中国农业大学URP论文 设施农业智能化 6设施农业智能化
设施农业智能化是将现代生物工程技术、农业工程技术、环境工程技术、信息技术和自动化技术应用于农业生产领域，根据动植物生长的最适宜生态条件在现代化设施农业内进行四季恒定的环境自动控制，使其不受气候条件的影响，生产呈自动化、标准化和智能化，农产品周年生产、均衡上市，实现生产高速度、高产出和高效益。
设施农业智能化包括设施工程、环境调控以及栽培、养殖技术等方面标准化、自动化、信息化，其核心是农业环境调控。设施农业环境调控智能化是在一定的空间内，用不同功能的传感器探测头，准确采集设施内环境因子(光、热、水、气、肥)以及作物生育状况等参数，通过数字电路转换后传回计算机，并对数据进行统计分析和智能化处理后形成专家系统，根据作物生长所需最佳条件，由计算机智能系统发出指令，使有关系统、装置及设备有规律运作，将设施内温、光、水、肥、气等诸因素综合协调到最佳状态，确保一切生产活动科学、有序、规范、持续地进行。目前设施农业环境调控智能化研究已成为当今世界各国展示农业科技发展水平的重要标志。
6.1设施农业智能化技术的发展
近年来，我国设施农业的发展和基本需求已发生了深刻的变化，从硬件设施的大量需求和建设逐步转向为对信息技术(软件技术)的迫切要求。我国工厂化农业总体上存在许多重大问题需要解决。如环境控制能力低、管理水平差、栽培技术落后，离数量化和指标化管理的要求相差甚远，仍然以经验的和粗放的管理手段为主。针对上述问题，设施农业机械应用信息技术和人工智能技术，开发研制专家系统并进行应用，是我国工厂化农业上台阶、上档次的核心。设施农业技术体系的升级应包含设施农业机械的发展优化，否则就制约设施农业技术层次的提高。
设施农业的环境由人工控制，条件比一般大田简单得多，智能化仪器、设备和机器等人工智能技术得到普遍应用，所以智能化系统有可能在智能型温室中率先实现。国内目前引进的一些大型温室，配套设备齐全、自动化程度较高、具有一定的智能化水平、能进行多种设备的自动控制和复杂管理，这类温室设施虽然目前国产化率还非常低，但代表了未来工厂化农业发展的方向。智能型设施农业机械大量采用机电一体化技术，使传统机械无法作业的项目实现了机械化，如日本研制了收获樱桃、西红柿的机械(机器人)，还有用机器视觉鉴别作物和杂草的机械．智能型设施农业机械的工作更符合农艺要求，国外已经研制了根据土壤温度自动控制播种深度的智能型播种机，可将种子播入最合适的深度。
2l世纪农业工程的发展重点是农业人工智能化．智能化技术在设施农业上的研究运用将直接推进智能型设施农业机械的发展，使设施农业整体机械化水平大大提高。
6.2智能化系统中的模拟技术
国外近些年不仅对日光温室的气候环境机理进行了较多的研究，而且对大型温室或现代化温室进行深入地开发，因此需要开展相应的环境和气候模拟与实验研究，不仅是设施区划布局的重要依据，也是进行环境控制管理的重要依据。
- 20 -
中国农业大学URP论文 设施农业智能化 工厂化农业的主体是生物，因此必须充分认识和掌握作物生长与环境因子的关系，研究和采集环境诸因子如温度、土壤、水分、光照、气体对作物的出芽、发育、开花、结果等全过程影响效果的各种数据，建立主要栽培作物的生长发育模型及设施环境模型，从而建立符合数量化、指标化管理要求的模型库，为有效进行计算机控制管理系统的研制或专家管理系统的开发提供科学保证。
发达国家如荷兰及美国等．利用计算机模拟技术在温室作物模型的研究方面已取得重要进展，我国目前尚刚起步．利用作物模拟技术，不仅是研究作物生长发育与环境定量关系的重要手段，是实现定量化、指标化、自动化控制管理的关键性技术。
6.3计算机综合控制管理系统的研制
应用计算机对温室环境、栽培及设备等进行控制与管理是工厂化农业的重要特征，根据温室环境控制技术原理。依据知识库所提供的主要栽培作物的关键管理技术知识与经验，分析模型库里的主要作物的生长发育模型及设施环境模拟模型等，研究对各种配套设备的控制方法，开发相应的计算机软件。
开发研究性能可靠稳定、功能强大的数据采集系统，是实现温室环境控制与管理的基础，国内目前尚无专门的产品．建立性能优越的计算机系统对复杂的植物生长发育过程进行控制。土壤水份、肥料、光照、空气，是未来智能化技术的一个攻关课题。另一方面，目前国产的适用于设施内特殊环境条件的传感器也非常缺乏，主要表现为传感器类型偏少，性能不稳定、精度低等．需要在选型、精度、稳定性等方面进行深入研究。只有使用了高集成度的微处理芯片和大量的性能强大稳定的传感器，才使得农业机器人的工作更接近人工的质量，且工作效率可以大大提高。
在我国工厂化设施栽培中，番茄与黄瓜一直是主栽品种，在我国工厂化栽培生产中具有举足轻重的作用。我国目前的产量仅达到发达国家的30％-50%左右。可以看出其存在的潜力是巨大的。如果能开发出实用的专家系统，将会大大地提高我国工厂化农业的智能化水平，促进工厂农业的进一步发展。
6.4智能化农业信息技术的研究与示范应用
随着计算机网络技术，尤其是国际互连网技术的发展和普及，通过网络通讯系统，为设施农业工程建设、植物生产、产品与市场、技术推广服务、远程诊断与控制管理等诸方面，提供多层次的信息服务和技术资料，已成为可能。 6.4.1智能化农业信息资源的挖掘与应用
主要是进行相关数据库，如农业资源(气候、土壤等)、市场信息(产品与设备供求等)、技术服务(环境控制、栽培管理、病虫防治等)、相关知识库(主要栽培作物的关键管理技术知识与经验等)、模型库(主要作物的生长发育模型及设施环境模拟模型等)的建设；随着我国加入WTO，如何及时准确掌握国际动态，提供快速准确的国际信息服务也是必不可少的。
- 21 -
中国农业大学URP论文 设施农业智能化 6.4.2信息网络建设
建立以国际互连网技术为核心的网络体系．包括网络硬件的基本建设、信息搜索、信息管理系统的开发与应用等。 6.4.3信息技术的开发与应用
包括各类应用软件的开发应用，如开发建立的各类数据库、研制相关信息管理系统、决策支持系统、专家系统，为用户提供不同层次(宏观和微观)的决策支持和技术支撑。
6.5人工智能化农业机械
信息技术和计算机技术将逐步渗入设施农业机械领域，计算机控制的智能化机械将逐步进入实用化阶段．智能化农业机械的典型代表是设施农业机器人或机器人化的设施农业机械。 6.5.1农产品内部品质计量式拣选机器人的研制和开发
许多蔬菜和水果单靠外表观察无法判定其内部品质，例如含糖量、成熟度以及是否有空洞等。内部品质计量式拣选机器人采用x射线、红外线、紫外线等光电传感技术，以及敲打振动式等传感技术，例如西瓜拣选机器人利用敲打-振动拣选原理，通过对西瓜敲打所产生的振动波的频谱分析判定其空洞和成熟度。水果的含糖量检测则是采用电黾波(红外线或紫外线)反射或透射的频谱分析法。这类技术通常被应用于苹果、桃子、西瓜的含糖量拣选机器人上。
另外，也有采用气敏传感器测量蔬菜、水果散发香味以及光敏感传感器测量蔬菜、水果透光率来判断其成熟度的机器人。 6.5.2水果、蔬菜的采摘机器人
番茄、洋葱、马铃薯、枣、蘑菇等均有采用机器人进行采摘的报道。蘑菇采摘机器人，利用一台摄像机和图像分析软件来确定哪个蘑菇该摘，所采摘的蘑菇属于哪个等级较复杂的技术问题，而且采摘速度很快，几乎是人工的几倍。由于配备有高级的计算机智能系统，采摘机器人的优势在于可以方便地实现选择性采摘，它们能根据水果的颜色、大小和形状判断成熟程度，并决定哪些应该采摘，哪些不能采摘。
目前果蔬采摘机器人的智能水平还很有限，离实用化和商品化还有一定距离。主要存在的问题：一是果实的识别率和采摘率不高，损伤率较高；二是果实的平均采摘周期较长；三是采摘机器人制造成本较高。随着传感器及计算机视觉等技术的发展，果蔬采摘机器人的研究还需要努力：一是要找到一种可靠性好、精度高的视觉系统技术，能够检测出所有成熟果实，精确对其定位；二是提高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性，成功避障，提高采摘的成功率，降低果实的损伤率；三是提高采摘机器人的通用性，提高机器人的利用。
- 22 -
中国农业大学URP论文 设施农业智能化 6.5.3植物生长状态的机器识别与诊断
机器人能判别作物生长的优劣，是否有病虫害，是否需要灌溉、施肥等，机器还能识别杂草与作物。在工业领域应用广泛的机器人技术。正在逐步渗入设施农业生产过程．与工业机器人简单、确定和已知的工作环境和工作对象相比，农业机器人则面临非结构、不确定、不宜预估的复杂环境和工作对象。因此，发展农业机器人必须对一些重要关键技术取得突破。
它们主要包括：(1)农业机器人在复杂三维空间中的连续运动技术。在设施中自行运动的机器人，其移动和精确定位技术比工业机器人要复杂的多，涉及地面的凹凸不平、意外的障碍、大面积范围的定位精度，机器人的平稳和振动等等问题。
(2)对目标的随机位置准确感知和机械手的准确定位。农业机器人的工作对象是农业产品，一般生长在植干或地下，其空间位置分布具有较大的随机性，而不像工业机器人的工作对象的位置是可以人为设置的。因此，农业机器人需要具有自行发现目标、跟踪目标并控制机器手逼近目标的能力。
(3)对脆嫩的产品抓取技术。农业机器人对水果或蔬菜进行操作。其传送和搬运机构要有柔软装置，能适应对象物的各种形状，抓取动作及其施加的力，必须能根据每一个操作对象的个体差异进行适当控制，保证在采摘、传送、搬运过程中不损伤工作对象。
- 23 -
中国农业大学URP论文 设施园艺实用智能化温室 7设施园艺实用智能化温室
智能化温室不只是简单地增加控制系统，它从主体结构至装备模式都有自身的变化要求。首先，智能控制系统不局限于环境监测，完成人工设定的简单操作，而是从更深的层次融入到装备系统中，实现系统复杂工作状态的判断与选择等功能。其次，温室的智能型成为提高其生产适应能力的重要手段。温室在调控中，既要克服气候条件的不利因素，又要利用日常外界有利的气候资源，做到趋利避害。
7.1主体结构
智能化温室与普通塑料温室相比，其应用层次更高，耐久年限长，密封性要求高，多采用功能性复合薄膜，膜材厚度大，受力性能高。另外，智能在温室为实现各项调控要求，在结构上需固定较多的机构与装备，对单个构件的刚度与承载力要求也高。结构方案的调整可以强化构建的截面惯性矩与长细比等参数，提高承载效率，而且有利于平衡结构各方面的承载能力，这也符合结构“同步时效”的优化准则。而实践证明，采取设置内部斜撑、外部拉索或格构式抗风柱等加强措施，较为经济有效；另外，支撑的设置也直接减少了构建的计算长度，有助于防止结构面内与面外的整体失稳现象。
7.2组合降温系统
组合降温是目前最好的降温措施，该系统由降温膜、外遮阳、自然通风、机械通风、湿帘风机和地下水管道循环等多种方式组合。降温系统组图组合流程如图1。
- 24 -