我国智能化植物工厂发展现状与对策建议*

文/刘海峰 孟祥宝 谢秋波 温翔宇

0 引言

随着现代农业技术提高，植物工厂化是现代农业的首选发展模式。目前，植物工厂的管理多由人工完成，管理难度大、成本高、效率低，同时也容易带来病菌污染。植物工厂的管理过程中，农机与农艺的有效融合是实现有效管理的关键，必须综合分析大量实时监测信息，制定综合动态管理决策方案，从而控制植物工厂内部相关设备，包括灌溉、LED 光调制、温湿度等环境因子调控等，为作物生长提供最适宜的环境。实现信息技术与设施装备的深度融合，提升设施装备的自动化、智能化水平，有助于解决设施农业走向产业化和规模化生产存在的问题。

1 研究背景

当前，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，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，民众对食物在卫生、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。但植物工厂设备投资大、耗电多，管理多由人工完成，管理难度大，管理成本也较高。因此，研究如何提高生产过程的自动化从而降低成本，是植物工厂研究发展的趋势。

近年来，植物工厂逐步实现了从播种、育苗到移栽、收获等生产过程的半自动化，通过借鉴一些工业生产自动化技术，开发自动化物流系统，实现移栽和收获过程中苗床的自动搬运，有利于减轻劳动人员的工作强度，从而提高生产率，降低了成本。但是植物工厂的半自动化仍然没有实现种植的无人化。为了减少人员带来的病菌污染，种植的智能化和无人化是植物工厂自动化生产发展的重要方向。

此外，不同作物的生长所需要的光照、温度、湿度、二氧化碳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，在作物在实际生产中，还缺乏精细的生产指导和必要的数据支持。这一问题如果不能很好地解决，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。因此，生产管理指标及生产模式的精准化，是提高无人植物工厂劳动生产率的重要保障。

2 现状分析

目前，在植物工厂领域，日本、荷兰、美国、瑞典、英国、以色列等走在前列，其机械化、自动化、智能化、无人化程度高，逐渐向微型化、垂直农业等多种方向发展，并进行全套技术和装备出口。虽然我国植物工厂技术发展很快，但相比植物工厂技术发达的其他国家，我国在植物工厂硬件及软件技术方面还有一定的差距。硬件方面，由于作物生长过程的复杂性，植物工厂内自动化装备与设施农艺的结合方面还需要进一步提升；软件方面，不同作物的生长所需要的光照、温度、湿度和营养液等都不相同，同种作物在不同时期不同环境下的生长需求也不相同，但目前在实际生产过程中，由于缺乏大量的试验数据支持，国内大部分植物工厂主要基于人工经验进行内部调控，其合理性及准确性有待进一步提高。

3 存在问题

3.1 植物工厂环境信息感知

植物工厂智能化装备的基础是信息获取。传统的信息获取手段是在植物工厂各处布置传感器或检测设备，这种方式造成了植物工厂前期投入成本高，并且系统间的通信布线繁琐，机械设备在车间的移动受到限制；此外，工厂车间构架金属材料较多，无线通信受干扰大，稳定性差，难以实时反馈传感器采集的信息。

3.2 植物工厂智能装备室内定位导航

全球定位系统（GPS）/北斗系统等成熟的卫星定位技术无法应用于室内，目前主要的室内定位技术解决方案有红外定位技术、超声波定位技术、射频识别技术、蓝牙技术、超宽带技术、无线局域网技术等，但这些技术都存在精度低、射频干扰、建模复杂、建设成本高的问题。

3.3 植物工厂苗床搬运

植物工厂移栽和收获过程中的苗床搬运缺乏配套的自动化设备，多由人工完成，为充分利用纵向空间，通常采用多层的栽培模式，搬运劳动强度大，并且存在高空作业的安全隐患；同时大量工作人员频繁地进出栽培车间，易带入病菌，造成环境污染。

3.4 植物生长营养供应

植物的快速生长离不开充足的营养供给，营养物质的缺失会降低植物产出的品质，而过量的营养供应会造成不必要的浪费。植物工厂在这方面实际操作，通常根据经验来确定营养液、水肥的配比并进行混合搅拌，缺乏精细的生产指导和必要的数据支持，难以实现精准施用；同时需要大量劳动力进行营养物质的添加、植物生长期间的提供营养补充以及对废弃液的回收。

4 发展建议

4.1 研制植物工厂自主移动式信息感知装备

通过在无人设备上安装农业生态环境检测传感器、图像传感器等，构建自主移动式植物工厂无人监测装备系统，可全天候巡检，实现对植物工厂环境信息、植物生长信息的综合感知，且设备灵活机动，对不同作物的适应性强；无需额外布线及安装通信设备，降低了系统成本且通信更为高效。此外，采用多传感器融合技术，基于独立的传感器的观测结果，对多传感器或多源的信息和数据进行综合处理，通过融合导出更丰富有效的信息，提高了传感器系统的有效性和鲁棒性，避免单一传感器的局限性。

4.2 研制基于室内高精度定位的无人植物工厂智能装备

高精度的室内定位是支撑无人植物工厂智能装备的关键技术之一，例如基于植物生长照明 LED 灯和可见光定位技术实现植物工厂智能监测装备的快速高精度定位导航，无需额外安装定位与导航设备，实现了“照明+定位”两用，同时克服了室内无卫星定位信号而射频定位技术复杂度高且定位精度低的问题，具有高精度、免疫射频干扰、“照明+定位”两用的优势。

4.3 研制自动化精准物流装备与控制系统

综合利用传感、控制、驱动、可见光通信等技术，设计低成本的移动式苗床和立体式多层栽培架，以及相应的物流控制系统，将需要灌溉与生长的移动式苗床送入种植区域的指定地点，将需要收获或处理的移动式苗床输送到作业车间，工人集中高效率操作，或者配合其他自动化设备进行处理。

4.4 研制水肥精准调控设备与系统

综合利用潮汐灌溉和喷灌方式，设计合适的营养液供应和回水方式及组织路线，制定相应的灌溉循环计划。研制定量自动搅拌水溶、水肥浓度检测、多通道多类型水肥混合输出控制、智能化水肥高精度配比等多功能集成的水肥精准调控装备。研发面向植物工厂的专家决策系统，包括专家决策模型库，作物生长、环境变化与设施设备的智能化协同管理，以及作物长势、病虫害等趋势预判，综合分析多种实时监测信息，制定综合动态管理决策方案，包括营养液管理、LED光调制、环境因子调控等；同时系统还具有农资管理、技术数据库、人员管理等功能，有助于提高种植生产效率，降低管理成本。