謝佩軍 張育斌

摘? ?要? 水肥氣融合灌溉技術是供氧技術、施肥技術和灌溉技術相結合的一項新技術。通過多學科的交叉，融合控制技術、人工智能技術、機器視覺技術、信息技術與節(jié)水灌溉技術，開發(fā)出綠色高效水肥氣灌溉系統(tǒng)。簡介該系統(tǒng)的研發(fā)與應用，主要包括水肥氣融合模型機理、灌溉控制技術、微納米氣泡發(fā)生裝置、基于機器視覺的作物營養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設計等，以及水肥氣集成技術研究及示范應用。

關鍵詞? ?水肥氣一體化;灌溉控制技術;作物營養(yǎng)監(jiān)測;微納米氣泡

中圖分類號：S725? ? 文獻標志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.31.020

當前，隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水理論的研究不斷深入和相關技術水平的逐漸提高，農(nóng)業(yè)節(jié)水技術正日益向信息化、精準化發(fā)展，以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對灌溉系統(tǒng)的靈活、準確、快捷等要求。水肥氣融合灌溉技術是供氧技術、施肥技術和灌溉技術相結合的一項新技術，按照作物生長各個階段對養(yǎng)分的需求及氣候條件等精準補充水肥氣，不僅能夠顯著提高作物的水肥利用效率，還可為土壤提供充足的有效氧，促進作物的生長發(fā)育，實現(xiàn)作物的增產(chǎn)提質(zhì)。水肥氣混合智能控制技術能夠根據(jù)作物生長各個階段對養(yǎng)分的需求和氣候條件等，自動調(diào)節(jié)灌溉水中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度和數(shù)量，大幅度提高化肥利用率，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，減輕肥料對環(huán)境的污染，同時還可以大幅節(jié)省時間，減少運輸、勞動力及燃料等成本。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

水肥氣一體化灌溉技術的發(fā)展有力促進了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，相較于傳統(tǒng)灌溉方式，水肥氣融合灌溉系統(tǒng)能夠提高水肥利用效率，增產(chǎn)提質(zhì)，同時也為從根源上緩解農(nóng)業(yè)面源污染提供一種新途徑。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

灌溉施肥技術自20世紀60年代在西方國家開始得到重視與快速發(fā)展，以色列、澳大利亞、加拿大、意大利、美國等國對水肥氣灌溉技術進行了大量研究及推廣應用，取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

21世紀初，美國研發(fā)出一種新型節(jié)水節(jié)能灌溉技術（AUDI技術），通過直接向植物根系輸氧的措施來實現(xiàn)根域氣體環(huán)境的優(yōu)化，提高作物產(chǎn)量[1]。美國林賽公司設計出一種新型灌溉設備——林賽（lindsay）多功能噴灌機，與其他灌溉形式相比，其具有操作簡單、灌溉均勻、節(jié)水節(jié)能等優(yōu)勢[2]。

以色列Netafim公司生產(chǎn)的耐特佳（Netajet）自動灌溉系統(tǒng)采用NMC-64控制器，擁有基于灌水量控制或時間控制的10個灌溉程序，可以根據(jù)總施肥量、時間、肥料的比例和EC值或pH值進行施肥作業(yè)，還擁有過濾器反沖洗裝置[3]。

意大利的伊瑞泰（IRRITEC）施肥系統(tǒng)從初級到高級共5種，系列設備能夠實時調(diào)整施肥比例，可以按體積施肥，也可通過控制吸入流量施肥[4]。

愛爾達-祥利（Eldar-Shany）自控技術公司生產(chǎn)的大型農(nóng)田灌溉計算機控制系統(tǒng)（Elgal Agro）是目前農(nóng)業(yè)計算機控制領域先進的控制系統(tǒng)。公司還生產(chǎn)了肥滴佳（Fertigal）、肥滴杰（FertJet）、肥滴美（Fertmix）等一系列自動灌溉施肥機。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對水肥氣智能灌溉技術的研究起步較晚，但水肥灌溉技術發(fā)展和推廣較快，市場前景良好。隨著國家對農(nóng)業(yè)的逐步重視，國內(nèi)相關研究機構的專家學者針對水肥氣智能灌溉技術開展了大量研究，也取得了諸多成果。

黃蔚等通過增氧灌溉技術對水稻、黃瓜等作物的栽培試驗，證明水、肥、氣耦合灌溉能促進作物根系生長和提高根系活力，使其能最大限度地從土壤中吸收水分和養(yǎng)分，作物增產(chǎn)效果明顯，但沒有建立可供推廣的預測模型[5]。李元等研究了加氣頻率和滴灌帶埋深等對甜瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率的影響，不同加氣頻率、地下滴灌帶埋深及灌水控制上限對大棚甜瓜果實形態(tài)、產(chǎn)量、品質(zhì)及灌溉水分利用效率的影響[6]。張育斌等提出在灌溉決策中考慮非充分灌溉因素，運用Jensen乘法模型建立“灌水收益”的數(shù)學模型，進行了非充分優(yōu)化灌溉下的決策系統(tǒng)設計[7]。張育斌等設計了基于PID控制、模糊控制和灰色預測控制相結合的控制算法，能有效預測作物的需水量，達到對系統(tǒng)的精確灌溉控制[8]。

綜合分析國內(nèi)外水肥灌溉技術領域的相關文獻，水肥耦合及智能控制灌溉研究較多，但基于水肥氣集成的多信息融合采集系統(tǒng)、灌溉決策系統(tǒng)的自學習智能系統(tǒng)的研究很少，尤其是可供參考、有推廣價值的水肥氣預測模型的研究較少?？傮w上，針對作物營養(yǎng)需求的灌溉技術有一定研究，但基于視覺技術的作物生長及營養(yǎng)狀況的實時監(jiān)測與信息反饋研究較少;水肥控制灌溉研究較多，但缺少水肥氣多信息融合采集系統(tǒng)、灌溉決策系統(tǒng)、信息實時傳輸系統(tǒng)、遠程控制中心系統(tǒng)的聯(lián)動作用，在線自動化程度還有待提高。

2 高效水肥氣灌溉系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)以提高農(nóng)田需水、需肥、需氣等信息診斷與控制灌溉的智能化水平為設計目標，通過多學科的交叉，融合控制技術、人工智能技術、機器視覺技術、信息技術與節(jié)水灌溉技術，開發(fā)智能水肥氣灌溉系統(tǒng)，并應用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領域。

2.1 水肥氣融合模型機理

通過對水肥氣融合中EC值、pH值、離子電解值的非線性、時變性進行分析，深入研究水肥氣融合機理，便于后續(xù)建立精準、高效的水肥氣預測模型。

考慮到水肥氣一體化系統(tǒng)是多變量多輸出的系統(tǒng)，具有r個輸入、m個輸出的模型。建模思想：1）建立水肥氣多變量單輸出的系統(tǒng)模型;2）定義水肥氣集成裝置中各個物理量;3）利用多變量單輸出系統(tǒng)模型建立辨識模型;4）利用遞階辨識原理，提出基于輔助模型的辨識算法，分析水肥氣集成裝置的施肥量。

2.2 灌溉控制技術

根據(jù)不同灌溉方式的技術特點，研究灰色系統(tǒng)理論和控制理論相結合的灰色預測控制技術和模糊邏輯控制技術，開發(fā)出系列化綠色高效專用灌溉控制設備。

2.2.1 灰色預測模糊PID控制技術

灰色預測控制是將控制理論與灰色系統(tǒng)理論相結合的一種新型控制方法，適用于在部分數(shù)據(jù)不確定的情況下，進行數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象分析、模型建立、系統(tǒng)決策等。水肥氣灌溉系統(tǒng)本身是一個實時的、大延時的、非線性的，有不確定因素的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的滯后性和慣性很大，精確傳遞函數(shù)很難確定，屬典型灰色系統(tǒng)。本項目擬將灰色預測控制技術與模糊邏輯控制及PID控制技術結合起來建立灰色預測模糊PID控制器，實現(xiàn)水肥氣智能控制。

2.2.2 在線自調(diào)整PID模糊控制技術

在線自調(diào)整PID模糊控制器以誤差e（k）和誤差變化率ec（k）作為輸入量。根據(jù)模糊推理規(guī)則對PID的參數(shù)Δkp， Δki， ……進行調(diào)整，將上述模糊值轉換為明確的控制信號，去模糊化作為系統(tǒng)的輸入量輸入到模糊控制器。

在模糊控制器中按照如下規(guī)則進行控制：

（1）

式（1）中，Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù);Kd為微分系數(shù);T為采樣周期;Ti為積分時間常數(shù);Td為微分時間常數(shù);e（k）、ec（k）分別為誤差、誤差變化率。

2.3 微納米氣泡發(fā)生裝置

對微納米氣泡的基本物理性質(zhì)進行研究，主要包括物理狀態(tài)、界面性質(zhì)及傳質(zhì)性質(zhì)三類，并設計微納米氣泡發(fā)生裝置。

2.3.1 選擇合適的水泵

微納米氧氣氣泡發(fā)生裝置首先通過水泵增壓，使空氣溶解在水中，繼而通過節(jié)流釋氣方式使溶解在水中的空氣以微納米氧氣泡的形式釋放，因此，應選擇合適的水泵使空氣溶解在水中。

2.3.2 微納米氧氣發(fā)生裝置設計

考慮到現(xiàn)有的溶氣釋氣法發(fā)生裝置均需要大型壓氣罐和釋氣罐作為溶氣裝置，整個設備體積龐大，并且在工作時需要先將空氣與水混合，送入壓氣罐溶解，再通過釋氣罐釋氣產(chǎn)生微細氣泡，整個工作不連續(xù)，降低了微納米氧氣泡的產(chǎn)生效率。本研究對微納米技術的氣體發(fā)生裝置的設計工作如下：1）提出潛水式節(jié)流孔釋氣微納米氧氣泡發(fā)生裝置的設計方案;2）實現(xiàn)微納米氧氣泡發(fā)生裝置的機械結構設計、控制電路的設計;3）在水池內(nèi)進行微納米氧氣泡發(fā)生裝置的實驗，并對所得微納米氧氣泡混合液進行懸浮時間、含量和微氣泡尺寸分布等參數(shù)測試。本研究的微納米氧氣發(fā)生裝置設計詳見圖1。

2.4 基于機器視覺的作物營養(yǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

研究農(nóng)作物復合特征與水肥氣的關系，建立顏色特征、幾何特征、紋理特征等與水肥氣用量之間的關系模型，實現(xiàn)對作物營養(yǎng)狀況的實時監(jiān)測，并將相關信息反饋到控制系統(tǒng)。

采用機器視覺相關技術采集高質(zhì)量的作物圖像，進行一系列圖像處理，提取顏色特征、幾何特征、紋理特征等關鍵信息，以實現(xiàn)作物營養(yǎng)狀況的判斷與監(jiān)測。采集的圖像信息多數(shù)是多特征、非線性的數(shù)據(jù)集，特征提取就是用圖像算法來提取出圖像的信息，將圖像上的各個點歸類，歸為一組特征子集，這些子集往往具有連續(xù)的區(qū)域或某些相似性。為了提高圖像識別的準確率，通常會對多個特征進行重新組合來對圖像進行識別。本系統(tǒng)提取顏色、形狀和紋理特征進行綜合判斷。

3 水肥氣集成技術研究及示范應用

將信息技術、機器視覺技術和控制技術等應用于農(nóng)業(yè)灌溉溫室控制中，實現(xiàn)了遠程控制水肥氣灌溉，實時監(jiān)控作物的生長狀況，同時在寧波市農(nóng)業(yè)科學研究院示范基地開展系列化水肥氣灌溉設備示范應用研究。

基于水肥氣集成的智能專家?guī)煜到y(tǒng)，其關鍵技術包括知識的獲取、知識表示、知識推理和知識重用，通過知識的繼承、歸納、集成、運用和管理，建立各種異構知識系統(tǒng)和多種描述形式知識集成的開放設計環(huán)境，提高了創(chuàng)新能力。

根據(jù)不同地域、場合和作物使用條件，本研究設計并試制出模塊化的高中低檔水肥氣裝置，可隨時方便地集成到精量施肥灌溉控制系統(tǒng)中。智能水肥氣控制設備能科學調(diào)節(jié)灌溉水中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度和數(shù)量，有效提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，還能大幅提高化肥和農(nóng)藥的有效利用率，減少對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的污染，進一步推進區(qū)域農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展。

參考文獻：

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（責任編輯：易? 婧）