數(shù)字化生產(chǎn)植物工廠的構(gòu)建

辜松 劉厚誠(chéng) 謝忠堅(jiān)

設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定、作業(yè)條件人為干預(yù)便利的特點(diǎn)，有利于推廣使用先進(jìn)的工業(yè)裝備技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(jìn)國(guó)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(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)施生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)控制，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(jìn)的生產(chǎn)裝備進(jìn)行生產(chǎn)，在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行環(huán)境調(diào)控、水肥供給、作業(yè)對(duì)象搬運(yùn)等作業(yè);生產(chǎn)管理數(shù)字化是對(duì)生產(chǎn)對(duì)象、生產(chǎn)人員及環(huán)境條件等生產(chǎn)要素進(jìn)行計(jì)算機(jī)管理，目的是快速掌握生產(chǎn)裝備的運(yùn)行合理性、準(zhǔn)確核算生產(chǎn)成本、擴(kuò)大生產(chǎn)的可預(yù)見(jiàn)性;品質(zhì)管理數(shù)字化是數(shù)字化生產(chǎn)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的重要改變內(nèi)容，其目的是針對(duì)種植對(duì)象的成品甚至是種植過(guò)程中的表型形態(tài)和品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)、存儲(chǔ)、比對(duì)，結(jié)合實(shí)際實(shí)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(dá)到高產(chǎn)、高品質(zhì)生產(chǎn)，最終達(dá)到生產(chǎn)、效益最優(yōu)化。

圖2進(jìn)一步說(shuō)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(duì)象是針對(duì)種植對(duì)象實(shí)施的溫濕度、光照、水肥、二氧化碳?xì)庹{(diào)、病蟲(chóng)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(duì)象生長(zhǎng)模型的指導(dǎo)下，合理管控各個(gè)生產(chǎn)要素，力求達(dá)到生產(chǎn)產(chǎn)品的高產(chǎn)、高品質(zhì)生產(chǎn)。另外，對(duì)于設(shè)施數(shù)字化生產(chǎn)，通過(guò)生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)字化品質(zhì)管理，向植物生長(zhǎng)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(duì)生產(chǎn)模型合理性監(jiān)測(cè)、環(huán)境因素自調(diào)節(jié)等功能。對(duì)于設(shè)施生產(chǎn)數(shù)字化作業(yè)，必須具有一個(gè)關(guān)鍵條件，即種植對(duì)象的生長(zhǎng)模型，先進(jìn)設(shè)施作業(yè)裝備系統(tǒng)中，如果沒(méi)有植物生長(zhǎng)模型或是模型不合理，生產(chǎn)雖可進(jìn)行，但是都將無(wú)法達(dá)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(yàn)進(jìn)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(yàn)難以深達(dá)植物生長(zhǎng)機(jī)理的優(yōu)化層面，需通過(guò)數(shù)字化的表型研究獲取植物生長(zhǎng)模型才能達(dá)到生產(chǎn)效果，這也正是國(guó)內(nèi)大部分溫室生產(chǎn)的產(chǎn)量難以比擬國(guó)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(jìn)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(duì)象生長(zhǎng)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(jìn)行溫度、濕度、光照、營(yíng)養(yǎng)液供給、品質(zhì)檢測(cè)、操作人員作業(yè)管理、種植板自動(dòng)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(cè)單元、操作人員管理單元、自動(dòng)化生產(chǎn)裝備單元、控制系統(tǒng)遠(yuǎn)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(shí)施各項(xiàng)數(shù)字化生產(chǎn)內(nèi)容，已開(kāi)始進(jìn)行水培葉菜及蔬菜種苗的生產(chǎn)試驗(yàn)及相關(guān)科學(xué)研究（圖4），具體實(shí)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(guò)工業(yè)空調(diào)自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部溫度與相對(duì)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(diǎn)溫、濕度傳感器，數(shù)據(jù)通過(guò)環(huán)境參數(shù)無(wú)線發(fā)射器發(fā)送到控制系統(tǒng)，為便于生產(chǎn)人員及時(shí)監(jiān)控、快速反應(yīng)控制環(huán)境，控制系統(tǒng)采用手機(jī)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(shí)時(shí)通過(guò)Wi-Fi上網(wǎng)查看植物工廠內(nèi)部各點(diǎn)的溫、濕度情況，具有遠(yuǎn)程報(bào)警功能，并且系統(tǒng)通過(guò)云端記錄的溫、濕度歷史參數(shù)，可便捷地繪制、顯示各時(shí)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(yíng)養(yǎng)液參數(shù)監(jiān)控

如圖6所示，營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)監(jiān)控同樣采用APP監(jiān)控，通過(guò)Wi-Fi上網(wǎng)查看植物工廠營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)情況，營(yíng)養(yǎng)液監(jiān)控也采用多點(diǎn)參數(shù)監(jiān)控，具有遠(yuǎn)程報(bào)警功能，系統(tǒng)實(shí)時(shí)在手機(jī)APP上顯示營(yíng)養(yǎng)液的EC、pH和營(yíng)養(yǎng)液溫度，具有依據(jù)云端記錄數(shù)據(jù)繪制、顯示各時(shí)段的EC、pH以及營(yíng)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(jìn)行栽培生產(chǎn)的重要因素，該植物工廠光源為紅、藍(lán)、白3通道，如圖7所示，光源系統(tǒng)可通過(guò)手機(jī)APP監(jiān)控光源的光照強(qiáng)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(qiáng)度和光照時(shí)間。

◆種植板自動(dòng)輸送

植物工廠為合理利用栽培空間、提高運(yùn)營(yíng)效益，多采用高密度立體栽培，當(dāng)立體栽培達(dá)到一定規(guī)模，依靠人工搬運(yùn)種植板已無(wú)法滿足規(guī)?；a(chǎn)需求，該植物工廠采用種植板自動(dòng)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(jī)和種植板推送升降機(jī)組成，如圖8所示，種植板輸入時(shí)，由輸入輸出升降機(jī)端送入不同立體栽培架不同層，種植板輸出時(shí)，首先推送機(jī)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(jī)將種植板輸出，通過(guò)設(shè)定輸入、輸出種植板數(shù)量及位置，可實(shí)現(xiàn)種植板的自動(dòng)輸入輸出作業(yè)。

◆品質(zhì)評(píng)價(jià)

圖9為通過(guò)機(jī)器視覺(jué)考察不同光照條件下該植物工廠種植對(duì)象的表型特征，可用來(lái)建立種植對(duì)象的光照模型，進(jìn)行種植對(duì)象的品質(zhì)監(jiān)測(cè)。

結(jié)束語(yǔ)

植物工廠常被認(rèn)為是在密閉空調(diào)維護(hù)內(nèi)，植物在人工給予生長(zhǎng)所需溫濕度、光照及營(yíng)養(yǎng)等條件下進(jìn)行的生產(chǎn)。這僅僅是早期植物工廠，擺脫自然生長(zhǎng)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(yàn)，無(wú)法在競(jìng)爭(zhēng)激烈的商業(yè)市場(chǎng)下生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。植物工廠利用數(shù)字化人工智能技術(shù)，基于自動(dòng)化生產(chǎn)裝備實(shí)現(xiàn)高效規(guī)模化生產(chǎn)，基于植物生長(zhǎng)模型通過(guò)計(jì)算機(jī)智能技術(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、效益最優(yōu)化，最終達(dá)到與露地、溫室相比具有效益優(yōu)勢(shì)的水平。據(jù)此，我國(guó)植物工廠數(shù)字化生產(chǎn)還有很長(zhǎng)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(jìn)一步探索與努力。

*項(xiàng)目支持：國(guó)家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目（2019KJ131）。

作者簡(jiǎn)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(chéng)，謝忠堅(jiān)，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.