我國智能化植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀與對策建議*

文/劉海峰 孟祥寶 謝秋波 溫翔宇

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術提高，植物工廠化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的首選發(fā)展模式。目前，植物工廠的管理多由人工完成，管理難度大、成本高、效率低，同時也容易帶來病菌污染。植物工廠的管理過程中，農(nóng)機與農(nóng)藝的有效融合是實現(xiàn)有效管理的關鍵，必須綜合分析大量實時監(jiān)測信息，制定綜合動態(tài)管理決策方案，從而控制植物工廠內(nèi)部相關設備，包括灌溉、LED 光調(diào)制、溫濕度等環(huán)境因子調(diào)控等，為作物生長提供最適宜的環(huán)境。實現(xiàn)信息技術與設施裝備的深度融合，提升設施裝備的自動化、智能化水平，有助于解決設施農(nóng)業(yè)走向產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)存在的問題。

1 研究背景

當前，由于人口快速增長、耕地日益減少、土地資源短缺、生物環(huán)境污染、農(nóng)藥化肥濫用等問題，傳統(tǒng)糧食作物和蔬菜等生產(chǎn)在產(chǎn)量與安全上都面臨著巨大的挑戰(zhàn)；另一方面，隨著人們生活水平的不斷提高，民眾對食物在衛(wèi)生、營養(yǎng)、健康、綠色等方面的要求越來越高。解決上述矛盾的最有效的方法是建立植物工廠。但植物工廠設備投資大、耗電多，管理多由人工完成，管理難度大，管理成本也較高。因此，研究如何提高生產(chǎn)過程的自動化從而降低成本，是植物工廠研究發(fā)展的趨勢。

近年來，植物工廠逐步實現(xiàn)了從播種、育苗到移栽、收獲等生產(chǎn)過程的半自動化，通過借鑒一些工業(yè)生產(chǎn)自動化技術，開發(fā)自動化物流系統(tǒng)，實現(xiàn)移栽和收獲過程中苗床的自動搬運，有利于減輕勞動人員的工作強度，從而提高生產(chǎn)率，降低了成本。但是植物工廠的半自動化仍然沒有實現(xiàn)種植的無人化。為了減少人員帶來的病菌污染，種植的智能化和無人化是植物工廠自動化生產(chǎn)發(fā)展的重要方向。

此外，不同作物的生長所需要的光照、溫度、濕度、二氧化碳和營養(yǎng)條件等都不相同，即便是同種作物在不同生長時期對環(huán)境的需求也不相同，因而不可能用一個統(tǒng)一的生長模式來對所有植物的生長過程進行控制，而是要根據(jù)不同的植物制定出適宜的外部生長環(huán)境。但到目前為止，在作物在實際生產(chǎn)中，還缺乏精細的生產(chǎn)指導和必要的數(shù)據(jù)支持。這一問題如果不能很好地解決，將導致作物在植物工廠中的生長效果不佳且生產(chǎn)效率低下。因此，生產(chǎn)管理指標及生產(chǎn)模式的精準化，是提高無人植物工廠勞動生產(chǎn)率的重要保障。

2 現(xiàn)狀分析

目前，在植物工廠領域，日本、荷蘭、美國、瑞典、英國、以色列等走在前列，其機械化、自動化、智能化、無人化程度高，逐漸向微型化、垂直農(nóng)業(yè)等多種方向發(fā)展，并進行全套技術和裝備出口。雖然我國植物工廠技術發(fā)展很快，但相比植物工廠技術發(fā)達的其他國家，我國在植物工廠硬件及軟件技術方面還有一定的差距。硬件方面，由于作物生長過程的復雜性，植物工廠內(nèi)自動化裝備與設施農(nóng)藝的結合方面還需要進一步提升；軟件方面，不同作物的生長所需要的光照、溫度、濕度和營養(yǎng)液等都不相同，同種作物在不同時期不同環(huán)境下的生長需求也不相同，但目前在實際生產(chǎn)過程中，由于缺乏大量的試驗數(shù)據(jù)支持，國內(nèi)大部分植物工廠主要基于人工經(jīng)驗進行內(nèi)部調(diào)控，其合理性及準確性有待進一步提高。

3 存在問題

3.1 植物工廠環(huán)境信息感知

植物工廠智能化裝備的基礎是信息獲取。傳統(tǒng)的信息獲取手段是在植物工廠各處布置傳感器或檢測設備，這種方式造成了植物工廠前期投入成本高，并且系統(tǒng)間的通信布線繁瑣，機械設備在車間的移動受到限制；此外，工廠車間構架金屬材料較多，無線通信受干擾大，穩(wěn)定性差，難以實時反饋傳感器采集的信息。

3.2 植物工廠智能裝備室內(nèi)定位導航

全球定位系統(tǒng)（GPS）/北斗系統(tǒng)等成熟的衛(wèi)星定位技術無法應用于室內(nèi)，目前主要的室內(nèi)定位技術解決方案有紅外定位技術、超聲波定位技術、射頻識別技術、藍牙技術、超寬帶技術、無線局域網(wǎng)技術等，但這些技術都存在精度低、射頻干擾、建模復雜、建設成本高的問題。

3.3 植物工廠苗床搬運

植物工廠移栽和收獲過程中的苗床搬運缺乏配套的自動化設備，多由人工完成，為充分利用縱向空間，通常采用多層的栽培模式，搬運勞動強度大，并且存在高空作業(yè)的安全隱患；同時大量工作人員頻繁地進出栽培車間，易帶入病菌，造成環(huán)境污染。

3.4 植物生長營養(yǎng)供應

植物的快速生長離不開充足的營養(yǎng)供給，營養(yǎng)物質(zhì)的缺失會降低植物產(chǎn)出的品質(zhì)，而過量的營養(yǎng)供應會造成不必要的浪費。植物工廠在這方面實際操作，通常根據(jù)經(jīng)驗來確定營養(yǎng)液、水肥的配比并進行混合攪拌，缺乏精細的生產(chǎn)指導和必要的數(shù)據(jù)支持，難以實現(xiàn)精準施用；同時需要大量勞動力進行營養(yǎng)物質(zhì)的添加、植物生長期間的提供營養(yǎng)補充以及對廢棄液的回收。

4 發(fā)展建議

4.1 研制植物工廠自主移動式信息感知裝備

通過在無人設備上安裝農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境檢測傳感器、圖像傳感器等，構建自主移動式植物工廠無人監(jiān)測裝備系統(tǒng)，可全天候巡檢，實現(xiàn)對植物工廠環(huán)境信息、植物生長信息的綜合感知，且設備靈活機動，對不同作物的適應性強；無需額外布線及安裝通信設備，降低了系統(tǒng)成本且通信更為高效。此外，采用多傳感器融合技術，基于獨立的傳感器的觀測結果，對多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)進行綜合處理，通過融合導出更豐富有效的信息，提高了傳感器系統(tǒng)的有效性和魯棒性，避免單一傳感器的局限性。

4.2 研制基于室內(nèi)高精度定位的無人植物工廠智能裝備

高精度的室內(nèi)定位是支撐無人植物工廠智能裝備的關鍵技術之一，例如基于植物生長照明 LED 燈和可見光定位技術實現(xiàn)植物工廠智能監(jiān)測裝備的快速高精度定位導航，無需額外安裝定位與導航設備，實現(xiàn)了“照明+定位”兩用，同時克服了室內(nèi)無衛(wèi)星定位信號而射頻定位技術復雜度高且定位精度低的問題，具有高精度、免疫射頻干擾、“照明+定位”兩用的優(yōu)勢。

4.3 研制自動化精準物流裝備與控制系統(tǒng)

綜合利用傳感、控制、驅動、可見光通信等技術，設計低成本的移動式苗床和立體式多層栽培架，以及相應的物流控制系統(tǒng)，將需要灌溉與生長的移動式苗床送入種植區(qū)域的指定地點，將需要收獲或處理的移動式苗床輸送到作業(yè)車間，工人集中高效率操作，或者配合其他自動化設備進行處理。

4.4 研制水肥精準調(diào)控設備與系統(tǒng)

綜合利用潮汐灌溉和噴灌方式，設計合適的營養(yǎng)液供應和回水方式及組織路線，制定相應的灌溉循環(huán)計劃。研制定量自動攪拌水溶、水肥濃度檢測、多通道多類型水肥混合輸出控制、智能化水肥高精度配比等多功能集成的水肥精準調(diào)控裝備。研發(fā)面向植物工廠的專家決策系統(tǒng)，包括專家決策模型庫，作物生長、環(huán)境變化與設施設備的智能化協(xié)同管理，以及作物長勢、病蟲害等趨勢預判，綜合分析多種實時監(jiān)測信息，制定綜合動態(tài)管理決策方案，包括營養(yǎng)液管理、LED光調(diào)制、環(huán)境因子調(diào)控等；同時系統(tǒng)還具有農(nóng)資管理、技術數(shù)據(jù)庫、人員管理等功能，有助于提高種植生產(chǎn)效率，降低管理成本。