李佳 王夢瑤 劉良好 袁方 高青 陳金星

(中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心，上海 200032)

1 概述

植物工廠育苗微氣候環(huán)境及可編程水肥混合一體化精灌智能控制系統(tǒng)集成了大型連棟設施、人工氣候環(huán)境系統(tǒng)、自然光照加人工補充光照LED節(jié)能光模組、無土育苗立體多層苗床組、精量灌溉加精準施肥可編程一體化自動灌溉系統(tǒng)及裝備，在完成智能化植物工廠高效節(jié)能運行的同時還可為設施育苗逆境脅迫、品種選育等領域的科學實驗和研究提供重要的技術支撐平臺。植物工廠設施育苗微氣候環(huán)境及可編程水肥混合一體化精灌智能控制系統(tǒng)真正解決了育苗過程中的環(huán)境控制與能耗等關鍵問題，即實現(xiàn)了光、溫、水、肥、氣多參數集成智能調控。其中的作物苗期特征吸收光譜專用LED模組，采用高光效藍光芯片加納米熒光粉的技術路線，大幅提高LED的光質及輔助光效。設施微氣候環(huán)境采用新風比例調節(jié)系統(tǒng)過濾低電壓微電場耐沾污除塵除菌技術，結合水質凈化光催化循環(huán)水處理加消毒殺菌滅藻、阻垢除垢技術的應用，最大限度地為發(fā)揮作物育苗周期的特性及生長潛能提供技術支持，為產業(yè)化可持續(xù)奠定技術基礎。

在植物工廠組網覆蓋形成的設施育苗立體精準作業(yè)區(qū)域，系統(tǒng)不僅提供了無線傳感局域網/WiFi/移動互聯(lián)網/4G-5G通訊互備，還實現(xiàn)了手機、PDA等移動終端現(xiàn)場操作和遠程監(jiān)控計算機專家系統(tǒng)后臺服務。在實現(xiàn)植物工廠育苗決策管理的基礎平臺上，提高了設施育苗周年生產運行效率，高效科學的量化管理與優(yōu)質產品及種植技術的提升，實現(xiàn)了設施育苗在植物工廠受控環(huán)境下獲得的最佳的生長效果，也為形成育苗規(guī)?；a能力提供技術支撐及為適宜的種植模式提供科學依據。

植物工廠育苗微環(huán)境及水肥一體精準灌溉系統(tǒng)的發(fā)展必定走向智能化。由于設施育苗區(qū)域氣候生態(tài)環(huán)境條件不同，相對的控制環(huán)境策略和精準控制也應各有特點[1]。在基于互聯(lián)網計算機遠程監(jiān)控植物工廠育苗微環(huán)境及水肥混合系統(tǒng)的同時，建立灌溉預測分析有效應用方案,量化數據確定控制策略尤為重要。通過設施育苗特性與環(huán)境、營養(yǎng)吸收定量規(guī)律的互作研究，建立設施育苗特性與環(huán)境變化規(guī)律數字模型，實現(xiàn)了設施育苗區(qū)域規(guī)?；?、無線傳感通訊驅動精準化、微氣候設施育苗環(huán)境精準可控化等多功能為一體，集成創(chuàng)新了現(xiàn)代農業(yè)植物工廠育苗環(huán)境形式高密度立體化、資源高效利用等系統(tǒng)管理智能化的嶄新模式。人們只需要進入到智能控制系統(tǒng)，就可以通過物聯(lián)網技術遠程監(jiān)控觀察和控制育苗過程，使之生產過程智能化。

2 植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精灌智控系統(tǒng)構建

植物工廠育苗微氣候環(huán)境及可編程水肥混合一體化精灌智能控制系統(tǒng)根據區(qū)域氣象參數、設施育苗環(huán)境參數、育苗過程狀態(tài)變化等，通過無線傳感通訊及后臺監(jiān)控裝備，確定對植物工廠育苗區(qū)域種苗類別、環(huán)境溫度、相對濕度、氣流組織比例循環(huán)、新風交換、LED光模組補充光照、種苗光譜吸收、需水量、營養(yǎng)液池中的pH值和EC值[2]等及施肥信息進行實時監(jiān)測和相應預測，建立相應的植物工廠微氣候環(huán)境下育苗過程動態(tài)管理決策數據模型，完成對植物工廠規(guī)?；缢室惑w化精準灌溉，實現(xiàn)其生產過程數字精準作業(yè)進一步量化和提升運作效率，同時提高品質和勞動生產率，有效保護生態(tài)環(huán)境。

隨著植物工廠育苗規(guī)模的擴大，業(yè)內迫切需要對支撐植物工廠育苗微環(huán)境的系統(tǒng)軟硬件、作物品種最適育苗環(huán)境需求進行優(yōu)化，在植物工廠的實際運作中，將直接體現(xiàn)在種苗品質的提升。目前，設施育苗高效率工廠化運作、能耗和水肥一體化精準灌溉、人工成本仍然是制約植物工廠性價比的主要因素。目前植物工廠育苗環(huán)境熱負荷、植物蒸騰與光合作用的整合計算模型、微環(huán)境智控技術的發(fā)展及應用，特別是高效LED人工光源性價比的大幅提升，為發(fā)展植物工廠規(guī)模化可持續(xù)育苗提供了可行性[3]。

然而，要系統(tǒng)解決這些問題，實現(xiàn)植物工廠育苗最適微環(huán)境及水肥精灌智控系統(tǒng)技術數字化平臺構建是一種必然選擇。其中植物工廠育苗微環(huán)境實時數據作為系統(tǒng)控制的主要依據，結合氣象參數資料、育苗狀況等完成其對現(xiàn)場控制器智控工作程序，及時反饋系統(tǒng)控制信息，通過服務器上數字模型及算法的處理，將結果發(fā)至執(zhí)行機構或用戶端。并在此基礎上利用機器學習產生新的歸納推理和決策能力，最終將函數的預測分析能力推向更高的層次，從而使植物工廠育苗、管理更加科學、精確。對具有區(qū)域代表性且規(guī)模化植物工廠而言，其育苗增產、優(yōu)質效果極其明顯，并可實現(xiàn)減少無效環(huán)境功能損失。為實現(xiàn)植物工廠育苗的科學量化管理、打造高效種植技術與產品，形成規(guī)模化生產能力提供技術支撐，應用前景廣闊。

2.1 植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精灌智控系統(tǒng)模塊結構

構建植物工廠育苗微環(huán)境及水肥智控系統(tǒng)，其功能模塊包括育苗特性與環(huán)境變化規(guī)律數字模型智能調控、傳感器無線傳感信息采集及物聯(lián)網信息技術應用，實現(xiàn)對植物工廠育苗微環(huán)境溫度、相對濕度、氣流組織比例循環(huán)、LED光模組補充光照、種苗光譜吸收、需水量、營養(yǎng)液pH值和EC值、精量灌溉加精準施肥等及施肥信息作出相應預測和精確模擬，最大限度地發(fā)揮植物生長潛能。

針對植物工廠育苗數字模型，研究作物生長過程及環(huán)境因子對生長的影響規(guī)律，形成系統(tǒng)數字建模基本理論、方法，實現(xiàn)植物工廠微環(huán)境調控智能控制系統(tǒng)。其中微環(huán)境氣流組織比例循環(huán)及育苗微環(huán)境水肥精灌智控系統(tǒng)動態(tài)數據實時采集、苗床水培根系精準控溫、植物紅光受體與遠紅光受體的生理調節(jié)功能的機制及誘導、復合營養(yǎng)液水肥一體化灌溉等系統(tǒng)集成關鍵技術應用增效顯著。模塊結構圖見圖1。

2.2 植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精灌智控系統(tǒng)的關鍵技術

在植物工廠微環(huán)境下完成育苗的可編程水肥混合一體精灌智控系統(tǒng)，其關鍵技術包含了植物工廠育苗受控環(huán)境及可編程水肥混合一體化智能控制，研究對具有規(guī)?；闹参锕S育苗微環(huán)境及水肥精灌智控系統(tǒng)有著至關重要的作用?；谖锫?lián)網技術應用的植物工廠育苗環(huán)境智能控制技術，不僅滿足種苗周年生產需求而且節(jié)能增效極其明顯。在監(jiān)測育苗環(huán)境、生長狀況的同時結合區(qū)域氣象參數，以單元育苗環(huán)境對其各階段所需環(huán)境參數、水分、養(yǎng)分及生理特性數據為依據，計算確定環(huán)境參數、水肥一體程序灌溉計劃，也為系統(tǒng)精準控制提供主要量化依據。

通過“互聯(lián)網+設施物聯(lián)網技術”應用，采集育苗微環(huán)境及水肥精灌系統(tǒng)實時參數，完成監(jiān)控設施生產要素，以穩(wěn)定的數據無線傳感網絡傳輸加現(xiàn)場驅動控制,結合NB-Lot技術應用，確保系統(tǒng)長時間低功耗穩(wěn)定運行。通過云數據分析，實現(xiàn)設施育苗整體環(huán)境狀況的遠程監(jiān)控，并提供異常信息及時越限預警及專家系統(tǒng)后臺服務。結合機器深度學習，JAVA為人機界面，形成一個植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精灌智控系統(tǒng)操作標準體系的智慧種植服務平臺。

2.2.1 植物工廠育苗微環(huán)境核心參數研究

內容包括針對植物工廠育苗空氣環(huán)境參數梯度變化特征，建立一種植物工廠育苗環(huán)境可編程水肥混合一體精灌智控系統(tǒng)核心參數方案，模擬人工預判斷經驗，形成一個適合植物工廠育苗環(huán)境控制的數據支持系統(tǒng)。其中的植物工廠育苗微環(huán)境及精量灌溉加精準施肥系統(tǒng)控制因子包括環(huán)境溫度、相對濕度、氣流組織模式、LED人工光照、光譜適配方、新風量比例交換、水肥混合一體精準灌溉等多種育苗微環(huán)境要素，最終實現(xiàn)植物工廠育苗微環(huán)境的真實模擬。

研究營養(yǎng)液適配比及土壤、基質物理參數對設施育苗及營養(yǎng)物質含量的影響，掌握設施育苗的營養(yǎng)物質調控關鍵因素。系統(tǒng)研究人工光源關鍵光質參數(尤其是光譜)對育苗過程的影響，獲取環(huán)境因子與種苗互作核心動態(tài)參數，為構建育苗相關數字模型奠定基礎。

2.2.2 植物工廠育苗數字化平臺構建

內容包括基于物聯(lián)網技術應用平臺構建植物工廠育苗微環(huán)境的數字模型，其中設施育苗微環(huán)境空氣調節(jié)系統(tǒng)、CO2比例調控技術、高光效配方模組、氣流組織微控技術、營養(yǎng)液適配方技術加水肥一體精準灌溉等通過大數據獲取積累，利用AI過程比對與智能調控方法，獲取傳感器數據信息。將育苗環(huán)境各因素的函數持續(xù)優(yōu)化，用算法逐步替代經驗，并通過迭代超越經驗，確認最佳組合。結合“互聯(lián)網+物聯(lián)網技術”應用平臺的植物工廠育苗區(qū)域無線網絡系統(tǒng)視頻加RGB同步監(jiān)控，構建育苗微環(huán)境及水肥精灌數字模型將凸顯其至關重要的作用。人工智能將設施育苗數字化、算法化、數據化。數字模型將重新定義生產與管理，生產就是模型。通過大數據和算法實現(xiàn)對特定設施育苗微環(huán)境的有效利用，創(chuàng)建數字化智慧管理平臺。

3 植物工廠數字化相關技術在農業(yè)生產上的應用

基于植物工廠育苗周期的形態(tài)特征數據，實現(xiàn)最優(yōu)設施育苗環(huán)境及營養(yǎng)液最適配方積累，其關鍵技術對營養(yǎng)吸收狀態(tài)調控和促進種苗生長有明顯的促進作用，達到生產上設施育苗過程高效與品質的提升，為植物工廠育苗規(guī)?；a和提升運作效率奠定技術基礎。在現(xiàn)有植物工廠育苗產業(yè)系統(tǒng)技術實踐基礎上，開展在農業(yè)生產上現(xiàn)代植物工廠育苗微環(huán)境及水肥一體精準灌溉智控系統(tǒng)核心技術數字模型的應用，形成植物工廠育苗過程的逐步完善，直至形成產品相應標準。設施微環(huán)境育苗及營養(yǎng)液適配方的積累，對植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精灌智控大規(guī)模應用和建立數字化智能調控系統(tǒng)平臺形成有力技術支撐。

開展植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精灌智控數字化關鍵技術應用研究，提高產品產量及品質，降低農業(yè)生產的勞動強度，是目前植物工廠育苗數字精準作業(yè)降低運作能耗的直接手段[4]，也是技術領域得以可持續(xù)發(fā)展的重要手段和措施。結合育苗過程數據積累及微環(huán)境因子與育苗互作，在現(xiàn)有植物工廠示范基礎上，逐步完善數據庫形成數字建模及相應設計標準，最大限度地優(yōu)化使用各項農業(yè)資源和投入，也將成為設施農業(yè)資源高效利用和數字精準作業(yè)技術領域的一個重要組成部分。促成植物工廠育苗優(yōu)質高產，以期獲得最大經濟效益，推動行業(yè)成熟。

4 植物工廠育苗發(fā)展亟需解決的問題

植物工廠育苗規(guī)模的擴大，能耗和人工成本必然是制約植物工廠育苗及水肥一體精灌系統(tǒng)運作性價比的主要因素。設施育苗微環(huán)境調控原型、育苗微環(huán)境氣流組織比例循環(huán)、負荷耗能計算、二氧化碳調控及植物蒸騰與光合作用的數據模型計算、水肥一體精灌智控、營養(yǎng)液加光催化循環(huán)消毒適配方數據計算，特別是小分子復合水溶性營養(yǎng)液與高效LED人工光模組性價比的大幅提升與應用，對發(fā)展新一代植物工廠育苗系統(tǒng)關鍵技術研發(fā)提出了更高的要求。然而面對這些問題，植物工廠育苗微環(huán)境的數字模型與智能調控系統(tǒng)將直接提升其生產效率和種苗品質，也是解決關鍵技術問題的重要手段之一。

亟需解決的植物工廠育苗問題，就是如何讓育苗微環(huán)境在環(huán)境精準控制、二氧化碳新風混合比例調控、系統(tǒng)環(huán)境營養(yǎng)液潔凈度及水肥一體精灌的系統(tǒng)之間平衡。為此，研發(fā)育苗抗菌基質載體，可有效降低因有機物及激素在水肥系統(tǒng)營養(yǎng)液中的導入而產生的環(huán)境控制成本，且提高設施育苗微環(huán)境控制技術對氣流組織凈化的依賴，從而大幅減低成本。隨著植物工廠設施環(huán)境、微環(huán)境育苗、高光效LED光模組、水肥一體灌溉、物聯(lián)網及AI/VR技術應用、系統(tǒng)智能控制、數字模型及信息處理等規(guī)模化應用，充分利用多學科資源交叉，為植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精灌智控系統(tǒng)技術研究進展提供核心系統(tǒng)技術支持。

4.1 植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精灌智控系統(tǒng)發(fā)展相關技術標準問題

在植物工廠育苗數字化智慧管理過程中，實現(xiàn)設施微環(huán)境育苗階段優(yōu)化大數據獲取，其中的關鍵技術是微環(huán)境環(huán)境因子調控、水溶性復合營養(yǎng)液對育苗營養(yǎng)調控關鍵技術研究。目前育苗微環(huán)境調控技術的逐步完善，相應技術正在被更新與升級，實現(xiàn)了設施微環(huán)境育苗高效與品質提升。其中涉及研究的關鍵技術還包括微環(huán)境的在線空氣凈化技術、育苗基質抗菌隔離材料技術及有機營養(yǎng)物的緩釋技術。為此，植物工廠育苗不僅實現(xiàn)了多種技術集成，實時精準調控育苗生產環(huán)境參數，而且基于數字模型，將多功能模塊融為一體，通過微環(huán)境、育苗狀態(tài)監(jiān)控以及環(huán)境因子干預，實現(xiàn)了植物工廠育苗標準化生產。因此，傳感器無線傳感信息采集及物聯(lián)網信息總線接口、通訊協(xié)議都應具有相應國家標準。由于應用系統(tǒng)相關軟硬件產品都擁有各自不同技術及工藝標準，對植物工廠育苗微環(huán)境系統(tǒng)技術集成，至今尚未真正形成統(tǒng)一的技術標準，目前在設施育苗方面相關技術標準問題已被充分重視，對今后的可持續(xù)發(fā)展日顯重要。

4.2 核心技術問題

植物工廠育苗微氣候環(huán)境調節(jié)系統(tǒng)與育苗能耗核心技術研究、育苗微環(huán)境調節(jié)根部及葉面的二氧化碳濃度調控核心技術研究、育苗微環(huán)境及水肥灌溉精準調控模式核心技術研究、復合水溶性營養(yǎng)液對育苗組培營養(yǎng)調控核心技術研究、人工光模組微環(huán)境育苗光受體誘導的機理調節(jié)核心技術研究等是構建植物工廠育苗數字模型的重要核心內容。

數字模型根據環(huán)境因子以及營養(yǎng)成分與植物工廠育苗互作機理需求，建立適應性有機聯(lián)系的信息技術，包括傳感器實時信息獲取、通訊模塊和執(zhí)行驅動。實現(xiàn)對植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精準灌溉過程各類環(huán)境參數的優(yōu)化，實時監(jiān)測育苗過程偏差及越限預警。依據植物工廠育苗微環(huán)境優(yōu)化控制調控策略，研究設施育苗微環(huán)境氣流組織比例精準調控與節(jié)能指標的影響、研究復合營養(yǎng)液適應配比對育苗過程營養(yǎng)物質含量的影響，研究育苗基質成分對育苗過程營養(yǎng)物質含量的影響，研究高效光模組配方關鍵參數(尤其是光譜吸收)對育苗過程的影響。綜合植物工廠育苗微環(huán)境關鍵因子核心參數而確定的技術數據，提出植物工廠育苗微環(huán)境及水肥精灌智控數字模型構建。

5 總結與展望

構建基于物聯(lián)網技術應用的植物工廠育苗微環(huán)境，實現(xiàn)對具有特定品系育苗微環(huán)境及水肥精灌系統(tǒng)的智能控制，以及采用低能耗運作將大大提高其工廠化效率。通過設施育苗過程數字建模，精準無誤地調控育苗適宜的環(huán)境因子，篩選出適宜種苗健壯生長且縮短生長周期的參數，最終實現(xiàn)植物工廠育苗微環(huán)境數字模型智能調控下的優(yōu)良品種培育，提高種苗品質。在提升育苗勞動生產率前提下，節(jié)約生產成本，達到設施育苗周年連續(xù)規(guī)?；a。

利用當今各類型大型植物工廠育苗環(huán)境，開展植物工廠的育苗-環(huán)境互作研究，有效利用微環(huán)境育苗數字模型實時調控環(huán)境因子，為實現(xiàn)育苗最佳生長提供堅實的基礎應用理論平臺。植物工廠的發(fā)展提供了具有自主知識產權的硬件、軟件系統(tǒng)，是核心技術“芯片”。同時，創(chuàng)新設施育苗是一種嶄新模式，在取得經濟效益的前提下，對其質量安全控制領域起到相當大的作用，設施育苗微環(huán)境因子調控關鍵技術的創(chuàng)新；明確設施育苗復合營養(yǎng)液適配方及營養(yǎng)物質含量在水肥精準灌溉系統(tǒng)的技術定位；確定核心技術必須建立在以產學研結合的科技創(chuàng)新體系中。實現(xiàn)植物工廠育苗高效種植與產品技術價值，形成可持續(xù)規(guī)?；a能力，產業(yè)化前景十分廣闊，并在未來的植物工廠育苗產業(yè)中具有市場競爭力。