智能生产时代的人工光植物工厂技术展望

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、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步较晚，但发展快速。目前已有多座植物工厂投入运营。

和示范，掀起了一场植物工厂建设热潮[3]。中国植物工厂起工业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

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——《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”（效率、

效益、效果）、“三力”（创造力、生产力、竞争力）和“ 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。

降”（降低成本、能耗、物耗）[8]。在2016 年政府报告中，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，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、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，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

r , -bz.

大家参考。

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步[12] 。

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] 。