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中国植物工厂的发展之路在何方?

潍坊市华以农业科技有限公司2020-03-23 14:43:11

当前植物工厂所面临的

主要问题及解决思路



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,我们致力于寻找基于植物生长规律及特性的生产流水线,该“流水线”式植物工厂能提供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、耕地日益减少、土地资源短缺、生物环境污染、农药化肥滥用等问题,使得人们必须的传统粮食作物和蔬菜等生产在产量与安全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、营养、健康、绿色等方面的要求越来越高。解决上述矛盾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所有设施园艺,从狭义上讲则是专指利用环境自动控制、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、CO2浓度和营养液等环境条件进行自动控制,使设施内植物生长不受自然气候制约的省力型生产。除有特别说明的以外,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用工业化、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,代表着未来农业的发展方向,是植物栽培的最高境界。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控制和立体栽培技术,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,实行机械化生产节省劳动力,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,提供新鲜且品质高的绿色食品;最后是稳定的生产效率,利用营养液栽培减少连作障碍,周年有计划地生产。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,高昂的成本严重地限制了技术的推广。成本较高的原因主要包括两个方面:一是前期投入成本比较高。植物工厂是设施农业,需要通过人工光源或者补光系统、营养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,但高昂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需要十几万元,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。


对作物生长规律的研究不够深入,且研究对象较单一

目前,对作物在植物工厂中生长规律的研究不够深入,所涉及的作物种类较少。能根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,不同作物的生长所需要的光照、温度、湿度、CO2和营养条件等都不相同,即便是同种作物在不同生长时期对环境的需求也不相同。因而不可能用一个统一的生长模式来对所有植物的生长过程进行控制,而是要根据不同的植物制定出适宜的外部生长环境。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。这一问题如果没有很好的解决,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,近年来研究者以生菜和黄瓜等为研究对象,进行光照、温度、湿度和营养液等人工环境控制的研究,但研究得还不够深入,还很难做到类似工业化的精细生产和管理。再者,研究对象多局限在生菜和黄瓜等十分有限的几种类型。如果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,浪费宝贵的能源。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,操作仍然较为复杂,有的甚至还需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研究方面取得了一定的成绩,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、低产出使植物工厂自动化程度更低,智能化方面的研究则更少,还基本停留在对环境的简单控制方面,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。众所周知,计算机特别是PC机在短短的几十年里获得了异常迅速发展,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迅速,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,都可以使用同样的计算机(相同的硬件设备),只要安装不同的应用软件就可以满足不同的需求。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、规范化控制的软件系统。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控制软件即可。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,通过运行不同的控制软件,就能十分容易地变换不同的“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讨论。

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密切相联的光源控制单元、CO2控制单元、温度控制单元、湿度控制单元、营养物质控制单元及植物生产线选择单元(或人机交互单元),如需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。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控制方面具有较为明显的优势,但电力成本较高。特别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、控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。有学者研究表明,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%。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减少将降低工厂内产生的热量以及水分的蒸发量,从而进一步减少了空调、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研究的热点。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。其原因在于:①与传统光源相比,LED具有电光转化效率高、可使用直流电、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已有的研究表明,植物存在着明显的选择性吸收现象,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±20 nm左右,并且还可以做得更窄。LED能够发出植物生长所需要的单色光谱,并能对不同光质和发光强度实现单独的控制,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。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,且使用过程中不会对生态环境造成破坏,其应用研究发展迅速,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,既可节省能源,又可减少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,不可见的红外线占43%,而紫外线占5%。在可见光中,对植物成长作用特别明显的是红光波段及蓝光波段。如:叶绿素吸收最多的是红光部分,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。因而如果能研制出对短波高效吸收,对长波完全透明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)提供电力,也可为植物工厂提供一定量的必要光源,可谓一举两得。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,尤其是把各控制单元模块化、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,由于植物需要吸收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,如果让这些光特别是紫外光不加处理而直接照射到植物上,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——荧光粉可以将太阳光谱中的紫外线或植物光合作用吸收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控制植物生长的光环境、CO2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,喜阳植物需要充足的光照,喜阴植物则希望少些光照。但具体的光照强度多少为宜,在这方面目前仍然无统一的标准。但可以肯定的是,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。研究表明,植物对蓝光和红光部分有两个很强的吸收峰值,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。此外,植物在不同的生长阶段所需的光谱成分也有所不同。因此,为创造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,植物工厂就必须能根据植物生长的需求,实时地改变光源的强度、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、CO2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,才能创造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,当前没有也不可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,都应该通过不断的实验——“训练”来实现(图1)。这种“训练”可以在一个“实验箱”(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需要哪些波段的光谱,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详细地记录下来,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控制软件,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”确实要占用大量的时间和精力,要耗费很多的人因成本,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别的要求,容易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,操作简单化,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。如果只依靠专家来“训练”出所有植物的最佳生长环境——“生产线”这样详细、具体的过程,那一定要经历很长的时间,开发缓慢。如果我们先让专家“训练”出某种植物生产线的主要指标、参数或轮廓,而具体的、详细的、细微的生产优化过程则交给用户在植物工厂中边生产边“训练”,把其中最理想的过程存储起来,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足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。如果用户打算生产另一种产品,他们并不需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省硬件方面的投入,达到硬件可重复使用,软件可选择、可扩充的目的。

结束语
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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研究不够深入,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,我们致力于寻找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——“生产线”需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,如果大规模推广,则分配到每一个植物工厂的软件成本会相当低。由于该“流水线”式植物工厂能提供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。


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