智能生产时代的人工光植物工厂技术展望

1、智能生产时代的人工光植物工厂技术展望人工光植物工厂发展现状 人工光利用型植物工厂（以下简称“植物工厂” ）是使 用保温不透光材料作为围护结构，采用荧光灯、LED等人工光源为植物提供光照，并配备有多层栽培架、循环风机、空 调、 CO2 施肥系统、营养液循环系统等设备的一种密闭式园 艺栽培设施 1-2（图 1）。与普通的连栋温室、日光温室或塑 料大棚相比，植物工厂室内环境封闭程度较高，不仅有利于 温湿度和 CO2 浓度的精准控制， 还可防止室外气候变化对室 内环境产生不良影响，从而使植物工厂可以像工厂一样进行 周年批量生产。除此之外，植物工厂还具有农产品品质高、 安全无农药、室内作业自动化水平高、

2、劳动强度低、不占用 耕地、资源利用效率高等优点，被誉为设施农业的最高形式 2。日本是较早进行植物工厂商业化的国家。在 2009 年， 日本农林水产省和经济产业省分别拨出专项资金在大阪府 立大学、千叶大学、明治大学等机构进行植物工厂技术研发 和示范，掀起了一场植物工厂建设热潮3 。中国植物工厂起步较晚，但发展快速。目前已有多座植物工厂投入运营。工业 4.0 的提出植物工厂最初发展的动机是希望能像工厂一样批量化地进行农业生产。随着物联网技术和制造业服务化的兴起， 德国在 2013 年正式推出了工业 4.0 的概念，即工业生产在经 历了机械化、流水线生产、自动化之后，将进入以互联网、 物联网和大数据

3、等新一代信息技术为驱动的智能生产时代 4-5 。在该模式下，人力、设备、资源等生产要素之间将互 通互联，机、电、自动化、信息与通信技术以及企业制造管 理流程将深度融合，传统产业链中研发与设计制造、生产与 制造、营销与服务之间的界限被打破，企业可在保证生产效 率的前提下实现大规模个性化定制，并达到减小资源消耗， 加快对消费者需求的反应速度等目的 6-7 。该模式一经推出 即在世界范围内引起了广泛关注。目前，西门子、海尔等厂 家已经开始践行这一理念， 并取得了巨大成功。 中国在 2015 年3月推出了中国版的工业 4.0计划一一中国制造2025 要求企业通过强化信息化管理， 实现制造业 “三效”（

4、效率、 效益、效果）、“三力”（创造力、生产力、竞争力）和“三 降”（降低成本、能耗、物耗） 8。在 2016 年政府报告中， 李克强总理指出要鼓励企业开展个性化定制、柔性化生产， 培育精益求精的工匠精神，增品种、提品质、 创品牌。因此，未来智能化生产将成为工业领域的新常态，并将对社会的各 行各业产生深刻的影响。本文的目的是探讨植物工厂是否可借鉴工业 4.0 理念进行技术升级，推动植物工厂由大批量规模化生产向定制化规 模生产转变，同时产业链条则向生产、销售和服务全生命周 期延伸，从而拓展植物工厂功能，提高植物工厂效益，并尽 可能满足我国消费者对农产品日趋多样化的需求。工业 4.0 时代智能生产

5、的主要内容 智能生产的主要内容体现在数字化、信息化和智能化技 术在设计、生产、管理和集成制造等方面的应用。在设计方 面，企业采用面向产品全生命周期的数字化智能化设计系统， 进行虚拟设计、制造、装配，可有效缩短生产周期，提高产 品设计质量和一次研发成功率 9-10 。在生产制造方面， 利用 信息物理系统对生产设备进行智能升级，使设备、人力、资 源等生产要素互联，组成高柔性的智能生产线，不仅可在不 依靠工人操作的情况下进行生产，还能根据产品特性自由动 态地组合、灵活生产， 高效率的实现规模定制生产 5，9，11。 在管理方面，可实现产品全生命周期中各环节、各业务、各 要素的协同规划与决策优化管理，

6、有效提高企业对市场变化 的反应速度，打破生产过程中的管理瓶颈，大幅度提高制造 效益，降低产品成本和资源消耗。在智能集成方面，通过信 息物理系统和工业互联网实现设计与开发、生产计划、生产 过程以及产品的售后维护等阶段之间的信息共享，信息流沿 着原材料传递，指示必要的生产步骤，从而确保客户的特定 需求得到满足。 在工业 4.0 时代，传统生产模式中研发设计、 生产制造、品牌销售之间的界限将不复存在，企业和客户之间可以零距离沟通，客户可通过多种方式参与到产品制造过 程中 6，9。随着工业互联网、云计算、大数据技术的迅猛发展，制 造企业还可通过互联网获取机械、设备和设施群的信息，进 而开展产品的检查、

7、维修和维护服务，从而将产品的核心价 值从产品本身转变为服务用户，形成新的利润增长点9 。工业 4.0 对植物工厂发展的启示 植物工厂还属于新兴事物，虽然近年来发展迅猛，但蔬 菜品种单一、生产成本居高不下、同质化竞争日趋严重等问 题也越来越突出。在植物工厂技术最为先进的日本，植物工 厂倒闭的事件时有发生，不少植物工厂深陷亏损泥潭，亟需 通过新一轮的技术创新来提升植物工厂赢利能力，确保植物 工厂的健康持续发展。工业 4.0 所带来的不仅仅是对传统制造业的颠覆式变革， 还带来了新的思维方式。虽然植物工厂与制造业工厂有本质 区别，但可以借鉴工业 4.0 中以信息创新为驱动， 柔性生产， 网络化协同生产

8、，服务用户等新思维对植物工厂技术进行创 新。以下为笔者根据自身经验提出的植物工厂发展方向，供开发自动化设备植物工厂已经可对空气温湿度、 CO2 浓度、营养液浓度等参数进行自动调控，有效减少了植物栽培过程中的人为因 素，降低了劳动强度，但播种、定植、收获等工作还需人工 完成，劳动强度依然较大，亟需开发相关自动化设备来进一 步减少植物生产过程中的用工量，使劳动者可以从繁重的重 复性劳动中解放出来，将更多的精力投入到植物工厂生产和 经营模式的创新中。目前，日本大阪府立大学的植物工厂正 在应用一种自动栽培装置，该装置允许在没有人工作业的条 件下进行作物生产，在植物工厂自动化方面迈出了可喜的一 步12

9、。打造高柔性栽培装备 在制造业中，为满足定制化产品的高效生产，工业 4.0 要求生产设备具有高度的柔性，也就是使用同一条生产线生 产不同的产品 13 。这样的生产模式可有效提高企业对市场 需求的适应能力，从而改善其竞争力。 目前植物工厂主 要用于栽培叶菜，其中又以栽培生菜为主，室内设备大多依 据生菜的生理特性进行配置，柔性较低。另外，植物工厂本 身投资高，回收期长，单一产品和功能会增加其运营风险。 实际上，除了叶菜之外，植物工厂还适用于栽培高附加值的 中药材、优质种苗（图 3）、小型花卉和根菜类作物等 14 。 而且植物工厂具有较强的室内环境调控能力，还可用作催芽 室。洁净度较高的植物工厂甚至

10、可用作组培室来使用 （图 4） 因此，目前植物工厂本身的特性未能充分发挥，植物工厂功 能还有待进一步拓展。为此，可借鉴工业 4.0 思维对植物工 厂光源、营养液系统、空气环境调节系统等设备进行改造， 使植物工厂具有多种作物的栽培能力，提高植物工厂生产工 艺的灵活性。 这样，企业可根据市场需求灵活确定栽培品种， 而且还能在植物工厂内灵活安排生产，同时生产多种作物， 进一步提高产出效益，实现收益的最大化。延伸植物工厂产业链 在工业领域，美国通用电气将传感器安装在飞机发动机 叶片上，将发动机的实时运行参数发回监测中心，通过对发 动机状态的实时监控，可为航空公司提供及时的检查、维护 和维修服务。并通过

11、对大数据的获取，有效促进了发动机的 设计、仿真、控制等过程。上述通用的例子说明在工业 4.0 时代，制造业和消费者之间的沟通不再局限于售后服务，其 产业链在通过物联网延伸的同时还获取了新的产业价值 9植物工厂由于采用人工光源为植物提供光照，其能耗非 常大，运行成本较高。为了降低成本，必须合理调配资源， 科学管理，尽可能的提高植物对电力、肥料等资源的利用效 率，进而实现较低的生产成本 15-17 。为此，在植物工厂领 域也可打造一个咨询服务平台，将植物工厂研究、咨询和实 际运营等环节有机结合起来，实现植物工厂产业链的延伸。 首先对植物工厂的设备进行改造，实现对植物工厂的全方位 监控，并将数据源源

12、不断地上传到云端。其次，由专业技术人员对数据进行 分析，提供合理栽培管理方案，找出栽培管理中的问题，确 保投入的资源得到了高效利用。此外，在植物工厂运行中出 现的问题，可通过相关研究来解决，也就是以实际问题来指 导科学研究，提高科研成果转化效率。开展“互联网 +植物工厂”在工业 4.0 时代，制造企业和消费者可以实现无缝对接， 在满足消费者个性需求的同时实行零库存生产。如红领集团 推出的个性化生产模式中，智能化生产系统可根据客户订单 自动形成设计方案，并将其分解到各工序。布料跟随电子标 签流转到车间每个工位进行生产。这种生产方式的成本仅比 批量制造高 10%，但回报至少是 2倍以上 9。对植物

13、工厂来说，蔬菜的保鲜时间较短，减少库存或零 库存对植物工厂的正常运营非常重要。如生菜在采收之后， 其失重率和亚硝酸盐会逐渐上升，其品质会随贮藏时间的延 长而下降。基于该问题，可利用互联网发展“互联网+植物工厂”，即生产者与消费者通过网络平台进行信息共享，并 利用现代化的物流手段加速植物工厂蔬菜流通，保证蔬菜品 质。另外，对于具有高柔性生产设备的植物工厂，其经营模 式还可由以往基于蔬菜品种和产量进行市场销售的旧模式， 转向由顾客提出要求， 下订单， 然后制定生产计划的新模式， 进一步打破市场与生产之间的隔阂，实现零库存生产。参考文献1 Kozai T， Ohyama K， ChunC. Comm

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