植物工廠作物栽培微環(huán)境及數(shù)字化平臺技術(shù)構(gòu)建

袁方 高青 劉良好 李佳 陳金星

(中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，上海 200032)

1 概述

建立植物工廠蔬果高效栽培[1]智能化調(diào)控決策數(shù)字模型及微環(huán)境數(shù)字化平臺，以期達(dá)到設(shè)施作物高效栽培、周年不間斷連續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)且系統(tǒng)運(yùn)行低能耗，實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)過程數(shù)字精準(zhǔn)作業(yè)進(jìn)一步量化和提升運(yùn)作效率，提高蔬果品質(zhì)和勞動生產(chǎn)率，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。植物工廠數(shù)字化平臺實(shí)現(xiàn)了多種技術(shù)集成，使設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、可控化、精準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化融為一體，把生存、生產(chǎn)、生活、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展融為一體，把物質(zhì)文明和精神文明建設(shè)融為一體。植物工廠創(chuàng)新了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“栽培環(huán)境設(shè)施化、微氣候環(huán)境化、工藝流程數(shù)字化、操作系統(tǒng)管理智能化、資源節(jié)能化、技術(shù)集成化”的嶄新模式。

由于植物工廠蔬果栽培區(qū)域氣候生態(tài)環(huán)境條件各不相同，相對的控制環(huán)境策略和精準(zhǔn)控制也應(yīng)各有特點(diǎn)，與當(dāng)前植物工廠的大規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐相比，該領(lǐng)域的理論研究相對欠缺。深入研究用于支撐植物工廠微環(huán)境的作物設(shè)計(jì)系統(tǒng)理論，在對微環(huán)境溫度、相對濕度、混合風(fēng)量、光模組、CO2氣調(diào)、水肥精準(zhǔn)灌溉、營養(yǎng)吸收狀態(tài)等生長環(huán)境的智能化控制基礎(chǔ)上，優(yōu)化作物在可控環(huán)境下的生長及營養(yǎng)物質(zhì)積累，解決作物生長過程中的共性問題。

在基于“互聯(lián)網(wǎng)+植物工廠微環(huán)境系統(tǒng)”數(shù)字化平臺運(yùn)作的同時(shí)，以植物工廠環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)控制的主要依據(jù)并結(jié)合作物生長狀況，通過作物生長最適環(huán)境模型及控制程序處理，完成終端遠(yuǎn)程驅(qū)動。并在此基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)機(jī)器再學(xué)習(xí)歸納推理和決策能力，最終將系統(tǒng)數(shù)字化平臺函數(shù)的預(yù)測分析能力推向更高的層次，從而使植物工廠生產(chǎn)、管理更加科學(xué)、精確。尤其對具有區(qū)域規(guī)模化植物工廠而言，促進(jìn)設(shè)施作物的增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，減少無效環(huán)境功能損失，形成年周期規(guī)?；a(chǎn)能力效果極其明顯，應(yīng)用前景非常廣闊。

依賴大數(shù)據(jù)、人工智能將植物工廠蔬果高效生產(chǎn)數(shù)字化、算法化、智能化。通過大數(shù)據(jù)和算法建立植物工廠微環(huán)境蔬果生長模型，人工模擬最適栽培環(huán)境和作物生長數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲取、長勢的預(yù)測判斷，傳感器與終端信息實(shí)時(shí)交互及作物生長最適環(huán)境各要素，持續(xù)優(yōu)化過程函數(shù)，用算法逐步替代經(jīng)驗(yàn)，并通過機(jī)器再學(xué)習(xí)系統(tǒng)迭代超越經(jīng)驗(yàn)，算法確認(rèn)最佳組合模型，完成運(yùn)算和執(zhí)行?；谖锫?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)模式，在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域形成一個(gè)真正的智慧服務(wù)平臺體系。結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+植物工廠系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)云平臺數(shù)據(jù)信息同步監(jiān)控系統(tǒng)，AI終將成為植物工廠的實(shí)際管理者。

2 植物工廠系統(tǒng)及數(shù)字化平臺構(gòu)建

構(gòu)建植物工廠蔬果高效栽培技術(shù)集成系統(tǒng)及植物工廠系統(tǒng)數(shù)字化平臺，完成對基于特定數(shù)字模型的植物工廠蔬果栽培過程，實(shí)施形態(tài)分類、環(huán)境溫濕度、循環(huán)混合風(fēng)量、二氧化碳濃度、高光效LED光模組、作物需水量及生長習(xí)性、立體結(jié)構(gòu)栽培水肥一體化精準(zhǔn)灌溉、復(fù)合營養(yǎng)液成分分析等信息作出實(shí)時(shí)調(diào)控和相應(yīng)預(yù)測，結(jié)合植物工廠系統(tǒng)數(shù)字化平臺大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)描述，為作物最適生長建立相應(yīng)的植物工廠微氣候環(huán)境及種植過程動態(tài)管理決策模型，形成一個(gè)植物工廠系統(tǒng)數(shù)字化作物生長操作平臺，從而滿足作物正常生長所需的各項(xiàng)環(huán)境因子可控且不受自然氣候條件制約。實(shí)現(xiàn)蔬果等周年不間斷連續(xù)生產(chǎn)，以期達(dá)到系統(tǒng)栽培環(huán)境精準(zhǔn)可控智能化、設(shè)施生產(chǎn)規(guī)?；?、系統(tǒng)技術(shù)集成產(chǎn)業(yè)化等多功能化融為一體的植物工廠作物栽培微環(huán)境數(shù)字化平臺。進(jìn)一步量化和提升運(yùn)作效率，提高品質(zhì)和勞動生產(chǎn)率，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

隨著植物工廠實(shí)施規(guī)模的擴(kuò)大，業(yè)內(nèi)迫切需要針對植物工廠的系統(tǒng)軟硬件、蔬果品種最適種植環(huán)境需求進(jìn)行優(yōu)化，在植物工廠的實(shí)際運(yùn)作中，將直接提升蔬果產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，蔬果種植高效率工廠化運(yùn)作、能耗和人工成本仍然是制約植物工廠性價(jià)比的主要瓶頸。根據(jù)目前植物工廠環(huán)境熱負(fù)荷、植物蒸騰與光合作用的整合計(jì)算模型、微環(huán)境調(diào)控技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，特別是高效LED人工光源性價(jià)比的大幅提升，為發(fā)展植物工廠可持續(xù)提供了可行性。然而，要系統(tǒng)解決這些問題，實(shí)現(xiàn)植物工廠蔬果生長最適環(huán)境參數(shù)設(shè)置，構(gòu)建植物工廠作物栽培微環(huán)境數(shù)字化平臺是一種必然選擇。

2.1 植物工廠系統(tǒng)及數(shù)字化平臺模塊結(jié)構(gòu)

構(gòu)建植物工廠作物栽培微環(huán)境及數(shù)字化平臺，其功能模塊包括作物生長—環(huán)境互作數(shù)字模型的微環(huán)境智能調(diào)控、物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)應(yīng)用、生物傳感器技術(shù)和AI技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對植物工廠蔬果生長微環(huán)境溫度、相對濕度、混合風(fēng)量、光模組、CO2氣調(diào)、水肥精準(zhǔn)灌溉、營養(yǎng)吸收狀態(tài)等不同生長環(huán)境的精確模擬，最大限度地發(fā)揮植物生長潛能。

針對植物工廠作物生長數(shù)字模型，研究作物生長過程及環(huán)境因子對生長的影響規(guī)律，形成系統(tǒng)數(shù)字建模基本理論、方法，實(shí)現(xiàn)植物工廠智能控制系統(tǒng)微環(huán)境調(diào)控。其中，動態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、植床冷熱量傳導(dǎo)模式、水培根系半導(dǎo)體精準(zhǔn)控溫、植物紅光受體與遠(yuǎn)紅光受體的生理調(diào)節(jié)功能的機(jī)制及誘導(dǎo)、微環(huán)境調(diào)控時(shí)段的研究與數(shù)字模型控制技術(shù)應(yīng)用、復(fù)合營養(yǎng)液水肥一體化灌溉等系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用增效顯著。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 植物工廠系統(tǒng)及數(shù)字化平臺模塊結(jié)構(gòu)

2.2 植物工廠的關(guān)鍵技術(shù)

建立植物生長最適環(huán)境模型，在構(gòu)建植物工廠系統(tǒng)數(shù)字化平臺基礎(chǔ)上，研發(fā)一種植物工廠微氣候環(huán)境智能控制系統(tǒng)。通過“互聯(lián)網(wǎng)+設(shè)施”物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，人工模擬最適栽培環(huán)境和植物數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，低功耗5G終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸增強(qiáng)，完成實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)業(yè)設(shè)施生產(chǎn)要素，設(shè)施達(dá)到真正的數(shù)據(jù)可視化。以穩(wěn)定的工業(yè)級現(xiàn)場驅(qū)動控制加數(shù)據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)通訊,通過自組織結(jié)構(gòu)控制信息互遞、NB-Lot技術(shù)應(yīng)用，確保系統(tǒng)長時(shí)間低功耗穩(wěn)定運(yùn)行。通過網(wǎng)絡(luò)云平臺系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析支撐，實(shí)現(xiàn)區(qū)域無線同步監(jiān)視作物生長狀況并對異常信息進(jìn)行及時(shí)預(yù)警提示、PDA等移動終端遠(yuǎn)程監(jiān)控及專家系統(tǒng)后臺服務(wù)。將植物工廠高效生產(chǎn)數(shù)字化、算法化、智能化、可視化。結(jié)合數(shù)據(jù)分析和機(jī)器深度學(xué)習(xí)，并以組態(tài)軟件為操作應(yīng)用系統(tǒng)，JAVA為人機(jī)界面，形成一個(gè)數(shù)據(jù)化植物生長操作標(biāo)準(zhǔn)體系的智慧種植服務(wù)平臺。

2.2.1 作物生長核心參數(shù)研究

系統(tǒng)研究營養(yǎng)液配比對蔬果生長發(fā)育及營養(yǎng)物質(zhì)含量的影響；研究土壤、基質(zhì)物理參數(shù)對蔬果生長發(fā)育及營養(yǎng)物質(zhì)含量的影響；研究控制蔬果生長發(fā)育的營養(yǎng)物質(zhì)關(guān)鍵因素；研究光源關(guān)鍵參數(shù)(尤其是光譜)對蔬果生長發(fā)育的影響。獲取環(huán)境因子與作物互作核心動態(tài)參數(shù)，為構(gòu)建作物生長數(shù)字模型奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 作物生長數(shù)字模型構(gòu)建系統(tǒng)研究

以作物生長發(fā)育模型為基礎(chǔ)，充分利用植物工廠環(huán)境因子影響蔬果生長發(fā)育過程的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，針對特定的設(shè)施蔬果品系，建立作物生長發(fā)育數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)針對不同微環(huán)境溫度、相對濕度、CO2、人工光誘導(dǎo)及營養(yǎng)物質(zhì)關(guān)鍵元素吸收及營養(yǎng)物質(zhì)積累[2]，水肥精準(zhǔn)灌溉及最佳營養(yǎng)配方的系統(tǒng)管理，開展不同時(shí)段的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，最終獲得實(shí)際可增產(chǎn)增效的數(shù)字模型。在整體數(shù)據(jù)采集與分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，形成大數(shù)據(jù)支撐下控制不同作物生長發(fā)育過程的精確模擬。

2.2.3 基于作物生長數(shù)字模型、人工智能的植物工廠數(shù)字化平臺構(gòu)建

基于植物工廠蔬果生長數(shù)字模型，建立環(huán)境與作物互作智能化調(diào)控系統(tǒng)，依據(jù)生長過程數(shù)據(jù)形成人工智能機(jī)器識別再學(xué)習(xí)和算法，解決不同作物生長階段數(shù)字模型預(yù)測與實(shí)際效果之間的比對，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)應(yīng)用，建立植物工廠蔬果生長過程各類環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化及越限預(yù)警，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)調(diào)控植物工廠蔬果生產(chǎn)狀態(tài)及環(huán)境因子干預(yù)，真正實(shí)現(xiàn)在數(shù)字化平臺下植物工廠蔬果增產(chǎn)增量和優(yōu)質(zhì)，生產(chǎn)目標(biāo)定制化和標(biāo)準(zhǔn)化。

3 植物工廠數(shù)字化相關(guān)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用

植物工廠數(shù)字化平臺相關(guān)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)對人工光源光譜、營養(yǎng)液配方等關(guān)鍵參數(shù)的配置及智能控制，實(shí)現(xiàn)對特定微環(huán)境下的作物生長過程的精確預(yù)測，其中關(guān)鍵的栽培微環(huán)境氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)、表型高光譜測量系統(tǒng)獲得作物生長參數(shù)結(jié)合圖像AI比對識別，為植物工廠大規(guī)模應(yīng)用提供數(shù)字化技術(shù)支撐，為實(shí)際生產(chǎn)建立量化監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù)平臺。

該項(xiàng)目將整合當(dāng)前植物學(xué)研究最前沿，有效利用各類表型組學(xué)技術(shù)、遠(yuǎn)程成像技術(shù)、植物生長發(fā)育模型構(gòu)建技術(shù)，建立針對植物生長發(fā)育過程的機(jī)理模型，從而為動態(tài)、實(shí)時(shí)調(diào)控環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)植物工廠蔬果最佳生長提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)支持。這將為植物工廠數(shù)字化發(fā)展提供核心“芯片”，在未來競爭中提供具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟硬件系統(tǒng)平臺。

開展植物工廠蔬果栽培微環(huán)境數(shù)字化平臺關(guān)鍵技術(shù)集成研究與應(yīng)用，降低植物工廠能耗是最直接的手段，已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)資源高效利用和數(shù)字精準(zhǔn)作業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。提高產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì)，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動強(qiáng)度，是農(nóng)業(yè)數(shù)字精準(zhǔn)作業(yè)技術(shù)領(lǐng)域得以發(fā)展的重要手段和措施。同時(shí)，結(jié)合作物生長數(shù)字建模，在現(xiàn)有植物工廠實(shí)踐基礎(chǔ)上，逐步完善建模數(shù)據(jù)庫，并形成相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，最大限度地優(yōu)化使用各項(xiàng)農(nóng)業(yè)資源和投入，促成優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和最大經(jīng)濟(jì)效益，從而推動行業(yè)成熟。

4 植物工廠發(fā)展亟需解決的問題

實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連棟溫室設(shè)施的蔬菜周年穩(wěn)定生產(chǎn)，均可稱其為植物工廠，其特征在于規(guī)模大、周年生產(chǎn)、產(chǎn)量穩(wěn)定、品質(zhì)保障。采用人工補(bǔ)光或不補(bǔ)光，工廠化的控制管理模式達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。由于自然光型植物工廠可以建在一般農(nóng)田上，因此大大降低了土地使用費(fèi)用和用電費(fèi)用，使得成本中固定資產(chǎn)投資分?jǐn)偝杀竞湍芎某杀敬蠓档?。這也是植物工廠產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要突破口。但是，所謂中國特有的日光溫室生產(chǎn)則不能稱其為植物工廠，因?yàn)槿展鉁厥业沫h(huán)境管理粗放、可控性差，難以維持一定品質(zhì)的穩(wěn)定生產(chǎn)，到目前為止還有很多問題，如土壤連作、病蟲害防治等。盡管中國的日光溫室有近70萬hm2，并已成為北方的主流方向，但這并不代表未來的主流方向。而這些年建設(shè)的連棟溫室為何沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，值得國內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界人士反思。

在國外，雖人工補(bǔ)光全封閉型植物工廠已具有一定的發(fā)展規(guī)模且部分商業(yè)化，但真正能盈利的工廠還是少數(shù)，很多企業(yè)投資建設(shè)植物工廠是為了轉(zhuǎn)型而進(jìn)行技術(shù)積累。因此，人工光環(huán)境植物工廠技術(shù)仍然處于發(fā)展階段。商業(yè)化的人工補(bǔ)光全封閉型植物工廠只要能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，并達(dá)到預(yù)定產(chǎn)量，且有一定的銷售保障并實(shí)現(xiàn)一定盈利是有可能的。無論是蔬果、種苗和藥草，在多長時(shí)間內(nèi)能夠生產(chǎn)出多少產(chǎn)量的農(nóng)產(chǎn)品是完全可以調(diào)控和核算的，只要這個(gè)數(shù)據(jù)能夠得到保障，投入產(chǎn)出比的核算就是合理而可行的。但高端蔬果和高附加值作物的生產(chǎn)仍是人工補(bǔ)光全封閉型植物工廠的主題，可控環(huán)境下生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品必須在品質(zhì)和價(jià)格上，與常規(guī)露地和溫室生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品有質(zhì)的飛躍，否則，市場定位和占有率都將無法具備競爭優(yōu)勢。發(fā)展人工補(bǔ)光全封閉型植物工廠技術(shù)不是要取代常規(guī)的溫室生產(chǎn)和露地生產(chǎn)，而是要在蔬果多樣性市場上占領(lǐng)高端市場。近期內(nèi)人工光型植物工廠在中國必將有較大的商業(yè)化產(chǎn)業(yè)需求，只要有技術(shù)保障，在低風(fēng)險(xiǎn)下實(shí)現(xiàn)高投入和高產(chǎn)出是可以預(yù)見的。

4.1 植物工廠發(fā)展相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題

植物工廠實(shí)現(xiàn)了多種技術(shù)集成，其規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、可控化、精準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化融為一體，實(shí)現(xiàn)了水、肥、氣同補(bǔ)問題。在基于數(shù)字模型、作物實(shí)際生長過程比對，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境控制參數(shù)，通過環(huán)境、作物生長狀態(tài)監(jiān)控以及環(huán)境因子干預(yù)，實(shí)現(xiàn)植物工廠特定蔬果品系生長目標(biāo)的定制化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。因而，所有的無線傳感總線接口、通訊協(xié)議都應(yīng)具有國家標(biāo)準(zhǔn)。由于各行業(yè)相關(guān)軟硬件產(chǎn)品都擁有各自不同技術(shù)及工藝標(biāo)準(zhǔn)，對植物工廠的系統(tǒng)技術(shù)集成，目前尚未形成國內(nèi)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也成為了植物工廠可持續(xù)發(fā)展的障礙之一。

4.2 核心技術(shù)問題

植物工廠的作物生長數(shù)字化建模[3]，其信息決策系統(tǒng)的構(gòu)建，已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸。目前我國植物工廠行業(yè)已經(jīng)獲得一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。隨著植物工廠相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品性價(jià)比的提升，有效整合信息技術(shù)、生物傳感器技術(shù)和AI、VR技術(shù)，結(jié)合植物的遺傳信息和環(huán)境因子的適應(yīng)性，建立植物工廠主要作物生長發(fā)育、栽培環(huán)境的數(shù)字化模型，將為實(shí)現(xiàn)設(shè)施作物適合特定環(huán)境的優(yōu)良品種培育及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供核心技術(shù)支撐。為此，解決關(guān)鍵科學(xué)問題是在基于大數(shù)據(jù)的植物生長模型基礎(chǔ)上，形成機(jī)器再學(xué)習(xí)和優(yōu)化，是構(gòu)建平臺的重要手段之一。

4.3 產(chǎn)業(yè)鏈及商業(yè)模式完善

構(gòu)建基于蔬果生長數(shù)字模型的植物工廠智能控制系統(tǒng)數(shù)字化平臺，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全控制領(lǐng)域的應(yīng)用和價(jià)值起到了相當(dāng)大的作用。是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量安全監(jiān)控的必要需求；明確精準(zhǔn)灌溉施肥技術(shù)需求必要性定位；確定核心技術(shù)監(jiān)控對象的感知與監(jiān)控內(nèi)容。這就必須建立以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的科技創(chuàng)新體系，發(fā)現(xiàn)有價(jià)值要求，實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品價(jià)值，從而有效解決農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全全程監(jiān)控、驗(yàn)證與應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)市場需求。

5 總結(jié)與展望

隨著植物工廠示范規(guī)模的擴(kuò)大，行業(yè)內(nèi)迫切需要提供相應(yīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的依據(jù)，而這個(gè)依據(jù)需要立足于植物工廠常用各種蔬果品種的種植工藝需求的優(yōu)化，甚至到種源及環(huán)境因子的數(shù)字建模。這個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)化提升，將直接促進(jìn)產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。另外，植物工廠系統(tǒng)環(huán)境的設(shè)計(jì)，涉及多個(gè)學(xué)科，綜合性非常強(qiáng)。目前，能耗和人工成本仍然是制約植物工廠性價(jià)比的瓶頸，植物工廠熱負(fù)荷的計(jì)算與微環(huán)境技術(shù)的應(yīng)用，特別是植物工廠信息技術(shù)、生物傳感器技術(shù)和AI技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，針對作物的基因范式和環(huán)境因子的適應(yīng)性選擇特性進(jìn)行植物工廠數(shù)字化平臺設(shè)計(jì)的數(shù)字化建模，建立主要農(nóng)作物的基于基因和環(huán)境因子的表型數(shù)字模型建模方法和理論體系，并能夠利用該模型實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬果適合特定環(huán)境的優(yōu)良品種培育及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，構(gòu)建可支撐植物生長精細(xì)調(diào)控的生長數(shù)字化平臺。結(jié)合高效LED人工光源性價(jià)比的大幅提升，都會明顯影響系統(tǒng)的能耗水平。而初期的設(shè)計(jì)又影響到后期運(yùn)行能耗的50%～70%，可見植物工廠本身的性價(jià)比進(jìn)入穩(wěn)定成長階段的重要性。因此，植物生長的數(shù)字化建模與植物工廠本身建設(shè)建模，已經(jīng)到了行業(yè)發(fā)展必要階段。

經(jīng)過近10a的快速發(fā)展，我國植物工廠行業(yè)已經(jīng)獲得一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。隨著植物工廠相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品的性價(jià)比的提升，預(yù)計(jì)在未來3～5a，會與有機(jī)蔬果出現(xiàn)一個(gè)性價(jià)比的交點(diǎn)，屆時(shí)，植物工廠出產(chǎn)的蔬果，將成為一類安全營養(yǎng)蔬果首選。