中国农业科技导报 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (10): 95-104.DOI: 10.13304/j.nykjdb.2024.0318
潘衡1(), 万霖1,2(
), 车刚1,2, 王思佳3, 郑宇1, 张强1
收稿日期:
2024-04-19
接受日期:
2024-06-21
出版日期:
2025-10-15
发布日期:
2025-10-15
通讯作者:
万霖
作者简介:
潘衡 E-mail:2771410953@qq.com;
基金资助:
Heng PAN1(), Lin WAN1,2(
), Gang CHE1,2, Sijia WANG3, Yu ZHENG1, Qiang ZHANG1
Received:
2024-04-19
Accepted:
2024-06-21
Online:
2025-10-15
Published:
2025-10-15
Contact:
Lin WAN
摘要:
为解决稻谷在干燥过程中含水率预测不准确、滞后性较大以及决定系数不高等问题,采用响应面(response surface methodology,RSM)法分析干燥过程中影响稻谷含水率的主要因素,利用遗传算法(genetic algorithm,GA)对传统BP(back propagation)神经网络模型进行优化,欲建立一种基于RSM-GA的稻谷含水率预测模型。结果表明,热风温度、粮层温度、环境相对湿度在干燥过程中对稻谷含水率影响显著。以热风温度、粮层温度、环境相对湿度为预测模型的输入层,稻谷含水率为输出层,通过经验公式确定预测模型的最优中间隐含层数为10,由此建立预测模型的神经元结构为3-10-1。在进行模型训练时,最优性能表现在第15次,最小均方根误差为0.621 84×10-3,得到最优的Matlab仿真试验设置参数,当迭代至200代时,适应度值在0.019 5时趋于稳定。经过遗传算法优化后的预测模型决定系数为0.980,较传统模型提高5%;均方根误差为0.009,降低17%。综上,优化后的神经网络模型性能提高,为后续控制策略研究提供参考。
中图分类号:
潘衡, 万霖, 车刚, 王思佳, 郑宇, 张强. 基于RSM-GA的稻谷含水率预测模型设计与试验[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(10): 95-104.
Heng PAN, Lin WAN, Gang CHE, Sijia WANG, Yu ZHENG, Qiang ZHANG. Design and Experiment of Rice Moisture Content Prediction Model Based on RSM-GA[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2025, 27(10): 95-104.
图1 混流式稻谷干燥试验装置注:1—温湿度传感器;2—混流式稻谷干燥机;3—进风管道;4—排粮电机;5—卸粮装置;6—控制系统柜;7—混配管道;8—混配装置;9—热风管道;10—电加热控制柜;11—电加热装置。
Fig. 1 Mixed flow rice drying experimental deviceNote:1—Temperature and humidity sensor; 2—Mixed flow rice dryer; 3—Air inlet pipeline; 4—Grain discharge motor; 5—Unloading device; 6—Control system cabinet; 7—Mixing pipeline; 8—Mixing device; 9—Hot air pipeline; 10—Electric heating control cabinet; 11—Electric heating device.
仪器名称 Instrument name | 数量 Quantity | 生产公司 Production company |
---|---|---|
PM-8188New型谷物水分检测仪 PM-8188New type grain moisture detector | 1 | 日本凯特公司 Japan Kett Company |
温湿度传感器 Temperature and humidity sensor | 10 | 北京昆仑远洋仪表科技有限公司 Beijing Kunlun Ocean Instrument Technology Co., Ltd. |
AMI300多功能测量仪 AMI300 multifunctional measuring instrument | 1 | KIMO公司 KIMO Company |
管道式风速传感器 Duct type wind speed sensor | 8 | 建大仁科 Kenda People Soft |
表1 检测仪器参数
Table 1 Parameters of testing instrument
仪器名称 Instrument name | 数量 Quantity | 生产公司 Production company |
---|---|---|
PM-8188New型谷物水分检测仪 PM-8188New type grain moisture detector | 1 | 日本凯特公司 Japan Kett Company |
温湿度传感器 Temperature and humidity sensor | 10 | 北京昆仑远洋仪表科技有限公司 Beijing Kunlun Ocean Instrument Technology Co., Ltd. |
AMI300多功能测量仪 AMI300 multifunctional measuring instrument | 1 | KIMO公司 KIMO Company |
管道式风速传感器 Duct type wind speed sensor | 8 | 建大仁科 Kenda People Soft |
序号 Serial number | 编码值 Encoding value | A:热风温度 Hot air temperature/℃ | B:粮层温度 Grain layer temperature/℃ | C:环境相对湿度 Ambient relative humidity/% |
---|---|---|---|---|
+γ | +1.682 | 55 | 35 | 90 |
+1 | +1 | 51 | 33 | 82 |
0 | 0 | 45 | 30 | 70 |
-1 | -1 | 39 | 27 | 58 |
-γ | -1.682 | 35 | 25 | 50 |
表2 正交试验因素编码
Table 2 Encoding of orthogonal experimental factors
序号 Serial number | 编码值 Encoding value | A:热风温度 Hot air temperature/℃ | B:粮层温度 Grain layer temperature/℃ | C:环境相对湿度 Ambient relative humidity/% |
---|---|---|---|---|
+γ | +1.682 | 55 | 35 | 90 |
+1 | +1 | 51 | 33 | 82 |
0 | 0 | 45 | 30 | 70 |
-1 | -1 | 39 | 27 | 58 |
-γ | -1.682 | 35 | 25 | 50 |
隐含层节点数 Number of hidden layers | 均方根误差 RMSE | 决定系数 R2 |
---|---|---|
3 | 0.781 | 0.83 |
4 | 0.640 | 0.87 |
5 | 0.585 | 0.88 |
6 | 0.662 | 0.82 |
7 | 0.533 | 0.84 |
8 | 0.328 | 0.86 |
9 | 0.191 | 0.90 |
10 | 0.026 | 0.93 |
11 | 0.257 | 0.91 |
12 | 0.719 | 0.81 |
13 | 0.794 | 0.79 |
14 | 0.867 | 0.77 |
15 | 0.618 | 0.85 |
表3 不同隐含层节点数对应的均方根误差与决定系数
Table 3 RMSE and R2 to different number of hidden layer nodes
隐含层节点数 Number of hidden layers | 均方根误差 RMSE | 决定系数 R2 |
---|---|---|
3 | 0.781 | 0.83 |
4 | 0.640 | 0.87 |
5 | 0.585 | 0.88 |
6 | 0.662 | 0.82 |
7 | 0.533 | 0.84 |
8 | 0.328 | 0.86 |
9 | 0.191 | 0.90 |
10 | 0.026 | 0.93 |
11 | 0.257 | 0.91 |
12 | 0.719 | 0.81 |
13 | 0.794 | 0.79 |
14 | 0.867 | 0.77 |
15 | 0.618 | 0.85 |
图4 不同环境相对湿度、粮层温度、热风温度处理下的稻谷含水率A:环境相对湿度;B:粮层温度;C:热风温度
Fig. 4 Moisture content of rice grains under different treatments hot air temperature, ambient relative humidity and grain layer temperatureA: Ambient relative humidity; B: Grain layer temperature; C: Hot air temperature
编号 Number | A:热风温度 Hot air temperature/℃ | B:粮层温度 Grain layer temperature/℃ | C:环境相对湿度 Ambient relative humidity/% | Y:稻谷含水率 Rice moisture content/% |
---|---|---|---|---|
1 | 39 | 27 | 58 | 16.6 |
2 | 51 | 27 | 58 | 18.2 |
3 | 39 | 33 | 58 | 17.1 |
4 | 51 | 33 | 58 | 16.9 |
5 | 39 | 27 | 82 | 17.4 |
6 | 51 | 27 | 82 | 20.5 |
7 | 39 | 33 | 82 | 21.5 |
8 | 51 | 33 | 82 | 17.2 |
9 | 35 | 0 | 70 | 16.3 |
10 | 55 | 0 | 70 | 16.3 |
11 | 45 | 25 | 70 | 17.8 |
12 | 45 | 35 | 70 | 19.7 |
13 | 45 | 30 | 50 | 16.7 |
14 | 45 | 30 | 90 | 18.8 |
15 | 45 | 30 | 70 | 18.5 |
16 | 45 | 30 | 70 | 18.3 |
17 | 45 | 30 | 70 | 18.9 |
18 | 45 | 30 | 70 | 16.9 |
19 | 45 | 30 | 70 | 17.3 |
20 | 45 | 30 | 70 | 17.3 |
21 | 45 | 30 | 70 | 16.3 |
22 | 45 | 30 | 70 | 16.2 |
23 | 45 | 30 | 70 | 17.4 |
表4 二次回归正交旋转组合试验及结果
Table 4 Quadratic regression orthogonal rotation combination experiment and results
编号 Number | A:热风温度 Hot air temperature/℃ | B:粮层温度 Grain layer temperature/℃ | C:环境相对湿度 Ambient relative humidity/% | Y:稻谷含水率 Rice moisture content/% |
---|---|---|---|---|
1 | 39 | 27 | 58 | 16.6 |
2 | 51 | 27 | 58 | 18.2 |
3 | 39 | 33 | 58 | 17.1 |
4 | 51 | 33 | 58 | 16.9 |
5 | 39 | 27 | 82 | 17.4 |
6 | 51 | 27 | 82 | 20.5 |
7 | 39 | 33 | 82 | 21.5 |
8 | 51 | 33 | 82 | 17.2 |
9 | 35 | 0 | 70 | 16.3 |
10 | 55 | 0 | 70 | 16.3 |
11 | 45 | 25 | 70 | 17.8 |
12 | 45 | 35 | 70 | 19.7 |
13 | 45 | 30 | 50 | 16.7 |
14 | 45 | 30 | 90 | 18.8 |
15 | 45 | 30 | 70 | 18.5 |
16 | 45 | 30 | 70 | 18.3 |
17 | 45 | 30 | 70 | 18.9 |
18 | 45 | 30 | 70 | 16.9 |
19 | 45 | 30 | 70 | 17.3 |
20 | 45 | 30 | 70 | 17.3 |
21 | 45 | 30 | 70 | 16.3 |
22 | 45 | 30 | 70 | 16.2 |
23 | 45 | 30 | 70 | 17.4 |
参数 Parameter | 稻谷含水率Rice moisture content | ||
---|---|---|---|
系数Coefficient | F值F value | P值P value | |
模型Model | 34.480 0 | 5.930 0 | 0.002 2 |
A:热风温度Hot air temperature | 6.070 0 | 9.400 0 | 0.009 0 |
B:粮层温度Grain layer temperature | 4.370 0 | 6.760 0 | 0.022 0 |
C:环境相对湿度Ambient relative humidity | 14.320 0 | 22.170 0 | 0.000 4 |
AB | 0.031 3 | 0.048 4 | 0.829 3 |
AC | 0.911 2 | 1.410 0 | 0.256 2 |
BC | 1.360 0 | 2.110 0 | 0.170 3 |
A² | 0.070 8 | 0.109 5 | 0.745 9 |
B² | 7.260 0 | 11.230 0 | 0.005 2 |
C² | 0.088 6 | 0.137 2 | 0.717 0 |
残差平方和Sum of squared residuals | 0.916 3 | ||
纯误差平方和Sum of squares of pure errors | 0.476 9 | ||
决定系数R2 | 0.804 2 | ||
校正决定系数RAdj2 | 0.668 6 | ||
预测决定系数RPre2 | 0.072 0 | ||
变异系数Coefficient of variation | 4.530 0 |
表5 稻谷含水率回归模型系数显著性检验及方差分析
Table 5 Significance test and analysis of variance of regression model coefficients for rice moisture content
参数 Parameter | 稻谷含水率Rice moisture content | ||
---|---|---|---|
系数Coefficient | F值F value | P值P value | |
模型Model | 34.480 0 | 5.930 0 | 0.002 2 |
A:热风温度Hot air temperature | 6.070 0 | 9.400 0 | 0.009 0 |
B:粮层温度Grain layer temperature | 4.370 0 | 6.760 0 | 0.022 0 |
C:环境相对湿度Ambient relative humidity | 14.320 0 | 22.170 0 | 0.000 4 |
AB | 0.031 3 | 0.048 4 | 0.829 3 |
AC | 0.911 2 | 1.410 0 | 0.256 2 |
BC | 1.360 0 | 2.110 0 | 0.170 3 |
A² | 0.070 8 | 0.109 5 | 0.745 9 |
B² | 7.260 0 | 11.230 0 | 0.005 2 |
C² | 0.088 6 | 0.137 2 | 0.717 0 |
残差平方和Sum of squared residuals | 0.916 3 | ||
纯误差平方和Sum of squares of pure errors | 0.476 9 | ||
决定系数R2 | 0.804 2 | ||
校正决定系数RAdj2 | 0.668 6 | ||
预测决定系数RPre2 | 0.072 0 | ||
变异系数Coefficient of variation | 4.530 0 |
图5 环境相对湿度、粮层温度、热风温度对稻谷含水率的交互影响
Fig. 5 Interactive effects of environmental relative humidity, grain layer temperature, and hot air temperature on rice moisture content
[1] | 国家统计局.国家统计局关于2023年粮食产量数据的公告[N].中国信息报,2023-12-12(001). |
[2] | 彭冬根, 聂江涛, 陈文华.基于分层模型的溶液除湿谷物就仓干燥系统性能及能耗[J].农业工程学报,2021,37(14):274-282. |
PENG D G, NIE J T, CHEN W H. Performance and energy consumption of liquid desiccant dehumidification grain in-Bin drying system via layered model [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2021,37(14): 274-282. | |
[3] | MUJUMDARA S. Handbook of Industrial Drying [M].New York: Marcel dekker,1987: 21-25. |
[4] | 徐永阳,邓安,邱伟强,等.不同含水率稻谷电学物理量变化规律 [J].食品工业,2024,45(2):114-120. |
XU Y Y, DENG A, QIU W Q, et al.. The change law of electrical physical quantity of rice with different moisture [J]. Food Ind., 2024, 45(2):114-120 | |
[5] | 王赫,刘国辉,林琳,等.基于神经网络的玉米干燥过程预测控制模型建立[J].粮食与油脂,2021,34(12):37-40. |
WANG H, LIU G H, LIN L, et al.. Predictive control model of corn drying process based on neural network [J]. Cereals Oils, 2021, 34(12): 37-40. | |
[6] | 车刚,高瑞丽,万霖,等.水稻负压混流干燥室结构优化设计与试验[J].农业工程学报,2021,37(4):87-96. |
CHE G, GAO R L, WAN L, et al.. Optimized design and experimental study on rice negative pressure mixed flow drying chamber [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2021, 37(4):87-96. | |
[7] | 赵丽清,段东瑶,殷元元,等.基于PSO-Elman算法的茶叶烘干含水率预测[J].农业工程学报,2021,37(19):284-292. |
ZHAO L Q, DUAN D Y, YIN Y Y, et al.. Prediction of tea drying moisture content based on PSO-Elman algorithm [J].Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2021, 37(19):284-292. | |
[8] | 谢辉煌,金毅,张忠杰,等.基于LSTM网络的粮食干燥机水分预测与优化[J].中国粮油学报,2023,38(11):196-204. |
XIE H H, JIN Y, ZHANG Z J, et al.. Prediction and optimization of grain dryer outlet moisture content based on LSTM [J]. J. Chin. Cereals Oils Assoc., 2023, 38(11):196-204. | |
[9] | 罗建军,杨红云,路艳,等.基于遗传算法优化的BP神经网络进行水稻氮素营养诊断[J].中国农业科技导报,2020,22(8):83-92. |
LUO J J, YANG H Y, LU Y, et al.. Identification of nitrogen nutrition in rice based on BP neural network optimized by genetic algorithms [J]. J. Agric. Sci. Technol., 2020, 22(8):83-92. | |
[10] | 白竣文,周存山,蔡健荣,等.南瓜片真空脉动干燥特性及含水率预测[J].农业工程学报,2017,33(17):290-297. |
BAI J W, ZHOU C S, CAI J R, et al.. Vacuum pulse drying characteristics and moisture content prediction of pumpkin slices [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2017, 33(17):290-297. | |
[11] | 代爱妮,周晓光,刘相东,等.基于BP神经网络的旁热式辐射与对流粮食干燥过程模型[J].农业机械学报,2017,48(3):351-360. |
DAI A N, ZHOU X G, LIU X D, et al.. Model of drying process for combined side-heat infrared radiation and convection grain dryer based on BP neural network [J]. Trans. Chin. Soc. Agric.Mach., 2017, 48(3):351-360. | |
[12] | 朱文学,孙淑红,陈鹏涛,等.基于BP神经网络的牡丹花热风干燥含水率预测模型[J].农业机械学报,2011,42(8):128-130, 137. |
ZHU W X, SUN S H, CHEN P T, et al.. Moisture content prediction modeling of hot-air drying for pressed peony based on BP neural network [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach., 2011,42(8):128-130, 137. | |
[13] | 陈正发,车刚,万霖,等.稻谷四向通风混流干燥段数值模拟与试验[J].农业工程学报,2022,38(24):237-247. |
CHEN Z F, CHE G, WAN L, et al.. Numerical simulation and experiment of four-way ventilation mixed flow drying section for rice [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2022,38(24):237-247. | |
[14] | 卓金武. MATLAB在数学建模中的应用[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社,2014:122-123. |
[15] | 赵辰,南星恒.基于MEA-BP神经网络的财务危机预警研究[J]. 财会通讯,2016(1):43-46. |
[16] | 刘艺梦,丁小明,王会强,等.基于蜣螂算法优化BP的冬夏生菜根区温度预测模型[J].农业工程学报 2024,40(5):231-238. |
LIU Y M, DING X M, WANG H Q, et al.. Prediction model for winter and summer lettuce root zone temperature based on dung beetle algorithm to optimize BP [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2024, 40(5): 231-238. | |
[17] | 周勇,胡中功.改进的快速遗传算法在函数优化中的应用[J].现代电子技术,2018,41(17):153-157. |
ZHOU Y, HU Z G. Application of improved fast-convergent genetic algorithm in function optimization [J]. Mod. Electron.Tech., 2018, 41(17):153-157. | |
[18] | 史峰,王辉,郁磊,等.MATLAB智能算法30个案例分析[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011:27-35. |
[19] | 弭宝福,徐梅,王福林,等.交叉概率对遗传算法运算速度影响的测试与分析[J].数学的实践与认识,2013,43(22):180-183. |
MI B F, XU M, WANG F L, et al.. The testing and analysis of the effects of crossover probability on genetic algorithms’ calculating speed [J]. J. Math. Pract. Theory, 2013, 43(22):180-183. | |
[20] | 张学锋,朱梅,汤亚玲,等.基于GA-BP的烧结风箱阀门预测模型[J/OL].西华大学学报(自然科学版),2024:1-7[2024-04-07].. |
ZHANG X F, ZHU M, TANG Y L, et al.. GA-BP Based Sintering Airbox Valve Prediction Model [J/OL]. J. Xihua Univ. (Nat. Sci.), 2024:1-7 [2024-04-07]. . | |
[21] | 王佳楠,王玉莹,何淑林,等.基于改进遗传算法优化BP神经网络的土壤湿度预测模型[J].计算机系统应用,2022,31(2):273-278. |
WANG J N, WANG Y Y, HE S L, et al.. Optimized BP neural network model based on lmproved genetic algorithm for soil moisture prediction [J]. Comput. Syst. Appl., 2022, 31(2):273-278. | |
[22] | 葛继科,邱玉辉,吴春明,等.遗传算法研究综述[J].计算机应用研究, 2008, 25(10): 2911-2916. |
GE J K, QIU Y H, WU C M, et al.. Summary of genetic algorithms research [J]. Appl.Res.Comput., 2008, 25(10):2911-2916. | |
[23] | 邱进栋,王同勋,万芳新.基于改进BP神经网络的香菇真空远红外辐射干燥含水率预测[J].林业机械与木工设备,2023,51(10):32-38. |
QIU J D, WANG T X, WAN F X.Prediction of moisture content in vacuum far-infrared radiation drying of shiitake mushroom based on improved BP neural network [J]. For. Mach. Woodwork. Equip., 2023, 51(10):32-38. | |
[24] | 梁兆超,郭显炜,宋艳娟,等.响应面法优化双孢蘑菇多糖提取工艺及其体外抗氧化活性研究[J].中国农业科技导报,2019,21(8):161-168. |
LIANG Z C, GUO X W, SONG Y J, et al.. Extraction process of polysaccharide in Agaricus bisporus optimized by response surface method and its antioxidant activity in vitro [J]. J. Agric. Sci. Technol., 2019, 21(8):161-168. |
[1] | 张海东, 唐志贤, 张立芸, 于淇, 宋朝君. 基于GA-BP-GA优化林下三七种植红壤离散元仿真参数[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(9): 120-130. |
[2] | 冯长龙, 宁辰阳, 朱艺鑫, 李树平, 黄春光. 树干绷带环形缠绕机构设计与优化研究[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(3): 122-132. |
[3] | 钟国良, 万霖, 车刚, 唐浩, 曲天奇, 张骐麟. 干燥参数对稻谷热风干燥速率及能耗的影响[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(3): 95-103. |
[4] | 张如艳, 李绅昊, 朱奇鹏, 冯太纲, 李红波, 邢泽炳, 羡瑜. 生物炭含量对园林绿化废弃物/聚乳酸复合材料物理力学性能影响[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(2): 192-200. |
[5] | 冯长龙, 黄春光, 宁辰阳, 李树平, 陈科锦. 植树机挖坑机构螺旋式钻头性能特性优化研究[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(2): 89-98. |
[6] | 徐源, 赫丁轩, 赵丽平, 张婷婷, 刁婷婷, 蔡静, 黄雅琴, 毕晶晶, 陈琼, 张巧玉, 申雨. 紫苏叶多糖提取工艺的优化及抗氧化活性分析[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(10): 170-179. |
[7] | 郗婧怡, 王双庆, 白一彤, 姚秀利, 黄碧璇, 李青怡, 范丽清, 黄世臣, 孙明国. 响应面法优化黑水虻处理餐厨垃圾工艺参数研究[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(1): 241-249. |
[8] | 傅丽君, 林潇雨, 林建华, 沈慧男, 吴勇镇. 红松茸牛肉酱加工工艺及货架期研究[J]. 中国农业科技导报, 2024, 26(6): 148-158. |
[9] | 张岚雄, 郑威, 陈源桉, 沈婧, 邹双全, 伍建榕, 倪林. 樟叶总木脂素提取工艺及其抑菌活性研究[J]. 中国农业科技导报, 2024, 26(5): 138-147. |
[10] | 刘东玲, 司皓, 郑宝江, 张玉红. 响应面法优化酶解辅助-超声提取菥蓂中的黑芥子苷[J]. 中国农业科技导报, 2024, 26(4): 225-233. |
[11] | 刘佳浩, 高军伟. 基于机器视觉与BA-BP的苹果分级系统研究[J]. 中国农业科技导报, 2024, 26(11): 117-125. |
[12] | 王辉, 付虹雨, 岳云开, 崔国贤, 佘玮. 基于气候变量的苎麻产量SSA-BP预测模型[J]. 中国农业科技导报, 2024, 26(1): 110-118. |
[13] | 李琦, 张树林, 张达娟, 贾滢暄, 王泽斌. 响应面法改良牟氏角毛藻培养基[J]. 中国农业科技导报, 2023, 25(8): 225-233. |
[14] | 赵秀英, 黄晴雯, 曹浩杰, 王杰, 李瑞姣, 聂冬霞, 韩铮, 赵志辉. 响应面法优化禾谷镰刀菌产脱氧雪腐镰刀菌烯醇及其衍生物的液体培养条件[J]. 中国农业科技导报, 2023, 25(7): 222-233. |
[15] | 李绍波, 张阔, 王佳, 李建平, 刘树腾. 基于CFD的风送喷雾装置风筒参数优化[J]. 中国农业科技导报, 2023, 25(12): 93-102. |
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