植物工廠立體輸送裝備研究進展＊

季涵涵，辜 松（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

20世紀90 年代，日本千葉大學(xué)和大阪府立大學(xué)開始推動植物工廠的生產(chǎn)應(yīng)用，隨后，一些企業(yè)開始進行植物工廠建設(shè)，形成了一個利用植物工廠立體生產(chǎn)葉菜的小熱潮。21 世紀初，北美和歐洲也開始利用廢棄工業(yè)廠房建造植物工廠，主要是水培生產(chǎn)葉菜。北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司建成了中國第一座植物工廠，以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所為代表的多家科研單位開展了植物工廠種植環(huán)境方面的研究。

植物工廠生產(chǎn)環(huán)境條件理想，作物生產(chǎn)周期短、周年生產(chǎn)循環(huán)次數(shù)多。因此，生產(chǎn)中種植單元立體輸送作業(yè)量大，人工搬運勞動強度大、危險性高。為此，隨著植物工廠規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，種植單元的立體輸送模式由人工搬運開始經(jīng)歷了不同的技術(shù)時期，其主要發(fā)展順序為人工利用梯子或臺階輸送、人工使用剪刀式升降車輸送、機械升降機自動輸送、升降車自動輸送、鏈?zhǔn)揭苿虞斔拖到y(tǒng)、倉儲物流升降機自動輸送、升降機加穿梭車自動輸送等形式。規(guī)?；a(chǎn)是植物工廠效益的來源，也是植物工廠發(fā)展的方向，依靠人工進行和參與植物工廠種植單元立體輸送的作業(yè)模式是無法完成大批量種植單元立體輸送的。本文以植物工廠規(guī)?；a(chǎn)為目標(biāo)，對目前可進行植物工廠種植單元機械化立體輸送裝備和技術(shù)進行分析討論。

植物工廠生產(chǎn)作業(yè)流程

許多植物可以在植物工廠種植，如葉菜、蔬菜幼苗和藥用植物等，由于葉菜生長周期短、銷售市場范圍大，目前植物工廠以生產(chǎn)葉菜的情況居多。為使研究對象具有代表性，本研究針對水培葉菜的生產(chǎn)模式進行分析，其典型葉菜生產(chǎn)流程如圖1 所示。植物工廠葉菜立體種植的生產(chǎn)過程主要包括：育苗盤精量播種、育苗室催芽及育苗、將葉菜種苗由育苗盤向種植單元稀植、立體輸送種植單元進入立體種植區(qū)、立體種植區(qū)葉菜種植、將成菜的種植單元輸送出立體種植區(qū)、采收成菜、成菜包裝輸出、清洗種植單元。生產(chǎn)期間每天循環(huán)以上整個作業(yè)過程。

圖1 植物工廠葉菜生產(chǎn)作業(yè)流程

如圖2 所示，該種植單元為一種可移動的種植載體。為了將種植單元放置在垂直栽培架上，設(shè)置種植單元外部尺寸適合栽培架的栽培位置，種植單元數(shù)量根據(jù)種植規(guī)模確定，通過改變立體種植架的層數(shù)與長度以達到放置不同數(shù)量的種植單元的能力。一般層數(shù)8～12 為宜，層數(shù)過多會對環(huán)境調(diào)控造成困難；長度20 m 左右為宜，過長會影響種植單元的輸送效率，并降低立體種植架適應(yīng)種植批次的靈活性。種植單元考慮到葉菜的運輸效率、人工處理的方便性等因素，一般尺寸設(shè)定為596 mm×954 mm。葉菜的種植載體可選用巖棉、海綿或基質(zhì)，不過后者對生產(chǎn)作業(yè)各環(huán)節(jié)中遺落基質(zhì)清理的工作量大。

圖2 植物工廠葉菜種植單元/mm

植物工廠種植單元輸送裝備類型

為實現(xiàn)植物工廠種植單元高效機械化及自動化的立體輸送，世界各地的植物工廠開展了多方面的嘗試與引用。

大阪府立大學(xué)

20 世紀90 年代的日本開始推動植物工廠生產(chǎn)葉菜，大阪府立大學(xué)開始在立體種植形勢下針對種植單元機械輸送進行了嘗試。圖3a 所示為一種在立體種植架間采用升降車，針對左右兩邊種植架不同層、不同位置的種植單元進行取放的作業(yè)系統(tǒng)。輸送作業(yè)為往復(fù)輸送形式的倉儲物流輸送模式，優(yōu)點是取放位置靈活，可以對立體種植架任何位置實施輸送作業(yè)；缺點是左右取放機構(gòu)較復(fù)雜，往復(fù)運動路程大、輸送作業(yè)效率不高，需適應(yīng)多組立體種植架情況升降車軌道復(fù)雜。另一種模式如圖3b 所示，在立體種植架端頭設(shè)置種植單元輸送線與升降機相連，針對每個立體種植架形成一組種植單元立體輸送線，每個立體種植架上種植單元的輸送與取放依靠1 臺穿梭車及1 臺升降機，在立體種植架地面端頭與各層不同種植位置之間往來取放，輸送為先進后出的遞進輸送形式，只能在每層的端頭輸入和輸出，不能在任意位置取放。

圖3 大阪府立大學(xué)植物工廠

松下植物工廠

如圖4 所示，日本松下公司的立體種植植物工廠利用兩臺升降車，在立體種植架的兩端各層分別放入和取出種植單元，一端輸入，另一端輸出，兩臺輸入與輸出升降車可移動，依據(jù)其輸送能力可為多個立體種植架進行種植單元的立體輸送，輸送采用一端先進、另一端先出的遞進輸送形式。

圖4 松下植物工廠

上海大地

如圖5 所示，上海大地園藝種苗有限公司依托荷蘭大型移動苗床物流輸送技術(shù)，以大型移動苗床為種植單元，構(gòu)建了立體種植植物工廠。通過2 臺大型移動苗床升降車在立體植物工廠種植架兩端分別輸入輸出種植單元，與日本松下模式類似，輸送也是采用一端先進、另一端先出的遞進輸送形式。

圖5 上海大地植物工廠

Urban Barns Farming

如圖6 所示，加拿大Urban Barns Farming模式采用鏈條輸送形式，整體移動所有種植單元，在垂直面內(nèi)行成蛇形軌跡，種植單元固定在整體運動的鏈條上，根據(jù)鏈條上種植單元的間距，鏈條可進行脈動式移動。葉菜采收一般也是采用先入先出的遞進模式，此種模式也可以進行跳躍式種植和采收。此種模式原理不復(fù)雜，控制簡單，驅(qū)動動力要求也不大。但是，由于運動部件多，故障率會相應(yīng)提高，并且一旦其中一個小環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，需要停止生產(chǎn)作業(yè)，并且檢修空間不大。另外，與自動化播種與采收裝備對接不太方便。

圖6 Urban Barns Farming 植物工廠

Urban Produce

如圖7 示，美國Urban Produce 的輸送模式與加拿大Urban Barns Farming 類似，整體移動所有種植單元，不過美國Urban Produce是在水平面面內(nèi)行成蛇形軌跡，這種輸送模式限制了種植單元尺寸不宜過大。種植單元被放置在整體運動系統(tǒng)的豎直垂吊的載物架上，整體輸送機構(gòu)可進行連續(xù)或是脈動式移動。作業(yè)特性與前者類似。

圖7 Urban Produce 植物工廠

Bowery

如圖8 所示，美國Bowery 的種植單元輸送模式與上海大地采用大型移動苗床的立體輸送模式類似，只不過為便于生產(chǎn)和減少輸送系統(tǒng)占據(jù)過大空間，對其種植單元的尺寸規(guī)格做了縮減。移動苗床作為種植單元，輸送效率高，但是，由于苗床規(guī)格普遍比常規(guī)水培葉菜種植單元的尺寸大很多，其輸送系統(tǒng)的占地面積也會相應(yīng)增加。另外，移動苗床與自動化播種環(huán)節(jié)以及成菜采收作業(yè)環(huán)節(jié)的對接還需要做專門的銜接處理。

圖8 Bowery 植物工廠

珠海益品

如圖9 所示，珠海益品農(nóng)業(yè)科技有限公司針對植物工廠種植單元立體種植的自動化輸送，采用了種植單元輸送穿梭車與升降機相結(jié)合的形式，實現(xiàn)將種植單元輸送到目標(biāo)立體種植架上的作業(yè)。每一個立體種植架端頭設(shè)置一臺升降機，負責(zé)將種植單元輸送穿梭車送至目標(biāo)層，穿梭車再將種植單元送至該層的目標(biāo)位置，輸送為先進后出的形式，因此，每個種植層應(yīng)為同一批次的種植植物。穿梭車在層間運送種植單元為往復(fù)式運動。目前珠海益品的立體種植植物工廠生產(chǎn)與輸送裝備系統(tǒng)已在澳大利亞、南非、美國及加拿大等海外市場得到生產(chǎn)應(yīng)用，在國內(nèi)也構(gòu)建了多家大型自動化立體種植植物工廠。

圖9 珠海益品植物工廠

中科三安

如圖10 所示，福建省中科生物股份有限公司針對植物工廠立體種植需求，基于倉儲物流輸送模式，構(gòu)建了一套自動化程度非常高的種植單元輸送系統(tǒng)。種植單元立體輸送采用無線引導(dǎo)車、物流升降車、立體種植架間穿梭車等高自動化水平設(shè)備。穿梭車在立體種植架間運動，可對左右兩邊立體種植架進行種植單元的取放作業(yè)，物流升降車負責(zé)將穿梭車放置目標(biāo)立體種植架中的目標(biāo)層，種植單元依靠無線引導(dǎo)車完成在立體種植架與其他作業(yè)環(huán)節(jié)之間的輸送，不設(shè)固定輸送線，設(shè)備占地小。穿梭車在立體種植架層間運送種植單元為往復(fù)式運動，可在目標(biāo)層取放任意位置的種植單元，輸送靈活性大。該植物工廠的種植單元輸送系統(tǒng)自動化水平在世界內(nèi)屬于頂尖水平。

圖10 中科三安植物工廠

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)

如圖11 所示，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)立體種植植物工廠的種植單元輸送系統(tǒng)采用2 臺立體種植架端頭升降車及1 臺穿梭推送車。向立體種植架輸入種植單元時，種植單元升降車將種植單元送至目標(biāo)立體種植架，并升至目標(biāo)層，接著將種植單元推送入目標(biāo)層；由立體種植架輸出種植單元時，種植單元升降車將目標(biāo)層端頭第一個種植單元取出并送出立體種植區(qū)，當(dāng)取立體種植架目標(biāo)層距離端頭第二個或更遠的種植單元時，需要種植架另一端穿梭推送車升降車，將穿梭推送車送入目標(biāo)層，穿梭車由目標(biāo)層的另一端頭開始輔助推送種植單元至第一個種植單元位置，種植單元升降車重復(fù)上面輸出作業(yè)。該種植單元輸送系統(tǒng)采用先進后出模式，輸送形式為遞進式，設(shè)備運轉(zhuǎn)速度不高，但是遞進式的輸送形式可獲得很高輸送效率。不過，此種植模式適合規(guī)模化大批量種植并且要求每層需是同批次的種植植物。

圖11 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物工廠

Urban Crop Solution

如圖12 所示，比利時Urban Crop Solution立體種植植物工廠種植單元的輸送形式與日本松下的輸送原理完全相同。與前者相比增設(shè)了地面輸送線，另外，輸送系統(tǒng)采用更加先進的控制與傳動器件，這也是技術(shù)發(fā)展的趨勢。

圖12 Urban Crop Solution 植物工廠

Jones Food

如圖13 所示，英國Jones Food 立體種植植物工廠種植單元的立體輸送方法選擇了一條與眾不同的模式。該植物工廠種植單元也是采用與上海大地類似的大型移動苗床，其立體種植架高達16 層，未掛接任何輸送設(shè)備，種植單元的在立體種植架與播種、采收區(qū)之間的立體輸送，采用了超高叉車取放和搬運種植單元。此方法僅依靠叉車搬運種植單元，大大簡化了物流輸送環(huán)節(jié)，免去了龐大立體輸送設(shè)備的投資。但是，這種輸送方法不僅需要高技術(shù)的叉車操作人員，在取放高層種植單元作業(yè)時，還需人工在高空觀察叉車作業(yè)情況，輔助叉車對接立體種植架，作業(yè)危險系數(shù)大。

圖13 Jones Food 植物工廠

Vertical Farm Systems

如圖14所示，澳大利亞Vertical Farm Systems 立體種植植物工廠種植單元的輸送形式與中國上海大地的輸送原理完全一樣，但是，將移動苗床的尺寸做了縮減，并以整個苗床作為種植單元。另外，適應(yīng)移動苗床的規(guī)格開發(fā)了配套的播種與采收裝備，大大提高了作業(yè)效率和自動化程度。

圖14 Vertical Farm Systems 植物工廠

Iron Ox

如圖15 所示，美國Iron Ox 植物工廠種植單元的輸送形式稱不上立體種植，因為，種植單元只是布置在地面層，沒有充分利用立體空間。其輸送作業(yè)形式是，利用龍門式種植單元搬運車在地面搬運種植單元，種植單元搬運車采用麥迪遜輪可實現(xiàn)車體原地不旋轉(zhuǎn)的換向運動，種植單元地面擺放密度高。該系統(tǒng)自動化作業(yè)程度雖然很高，但是，對于生產(chǎn)空間與面積的利用率低，設(shè)計的裝備的作業(yè)形式與水培葉菜生產(chǎn)農(nóng)藝不配套。

圖15 Iron Ox 植物工廠

以上各類植物工廠種植單元輸送裝備類型主要可以分類成以下3 組模式，3 組類型之間相互交融。①往復(fù)式輸送類型與遞進式輸送類型，往復(fù)式輸送類型是在立體種植架間或架內(nèi)以往復(fù)穿梭的形式來輸送種植單元，如圖3a、圖9和圖10；遞進式輸送類型是在立體種植架端頭輸送種植單元，如圖3b，圖4、圖5、圖11、圖12、圖13 和圖14；②以大型移動苗床為單位的群體輸送類型與以種植單元為單位的個體輸送類型，大型移動苗床群體輸送類型主要是為了提高輸送效率，如圖5、圖11、圖13、圖14 和圖15，其他均屬于個體輸送類型；③整體輸送類型與局部輸送類型，整體輸送類型是采用整體移動立體種植系統(tǒng)內(nèi)種植單元的輸送形式，在固定點輸入或輸出種植單元，如圖6 和圖7。除此之外，其他系統(tǒng)均屬于局部輸送類型，即僅對要被輸入或輸出的種植單元進行移動輸送。

以上類型各有特點，分別適用不同生產(chǎn)場景，因此在選用時要依據(jù)具體種植模式、生產(chǎn)規(guī)模、日產(chǎn)規(guī)模及投資能力等因素來綜合考慮。

種植單元輸送裝備應(yīng)用討論

目前，植物工廠種植單元的立體輸送模式多種多樣，主要目的是在適應(yīng)種植農(nóng)藝的情況下，降低高層輸送作業(yè)危險性，減少人工作業(yè)量，提高作業(yè)效率，同時降低立體輸送裝備的投資成本。然而，通過分析目前建成的植物工廠案例，構(gòu)建立體種植單元輸送裝備系統(tǒng)應(yīng)考慮以下幾方面的問題。

作業(yè)速度應(yīng)適當(dāng)

構(gòu)建種植單元立體輸送裝備系統(tǒng)的主要目的是為了提高作業(yè)速度，但是，盲目追求高速度會拉高投資成本。因此，在構(gòu)建輸送裝備系統(tǒng)時要依據(jù)種植農(nóng)藝特性進行設(shè)計。一般種植單元輸送系統(tǒng)上游要和葉菜種苗移植裝備連接，下游要和收菜裝備連接，以每個種植單元種植32 株菜為例，葉菜種苗移植作業(yè)生產(chǎn)率為高速情況下，每個種植單元需要1 min；為保證較低的破損率，成菜收菜作業(yè)生產(chǎn)率高速情況下，每個種植單元需要2 min。如果是人工進行移植和收菜，作業(yè)速度會慢10 倍以上。每個種植單元1～2 min 的移植與收菜速度相對于物流輸送速度，是非常慢的了，因此，輸送裝備系統(tǒng)對輸送效率沒必要要求過高。

取放模式應(yīng)適應(yīng)種植模式

植物工廠效益來源于規(guī)?；a(chǎn)，規(guī)?；a(chǎn)不存在一個種植架上有多個品種的作物，也不會存在一個種植架上隨機多次取放種植單元。植物工廠常規(guī)的生產(chǎn)模式是一個批次的葉菜在一層或多層種植架中進行種植，放入的是同一批次，取出也是同一批次。植物工廠生產(chǎn)流程的以上特點，適合于百貨倉庫或零件倉庫的那種可以在任意位置、任意時刻進行取放的倉儲物流形式，在植物工廠種植流程中并不適用。當(dāng)然，這里我們排除掉了，非生產(chǎn)運營的小規(guī)模生產(chǎn)和實驗性種植的形式。另外，倉儲式輸送屬于往復(fù)式搬運模式，相較于遞進式搬運模式其輸送生產(chǎn)率并不高，當(dāng)每層種植單元容量為20 個時，遞進式運輸生產(chǎn)率比往復(fù)式高115%～200%；當(dāng)每層種植單元容量為40 個時，高130%～250%。

種植層數(shù)不宜過高

植物工廠的一個特點是高密度、規(guī)?；a(chǎn)，因此同樣面積情況下，種植層數(shù)越多，種植容量就越大。但是，植物工廠的層數(shù)受多方面因素制約，不宜過高，在層間距0.5 m 情況下，適宜層數(shù)應(yīng)為8～12 層。層數(shù)過低會降低植物工廠的規(guī)?；a(chǎn)能力，導(dǎo)致植物工廠單位容積產(chǎn)出高；層數(shù)過高會出現(xiàn)以下幾方面的問題：①導(dǎo)致通風(fēng)均勻性不佳，出現(xiàn)葉菜品質(zhì)的區(qū)域性差異，對環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行優(yōu)化改進會導(dǎo)投資致成本提高；②種植單元的提升輸送難以分流，因此，層數(shù)過高會使種植單元的輸送效率下降；③植物工廠立體種植架及地基需要特殊處理，以承載超高層立體種植架帶來的負荷壓力，造成物流輸送作業(yè)條件出現(xiàn)差異，增加了設(shè)計、安裝、運營難度，最終，還是帶來投資成本的增加；④超高層立體種植架給其本身與輸送裝備系統(tǒng)在安裝和維護上帶來困難。所以，植物工廠建設(shè)中不宜追求最大、最高、最長，一定要符合種植生產(chǎn)作業(yè)流程的特性要求。

總結(jié)

植物工廠規(guī)?；a(chǎn)離不開種植單元物流輸送系統(tǒng)，依靠人工是無法實現(xiàn)的。在植物工廠的物流輸送裝備的選擇上，物流輸送裝備的作業(yè)速度不是首要考慮要素，植物工廠生產(chǎn)流程與物流輸送裝備融合與匹配才是關(guān)鍵的考慮因素。依據(jù)植物工廠種植流程特點、自動化作業(yè)環(huán)節(jié)特性，開發(fā)作業(yè)速度合理、生產(chǎn)率適當(dāng)?shù)纫蛩貋磉x擇物流輸送裝備，是今后植物工廠種植單元物流輸送裝備開發(fā)需要重點考慮的方向。