農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的典型應(yīng)用

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)信息化；設(shè)施蔬菜；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)；設(shè)施農(nóng)業(yè)；環(huán)控系統(tǒng)

0 引言

2015年，《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》和《“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)三年行動(dòng)實(shí)施方案》指出，利用互聯(lián)網(wǎng)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理和服務(wù)水平，培育一批網(wǎng)絡(luò)化、智能化、精細(xì)化的現(xiàn)代“種養(yǎng)加”生態(tài)農(nóng)業(yè)新模式，形成示范帶動(dòng)效應(yīng)，加快完善新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)體系，培育多樣化農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理服務(wù)模式，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平明顯提升。2021年中央1號(hào)文件《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見(jiàn)》提出，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，建立農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)體系，推動(dòng)新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)深度融合[1]。

北京市密云區(qū)農(nóng)業(yè)信息化水平目前處于初級(jí)階段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能設(shè)備尚未普及，高新技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)工作尚未開(kāi)啟。密云區(qū)農(nóng)業(yè)急需加快推進(jìn)信息化技術(shù)在生產(chǎn)上的應(yīng)用，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細(xì)化管理、品牌價(jià)值提升的實(shí)際需求出發(fā)，創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用及系統(tǒng)集成，與綠色防控、標(biāo)準(zhǔn)化種植等農(nóng)業(yè)技術(shù)體系深度融合，深化物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)走向產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化。密云區(qū)率先以北京極星農(nóng)業(yè)科技園（以下簡(jiǎn)稱(chēng)園區(qū)）為試驗(yàn)園區(qū)，作為典型進(jìn)行示范推廣，逐步在密云區(qū)開(kāi)展農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的應(yīng)用。

1 基本情況

園區(qū)位于密云區(qū)穆家峪鎮(zhèn)荊子峪村西側(cè)，是密云區(qū)國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園和密云區(qū)國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的重要組成部分。園區(qū)一期項(xiàng)目投資2億元，占地面積約3.33hm2，主體為一棟占地面積3.3萬(wàn)m2的芬洛式玻璃連棟溫室，內(nèi)含2.2萬(wàn)m2的番茄主種植區(qū)，2000m2的育苗及2000m2的水培生菜。通過(guò)裝備和應(yīng)用現(xiàn)代化、信息化的科技手段，利用無(wú)土栽培技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同等占地面積下超出傳統(tǒng)生產(chǎn)方式3倍以上的產(chǎn)量，最大程度提高了對(duì)土地資源的利用率，解決了土地質(zhì)量差、不適宜種植農(nóng)作物等問(wèn)題。目前，園區(qū)年產(chǎn)高品質(zhì)串收小番茄70萬(wàn)kg，高品質(zhì)水培生菜70萬(wàn)株，可育苗650萬(wàn)棵。園區(qū)通過(guò)應(yīng)用傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和農(nóng)業(yè)資源數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)基地，利用信息技術(shù)加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，是智慧農(nóng)業(yè)的典型案例[2]。

2 農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)應(yīng)用

2.1 環(huán)控系統(tǒng)

2.1.1 室內(nèi)番茄智能化管理

園區(qū)通過(guò)智能環(huán)控系統(tǒng)，進(jìn)行溫室內(nèi)的栽培管理、氣候控制和水肥管理。技術(shù)人員對(duì)溫室內(nèi)番茄日常詳細(xì)的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析，再對(duì)照環(huán)控系統(tǒng)中記錄的氣象數(shù)據(jù)和環(huán)控參數(shù)，不斷調(diào)控番茄的生長(zhǎng)狀態(tài)，使番茄生長(zhǎng)達(dá)到最佳。利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和各種設(shè)備系統(tǒng)之間的智能聯(lián)動(dòng)，即使技術(shù)人員不在現(xiàn)場(chǎng)，也可通過(guò)手機(jī)、電腦遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)各種設(shè)備。

2.1.2 墑情信息智能化調(diào)控

溫室外安裝有氣象系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外界光照、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨、霧和濕度等相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，溫室內(nèi)有光、溫、水、氣、肥和植物信息等各種傳感器，環(huán)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)收集并儲(chǔ)存相關(guān)環(huán)境信息，如光輻射量、空氣溫度、濕度、二氧化碳濃度、農(nóng)作物溫度，以及灌溉EC值和pH值等信息，如圖1所示。技術(shù)人員將這些氣象數(shù)據(jù)與溫室內(nèi)的灌溉、加熱、天窗、幕布和高壓噴霧等系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，根據(jù)作物生長(zhǎng)所需的環(huán)境條件，在環(huán)控系統(tǒng)中設(shè)定基礎(chǔ)的環(huán)境控制曲線和調(diào)控參數(shù)，溫室內(nèi)的開(kāi)窗、幕布、加溫、二氧化碳補(bǔ)充和高壓噴霧等設(shè)備將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，使溫室內(nèi)的光、溫、二氧化碳和濕度等環(huán)境達(dá)到最佳。當(dāng)溫室內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)故障，無(wú)法正常運(yùn)行，環(huán)境控制偏離預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)，技術(shù)人員根據(jù)報(bào)錯(cuò)的信息能夠及時(shí)采取措施，避免不可逆的意外情況發(fā)生。通過(guò)環(huán)控系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)和回液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)⒐喔扰c時(shí)間、光照相關(guān)聯(lián)，能精確控制灌溉時(shí)間、每次灌溉量，以及水肥EC值和pH值和，避免出現(xiàn)水肥過(guò)量或者灌溉不足出現(xiàn)萎蔫[3]。

2.2 勞動(dòng)力管理系統(tǒng)

園區(qū)通過(guò)智能勞動(dòng)力管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了園區(qū)內(nèi)員工的科學(xué)化、數(shù)據(jù)化管理。勞動(dòng)力管理系統(tǒng)由標(biāo)簽、讀卡器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、充電臺(tái)、稱(chēng)量系統(tǒng)和控制終端組成?？刂平K端內(nèi)設(shè)定公司信息、地塊信息、員工信息、作物信息和工種信息等內(nèi)容，標(biāo)簽包括員工信息、工種、工作區(qū)域和車(chē)輛識(shí)別等內(nèi)容。各種信息設(shè)置以后，員工上班后便可以打卡。數(shù)字化勞動(dòng)力系統(tǒng)如圖2所示。

2.2.1 員工遠(yuǎn)程管控

用讀卡器讀取自己的姓名標(biāo)簽，代表員工上班開(kāi)始計(jì)時(shí)；讀取工種信息，代表今天所要做的工作；每完成一行工作后讀取行號(hào)，代表本區(qū)域工作完成。這些信息均可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及時(shí)上傳到控制終端。管理人員可實(shí)時(shí)看到每種作物、由誰(shuí)、在什么時(shí)間段和進(jìn)行什么樣的操作，操作異常時(shí)會(huì)有紅色預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解每個(gè)員工的工作效率、位置、完成進(jìn)度，以便調(diào)整員工安排[4]。

2.2.2 競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制形成

員工的工作效率等信息在休息區(qū)對(duì)員工進(jìn)行展示，員工看到自己的工作數(shù)據(jù)后，會(huì)形成相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，激勵(lì)工作效率低的員工實(shí)現(xiàn)良性的發(fā)展。園區(qū)內(nèi)實(shí)行底薪+績(jī)效的考核模式，技術(shù)人員制定好溫室日常管理中各工種的操作標(biāo)準(zhǔn)，每周隨機(jī)抽查員工工作質(zhì)量，能保證員工高質(zhì)量、高效率完成每周工作。對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可對(duì)員工的工作進(jìn)行量化，以此制定績(jī)效激勵(lì)機(jī)制，可大大提高員工工作積極性。系統(tǒng)中的所有操作記錄，可為產(chǎn)品安全、質(zhì)量的追溯做依據(jù)。同時(shí)還可以為番茄年度生產(chǎn)計(jì)劃的制定作參考，為制定智能溫室密云區(qū)本地化的生產(chǎn)技術(shù)操作規(guī)程提供數(shù)據(jù)支持。

2.2.3 分析數(shù)據(jù)，合理生產(chǎn)

勞動(dòng)力管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析功能。管理者可以根據(jù)需求，將打卡信息轉(zhuǎn)換為可視化的實(shí)用信息；也可比較不同溫室、不同作物、不同品種、不同員工等之間的數(shù)據(jù)差異，以便于合理用工；還能夠結(jié)合氣候、勞動(dòng)力和生產(chǎn)信息，做出重要的商業(yè)決策，優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。

2.3 ERP系統(tǒng)

園區(qū)通過(guò)勞動(dòng)力管理系統(tǒng)+ERP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)從種植、加工到銷(xiāo)售全程可追溯。隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高，食品安全問(wèn)題受到了廣泛的關(guān)注。農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)要求從種植、加工到銷(xiāo)售能夠提供可控的食品安全危害能力和影響食品安全的因素，建立完整的食品安全可追溯體系[5]。

2.3.1 ERP農(nóng)產(chǎn)品安全溯源在播種到采收中的應(yīng)用

園區(qū)通過(guò)勞動(dòng)力管理系統(tǒng)，記錄了播種（時(shí)間、操作、人員）、日常園藝操作記錄（人員、時(shí)間、工種）和采收記錄等信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)端的可追溯體系。采收產(chǎn)品入庫(kù)時(shí)，稱(chēng)量系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)相連，會(huì)自動(dòng)生成采收入庫(kù)記錄，包括產(chǎn)品信息、產(chǎn)品批號(hào)、采收人和采收時(shí)間等。

2.3.2 ERP農(nóng)產(chǎn)品安全溯源在銷(xiāo)售管理中的應(yīng)用

包裝銷(xiāo)售時(shí)，在ERP系統(tǒng)中下單，記錄訂單編號(hào)、包裝時(shí)間、數(shù)量、規(guī)格及包材、客戶信息和原材料產(chǎn)品批號(hào)等信息，包裝出庫(kù)訂單號(hào)將與物流記錄對(duì)應(yīng)，包括物流公司、司機(jī)信息、運(yùn)輸環(huán)境信息等，從而建立起了農(nóng)產(chǎn)品從種植、包裝到銷(xiāo)售的全過(guò)程可追溯體系。如果某批次農(nóng)產(chǎn)品在市場(chǎng)上出現(xiàn)任何問(wèn)題，可以追溯本批次農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、銷(xiāo)售過(guò)程中所有作業(yè)環(huán)節(jié)的人、機(jī)、料等信息，從而排除安全隱患，保證食品安全。同時(shí)可用于農(nóng)產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的物料平衡核算，為企業(yè)和農(nóng)戶的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供數(shù)據(jù)參考，將物料損耗降到最低，提高農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和盈利能力。

3 經(jīng)驗(yàn)效果

3.1 利用精準(zhǔn)環(huán)境控制和精細(xì)化管理實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)

在生產(chǎn)過(guò)程中，利用環(huán)境控制系統(tǒng)和勞動(dòng)力管理系統(tǒng)，對(duì)溫室內(nèi)的生產(chǎn)和環(huán)境控制精細(xì)化管理，對(duì)病蟲(chóng)害采用物理、生物和化學(xué)防治相結(jié)合的綜合防治方法，保證了番茄高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化種植，番茄年產(chǎn)量達(dá)到30kg/m2，生菜年產(chǎn)量達(dá)到400棵/m2，是傳統(tǒng)產(chǎn)量的5～6倍，農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)殘、重金屬、致病菌等通過(guò)SGS檢測(cè)，全部未檢出[6-8]。

3.2 利用信息化手段降低生產(chǎn)成本

園區(qū)通過(guò)環(huán)控系統(tǒng)利用斯文森的遮陽(yáng)保溫幕布系統(tǒng)、側(cè)墻幕布系統(tǒng)進(jìn)行溫室保溫，降低極端天氣下的能耗；利用熱出水罐系統(tǒng)，白天鍋爐燃燒的尾氣經(jīng)過(guò)凈化，將二氧化碳供入溫室，節(jié)省液態(tài)二氧化碳的使用；鍋爐產(chǎn)生的熱水儲(chǔ)存到熱出水罐中，夜間供入溫室進(jìn)行加溫，避免夜間溫度低，鍋爐高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，增加能耗。將幕布系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)，極端天氣拉幕布鍋爐能耗降低了22%；利用水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行供水，精確地將營(yíng)養(yǎng)液供給到番茄根部，從根部滲出的多余營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)過(guò)栽培槽兩邊的回水槽收集到設(shè)備間消毒備用，對(duì)收集的回液進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)元素檢測(cè)，調(diào)整番茄供水配方，將番茄回液進(jìn)行充分利用，園區(qū)實(shí)現(xiàn)了水肥的零排放，大大降低番茄的水肥消耗，比常規(guī)番茄栽培的耗水量降低40%。

3.3 利用數(shù)據(jù)收集、信息處理形成技術(shù)操作規(guī)程

針對(duì)溫室的加熱、灌溉、天窗、幕布和高壓噴霧等設(shè)備，記錄日常使用的原理、方法和操作步驟。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行排查，形成標(biāo)準(zhǔn)化的溫室操作規(guī)程，形成了《極星農(nóng)業(yè)科技園溫室核心設(shè)備保養(yǎng)手冊(cè)》。以優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)為目標(biāo)，優(yōu)化作物栽培管理技術(shù)，形成了《荷蘭智能連棟溫室密云本地化生產(chǎn)技術(shù)操作規(guī)程》；優(yōu)化智能連棟溫室番茄無(wú)土栽培水肥一體化技術(shù)，建立智能連棟溫室番茄無(wú)土栽培水肥一體化標(biāo)準(zhǔn)；優(yōu)化智能連棟溫室番茄無(wú)土栽培環(huán)境調(diào)控參數(shù)，建立智能連棟溫室番茄無(wú)土栽培環(huán)境調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)；完善雄蜂授粉技術(shù)，形成智能連棟溫室番茄無(wú)土栽培病蟲(chóng)害及授粉技術(shù)解決方案，形成了北方智能連棟溫室高品質(zhì)番茄栽培技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。

4 發(fā)展建議

4.1 示范推廣應(yīng)用

依此園區(qū)試驗(yàn)項(xiàng)目的成果及經(jīng)驗(yàn)，建立更多的示范基地，將農(nóng)業(yè)信息化推廣應(yīng)用到蔬菜、果樹(shù)、蜂產(chǎn)業(yè)和漁業(yè)等各領(lǐng)域，從生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)化種植管理、采收計(jì)劃管理、加工車(chē)間監(jiān)控、蔬菜電商管理及APP銷(xiāo)售系統(tǒng)各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)信息化全覆蓋，從而加快密云農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)步伐。另外還要加快信息化人才的培養(yǎng)和引進(jìn)。北京極星農(nóng)業(yè)科技園生產(chǎn)管理者是高層次的技術(shù)人才，絕大多數(shù)園區(qū)都不具備，要培養(yǎng)一批懂農(nóng)業(yè)信息技術(shù)和信息管理的高層次人才，形成一支農(nóng)業(yè)信息化管理的核心骨干隊(duì)伍，專(zhuān)業(yè)從事農(nóng)業(yè)信息化工作，以更好地為信息化農(nóng)業(yè)服務(wù)[9-10]。

4.2 未來(lái)發(fā)展方向

在信息化時(shí)代，信息技術(shù)如果應(yīng)用成熟，將會(huì)讓農(nóng)業(yè)園區(qū)的生產(chǎn)與管理提升到新的水平。目前國(guó)內(nèi)各類(lèi)高科技的溫室設(shè)施、工廠化的高效栽培技術(shù)和計(jì)算機(jī)管理等技術(shù)的引進(jìn)，會(huì)讓農(nóng)業(yè)科技園區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品與國(guó)際市場(chǎng)接軌、獲得更多發(fā)展的機(jī)會(huì)。面對(duì)世界農(nóng)業(yè)信息技術(shù)進(jìn)展前沿，面對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)展的重大需求，將來(lái)一段時(shí)間，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的進(jìn)展應(yīng)以提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率、資源利用率和土地產(chǎn)出率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)進(jìn)展方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)，加強(qiáng)人工智能技術(shù)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域融合、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新、重大產(chǎn)品創(chuàng)制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定和典型應(yīng)用示范，建立以信息感知、定量決策、智能把握、精準(zhǔn)投入和共性服務(wù)為特征的農(nóng)業(yè)智能生產(chǎn)技術(shù)體系、農(nóng)業(yè)學(xué)問(wèn)智能服務(wù)體系和智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式實(shí)現(xiàn)電腦替代人腦、機(jī)器替代人力和自主可控替代技術(shù)進(jìn)口3個(gè)轉(zhuǎn)變，全面推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。