智能生產(chǎn)時代的人工光植物工廠技術(shù)展望

李明　王志強

人工光植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀

人工光利用型植物工廠（以下簡稱“植物工廠”）是使用保溫不透光材料作為圍護結(jié)構(gòu)，采用熒光燈、LED等人工光源為植物提供光照，并配備有多層栽培架、循環(huán)風機、空調(diào)、CO2施肥系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備的一種密閉式園藝栽培設(shè)施[1-2]（圖1）。與普通的連棟溫室、日光溫室或塑料大棚相比，植物工廠室內(nèi)環(huán)境封閉程度較高，不僅有利于溫濕度和CO2濃度的精準控制，還可防止室外氣候變化對室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生不良影響，從而使植物工廠可以像工廠一樣進行周年批量生產(chǎn)。除此之外，植物工廠還具有農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)高、安全無農(nóng)藥、室內(nèi)作業(yè)自動化水平高、勞動強度低、不占用耕地、資源利用效率高等優(yōu)點，被譽為設(shè)施農(nóng)業(yè)的最高形式[2]。

日本是較早進行植物工廠商業(yè)化的國家。在2009年，日本農(nóng)林水產(chǎn)省和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省分別撥出專項資金在大阪府立大學、千葉大學、明治大學等機構(gòu)進行植物工廠技術(shù)研發(fā)和示范，掀起了一場植物工廠建設(shè)熱潮[3]。中國植物工廠起步較晚，但發(fā)展快速。目前已有多座植物工廠投入運營。

工業(yè)4.0的提出

植物工廠最初發(fā)展的動機是希望能像工廠一樣批量化地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和制造業(yè)服務(wù)化的興起，德國在2013年正式推出了工業(yè)4.0的概念，即工業(yè)生產(chǎn)在經(jīng)歷了機械化、流水線生產(chǎn)、自動化之后，將進入以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)為驅(qū)動的智能生產(chǎn)時代[4-5]。在該模式下，人力、設(shè)備、資源等生產(chǎn)要素之間將互通互聯(lián)，機、電、自動化、信息與通信技術(shù)以及企業(yè)制造管理流程將深度融合，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈中研發(fā)與設(shè)計制造、生產(chǎn)與制造、營銷與服務(wù)之間的界限被打破，企業(yè)可在保證生產(chǎn)效率的前提下實現(xiàn)大規(guī)模個性化定制，并達到減小資源消耗，加快對消費者需求的反應(yīng)速度等目的[6-7]。該模式一經(jīng)推出即在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。目前，西門子、海爾等廠家已經(jīng)開始踐行這一理念，并取得了巨大成功。中國在2015年3月推出了中國版的工業(yè)4.0計劃——《中國制造2025》，要求企業(yè)通過強化信息化管理，實現(xiàn)制造業(yè)“三效”（效率、效益、效果）、“三力”（創(chuàng)造力、生產(chǎn)力、競爭力）和“三降”（降低成本、能耗、物耗）[8]。在2016年政府報告中，李克強總理指出要鼓勵企業(yè)開展個性化定制、柔性化生產(chǎn)，培育精益求精的工匠精神，增品種、提品質(zhì)、創(chuàng)品牌。因此，未來智能化生產(chǎn)將成為工業(yè)領(lǐng)域的新常態(tài)，并將對社會的各行各業(yè)產(chǎn)生深刻的影響。

本文的目的是探討植物工廠是否可借鑒工業(yè)4.0理念進行技術(shù)升級，推動植物工廠由大批量規(guī)?；a(chǎn)向定制化規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，同時產(chǎn)業(yè)鏈條則向生產(chǎn)、銷售和服務(wù)全生命周期延伸，從而拓展植物工廠功能，提高植物工廠效益，并盡可能滿足我國消費者對農(nóng)產(chǎn)品日趨多樣化的需求。

工業(yè)4.0時代智能生產(chǎn)的主要內(nèi)容

智能生產(chǎn)的主要內(nèi)容體現(xiàn)在數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)在設(shè)計、生產(chǎn)、管理和集成制造等方面的應(yīng)用。在設(shè)計方面，企業(yè)采用面向產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化智能化設(shè)計系統(tǒng)，進行虛擬設(shè)計、制造、裝配，可有效縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和一次研發(fā)成功率[9-10]。在生產(chǎn)制造方面，利用信息物理系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備進行智能升級，使設(shè)備、人力、資源等生產(chǎn)要素互聯(lián)，組成高柔性的智能生產(chǎn)線，不僅可在不依靠工人操作的情況下進行生產(chǎn)，還能根據(jù)產(chǎn)品特性自由動態(tài)地組合、靈活生產(chǎn)，高效率的實現(xiàn)規(guī)模定制生產(chǎn)[5，9，11]。在管理方面，可實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中各環(huán)節(jié)、各業(yè)務(wù)、各要素的協(xié)同規(guī)劃與決策優(yōu)化管理，有效提高企業(yè)對市場變化的反應(yīng)速度，打破生產(chǎn)過程中的管理瓶頸，大幅度提高制造效益，降低產(chǎn)品成本和資源消耗。在智能集成方面，通過信息物理系統(tǒng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)設(shè)計與開發(fā)、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)過程以及產(chǎn)品的售后維護等階段之間的信息共享，信息流沿著原材料傳遞，指示必要的生產(chǎn)步驟，從而確?？蛻舻奶囟ㄐ枨蟮玫綕M足。在工業(yè)4.0時代，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、品牌銷售之間的界限將不復存在，企業(yè)和客戶之間可以零距離溝通，客戶可通過多種方式參與到產(chǎn)品制造過程中[6，9]。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，制造企業(yè)還可通過互聯(lián)網(wǎng)獲取機械、設(shè)備和設(shè)施群的信息，進而開展產(chǎn)品的檢查、維修和維護服務(wù)，從而將產(chǎn)品的核心價值從產(chǎn)品本身轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)用戶，形成新的利潤增長點[9]。

工業(yè)4.0對植物工廠發(fā)展的啟示

植物工廠還屬于新興事物，雖然近年來發(fā)展迅猛，但蔬菜品種單一、生產(chǎn)成本居高不下、同質(zhì)化競爭日趨嚴重等問題也越來越突出。在植物工廠技術(shù)最為先進的日本，植物工廠倒閉的事件時有發(fā)生，不少植物工廠深陷虧損泥潭，亟需通過新一輪的技術(shù)創(chuàng)新來提升植物工廠贏利能力，確保植物工廠的健康持續(xù)發(fā)展。

工業(yè)4.0所帶來的不僅僅是對傳統(tǒng)制造業(yè)的顛覆式變革，還帶來了新的思維方式。雖然植物工廠與制造業(yè)工廠有本質(zhì)區(qū)別，但可以借鑒工業(yè)4.0中以信息創(chuàng)新為驅(qū)動，柔性生產(chǎn)，網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同生產(chǎn)，服務(wù)用戶等新思維對植物工廠技術(shù)進行創(chuàng)新。以下為筆者根據(jù)自身經(jīng)驗提出的植物工廠發(fā)展方向，供大家參考。

開發(fā)自動化設(shè)備

植物工廠已經(jīng)可對空氣溫濕度、CO2濃度、營養(yǎng)液濃度等參數(shù)進行自動調(diào)控，有效減少了植物栽培過程中的人為因素，降低了勞動強度，但播種、定植、收獲等工作還需人工完成，勞動強度依然較大，亟需開發(fā)相關(guān)自動化設(shè)備來進一步減少植物生產(chǎn)過程中的用工量，使勞動者可以從繁重的重復性勞動中解放出來，將更多的精力投入到植物工廠生產(chǎn)和經(jīng)營模式的創(chuàng)新中。目前，日本大阪府立大學的植物工廠正在應(yīng)用一種自動栽培裝置，該裝置允許在沒有人工作業(yè)的條件下進行作物生產(chǎn)，在植物工廠自動化方面邁出了可喜的一步[12]。

打造高柔性栽培裝備

在制造業(yè)中，為滿足定制化產(chǎn)品的高效生產(chǎn)，工業(yè)4.0要求生產(chǎn)設(shè)備具有高度的柔性，也就是使用同一條生產(chǎn)線生產(chǎn)不同的產(chǎn)品[13]。這樣的生產(chǎn)模式可有效提高企業(yè)對市場需求的適應(yīng)能力，從而改善其競爭力。

目前植物工廠主要用于栽培葉菜，其中又以栽培生菜為主，室內(nèi)設(shè)備大多依據(jù)生菜的生理特性進行配置，柔性較低。另外，植物工廠本身投資高，回收期長，單一產(chǎn)品和功能會增加其運營風險。實際上，除了葉菜之外，植物工廠還適用于栽培高附加值的中藥材、優(yōu)質(zhì)種苗（圖3）、小型花卉和根菜類作物等[14]。而且植物工廠具有較強的室內(nèi)環(huán)境調(diào)控能力，還可用作催芽室。潔凈度較高的植物工廠甚至可用作組培室來使用（圖4）。因此，目前植物工廠本身的特性未能充分發(fā)揮，植物工廠功能還有待進一步拓展。為此，可借鑒工業(yè)4.0思維對植物工廠光源、營養(yǎng)液系統(tǒng)、空氣環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)等設(shè)備進行改造，使植物工廠具有多種作物的栽培能力，提高植物工廠生產(chǎn)工藝的靈活性。這樣，企業(yè)可根據(jù)市場需求靈活確定栽培品種，而且還能在植物工廠內(nèi)靈活安排生產(chǎn)，同時生產(chǎn)多種作物，進一步提高產(chǎn)出效益，實現(xiàn)收益的最大化。

延伸植物工廠產(chǎn)業(yè)鏈

在工業(yè)領(lǐng)域，美國通用電氣將傳感器安裝在飛機發(fā)動機葉片上，將發(fā)動機的實時運行參數(shù)發(fā)回監(jiān)測中心，通過對發(fā)動機狀態(tài)的實時監(jiān)控，可為航空公司提供及時的檢查、維護和維修服務(wù)。并通過對大數(shù)據(jù)的獲取，有效促進了發(fā)動機的設(shè)計、仿真、控制等過程。上述通用的例子說明在工業(yè)4.0時代，制造業(yè)和消費者之間的溝通不再局限于售后服務(wù)，其產(chǎn)業(yè)鏈在通過物聯(lián)網(wǎng)延伸的同時還獲取了新的產(chǎn)業(yè)價值[9]。

植物工廠由于采用人工光源為植物提供光照，其能耗非常大，運行成本較高。為了降低成本，必須合理調(diào)配資源，科學管理，盡可能的提高植物對電力、肥料等資源的利用效率，進而實現(xiàn)較低的生產(chǎn)成本[15-17]。為此，在植物工廠領(lǐng)域也可打造一個咨詢服務(wù)平臺，將植物工廠研究、咨詢和實際運營等環(huán)節(jié)有機結(jié)合起來，實現(xiàn)植物工廠產(chǎn)業(yè)鏈的延伸。首先對植物工廠的設(shè)備進行改造，實現(xiàn)對植物工廠的全方位監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)源源

不斷地上傳到云端。其次，由專業(yè)技術(shù)人員對數(shù)據(jù)進行分析，提供合理栽培管理方案，找出栽培管理中的問題，確保投入的資源得到了高效利用。此外，在植物工廠運行中出現(xiàn)的問題，可通過相關(guān)研究來解決，也就是以實際問題來指導科學研究，提高科研成果轉(zhuǎn)化效率。

開展“互聯(lián)網(wǎng)+植物工廠”

在工業(yè)4.0時代，制造企業(yè)和消費者可以實現(xiàn)無縫對接，在滿足消費者個性需求的同時實行零庫存生產(chǎn)。如紅領(lǐng)集團推出的個性化生產(chǎn)模式中，智能化生產(chǎn)系統(tǒng)可根據(jù)客戶訂單自動形成設(shè)計方案，并將其分解到各工序。布料跟隨電子標簽流轉(zhuǎn)到車間每個工位進行生產(chǎn)。這種生產(chǎn)方式的成本僅比批量制造高10%，但回報至少是2倍以上[9]。

對植物工廠來說，蔬菜的保鮮時間較短，減少庫存或零庫存對植物工廠的正常運營非常重要。如生菜在采收之后，其失重率和亞硝酸鹽會逐漸上升，其品質(zhì)會隨貯藏時間的延長而下降?；谠搯栴}，可利用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+植物工廠”，即生產(chǎn)者與消費者通過網(wǎng)絡(luò)平臺進行信息共享，并利用現(xiàn)代化的物流手段加速植物工廠蔬菜流通，保證蔬菜品質(zhì)。另外，對于具有高柔性生產(chǎn)設(shè)備的植物工廠，其經(jīng)營模式還可由以往基于蔬菜品種和產(chǎn)量進行市場銷售的舊模式，轉(zhuǎn)向由顧客提出要求，下訂單，然后制定生產(chǎn)計劃的新模式，進一步打破市場與生產(chǎn)之間的隔閡，實現(xiàn)零庫存生產(chǎn)。

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*項目支持：“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題（2014BAD08B020101）。

作者簡介：李明（1983-），男，山西長治人，工程師，博士，主要從事設(shè)施園藝工程研究。