文/劉海峰 孟祥寶 謝秋波 溫翔宇

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)提高，植物工廠化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的首選發(fā)展模式。目前，植物工廠的管理多由人工完成，管理難度大、成本高、效率低，同時(shí)也容易帶來(lái)病菌污染。植物工廠的管理過(guò)程中，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有效融合是實(shí)現(xiàn)有效管理的關(guān)鍵，必須綜合分析大量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，制定綜合動(dòng)態(tài)管理決策方案，從而控制植物工廠內(nèi)部相關(guān)設(shè)備，包括灌溉、LED 光調(diào)制、溫濕度等環(huán)境因子調(diào)控等，為作物生長(zhǎng)提供最適宜的環(huán)境。實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與設(shè)施裝備的深度融合，提升設(shè)施裝備的自動(dòng)化、智能化水平，有助于解決設(shè)施農(nóng)業(yè)走向產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；a(chǎn)存在的問(wèn)題。

1 研究背景

當(dāng)前，由于人口快速增長(zhǎng)、耕地日益減少、土地資源短缺、生物環(huán)境污染、農(nóng)藥化肥濫用等問(wèn)題，傳統(tǒng)糧食作物和蔬菜等生產(chǎn)在產(chǎn)量與安全上都面臨著巨大的挑戰(zhàn)；另一方面，隨著人們生活水平的不斷提高，民眾對(duì)食物在衛(wèi)生、營(yíng)養(yǎng)、健康、綠色等方面的要求越來(lái)越高。解決上述矛盾的最有效的方法是建立植物工廠。但植物工廠設(shè)備投資大、耗電多，管理多由人工完成，管理難度大，管理成本也較高。因此，研究如何提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化從而降低成本，是植物工廠研究發(fā)展的趨勢(shì)。

近年來(lái)，植物工廠逐步實(shí)現(xiàn)了從播種、育苗到移栽、收獲等生產(chǎn)過(guò)程的半自動(dòng)化，通過(guò)借鑒一些工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)移栽和收獲過(guò)程中苗床的自動(dòng)搬運(yùn)，有利于減輕勞動(dòng)人員的工作強(qiáng)度，從而提高生產(chǎn)率，降低了成本。但是植物工廠的半自動(dòng)化仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)種植的無(wú)人化。為了減少人員帶來(lái)的病菌污染，種植的智能化和無(wú)人化是植物工廠自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展的重要方向。

此外，不同作物的生長(zhǎng)所需要的光照、溫度、濕度、二氧化碳和營(yíng)養(yǎng)條件等都不相同，即便是同種作物在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)環(huán)境的需求也不相同，因而不可能用一個(gè)統(tǒng)一的生長(zhǎng)模式來(lái)對(duì)所有植物的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行控制，而是要根據(jù)不同的植物制定出適宜的外部生長(zhǎng)環(huán)境。但到目前為止，在作物在實(shí)際生產(chǎn)中，還缺乏精細(xì)的生產(chǎn)指導(dǎo)和必要的數(shù)據(jù)支持。這一問(wèn)題如果不能很好地解決，將導(dǎo)致作物在植物工廠中的生長(zhǎng)效果不佳且生產(chǎn)效率低下。因此，生產(chǎn)管理指標(biāo)及生產(chǎn)模式的精準(zhǔn)化，是提高無(wú)人植物工廠勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要保障。

2 現(xiàn)狀分析

目前，在植物工廠領(lǐng)域，日本、荷蘭、美國(guó)、瑞典、英國(guó)、以色列等走在前列，其機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化程度高，逐漸向微型化、垂直農(nóng)業(yè)等多種方向發(fā)展，并進(jìn)行全套技術(shù)和裝備出口。雖然我國(guó)植物工廠技術(shù)發(fā)展很快，但相比植物工廠技術(shù)發(fā)達(dá)的其他國(guó)家，我國(guó)在植物工廠硬件及軟件技術(shù)方面還有一定的差距。硬件方面，由于作物生長(zhǎng)過(guò)程的復(fù)雜性，植物工廠內(nèi)自動(dòng)化裝備與設(shè)施農(nóng)藝的結(jié)合方面還需要進(jìn)一步提升；軟件方面，不同作物的生長(zhǎng)所需要的光照、溫度、濕度和營(yíng)養(yǎng)液等都不相同，同種作物在不同時(shí)期不同環(huán)境下的生長(zhǎng)需求也不相同，但目前在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于缺乏大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，國(guó)內(nèi)大部分植物工廠主要基于人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行內(nèi)部調(diào)控，其合理性及準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。

3 存在問(wèn)題

3.1 植物工廠環(huán)境信息感知

植物工廠智能化裝備的基礎(chǔ)是信息獲取。傳統(tǒng)的信息獲取手段是在植物工廠各處布置傳感器或檢測(cè)設(shè)備，這種方式造成了植物工廠前期投入成本高，并且系統(tǒng)間的通信布線繁瑣，機(jī)械設(shè)備在車間的移動(dòng)受到限制；此外，工廠車間構(gòu)架金屬材料較多，無(wú)線通信受干擾大，穩(wěn)定性差，難以實(shí)時(shí)反饋傳感器采集的信息。

3.2 植物工廠智能裝備室內(nèi)定位導(dǎo)航

全球定位系統(tǒng)（GPS）/北斗系統(tǒng)等成熟的衛(wèi)星定位技術(shù)無(wú)法應(yīng)用于室內(nèi)，目前主要的室內(nèi)定位技術(shù)解決方案有紅外定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、超寬帶技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)等，但這些技術(shù)都存在精度低、射頻干擾、建模復(fù)雜、建設(shè)成本高的問(wèn)題。

3.3 植物工廠苗床搬運(yùn)

植物工廠移栽和收獲過(guò)程中的苗床搬運(yùn)缺乏配套的自動(dòng)化設(shè)備，多由人工完成，為充分利用縱向空間，通常采用多層的栽培模式，搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且存在高空作業(yè)的安全隱患；同時(shí)大量工作人員頻繁地進(jìn)出栽培車間，易帶入病菌，造成環(huán)境污染。

3.4 植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)

植物的快速生長(zhǎng)離不開(kāi)充足的營(yíng)養(yǎng)供給，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺失會(huì)降低植物產(chǎn)出的品質(zhì)，而過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。植物工廠在這方面實(shí)際操作，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定營(yíng)養(yǎng)液、水肥的配比并進(jìn)行混合攪拌，缺乏精細(xì)的生產(chǎn)指導(dǎo)和必要的數(shù)據(jù)支持，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施用；同時(shí)需要大量勞動(dòng)力進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的添加、植物生長(zhǎng)期間的提供營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充以及對(duì)廢棄液的回收。

4 發(fā)展建議

4.1 研制植物工廠自主移動(dòng)式信息感知裝備

通過(guò)在無(wú)人設(shè)備上安裝農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境檢測(cè)傳感器、圖像傳感器等，構(gòu)建自主移動(dòng)式植物工廠無(wú)人監(jiān)測(cè)裝備系統(tǒng)，可全天候巡檢，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠環(huán)境信息、植物生長(zhǎng)信息的綜合感知，且設(shè)備靈活機(jī)動(dòng)，對(duì)不同作物的適應(yīng)性強(qiáng)；無(wú)需額外布線及安裝通信設(shè)備，降低了系統(tǒng)成本且通信更為高效。此外，采用多傳感器融合技術(shù)，基于獨(dú)立的傳感器的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，通過(guò)融合導(dǎo)出更豐富有效的信息，提高了傳感器系統(tǒng)的有效性和魯棒性，避免單一傳感器的局限性。

4.2 研制基于室內(nèi)高精度定位的無(wú)人植物工廠智能裝備

高精度的室內(nèi)定位是支撐無(wú)人植物工廠智能裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一，例如基于植物生長(zhǎng)照明 LED 燈和可見(jiàn)光定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)植物工廠智能監(jiān)測(cè)裝備的快速高精度定位導(dǎo)航，無(wú)需額外安裝定位與導(dǎo)航設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了“照明+定位”兩用，同時(shí)克服了室內(nèi)無(wú)衛(wèi)星定位信號(hào)而射頻定位技術(shù)復(fù)雜度高且定位精度低的問(wèn)題，具有高精度、免疫射頻干擾、“照明+定位”兩用的優(yōu)勢(shì)。

4.3 研制自動(dòng)化精準(zhǔn)物流裝備與控制系統(tǒng)

綜合利用傳感、控制、驅(qū)動(dòng)、可見(jiàn)光通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)低成本的移動(dòng)式苗床和立體式多層栽培架，以及相應(yīng)的物流控制系統(tǒng)，將需要灌溉與生長(zhǎng)的移動(dòng)式苗床送入種植區(qū)域的指定地點(diǎn)，將需要收獲或處理的移動(dòng)式苗床輸送到作業(yè)車間，工人集中高效率操作，或者配合其他自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行處理。

4.4 研制水肥精準(zhǔn)調(diào)控設(shè)備與系統(tǒng)

綜合利用潮汐灌溉和噴灌方式，設(shè)計(jì)合適的營(yíng)養(yǎng)液供應(yīng)和回水方式及組織路線，制定相應(yīng)的灌溉循環(huán)計(jì)劃。研制定量自動(dòng)攪拌水溶、水肥濃度檢測(cè)、多通道多類型水肥混合輸出控制、智能化水肥高精度配比等多功能集成的水肥精準(zhǔn)調(diào)控裝備。研發(fā)面向植物工廠的專家決策系統(tǒng)，包括專家決策模型庫(kù)，作物生長(zhǎng)、環(huán)境變化與設(shè)施設(shè)備的智能化協(xié)同管理，以及作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害等趨勢(shì)預(yù)判，綜合分析多種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，制定綜合動(dòng)態(tài)管理決策方案，包括營(yíng)養(yǎng)液管理、LED光調(diào)制、環(huán)境因子調(diào)控等；同時(shí)系統(tǒng)還具有農(nóng)資管理、技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、人員管理等功能，有助于提高種植生產(chǎn)效率，降低管理成本。