基于全局敏感性分析和贝叶斯方法的WOFOST作物模型参数优化

作物模型参数的敏感性分析、标定和验证可以提高模型的效率和精准度,进而为模型应用做好准备工作。该研究结合参数全局敏感性分析方法以及贝叶斯后验估计理论的马尔科夫蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)方法,以华北栾城站三年的冬小麦观测数据(叶面积和地上生物量)为参照,对WOFOST模型的55个品种参数进行了敏感性分析、筛选和优化。发现:1)对叶面积影响较大的参数为:生育期为0、0.5、0.6和0.75时的比叶面积、生育期为1.5时的最大光合速率、叶面积指数最大增长率;对地上干物质影响较大的参数为:生育期为1.5时的最大光合速率、生育期为0时的比叶面积、35℃时叶面积的生命周期、生育期为0时的散射消光系数、生育期为1.8时的最大光合速率、储存器官的同化物转换效率。2)潜在和雨养产量水平下,最大叶面积和地上生物量对参数的敏感性差异不大。3)马尔科夫蒙特卡洛方法(MCMC)可以对WOFOST模型品种参数较好地优化;设计的3种校正-验证方案中,第1种方案(用1998-1999年作为校正年份,1999-2000年,2000-2001年作为验证年份)模拟效果最好。4)优化后的参数,模型对潜在产量水平模拟较好,一致性指数均大于0.9,相对均方根误差小于20%;而对有水分胁迫的雨养情况下比潜在产量水平的模拟结果差,表明模型对水分胁迫的模拟不足。该研究为WOFOST模型区域应用和模型调整优化提供科学理论依据。     

土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建

定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律,对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。该文在总结前人研究成果的基础上,引用了联合国粮食及农业组织的气象模块、荷兰的PS123作物模型和丹麦的Daisy模型的碳氮循环模块;借鉴了RZWQM和Hydrus-1D的水分溶质运移模块的相关理论,并在其基础上进行了修改与完善,构建了土壤-作物-大气系统水热碳氮耦合模拟模型WHCNS(soil water heat carbon and nitrogen simulation)。该模型以天为步长,考虑了气象条件、作物生物学特性和田间管理驱动。土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richards方程来描述。土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述,源汇项中考虑碳氮循环的各个过程(有机质矿化、生物固持、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等),在根系吸水吸氮源汇项中引入了补偿性吸收机制。有机质模块完全来自Daisy模型,将有机质库划分为3个快库和3个慢库。利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及作物产量的模拟,通过水氮胁迫校准因子来实现水氮限制下作物产量的模拟。最后应用华北地区(山东泰安)冬小麦-夏玉米轮作体系2 a的田间观测数据对该模型进行了校验。结果表明,剖面土壤水分和硝态氮浓度、叶面积指数、作物产量与实测值均吻合良好,模拟误差均在合理范围之内,特别是对产量的模拟较好,均方根误差为206~319 kg/hm2,相关系数为0.90,模型效率值均大于0.75,一致性指数值均大于0.9。WHCNS模型能够较好地模拟土壤水分动态、氮素运移及去向、作物生长发育等过程,表明该模型适用于中国华北地区高度集约化的农田生产系统。     

根系水质模型中土壤与作物参数优化及其不确定性评价

农业系统模型参数优化存在很高的不确定性,是模型应用研究的重点和难点。该研究利用自动优化程序PEST（parameter estimation software）对根系水质模型（root zone water quality model,RZWQM）中土壤参数（土壤水力学参数和根系生长参数）和作物遗传参数进行了优化,结果表明PEST优化模拟结果明显优于传统试错法的校正结果,且具有较高的参数优化效率。模型参数优化不确定性评价表明校正数据和参数初始值的选择、土壤水力学参数估算方法、不同类型参数间的相互作用以及优化目标方程（误差来源计算）都明显影响模型模拟结果。以上过程中土壤水力学参数优化值差异较小,但其土壤水分特征曲线却明显不同。通过以上评价分析提高了RZWQM相关参数优化结果的可靠性及其模拟功能,降低了模型参数优化的不确定性,为PEST优化其他模型参数提供了重要支持。     

基于土壤-作物系统模拟模型的冬小麦田间水氮优化管理

将作物生长模型与土壤水氮管理过程模块相结合,构建了土壤-作物系统水分养分模拟模型。以灌水、施氮总量为决策变量,冬小麦生物量、水分和氮肥利用效率为优化目标,将冬小麦按生长发育时期分为6个阶段,建立了多目标的动态规划模型。在土壤-作物系统过程模型的基础上,用动态规划的方法对田间水、氮资源管理措施进行优化。通过对作物水分胁迫系数和氮肥胁迫系数的模拟计算,可获得最佳的灌水、施肥时间及用量。算例结果表明：在养分供应充足仅水分胁迫的条件下,优化方案的灌水量较对照处理平均节约了25%,水分利用效率比对照处理平均高出约1     

CERES-Wheat作物模型参数全局敏感性分析

作物生长模型广泛应用于区域作物估产研究与应用之中,如何选择最佳作物模型优化参数是获得较好模拟预测结果的关键之一。研究选择河南洛阳为试验区,应用扩展傅里叶振幅灵敏度检验（EFAST）法对CERES-Wheat模型作物参数及田间管理参数进行了全局敏感性分析。结果表明,完成一片叶生长所需积温、最适温度条件下通过春化阶段所需天数、光周期参数、最佳条件下标准籽粒质量参数、开花期单位株冠质量的籽粒数参数等指标具有较高敏感性,系为模型参数“本地化”的关键参数。播种日期、播种密度、施肥日期、播种深度、灌溉日期是模型区域化应用的最佳优化变量。研究表明,EFAST敏感性分析是模型参数“本地化”和选择最佳“区域化”优化变量的有效方法。     

一个稻田土壤-作物体系的氮素循环模型

模型为一维模型,其主要框架由土壤水分运动、N素迁移转化以及水稻生长3个模块组成。在土壤水分运动模拟中,考虑了可能存在的饱和流和非饱和流;在N素运移中将土壤中的NH4 、NO3-和尿素视为土壤溶质,用对流弥散方程模拟其在垂直方向上的运移;在N素转化过程中考虑了尿素水解、有机N矿化、氨挥发、硝化、反硝化以及NH4 的吸附这6个过程;对于作物生长的模拟,选用了ORYZA水稻生长模型,并结合田间实验修改了其中一些参数。使用该模型对3年的田间试验进行了模拟验证,对于土壤中矿质态N素以及水稻生长的模拟,都得到了较好的模拟结果,通过与实测值的分析比较,耕作层的NH4 -N浓度,水稻各部分的生物量模拟值与实测值的吻合都达到了显著水平。     

流域管理模型的参数灵敏度分析——以WARMF在巢湖地区的应用为例

水质模型参数灵敏度分析不仅是模型率定的必要前提,也为水质管理提供参考。WARMF模型是大型流域管理分布式机理模型,选定巢湖流域杭埠-丰乐河子流域为研究区域,通过流域概化将杭埠-丰乐河流域划分为37个汇流区单元、36个河段单元和1个湖泊单元。之后,以杭埠-丰乐河流域4号子流域及其河段为例,采用局部灵敏度分析方法对模型水文、泥沙、水质主要参数进行了灵敏度分析。根据灵敏度分析结果进行调参,可以大大节省模型参数的校核时间,并且提高精度。     

垄沟集雨系统Laio土壤水分动态随机模型参数敏感性分析及优化

水文模型参数的敏感性分析、优化和验证对提高模型计算精度和效率具有重要意义。为探讨Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型)各参数在垄沟集雨系统的敏感性,同时,确定参数优化和模型验证的最佳方案,本文结合多因素敏感性分析法以及改进单纯形法(ISM)、粒子群优化算法(PSO)和混合粒子群优化算法(HPSO),利用中国气象局定西干旱气象与生态环境试验基地2012—2013年垄沟集雨燕麦生长季降雨、径流和土壤水分等实测数据,对垄沟集雨系统Laio模型的13个参数进行敏感性分析、优化和验证。结果表明,平均降水量α和凋萎系数s_w对土壤水分概率密度函数p(s)最敏感,p(s)对参数α的敏感性在低土壤含水率下更明显,对参数s_w的敏感性在高土壤含水率下更明显;3种算法(ISM、PSO和HPSO)的优化参数值均能对垄沟集雨系统土壤水分概率密度函数进行较好模拟,峰值(CPV)、峰值位置(PP)和95%置信区间(CI95%)实测值与模拟值的相对误差均小于10%,CM指数均大于0.5;同时,HPSO算法优化参数的模拟效果和收敛速度均显著优于PSO算法和ISM算法,能较显著克服ISM算法和PSO算法存在的缺陷。HPSO算法可作为垄沟集雨系统土壤水分动态随机模型参数优化的待选方案。     

ALMANAC作物模型参数的敏感性分析

为了方便模型数据库的组建,降低模拟结果的不确定性,本文根据山东禹城综合试验站2000-2003年的田间试验资料,进行AL-MANAC模型模拟冬小麦和夏玉米的验证。在此基础上采用OTA（即每次只改变其中1个参数）方法,对模型的土壤参数和作物参数进行敏感性分析。验证结果表明,ALMANAC模型能够较好地模拟冬小麦和夏玉米的产量和叶面积指数的动态变化,冬小麦和夏玉米模拟产量的相对误差（RE）为-8.6%~6.0%、-3.5%~7.2%,叶面积指数的RE为-13.1%~14.8%、-13.0%~12.2%;敏感性分析显示,土壤参数中的径流曲线数、土壤容重、田间持水量和土层厚度对模拟结果影响显著,其次为初始含水量和凋萎湿度,再次为粉粒含量、砂粒含量和土壤反射率;作物参数中的收获指数、光能利用率、热量单元指数、叶面积增长期占生长期的比例,对模拟结果影响显著,其次为作物生长最适温度、消光系数、作物生长下限温度、最大根深、最大叶面积指数、群体动态参数,再次为光能利用降低参数、叶面积指数动态曲线参数、叶面积指数衰减速率。     

基于密切值法和水氮管理模型的华北平原农田水氮优化管理

优化农田水氮管理措施可为实现粮食高产、资源高效及环境友好的目标提供科学依据。该研究以华北平原泰安地区为例,利用农田生态系统水热碳氮过程耦合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)分别对冬小麦季设置的165个水肥组合和夏玉米季设置的55个水肥组合进行了情景模拟分析,在综合考虑农学、环境和经济效益的基础上,采用密切值法优化了农田水肥管理方案。结果表明:受到华北地区年内降雨分配不均的影响,冬小麦产量随着灌水量的增加呈先增加后稳定的趋势;而夏玉米产量与灌水量没有明显的关系。冬小麦和夏玉米产量均随着施肥量的增加而增加,后保持稳定。水分渗漏和氮素淋洗量均随着灌水量或施肥量的增加而显著增加。在研究区作物秸秆全部还田及高累积氮的条件下,冬小麦季灌水240 mm和施肥60 kg/hm~2(以N计,下同),夏玉米季不灌溉和施肥90 kg/hm~2分别为研究区当年冬小麦季和夏玉米季最佳的水肥管理方案。在所有水肥组合情景中,优化的水肥管理方案不仅能保证冬小麦-夏玉米最大周年产量的97%、具有较高的水氮利用效率和最佳的产投比,而且氮素淋洗和气体损失分别比最大值降低了77%和71%。因此,该方法可以用来优化华北平原农田的水肥管理措施。     

基于EPIC模型的冬小麦生长模拟参数全局敏感性分析

模型参数的敏感性分析是模型本地化、区域化过程中不可或缺的重要环节。局部敏感性分析忽略了参数间的相互耦合作用对模型结果的间接影响,从而导致敏感参数选取具有一定的片面性。该研究以河北衡水冬小麦试验区为研究区,使用全局敏感性分析方法分析EPIC模型在冬小麦产量模拟中的敏感参数。研究表明：收获指数（HI）、生长季峰值点（DLAI）、潜在热量单位（PHU）、最大作物高度（HMX）是影响模型本地化最为关键的参数（总敏感指数＞0.1）;作物的播种日期、收获日期及种植密度是影响区域尺度的作物产量估计最为敏感参数（总敏感指数＞0.1）。研究同时表明全局敏感性分析方法可用于作物生长模型本地化、区域化研究,且优于传统局部敏感性分析方法。     

基于多元振荡黏菌算法的田路分割模型参数优化方法

田路分割是农机轨迹语义分割模型的重要任务之一,其目的是将轨迹自动分割为田间作业轨迹和道路行驶轨迹。田路分割模型的参数是影响其分割准确性及精度的关键因素,传统的参数选择方法效率较低且难以获得较好的方案,限制了模型的分割性能。因此,该研究选用基于方向分布的田路分割模型（Field-Road Trajectory Segmentation Based on Direction Distribution,BDFRTS）,尝试从参数优化的角度研究模型的性能提升,提出的方法主要包括两个方面,首先建立了一种基于元启发式算法（Metaheuristic Algorithms,MA）的田路分割模型参数优化解决方案;其次,在黏菌算法（Slime Mould Algorithm,SMA）的基础上提出了一种改进的多元振荡黏菌算法（Multiplex Oscillation Slime Mould Algorithm,MOSMA）求解参数优化方案以更好地提高模型的分割性能。MOSMA分别提出一种动态引导策略与多元振荡策略强化了黏菌的振荡收缩反应及细胞质的流动过程,进而增强了算法的优化能力。为验证所提参数优化方法的有效性,将博创联动提供的中国农机在2021年9 月底-10月中下旬进行水稻收割的作业轨迹作为数据集开展试验。试验结果表明,该研究所提方法有效地提升了田路分割模型的准确性和性能。MOSMA-BDFRTS分割模型在10组高密度轨迹中的平均准确率相比网格搜索田路分割模型、粒子群田路分割模型分别提高了25和28个百分点;在10组低密度轨迹中分割的平均准确率分别提高了17和14个百分点。该研究可为田路分割技术提供合理的性能优化方案,也为农业机械运动轨迹分割技术的效率研究提供参考依据。     

4100QB柴油机机体的形状优化及灵敏度分析

为了提高柴油机机体裙部刚度,该文以4100QB柴油机机体为研究对象,使用HyperWorks/Optistruct软件,采用形状优化的方法,进行了设计变量对响应变量的灵敏度分析,完成以提高机体裙部刚度为目标的优化设计。形状优化求解时选取了最大爆发压力工况、活塞侧向力最大工况、主轴承水平分力最大工况3种计算工况,设计变量为机体上与曲轴箱相关的12个结构尺寸,约束函数为机体的应变能、节点的水平位移、机体的质量,目标函数为使得机体裙部相关振型模态频率加权和最大。模拟计算结果显示机体的应变能和固有频率有不同程度的改善。该文的研究方法对于机体类零部件优化设计具有借鉴作用。     

名优茶连续式理条机参数优化设计与试验

针对传统茶叶理条做形装备主要依靠经验法设计,存在做形质量不佳的问题,该研究运用数值法对连续式茶叶理条机结构与作业参数进行优化,以改善连续式理条机的理条作业性能。通过对连续式理条机进行运动学分析,得到锅槽速度、加速度表达式,并探究锅槽运动与茶叶理条状态之间的关系;通过研究茶叶在连续式理条机锅槽内的运动规律和受力情况,建立茶叶-正U形槽动力学模型,分析了茶叶在锅槽运动周期内各阶段的受力特点及对茶叶成形的作用;运用EDEM软件建立茶叶理条仿真模型,对影响茶叶成形的曲柄转速、锅槽振幅、锅槽倾角、凸棱个数和凸棱高度等关键设计参数进行仿真模拟,得到上述因素作用下茶叶颗粒的平均速度、平均受力与做形时间的关系曲线,并以仿真结果为依据设计三因素三水平正交试验,以成条率、碎茶率为评价指标,利用Design-Expert软件进行数据处理与回归分析,并对优化结果进行验证试验。仿真结果表明：曲柄转速、锅槽振幅和凸棱个数等对理条质量影响较大,茶叶纵向占比率随理条时间增加而升高,促使茶叶主茎脉轴线方向受力形成条状外形;以曲柄转速为195 r/min、锅槽振幅为99 mm、凸棱个数为2的最优参数组合进行验证,成条率为87.39%,碎茶率为1.85%,与优化结果基本一致。研究结果可为连续式茶叶理条机优化设计提供理论参考。     

基于VIP模型评估不同全局敏感性分析方法有效性及效率

参数敏感性分析可提高复杂过程模型参数优化及模型应用效率。为评估不同全局敏感性分析方法在筛选农田生态系统模型敏感参数时的有效性及其效率,该研究以VIP (Vegetation Interface Processes) 模型模拟华北平原土壤硝态氮为例,对比分析PSUADE (Problem Solving Environment for Uncertainty Analysis and Design Exploration) 提供的8种敏感性分析方法在筛选华北平原农田土壤硝态氮敏感参数时的有效性及其效率。结果表明：在验证敏感性分析方法有效性时,Spearman秩相关系数 (Spearman's correlation coefficient,SPEA) 法和Gaussian Process (GP) 法与其他方法的敏感参数筛选的结果差异较大;多元自适应回归样条 (Multivariate Adaptive Regression Splines,MARS)、Delta Test (DT)、Sum of Trees （SOT）法、McKay法、Morris法和Sobol'法能有效筛选出敏感参数。在分析敏感性方法效率时发现,正交阵列 （Orthogonal Array,OA)和基于拉丁超立方的正交阵列 (Orthogonal Array-Based Latin Hypercubes,OALH) 抽样方式最适于多元自适应回归样条法 (Multivariate Adaptive Regression Splines,MARS),所需样本量为361。蒙特卡罗 (Monte Carlo,MC) 抽样方式最适合DT和SOT敏感性分析方法,所需最小样本量分别为425和510;与其他抽样方式相比,OALH抽样更适合McKay敏感性分析方法,需要样本量最少;Morris法和Sobol'法所需最小样本量分别为340和810。对于复杂过程模型,可先选用定性敏感性分析方法以较低的计算成本选择敏感的参数,再进行模型参数优化和不确定性分析。     

稻麦轮作农田氮素循环的DNDC模型分析

基于长江中下游稻麦轮作体系的氮肥施用田间试验,采用Denitrification- Decomposition model (DNDC) 模型研究了气候条件、土壤属性、农业管理等输入因素的不确定性对子粒产量、作物氮吸收、氨挥发、N2O排放等预测结果的影响。结果显示:采用DNDC模型模拟的土壤氨挥发速率和N2O排放通量与田间实测结果较为吻合,氨挥发通量模拟值与实测值相关系数为0.688,N2O排放通量模拟值与实测值相关系数为0.528,均达极显著水平,表明DNDC模型预测农田土壤氮素具有较高可信度。模拟结果显示,气温和氮肥用量是影响作物产量和吸氮量的关键因素;土壤氨挥发主要受氮肥品种影响,并随氮肥用量增加而增加;土壤N2O排放主要受温度、土壤pH值、土壤有机碳含量的影响。为使DNDC能更有效地估算氨挥发和N2O排放,有必要获取更翔实的资料以减少输入数据的不确定性。     

花生荚果气力输送设备参数优化与试验

针对现有气力输送设备对花生荚果输送损耗大、裂荚、破碎率高等问题,改进关键部件结构,在分离筒内壁安装硅胶缓冲板,改进锁气器。通过对比,改进后锁气器能更好适应荚果输送。根据花生荚果在输送过程中受力破损机理,选取分离筒内壁硅胶缓冲板厚度、风机转速、花生荚果含水率三因素,以白沙花生为原料进行气力输送正交优化试验,考察上述三因素对荚果生产效率、裂荚率、破碎率的影响。结果表明,硅胶缓冲板厚度对目标因素影响最大,风机转速次之,花生荚果含水率影响最小。当硅胶缓冲板厚度为5 mm,风机转速2 700 r/min,花生荚果含水率10%时输送效果最佳,裂荚、破碎率降低明显。该研究可为花生气力输送设备的结构优化提供参考。