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专利号: 2026102375654
申请人: 华侨大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-10-22
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于多风机协同调控环境参数的畜禽引导方法,其特征在于,包含:S1、预先建立通风系统的气流场的映射关系库;关系库定义了目标空间内的环境物理量分布场与风机执行单元的运行参数集之间的对应关系;映射关系库包括由计算流体动力学仿真生成的配对数据训练得到的逆向映射模型;

S2、基于引导任务与畜禽的实时位置进行通风区域划分,将被控空间划分为目标环境维持区、驱离性环境构建区以及连接两者的气流参数渐变通道;

S3、根据各通风区域设定的空气参数指标,生成目标空间内的目标环境物理量分布场,然后输入逆向映射模型解算风机执行单元的运行参数集,调节各风机执行单元的送风量与送风角度,在被控空间内构建具有空间梯度的差异化气流组织分布,以利用环境压差驱使畜禽移动;

S4、监测畜禽在气流参数渐变通道内的位移变化,当监测数据满足区域切换条件时,调整驱离性环境构建区和气流参数渐变通道的空间范围,并返回S3,直至畜禽进入目标环境维持区;

S5、当检测到所述目标环境维持区内的畜禽数量达到预设阈值时,控制风机执行单元切换至全局均匀送风模式;

S4具体包括:

基于畜禽定位数据确定畜禽在气流参数渐变通道内的位移变化或分布变化;

当所述位移变化或分布变化满足区域切换条件时,缩小或前移所述驱离性环境构建区的空间范围,并同步调整气流参数渐变通道的空间范围,使所述气流参数渐变通道的起始端与调整后的驱离性环境构建区相连接;其中,区域切换条件包括:在更新周期内统计渐变通道被划分的网格单元中“被畜禽占用”的网格比例作为通道占用率 ,并计算畜禽群体质心沿引导方向的位移 以及通道入口侧前锋面推进距离 ;当 且 并持续时间不小于 ,或 并持续时间不小于 时,触发对驱离性环境构建区的前移更新;其中, 为通道占用率阈值; 为畜禽群体质心位移阈值; 为前锋面推进距离阈值;

为持续时间阈值;

返回执行S3以更新风机控制指令集,直至畜禽进入目标环境维持区;

S5具体包括:

控制多个风机执行单元以均匀通风的方式协同运行,使被控空间内的空气参数分布趋于均匀;

在满足均匀通风需求的前提下,降低至少部分风机执行单元的转速或关闭至少部分风机执行单元,以实现低功耗运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于多风机协同调控环境参数的畜禽引导方法,其特征在于,逆向映射模型以目标空间内温度场、风速场和湿度场的分布数据为输入,以各风机执行单元的开关状态、转速和送风角度组成的运行参数集为输出,并采用包含物理约束项的损失函数训练得到;

S1具体包括:

S11、构建包含被控空间几何特征与内部设备结构特征的三维仿真模型;

S12、基于三维仿真模型,通过调整风机执行单元的运行参数组合,进行批量计算流体动力学仿真,获取多组稳态流场数据;

S13、从稳态流场数据中提取畜禽的活动高度层面的环境场物理量分布数据,并进行数据清洗与归一化处理,构建包含“风机控制指令集‑环境场物理量分布的配对数据”的训练数据集;

S14、构建神经网络求解器;

S15、设计包含物理约束的损失函数,利用训练数据集对神经网络求解器进行迭代训练,直至损失函数收敛,得到从环境物理量分布场到风机运行参数集的逆向映射模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于多风机协同调控环境参数的畜禽引导方法,其特征在于,S13具体包括:在三维仿真模型的计算域中,截取覆盖畜禽活动高度的水平切片平面;

将该水平切片平面离散化为规则网格点矩阵,提取每个网格点处的温度、风速和湿度;

分别生成温度场特征图、风速场特征图与湿度场特征图,并对特征图中的物理量进行无量纲归一化处理,得到环境场物理量分布数据;

获取仿真时对应的风机执行单元的运行参数集,所述运行参数集包含每台风机执行单元的开关状态、转速与送风角度,并对其进行向量化处理;

将所述环境场物理量分布数据与所述运行参数集建立对应关系,从而获得所述训练数据集;

S14的神经网络求解器具体为深度卷积神经网络模型;网络包括输入层、隐含层和输出层;

输入层接收归一化后的环境场物理量分布数据,输入数据的维度为 ;其中3代表温度、风速、湿度三个特征通道; 和 分别为规则网格点矩阵的行数和列数;

隐含层包含多个交替连接的卷积层、池化层以及全连接层,用于提取环境流场的空间特征并进行降维映射;

输出层的大小与风机执行单元的可控参数总数量一致,输出向量对应于风机执行单元的运行参数集。

4.根据权利要求2所述的一种基于多风机协同调控环境参数的畜禽引导方法,其特征在于,S15的损失函数具体为:;

;

;

式中, 为总损失函数; 为均方误差; 为温度惩罚; 为 台风机开关状态、转速、风向角度控制参数的总维度; 为预测指令向量; 为真实指令向量;为正则化系数; 表示取大值; 为映射模型预测的 坐标的温度; 为当前畜禽种类与生长阶段所对应的舒适温度上限;

S11具体包括:

利用被控空间的建筑图纸建立全尺寸几何模型;几何模型包含笼架、料线及水线内部结构;

对流体域进行网格划分,且进行网格无关性验证以确定最佳网格数量;

将风机执行单元设置为速度入口边界,将排风口设置为压力出口边界;

S12具体包括:

枚举风机执行单元的运行参数组合以形成多组仿真工况,并对每组工况执行计算流体动力学仿真直至稳态;

记录每组工况稳态时在畜禽活动高度层面上的温度场、风速场与湿度场的空间分布数据,形成对应的环境场物理量分布数据;

记录每组工况对应的风机控制指令集,所述风机控制指令集至少包含各风机执行单元的开关状态、转速与送风角度。

5.根据权利要求1所述的一种基于多风机协同调控环境参数的畜禽引导方法,其特征在于,S2具体包括:将预设的固定终点区域设定为目标环境维持区,其环境场设定为畜禽舒适范围;

将畜禽初始聚集区设定为驱离性环境构建区,其环境场设定为促使畜禽离开的不适环境;

建立连接驱离性环境构建区边缘与目标环境维持区入口的引导轨迹,并将该轨迹覆盖的区域设定为气流参数渐变通道,其环境场设定为从不适环境到舒适环境的连续梯度场。

6.根据权利要求5所述的一种基于多风机协同调控环境参数的畜禽引导方法,其特征在于,畜禽舒适范围对应的空气参数指标设定为满足畜禽舒适范围的第一目标空气参数指标;

促使畜禽离开的不适环境对应的空气参数指标设定为偏离畜禽舒适范围的第二目标空气参数指标,以形成用于驱离畜禽的轻度不适环境;

气流参数渐变通道对应的空气参数指标设定为从所述第二目标空气参数指标向所述第一目标空气参数指标连续、平滑变化的梯度空气参数指标。

7.根据权利要求1所述的一种基于多风机协同调控环境参数的畜禽引导方法,其特征在于,S3具体包括:根据目标环境维持区、驱离性环境构建区以及气流参数渐变通道各自对应的空气参数指标,生成目标空间内的目标环境物理量分布场;

将所述目标环境物理量分布场输入映射关系库对应的逆向映射模型,解算得到风机执行单元的运行参数集并生成风机控制指令集;其中,对运行参数集执行耐受阈值约束与相邻风机控制量平滑化处理,以使输出指令满足预设的安全通风/空气调节约束并降低空间气流突变;

控制风机执行单元按照所述风机控制指令集调节送风量与送风角度,以在被控空间内构建具有空间梯度的差异化气流组织分布;

所述运行参数集至少包括各风机执行单元的开关状态、转速与送风角度;

目标环境维持区的空气参数指标满足畜禽舒适范围约束; ;

; ;式中, 、 和 分别为目标环境维持区的

温度、风速和湿度的设定值; 、 和 分别为畜禽舒适的温度、风速和湿度的下限; 、 和 分别为畜禽舒适的温度、风速和湿度的上限;

驱离性环境构建区的空气参数指标满足轻度不适且不超过耐受阈值的约束;

; ; ;或者

; ; ;式中, 、 和 分

别为驱离性环境构建区的温度、风速和湿度的设定值; 、 和 分别为畜禽可耐受的温度、风速和湿度的上限值; 、 和 分别为畜禽可耐受的温度、风速和湿度的下限值;

气流参数渐变通道的梯度空气参数指标满足沿通道路径位置连续变化的梯度函数;

;

;

;

式中,为沿气流参数渐变通道从驱离性环境构建区端到目标环境维持区端的路径位置;为通道长度; 、 和 分别为位置 处的温度、风速和湿度; 、 和分别为驱离性环境构建区的温度、风速和湿度的设定值; 、 和 分别为目标环境维持区的温度、风速和湿度的设定值; 、 和 分别为在 区间内单调变化的温度、风速和湿度的梯度函数。

8.多风机协同调控环境参数的畜禽引导设备,其特征在于,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可由所述处理器执行的计算机程序;

所述计算机程序能够被所述处理器执行,以实现如权利要求1至7任意一项所述的一种基于多风机协同调控环境参数的畜禽引导方法。

9.多风机协同调控环境参数的畜禽引导系统,其特征在于,包括:环境感知网络,用于采集养殖空间内多点的环境物理量数据并发送至中央控制器;

畜禽定位模块,用于获取畜禽个体或群体的位置坐标与分布信息并发送至所述中央控制器;

中央控制器,包含环境分布与风机控制映射模型单元以及动态分区与决策算法单元,并被配置为执行权利要求1至7任一项所述的一种基于多风机协同调控环境参数的畜禽引导方法;

风机执行集群,用于接收所述中央控制器下发的风机控制指令集并调控养殖空间的环境场分布。