謝瑞潔，孫小兵，王 瑛，段鵬軍，劉振宇

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中030801)

0 引言

近年來，肉雞養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模逐漸擴大，多為舍內(nèi)養(yǎng)殖，由于環(huán)境密閉，通風(fēng)和保溫等問題導(dǎo)致肉雞免疫力降低[1]。舍內(nèi)環(huán)境中溫度、濕度、粉塵都會對肉雞生長發(fā)育產(chǎn)生嚴重影響。溫度超過肉雞生長發(fā)育最適溫度(23 ℃左右)時，會抑制其生長發(fā)育[2]。溫度超高時，會出現(xiàn)熱應(yīng)激現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致肉雞中暑，出現(xiàn)死亡現(xiàn)象[3-4]。濕度較低時，會導(dǎo)致舍內(nèi)粉塵微粒大幅產(chǎn)生，易引發(fā)支氣管炎、肺炎等呼吸道疾病[5]。粉塵粒徑過大時，會殘留在肉雞呼吸道前部，使肉雞感染呼吸道疾病而死亡[6]。

目前，電暈放電已運用在有機廢水處理、空中顆粒處理、放電殺菌處理等空氣凈化方面[7]。研究表明，電暈放電技術(shù)有放電穩(wěn)定、消耗低、時效性高等優(yōu)點，針對較低濃度的有害氣體，該技術(shù)具有很好的去除效果[8]。

1 試驗設(shè)計

1.1試驗選址

試驗場址選取山西省晉中市太谷區(qū)石像村肉雞養(yǎng)殖場(圖1和圖2)，此養(yǎng)殖場配置有高壓空間電場，符合試驗環(huán)境要求。肉雞養(yǎng)殖場為東西走向。南北墻兩邊設(shè)置自然通風(fēng)小窗，東邊墻上裝有臺風(fēng)扇，風(fēng)速5 m/s，均勻分布在東邊墻，在西側(cè)墻上均勻裝4個濕簾，中間設(shè)置1個門，方便進出。試驗肉雞舍跨度13.2 m，長30.0 m，高5.2 m。肉雞舍內(nèi)分布有3列雞籠，每列長28.0 m，寬2.0 m，高2.0 m，雞籠分別到南北墻體距離為1.0 m。兩列雞籠中間隔1.0 m，雞籠距離東西墻體為1.5 m。試驗中，肉雞舍中約有8 000只白羽肉雞。

圖1 晉中市太谷區(qū)石像村肉雞養(yǎng)殖場Fig.1 A broiler farm in Shixiang Village，Taigu District，Jinzhong City

圖2 肉雞養(yǎng)殖場空間結(jié)構(gòu)Fig.2 Spatial structure of broiler farm

1.2試驗方法

在配有高壓空間電場的雞舍隨機布置27個監(jiān)測點，27個點隨機布置在3列雞籠的第2層，監(jiān)測點位置如圖3所示。利用基于物元分析的聚類分析法對肉雞舍環(huán)境監(jiān)測點進行布點優(yōu)化，選取9個最佳監(jiān)測點。為研究電暈放電對不同高度環(huán)境因子的影響，在其中一列雞籠的第1層和第3層按照同樣的位置布置傳感器。使用以STM32為控制核心的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，對比2周、4周、6周不同雞齡周期在電暈放電前后肉雞舍內(nèi)溫度、濕度、粉塵變化情況，得出電暈放電對肉雞舍環(huán)境因素的作用效果。

圖3 27個監(jiān)測點位置Fig.3 27 monitoring sites

2 肉雞舍環(huán)境監(jiān)測布點優(yōu)化

2.1聚類分析

聚類分析是將待分類的數(shù)據(jù)按照相近程度來進行分類，相近的分為一類，不相近的分為其他幾類，使用聚類不僅在思路上很簡單，其分類結(jié)果也清晰明了。

2.2物元分析

物元分析是通過找出樣本間的規(guī)律來處理不相容問題的一種工具，要把事物的質(zhì)、特征及數(shù)量關(guān)系等作為研究對象，研究事物基本元素的可拓性，其中包括關(guān)聯(lián)性[9]。

2.3環(huán)境采集點優(yōu)化布點的計算過程

采用基于物元分析的聚類分析法對肉雞舍監(jiān)測點進行優(yōu)化。關(guān)鍵步驟：計算出采集數(shù)據(jù)中合適溫濕度所對應(yīng)的范圍，包括期望點、最佳點及最劣點；分別構(gòu)建兩個矩陣，第1個是關(guān)于期望點和最劣點，第2個是關(guān)于期望點和最佳點；計算結(jié)果并分析出其中的關(guān)聯(lián)度，將計算出的數(shù)據(jù)作為分類的標準，在數(shù)據(jù)監(jiān)測點進行分組的過程中，按照聚類分析的原則完成；根據(jù)實際環(huán)境來選取最佳監(jiān)測點布置傳感器[10]。

2.3.1物元分析步驟

選取舍內(nèi)27個采集點的溫濕度數(shù)據(jù)，以肉雞生長最適溫濕度作為參照。將最接近肉雞生長溫濕度數(shù)據(jù)參照點為最優(yōu)點，與溫濕度數(shù)據(jù)參照點相差最大點為最劣點，最終選擇的點為期望點，分別記為A(最優(yōu)點)、B(最劣點)、C(期望點)。

期望點C分別與最優(yōu)點A和最劣點B建立成兩個標準的物元矩陣，同時將每一個數(shù)據(jù)采集點都看成是一個事物，則所有的采集值構(gòu)成一個物元矩陣[11]。由此可建立所有數(shù)據(jù)采集點分別對兩個物元矩陣的關(guān)聯(lián)函數(shù)

(1)

(2)

各監(jiān)測點關(guān)聯(lián)度為

(3)

(4)

各環(huán)境因子歸一化權(quán)值的計算

(5)

式中Xij——i監(jiān)測點j環(huán)境因子的監(jiān)測值，其中i=1，2……m；j=1，2……n

Wj——j環(huán)境因子權(quán)重值

2.3.2系統(tǒng)聚類步驟

系統(tǒng)聚類步驟是先從數(shù)據(jù)中找出這些數(shù)據(jù)之間相似程度的統(tǒng)計量，然后以統(tǒng)計量作為分類依據(jù)，把相似程度大的變量分為一類[12]。本試驗將物元分析關(guān)聯(lián)度作為樣本間的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)成如下矩陣

(6)

2.3.3肉雞舍監(jiān)測點優(yōu)化實例

對試驗肉雞舍內(nèi)的27個采集點環(huán)境因子進行分析，將2020年10月19日10∶00—16∶00的數(shù)據(jù)進行聚類，肉雞舍內(nèi)27個點溫濕度的原始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 肉雞舍內(nèi)27個采集點溫濕度數(shù)據(jù)

表1采集到的肉雞舍內(nèi)27個點的溫濕度數(shù)據(jù)對應(yīng)的最優(yōu)點為20 ℃與62%、最劣點為25 ℃與49%、期望點為22.5 ℃與55.6%。

用式(5)計算肉雞舍內(nèi)溫濕度的歸一化權(quán)值Wj，選擇肉雞成長過程中最適合的溫濕度值，作為溫濕度標準值Sj，通過計算，得出肉雞舍溫濕度的歸一化權(quán)值，如表2所示。肉雞舍內(nèi)27個監(jiān)測點的物元分析關(guān)聯(lián)度數(shù)值如表3所示。

表2 肉雞舍溫濕度歸一化權(quán)值

表3 27個監(jiān)測點物元分析關(guān)聯(lián)度數(shù)值

將表3所得的肉雞舍內(nèi)各采集點對應(yīng)的溫濕度關(guān)聯(lián)函數(shù)值進行標準化處理。經(jīng)標準化處理后的數(shù)據(jù)，作為聚類分析的初始變量。利用數(shù)學(xué)分析軟件SPSS中的系統(tǒng)聚類方法，得到肉雞舍內(nèi)各采集點的相似性矩陣及所對應(yīng)的聚類樹狀圖，如圖4所示。

圖4 27個監(jiān)測點聚類樹狀圖Fig.4 Cluster tree diagram of 27 monitoring points

此次對肉雞舍內(nèi)27個采集點的溫濕度數(shù)值進行聚類分析中，每一個點都為有效值，沒有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏的現(xiàn)象，說明此次聚類分析可行。對聚類樹狀圖4進行分析，如果將27個監(jiān)測點分為3類，則監(jiān)測點分為(1、2、4)、(3、5、6、7、8、10、11、12、13、14、15、16、20、21、24)、(9、17、18、19、22、23、25、26、27)3類；如果將27個監(jiān)測點分為5類，則監(jiān)測點分為(1、2、4)、(5、7、8、11、12、13、14、20、21、24)、(3、6、10、15、16)、(22、26)、(9、17、18、19、23、25、27)5類?？紤]監(jiān)測點在肉雞舍內(nèi)的分布情況，最終將監(jiān)測點分為3類，并最終選擇9、17、18、19、22、23、25、26、27這9個點為肉雞舍內(nèi)優(yōu)化后的監(jiān)測點。

2.4優(yōu)化結(jié)果分析驗證

對優(yōu)化后得到的監(jiān)測點驗證其可行性，選擇2020年10月20日的肉雞舍溫濕度數(shù)據(jù)，取每個時刻原來27點采集到數(shù)據(jù)的平均值與優(yōu)化后9點的平均值進行比較，其對比結(jié)果如圖5～6所示。

對比顯示，優(yōu)化后的溫濕度平均值與原來封閉式肉雞舍內(nèi)溫濕度平均值大體一致，溫度最高相差0.6 ℃，誤差率2.7%，濕度最高相差1%，誤差率1.8%，總體吻合度較好，此優(yōu)化結(jié)果可行。

圖5 優(yōu)化監(jiān)測點與原來27點濕度平均監(jiān)測值對比Fig.5 Comparison of average humidity monitoring values between optimized monitoring points and original 27 points

圖6 優(yōu)化監(jiān)測點與原來27點溫度平均監(jiān)測值對比Fig.6 Comparison of average temperature monitoring values between optimized monitoring points and original 27 points

3 電暈放電對肉雞舍環(huán)境的影響

3.1試驗條件

試驗養(yǎng)殖場布置有高壓空間電場，導(dǎo)線交叉分布，電壓10 kV。監(jiān)測點與電場電暈放電絕緣子的高度分別為1.2、1.8和2.4 m。同一水平面的各個監(jiān)測點距雞舍邊緣分別為6.45、3.25和21.65 m，每0.5 h測量一次。選取肉雞第2周(育雛期)、第4周(生長期)、第6周(育肥期)肉雞舍電暈放電前后9個監(jiān)測點環(huán)境指標的變化值。

3.2電暈放電對肉雞舍環(huán)境溫度的影響

取肉雞舍電暈放電前后溫度變化的9個監(jiān)測點，求平均值，其數(shù)據(jù)標準偏差均<1，表明試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，溫度平均值可靠。不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環(huán)境溫度變化情況如表4所示。隨著監(jiān)測點垂直距離增高，經(jīng)電暈放電后發(fā)現(xiàn)肉雞3個周期溫度變化為0.3～0.8 ℃，其變化率為1.2%～2.6%，數(shù)據(jù)標準偏差均<0.7，溫度平均值也相對穩(wěn)定。

3.3電暈放電對肉雞舍環(huán)境濕度的影響

取肉雞舍電暈放電前后濕度變化的9個監(jiān)測點，求平均值，其數(shù)據(jù)標準偏差均<1，表明試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，濕度平均值可靠。不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環(huán)境濕度變化情況如表5所示。監(jiān)測點距電暈放電1.2、1.8和2.4 m處平均相對濕度變化趨勢基本一致，肉雞舍內(nèi)平均相對濕度減少5.00%～9.00%，其變化率為9.03%～12.81%，數(shù)據(jù)標準偏差均<0.70，相對濕度平均值數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠。

表4 不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環(huán)境溫度變化情況

表5 不同雞齡段電暈放電前后對肉雞舍環(huán)境濕度變化情況

3.4電暈放電對肉雞舍環(huán)境粉塵的影響

取肉雞舍電暈放電前后粉塵(PM2.5和PM10)變化的9個監(jiān)測點，求平均值，其數(shù)據(jù)標準偏差均<2，表明試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，粉塵平均值可靠。不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環(huán)境粉塵變化情況如表6～7所示。

表6 不同雞齡段電暈放電前后肉雞舍環(huán)境PM2.5變化情況

表7 不同雞齡段電暈放電前后對肉雞舍環(huán)境PM10變化情況

從表6～7可以看出，隨著雞齡的逐漸增加，雞舍內(nèi)的粉塵PM2.5和PM10大幅度增多。監(jiān)測點距電暈放電1.2、1.8和2.4 m處粉塵PM2.5變化趨勢基本一致，肉雞舍內(nèi)粉塵PM2.5平均濃度減少33.66～98.33 μg/m3，其變化率為34.56%～57.39%，數(shù)據(jù)標準偏差均<1.6；肉雞舍內(nèi)粉塵PM10平均濃度減少34.00～54.34 μg/m3，其變化率為29.39%～36.79%，數(shù)據(jù)標準偏差均<1.7。粉塵濃度(PM2.5與PM10)平均值數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠。

經(jīng)以上數(shù)據(jù)分析，在不同高度電暈放電對溫度無顯著影響；對降低肉雞舍環(huán)境相對濕度有一定作用；對肉雞舍環(huán)境中的粉塵(主要是PM2.5和PM10)有非常明顯的清除作用，尤其是在第4周到第6周，肉雞舍內(nèi)粉塵明顯增多，電暈放電清除效果也最為明顯。具體對比如圖7所示。

圖7 電暈放電對3種因子的影響Fig.7 Effects of corona discharge on three factors

4 結(jié)論

本文對多監(jiān)測布點進行優(yōu)化，通過優(yōu)化得出最佳點的布置，在電暈放電前后，記錄環(huán)境因素的變化。試驗表明：電暈放電對肉雞舍環(huán)境中濕度有一定影響，對粉塵有明顯的清除作用，尤其是在第4周到第6周粉塵大幅度增加，電暈放電清除效果也最為明顯，雞舍可合理利用高壓空間電場改善環(huán)境，提高雞只成活率。