水肥浓度智能感知与精准配比系统研制与试验.pdf

2020 年6 月 第2 卷 第2 期 Jun 2020 Vol 2 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 研 制 与 试 验 金 洲 1 4 张 俊 卿 1 2 4 郭 红 燕 1 4 胡 宜 敏 1 4 陈 翔 宇 1 4 黄 河 1 4 王 红 艳 3 1 中 国 科 学 院 合 肥 物 质 科 学 研 究 院 智 能 机 械 研 究 所 安 徽 合 肥 2 3 0 0 3 1 2 中 国 科 学 技 术 大 学 安 徽 合 肥 2 3 0 0 2 6 3 宁 夏 农 业 物 联 网 工 程 技 术 研 究 中 心 宁 夏 银 川 7 5 0 0 0 0 4 安 徽 省 智 慧 农 业 工 程 实 验 室 安 徽 合 肥 2 3 0 0 3 1 摘 要 为 解 决 农 场 当 地 当 时 的 复 合 肥 料 精 准 化 配 料 问 题 本 研 究 将 水 肥 一 体 化 智 能 灌 溉 施 肥 系 统 作 为 研 究 对 象 构 建 了 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 首 先 提 出 现 场 在 线 水 肥 溶 液 智 能 感 知 模 型 的 快 速 建 立 方 法 利 用 数 据 分 析 算 法 从 传 感 器 实 时 监 测 的 一 系 列 浓 度 梯 度 的 肥 料 溶 液 中 挖 掘 出 模 型 其 次 基 于 上 述 模 型 设 计 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 的 框 架 结 构 阐 述 系 统 工 作 原 理 并 通 过 三 种 水 体 模 拟 在 线 配 肥 验 证 了 该 系 统 原 位 指 导 水 肥 浓 度 配 比 的 有 效 性 同 时 评 价 了 水 体 电 导 率 对 水 肥 配 比 浓 度 的 干 扰 试 验 结 果 表 明 正 则 化 条 件 下 二 阶 的 多 项 式 拟 合 曲 线 是 表 达 溶 液 电 导 率 与 水 肥 浓 度 的 变 化 关 系 最 优 的 模 型 相 关 系 数 R 2 均 大 于 0 9 9 9 由 此 模 型 可 得 出 用 户 关 心 的 复 合 肥 各 指 标 浓 度 三 种 水 体 模 拟 在 线 配 肥 结 果 表 明 水 体 会 干 扰 电 导 率 导 致 无 法 准 确 反 演 水 肥 配 比 的 浓 度 相 对 偏 差 值 超 过 了 0 1 因 此 本 研 究 提 出 的 在 线 水 肥 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 实 现 了 消 除 当 地 水 体 电 导 率 对 水 肥 配 比 准 确 性 的 干 扰 通 过 模 型 计 算 实 现 复 合 肥 精 准 化 配 比 并 得 出 各 指 标 浓 度 该 系 统 结 构 简 单 配 比 精 准 易 与 现 有 水 肥 一 体 机 或 者 人 工 配 肥 系 统 结 合 使 用 可 广 泛 应 用 于 设 施 农 业 栽 培 果 园 栽 培 和 大 田 经 济 作 物 栽 培 等 环 境 下 的 精 准 智 能 施 肥 关 键 词 水 肥 一 体 化 电 导 率 感 知 精 准 配 比 系 统 建 模 多 项 式 拟 合 中 图 分 类 号 S 2 3 7 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 2 0 2 0 0 3 S A 0 1 2 引 文 格 式 金 洲 张 俊 卿 郭 红 燕 胡 宜 敏 陈 翔 宇 黄 河 王 红 艳 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 研 制 与 试 验 J 智 慧 农 业 中 英 文 2020 2 2 82 93 JIN Zhou ZHANG Junqing GUO Hongyan HUYimin CHEN Xiangyu HUANG He WANG Hongyan Develop ment and testing of intelligent sensing and precision proportioning system of water and fertilizer concentration J SmartAgriculture 2020 2 2 82 93 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 在 现 代 农 业 生 产 中 将 灌 溉 与 施 肥 结 合 一 同 作 用 于 作 物 根 系 的 水 肥 一 体 化 技 术 已 逐 渐 成 为 趋 势 自 动 灌 溉 施 肥 技 术 被 认 为 是 当 今 世 界 提 高 养 分 利 用 率 的 最 有 效 方 法 之 一 1 灌 溉 施 肥 的 主 要 优 点 是 施 肥 均 匀 准 确 可 以 稳 定 且 高 精 度 地 控 制 灌 水 量 施 肥 量 施 肥 时 间 等 参 数 从 而 提 高 水 肥 的 利 用 效 率 避 免 肥 料 施 在 较 干 的 表 土 层 引 起 挥 发 损 失 溶 解 慢 最 终 导 致 肥 效 发 挥 慢 的 问 doi 10 12133 j smartag 2020 2 2 202003 SA012 收 稿 日 期 2020 03 31 修 订 日 期 2020 05 20 基 金 项 目 宁 夏 智 慧 农 业 产 业 技 术 协 同 创 新 中 心 建 设 任 务 2017DC53 宁 夏 智 慧 农 业 关 键 技 术 研 究 与 集 成 示 范 项 目 2017BY067 安 徽 省 自 然 科 学 基 金 青 年 项 目 1908085QE202 合 肥 研 究 院 院 长 基 金 青 年 火 花 项 目 YZJJ2019QN14 作 者 简 介 金 洲 1985 男 博 士 助 理 研 究 员 研 究 方 向 为 农 业 信 息 化 与 数 据 挖 掘 E mail jinzhou 通 讯 作 者 1 陈 翔 宇 1988 男 博 士 助 理 研 究 员 研 究 方 向 为 农 业 传 感 器 电 话 0551 65591131 E mail cxy0910 2 黄 河 1980 男 博 士 副 研 究 员 研 究 方 向 为 大 数 据 与 智 慧 农 业 电 话 0551 65591131 E mail hhuang 金 洲 等 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 研 制 与 试 验 Vol 2 No 2 题 既 节 约 氮 肥 又 有 利 于 环 境 保 护 水 肥 一 体 化 技 术 已 广 泛 应 用 于 设 施 农 业 栽 培 2 果 园 栽 培 3 和 棉 花 等 大 田 作 物 栽 培 4 以 及 经 济 效 益 较 好 的 其 他 作 物 5 栽 培 并 取 得 了 显 著 的 经 济 和 社 会 效 益 6 因 此 研 发 与 推 广 高 效 的 水 肥 一 体 化 技 术 具 有 重 要 的 应 用 价 值 水 肥 一 体 机 的 相 继 面 世 并 通 过 不 断 升 级 优 化 机 械 结 构 显 著 减 少 了 人 力 提 升 了 生 产 效 率 7 然 而 传 统 水 肥 机 无 法 在 配 比 过 程 中 获 取 水 肥 浓 度 信 息 因 而 无 法 实 现 水 肥 自 动 精 确 配 比 也 无 法 实 现 肥 料 减 施 近 几 年 智 能 化 水 肥 一 体 机 通 过 添 加 水 和 肥 料 的 流 量 传 感 器 用 以 控 制 水 肥 的 加 入 比 例 试 图 间 接 感 知 水 肥 浓 度 从 而 提 升 肥 料 的 利 用 率 水 平 8 此 类 方 法 通 过 实 现 灌 溉 液 的 动 态 调 节 从 而 达 到 节 水 增 效 的 目 的 学 者 和 科 研 人 员 在 智 能 水 肥 一 体 化 灌 溉 施 肥 方 面 做 了 很 多 工 作 王 成 9 韦 立 德 10 和 韩 启 彪 11 分 别 对 传 统 灌 溉 施 肥 系 统 进 行 了 研 究 和 优 化 使 得 传 统 施 肥 器 能 够 直 接 适 用 于 灌 溉 施 肥 自 动 控 制 系 统 付 强 等 12 刘 永 华 等 13 赵 景 波 等 14 和 吴 琦 等 15 从 智 能 调 控 设 备 智 能 吸 肥 设 备 和 智 能 施 肥 算 法 等 不 同 方 面 开 展 智 能 水 肥 一 体 化 灌 溉 施 肥 的 研 究 显 著 提 升 了 传 统 水 肥 一 体 化 灌 溉 施 肥 系 统 的 智 能 化 水 平 Yermiyahu 等 16 在 以 色 列 利 用 传 感 器 网 络 对 作 物 水 肥 状 况 进 行 远 程 监 控 实 现 了 一 体 化 的 灌 溉 和 施 肥 Pawlowski 等 17 在 西 班 牙 基 于 事 件 的 温 室 灌 溉 过 程 预 测 控 制 方 案 建 立 了 含 水 量 模 型 触 发 作 物 灌 溉 施 肥 系 统 完 成 精 准 水 肥 施 用 Jayakumar 等 18 在 印 度 南 部 研 究 了 椰 子 的 生 长 参 数 与 自 动 喷 滴 灌 系 统 的 关 联 程 度 研 制 出 了 高 性 能 的 椰 子 灌 溉 施 肥 设 施 这 些 工 作 针 对 具 体 作 物 和 特 殊 场 景 进 行 了 优 化 但 缺 乏 普 适 性 不 具 有 良 好 的 推 广 性 智 能 灌 溉 施 肥 硬 件 也 取 得 了 一 定 发 展 水 肥 一 体 化 设 备 主 要 有 以 色 列 的Ne tajet 自 动 灌 溉 施 肥 机 Fertijet 施 肥 机 19 国 内 的 WGF 6 12 自 动 施 肥 机 20 SYJ 2 型 液 肥 变 量 施 肥 机 21 和 旁 路 吸 肥 式 自 动 施 肥 机 22 等 推 动 节 水 灌 溉 与 施 肥 于 一 体 的 新 型 农 业 技 术 的 应 用 和 发 展 然 而 这 些 自 动 施 肥 机 需 要 对 农 场 的 灌 溉 设 施 进 行 升 级 改 造 成 本 巨 大 后 期 维 护 成 本 也 较 高 物 联 网 云 计 算 和 人 工 智 能 的 快 速 发 展 给 水 肥 一 体 化 灌 溉 施 肥 带 来 了 新 的 思 路 和 方 法 23 赵 进 等 24 研 制 了 一 种 基 于 物 联 网 远 程 控 制 技 术 水 肥 一 体 化 智 能 系 统 将 物 联 网 远 程 控 制 技 术 引 入 水 肥 一 体 技 术 江 新 兰 等 25 研 制 了 基 于 两 线 解 码 技 术 的 水 肥 一 体 化 灌 溉 系 统 降 低 了 系 统 控 制 结 构 复 杂 度 骆 东 松 和 姜 浩 26 设 计 了 农 业 水 肥 一 体 化 智 能 监 测 系 统 利 用 物 联 网 和 传 感 器 技 术 实 现 了 远 程 灌 溉 和 施 肥 姜 岩 等 27 28 将 农 业 专 家 系 统 与 物 联 网 技 术 结 合 提 出 了 基 于 专 家 系 统 的 水 肥 智 能 系 统 优 化 了 氮 肥 磷 肥 钾 肥 的 配 比 然 而 以 上 智 能 化 水 肥 一 体 机 主 要 针 对 氮 磷 钾 的 单 一 肥 料 种 类 而 农 户 实 际 上 采 用 的 是 肥 料 厂 家 生 产 的 复 合 水 溶 肥 建 立 不 同 肥 料 输 入 和 输 出 装 置 进 行 配 肥 不 仅 增 加 管 路 系 统 的 复 杂 性 也 显 著 提 高 了 成 本 同 时 农 户 为 降 低 成 本 倾 向 于 采 用 当 地 自 然 水 体 进 行 配 肥 因 此 针 对 复 合 肥 料 和 当 地 水 体 直 接 原 位 准 确 地 感 知 配 比 各 环 节 中 水 肥 浓 度 从 而 精 确 调 控 水 和 肥 的 比 例 对 显 著 提 升 肥 料 利 用 率 具 有 重 要 现 实 意 义 本 研 究 首 先 以 水 肥 一 体 化 智 能 灌 溉 施 肥 系 统 作 为 研 究 对 象 针 对 农 场 当 地 当 时 的 复 合 肥 料 精 准 化 配 料 需 求 创 新 性 地 提 出 可 用 于 现 场 的 水 肥 浓 度 智 能 感 知 和 精 准 配 比 思 想 从 水 肥 浓 度 智 能 感 知 方 法 水 肥 浓 度 智 能 感 知 建 模 水 肥 浓 度 智 能 感 知 和 精 准 配 比 系 统 等 几 个 方 面 进 行 了 深 入 研 究 提 出 了 一 级 原 位 水 肥 浓 度 建 模 子 系 统 与 二 级 水 肥 精 准 配 比 子 系 统 的 结 构 其 中 一 级 原 位 水 肥 浓 度 建 模 集 成 了 非 接 触 式 电 导 传 感 器 用 以 感 知 水 肥 浓 度 构 建 了 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 并 利 用 数 据 分 析 算 法 从 传 感 器 实 时 监 测 的 一 系 列 浓 度 梯 度 的 肥 料 溶 液 中 挖 掘 出 最 优 模 型 其 次 设 计 了 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 的 框 架 结 构 通 过3 种 水 体 模 拟 在 线 配 肥 验 证 了 系 8 3Vol 2 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 统 的 有 效 性 同 时 评 价 了 水 体 电 导 率 对 水 肥 配 比 浓 度 的 干 扰 本 研 究 提 出 的 在 线 水 肥 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 具 有 系 统 结 构 简 单 水 肥 配 比 精 准 成 本 低 等 优 势 易 与 现 有 水 肥 一 体 机 或 者 人 工 配 肥 系 统 结 合 使 用 可 广 泛 应 用 于 设 施 农 业 栽 培 果 园 栽 培 和 大 田 经 济 作 物 栽 培 等 环 境 下 的 精 准 配 比 和 智 能 施 肥 具 有 实 际 应 用 推 广 价 值 2 试 验 设 计 与 方 案 2 1 仪 器 与 试 剂 水 肥 感 知 与 配 比 模 型 试 验 所 需 仪 器 和 设 备 MSP60 3A 注 射 泵 慧 宇 伟 业 北 京 流 体 设 备 有 限 公 司 雷 磁DDSJ 308A 型 电 导 率 仪 带 两 支 铂 黑 电 导 率 探 头 电 极 常 数 和 量 程 分 别 为k 0 957 2 20 000 S cm k 10 57 2 200mS cm 上 海 仪 电 科 学 仪 器 股 份 有 限 公 司 分 析 天 平 北 京 赛 多 利 斯 仪 器 公 司 超 声 波 清 洗 器 昆 山 市 超 声 仪 器 有 限 公 司 水 肥 感 知 与 配 比 模 型 试 验 所 需 试 剂 和 材 料 芭 田 水 溶 肥 料13 6 40 深 圳 市 芭 田 生 态 工 程 股 份 有 限 公 司 芭 田 水 溶 肥 料20 20 20 深 圳 市 芭 田 生 态 工 程 股 份 有 限 公 司 超 纯 水 18 25 M cm 150mm 定 量 滤 纸 生 工 生 物 工 程 上 海 股 份 有 限 公 司 水 样 采 集 与 前 处 理 采 集 安 徽 省 合 肥 市 董 铺 水 库 水 体 用 定 量 滤 纸 进 行 过 滤 滤 液 作 为 水 肥 在 线 配 比 试 验 的 水 库 水 直 接 收 集 安 徽 省 合 肥 市 自 来 水 厂 市 政 供 水 作 为 自 来 水 体 2 2 试 验 方 案 为 解 决 农 场 复 合 肥 料 精 准 化 配 料 问 题 本 研 究 建 立 如 图1 所 示 的 试 验 方 案 将 复 合 肥 料 进 行 标 准 化 检 验 获 得 各 项 指 标 的 具 体 数 值 在 实 验 室 采 用 纯 水 配 置 一 系 列 浓 度 梯 度 的 复 合 肥 溶 液 进 行 电 导 率 测 试 试 验 获 取 的 电 导 率 数 据 进 行 水 肥 感 知 模 型 构 建 通 过 回 归 拟 合 筛 选 出 最 优 模 型 设 计 搭 建 硬 件 水 肥 精 准 配 比 硬 件 系 统 采 集 自 然 水 体 在 硬 件 系 统 中 通 过 先 投 肥 料 再 持 续 加 液 的 方 式 模 拟 农 场 复 合 肥 料 配 比 在 每 个 浓 度 特 征 点 即 时 采 集 水 肥 溶 液 中 电 导 率 参 数 通 过 筛 选 出 的 最 优 模 型 指 导 自 然 水 体 配 肥 的 模 型 校 验 并 进 行 模 型 评 价 标 准 数 值 建 立 试 验 选 取 同 一 批 次 的 两 种 芭 田 水 溶 肥 料 各 称 取500 g 水 溶 肥 料 样 品 送 检 至 安 徽 省 产 品 质 量 监 督 检 验 研 究 院 委 托 对 肥 料 中 总 氮 N 五 氧 化 二 磷 P 2 O 5 氧 化 钾 K 2 O 等 指 标 按 照NY1107 2010 标 准 进 行 检 验 各 指 标 的 检 验 值 作 为 建 立 水 肥 浓 度 智 能 感 知 模 型 的 基 准 水 肥 模 型 建 立 试 验 的 前 处 理 分 别 称 取 两 种 水 溶 肥 料 超 纯 水 定 容 放 入 超 声 波 清 洗 器 内 溶 解 分 别 配 比 成 一 系 列 浓 度 梯 度 的 待 测 溶 液 为 了 贴 近 农 业 生 产 实 际 配 比 值 依 据 复 合 肥 厂 家 对 不 同 作 物 施 肥 的 配 比 建 议 并 在 此 基 础 上 适 当 扩 大 梯 度 范 围 确 保 农 户 施 肥 的 配 比 值 被 标 准 曲 线 覆 盖 试 验 中 的 肥 料 与 水 的 配 比 浓 度 梯 度 选 用 为 1 50 1 100 1 150 1 200 1 250 1 300 1 400 和1 500 共 计8 个 浓 度 水 平 电 导 率 测 试 试 验 体 系 中 引 入 温 度 电 极 对 电 导 率 测 试 数 据 进 行 修 正 保 证 试 验 装 置 可 以 适 用 于 现 场 检 测 试 验 过 程 中 将 温 度 补 偿 电 极 与 铂 黑 电 导 率 探 头 一 起 依 次 插 入 待 测 溶 液 中 待 测 量 值 稳 定 进 行 读 数 测 试 样 品 之 间 用 纯 水 反 复 冲 洗 电 导 率 探 头 并 擦 干 吹 干 确 保 无 交 叉 污 染 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 试 验 为 了 探 究 自 然 水 体 对 水 肥 智 能 配 比 系 统 的 影 响 并 图 1 试 验 方 案 技 术 路 线 Fig 1 Technicalrouteoftestscheme 8 4金 洲 等 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 研 制 与 试 验 Vol 2 No 2 在 后 台 系 统 中 修 正 水 体 本 身 电 导 率 引 入 的 误 差 试 验 体 系 设 计 三 种 不 同 水 体 进 行 配 肥 试 验 测 试 对 比 三 种 水 体 分 别 为 安 徽 省 合 肥 市 董 铺 水 库 水 过 滤 后 的 滤 液 合 肥 蜀 山 区 自 来 水 和 超 纯 水 分 别 采 用 带 有 温 度 补 偿 的 电 导 率 电 极 进 行 电 导 率 测 试 在 实 验 室 环 境 模 拟 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 的 原 位 使 用 试 验 时 三 种 水 体 的 水 温 均 为17 将MSP60 3A 型 注 射 泵 的 进 口 管 路 插 入 试 验 水 体 的 桶 中 出 口 管 路 放 置 在 配 肥 池 的 烧 杯 内 壁 称 取2 g 芭 田13 40 6 水 溶 肥 料 加 入 烧 杯 内 温 度 补 偿 电 极 与 铂 黑 电 导 率 插 入 烧 杯 内 试 验 时 注 射 泵 每 次 自 动 注 入50mL 容 量 的 试 验 水 体 每 次 注 入 间 隔 为60 s 用 以 搅 拌 均 匀 与 电 导 率 读 数 2 3 水 肥 浓 度 智 能 感 知 方 法 智 能 感 知 是 根 据 多 传 感 器 所 提 供 的 多 源 信 息 经 过 智 能 信 息 分 析 和 处 理 实 现 对 环 境 和 对 象 的 认 知 从 而 使 基 于 经 验 判 断 和 智 能 处 理 的 决 策 成 为 可 能 现 代 智 能 感 知 系 统 的 首 要 任 务 是 从 各 种 传 感 信 息 中 抽 取 对 象 的 各 种 特 征 并 利 用 对 象 的 特 征 信 息 来 确 定 目 标 和 环 境 的 属 性 构 建 特 征 和 目 标 属 性 的 关 系 模 型 从 而 完 成 智 能 感 知 的 完 整 过 程 针 对 复 合 肥 料 配 比 中 的 快 速 智 能 感 知 问 题 本 研 究 提 出 一 种 新 的 思 路 通 过 提 前 建 立 当 时 当 地 复 合 肥 关 键 特 征 与 水 溶 肥 浓 度 关 系 的 模 型 后 期 在 实 际 水 肥 配 比 工 作 中 基 于 模 型 即 可 准 确 得 知 配 肥 池 中 氮 磷 钾 各 指 标 的 浓 度 因 此 需 首 先 探 究 如 何 合 理 地 构 建 复 合 肥 料 配 比 的 智 能 感 知 模 型 本 研 究 将 温 度 补 偿 电 极 与 铂 黑 电 导 率 探 头 用 于 快 速 感 知 时 序 变 化 的 水 肥 溶 液 浓 度 特 征 信 息 依 据 电 导 率 值 变 化 进 行 水 肥 控 制 是 水 肥 一 体 化 的 有 效 方 法 29 实 时 提 取 水 肥 溶 液 的 电 导 率 值 作 为 关 键 特 征 信 息 当 水 肥 溶 液 的 关 键 特 征 被 获 取 后 实 时 利 用 后 台 参 数 拟 合 算 法 学 习 出 当 时 当 地 采 用 复 合 肥 预 测 水 肥 浓 度 的 回 归 模 型 再 通 过 模 型 准 确 得 知 配 肥 池 中 的 氮 磷 钾 各 项 指 标 浓 度 为 了 对 比 评 价 原 位 水 肥 浓 度 智 能 感 知 模 型 建 立 的 准 确 性 本 研 究 重 点 是 通 过 分 析 不 同 阶 数 和 不 同 正 则 化 项 的 回 归 模 型 建 立 水 肥 浓 度 与 电 导 率 的 关 系 确 定 水 肥 浓 度 智 能 感 知 模 型 的 最 佳 表 达 形 式 基 于 统 计 回 归 分 析 每 种 水 肥 的 浓 度 对 溶 液 的 电 导 率 变 化 规 律 可 用 曲 线 函 数 表 示 为 f x w 0 w 1 x w 2 x 2 w n x n 1 其 中 f x 代 表 水 肥 浓 度 g L x 代 表 电 导 率 值 mS cm w 0 w 1 w n 为 函 数 拟 合 后 的 系 数 本 研 究 通 过 两 种 方 法 对 系 数 进 行 求 解 第 一 种 是 根 据 常 规 分 析 测 定 中 标 准 曲 线 回 归 的 方 法 进 行 多 项 式 回 归 拟 合 即 利 用 函 数f x 去 拟 合 水 肥 试 验 数 据 并 使 得 损 失 函 数h x 最 小 其 中h x 可 以 表 示 为 h x 1 n i 1 n f x i y i 2 2 其 中 n 为 试 验 水 肥 浓 度 测 试 值 数 量 y i 为 试 验 实 际 测 试 的 水 肥 浓 度 值 g L 第 二 种 是 引 入 正 则 化 项 变 量 过 多 的 时 候 曲 线 能 很 好 地 拟 合 训 练 数 据 但 是 这 样 的 曲 线 会 出 现 过 拟 合 现 象 导 致 它 无 法 泛 化 到 新 的 数 据 样 本 中 此 方 法 利 用 系 数w i 构 造 一 个 惩 罚 函 数 实 现 对 变 量 的 选 择 正 则 化 的 损 失 函 数h w x 一 般 可 以 表 示 为 h w x 1 n i 1 n f x i y i 2 g w i 3 其 中 正 则 化 项g w i 可 以 是 模 型 参 数 向 量 的 范 数 通 常 用 的 有L 1 范 数 和L 2 范 数 基 于 水 肥 浓 度 与 电 导 率 拟 合 曲 线 融 入 复 合 肥 料N P 2 O 5 和K 2 O 的 基 准 标 准 数 值 分 别 拟 合 出 水 肥 中N P 2 O 5 和K 2 O 各 指 标 浓 度 与 电 导 率 的 关 系 式 y i d i f x 0 1 x 2 x 2 n x n 4 其 中 y i 代 表N P 2 O 5 和K 2 O 各 项 指 标 的 浓 度 g L x 代 表 电 导 率 值 mS cm d i 代 表 经 过 标 准 化 检 测 的 各 项 指 标 的 含 量 百 分 比 基 准 值 0 1 n 分 别 为 各 项 指 标 函 数 拟 合 后 的 系 数 8 5Vol 2 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 3 试 验 结 果 与 讨 论 3 1 复 合 肥 料 检 验 值 为 了 更 精 确 地 评 价 不 同 回 归 曲 线 委 托 安 徽 省 产 品 质 量 监 督 检 验 研 究 院 对 本 研 究 采 购 的 两 种 水 溶 肥 进 行 了 标 准 化 检 测 两 种 水 溶 复 合 肥N P 2 O 5 及K 2 O 含 量 的 详 细 数 据 展 示 在 表1 中 这 些 数 据 将 作 为 基 准 值 3 2 水 肥 浓 度 智 能 感 知 模 型 构 建 针 对 复 合 肥 料 配 比 中 的 智 能 感 知 问 题 研 究 通 过 感 知 每 种 复 合 肥 料 配 比 中 关 键 浓 度 点 建 立 电 导 率 与 水 溶 肥 浓 度 关 系 的 回 归 模 型 的 方 法 来 实 现 本 节 探 讨 构 建 复 合 肥 料 配 比 的 智 能 感 知 模 型 的 合 理 性 表2 是 采 用 的 两 种 肥 料 在8 个 浓 度 水 平 下 的 电 导 率 检 测 结 果 这 些 关 键 特 征 浓 度 点 为 建 立 回 归 模 型 提 供 支 持 表2 结 果 表 明 溶 液 电 导 率 和 溶 液 浓 度 呈 正 相 关 浓 度 越 大 电 导 率 越 高 根 据 水 肥 浓 度 智 能 感 知 方 法 对 两 种 肥 料 进 行 不 同 阶 的 曲 线 拟 合 溶 液 的 电 导 率 与 水 肥 浓 度 的 变 化 关 系 可 以 分 别 用 图2 的 不 同 曲 线 进 行 描 述 图2 a 和 图2 b 分 别 是 芭 田20 20 20 和 芭 田13 6 40 两 种 水 肥 溶 液 浓 度 的 多 项 式 拟 合 曲 线 溶 液 的 电 导 率 对 肥 料 浓 度 变 化 关 系 由1 阶 到 6 阶 的 曲 线 图 和 对 应 相 关 指 数R 2 表 示 由 结 果 可 见 曲 线 的 相 关 指 数R 2 大 于0 95 均 达 到 显 著 水 平 一 阶 到 二 阶 拟 合 曲 线 的 相 关 指 数R 2 从0 995 到0 999 有 明 显 提 高 说 明 二 阶 拟 合 曲 线 对 比 一 阶 拟 合 曲 线 的 精 度 更 高 拟 合 度 更 好 更 接 近 实 际 浓 度 多 项 式 阶 数 的 进 一 步 增 加 相 关 指 数 没 有 显 著 变 化 而 且 随 着 阶 数 和 样 本 特 征 增 加 当 样 本 数 相 对 较 少 时 上 图 中 的 高 阶 曲 线 拟 合 过 程 容 易 使 得 模 型 陷 入 过 拟 合 为 缓 解 过 拟 合 问 题 本 研 究 采 用 第 二 种 方 法 对 芭 田13 40 6 水 肥 溶 液 不 同 阶 的 曲 线 拟 合 即 引 入 正 则 化 项 最 终 目 标 函 数 在 平 均 损 失 函 数 上 增 加 不 同 的 正 则 化 项 从 而 选 择 模 型 误 差 和 模 型 表 1 两 种 水 溶 肥 的 各 指 标 的 检 验 值 Table1 Indexoftestingvaluesoftwowater solublefertilizer 肥 料 名 称 芭 田20 20 20 芭 田13 6 40 N 含 量 20 5 12 5 P 2 O 5 含 量 19 5 7 5 K 2 O 含 量 19 8 39 7 表 2 两 种 水 溶 肥 在 不 同 浓 度 下 电 导 率 Table2 Conductivityvaluesoftwowater solublefertilizer atdifferentconcentrations 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 水 溶 肥 浓 度 g L 1 20 00 10 00 6 67 5 00 4 00 3 33 2 50 2 00 芭 田20 20 20 电 导 率 mS cm 1 9 637 0 019 5 340 0 014 3 817 0 009 2 903 0 005 2 547 0 005 2 023 0 009 1 730 0 003 1 427 0 001 芭 田13 6 40 电 导 率 mS cm 1 17 747 0 076 9 737 0 019 7 003 0 045 5 313 0 038 4 227 0 019 3 693 0 009 2 347 0 033 2 017 0 012 图 2 两 种 水 肥 多 项 式 曲 线 拟 合 Fig 2 Polynomialcurvefittingoftwowater solublefertilizer 8 6金 洲 等 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 研 制 与 试 验 Vol 2 No 2 复 杂 度 同 时 较 小 的 模 型 如 图3 所 示 芭 田13 40 6 多 项 式 回 归 的 基 础 上 对 目 标 函 数 正 则 化 分 别 利 用L 1 范 数 L 1 范 数 结 合L 2 范 数 建 立 多 项 式 回 归 的 正 则 项 对 应 的 损 失 函 数 分 别 是 h a w x 1 n i 1 n f x i y i 2 w i 1 5 h b w x 1 n i 1 n f x i y i 2 p w i 1 1 p w i 2 6 其 中 0 p 0 1 分 别 表 示L 1 范 数 的 系 数 和L 1 范 数 的 权 重 肥 料 进 行 不 同 阶 的 曲 线 拟 合 损 失 函 数 正 则 化 后 的 拟 合 曲 线 如 图 2 所 示 正 则 化 项 是 多 项 式 系 数 的 单 调 递 增 函 数 最 小 化 损 失 函 数 的 过 程 中 经 验 风 险 越 小 模 型 偏 差 越 小 而 复 杂 度 越 高 模 型 越 复 杂 正 则 化 项 取 值 越 大 从 而 限 制 模 型 的 复 杂 度 对 比 正 则 化 前 后 的 曲 线 图2 a 图3 a 和 图3 b 随 着 多 项 式 阶 数 的 增 加 标 准 多 项 式 拟 合 曲 线 图2 a 存 在 偏 离 而 正 则 化 后 的 多 项 式 拟 合 曲 线 图3 a 和 图3 b 在 高 阶 拟 合 曲 线 情 况 下 正 则 化 取 值 增 大 模 型 变 量 受 到 限 制 避 免 了 过 拟 合 现 象 的 出 现 综 合 不 同 多 项 式 拟 合 曲 线 的 结 果 正 则 化 条 件 下 二 阶 的 多 项 式 拟 合 曲 线 在 数 据 经 度 模 型 复 杂 度 和 鲁 棒 性 方 面 是 水 肥 浓 度 智 能 感 知 模 型 的 最 优 表 达 形 式 实 际 的 拟 合 曲 线 函 数 和 其 养 分 指 标 关 系 式 分 别 如 下 芭 田13 40 6 浓 度 y 0 3004 0 8066x 0 0172x 2 7 芭 田13 40 6N 浓 度 y 0 0375 0 1008x 0 0022x 2 8 芭 田13 40 6P 2 O 5 浓 度 y 0 0225 0 0605x 0 0013x 2 9 芭 田13 40 6K 2 O 浓 度 y 0 1193 0 3202x 0 0068x 2 10 芭 田20 20 20 浓 度 y 0 6206 1 7889x 0 0364x 2 11 芭 田20 20 20N 浓 度 y 0 1272 0 3667x 0 0075x 2 12 芭 田20 20 20P 2 O 5 浓 度 y 0 0225 0 3488x 0 0071x 2 13 芭 田20 20 20K 2 O 浓 度 y 0 1229 0 3542x 0 0072x 2 14 上 述 式 中x 是 水 肥 溶 液 电 导 率 值 mS cm y 是 对 应 养 分 指 标 的 浓 度 值 g L 由 此 得 出 通 过 建 立 这 种 水 肥 配 比 过 程 中 浓 度 与 电 导 率 的 关 系 在 测 定 水 肥 溶 液 中 的 电 导 率 后 可 以 得 出 用 户 关 心 的N P 2 O 5 和K 2 O 各 主 要 指 标 的 具 体 浓 度 数 值 为 用 户 精 准 施 肥 提 供 参 考 依 据 同 时 这 也 说 明 电 导 率 反 演 水 肥 中 各 指 标 浓 度 具 有 可 操 作 图3 芭 田13 40 6 正 则 化 曲 线 拟 合 比 较 Fig 3 ComparisonofregularizationpolynomialcurvesfittingofBATIAN13 40 6 8 7Vol 2 No 2 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 性 为 下 一 步 建 立 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 提 供 依 据 4 水 肥 浓 度 智 能 感 知 与 精 准 配 比 系 统 设 计 4 1 结 构 设 计 面 对 实 际 生 产 中 复 合 肥 料 的 智 能 感 知 与 精 准 配 比 问 题 在 完 成 合 理 的 复 合 肥 料 配 比 的 智 能 感 知 模 型 构 建 后 本 研 究 提 出 基 于 在 配 肥 现 场 原 位 电 导 率 速 测 的 两 级 水 肥 配 比 系 统 作 为 智 能 感 知 的 模 型 构 建 的 硬 件 载 体 此 配 比 系 统 包 括 一 级 水 肥 浓 度 智 能 感 知 模 型 建 立 子 系 统 与 二 级 水 肥 精 准 配 比 子 系 统 水 肥 一 体 配 肥 系 统 结 构 如 图4 所 示 一 级 系 统 设 计 为 便 携 式 装 置 亦 可 与 现 有 传 统 水 肥 系 统 兼 容 主 要 基 于 在 线 原 位 电 导 率 探 头 自 动 采 集 水 肥 溶 液 的 电 导 率 数 据 实 时 构 建 水 肥 浓 度 智 能 感 知 模 型 一 级 系 统 主 要 包 括 一 台 精 密 的 加 液 泵 可 实 现 准 确 定 量 加 液 一 只 大 量 程 在 线 电 导 率 探 头 一 只 水 肥 配 比 塑 料 桶 以 及 配 套 的 控 制