2023, 44(3):333-339. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202203033
摘要:目的 运用CRISPR/Cas9基因编辑技术和体细胞核移植技术获得CD163基因全敲除(CD163 gene knockout,CD163-KO)的克隆猪,验证该基因敲除大白猪的抗蓝耳病特性,并研究其与野生型大白猪在生理、生产和繁殖性能等方面的差别,评估CD163-KO大白猪的主要生产性能。方法 用猪繁殖与呼吸综合征病毒(Porcine reproductive and respiratory syndrome virus,PRRSV)流行毒株NADC30-like对本研究所获得的11头CD163-KO大白猪和5头年龄、体质量相当的野生型大白猪进行攻毒试验。连续14 d观察猪的临床症状,记录直肠温度变化,检测血清中PRRSV病毒含量和抗体水平。14 d后取肺部组织进行切片,通过PRRSV免疫荧光试验观察肺脏感染情况。采集CD163-KO和野生型大白猪肺泡巨噬细胞进行免疫染色,观察肺泡巨噬细胞表面CD163蛋白的表达情况;采集猪外周血单核细胞进行诱导分化,观察CD163-KO与野生型大白猪诱导分化的巨噬细胞对血红蛋白-结合珠蛋白复合物的摄取情况。最后,统计分析CD163-KO与野生型大白猪的生产性能及公猪的繁殖性能。结果 本研究获得的CD163-KO大白猪对蓝耳病NADC30-like毒株具有完全抗性,敲除CD163基因不影响巨噬细胞的生理功能,CD163-KO与野生型大白猪的生长性能和繁殖性能无明显差异。结论 本研究是对CD163-KO猪抵抗蓝耳病的又一佐证和补充,证明CD163基因敲除操作对生产性能没有潜在的负面影响,为抗蓝耳病猪的生物安全提供了支撑。
2023, 44(3):340-347. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202205004
摘要:目的 精浆外泌体(Seminal plasma exosome,spEX)在精子成熟、凋亡、受精中起着至关重要的作用。本文旨在探究种公猪spEX miRNA表达及miRNA在精子成熟及功能维持过程中的潜在调控作用。方法 提取大白公猪spEX并进行电镜分析、粒径分析、标志性蛋白表达分析和miRNA高通量测序。结果 成功分离出spEX,利用miRNA测序共鉴定出329个spEX miRNA。对高表达miRNA进行靶基因预测和功能富集分析,结果表明spEX miRNA在射精、P53信号通路、前列腺癌、细胞对DNA损伤刺激的反应、负调控凋亡过程、顶体膜结合、受精等通路中均发挥了潜在调控作用。结论 本研究为spEX miRNA在调控精子活力和精子受精作用方面提供基础数据,并为精液保存调控机制的研究提供参考。
龚浪,孙英硕,许润达,陈熊男,高琦,黄钊,陈孝军,郑佳琛,郭彦辰,吴芮霞,曾凡亮,王衡,张桂红
2023, 44(3):348-356. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202203044
摘要:目的 了解我国非洲猪瘟病毒(African swine fever virus,ASFV)的生物学特性及理化抗性,提高猪场生物安全水平以防控非洲猪瘟。方法 通过红细胞吸附试验和qPCR试验验证不同理化因素(包括静置、温度、UVC照射、室内外干燥、阳光暴晒和消毒剂)对ASFV的灭活效果。结果 UVC照射30 min即可灭活病毒,照射时间越长,ASFV核酸降解越严重;室内干燥2.5 d、室外干燥1.5 d、阳光暴晒30 min均可灭活ASFV,但不能降解ASFV核酸;常见消毒剂对ASFV的杀灭效果良好,各消毒剂按照推荐稀释浓度室温作用15或30 min,除碘酸混合溶液外均能使ASFV完全失活;温度升高(4、25和37 ℃)会增强消毒剂的消毒作用;有机物FBS的存在会削弱消毒剂的作用,且随FBS体积分数增加(0、10%和30%)消毒剂的消毒效果会降低。结论 本文系统研究了常见的理化因素对ASFV灭活效果的影响,有助于全面了解ASFV生物学特性,对非洲猪瘟的防控具有重要指导意义。
2023, 44(3):357-366. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202205038
摘要:目的 探究MicroRNA-1285(miR-1285)及其靶标DDX3X在猪塞内卡病毒(Senecavirus A,SVA)感染PK-15细胞中的调控作用。方法 利用qRT-PCR、双荧光素酶活性及Western blot等方法研究miR-1285和DDX3X对I型干扰素(IFN-β)分泌及RIG-I信号通路的作用,分析miR-1285及DDX3X对SVA 3C蛋白基因表达的影响。结果 SVA感染PK-15细胞后,miR-1285表达量显著升高,并且miR-1285与DDX3X存在负靶向关系,二者可促进IFN-β转录及蛋白水平的表达。miR-1285通过靶向DDX3X对RIG-I信号通中的MAVS、TRAF3信号分子起调控作用。对于SVA 3C蛋白基因,DDX3X可以显著抑制其转录,并且可以逆转miR-1285所诱导的上调趋势。结论 SVA感染PK-15细胞后,宿主miR-1285及其靶标DDX3X对IFN-β及病毒3C蛋白的表达具有调控作用,研究结果将为明确miRNAs调控SVA感染的分子机制奠定基础,并为SVA的防控和诊断提供新的科学依据。
2023, 44(3):367-373. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202206019
摘要:目的 探索tva受体基因起始密码子突变(tva c.3G>A)对鸡感染A 亚群禽白血病病毒(Avian leukemia virus subgroup A, ALV-A)的影响。方法 利用Sanger 测序和RT-PCR验证我国黄羽肉鸡存在tva c.3G>A突变。利用流式细胞术检测tva c.3G>A突变对鸡体外感染RCASBP(A)-GFP荧光报告病毒的影响。通过ALV-A体内攻毒试验,探究tva c.3G>A突变对鸡体内感染ALV-A的影响。利用直接测序方法对我国黄羽肉鸡品系tva c.3G>A突变位点进行基因分型。结果 Sanger测序和RT-PCR结果鉴定我国黄羽肉鸡品系tva基因编码区第3位碱基由G突变为A,该突变引起tva基因起始密码子序列由ATG突变为ATA。流式细胞术检测结果显示野生型tva c.3G/G鸡胚成纤维细胞(Chicken embryo fibroblast, CEF)对RCASBP(A)-GFP易感,纯合突变型tva c.3A/A CEF抗RCASBP(A)-GFP感染,表明tva c.3G>A突变导致鸡体外抗RCASBP(A)-GFP的感染。ALV-A体内攻毒试验的结果表明,tva c.3G>A突变导致鸡体内抗ALV-A的感染。tva c.3G>A突变位点基因分型发现,CB01、CB08、CB10和CB15品系存在纯合抗性基因型tva c.3A/A,频率分别为0.10、0.15、0.23和0.08。结论 tva c.3G>A突变引起鸡在体外、体内抗ALV-A感染,tva c.3G>A突变位点可作为ALV-A的遗传抗性位点。
2023, 44(3):374-381. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202206047
摘要:目的 研究复方中药超微粉对蛋鸡产蛋性能、生殖激素及相关基因表达的影响。方法 试验选取307日龄的新杨黑羽蛋鸡216只,随机分为3组,每组8个重复,每个重复9只;对照组饲喂基础饲粮,试验组分别在基础饲粮中添加0.5%丹参Salvia miltiorrhiza+0.25%女贞子Ligustrum lucidum+0.25%蒲公英Taraxacum mongolicum(复方1)、0.3%益母草Leonurus japonicus+0.2%丹参+0.25%女贞子+0.25%蒲公英(复方2)的超微粉,均以质量分数计;预试期7 d,正试期120 d。测定产蛋性能、蛋品质、血浆生殖激素水平,用RT-PCR技术检测蛋品质相关基因表达。 结果 与对照组相比,试验1~30、31~60和1~120 d,复方1组产蛋率分别增加7.56%、4.00%和5.31% (P<0.05);试验1~120 d,复方2组产蛋率增加5.22% (P<0.05);试验第60天,复方1组血浆雌二醇水平、输卵管PMCA1的mRNA相对表达量分别增加21.45%和77.00%(P < 0.05),复方2组输卵管KCNA1的mRNA相对表达量增加70.00% (P < 0.05);第90天,复方1和2组蛋壳厚度分别增加12.12%和9.09% (P < 0.05);第120天,复方1和2组输卵管CA2的mRNA相对表达量分别增加86.00%和66.00% (P < 0.05),复方2组输卵管CDH6、KCNA1和SLC26A9的mRNA相对表达量分别增加99.00%、86.00%和99.00% (P < 0.05)。结论 饲粮添加由益母草、丹参、女贞子和蒲公英组成的复方中药超微粉可增加蛋鸡的产蛋率,改善蛋品质,增加生殖激素水平,上调蛋壳形成相关基因的mRNA表达,且复方1的效果更佳。
2023, 44(3):382-390. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202204028
摘要:目的 分析广东省牛流行热病毒(Bovine ephemeral fever virus,BEFV)分离株JM 2020与其他地区毒株的进化关系,阐明遗传进化与全基因组的特征,为中国乃至世界对牛流行热疾病的流行情况以及预防该疾病提供有用信息。方法 根据从GenBank下载的BEFV毒株的全基因组序列信息,设计引物PCR扩增糖蛋白(Glycoprotein,G)基因;另设计10对引物用于扩增全基因组,送测序得到10个片段的基因序列,运用DNAStar软件中的EditSeq手动编辑和拼接获得全基因组序列。运用MEGA 6.0分别构建G基因和全基因组进化树进行进化分析。结果 JM 2020毒株的G基因和全基因组与泰国毒株的核苷酸序列相似性均最高,分别为94.9%~99.3%和99.0%,进化分析表明JM 2020与2013—2017年泰国毒株处于同一小分支,而与JB76H、JT02L等国内毒株有一定进化距离。全基因组测序结果表明,JM 2020全基因组长度为14 902个核苷酸(nt),包括50 nt的前导序列,1 296 nt的核蛋白(Nucleoprotein,N)基因,837 nt的磷蛋白(Phosphoprotein,P)基因,672 nt的基质蛋白(Matrixprotein,M)基因,1 872 nt的G基因,1 812 nt的非结构糖蛋白II (Non-structural glycoprotein II,GNS)基因,618 nt的α1、α2基因,444 nt的β基因,345 nt的γ基因,444 nt的RNA依赖性聚合酶(Large multi-functional enzyme,L)基因和73 nt的尾随序列,且分别被21、47、68、67、23、64、59、79和35 nt的区域隔开。JM 2020、qy2017及泰国毒株均出现P'基因(P基因多顺反子产物)截断的特征。结论 JM 2020毒株与2017年分离毒株qy2017序列相似性高且均与泰国毒株进化关系较近,与JB76H等我国其他地区毒株有一定进化距离。该研究丰富了中国BEFV流行株的基因组信息,为牛流行热疫病综合防控及开发新疫苗奠定了基础。
黄健玲,杨子敏,王雨欣,李鑫帅,刘翠瑜,陈锦鹏,秦启伟,杨敏
2023, 44(3):391-401. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202203022
摘要:目的 获得石斑鱼Epinephelus spp.抗病分子标记,选育石斑鱼抗病品系以解决石斑鱼病害频发的问题。方法 基于免疫基因PPAR-δ的基因组DNA序列开展单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism,SNP)位点筛选,并对这些位点分别进行石斑鱼虹彩病毒(Singapore grouper iridovirus, SGIV)和神经坏死病毒(Red-spotted grouper nervous necrosis virus, RGNNV)抗性的关联分析。结果 在SGIV感染的易感组和抗感组样品中共筛查到9个SNP位点,均位于内含子中;多态信息含量(Polymorphism information content, PIC)的范围为0.177~0.375,其中,SNP-S1(g.940T>A)属于低度多态(PIC<0.25),其余SNP位点属于中度多态(0.25≤PIC<0.50);关联分析结果显示,SNP-S7(g.4595T>A)基因型频率在SGIV易感组和抗感组中存在显著差异分布(P<0.05),SNP-S7的TT和AA这2种纯合子基因型与SGIV抗感性状相关,而AT杂合子基因型与SGIV易感性相关。在RGNNV感染的易感组和抗感组样品中共筛查到8个SNP位点,其中,SNP-N1位于外显子中,属于同义突变,其余SNP均位于内含子中;PIC的范围为0.106~0.317,其中,SNP-N1(g.324G>A)和SNP- N2(g.883A>G)属于低度多态(PIC<0.25),其余SNP属于中度多态(0.25≤PIC<0.50);关联分析表明,SNP-N5(g.2510C>T)基因型频率在RGNNV易感组和抗感组中存在显著差异分布(P<0.05),SNP-N5的CT基因型与RGNNV抗感性状相关, CC基因型与RGNNV易感性状相关。结论 本研究在PPAR-δ的基因组DNA序列中分别筛选到与SGIV和RGNNV抗性相关的SNP标记各1个,可以为石斑鱼抗病育种提供技术支持和理论依据。
2023, 44(3):402-409. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202205046
摘要:目的 研究氟苯尼考和铜(Cu)残留对土壤固氮菌的生态毒性效应,为评价兽药的环境风险提供依据。方法 对从花生根际土壤中分离出的一株优势固氮菌RpEC2071进行氟苯尼考和铜胁迫处理,试验设置空白组(0 μg/mL)、氟苯尼考添加组(40 μg/mL)、Cu添加组(200 μg/mL)和混合组(氟苯尼考40 μg/mL+Cu 200 μg/mL),并于给药后采样。采用苯酚硫酸法和96孔法研究氟苯尼考和Cu单独或联合处理对固氮菌胞外多糖产生及生物膜形成能力的影响。采用RT-qPCR测定分析固氮菌生物膜及固氮相关基因的mRNA表达水平。结果 氟苯尼考和Cu单独胁迫会促进生物膜的形成,二者生物膜形成能力约为空白组的2倍;混合胁迫会抑制生物膜的形成,空白组生物膜形成能力是其3.1倍。胞外多糖分泌结果与生物膜形成能力测定结果基本一致。生物膜相关基因与氮代谢调控基因呈显著正相关,氟苯尼考和Cu的添加改变了fliQ、nifH和nnrR等基因的表达水平,且二者联合处理后会对其表达分别产生协同或拮抗作用。结论 氟苯尼考与Cu的单独或联合胁迫影响固氮菌RpEC2071中生物膜相关基因表达,进而对其生物膜形成能力产生影响。预示了以氟苯尼考和Cu为例的兽药及重金属残留胁迫会对土壤固氮菌产生潜在的生态毒性效应,从而破坏土壤中固氮生态系统。
2023, 44(3):410-419. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202204004
摘要:目的 获得玉米种植土壤氧化亚氮(N2O)减排的滴灌施肥模式,揭示不同滴灌灌水量和施氮比例下土壤无机氮含量对土壤N2O排放的影响。方法 在移动防雨棚内开展2季玉米3种滴灌灌水量(W60、W80和W100分别为田间持水量的50%~60%、70%~80%和90%~100%)和2种滴灌施氮比例(等N量为180 kg · hm-2,其中,F55为50%氮肥作基肥土施、50%氮肥作滴灌施肥,F37为30%氮肥作基肥土施、70%氮肥作滴灌施肥)的田间试验,测定生育期内土壤N2O通量和不同生育时期土壤无机氮含量,计算不同生育时期和全生育期土壤N2O排放量,分析土壤N2O通量与土壤无机氮含量之间的关系。结果 2季玉米土壤的N2O排放规律相似;相同施氮比例下,W100水分处理下土壤N2O排放通量在多数玉米生育时期高于W60和W80,表明高水分处理下土壤N2O排放通量高于中、低水分处理;相同水分处理下,除夏季玉米苗期外,土壤N2O排放通量施氮比例F55比F37更低。从整个生育时期土壤N2O累积排放量来看,春季玉米种植土壤W60F55处理N2O累积排放量低于其他处理,W80F55次之,夏季玉米种植土壤则是W60F37和W80F55处理的N2O累积排放量均较低。另外,2季玉米的土壤N2O通量与硝态氮和亚硝态氮含量之间显著相关,相关系数分别为0.433~0.579和0.396~0.532。结论 W80F55处理(田间持水量的70%~80%,以及50%氮肥作基肥土施,50%氮肥作滴灌施肥)降低种植玉米的土壤N2O排放。此外,土壤硝态氮和亚硝态氮含量显著影响土壤N2O排放。
2023, 44(3):420-429. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202203010
摘要:目的 挖掘大豆Glycine max MADS转录因子家族成员GmMADS4基因信息,分析其结构及功能。方法 通过生物信息学分析,对GmMADS4基因进行基因结构、编码蛋白信息、保守结构域、系统进化树以及互作蛋白预测等分析。利用烟草叶片瞬时转化法分析亚细胞定位,通过RT-qPCR进行组织部位及响应缺素的表达模式分析,利用下胚轴复合植株转化法分析超量表达GmMADS4对转基因毛根生长的影响。结果 GmMADS4基因开放阅读框长732 bp,编码蛋白相对分子质量为28 000;保守结构域含有MADS-box和K-box,属于II型MADS家族成员,与拟南芥的AtAP3相似性较高;GmMADS4在大豆多个部位均有表达,且在花和种子中的表达量较高;缺氮和缺磷处理均显著增加GmMADS4在叶和根部的表达量;GmMADS4主要定位在细胞核,超量表达GmMADS4显著增加转基因毛根的可溶性磷含量。结论 GmMADS4属于大豆II型MADS家族成员,具有核定位功能,可能在大豆种子和花的发育过程中发挥作用,并参与大豆根部缺磷响应及磷稳态调节。
2023, 44(3):430-437. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202203058
摘要:目的 明确辣椒炭疽病病原菌Colletotrichum spp.种类,并筛选防治药剂。方法 采集贵州省贵阳市花溪区具有典型炭疽病症状的‘党武’辣椒叶片和果实,分离病原菌;采用单孢分离法、柯赫氏法则、形态学特征结合ITS、GADPH、CHS-1和ACT多基因序列分析,明确病原菌的致病能力及分类地位;采用菌丝生长速率法测定病原菌对6种化学杀菌剂和6种生物杀菌剂的敏感性。结果 病原菌鉴定为斯高维尔炭疽菌Colletotrichum scovillei;室内药剂敏感性测定发现12种杀菌剂对C. scovillei均有一定的抑制作用,75%(w)肟菌·戊唑醇WDG、10%(w)苯醚甲环唑WDG和250 g/L吡唑醚菌酯SC的抑制效果最好,EC50分别为0.254、0.731、0.745 mg/L。其次是200 g/L异硫氰酸烯丙酯SL、3%(w)中生菌素WP、10 g/L申嗪霉素SC、80 g/L宁南霉素AS、200 g/L异硫氰酸烯丙酯EW和10 g/L蛇床子素ME,EC50分别为1.238、1.307、1.711、2.929、3.175和2.191 mg/L。将10%(w)苯醚甲环唑WDG和250 g/L吡唑醚菌酯SC按照1∶4、2∶3的体积比复配时,联合毒力测定和评价结果显示两者复配对该病菌具有协同增效作用。结论 本研究可为辣椒生产中辣椒炭疽病的田间药剂防治提供参考。
2023, 44(3):438-446. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202206037
摘要:目的 在水稻生产过程中,针对不同虫害需要采用不同的防治方案,水稻害虫的准确识别分类是制定针对性防治方案的前提。方法 采用深度学习结合机器视觉的方法,基于Res2Net结构提出了一种多尺度特征提取的深度残差网络,通过准确地提取害虫特征实现复杂自然背景下的水稻害虫识别;采用改进的残差结构,使用等级制的类残差连接取代了原本的3×3卷积核,增加了每个网络层的感受野,可以更细粒度地提取多尺度特征。结果 本网络训练的模型能够有效地识别自然背景下的水稻害虫,在自建的包含22类常见水稻害虫的图像数据集上,平均识别准确率达到了92.023%,优于传统的ResNet、VGG等网络。结论 本文提出的模型可应用于水稻虫情自动监测系统,为实现水稻害虫虫情的机器视觉监测提供参考。
2023, 44(3):447-455. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202206010
摘要:目的 针对目前三七Panax notoginseng病害识别模型结构复杂、参数庞大,难以实现在移动设备上部署的问题,提出一种基于SSD(Single shot multibox detector)目标检测的改进模型,以期实现三七病害检测的便捷化、快速化与精准化。方法 基于SSD模型架构,采用轻量化卷积神经网络(MobileNet)替换原始特征提取网络(VGG16),降低主干网络的参数量与计算量,同时根据人类视觉皮层中群智感受野(pRF)的大小与其视网膜图中偏心率之间的函数关系,构建RFB模块,用该模块替换原SSD模型框架顶部卷积层,从而增强网络深层特征,提高轻量化模型的检测精度与检测速度,实现多尺度三七病害检测。结果 与SSD模型相比,RFB-MobileNet-SSD模型网络参数量和参数计算量分别降低了96.67%和96.10%。在不同天气条件下应用模型对4种不同病害数据进行验证发现,改进模型的准确率提高了4.6个百分点,召回率提高了6.1个百分点,F1精度提高了5.4个百分点,单幅图像检测时间由SSD模型的0.073 s缩短为0.020 s,尺寸仅为SSD模型的54.6%。结论 改进后模型不仅能够满足三七叶片病害实时检测的要求,且更利于在移动设备中部署。此外,RFB-MobileNet-SSD对于小区域病害检测能力表现更优且在复杂环境下抗干扰能力更强,更适合田间环境下的三七病害检测。
2023, 44(3):456-463. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202205019
摘要:目的 针对传统点云配准方法准确率低、速度慢等问题,以油菜Brassica napus L.分枝点云为研究对象,提出基于ISS-LCG组合特征点的配准方法。方法 以成熟期油菜角果分枝点云为对象,去除背景噪声后,得到清晰完整的油菜分枝点云;然后通过内部形状描述子(Intrinsic shape signature,ISS)提取油菜分枝点云的特征点,再使用线性同余法(Linear congruential generator,LCG)伪随机选取油菜点云的部分点构成关键点,将特征点和关键点进行融合,构成ISS-LCG组合特征点;通过三维形状上下文特征(3D shape context,3DSC)对组合特征点进行特征描述,最后采用RANSAC+ICP两步点云配准法进行点云配准。结果 基于ISS-LCG组合特征点的点云配准算法以30°为间隔对点云进行两两配准时,配准效果最佳,配准误差约0.066 mm,配准精度比未采用组合特征点的配准方法提升了50%~70%;配准时间均小于48 s,平均配准时间为8.706 s。结论 该方法在可控环境内可以实现成熟期油菜植株高精度、高效率的自动配准。
2023, 44(3):464-472. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202205012
摘要:目的 为扩大移栽机适用性,实现对多种规格蔬菜穴盘苗的自动取喂苗作业,本文设计了一款蔬菜移栽机可调式喂苗装置。方法 设计了带有可调节取喂苗爪的取喂苗臂,优化了喂苗爪的相关参数,并进行了运动学分析。通过调节取喂苗臂上的取喂苗爪数量及间距,选择不同的PLC控制程序,可以配套使用不同穴孔数的穴盘。通过对取喂苗工作过程分析,综合考虑影响喂苗成功率的关键性因素,以苗坨含水率、穴盘苗苗高、苗针入土深度为试验参数,选取72、105、128穴规格的生菜穴盘苗为试验对象,进行单因素试验和多因素正交试验,探究各因素对喂苗成功率的影响。结果 当穴盘苗基质含水率(w)为40%、苗高为50 mm、入土深度为38 mm时,可调式喂苗装置的喂苗成功率最高,72、105、128穴生菜穴盘的喂苗成功率分别为95.83%、96.19%和96.48%。结论 可调式喂苗装置设计符合蔬菜移栽机取喂苗的技术要求,移栽效果较好,可为通用全自动蔬菜移栽机的研制与开发提供参考。
2023, 44(3):473-483. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202206024
摘要:目的 为解决非结构化环境下采用深度强化学习进行采摘机械臂路径规划时存在的效率低、采摘路径规划成功率不佳的问题,提出了一种非结构化环境下基于深度强化学习(Deep reinforcement learning, DRL)和人工势场的柑橘采摘机械臂的路径规划方法。方法 首先,通过强化学习方法进行采摘路径规划问题求解,设计了结合人工势场的强化学习方法;其次,引入长短期记忆(Longshort term memory,LSTM)结构对2种DRL算法的Actor网络和Critic网络进行改进;最后,在3种不同的非结构化柑橘果树环境训练DRL算法对采摘机械臂进行路径规划。结果 仿真对比试验表明:结合人工势场的强化学习方法有效提高了采摘机械臂路径规划的成功率;引入LSTM结构的方法可使深度确定性策略梯度(Deep deterministic policy gradient,DDPG)算法的收敛速度提升57.25%,路径规划成功率提升23.00%;使软行为评判(Soft actor critic,SAC)算法的收敛速度提升53.73%,路径规划成功率提升9.00%;与传统算法RRT-connect(Rapidly exploring random trees connect)对比,引入LSTM结构的SAC算法使规划路径长度缩短了16.20%,路径规划成功率提升了9.67%。结论 所提出的路径规划方法在路径规划长度、路径规划成功率方面存在一定优势,可为解决采摘机器人在非结构化环境下的路径规划问题提供参考。
2023, 44(3):484-494. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202203062
摘要:目的 屋顶绿化通过植被层涵养和基质层滞蓄等作用可减少和延缓暴雨的径流峰值,通过实时监测降雨量、土壤含水量和溢流量等参数,对屋顶绿化雨水滞蓄效能进行科学研究。方法 以可编程控制器(Programmable logic controller,PLC)为硬件控制核心组件,结合触摸屏技术研制屋顶绿化雨水滞蓄效能的自动监测系统,对降雨事件、降雨量、空气温度、空气湿度和风速进行自动监测。结果 实时监测系统的测量结果与气象部门观测数据吻合,表明该系统能有效实现溢流量和基质土壤相对湿度的自动测量。不同植被的植物槽溢流量和基质土壤相对湿度存在差异,在试验过程中的一个连续降雨时期,大花马齿苋Portulaca grandiflora植物槽的滞蓄率为54.75%,南美蟛蜞菊Sphagneticola trilobata为26.63%,佛甲草Sedum lineare为38.34%;基质保水性存在季节差异,8月降雨后基质相对湿度普遍达70%以上,而9月南美蟛蜞菊基质相对湿度均低于70%,10月则更低。结论 该监测系统可实现对室外屋顶绿化滞蓄效能及生态环境因子的有效、准确和实时动态监测。屋顶植物槽系统的雨水滞蓄效能、产流特征及基质土壤的保水性能与气象气候条件、降雨强度、降雨量、植物类型、季节变化和基质组成等密切相关。
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