Короткий опис(реферат):
The dissertation is dedicated to solving an urgent scientific and technological
problem in the field of Mechanization and automation of agricultural in modern
agricultural production: innovating multi factor coupling precise regulation and
optimization technology for the environment inside artificial light plant factories, in
order to improve comprehensive resource utilization and reduce crop’s industrial
production costs. To meet the requirements of energy conservation and environmental
protection and not be affected by external climate and land limitations, the
construction of an artificial light plant factory in an enclosed and insulated chamber
should be the best option. After research, we took the lead in proposing the concepts
of modern building greenhouses and intelligent building greenhouses, and
recommended building artificial light plant factories in urban areas and constructing
larger scale intelligent building greenhouses plant factories to improve the building
performance of plant factories, thereby ensuring permanent use and long-term
production and operation. The urban intelligent plant factory is a highly intensive
modern agricultural production system that can continuously provide the most
suitable environment for plant growth and achieve high-quality and efficient
production of plant products through precise environmental regulation techniques and
mechanization, automation, digitization, intelligence, industrialization and factory
technology. Moreover, this production method can adopt a "local production, local
sales" operating model, continuously producing organic, green, clean, pollution-free,
and fresh-eating plant products throughout the year, improving people's living
standards, and ensuring the safety of the "vegetable basket" and food security. This is
very important for modern Ukraine, for China, and even for all countries in the world.
Object of research - theories and methods for constructing plant growth
models based on deep learning algorithms; the overall composition, program
architecture and development prospects of an artificial light plant factory; and the
techniques and methods for mechanization, automation and intelligent regulation and
optimization of the production environment.
The subject of research - is the design and development of mechanized,
intelligent, industrialized, factorized, periodical and modern plant production systems
that can be built in urban areas, and the analysis and study of their system composition
and architecture; the studies of the theories and methods for building plant growth
models based on IoT, big data technologies and deep learning algorithms, which are
different from traditional mathematical algorithms; the studies of the machines,
means and methods for the coupled multi-factor precise regulation and optimization
of the environments in the artificial lighting factory based on a plant growth model.
Specifically, it includes three sub directions and subjects: firstly, investigate the
construction form, system composition, development status, development trends and
core technologies of the artificial light plant factory. The dissertation proposes
recommendations for the construction of building greenhouses, intelligent building
greenhouses, and intelligent building greenhouse plant factories. Second, research on
methods and techniques for constructing plant growth models. The dissertation
proposes a construction method and system architecture for plant growth models
based on IoT and big data technologies. Furthermore, research on the relevant theories
and core technologies of environmental regulation and optimization in artificial light
plant factories. The dissertation proposes a multi-factor self-learning coupled
precision regulation model, as well as research on the methods for constructing plant
growth models based on deep learning models and the related studies on artificial
lighting and nutrient solution regulation techniques.
The purpose of the work is to create and improve modern, intensive plant
production complexes and systems that can be constructed in urban areas,
independent of geo-climatic and land resource constraints, and to study the theory law, methodology, and technology of mechanized, automated, intelligent, and precise
control and optimization of plant growth and production environments of artificial
light plant factories in buildings. The ultimate goal is to improve and optimize
regulation strategies of the environment through intelligent and precise environmental
regulation technologies, increase resource utilization efficiency, and reduce the cost
of plant industrial production products.
To achieve this goal, the following tasks need to be solved:
1. To analyze the current development status, trends, obstacles and
opportunities of the artificial light plant factory, and to clarify the importance and
direction of research.
2. To analyze and improve the existing forms of greenhouses, explore the
optimal bearing form of artificial light plant factories, propose development
recommendations for building greenhouses, intelligent building greenhouses, and
intelligent building greenhouse plant factories, and study their strategic significance
and development strategies.
3. To analyze the system composition and core technologies of artificial light
plant factories and intelligent building plant factories, and to identify research topics
and directions.
4. To investigate the construction methods for plant growth models and plant
factory big data, to propose and design a systematic framework for building plant
growth models based on IoT and big data technologies, and to develop a plant factory
big data management systems and plant growth model analysis platforms.
5. to systematically analyze the production environment factors of artificial
light plant factories and their effect on plant growth, study the coupling effect of
multiple factors on plant growth, to propose a multi factor self-learning coupling
precise regulation model, and to develop a production management systems and
environmental precise regulation platforms for artificial light plant factories.
6. To research on algorithms and implementation techniques for constructing
plant growth models based on deep learning models. To research on object detection
of tomato fruits for the artificial light plant factory using an improved YOLO deep learning model and instance segmentation of plant seedlings for the artificial light
plant factory using a modified Mask R-CNN and Transformer deep learning models,
and to lay the theoretical and technical foundation for constructing plant growth
models and environmental control models.
7. To experimental verify on the effects of different lighting conditions of LED
artificial light and nutrient solution formulations on plant growth and quality, to
improve to environmental regulation technology and means in artificial light plant
factories, and to lay the foundation for theoretical research, model construction, and
implementation technology of precise regulation of environmental multi factor
coupling.
In the introduction, the choice of the topic of the dissertation and scientific
tasks is substantiated, the purpose and tasks of research are formulated, the scientific
novelty and practical value of the received results are defined, and also the
information on approbation, structure and volume of work is resulted.
In the first Section, systematic literature analysis, social demand studies, and
related theoretical research have been conducted on topics such as plant factories,
intelligent building greenhouses, artificial light plant factories, plant growth model
construction, and environmental regulation and optimization of plant factories. The
necessity, importance and development prospects of the research topic of artificial
light plant factories are clarified. A comprehensive analysis of the problems, obstacles
and intelligent development needs encountered in their research and industrialization
at the current stage has been carried out. Further research has been carried out on the
core technologies for the development of artificial photoproduction plants, and a
research topic based on growth models for the precise regulation and optimization of
multi-factor couplings has been proposed. All this allowed the applicant to formulate
the purpose, objectives and tasks of the dissertation.
In the second section, the laboratory situation, experimental conditions,
experimental equipment, experimental materials, etc. of the scientific work are
presented in a comprehensive and systematic manner. It also showcases image
acquisition system platforms designed to successfully achieve scientific research
goals and tasks, as well as the experimental design and research status of screening
illumination formulations and nutrient solution formulations.
In the third section, basic research related to the construction of plant growth
models is carried out to provide theoretical support for the construction of growth
models and the precise regulation of the environment. collecting environmental data
through the intelligent monitoring platform for plant factory environment and growth,
constructing big data for plant factory environment, analysing plant growth
parameters using different deep learning models and algorithms, and constructing big
data for plant factory growth are studied. Then data mining techniques and deep
learning models to construct a sub-model for plant growth is used, and a
comprehensive model for plant growth is summarized and constructed.
In the fourth section, the effects of light environment, nutrient solution
environment, and the comprehensive regulation of various environmental factors in
plant factories on plant growth are studied, and the effectiveness of environmental
regulation is experimentally verified.
In the fifth section, the full text is summarized, conclusions are drawn,
recommendations for future research are made, and technical recommendations for
implementing the results of the study into production are developed.
In accordance with the set goal and tasks, the following results were obtained
in the work:
1. Ukraine is a vast, sparsely populated territory with a scattered rural
population and densely populated urban areas. Moreover, most of the country has a
temperate continental climate, with an average temperature of -7.4 ℃ in January and
19.6 ℃ in July. The mean annual temperature is relatively low. Planting vegetables in
the open air, on the one hand, is difficult to meet the balanced supply of fresh
vegetables throughout the year, and on the other hand, it is also difficult to meet the
diverse supply of fresh vegetable varieties. The intelligent building greenhouse plant
factory proposed by the applicant and the improved all artificial light plant factory
can improve the situation in Ukraine, and develop micro or small artificial light plant
factories in sparsely populated and dispersed rural areas to meet the perennial fresh
vegetable needs of the rural population; The construction of large-scale intelligent
building greenhouses and plant factories in densely populated cities will enhance the
demand of urban residents for the quality of fresh vegetables. The results of this work
have been highly recognized by peer experts, government managers, and
entrepreneurs, and have received government project funding. At the same time, it
could serve as a reference for Ukraine.
2. According to a questionnaire survey from China, the main limiting factors
for the development of plant factories at present are high construction costs (73.3%)
and high operating costs (66.4%). Consumers are particularly concerned and anxious
about the unbearable price (70.6%). Consumers prioritize cleanliness and pollution free (39.3%), green and healthy (30.3%), high freshness (17.6%), product quality
(8.8%), and nutritional index (3.7%) when making purchases. While the situation in
Ukraine and China may not be exactly the same, the demand for vegetable quality
should be consistent. The artificial light plant factory scheme proposed by the
applicant and the precise control system architecture of environmental multi factor
coupling can solve the following three problems: (1) the production environment of
the artificial light plant factory is clean and pollution-free, and the vegetables
produced are clean, pollution-free, and green and healthy. (2) Through precise
environmental regulation and optimization, the production cost of vegetables will be
greatly reduced, making it affordable for ordinary people to consume. (3) Although
the construction cost of intelligent building greenhouse plant factories and artificial
light plant factories is high, their materials are stable and their structure is firm, and
they can be built for almost long-term use. The results of this work can address the
balanced supply of fresh vegetables and hunger threats faced by Ukraine, China, and
even the world, ensuring the "vegetable basket" and food security.
3. The dynamic and constantly changing growth environment of plants, with
diverse growth characteristics and complex growth processes, makes the construction
of plant growth models quite complex and difficult. It is almost impossible to
construct a complete and perfect mathematical model. The applicant's proposal to
build crop growth models based on IoT and big data technologies transforms the
intractable problem of simulating complex systems with mathematical formulas into
the study of a divide and conquer relational correlation problem. Relational models
of complex systems have been constructed using data mining algorithms and deep
learning models. The applicants obtained a large amount of big data on growing
environments and plant growth during their work, and extensive preparations were
made to model the relationship between environmental factors and growth indicators.
4. Intelligent regulation and optimization of plant growth environments is the
most complex and central scientific and technological problem in artificial light plant
factories. Environmental regulation is not precise and accurate enough, and the most
immediate results can affect plant growth, yield and quality. In addition, it may result
in significant waste of production materials and integrated resources. The proposed
system architecture of a multi-factor environmental regulation platform for an
artificial light plant factory based on a growth model has been applied in the
development of a comprehensive control system for the plant factories and has also
been tried and tested by enterprises. The results of this work can improve the
utilization rate of water resources by 10%, save water soluble fertilizer by 8%, and
comprehensively reduce electricity by 18%, with huge market prospects.
5. The biomass accumulation of plants is closely related to water replenishment,
lighting, fertilizers, CO2, and even environmental temperature and humidity. Target
detection of plant fruits and instance segmentation of seedlings can be used in
intelligent monitoring systems for plant growth processes, obtaining real-time growth
status information, perceiving growth trends, predicting biomass growth, intelligently
and accurately controlling water and fertilizer replenishment, regulating
environmental variables such as light, CO2 concentration, temperature and humidity,
providing the best environment for plant growth. The proposed improvements
YOLOv5_MT algorithm is used for tomato fruit detection in artificial light plant
factories, improving the detection accuracy of dense and obstructed tomatoes. The
proposed CMRDF instance segmentation algorithm that integrates RGB-D multi channel image data is used for the segmentation of plant seedling leaves in artificial
light factories, with a PA of 93% and an IoU of 93.4%. These two research results were both used in the control and management system of plant factories.
6. Three experimental studies were conducted in the laboratory of an artificial
light plant factory, including the experimental study on illumination screening and
uniformity simulation of hydroponic lettuce, the experimental study on the effect of
light quality on the quality of hydroponic Cichorium endivia L., and the screening
study on the formulation of nutrient solution for hydroponic green leaf lettuce. The
control techniques for light and nutrient solutions have been improved and the
effectiveness of environmental multi-factor control techniques has been demonstrated.
The results of the work achievements have been applied in multiple government
scientific research projects undertaken by the applicant and in the products of related
enterprises, with broad market prospects and enormous economic benefits.
7. The technology of artificial light micro plant factories, such as LED
supplementary light type planting cabinet (Chinese Patent NO. ZL 2023 2 0899208.6),
a multispectral crop phenotype analysis platform for plant factories (Chinese Patent
NO. ZL 2021 2 1596146.7), an assembled aerospace culture layer shelf with
adjustable layer height for the plant factory with artificial light (Chinese Patent NO.
ZL 2022 2 0821668.2), has been protected by Chinese utility model patents. The
technology named "A general real-time detection and counting method for eggplant
frost in plant factory (Chinese Patent NO. 202210152745.4)" is protected by Chinese
invention patents. These patented technologies have been put into production, earning
considerable economic benefits and generating enormous social value.
Scientific novelty of the obtained results:
1. For the first time, the concepts of intelligent building greenhouses and
intelligent building greenhouses plant factories were proposed, with clear definitions.
Extensive social demand research and literature analysis were conducted to
systematically and scientifically demonstrate their strategic significance. The
development strategy of "3-Positions and 1-Entity" was studied, providing an
innovative model and systematic solution for the sustainable and clean plant
production system in urban development.
2. For the first time, it is proposed to use the physiological mechanisms and
biological theories of plant light regulation as the theoretical basis for artificial light
plant factory light environment regulation, improve the technical means of light
environment regulation, and regulate the production process of plants through the role
of light in photosynthesis, growth and development, morphological construction,
material metabolism, gene expression, and nutritional quality, in order to adapt to
market changes.
3. For the first time, a flat IoT solution using multiple sensors and controllable
work units has been provided for artificial light plant factories. A system architecture
for constructing scientific big data for plant factories has been proposed, and the
process and methods of comprehensively utilizing IoT, big data, and deep learning
technologies to construct plant growth models have been systematically studied. The
plant factory big data platform and crop growth model service system constructed
using this method can provide data and model services for plant factory industrial
enterprises through cloud services.
4. For the first time, the architecture and framework of a multi-factor
environmental regulation platform for artificial light plant factories based on growth
models were proposed, and control system software was designed, developed, and
tested. The system software can automatically obtain plant growth model files from
the cloud, and intelligently and accurately regulate the environment of plant growth
based on the plant growth model, to obtain high-quality and high-yield plant products
with minimal cost.
5. An improved YOLOv3 deep learning model and algorithm have been
proposed for target detection of hydroponic tomato fruits in artificial light plant
factories, providing theoretical foundation and technical support for yield estimation,
robotic picking, and precise regulation of growing environments. This method can
classify and detect the growing tomato fruits, obtain the quantity of green fruits, color
changing fruits, and red fruits, as a basis for precise regulation of light environment
and nutrient solution concentration, thereby effectively reducing water, electricity,
nutrient solution waste and sewage discharge, improving resource comprehensive
utilization rate and yield.
6. For the first time, a CMRDF algorithm for plant seedling instance
segmentation was proposed, which integrates RGB-D multi-channel image data to
improve the accuracy of seedling instance segmentation. It is used to analyze plant
phenotypic data in artificial light plant factories, to construct crop growth models, and
to provide theoretical and technical support for plant intelligent growth monitoring,
disease and pest detection, production management, yield estimation, robotic
operations, and environmental regulation.
7. For the first time, experimental studies on illumination screening and
uniformity simulation of hydroponic lettuce, experimental study on the effect of light
quality on the quality of hydroponic Cichorium endivia L., and screening study on the
formulation of nutrient solution for hydroponic green leaf lettuce are conducted in an
artificial light plant factory, providing technical references for precise regulation of
environmental multi-factor coupling.
The practical significance of the results obtained lies in providing a series of
systematic theoretical achievements for the intelligent control and optimization of the
artificial light plant factory environment, and proposing comprehensive technical
suggestions. At the same time, it also provides a complete set of solutions and
suggestions for sustainable and clean plant production systems for urban development.
The use of these suggestions will improve the intelligence and intensification of plant
factories, improve the utilization rate of comprehensive resources such as land, water,
electricity, and fertilizers, reduce plant production costs, and generate considerable
economic benefits and immeasurable social value. The theoretical achievements and
technical solutions obtained in the work are protected by 4 patents and 7 computer
software copyrights, and have been implemented by the high-tech enterprise "ZSP"
Electronic Technology Co., Ltd. in Henan Province, China. After preliminary testing,
it can improve the water resource utilization rate by 10%, save water soluble fertilizer
by 8%, comprehensively reduce electricity by 18%, significantly reduce the
production cost of plant, and bring huge economic benefits and social value.
The main results of the dissertation, generalizations, scientific prescriptions and
conclusions that constitute the essence of the work were independently obtained and formulated by the applicant.
Суть розробки, основні результати:
Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної
проблеми в галузі механізації та автоматизації сільськогосподарського
виробництва в сучасному аграрному виробництві: розробці інноваційної
багатофакторної технології точного регулювання та оптимізації мікроклімату в
теплицях штучного освітлення з метою покращення комплексного
використання ресурсів та зниження собівартості промислового виробництва
сільськогосподарських культур. Щоб відповідати вимогам енергозбереження та
охорони навколишнього середовища і не залежати від зовнішніх кліматичних та
земельних обмежень, найкращим варіантом є будівництво заводу з виробництва
рослин зі штучним освітленням у закритій та ізольованій камері. Після
досліджень ми взяли на себе ініціативу запропонувати концепції сучасних
будівельних теплиць та інтелектуальних будівельних теплиць, а також
рекомендували будувати заводи зі штучним освітленням у міських районах та
будувати більш масштабні заводи інтелектуальних будівельних теплиць для
поліпшення будівельних характеристик рослинних заводів, забезпечуючи тим
самим постійне використання та довгострокове виробництво та експлуатацію.
Міська інтелектуальна фабрика рослин - це високоінтенсивна сучасна система
сільськогосподарського виробництва, яка може постійно забезпечувати
найбільш сприятливе середовище для росту рослин і досягати якісного та
ефективного виробництва рослинної продукції за допомогою точних методів
екологічного регулювання, а також механізації, автоматизації, оцифрування,
інтелекту, індустріалізації та заводських технологій. Більше того, цей метод
виробництва може прийняти операційну модель "місцеве виробництво, місцеві
продажі", безперервно виробляючи органічну, зелену, чисту, екологічно чисту та
свіжу рослинну продукцію протягом усього року, покращуючи рівень життя
людей, забезпечуючи безпеку "овочевого кошика" та продовольчу безпеку. Це
дуже важливо і для сучасної України, і для Китаю, і навіть для всіх країн світу.
Об'єкт дослідження - теорії та методи побудови моделей росту рослин на
основі алгоритмів глибокого навчання; загальний склад, програмна архітектура
та перспективи розвитку фабрики штучного освітлення рослин; прийоми та
методи механізації, автоматизації та інтелектуального регулювання і оптимізації
середовища рослинництва.
Предмет дослідження - проектування та розробка механізованих,
інтелектуальних, індустріалізованих, заводських, ювілейних та сучасних
систем виробництва рослин, які можуть бути побудовані в міських умовах, а
також аналіз та дослідження їх системного складу та архітектури; дослідження
теорій та методів побудови моделей росту рослин на основі IoT, технологій
великих даних та алгоритмів глибокого навчання, які відрізняються від
традиційних математичних алгоритмів; дослідження прийомів і методів
комбінованого багатофакторного прецизійного регулювання та оптимізації
середовища заводу штучного освітлення на основі моделі росту рослин.
Зокрема, предмет дослідження включає три піднапрямки та теми: по перше, дослідити будівельну форму, системний склад, стан розвитку, тенденції
розвитку та основні технології заводу зі штучного освітлення. У дисертації
запропоновано рекомендації щодо будівництва будівельних теплиць,
інтелектуальних будівельних теплиць та інтелектуальних будівельних
тепличних комбінатів. По-друге, дослідження методів та прийомів побудови
моделей росту рослин. У дисертації запропоновано метод побудови та системну
архітектуру моделей росту рослин на основі технологій IoT та великих даних.
Крім того, дослідження відповідних теорій та основних технологій регулювання
та оптимізації навколишнього середовища на фабриках зі штучним освітленням.
У дисертації запропоновано багатофакторну модель точного регулювання, що
самонавчається, а також дослідження методів побудови моделей росту рослин
на основі моделей глибокого навчання та пов'язані з ними дослідження методів
регулювання штучного освітлення та поживних розчинів.
Метою роботи є створення та вдосконалення сучасних інтенсивних
рослинницьких комплексів та систем, які можуть бути побудовані в міських
умовах, незалежно від геокліматичних та земельних обмежень, а також
дослідження теорії, закономірностей, методології та технології механізованого,
автоматизованого, інтелектуального та точного управління та оптимізації росту
рослин і виробничих середовищ рослинних фабрик штучного освітлення в
будівлях. Кінцевою метою є вдосконалення та оптимізація стратегій
регулювання навколишнього середовища за допомогою інтелектуальних та
точних технологій регулювання навколишнього середовища, підвищення
ефективності використання ресурсів та зниження собівартості продукції
рослинного промислового виробництва.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:
1. Проаналізувати сучасний стан розвитку, тенденції, перешкоди та
можливості заводу штучного освітлення, а також з'ясувати важливість і
напрямок досліджень.
2. Проаналізувати та вдосконалити існуючі форми теплиць, дослідити
оптимальну несучу форму заводів штучного освітлення, запропонувати
рекомендації щодо розробки теплиць, теплиць інтелектуального будівництва та
фабрик тепличних рослин інтелектуального будівництва, вивчити їх стратегічне
значення та стратегії розвитку.
3. Проаналізувати склад системи та основні технології заводів штучного
освітлення та фабрик інтелектуальних будівельних заводів, а також визначити
теми та напрямки досліджень.
4. Дослідити методи побудови моделей росту рослин та великих даних
заводів рослин, запропонувати та розробити систематичну основу для побудови
моделей росту рослин на основі технологій IoT та великих даних, а також
розробити системи управління великими даними заводу та платформи аналізу
моделей росту рослин.
5. Систематично аналізувати фактори виробничого середовища заводів
штучного освітлення та їх вплив на ріст рослин, вивчати вплив зв'язку багатьох
факторів на ріст рослин, пропонувати багатофакторну модель точного
регулювання зв'язку, що самонавчається, а також розробляти системи
управління виробництвом та платформи екологічно точного регулювання для
заводів штучного освітлення.
6. Дослідити алгоритми та методи реалізації побудови моделей росту
рослин на основі моделей глибокого навчання. Дослідити виявлення об'єктів
плодів томатів для заводу штучного освітлення рослин з використанням
вдосконаленої моделі глибокого навчання YOLO та сегментації саджанців
рослин для заводу штучного освітлення з використанням модифікованих
моделей глибокого навчання Mask R-CNN та Transformer, а також закласти
теоретичну та технічну основу для побудови моделей росту рослин та моделей
контролю навколишнього середовища.
7. Експериментально перевірити вплив різних умов освітлення
світлодіодного штучного світла та рецептур поживних розчинів на ріст та якість
рослин, удосконалити технологію та засоби екологічного регулювання на
заводах штучного освітлення, а також закласти основу для теоретичних
досліджень, побудови моделей та технології впровадження точного
регулювання екологічного багатофакторного зв'язку.
У вступі обґрунтовується вибір теми дисертації та наукові завдання,
формулюються мета і задачі дослідження, визначаються наукова новизна і
практична цінність отриманих результатів, а також наводяться відомості про
апробацію, структуру та обсяг роботи.
У першому розділі систематичний аналіз літератури, дослідження
соціального попиту та пов'язані з ними теоретичні дослідження були проведені
на такі теми, як заводи рослин, теплиці інтелектуального будівництва, заводи
штучного освітлення, будівництво моделей росту рослин, а також екологічне
регулювання та оптимізація заводів. З'ясовано необхідність, важливість та
перспективи розвитку теми дослідження рослинних фабрик зі штучним
освітленням. Проведено комплексний аналіз проблем, перешкод та потреб
інтелектуального розвитку, що виникають при їх дослідженні та індустріалізації
на сучасному етапі. Проведено подальші дослідження основних технологій
розробки установок штучного фотопродукування та запропоновано тему
дослідження на основі моделей росту для точного регулювання та оптимізації
багатофакторних зв'язків. Все це дозволило здобувачу сформулювати мету, цілі
та завдання дисертаційної роботи.
У другому розділі всебічно і систематично представлені лабораторна
ситуація, умови експерименту, експериментальне обладнання,
експериментальні матеріали тощо наукової роботи. Він також демонструє
платформи системи отримання зображень, призначені для успішного
досягнення цілей і завдань наукових досліджень, а також експериментальний
дизайн і стан досліджень скринінгових форм освітлення і рецептур поживних
розчинів.
У третьому розділі проводяться фундаментальні дослідження, пов'язані
з побудовою моделей росту рослин для теоретичного забезпечення побудови
моделей росту і точного регулювання навколишнього середовища. Вивчається
збір екологічних даних за допомогою інтелектуальної платформи моніторингу
навколишнього середовища та зростання рослинних заводів, побудова big data
для заводського середовища рослин, аналіз параметрів росту рослин за
допомогою різних моделей та алгоритмів глибокого навчання та побудова
великих даних для росту фабрики рослин. Потім використовуються методи
інтелектуального аналізу даних та моделі глибокого навчання для побудови
підмоделі росту рослин, а також узагальнюється та будується комплексна
модель росту рослин.
У четвертому розділі досліджено вплив світлового середовища,
середовища поживного розчину та комплексного регулювання різних факторів
навколишнього середовища на рослинних фабриках на ріст рослин, а також
експериментально перевірено ефективність екологічного регулювання.
У п'ятому розділі узагальнюється повний текст, робляться висновки,
даються рекомендації щодо подальших досліджень, розробляються технічні
рекомендації щодо впровадження результатів дослідження у виробництво.
Відповідно до поставленої мети і завданнями в роботі були отримані
наступні результати:
1. Україна - це велика, малонаселена територія з розпорошеним сільським
населенням і густонаселеними міськими районами. Крім того, більша частина
країни має помірно-континентальний клімат із середньою температурою -7,4 ℃
у січні та 19,6 ℃ у липні. Середньорічна температура відносно низька.
Висаджуючи овочі на відкритому повітрі, з одного боку, важко задовольнити
збалансоване постачання свіжих овочів протягом року, а з іншого боку, також
важко задовольнити різноманітну пропозицію свіжих сортів овочів.
Запропонована заявником інтелектуальна будівля тепличного комбінату та
вдосконалений комбінат зі штучним освітленням можуть покращити ситуацію
в Україні, а також розвинути мікро- або малі комбінати зі штучним освітленням
у малонаселених та розосереджених сільських районах для задоволення
багаторічних потреб сільського населення у свіжих овочах; будівництво
великомасштабних інтелектуальних будівельних теплиць та комбінатів у
густонаселених містах підвищить попит міських мешканців на якісні свіжі
овочі. Результати цієї роботи були високо оцінені колегами-експертами,
державними управлінцями та підприємцями і отримали державне проектне
фінансування. Водночас, вони можуть слугувати прикладом для України.
2. Згідно з анкетним опитуванням, проведеним у Китаї, основними
обмежуючими факторами для розвитку фабрик з виробництва рослин на даний
час є висока вартість будівництва (73,3%) та високі операційні витрати (66,4%).
Споживачі особливо занепокоєні та стурбовані непідйомною ціною (70,6%).
При здійсненні покупок споживачі надають пріоритет чистоті та відсутності
забруднення (39,3%), екологічності та здоров'ю (30,3%), високій свіжості
(17,6%), якості продукції (8,8%) та поживній цінності (3,7%). Хоча ситуація в
Україні та Китаї може бути не зовсім однаковою, попит на якість овочів повинен бути однаковим. Запропонована заявником схема заводу зі штучного освітлення
та точна архітектура системи управління багатофакторним зв'язком з
навколишнім середовищем можуть вирішити наступні три проблеми: (1)
виробниче середовище заводу зі штучного освітлення є чистим та без
забруднення, а вироблені овочі - чистими, без забруднення, зеленими та
здоровими. (2) Завдяки точному екологічному регулюванню та оптимізації
собівартість виробництва овочів буде значно знижена, що зробить їх
доступними для споживання звичайними людьми. (3) Хоча вартість будівництва
інтелектуальних будівельних тепличних заводів та заводів зі штучним
освітленням висока, їх матеріали стабільні, а структура міцна, і вони можуть
бути побудовані для майже довгострокового використання. Результати цієї
роботи можуть вирішити проблему збалансованого постачання свіжих овочів та
загрози голоду, з якою стикаються Україна, Китай і навіть світ, забезпечуючи
"овочевий кошик" та продовольчу безпеку.
3. Динамічне середовище росту рослин, що постійно змінюється, з
різноманітними характеристиками росту та складними ростовими процесами,
робить побудову моделей росту рослин досить складним і важким завданням.
Практично неможливо побудувати повну та досконалу математичну модель.
Пропозиція здобувача щодо побудови моделей росту рослин на основі
технологій IoT та великих даних трансформує нерозв'язну проблему
моделювання складних систем за допомогою математичних формул у
дослідження реляційної кореляційної задачі за принципом "розділяй і
володарюй". Реляційні моделі складних систем були побудовані з
використанням алгоритмів інтелектуального аналізу даних та моделей
глибокого навчання. Під час роботи здобувачі отримали велику кількість
великих даних про середовище вирощування та ріст рослин, а також провели
велику підготовку до моделювання взаємозв'язку між факторами
навколишнього середовища та показниками росту.
4. Інтелектуальне регулювання та оптимізація середовищ росту рослин є
найскладнішою та центральною науково-технічною проблемою на фабриках
штучного освітлення. Регулювання навколишнього середовища недостатньо
точне і точне, і його безпосередні результати можуть впливати на ріст,
врожайність і якість рослин. Крім того, це може призвести до значних втрат
виробничих матеріалів та інтегрованих ресурсів. Запропонована системна
архітектура багатофакторної платформи екологічного регулювання для заводу з
виробництва рослин штучного освітлення на основі моделі росту була
застосована при розробці комплексної системи управління для заводів з
виробництва рослин, а також була випробувана і протестована на підприємствах.
Результати цієї роботи можуть покращити коефіцієнт використання водних
ресурсів на 10%, заощадити водорозчинні добрива на 8% та комплексно
зменшити споживання електроенергії на 18%, що має величезні ринкові
перспективи.
5. Накопичення біомаси рослин тісно пов'язане з поповненням води,
освітленням, добривами, CO2 і навіть температурою та вологістю
навколишнього середовища. Цільове виявлення плодів рослин і сегментація
екземплярів розсади можуть бути використані в інтелектуальних системах
моніторингу процесів росту рослин, отримання інформації про стан росту в
реальному часі, сприйняття тенденцій росту, прогнозування зростання біомаси,
інтелектуальне і точне управління поповненням запасів води і добрив,
регулювання змінних навколишнього середовища, таких як світло,
концентрація CO2, температура і вологість, забезпечуючи найкраще середовище
для росту рослин. Запропоновані вдосконалення алгоритму YOLOv5_MT
використовуються для виявлення плодів томатів на фабриках зі штучним
освітленням, покращуючи точність виявлення щільних і завалених томатів.
Запропонований алгоритм сегментації екземплярів CMRDF, який інтегрує дані
багатоканальних зображень RGB-D, використовується для сегментації листків
розсади рослин у теплицях зі штучним освітленням, з показниками PA 93% та
IoU 93,4%. Ці два результати дослідження були використані в системі контролю
та управління рослинними фабриками.
6. Три експериментальні дослідження були проведені в лабораторії заводу зі штучним освітленням, включаючи експериментальне дослідження скринінгу
освітлення та моделювання однорідності гідропонного салату,
експериментальне дослідження впливу якості світла на якість гідропонного
Cichorium endivia L. та скринінгове дослідження формулювання поживного
розчину для гідропонного салату з зеленим листям. Удосконалено методи
контролю світла та поживних розчинів та продемонстровано ефективність
методів екологічного багатофакторного контролю. Результати роботи були
застосовані в декількох державних науково-дослідних проектах, виконаних
заявником, а також у продукції споріднених підприємств, що має широкі
ринкові перспективи та величезні економічні вигоди.
7. Технологія мікро рослинних фабрик зі штучним освітленням, таких як
світлодіодна шафа для додаткового освітлення (Патент Китаю № ZL 2023 2
0899208.6), мультиспектральна платформа для аналізу фенотипу культур для
рослинних фабрик (Патент Китаю № ZL 2021 2 1596146.7), зібрана полиця шару
аерокосмічної культури з регульованою висотою шару для рослинної фабрики
зі штучним освітленням (Патент Китаю № ZL 2022 2 0821668.2), була захищена
китайськими патентами на корисні моделі. Технологія під назвою "Загальний
метод виявлення та підрахунку заморозків баклажанів у реальному часі на
теплиці (китайський патент № 202210152745.4)" захищена китайськими
патентами на винаходи. Ці запатентовані технології були впроваджені у
виробництво, приносячи значні економічні вигоди і створюючи величезну
соціальну цінність.
Наукова новизна отриманих результатів:
1. Вперше були запропоновані поняття інтелектуальних будівельних
теплиць і інтелектуальних будівельних теплиць заводів, з чіткими визначеннями.
Проведено масштабні дослідження суспільного попиту та аналіз літератури,
щоб систематично та науково продемонструвати їх стратегічну значимість.
Досліджено стратегію розвитку «3 позиції та 1 суб'єкт господарювання», що
забезпечує інноваційну модель та системне рішення для стійкої та чистої
системи виробництва рослин у міському розвитку.
2. Вперше запропоновано використовувати фізіологічні механізми та
біологічні теорії регуляції рослинного світла як теоретичну основу регуляції
штучного освітлення заводського світлового середовища, удосконалювати
технічні засоби регуляції світлового середовища, регулювати виробничий
процес рослин через роль світла у фотосинтезі, рості та розвитку, морфологічна
конструкція, матеріальний метаболізм, експресія генів та якість харчування,
щоб адаптуватися до змін ринку.
3. Вперше просте рішення IoT з використанням декількох датчиків і
керованих робочих блоків було надано для заводів зі штучного освітлення.
Запропоновано системну архітектуру побудови наукових big data для заводів
рослин, систематично вивчається процес і методи комплексного використання
IoT, big data і технологій глибокого навчання для побудови моделей росту
рослин. Платформа big data заводської фабрики та система обслуговування
моделей росту сільськогосподарських культур, побудована з використанням
цього методу, можуть надавати послуги даних та моделей для заводських
промислових підприємств за допомогою хмарних сервісів.
4. Вперше була запропонована архітектура і структура багатофакторної
платформи екологічного регулювання для заводів штучного освітлення на
основі моделей зростання, а також спроектовано, розроблено і випробувано
програмне забезпечення системи управління. Системне програмне
забезпечення може автоматично отримувати файли моделей росту рослин з
хмари, а також розумно і точно регулювати середовище росту рослин на основі
моделі росту рослин, отримувати якісну і високоврожайну рослинну продукцію
з мінімальними витратами.
5. Запропоновано вдосконалену модель та алгоритм глибокого навчання
YOLOv3 для цілеспрямованого виявлення плодів гідропонних томатів на
заводах штучного освітлення, що забезпечує теоретичну основу та технічну
підтримку для оцінки врожайності, роботизованого збору та точного
регулювання середовища вирощування. Цей метод дозволяє класифікувати та
виявляти зростаючі плоди томатів, отримувати кількість зелених плодів, плодів,
що змінюють колір, та червоних плодів, як основу для точного регулювання
світлового середовища та концентрації розчину поживних речовин, тим самим
ефективно зменшуючи воду, електроенергію, відходи поживних розчинів та
скидання стічних вод, покращуючи комплексну швидкість використання
ресурсів та врожайність.
6. Вперше запропоновано алгоритм CMRDF сегментації екземплярів
проростків рослин, який інтегрує дані багатоканального зображення RGB-D для
підвищення точності сегментації екземплярів проростків. Він використовується
для аналізу фенотипічних даних рослин на заводах штучного освітлення, для
побудови моделей росту сільськогосподарських культур, а також для надання
теоретичної та технічної підтримки інтелектуального моніторингу росту рослин,
виявлення хвороб та шкідників, управління виробництвом, оцінки врожайності,
роботизованих операцій та екологічного регулювання.
7. Вперше експериментальні дослідження з освітлювального скринінгу та
моделювання однорідності гідропонного салату, експериментальні дослідження
впливу якості світла на якість гідропоніки Cichorium endivia L. та скринінгові
дослідження з рецептури поживного розчину для гідропонного зеленого
листового салату проводяться на заводі штучного освітлення, що забезпечує
технічні посилання для точного регулювання екологічного багатофакторного
зв'язку.
Практичне значення отриманих результатів у полягає в наданні ряду
системних теоретичних досягнень для інтелектуального управління та
оптимізації заводського середовища заводу штучного освітлення і пропозиції
комплексних технічних пропозицій. У той же час він також надає повний набір
рішень та пропозицій щодо стійких та чистих систем виробництва рослин для
міського розвитку. Використання цих пропозицій покращить інтелект та
інтенсифікацію роботи заводів, покращить коефіцієнт використання
комплексних ресурсів, таких як земля, вода, електроенергія та добрива, знизить
витрати на виробництво рослин та створить значні економічні вигоди та
незмірну соціальну цінність. Отримані в роботі теоретичні досягнення і
технічні рішення захищені 4 патентами і 7 авторськими правами на комп'ютерні
програми, реалізовані високотехнологічним підприємством «ZSP» Electronic
Technology Co., Ltd. в провінції Хенань, Китай. Після попереднього тестування
він може підвищити коефіцієнт використання водних ресурсів на 10%,
заощадити водорозчинні добрива на 8%, всебічно скоротити електроенергію на
18%, значно знизити собівартість продукції заводу, принести величезні
економічні вигоди та соціальну цінність.
Основні результати дисертації, узагальнення, наукові приписи і висновки,
що становлять суть роботи, були самостійно отримані і сформульовані
здобувачем.