智能生產時代的人工光植物工廠技術展望

李明　王志強

人工光植物工廠發展現狀

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構，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、循環風機、空調、CO2施肥系統、營養液循環系統等設備的一種密閉式園藝栽培設施[1-2]（圖1）。與普通的連棟溫室、日光溫室或塑料大棚相比，植物工廠室內環境封閉程度較高，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環境產生不良影響，從而使植物工廠可以像工廠一樣進行周年批量生產。除此之外，植物工廠還具有農產品品質高、安全無農藥、室內作業自動化水平高、勞動強度低、不占用耕地、資源利用效率高等優點，被譽為設施農業的最高形式[2]。

日本是較早進行植物工廠商業化的國家。在2009年，日本農林水產省和經濟產業省分別撥出專項資金在大阪府立大學、千葉大學、明治大學等機構進行植物工廠技術研發和示范，掀起了一場植物工廠建設熱潮[3]。中國植物工廠起步較晚，但發展快速。目前已有多座植物工廠投入運營。

工業4.0的提出

植物工廠最初發展的動機是希望能像工廠一樣批量化地進行農業生產。隨著物聯網技術和制造業服務化的興起，德國在2013年正式推出了工業4.0的概念，即工業生產在經歷了機械化、流水線生產、自動化之后，將進入以互聯網、物聯網和大數據等新一代信息技術為驅動的智能生產時代[4-5]。在該模式下，人力、設備、資源等生產要素之間將互通互聯，機、電、自動化、信息與通信技術以及企業制造管理流程將深度融合，傳統產業鏈中研發與設計制造、生產與制造、營銷與服務之間的界限被打破，企業可在保證生產效率的前提下實現大規模個性化定制，并達到減小資源消耗，加快對消費者需求的反應速度等目的[6-7]。該模式一經推出即在世界范圍內引起了廣泛關注。目前，西門子、海爾等廠家已經開始踐行這一理念，并取得了巨大成功。中國在2015年3月推出了中國版的工業4.0計劃——《中國制造2025》，要求企業通過強化信息化管理，實現制造業“三效”（效率、效益、效果）、“三力”（創造力、生產力、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開展個性化定制、柔性化生產，培育精益求精的工匠精神，增品種、提品質、創品牌。因此，未來智能化生產將成為工業領域的新常態，并將對社會的各行各業產生深刻的影響。

本文的目的是探討植物工廠是否可借鑒工業4.0理念進行技術升級，推動植物工廠由大批量規模化生產向定制化規模生產轉變，同時產業鏈條則向生產、銷售和服務全生命周期延伸，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產品日趨多樣化的需求。

工業4.0時代智能生產的主要內容

智能生產的主要內容體現在數字化、信息化和智能化技術在設計、生產、管理和集成制造等方面的應用。在設計方面，企業采用面向產品全生命周期的數字化智能化設計系統，進行虛擬設計、制造、裝配，可有效縮短生產周期，提高產品設計質量和一次研發成功率[9-10]。在生產制造方面，利用信息物理系統對生產設備進行智能升級，使設備、人力、資源等生產要素互聯，組成高柔性的智能生產線，不僅可在不依靠工人操作的情況下進行生產，還能根據產品特性自由動態地組合、靈活生產，高效率的實現規模定制生產[5，9，11]。在管理方面，可實現產品全生命周期中各環節、各業務、各要素的協同規劃與決策優化管理，有效提高企業對市場變化的反應速度，打破生產過程中的管理瓶頸，大幅度提高制造效益，降低產品成本和資源消耗。在智能集成方面，通過信息物理系統和工業互聯網實現設計與開發、生產計劃、生產過程以及產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，指示必要的生產步驟，從而確保客戶的特定需求得到滿足。在工業4.0時代，傳統生產模式中研發設計、生產制造、品牌銷售之間的界限將不復存在，企業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品制造過程中[6，9]。

隨著工業互聯網、云計算、大數據技術的迅猛發展，制造企業還可通過互聯網獲取機械、設備和設施群的信息，進而開展產品的檢查、維修和維護服務，從而將產品的核心價值從產品本身轉變為服務用戶，形成新的利潤增長點[9]。

工業4.0對植物工廠發展的啟示

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

工業4.0所帶來的不僅僅是對傳統制造業的顛覆式變革，還帶來了新的思維方式。雖然植物工廠與制造業工廠有本質區別，但可以借鑒工業4.0中以信息創新為驅動，柔性生產，網絡化協同生產，服務用戶等新思維對植物工廠技術進行創新。以下為筆者根據自身經驗提出的植物工廠發展方向，供大家參考。

開發自動化設備

植物工廠已經可對空氣溫濕度、CO2濃度、營養液濃度等參數進行自動調控，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，亟需開發相關自動化設備來進一步減少植物生產過程中的用工量，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和經營模式的創新中。目前，日本大阪府立大學的植物工廠正在應用一種自動栽培裝置，該裝置允許在沒有人工作業的條件下進行作物生產，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

在制造業中，為滿足定制化產品的高效生產，工業4.0要求生產設備具有高度的柔性，也就是使用同一條生產線生產不同的產品[13]。這樣的生產模式可有效提高企業對市場需求的適應能力，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，室內設備大多依據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、優質種苗（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環境調控能力，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揮，植物工廠功能還有待進一步拓展。為此，可借鑒工業4.0思維對植物工廠光源、營養液系統、空氣環境調節系統等設備進行改造，使植物工廠具有多種作物的栽培能力，提高植物工廠生產工藝的靈活性。這樣，企業可根據市場需求靈活確定栽培品種，而且還能在植物工廠內靈活安排生產，同時生產多種作物，進一步提高產出效益，實現收益的最大化。

延伸植物工廠產業鏈

在工業領域，美國通用電氣將傳感器安裝在飛機發動機葉片上，將發動機的實時運行參數發回監測中心，通過對發動機狀態的實時監控，可為航空公司提供及時的檢查、維護和維修服務。并通過對大數據的獲取，有效促進了發動機的設計、仿真、控制等過程。上述通用的例子說明在工業4.0時代，制造業和消費者之間的溝通不再局限于售后服務，其產業鏈在通過物聯網延伸的同時還獲取了新的產業價值[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，進而實現較低的生產成本[15-17]。為此，在植物工廠領域也可打造一個咨詢服務平臺，將植物工廠研究、咨詢和實際運營等環節有機結合起來，實現植物工廠產業鏈的延伸。首先對植物工廠的設備進行改造，實現對植物工廠的全方位監控，并將數據源源

不斷地上傳到云端。其次，由專業技術人員對數據進行分析，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的問題，可通過相關研究來解決，也就是以實際問題來指導科學研究，提高科研成果轉化效率。

開展“互聯網+植物工廠”

在工業4.0時代，制造企業和消費者可以實現無縫對接，在滿足消費者個性需求的同時實行零庫存生產。如紅領集團推出的個性化生產模式中，智能化生產系統可根據客戶訂單自動形成設計方案，并將其分解到各工序。布料跟隨電子標簽流轉到車間每個工位進行生產。這種生產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，其品質會隨貯藏時間的延長而下降。基于該問題，可利用互聯網發展“互聯網+植物工廠”，即生產者與消費者通過網絡平臺進行信息共享，并利用現代化的物流手段加速植物工廠蔬菜流通，保證蔬菜品質。另外，對于具有高柔性生產設備的植物工廠，其經營模式還可由以往基于蔬菜品種和產量進行市場銷售的舊模式，轉向由顧客提出要求，下訂單，然后制定生產計劃的新模式，進一步打破市場與生產之間的隔閡，實現零庫存生產。

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*項目支持：“十二五”農村領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，主要從事設施園藝工程研究。