数字化生产植物工厂的构建

辜松 刘厚诚 谢忠坚

设施数字化生产

近年来，计算机技术、自动化装备技术、互联网技术及人工智能技术的飞速发展，极大地推动了设施农业生产技术的发展，与大田农业生产相比，设施农业具有生产空间固定、生产环境相对稳定、作业条件人为干预便利的特点，有利于推广使用先进的工业装备技术和计算机技术，这已被以荷兰为代表的设施农业生产先进国家所证明。设施数字化生产中的数字化代表的是利用计算机对设施生产进行自动控制，并对生产过程进行计算机管理，如图1所示，设施数字化生产主要包含作业控制数字化、生产管理数字化和品质管理数字化。其中作业控制数字化是核心执行内容，其含义是利用先进的生产装备进行生产，在计算机的控制下进行环境调控、水肥供给、作业对象搬运等作业;生产管理数字化是对生产对象、生产人员及环境条件等生产要素进行计算机管理，目的是快速掌握生产装备的运行合理性、准确核算生产成本、扩大生产的可预见性;品质管理数字化是数字化生产对传统生产模式的重要改变内容，其目的是针对种植对象的成品甚至是种植过程中的表型形态和品质进行检测、存储、比对，结合实际实施的种植环境、水肥条件等的生产效果，合理修改环境、水肥等生产要素，力求达到高产、高品质生产，最终达到生产、效益最优化。

图2进一步说明了设施生产的作业控制数字化，该图表明其主要控制对象是针对种植对象实施的温湿度、光照、水肥、二氧化碳气调、病虫害植保等重要生产要素。根据图2的流程，设施数字化生产作业是在种植对象生长模型的指导下，合理管控各个生产要素，力求达到生产产品的高产、高品质生产。另外，对于设施数字化生产，通过生产产品数字化品质管理，向植物生长模型反馈生产结果数据，配合生产要素的数字化控制，使系统具备对生产模型合理性监测、环境因素自调节等功能。对于设施生产数字化作业，必须具有一个关键条件，即种植对象的生长模型，先进设施作业装备系统中，如果没有植物生长模型或是模型不合理，生产虽可进行，但是都将无法达到理想效果。传统设施生产都是依靠种植者的经验进行生产，但是，近年植物表型研究的各类成果表明，人工的经验难以深达植物生长机理的优化层面，需通过数字化的表型研究获取植物生长模型才能达到生产效果，这也正是国内大部分温室生产的产量难以比拟国外高水平种植模式下产量的原因。因此，结构合理的设施、先进的装备系统仅仅是设施生产数字化的基础，而高产、高品质生产的灵魂是要具备优化、合理的种植对象生长模型，这还需要大量的深入研究工作。

数字化生产植物工厂的构建

智能植物工厂的构架

基于以上设施数字化生产的基本理念，华南农业大学结合温室生产构建了植物工厂立体栽培叶菜-种苗智能生产系统（图3），该智能系统可进行温度、湿度、光照、营养液供给、品质检测、操作人员作业管理、种植板自动立体输送、精量播种等调节和作业，智能系统主要由植物工厂结构单元、温湿度控制单元、光环境控制单元、水肥一体化供给单元、品质检测单元、操作人员管理单元、自动化生产装备单元、控制系统远程监控管理单元构成。

智能植物工厂主要设施装备

根据以上植物工厂数字化生产的构架，目前华南农业大学植物工厂在逐步实施各项数字化生产内容，已开始进行水培叶菜及蔬菜种苗的生产试验及相关科学研究（图4），具体实施结果如下：

◆环境参数监控

植物工厂内部环境通过工业空调自动调节内部温度与相对湿度，调节介质采用侧墙横向通风形式，内部不同位置及不同层高设置多点温、湿度传感器，数据通过环境参数无线发射器发送到控制系统，为便于生产人员及时监控、快速反应控制环境，控制系统采用手机APP监控，图5为温湿度监控系统装置及控制界面，该APP监控系统可实时通过Wi-Fi上网查看植物工厂内部各点的温、湿度情况，具有远程报警功能，并且系统通过云端记录的温、湿度历史参数，可便捷地绘制、显示各时段的温、湿度变化曲线，为分析生产状况提供了有效历史数据。

◆营养液参数监控

如图6所示，营养液参数监控同样采用APP监控，通过Wi-Fi上网查看植物工厂营养液参数情况，营养液监控也采用多点参数监控，具有远程报警功能，系统实时在手机APP上显示营养液的EC、pH和营养液温度，具有依据云端记录数据绘制、显示各时段的EC、pH以及营养液温度变化曲线功能。

◆光环境控制

光源是植物工厂进行栽培生产的重要因素，该植物工厂光源为红、蓝、白3通道，如图7所示，光源系统可通过手机APP监控光源的光照强度，并可依据不同的栽培单元，分别设定3通道的光照强度和光照时间。

◆种植板自动输送

植物工厂为合理利用栽培空间、提高运营效益，多采用高密度立体栽培，当立体栽培达到一定规模，依靠人工搬运种植板已无法满足规模化生产需求，该植物工厂采用种植板自动输送装备系统，完成种植板的立体输送。该输送系统主要由种植板输入输出升降机和种植板推送升降机组成，如图8所示，种植板输入时，由输入输出升降机端送入不同立体栽培架不同层，种植板输出时，首先推送机在欲输出的立体栽培架的层内将种植板推送至输入输出端，配合种植板输入输出升降机将种植板输出，通过设定输入、输出种植板数量及位置，可实现种植板的自动输入输出作业。

◆品质评价

图9为通过机器视觉考察不同光照条件下该植物工厂种植对象的表型特征，可用来建立种植对象的光照模型，进行种植对象的品质监测。

结束语

植物工厂常被认为是在密闭空调维护内，植物在人工给予生长所需温湿度、光照及营养等条件下进行的生产。这仅仅是早期植物工厂，摆脱自然生长环境的最基本要求，这样的生产条件仅适用于科学研究与试验，无法在竞争激烈的商业市场下生产运营。植物工厂利用数字化人工智能技术，基于自动化生产装备实现高效规模化生产，基于植物生长模型通过计算机智能技术进行生产环境因素控制、优化生产管理、核算生产成本，力求高产、高品质生产，实现生产、效益最优化，最终达到与露地、温室相比具有效益优势的水平。据此，我国植物工厂数字化生产还有很长的路要走。本文植物工廠也仅仅探索了一些数字化生产的基本功能，并且在各单元控制系统整合与单元间数字文件传输协调方面还需要进一步探索与努力。

*项目支持：国家十三五重点研发计划项目“温室水培叶菜智能化生产技术与设备研发”（2017YFD0701504）;广东省重点领域研发计划项目 “植物工厂立体育苗生产智能装备研究与示范”（2019B020222004）;广东省现代农业产业共性关键技术研发创新团队建设项目（2019KJ131）。

作者简介：辜松，男，教授，研究方向：设施园艺智能装备。

[引用信息]辜松，刘厚诚，谢忠坚，等.数字化生产植物工厂的构建——以华南农业大学植物工厂为例[J].农业工程技术，2020，40（07）：10-13.