數(shù)字化生產(chǎn)植物工廠的構(gòu)建

辜松 劉厚誠 謝忠堅

設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)

近年來，計算機技術(shù)、自動化裝備技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地推動了設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，與大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相比，設(shè)施農(nóng)業(yè)具有生產(chǎn)空間固定、生產(chǎn)環(huán)境相對穩(wěn)定、作業(yè)條件人為干預(yù)便利的特點，有利于推廣使用先進的工業(yè)裝備技術(shù)和計算機技術(shù)，這已被以荷蘭為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)先進國家所證明。設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)中的數(shù)字化代表的是利用計算機對設(shè)施生產(chǎn)進行自動控制，并對生產(chǎn)過程進行計算機管理，如圖1所示，設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)主要包含作業(yè)控制數(shù)字化、生產(chǎn)管理數(shù)字化和品質(zhì)管理數(shù)字化。其中作業(yè)控制數(shù)字化是核心執(zhí)行內(nèi)容，其含義是利用先進的生產(chǎn)裝備進行生產(chǎn)，在計算機的控制下進行環(huán)境調(diào)控、水肥供給、作業(yè)對象搬運等作業(yè);生產(chǎn)管理數(shù)字化是對生產(chǎn)對象、生產(chǎn)人員及環(huán)境條件等生產(chǎn)要素進行計算機管理，目的是快速掌握生產(chǎn)裝備的運行合理性、準(zhǔn)確核算生產(chǎn)成本、擴大生產(chǎn)的可預(yù)見性;品質(zhì)管理數(shù)字化是數(shù)字化生產(chǎn)對傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的重要改變內(nèi)容，其目的是針對種植對象的成品甚至是種植過程中的表型形態(tài)和品質(zhì)進行檢測、存儲、比對，結(jié)合實際實施的種植環(huán)境、水肥條件等的生產(chǎn)效果，合理修改環(huán)境、水肥等生產(chǎn)要素，力求達到高產(chǎn)、高品質(zhì)生產(chǎn)，最終達到生產(chǎn)、效益最優(yōu)化。

圖2進一步說明了設(shè)施生產(chǎn)的作業(yè)控制數(shù)字化，該圖表明其主要控制對象是針對種植對象實施的溫濕度、光照、水肥、二氧化碳氣調(diào)、病蟲害植保等重要生產(chǎn)要素。根據(jù)圖2的流程，設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)作業(yè)是在種植對象生長模型的指導(dǎo)下，合理管控各個生產(chǎn)要素，力求達到生產(chǎn)產(chǎn)品的高產(chǎn)、高品質(zhì)生產(chǎn)。另外，對于設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)，通過生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)字化品質(zhì)管理，向植物生長模型反饋生產(chǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)，配合生產(chǎn)要素的數(shù)字化控制，使系統(tǒng)具備對生產(chǎn)模型合理性監(jiān)測、環(huán)境因素自調(diào)節(jié)等功能。對于設(shè)施生產(chǎn)數(shù)字化作業(yè)，必須具有一個關(guān)鍵條件，即種植對象的生長模型，先進設(shè)施作業(yè)裝備系統(tǒng)中，如果沒有植物生長模型或是模型不合理，生產(chǎn)雖可進行，但是都將無法達到理想效果。傳統(tǒng)設(shè)施生產(chǎn)都是依靠種植者的經(jīng)驗進行生產(chǎn)，但是，近年植物表型研究的各類成果表明，人工的經(jīng)驗難以深達植物生長機理的優(yōu)化層面，需通過數(shù)字化的表型研究獲取植物生長模型才能達到生產(chǎn)效果，這也正是國內(nèi)大部分溫室生產(chǎn)的產(chǎn)量難以比擬國外高水平種植模式下產(chǎn)量的原因。因此，結(jié)構(gòu)合理的設(shè)施、先進的裝備系統(tǒng)僅僅是設(shè)施生產(chǎn)數(shù)字化的基礎(chǔ)，而高產(chǎn)、高品質(zhì)生產(chǎn)的靈魂是要具備優(yōu)化、合理的種植對象生長模型，這還需要大量的深入研究工作。

數(shù)字化生產(chǎn)植物工廠的構(gòu)建

智能植物工廠的構(gòu)架

基于以上設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)的基本理念，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)結(jié)合溫室生產(chǎn)構(gòu)建了植物工廠立體栽培葉菜-種苗智能生產(chǎn)系統(tǒng)（圖3），該智能系統(tǒng)可進行溫度、濕度、光照、營養(yǎng)液供給、品質(zhì)檢測、操作人員作業(yè)管理、種植板自動立體輸送、精量播種等調(diào)節(jié)和作業(yè)，智能系統(tǒng)主要由植物工廠結(jié)構(gòu)單元、溫濕度控制單元、光環(huán)境控制單元、水肥一體化供給單元、品質(zhì)檢測單元、操作人員管理單元、自動化生產(chǎn)裝備單元、控制系統(tǒng)遠程監(jiān)控管理單元構(gòu)成。

智能植物工廠主要設(shè)施裝備

根據(jù)以上植物工廠數(shù)字化生產(chǎn)的構(gòu)架，目前華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物工廠在逐步實施各項數(shù)字化生產(chǎn)內(nèi)容，已開始進行水培葉菜及蔬菜種苗的生產(chǎn)試驗及相關(guān)科學(xué)研究（圖4），具體實施結(jié)果如下：

◆環(huán)境參數(shù)監(jiān)控

植物工廠內(nèi)部環(huán)境通過工業(yè)空調(diào)自動調(diào)節(jié)內(nèi)部溫度與相對濕度，調(diào)節(jié)介質(zhì)采用側(cè)墻橫向通風(fēng)形式，內(nèi)部不同位置及不同層高設(shè)置多點溫、濕度傳感器，數(shù)據(jù)通過環(huán)境參數(shù)無線發(fā)射器發(fā)送到控制系統(tǒng)，為便于生產(chǎn)人員及時監(jiān)控、快速反應(yīng)控制環(huán)境，控制系統(tǒng)采用手機APP監(jiān)控，圖5為溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)裝置及控制界面，該APP監(jiān)控系統(tǒng)可實時通過Wi-Fi上網(wǎng)查看植物工廠內(nèi)部各點的溫、濕度情況，具有遠程報警功能，并且系統(tǒng)通過云端記錄的溫、濕度歷史參數(shù)，可便捷地繪制、顯示各時段的溫、濕度變化曲線，為分析生產(chǎn)狀況提供了有效歷史數(shù)據(jù)。

◆營養(yǎng)液參數(shù)監(jiān)控

如圖6所示，營養(yǎng)液參數(shù)監(jiān)控同樣采用APP監(jiān)控，通過Wi-Fi上網(wǎng)查看植物工廠營養(yǎng)液參數(shù)情況，營養(yǎng)液監(jiān)控也采用多點參數(shù)監(jiān)控，具有遠程報警功能，系統(tǒng)實時在手機APP上顯示營養(yǎng)液的EC、pH和營養(yǎng)液溫度，具有依據(jù)云端記錄數(shù)據(jù)繪制、顯示各時段的EC、pH以及營養(yǎng)液溫度變化曲線功能。

◆光環(huán)境控制

光源是植物工廠進行栽培生產(chǎn)的重要因素，該植物工廠光源為紅、藍、白3通道，如圖7所示，光源系統(tǒng)可通過手機APP監(jiān)控光源的光照強度，并可依據(jù)不同的栽培單元，分別設(shè)定3通道的光照強度和光照時間。

◆種植板自動輸送

植物工廠為合理利用栽培空間、提高運營效益，多采用高密度立體栽培，當(dāng)立體栽培達到一定規(guī)模，依靠人工搬運種植板已無法滿足規(guī)模化生產(chǎn)需求，該植物工廠采用種植板自動輸送裝備系統(tǒng)，完成種植板的立體輸送。該輸送系統(tǒng)主要由種植板輸入輸出升降機和種植板推送升降機組成，如圖8所示，種植板輸入時，由輸入輸出升降機端送入不同立體栽培架不同層，種植板輸出時，首先推送機在欲輸出的立體栽培架的層內(nèi)將種植板推送至輸入輸出端，配合種植板輸入輸出升降機將種植板輸出，通過設(shè)定輸入、輸出種植板數(shù)量及位置，可實現(xiàn)種植板的自動輸入輸出作業(yè)。

◆品質(zhì)評價

圖9為通過機器視覺考察不同光照條件下該植物工廠種植對象的表型特征，可用來建立種植對象的光照模型，進行種植對象的品質(zhì)監(jiān)測。

結(jié)束語

植物工廠常被認為是在密閉空調(diào)維護內(nèi)，植物在人工給予生長所需溫濕度、光照及營養(yǎng)等條件下進行的生產(chǎn)。這僅僅是早期植物工廠，擺脫自然生長環(huán)境的最基本要求，這樣的生產(chǎn)條件僅適用于科學(xué)研究與試驗，無法在競爭激烈的商業(yè)市場下生產(chǎn)運營。植物工廠利用數(shù)字化人工智能技術(shù)，基于自動化生產(chǎn)裝備實現(xiàn)高效規(guī)?；a(chǎn)，基于植物生長模型通過計算機智能技術(shù)進行生產(chǎn)環(huán)境因素控制、優(yōu)化生產(chǎn)管理、核算生產(chǎn)成本，力求高產(chǎn)、高品質(zhì)生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)、效益最優(yōu)化，最終達到與露地、溫室相比具有效益優(yōu)勢的水平。據(jù)此，我國植物工廠數(shù)字化生產(chǎn)還有很長的路要走。本文植物工廠也僅僅探索了一些數(shù)字化生產(chǎn)的基本功能，并且在各單元控制系統(tǒng)整合與單元間數(shù)字文件傳輸協(xié)調(diào)方面還需要進一步探索與努力。

*項目支持：國家十三五重點研發(fā)計劃項目“溫室水培葉菜智能化生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備研發(fā)”（2017YFD0701504）;廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目 “植物工廠立體育苗生產(chǎn)智能裝備研究與示范”（2019B020222004）;廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新團隊建設(shè)項目（2019KJ131）。

作者簡介：辜松，男，教授，研究方向：設(shè)施園藝智能裝備。

[引用信息]辜松，劉厚誠，謝忠堅，等.數(shù)字化生產(chǎn)植物工廠的構(gòu)建——以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物工廠為例[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（07）：10-13.