CN116400600A - 一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，包括温度测量模块、风机总成模块与控制模块；其中：温度测量模块包括温度传感器与无线传输装置，风机总成模块包括多个风机、风机转速控制器与无线接收装置，控制模块包括逻辑控制器与无线收发装置。该调控***根据目标温度计算最佳通风量，再根据不同类型风机的位置与通风量自动进行控制，同时根据不同区域温差利用风机轮开、进风口调整等方式进行智能调整，从而针对不同的环境建立相应的控制方式，实现大空间猪舍温度的均匀控制或对应控制，避免猪舍内出现温度差异性。

Description

一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***

技术领域

本发明涉及畜牧养殖技术领域，具体涉及一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***。

背景技术

生猪养殖时我国农业中较为重要的产业之一；目前，生猪养殖逐渐由小规模养殖向工厂化养殖转变，工厂化养殖生猪时，其猪舍开间普遍较大，总体面积超过1000m³、整体长度超过70m，易出现局部环境温度差异、局部环境温度最高会达到7～9℃；尤其是由于疫病防控时，会大量采用实心圈栏，从而加重局部温度差异，温度较高将直接影响生猪进食、长膘，同时受温度影响，也容易造成细菌滋生、导致疫病的发生及扩散，进一步影响生猪的产量，可见，温度的差异性将直接影响生猪的生长环境、最终导致生猪产能出现较大的差异。

目前，工厂化养殖生猪时，一般在厂房上方安装通风***对猪舍实现通风、散热，进而确保猪舍整体的平均温度不会较高；然而，目前的通风***通常为对整个猪舍的温度与通风性进行宏观调控，其无法对各个区域内的温度与通风性进行针对性调控，造成猪舍内的各个区域仍存在局部温度差异，进而导致各个区域内的生猪产能、品质等存在较大差异，甚至会导致部分区域出现、细菌滋生、疫病等问题，无法形成大规模化、工厂化、一致性的养殖。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，该调控***根据目标温度计算最佳通风量，再根据不同类型风机的位置与通风量自动进行控制，同时根据不同区域温差利用风机轮开、进风口调整等方式进行智能调整，从而针对不同的环境建立相应的控制方式，实现大空间猪舍温度的均匀控制或对应控制，避免猪舍内出现温度差异性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，其特征在于：包括温度测量模块、风机总成模块与控制模块；

所述温度测量模块包括温度传感器与无线传输装置，温度测量模块安装于工厂内每间独立的猪舍，用于测量各间猪舍的温度；

所述风机总成模块包括多个风机、风机转速控制器与无线接收装置；风机转速控制器根据无线接收装置的信号，控制所有风机的转速；

所述控制模块包括逻辑控制器与无线收发装置，无线收发装置分别与无线传输装置、无线接收装置信号连接，从而接收温度测量模块的测量温度信号、同时将风机转速信号发送至风机总成模块；逻辑控制器根据猪场的温度、运用智能调控算法获取各个风机的转速。

作进一步优化，所述风机均匀分布在猪舍上空且按照一定规律进行排布。

作进一步优化，所述温度传感器均匀分布在各间猪舍内，具体为：以单间猪舍的地面为水平基准参照面竖直向上延伸、均匀设置q层温度传感器层，且每层温度传感器层(即每一层水平面层)均匀分布d个温度传感器；

单间猪舍的温度获取具体为：首先，取单间猪舍每层温度传感器层的平均温度，依次记为

其中，/>

表示第q层d个温度传感器的平均温度；

由于第一层温度传感器为基准地面、第q层温度传感器靠近风机总成模块，其与单间猪舍总体的温度偏差较大、易影响最终单间猪舍总体温度的测量，因此，计算单间猪舍总体温度时，去除第一层与第q层的温度数据，具体为：

式中：T为单间猪舍的温度；由于温度在水平基准面上的偏差较小，而在垂直方向上存在差异较大、且由底面向顶部依次递减；为了兼顾猪舍的各处温度的同时消除垂直方向上温度的差异性，从而保证得到的整个猪舍的温度精准性，本申请采用去除点值与求和的方式，进而保证单间猪舍的温度精确，确保后续风机调控的精准性。

作进一步优化，所述d为2～8。

作进一步优化，所述智能调控算法，主要根据各间温度测量模块(具体为温度传感器)的测量结果T₀、T₁、…、T_N-2、T_N-1、参照预设的各间猪舍的目标温度

获取各个风机的转速r₀、r₁、…、r_M-2、r_M-1；

智能调控算法包括猪舍温度影响因子获取方法、猪舍温度损失计算方法、以及风机转速调控更新方法；

所述猪场风机转速与猪场各间猪舍温度的关系，具体为：

T_w＝W^TR+b；

式中，R表示M台风机的转速，W表示风机转速对猪舍温度影响因子、即权重矩阵；b表示偏置；

上式中，对于猪场的猪舍布局、风机布局已经固定的情况下，权重矩阵W保持不变；因此，温度变化主要受到猪舍室内外温差、季节等影响，偏置b为变化值；同时，考虑室内外温差、季节等在短时段内基本无变化，所以短时内，偏置b也为固定值，即短时间内猪场温度变化与风机转速密切相关。

作进一步优化，所述猪舍温度影响因子获取方法具体为：

S101、先将猪场所有风机的转速设置为0，保持一段时间，使得各间猪舍的温度恒定；

S102、随机选定一个风机，设置其转速为

即设定其转速为其最大转速的一半，观查各间猪舍的温度变化值，即将该选定风机视为对所有猪舍温度的影响因子，然后将该选定风机转速重置为0；

S103、重复步骤S102、遍历所有风机，计算各个风机对于各间猪舍温度的影响因子；

S104、所有风机对各间猪舍温度的影响因子按照风机对应位置进行排列，即得到权重矩阵W。

作进一步优化，所述猪舍温度损失计算方法具体为：

式中：w_i表示权重矩阵W的第i列，即表示第i间猪舍温度受第M台风机转速的影响因子；R表示M台风机的转速。

作进一步优化，所述风机转速调控更新方法具体为：

首先，采用梯度下降法对猪舍的温度损失获取风机转速的偏导，具体为：

然后，采用负阶梯值对风机转速进行更新，具体为：

式中：η表示学习率，用于控制更新步进，由大量实验统计数据获得。

在实际生产活动中、满足温度要求的情况下，能耗越少越好，作进一步优化，所述猪舍温度损失计算方法中，综合考虑温度与能耗的关系，具体为：

式中：Φ(R)表示风机转速与能耗的函数关系，为正比例函数；γ表示能耗权重；

式中：

表示为单个风机转速与能耗的关系，由不同风机产品本身决定，可以由实验室环境测量得到，或者风机产品说明书提供；

改进后的风机转速更新为：

作进一步优化，所述γ＝0.01。

作进一步优化，所述猪舍温度损失计算方法中，将适合生猪生长的温度以目标设定温度为中心划分为适宜温区、受影响温区、危险温区，从而分别描述不同温度对生猪使得生长影响程度；同时，在猪舍温度损失计算方法中、引入分段函数μ(x)对其进行优化，具体为：

其中：

式中：

表示第i个猪舍的生猪生长适宜温区；

表示第i个猪舍的生猪生长受影响温区；除上述温区之外，其他为危险温区；

改进后的风机转速调控更新方法具体为：

改进后的风机转速更新为

本发明具有如下技术效果：

本申请采用全局优化，将整个猪场的各个猪舍温度进行统一考虑，全局优化决策，使得整体最优；同时，对于同一猪场的不同猪舍，通过设置不同的目标温度，实现对于猪场养殖方案的无任何限制，既可在同一猪场养殖出不同温度适应区的品种猪，又可在同一猪场实现各个区域的温度一致性、避免不同区域的温度差异性造成生猪的生长差异，从而根据实际需求进行针对性的调控。同时，本申请采用的调控算法基于动态调控，能够适应不同布局或不同风机产品的猪场养殖场景，适用范围广，可调控能力强，

此外，本申请进一步综合考虑生猪生产活动过程中猪舍温度的适配去与能耗，从而更加贴近实际的生产生活，从而有效保证生猪的产量以及品质，有效提高经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例中单间猪舍的温度传感器(图中黑点所示)分布示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

实施例1：

一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，其特征在于：包括温度测量模块、风机总成模块与控制模块；

温度测量模块包括温度传感器与无线传输装置，温度测量模块安装于工厂内每间独立的猪舍，用于测量各间猪舍的温度；温度传感器均匀分布在各间猪舍内，如图1所示，具体为：以单间猪舍的地面为水平基准参照面竖直向上延伸、均匀设置q层温度传感器层，且每层温度传感器层(即每一层水平面层)均匀分布d个温度传感器；d为2～8，本实施例中每层采用4个温度传感器，温度传感器采用现有常见的型号，例如：CAEL-S16；

单间猪舍的温度获取具体为：首先，取单间猪舍每层温度传感器层的平均温度，依次记为

其中，/>

表示第q层d个温度传感器的平均温度；

由于第一层温度传感器为基准地面、第q层温度传感器靠近风机总成模块，其与单间猪舍总体的温度偏差较大、易影响最终单间猪舍总体温度的测量，因此，计算单间猪舍总体温度时，去除第一层与第q层的温度数据，具体为：

式中：T为单间猪舍的温度；由于温度在水平基准面上的偏差较小，而在垂直方向上存在差异较大、且由底面向顶部依次递减；为了兼顾猪舍的各处温度的同时消除垂直方向上温度的差异性，从而保证得到的整个猪舍的温度精准性，本申请采用去除点值与求和的方式，进而保证单间猪舍的温度精确，确保后续风机调控的精准性。

风机总成模块包括多个风机、风机转速控制器与无线接收装置；风机转速控制器根据无线接收装置的信号，控制所有风机的转速；风机均匀分布在猪舍上空且按照一定规律进行排布，即风机与风机之间的距离一致，风机的具体排布数量以及相邻风机之间的距离根据实际厂房大小与环境进行确定。

控制模块包括逻辑控制器与无线收发装置，无线收发装置分别与无线传输装置、无线接收装置信号连接，从而接收温度测量模块的测量温度信号、同时将风机转速信号发送至风机总成模块；逻辑控制器根据猪场的温度、运用智能调控算法获取各个风机的转速。

智能调控算法，主要根据各间温度测量模块(具体为温度传感器)的测量结果T₀、T、₁…、T_N-、₂T_N-、参照预设的各间猪舍的目标温度

获取各个风机的转速r₀、r₁、…、r_M-2、r_M-1；

智能调控算法包括猪舍温度影响因子获取方法、猪舍温度损失计算方法、以及风机转速调控更新方法；

猪场风机转速与猪场各间猪舍温度的关系，具体为：

T_w＝W^TR+b；

式中，R表示M台风机的转速，W表示风机转速对猪舍温度影响因子、即权重矩阵；b表示偏置；

上式中，对于猪场的猪舍布局、风机布局已经固定的情况下，权重矩阵W保持不变；因此，温度变化主要受到猪舍室内外温差、季节等影响，偏置b为变化值；同时，考虑室内外温差、季节等在短时段内基本无变化，所以短时内，偏置b也为固定值，即短时间内猪场温度变化与风机转速密切相关。

猪舍温度影响因子获取方法具体为：

S101、先将猪场所有风机的转速设置为0，保持一段时间，使得各间猪舍的温度恒定；

S102、随机选定一个风机，设置其转速为

即设定其转速为其最大转速的一半，观查各间猪舍的温度变化值，即将该选定风机视为对所有猪舍温度的影响因子，然后将该选定风机转速重置为0；

S103、重复步骤S102、遍历所有风机，计算各个风机对于各间猪舍温度的影响因子；

S104、所有风机对各间猪舍温度的影响因子按照风机对应位置进行排列，即得到权重矩阵W。

猪舍温度损失计算方法具体为：

式中：w_i表示权重矩阵W的第i列，即表示第i间猪舍温度受第M台风机转速的影响因子；R表示M台风机的转速。

风机转速调控更新方法具体为：

首先，采用梯度下降法对猪舍的温度损失获取风机转速的偏导，具体为：

然后，采用负阶梯值对风机转速进行更新，具体为：

式中：η表示学习率，用于控制更新步进，由大量实验统计数据获得。

实施例2：

作为对本申请方案的进一步优化，在实施例1方案的基础上，考虑到实际生产活动中、满足温度要求的情况下，能耗越少越好，猪舍温度损失计算方法中，综合考虑温度与能耗的关系，具体为：

式中：Φ(R)表示风机转速与能耗的函数关系，为正比例函数；γ表示能耗权重且γ＝0.01；

式中：

表示为单个风机转速与能耗的关系，由不同风机产品本身决定，可以由实验室环境测量得到，或者风机产品说明书提供；

改进后的风机转速更新为：

实施例3：

作为对本申请方案的进一步优化，在实施例2方案的基础上，在猪舍温度损失计算方法中，将适合生猪生长的温度以目标设定温度为中心划分为适宜温区、受影响温区、危险温区，从而分别描述不同温度对生猪使得生长影响程度；同时，在猪舍温度损失计算方法中、引入分段函数μ(x)对其进行优化，具体为：

其中：

式中：

表示第i个猪舍的生猪生长适宜温区；

表示第i个猪舍的生猪生长受影响温区；除上述温区之外，其他为危险温区；

改进后的风机转速调控更新方法具体为：

改进后的风机转速更新为

Claims (7)

1.一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，其特征在于：包括温度测量模块、风机总成模块与控制模块；

所述温度测量模块包括温度传感器与无线传输装置，温度测量模块安装于工厂内每间独立的猪舍；

所述风机总成模块包括多个风机、风机转速控制器与无线接收装置；风机转速控制器根据无线接收装置的信号，控制所有风机的转速；

所述控制模块包括逻辑控制器与无线收发装置，无线收发装置分别与无线传输装置、无线接收装置信号连接；逻辑控制器根据猪场的温度、运用智能调控算法获取各个风机的转速。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，其特征在于：所述温度传感器均匀分布在各间猪舍内，具体为：以单间猪舍的地面为水平基准参照面竖直向上延伸、均匀设置q层温度传感器层，且每层温度传感器层均匀分布d个温度传感器；

单间猪舍的温度获取具体为：首先，取单间猪舍每层温度传感器层的平均温度，依次记为

其中，/>

表示第q层d个温度传感器的平均温度；

由于第一层温度传感器为基准地面、第q层温度传感器靠近风机总成模块，其与单间猪舍总体的温度偏差较大、易影响最终单间猪舍总体温度的测量，因此，计算单间猪舍总体温度时，去除第一层与第q层的温度数据，具体为：

式中：T为单间猪舍的温度。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，其特征在于：所述智能调控算法，主要根据各间温度测量模块(具体为温度传感器)的测量结果T₀、T₁、…、T_N-2、T_N-1、参照预设的各间猪舍的目标温度

获取各个风机的转速r₀、r₁、…、r_M-2、r_M-1；

智能调控算法包括猪舍温度影响因子获取方法、猪舍温度损失计算方法、以及风机转速调控更新方法；

所述猪场风机转速与猪场各间猪舍温度的关系，具体为：

T_w＝W^TR+b；

式中，R表示M台风机的转速，W表示风机转速对猪舍温度影响因子、即权重矩阵；b表示偏置。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，其特征在于：所述猪舍温度影响因子获取方法具体为：

S101、先将猪场所有风机的转速设置为0，保持一段时间，使得各间猪舍的温度恒定；

S102、随机选定一个风机，设置其转速为

即设定其转速为其最大转速的一半，观查各间猪舍的温度变化值，即将该选定风机视为对所有猪舍温度的影响因子，然后将该选定风机转速重置为0；

S103、重复步骤S102、遍历所有风机，计算各个风机对于各间猪舍温度的影响因子；

S104、所有风机对各间猪舍温度的影响因子按照风机对应位置进行排列，即得到权重矩阵W。

5.根据权利要求4所述的一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，其特征在于：所述猪舍温度损失计算方法具体为：

式中：w_i表示权重矩阵W的第i列，即表示第i间猪舍温度受第M台风机转速的影响因子；R表示M台风机的转速。

6.根据权利要求5所述的一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，其特征在于：所述风机转速调控更新方法具体为：

首先，采用梯度下降法对猪舍的温度损失获取风机转速的偏导，具体为：

然后，采用负阶梯值对风机转速进行更新，具体为：

式中：η表示学习率，用于控制更新步进，由大量实验统计数据获得。

7.根据权利要求6所述的一种基于智能全局优化的猪场通风动态调控***，其特征在于：所述猪舍温度损失计算方法中，综合考虑温度与能耗的关系，具体为：

式中：Φ(R)表示风机转速与能耗的函数关系，为正比例函数；γ表示能耗权重；

式中：

表示为单个风机转速与能耗的关系，由不同风机产品本身决定，可以由实验室环境测量得到，或者风机产品说明书提供；

改进后的风机转速更新为：

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