当前植物工厂所面临的主要问题及解决思路

当前植物工厂所面临的主要问题及解决思路当前植物工厂所面临的主要问题及解决思路【摘要】本文提出了一种全新的基于植物生长规律及特性的流水生产线式植物工厂这种植物工厂由硬件系统与软件系统构成，通过对硬件系统的分析，提出了节能减耗、降低硬件成本的几种有效方案在软件方面，我们致力于找寻基于植物生长规律及特性的生产流水线，该流水线式植物工厂能供应一种可扩展式植物生产方式，模拟植物的最佳生长环境，能用最少的投入和最低的能耗生产出质量好、数量高、周期短的产品因此，这种植物工厂具有成本低、效益高的优点，既有利于大规模的工业化推广，又有利于小型智能化家庭植物工厂的选用目前，由于人口快速增长、耕地日益削减、土地资源短缺、生物环境污染、农药化肥滥用等问题，使得人们必需的传统粮食作物和蔬菜等生产在产量与平安上都面临着巨大的挑战；另一方面，随着人们生活水平的不断提高，对食物在卫生、养分、健康、绿色等方面的要求越来越高［1］解决上述冲突的最有效的方法是建立植物工厂植物工厂，从广义上讲涵盖了从利用自然光到人工光和混合光源的全部设施园艺，从狭义上讲则是专指利用环境自动限制、电子技术、生物技术、机器人和新材料等进行植物周年连续生产的系统，也就是利用计算机对植物生长的温度、湿度、光照、C02浓度和养分液等环在植物工厂的屋顶加装一种转光玻璃，这种玻璃内部的转光材料一一荧光粉可以将太阳光谱中的紫外线或植物光合作用汲取很少的可见光转换成植物光合作用所需的红光、蓝光，可有效提升了太阳能的利用率，大幅降低人工光源的能耗，降低成本植物工厂软件系统的分析植物工厂的主要特征之一就是通过限制植物生长的光环境、C02浓度、温度和湿度以及土壤中的养分、温度和湿度等因素来形成植物生长的最佳外部条件以光环境为例，喜阳植物须要足够的光照，喜阴植物则希望少些光照但具体的光照强度多少为宜，在这方面目前仍旧无统一的标准但可以确定的是，不同植物对光照的需求量是不同的，同种植物在不同的生长阶段对光照的需求量也是不同的另一方面，从光谱的结构上分析，我们知道太阳光是个连续光谱探讨表明，植物对蓝光和红光部分有两个很强的汲取峰值，对它们植物的生长和有效物质的积累都可起到关键的作用止匕外，植物在不同的生长阶段所需的光谱成分也有所不同因此，为创建出最适合于植物生长的光环境，也为了节约能源和所投入的生产成本，植物工厂就必需能依据植物生长的需求，实时地变更光源的强度、光谱结构、光照时间等，这样才能高效、节能地促进植物的快速健康成长其它的外部环境因素，如温度、湿度、C02浓度等也是如此只有充分考虑到植物的特性和生长的规律，才能创建出最合适这种植物的生长环境由于每一种具体植物的成长环境是不同的，当前没有也不行能存在一个统一植物成长的标准环境每一种具体植物的最佳成长环境，都应当通过不断的试验一一训练来实现（图1）这种训练可以在一个试验箱（或者说是一个小型的植物工厂）中进行，且这种训练一般是由专家完成的虽然这样的训练要消耗大量的时间和精力，但只要找到了这种植物的最佳生长环境，即在植物生长的每个阶段须要哪些波段的光谱，它们的比例是多少，持续的时间是多久，强度是多大，及温度、湿度和养份的最佳值等，并在整个成长阶段都把这些参数具体地记录下来，然后将这些数据通过软件编程写成能模拟这种植物成长最佳环境的限制软件，那么，这种软件也就是这种植物的最佳生产流水线因为只要把这个软件安装到植物工厂的主控单元中运行，该植物工厂就能重现出这种植物的最佳成长环境，也就相当于装配了一条生产这种植物的生产线这样，植物工厂就能用最少的投入和最低的能耗生成出质量好、产量高、周期短的产品诚然，前期的训练的确要占用大量的时间和精力，要耗费许多的人因成本，但这种以软件的形式存在的生产流水线，在植物工厂中极易推广，且大规模推广后分摊到每个工厂中的成本就大大降低了因此，这种基于植物生长规律的生产流水线式植物工厂具有经济效益高，易于大规模、工业化推广的特点，并且还具有成本低、成效高的优点这种生产线以软件的形式存在，对植物工厂的规模没有特殊的要求，简洁引入到小型的家庭植物工厂中，同样可以使家庭植物工厂的投入成本降低，并且，也可使家庭植物工厂智能化程度大大提高，操作简洁化，有利于家庭植物工厂的普及和推广在植物工厂生产线开发的初期，为了加快植物生产线开发的速度，也可作如下设想假如只依靠专家来训练出全部植物的最佳生长环境一一生产线这样具体、具体的过程，那确定要经验很长的时间，开发缓慢假如我们先让专家训练出某种植物生产线的主要指标、参数或轮廓，而具体的、具体的、微小的生产优化过程则交给用户在植物工厂中边生产边训练，把其中最志向的过程存储起来，作为该植物的生产线，同样也能得到很好的效果这样，既能以较快的速度开发出植物工厂所需的生产线以满意人们日益增长的对绿色环保植物的需求，又能使作物在植物工厂的生产工程中不断得到优化，从而达到节能、增产的目的这种流水线式的植物工厂的另一个优点是它的可扩充性当硬件设施配备齐了之后，只要装上某种产品的流水线软件，就可以以最佳的流程生产出这种产品假如用户准备生产另一种产品，他们并不须要在硬件上重新投入，只须再装上那种产品的流水线软件，又可以以最佳的流程生产出那种产品这样就可以极大地节约硬件方面的投入，达到硬件可重复运用，软件可选择、可扩充的目的结束语针对当前植物工厂普遍存在的投入成本高、能耗大，对作物在植物工厂中生长规律的探讨不够深化，所涉及的作物种类少，植物工厂智能化程度低等问题，本文提出了一种全新的生产理念和生产模式，将生产流水线的概念引入到植物栽培的过程中提出了一种基于植物生长规律及特性的流水生产线模式的植物工厂，这种植物工厂是由硬件系统与软件系统构成的通过对硬件系统的分析，提出了节能减耗、降低硬件成本的几种有效方案在软件方面，我们致力于找寻基于植物生长规律及特性的生产流水线虽然找出植物生长过程的最佳环境一一生产线须要投入大量的时间和精力，耗费相当大的人因成本，但一旦找到并做成这种植物生产线的标准化程序之后，此程序具有通用性，假如大规模推广，则安排到每一个植物工厂的软件成本会相当低由于该流水线式植物工厂能供应一种可扩展式植物生产方式，模拟植物的最佳生长环境，它就能用最少的投入和最低的能耗生成出质量好、数量高、周期短的产品因此，这种基于植物生长规律的流水线式植物工厂具有经济效益高、易于大规模、工业化推广的特点，并且还具有成本低、成效高的优点，既有利于大规模工业化的推广，还有利于小型智能化家庭植物工厂的选用参考文献

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411.境条件进行自动限制，使设施内植物生长不受自然气候制约的省力型生产［2-5］除有特殊说明的以外，本文所指的都是狭义的人工光型植物工厂，这类植物工厂发展到高级阶段将完全采纳工业化、程序化的生产模式，最终实现栽培环境的最优化，所生产出的植物品质好、产量高、周期短、速度快、污染少、效益高，具有传统栽培模式无法比拟的优势，代表着将来农业的发展方向，是植物栽培的最高境界［6-9］其优势集中表现为以下几点首先是较高的农业生产率，在有限的土地上利用智能化的环境限制和立体栽培技术，提高土地产出率和劳动生产率；其次是扩展了种植范围，使寒冷、酷热、沙漠、甚至太空等不毛之地的农业生产成为可能；再次是好的工作环境，植物工厂内的作业环境优越，实行机械化生产节约劳动力，使劳动生产率周年平均化；再者是优的产品质量,可进行无农药生产，供应簇新且品质高的绿色食品；最终是稳定的生产效率，利用养分液栽培削减连作障碍，周年有安排地生产植物工厂生产的对象丰富，可包括蔬菜、花卉、药材、果树、食用菌和部分大田作物等面临的主要问题植物工厂自身存在众多优点，近几年无论是在数量、规模上还是在质量和效率上都得到了相当的发展尽管如此，当前植物工厂在发展和推广上仍存在一些瓶颈问题，主要体现在以下几个方面植物工厂普遍存在成本高的问题当前，植物工厂造价高，最低造价每平方米也在千元以上，最高可达几万元，昂扬的成本严峻地限制了技术的推广成本较高的缘由主要包括两个方面一是前期投入成本比较高植物工厂是设施农业，须要通过人工光源或者补光系统、养分液设备和智能监控系统等外在硬件设备，以及对温、光、水、气、肥等环境的智能调控管理，而这些设施成本较高尽管植物工厂在产量和效率方面有突出的优点，但昂扬的初始投入和后续维护成本问题也同样明显一个中等规模的植物工厂建成须要十几万元，甚至更高的投入，这在相当程度上影响了它的普及与推广二是植物工厂耗电量巨大，有的耗电成本投入甚至大于产出价值，这在家庭植物工厂中表现尤其明显而且后期对植物工厂的维护与管理还要有一笔开支因此，如何降低成本是解决制约植物工厂进一步发展与推广的最主要瓶颈问题对作物生长规律的探讨不够深化，且探讨对象较单一目前，对作物在植物工厂中生长规律的探讨不够深化，所涉及的作物种类较少能依据作物的生长规律及特性而制定出的标准化、程序化、专家化的生长指标很少众所周知，不同作物的生长所须要的光照、温度、湿度、C02和养分条件等都不相同，即便是同种作物在不同生长时期对环境的需求也不相同因而不行能用一个统一的生长模式来对全部植物的生长过程进行限制，而是要依据不同的植物制定出相宜的外部生长环境但到目前为止，对作物在实际生产中，还缺乏精细的生产指导和必要的数据支持这一问题假如没有很好的解决，将导致作物在植物工厂中的生长效果不佳且生产效率低下例如，近年来探讨者以生菜和黄瓜等为探讨对象，进行光照、温度、湿度和养分液等人工环境限制的探讨

[10],但探讨得还不够深化,还很难做到类似工业化的精细生产和管理再者，探讨对象多局限在生菜和黄瓜等非常有限的几种类型假如消费者想生产其他类型的作物，就会因为没有相应的指导数据而使产量和效率低下，奢侈珍贵的能源因此，丰富植物工厂作物生产管理指导就成为植物工厂发展过程中所需解决的另一个基本问题植物工厂智能化程度低，操作较为烦琐随着人们生活节奏的不断加快，以及对生活品质要求的不断提高，对植物工厂生产的绿色植物的需求越来越大，但植物工厂并没有得到预期的发展，除了成本高外的，另一个重要因素就是植物工厂智能化程度低，操作仍旧较为困难，有的甚至还须要专家来完成一些关键环节近年来，虽然植物工厂在智能化探讨方面取得了确定的成果，但总体而言，植物工厂的智能化程度还不是太高由于本身的高成本、低产出访植物工厂自动化程度更低，智能化方面的探讨则更少，还基本停留在对环境的简洁限制方面，而且操作较为烦琐这也是制约植物工厂普及与推广的一个重要方面解决瓶颈问题的新思路众所周知，计算机特殊是PC机在短短的几十年里获得了异样快速发展，不仅在性能上有很大的提高，在价格上也有大幅度的下降计算机的发展之所以如此快速，除了受到半导体技术本身快速发展的支撑之外，另一个重要因素在于计算机是一种通用设备，具有很大的市场，得到了广泛的普及与推广不同的领域、行业，不同的群体，都可以运用同样的计算机（相同的硬件设备），只要安装不同的应用软件就可以满意不同的需求借助于计算机系统中硬件和软件既能分开开发，又能组成一个相互协调的有机统一体的思想，我们把植物工厂这个集成系统也分成相对统一的硬件系统和针对具体植物生长规律及特性而实现的对其成长环境进行具体化、标准化、规范化限制的软件系统这样植物工厂的硬件系统及其相应的硬件设备可以做成通用的（最多只是尺寸与规模上的差异），有利于大规模推广，运行成本会随着规模的增大而有较大的降幅；反之，成本的大幅下降又促使其得到进一步的普及与推广而栽培不同的植物只需更换不同的植物成长环境的限制软件即可这种软件在植物工厂中运行也就相当于引入了栽培这种植物的生产线这样在同一个植物工厂中，通过运行不同的限制软件，就能非常简洁地变换不同的生产线，生产出不同的植物品种下面我们将分别从硬件和软件上对其进行具体的分析与探讨植物工厂硬件系统分析在硬件系统方面，植物工厂一般包括主控单元以及与该主控单元亲密相联的光源限制单元、C02限制单元、温度限制单元、湿度限制单元、养分物质限制单元及植物生产线选择单元（或人机交互单元），如须要还可增加一些必要的单元模块近年来，植物工厂有两种不同的栽培技术体系并行发展一种是以温室为主体，太阳光-人工光并用型植物工厂；另一种是全封闭的、以人工光源为主体的人工光植物工厂［5］与太阳光-人工光并用型植物工厂相比，人工光植物工厂在光环境限制方面具有较为明显的优势，但电力成本较高特殊是在人工光植物工厂中的电能消耗成本通常约占总体运行成本的50%60%,主要包括人工光源、空调、风机、加湿器、限制装置等设备〜的用电能耗，其中人工光源是密闭式植物工厂耗能的重点有学者探讨表明，在人工光植物工厂中，人工光源（荧光灯）耗电量约占总耗电量的82%[ll]o因此，降低人工光源耗电量是有效降低人工光植物工厂运行成本的主要措施而且人工光源耗电量的削减将降低工厂内产生的热量以及水分的蒸发量，从而进一步削减了空调、风机、加湿器等设备的能耗，进而带动了整体能耗的进一步降低因此，人工光源的节能降耗已成为近年来植物工厂探讨的热点在硬件系统方面，节能减耗，降低成本的主要从以下四个方面着手配置与植物成长特性光谱相吻合的LED光源是解决人工光源耗♦电、降低成本的根本方法其缘由在于

①与传统光源相比，LED具有电光转化效率高、可运用直流电、节能、体积小、寿命长、波长固定、发热量低及制冷费用少等优点

②LED是冷光源，可将光源安装在与植物距离较近的位置，既可大大提高栽培空间的利用效率，又可进一步降低能量损耗

③已有的探讨表明，植物存在着明显的选择性汲取现象，并且不同的植物，甚至同一种植物在不同的成长阶段对光波谱线的需求都是不同的传统的高压气体灯或荧光灯的光谱较宽，大大降低了其光能的利用率而LED的光谱域宽一般都在20nm左右，并且还可以做得更窄LED能够发出植物生长所须要的单色光谱，并能对不同光质和发光强度实现单独的限制，使其波长正好与植物光合作用、形态建成和有效物质积累所需的光谱范围相吻合，从而使光能有效利用率得到显著提高［12］

④随着半导体光源技术的不断进步，LED发光强度的提高以及价格的降低，前期投入成本会进一步减小，能量消耗也会进一步降低将新能源技术引入到植物工厂中，用新能源代替常规电能供能，♦其中太阳能作为一种可再生能源，具有取之不尽、用之不竭的特点，且运用过程中不会对生态环境造成破坏，其应用探讨发展快速，已广泛应用于日常生活，近年来在农业领域中的应用也越来越广因此，若能将太阳能技术应用于植物工厂中，既可节约能源，又可削减其对常规能源的依附，有望使植物工厂在西北部等非可耕地、无动力能源地区得到推广和高效生产，推动植物生产的革命性突破此外，太阳能也可以与太阳光型的植物工厂相结合我们知道太阳辐射中可见光部分仅占全部辐射的52%左右，不行见的红外线占43%,而紫外线占5%o在可见光中，对植物成长作用特殊明显的是红光波段及蓝光波段如叶绿素汲取最多的是红光部分，其对植物生长的促进作用也最大，蓝紫光次之，黄绿光最弱而目前太阳能电池用来发电的是太阳光谱中的短波部分，对于长波的红光和红外光的利用率较低，这正好与植物的光谱形成某种程度的互补因而假如能研制出对短波高效汲取，对长波完全透亮的薄膜太阳能电池板并用作植物工厂的屋顶，即可构建一套屋顶太阳能发电系统，为植物工厂的设备（LED补光或空调等）供应电力，也可为植物工厂供应确定量的必要光源，可谓一箭双雕这将大大增加这一清洁的可再生能源的利用率，因而可进一步降低能耗植物工厂硬件系统的标准化、模块化是降低成本的又一举措♦植物工厂硬件设备，尤其是把各限制单元模块化、规范化也有利于大规模的推广，进而降低硬件的成本对于太阳光型的植物工厂，将转光玻璃装在其屋顶则是高效利♦用太阳能的另一个有重要手段在太阳光型植物工厂中，由于空气中的尘埃、雾霾及阴雨等恶劣天气的影响，及在高纬度地区、冬春季节等环境中，就会导致温室内的光照不足，植物生长所需的红光与蓝光达不到应有的强度，与此同时，由于植物须要汲取的近紫外光和其它波段的可见光很少，这些波段就会出现过剩的现象，假如让这些光特殊是紫外光不加处理而干脆照耀到植物上，不但不能对植物的光合作用起促进作用，而且可能会抑制植物的成长为了解决上述问题，将无法被植物利用的光谱成分变废为宝，可。