因子有较好的相关性,提取前一天温室内最低、最高气温和棚外最低气温3个主要气象因子,尝试采用2015—2016年气象数据建立春季温室内不同天气状况下的日最低气温预报模型,并利用2017年的春季气象资料对三种天气下预报模型进行验证,整个春季蟠桃温室内日最低气温预报平均绝对误差在1.56℃,平均相对误差18%,均方根误差4.97℃,其中对阴雨天的日最低气温预报效果最好。该研究结果可为设施农业环境调控及小气候预报提供支持。     

日光温室内小气候环境各因子间量化关系研究

掌握日光温室内小气候环境各因子之间的定量关系,对于有效调控温室内小气候的平衡,促进蔬菜健壮生长有着积极的意义。以历年日光温室内小气候监测数据为基础,研究不同季节温室内温度、湿度、接受到的太阳辐射等各因子之间的量化关系。结果表明,日光温室内日最高气温、日最小相对湿度、接受到的日最大太阳辐射三者之间均有较高的相关性,在冬季相关性最好,秋季次之,春季相关性较差。在秋季和春季,要使温室内日最高气温达到20℃,则温室内接受到的日最大太阳辐射需要在100 W/m²以上,而在冬季则需要在250 W/m²以上;接受到的日最大太阳辐射在250 W/m²以下时,温室内日最高气温在10℃以下的几率为9%。在冬季,温室内日最高气温在20℃以下,同时日最小相对湿度在90%以上所占比例为20%,在秋季和春季,温室内接受到的日最大太阳辐射分别在420 W/m²和500 W/m²以上时,温室内日最小空气相对湿度就有可能下降到40%以下。     

厚墙体日光温室气温变化特征及预测方法研究

为探求内蒙古高寒地区日光温室小气候变化特征及预测预报方法,利用内蒙古赤峰市宁城县2012-2013 年度春、秋、冬季日光温室内外气温资料,分析不同季节（春季、秋季、冬季）、不同天气条件（晴天、阴天）、一日内不同时段（白天、夜间）温室内气温变化特征和增温保温效应及温室内气温的变化与一日时间变化、室外气温的相关性,在此基础上,建立了温室气温日变化及最低气温的预测模型,并对模型的准确率进行了验证。结果表明：模型拟合的准确率较高,可为厚墙体日光温室气象服务提供技术支撑。     

上海春季蟠桃大棚温室内气温变化特征及低温预报

为提高上海市金山区设施农业气象服务水平,减轻春季低温冻害对温室内‘玉露’蟠桃授粉的影响,利用2015—2017年春季蟠桃温室内外气象观测资料对春季棚内气温影响特征进行分析研究,采用多元线性回归和逐步回归的分析方法建立3种典型天气类型下蟠桃温室内最低气温预报模型。结果表明,晴天和多云天气下温室内气温呈现明显日变化特征,阴雨天温室内的平均气温偏低、湿度偏大,严重影响蟠桃的春季授粉率。蟠桃温室内的最低气温与温室内前一天的小气候因子有较好的相关性,提取前一天温室内最低、最高气温和棚外最低气温3个主要气象因子,尝试采用2015—2016年气象数据建立春季温室内不同天气状况下的最低气温预报模型,并利用2017年的春季气象资料对3种天气下预报模型进行验证,整个春季蟠桃温室内最低气温预报平均绝对误差在1.56℃,平均相对误差18%,均方根误差4.97℃,其中对阴雨天的最低气温预报效果最好。该研究结果可为设施农业环境调控及小气候预报提供支持。     

西宁冬季日光温室气温变化规律研究

利用青海省大通县日光节能温室的小气候观测数据和同期气象站资料,系统研究日光温室内外温度的变化特征,建立基于逐步回归方法的温室内最高和最低气温预报模型。结果表明：（1）不同天况下温室内气温的日变化规律均呈“单峰”型,且变化幅度为：晴天＞多云＞阴天;（2）不同天况下温室内日最高和最低温度明显高于室外最高和最低温度;（3）相关分析表明,温室内日最高温度和日最低温度与日照百分率的相关性最高,与10 cm地温的相关性最低;（4）建立的模型能较好地预测不同天气条件下温室内最高和最低温度,多云和阴天天气下的模拟效果优于晴天。研究结果为高寒冷地区生产避开低温冷（冻）害,掌握冬季绿叶菜的适播期,及时播种提供决策依据。     

宁夏灌区日光温室内气温变化规律与最低气温预测模式

为了提高日光温室的气象服务水平和能力,利用引黄灌区的日光温室内气温和当地气象台站的常规气象观测资料,开展了温室内气温的变化特征和温室内最低气温预测方法研究。结果表明,不同天气条件下的温室内气温日变化规律存在明显差异;温室内的日最高气温时间分布较为集中,主要出现在每日的12:00—15:00,而日最低气温主要出现在每日的7:00—9:00;温室内、外的最低气温呈现明显的线性关系,据此建立了温室内最低气温的线性回归方程,历史回代检验表明方程的预报绝对误差绝大多数在3℃以内,精度较好。研究结果可为温室的气象保障服务提供技术支持。     

高寒冷凉地区日光温室CO2浓度变化规律

为了解高寒冷凉地区日光温室内CO2浓度变化特征,预报温室内CO2浓度,调控温室内CO2浓度提供依据,根据2012年4月一2013年3月大通县国家现代农业示范园区节能日光温室内CO2浓度、温室内外气象要素观测资料,及大通县气象观测数据,分析高寒冷凉地区不同天气类型下日光温室CO2浓度变化规律。结果表明,试验期间CO2浓度在184~577mg／kg之间,日平均值为383mg／kg,日平均和最小值均呈极显著上升态势;不论何种天气类型,日光温室CO：浓度日变化均呈“u”型曲线,作物生长的旺盛期,自然通风无法避免CO2亏缺;CO2浓度最小值多云天与日地表温度最大值之间的相关性最好,晴天和阴天与日平均温度间的相关性最佳;除2013年3月外,各月均出现CO2亏缺现象,CO2亏缺时长与日C02浓度最小值间存在二次曲线关系。     

基于物联网的日光温室环境监测在线校准

温室环境条件特别是温度对于作物生长和发育具有十分显著的影响。日光温室调控的主要环境因子之一是温度。然而,自然环境下的光照对温度产生作用,影响空气温度的监测精度。采用机器学习中的支持向量机算法(SVM),对日光温室内的温度智能监测算法进行了研究,根据光照情况对实时监测的温度数据进行校准。通过与实验测量的数据进行对比分析,结果表明：所提出的监测方法可以较为准确地实时监测空气温度,从而无需使用隔热材料或者遮阳处理,就可以基于监测的数据更精确地对相应的环境因素进行调节。基于该方法,可采用常用的工业设备实现温室大棚内实时温度数据的监测,既可以节约设备和人力成本,又可以为温室控制提供准确的数据。     

日光温室小气候要素预报模型研究

了解日光温室小气候要素变化规律,建立小气候要素预报模型,可以对日光温室资源合理开发,为日光温室小气候调控提供依据。应用辽宁省沈阳市东陵区日光温室暖棚内农田小气候观测仪采集的逐小时气温、相对湿度数据,将冬季、春季、秋季和晴天、多云、阴天几种情况进行组合,计算棚内日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度,分析其变化规律,并利用自动气象观测站数据,建立基于逐步回归方法的预报模型。分析结果表明,日光温室内日最高气温和日最低气温呈现春季、秋季温度值接近,冬季明显低于春秋两季的特征;而冬季日平均相对湿度高于春秋两季。日最高气温具有显著的从晴天至多云至阴天减少的变化特征,日最低气温特征不如日最高气温明显;日平均相对湿度为从晴天至多云至阴天增加的变化特征。所建立的日光温室小气候要素逐步回归预报模型,均通过了显著性检验,相关系数为0.608~0.933,相对误差范围为0.1%~19.0%,相对误差平均值为2.7%~9.9%。     

基于BP神经网络的冬季日光温室小气候模拟

为了系统分析日光温室内外气候特征的关系,向日光温室作物环境调控及小气候预报提供支持,根据冬季日光温室内小气候观测试验资料和附近气象站观测资料,利用BP神经网络方法建立3个模型,分别对3种不同天气状况下石家庄地区日光温室冬季小气候特征进行模拟。结果表明,3个模型气温训练值与实测值的均方根误差(RMSE)都在2℃以内,决定系数都在0.95以上;相对湿度训练值的RMSE都在2个百分点以内,决定系数均高于0.95;接受到的太阳辐射的训练值与实测值的RMSE都在16 W/m2以内,决定系数也均超过0.95。利用此模型得到的气温预测值与实测值的RMSE都在2℃以内,决定系数都在0.9以上;相对湿度预测值与实测值的RMSE都在4个百分点以内,晴天和少云-多云状况下决定系数均高于0.9,寡照状况下的决定系数略低,约为0.8;接受到的太阳辐射的预测值与实测值的RMSE都在26 W/m2以内,决定系数均超过0.95。说明所建BP神经网络模型对于不同天气状况下石家庄地区日光温室冬季小气候特征模拟都有较高的精度,可以用于预测。     

不同年型下日光温室内小气候差异

为了研究不同年型下日光温室内小气候的差异及对蔬菜生长发育需要的满足情况,实现对日光温室有目的地科学管理,笔者基于偏暖年型和偏冷年型下日光温室内小气候资料,结合黄瓜生长发育所需要的气象条件,对比分析2种年型下日光温室内在温度、光照和空气相对湿度方面的差异。结果表明,偏暖年型下日光温室内的适宜温度出现的时间较长,日照相对充足,但发生热害的风险更大,温室管理应重点预防热害;偏冷年型下日光温室内的热量远不能满足黄瓜生长发育需要,尤其是冬季,存在发生冷害或冻害的风险,温室管理应以预防低温冷害或冻害为重点。     

塑料大棚小气候特征及预报模型的研究

为揭示塑料大棚室内气象要素季节变化和日变化规律,建立一个适合本地的塑料大棚小气候预报模型,本研究以浙江省慈溪市草莓塑料大棚为研究对象,收集2007年12月-2008年4月大棚内外气象数据,系统研究温室内外温度、湿度的季节变化和日变化特征,分析室内与室外的最高、最低气温的关系。研究表明,室内的气温、相对湿度明显高于室外,室内与室外的最高温度相差5~10℃,最低温度相差3~6℃。室内空气温度与相对湿度成线性负相关。在此基础上,建立基于逐步回归方法的温室内空气温度预报模型,并利用独立数据检验,结果表明模型对冬季和春季的逐时气温预报值与实测值基于1:1线的决定系数（R2）分别为0.912、0.887;标准回归统计误差（RMSE）分别为2.3℃和2.7℃,该研究结果可为慈溪市设施农业环境调控及小气候预报提供支持。     

日光温室葡萄架下灰树花种植可行性研究

为提高日光温室空间和地面的利用率,探讨日光温室葡萄架下种植灰树花(Grifola frondosa)的可行性。3 月初,在日光温室葡萄架下每隔10 天种植灰树花,以温湿度实时记录仪、干燥称重法、凯氏定氮法等方法对4 个播期的环境参数、灰树花理化性状及产量进行研究。结果表明,3—6 月葡萄叶幕层的日均温度在15~28℃,湿度在32%~84%。距栽培床面上20 cm处温度在13~28℃,湿度维持在55%~95%;距栽培床面下10 cm处温度在15~26℃。葡萄与灰树花对温湿度要求范围可以于春夏季节在温室内达成一致,葡萄生长的变温范围较好地满足了灰树花结实的温度要求。灰树花菌棒覆土后,菌棒基质含水量在50%~57%,pH值偏酸性,EC值在原基形成后升高,碳氮比逐渐下降至出菇结束的(36~38):1。基质中纤维素酶、木聚糖酶活性在原基形成期最高,漆酶活性在子实体生长期最高,淀粉酶活性在菌丝生长前期最高,子实体生长过程中降低,成熟后上升。日光温室葡萄架下3 月初播种灰树花,生物学效率可达40%,与仿野生栽培模式的生物学效率相近。     

日光温室气温变化及其影响因子分析

为了深入理解农村日光温室生产与气象要素的关系,并提供基层设施农业气象服务关键的科技支撑,基于锦州日光温室观测数据,分析了日光温室气温的旬变化特征和日变化特征,及其与外界气温和长波辐射的关系。结果表明：非生长季日光温室旬平均气温不呈显著的变化规律,日平均气温呈现显著的变化规律,最高为午后2点,最低为早晨8点。日光温室气温变化主要受温室地面长波辐射和外界气温影响,非生长季气温显著升高,可能有利于设施农业的发展。日照时数减少,导致温室内气温下降,但就近60年的变化程度,日照时数的变化程度不足以限制农村设施农业日光温室的发展。因此,短期的低温寡照将成为日光温室发展的关键因子。     

不同设施栽培韭菜韭蛆的发生规律及其影响的环境因素

冬季设施栽培韭菜已成为北方韭菜生产的主要模式。为明确冬季不同设施栽培韭菜韭蛆的发生规律,并探究影响其发生的主要环境因素,系统调查了山东地区冬季3种主要的设施栽培韭菜韭蛆的周年发生动态,同时监测了环境温湿度的变化,分析其与韭蛆发生的关系。结果表明,冬季韭蛆在小拱棚、中型拱棚和日光温室韭菜中,发生规律存在较大的差异。在小拱棚中,韭蛆危害最轻,仅扣棚初(12月中下旬)越冬幼虫复苏形成1个危害高峰;中型拱棚韭蛆危害次之,除扣棚初越冬幼虫危害外,2月底为1代幼虫危害盛期;日光温室中,自扣棚后韭蛆每月可发生1代,为害最为严重。设施韭菜掀棚后进入露地养根期,春秋季韭蛆危害较重。棚内温湿度监测结果显示,5 cm土壤温度日光温室中型拱棚小拱棚,温度是影响不同设施条件下韭蛆发生危害差异的重要因素;土壤湿度基本可满足韭蛆正常的生长发育。研究为山东地区不同设施栽培韭菜韭蛆的发生预测及防治提供理论支持。     

Spatial Multi-scale Relative Humidity Values for Concrete Structures

According to the spatial features of environmental actions, on the basis of the spatial multi-scale model framework (including the global environment, regional environment, engineering environment, surface environment and internal environment of concrete) and the mathematic model for environmental actions, the spatial multi-scale relative humidity values for concrete structures were studied. That is, based on the influential factors of relative humidity on the different spatial scales, the relative humidity values in concrete were deduced by adjustment step by step from the values on the global environment to the regional environment, the engineering environment and the surface environment of concrete. It was found that using the superposition method of conventional statistic model and spatial residual error, the quantitive relationship of relative humidity values in the regional environmental scale and the engineering environmental scale can be established effectively. Moreover, the relative humidity values on the surface of concrete structural elements are related with the temperature values on the surface of concrete structural elements, and the difference of relative humidity values between the surface and the inner part of concrete should be considered in the durability assessment of concrete structures.     

温室环境进化RBF网络控制模型的研究

温室环境模型是制定控制策略、优化控制方法的重要基础。采用径向基网络构建北方地区的温室环境控制模型,以温室内的温度和湿度为输出,采用进化策略(ES)优选网络中心,简化网络结构,并与OLS算法进行性能对比。试验结果表明：进化RBF网络具有更小的网络结构,并在逼近能力和泛化能力上优于OLS算法。该模型为设计北方温室环境控制方案和结构奠定了良好基础。