面向设施农业的信息物理融合系统关键技术研究

Intelligent perception and control for facilities environment are important to modernization of facility agriculture. This project focuses on the detuning problem of data percption, data transmission and control for facilities environment.The scope of this project is mainly on rapid deployment, interconnection, data fusion and network management in facilities environment cyber-physical system.This project proposes: (1) regular polyhedron space coverage algorithm based on sense characteristics.It reveals the vertical distribution of facilities environment inside and outside environment factor by the sensor node correlated characteristics and space filling algorithm,in order to realize sense coverage and deployment of the facility environment, and solve the problems of sensation limited and deployment difficult. (2) cluster-based fast routing algorithms and protocols,in order to realize rapid interconnection of network, and solve the problems of sensing detuning and network communication disfluent. (3) data fusion algorithm based on distributed compressive sensing.To improve the accuracy and the decision support system data by extracting the data with spatial and temporal correlation,in order to improve data collection efficiency and accuracy, and solve the problem of microclimate forecasting model for meteorological guarantee system is ineffective. (4) fault detection algorithm based on relevance sensation. It studies on the association mechanism of sensory data and fault for fast network management,in order to achieve fast network management, and solve the problem of system reliability. This project provides a new idea and theory to expose cooperation mechanism of transmission facilities, perception and regulation for facilities environment control system.

设施环境智能感知和调控对设施农业现代化有重要意义。本项目旨在研究设施环境调控系统感知、传输和调控三者失谐问题，确定设施环境信息物理融合系统快速部署、互联互通、数据融合和故障管理为本课题的研究内容，提出：（1）基于感知特性的规则多面体空间覆盖算法，通过传感器节点关联特性和空间填充算法揭示设施环境内外环境因子垂直分布规律，实现对设施环境的感知覆盖和快速部署，解决系统感知受限和部署困难；（2）基于分簇的快速路由算法与协议，通过分簇路由交换实现网络快速互通，解决系统传感失谐和联通不畅；（3）基于分布式压缩感知理论的数据融合算法，通过提取数据的空间和时间相关性提高数据的准确性和系统决策支持能力，解决系统感控失谐问题；（4）基于关联感知的故障检测算法，通过研究感知数据与故障的关联机制实现网络快速管理，解决系统可靠性问题。本课题为阐明设施环境调控系统传输、感知和调控协作机制提供新思路和理论。

针对设施环境观测与调控系统智能化的需求，以及现有设施环境调控系统存在感知、传输和调控三者失谐问题，本项目利用信息物理融合系统实现设施环境智能观测与调控。本课题围绕设施环境信息物理融合系统快速部署、互联互通、数据融合和故障管理的相关工作展开了研究，四年来的主要研究内容归纳为如下四方面：（1）提出了感知覆盖和快速部署算法，解决系统感知受限和部署困难；（2）提出了快速路由算法与协议，解决系统传感失谐和联通不畅；（3）提出了数据融合算法，解决系统感控失谐问题；（4）提出了故障检测算法，解决系统可靠性问题。课题基本按项目预定的计划进行，达到了项目预期的目标，并完成了项目预期的研究成果。基于以上研究内容，形成了理论结合实践、技术实用化的一整套比较系统的研究成果。（1）理论成果：相关研究成果整理论文21篇发表在国内外期刊上。 (2）系统实践：结合小气候预报模型库、WebGIS和MobileGIS 技术，建立了基于信息物理融合技术的设施农业保障系统，相关技术已产品化。(3）学术交流：与中科院自动化所、合肥工业大学、南京大学、东南大学、中国气象局、江苏省气象局、安徽省气象局等进行学术交流、资源转让与技术合作等。（4）人才培养：项目负责人指导了9名硕士生、15名本科生顺利毕业。所指导的硕士生中1名获得国家奖学金。多名本科生获得南京信息工程大学优秀本科毕业论文。 本课题针对设施农业气象信息物理融合系统的关键技术进行研究，实现设施环境智能监测与调控系统的“感”、“联”、“知”和“控”等四方面的紧密结合与协调。系统实现对设施环境内多种环境因子的自动实时感知，如温湿度、光照、土壤水分等，并且实现对设施环境的智能调控，保证设施环境最适宜设施作物生长，为设施农业优质、高产、高效、健康发展创造条件，实现设施环境观测和调控的智能化。