2) “虚拟温室”组件同步控制的实现运用“虚拟温室”的组件同步控制真实温室的相应组件的动作, 从而使“虚拟温室”的组件和真实的温室组件一一对应起来。这里将涉及到信号的采集、传输、实时处理及信号与执行机构的通讯(图4)。

图4　“虚拟温室”组件同步控制实现流程图

F ig. 4　F low chart of parts syn2cont ro l of V irtual Greenhouse

3) “虚拟温室”环境因子可视化的实现以下主要对光照、温度和CO 2 浓度做初步探讨, 建立其简单而实用的模型, 为其数字化和可视化奠定基础。

温室中的光照分布, 主要是指太阳辐射在温室内的时空分布。随时间的变化可分为两种情况, 一是描述瞬时太阳辐射在温室内的动态变化过程, 可以跟踪任意给定时刻, 太阳辐射透过温室覆盖层后在温室内的分布状况; 二是累积辐射分布状况, 它是对上述瞬时辐射分布值按任意时段进行积分, 代表温室整体的采光分布特征, 同时也反映了太阳辐射能在进入温室后, 在温室不同部位上(如日光温室地面、后屋面、后墙) 的比例分配关系, 也说明了太阳辐射在温室内分布的非均匀性[5～ 9]。

温室中的温度分布, 指的是温室中影响温度的几个要素相互耦合的变化情况。根据研究需要, 可简化为太阳辐射(短波辐射)、通风热交换、加热管道的热交换、作物体的热交换、长波辐射和土壤表面热交换等几个部分, 对各个部分建立相应的热平衡方程, 然后将这几部分整合起来, 再根据所给定的不同的边界条件(第一类边界条件、第二类边界条件和第三类边界条件) , 耦合起来, 便可建立温度分布的初步模型[10～ 13]。接着, 求该模型的数值解(Runge2Ku t ta 等)。通过仿真验证, 与实际的规律相符合, 则所建模型成立。随后即是该模型的相关参数数字化与可视化[14～ 17] (图5)。

图5　温度分布可视化流程图

F ig. 5　V isual flow chart of temperature dist ribut ion

CO 2 浓度在温室中的分布, 与通风(自然通风、强制通风)、植物的生长状况和土壤中微生物活动有关, 白天植物进行光合作用, 吸收CO 2; 晚上植物进行呼吸作用,呼出CO 2, 因而在昼夜的分布也相差很大。CO 2 含量影图5　温度分布可视化流程图F ig. 5　V isual flow chart of temperature dist ribut ion响温室内的长波辐射, 进而影响温室中温度的分布, 反之亦然。因此, 运用理论的方法很难建立其分布状况模型。为了研究方便, 可以借助实验的方法, 将其分为非常简单的且具有代表性的空间分布的一群点(50 个, 100个, 甚至更多) , 可以在自然通风和强制通风的情况下,根据实验所测得的数据, 近似反映其在温室中的分布状况, 建立其离散的数学模型, 接着进行仿真验证。植物冠层的CO 2 浓度的分布状况, 与植物的光合作用、分布特征和植物生长状况直接相关, 只有建立植物的虚拟模型, 它的这些相关分布模型, 才能够很好的建立起来, 进而进行可视化[18, 19] (图6)。

图6　CO 2 浓度分布可视化流程图

F ig. 6　V isual flow chart of CO 2 concent rat ion dist ribut ion

4.5语言说明

开发VR 的常见语言有VRML ( ISO 国际标准的网上VR 语言)、SuperVRML、J ava 3D、M etast rean、XML、3DS M ax、V ega、V iewpo in t、F lash、D irecto r、A dobe A tomo sphere、OpenGL、D irect X 和Cu lt3D 等。

这里采用VC+ + 6. 0[20～ 22]及SQL 开发其函数库、可视化界面以及三维立体图像( 3DS m ax[23] 和OpenGL [24～ 29]等) ; 运用MA TLAB 的模糊控制工具箱、神经网络工具箱、模拟工具箱进行数据的处理、结论的验证和比对、虚拟仪器或设备的开发。

5　“虚拟温室”的应用和研究方向

5. 1　“虚拟温室”的应用

1) 温室设计和控制

根据工程的实际要求, 可将“虚拟温室”的围护结构设计成各种型式, 如屋脊形屋面、圆拱形(包括各种二次曲面) 屋面和文洛(V en lo ) 型屋面等; 同时可根据其围护结构, 利用可视化的方法, 研究温室的结构特征和力学特性, 例如风载、雪载、压力等, 观察其变化的规律。利用“虚拟温室”控制真实温室, 就是使“虚拟温室”的各个组成部分的动作和真实温室的相应部分的动作协调一致, 从而进行温室调控。

2) 科研

“虚拟温室”与虚拟数字人、虚拟驾驶器、虚拟飞行器等相类似, 其科研的价值和意义是不言而喻的。温室的动态研究、智能化和自适应的研究、虚拟植物(蔬菜和花卉等) , 都可以利用“虚拟温室”, 进行可视化虚拟和研究。

3) 教学

真实温室的计算机造型可以由“虚拟温室”来再现。教学也可以从虚拟环境技术中获益。除了简单的描绘真实世界之外, 还可以通过改变虚拟环境的规则, 使用户在不同的“环境”中进行体验和学习。

5.2“虚拟温室”的研究方向

虚拟温室跟真实温室一样, 需要研究的内容相当丰富, 以下举出几个比较典型的方向:“虚拟温室”围护结构和力学结构的可视化及其研究设计。研究虚拟温室围护结构, 在风载和雪载下的力学特性和相关规律的可视化。

“虚拟温室”动态模型研究, 数值模拟、智能化和自适应控制的研究。建立虚拟温室环境因子的动态模型,无论是多因子(温度、湿度、光照和CO 2 浓度等) , 还是单因子的, 都能比较好的反映实际温室内环境因子的变化特性和规律, 从而可以进行虚拟温室环境因子的数值模拟, 更深入的进行虚拟温室模型的智能化和自适应控制的研究。

“虚拟温室”植物虚拟(花卉和蔬菜等) 的研究。无论是粮食作物(如水稻、玉米、小麦等) 还是经济作物(如棉花等) , 国内外研究的相当多, 也十分成熟。温室栽培作物主要指蔬菜和花卉, 对它们的虚拟, 按常规的思路, 可将其分为土壤以上部分—植物冠层, 土壤以下部分—植物根系。植物冠层的虚拟研究可采用植物形态模拟的方法, 也可采用L 拓扑系统的方法, 或者根据实际需要把两者结合起来进行研究, 或者根据实际需要开发出一系列的类L 系统; 植物根系的虚拟研究一般采用L 系统方法, 这种方法可以很好的模拟植物根系的空间拓扑分布状况[30]。

“虚拟温室”群的控制研究。虚拟温室的群控是指多个虚拟温室的集约化的控制。将单个的虚拟温室作为独立节点下位机, 进行多节点的信息融合和处理。

“分布式虚拟温室”(D ist ribu ted V irtual Green2hou se DV G) 网络和远程控制。分布式虚拟温室主要是指运用虚拟温室控制真实的温室, 并且在互联网上或无线网上实现温室的远程控制。

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