李明　王志強

人工光植物工廠發(fā)展現(xiàn)狀

人工光利用型植物工廠（以下簡稱“植物工廠”）是使用保溫不透光材料作為圍護結構，采用熒光燈、LED等人工光源為植物提供光照，并配備有多層栽培架、循環(huán)風機、空調、CO2施肥系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)等設備的一種密閉式園藝栽培設施[1-2]（圖1）。與普通的連棟溫室、日光溫室或塑料大棚相比，植物工廠室內環(huán)境封閉程度較高，不僅有利于溫濕度和CO2濃度的精準控制，還可防止室外氣候變化對室內環(huán)境產生不良影響，從而使植物工廠可以像工廠一樣進行周年批量生產。除此之外，植物工廠還具有農產品品質高、安全無農藥、室內作業(yè)自動化水平高、勞動強度低、不占用耕地、資源利用效率高等優(yōu)點，被譽為設施農業(yè)的最高形式[2]。

日本是較早進行植物工廠商業(yè)化的國家。在2009年，日本農林水產省和經濟產業(yè)省分別撥出專項資金在大阪府立大學、千葉大學、明治大學等機構進行植物工廠技術研發(fā)和示范，掀起了一場植物工廠建設熱潮[3]。中國植物工廠起步較晚，但發(fā)展快速。目前已有多座植物工廠投入運營。

工業(yè)4.0的提出

植物工廠最初發(fā)展的動機是希望能像工廠一樣批量化地進行農業(yè)生產。隨著物聯(lián)網技術和制造業(yè)服務化的興起，德國在2013年正式推出了工業(yè)4.0的概念，即工業(yè)生產在經歷了機械化、流水線生產、自動化之后，將進入以互聯(lián)網、物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術為驅動的智能生產時代[4-5]。在該模式下，人力、設備、資源等生產要素之間將互通互聯(lián)，機、電、自動化、信息與通信技術以及企業(yè)制造管理流程將深度融合，傳統(tǒng)產業(yè)鏈中研發(fā)與設計制造、生產與制造、營銷與服務之間的界限被打破，企業(yè)可在保證生產效率的前提下實現(xiàn)大規(guī)模個性化定制，并達到減小資源消耗，加快對消費者需求的反應速度等目的[6-7]。該模式一經推出即在世界范圍內引起了廣泛關注。目前，西門子、海爾等廠家已經開始踐行這一理念，并取得了巨大成功。中國在2015年3月推出了中國版的工業(yè)4.0計劃——《中國制造2025》，要求企業(yè)通過強化信息化管理，實現(xiàn)制造業(yè)“三效”（效率、效益、效果）、“三力”（創(chuàng)造力、生產力、競爭力）和“三降”（降低成本、能耗、物耗）[8]。在2016年政府報告中，李克強總理指出要鼓勵企業(yè)開展個性化定制、柔性化生產，培育精益求精的工匠精神，增品種、提品質、創(chuàng)品牌。因此，未來智能化生產將成為工業(yè)領域的新常態(tài)，并將對社會的各行各業(yè)產生深刻的影響。

本文的目的是探討植物工廠是否可借鑒工業(yè)4.0理念進行技術升級，推動植物工廠由大批量規(guī)?；a向定制化規(guī)模生產轉變，同時產業(yè)鏈條則向生產、銷售和服務全生命周期延伸，從而拓展植物工廠功能，提高植物工廠效益，并盡可能滿足我國消費者對農產品日趨多樣化的需求。

工業(yè)4.0時代智能生產的主要內容

智能生產的主要內容體現(xiàn)在數(shù)字化、信息化和智能化技術在設計、生產、管理和集成制造等方面的應用。在設計方面，企業(yè)采用面向產品全生命周期的數(shù)字化智能化設計系統(tǒng)，進行虛擬設計、制造、裝配，可有效縮短生產周期，提高產品設計質量和一次研發(fā)成功率[9-10]。在生產制造方面，利用信息物理系統(tǒng)對生產設備進行智能升級，使設備、人力、資源等生產要素互聯(lián)，組成高柔性的智能生產線，不僅可在不依靠工人操作的情況下進行生產，還能根據(jù)產品特性自由動態(tài)地組合、靈活生產，高效率的實現(xiàn)規(guī)模定制生產[5，9，11]。在管理方面，可實現(xiàn)產品全生命周期中各環(huán)節(jié)、各業(yè)務、各要素的協(xié)同規(guī)劃與決策優(yōu)化管理，有效提高企業(yè)對市場變化的反應速度，打破生產過程中的管理瓶頸，大幅度提高制造效益，降低產品成本和資源消耗。在智能集成方面，通過信息物理系統(tǒng)和工業(yè)互聯(lián)網實現(xiàn)設計與開發(fā)、生產計劃、生產過程以及產品的售后維護等階段之間的信息共享，信息流沿著原材料傳遞，指示必要的生產步驟，從而確保客戶的特定需求得到滿足。在工業(yè)4.0時代，傳統(tǒng)生產模式中研發(fā)設計、生產制造、品牌銷售之間的界限將不復存在，企業(yè)和客戶之間可以零距離溝通，客戶可通過多種方式參與到產品制造過程中[6，9]。

隨著工業(yè)互聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)技術的迅猛發(fā)展，制造企業(yè)還可通過互聯(lián)網獲取機械、設備和設施群的信息，進而開展產品的檢查、維修和維護服務，從而將產品的核心價值從產品本身轉變?yōu)榉沼脩簦纬尚碌睦麧櫾鲩L點[9]。

工業(yè)4.0對植物工廠發(fā)展的啟示

植物工廠還屬于新興事物，雖然近年來發(fā)展迅猛，但蔬菜品種單一、生產成本居高不下、同質化競爭日趨嚴重等問題也越來越突出。在植物工廠技術最為先進的日本，植物工廠倒閉的事件時有發(fā)生，不少植物工廠深陷虧損泥潭，亟需通過新一輪的技術創(chuàng)新來提升植物工廠贏利能力，確保植物工廠的健康持續(xù)發(fā)展。

工業(yè)4.0所帶來的不僅僅是對傳統(tǒng)制造業(yè)的顛覆式變革，還帶來了新的思維方式。雖然植物工廠與制造業(yè)工廠有本質區(qū)別，但可以借鑒工業(yè)4.0中以信息創(chuàng)新為驅動，柔性生產，網絡化協(xié)同生產，服務用戶等新思維對植物工廠技術進行創(chuàng)新。以下為筆者根據(jù)自身經驗提出的植物工廠發(fā)展方向，供大家參考。

開發(fā)自動化設備

植物工廠已經可對空氣溫濕度、CO2濃度、營養(yǎng)液濃度等參數(shù)進行自動調控，有效減少了植物栽培過程中的人為因素，降低了勞動強度，但播種、定植、收獲等工作還需人工完成，勞動強度依然較大，亟需開發(fā)相關自動化設備來進一步減少植物生產過程中的用工量，使勞動者可以從繁重的重復性勞動中解放出來，將更多的精力投入到植物工廠生產和經營模式的創(chuàng)新中。目前，日本大阪府立大學的植物工廠正在應用一種自動栽培裝置，該裝置允許在沒有人工作業(yè)的條件下進行作物生產，在植物工廠自動化方面邁出了可喜的一步[12]。

打造高柔性栽培裝備

在制造業(yè)中，為滿足定制化產品的高效生產，工業(yè)4.0要求生產設備具有高度的柔性，也就是使用同一條生產線生產不同的產品[13]。這樣的生產模式可有效提高企業(yè)對市場需求的適應能力，從而改善其競爭力。

目前植物工廠主要用于栽培葉菜，其中又以栽培生菜為主，室內設備大多依據(jù)生菜的生理特性進行配置，柔性較低。另外，植物工廠本身投資高，回收期長，單一產品和功能會增加其運營風險。實際上，除了葉菜之外，植物工廠還適用于栽培高附加值的中藥材、優(yōu)質種苗（圖3）、小型花卉和根菜類作物等[14]。而且植物工廠具有較強的室內環(huán)境調控能力，還可用作催芽室。潔凈度較高的植物工廠甚至可用作組培室來使用（圖4）。因此，目前植物工廠本身的特性未能充分發(fā)揮，植物工廠功能還有待進一步拓展。為此，可借鑒工業(yè)4.0思維對植物工廠光源、營養(yǎng)液系統(tǒng)、空氣環(huán)境調節(jié)系統(tǒng)等設備進行改造，使植物工廠具有多種作物的栽培能力，提高植物工廠生產工藝的靈活性。這樣，企業(yè)可根據(jù)市場需求靈活確定栽培品種，而且還能在植物工廠內靈活安排生產，同時生產多種作物，進一步提高產出效益，實現(xiàn)收益的最大化。

延伸植物工廠產業(yè)鏈

在工業(yè)領域，美國通用電氣將傳感器安裝在飛機發(fā)動機葉片上，將發(fā)動機的實時運行參數(shù)發(fā)回監(jiān)測中心，通過對發(fā)動機狀態(tài)的實時監(jiān)控，可為航空公司提供及時的檢查、維護和維修服務。并通過對大數(shù)據(jù)的獲取，有效促進了發(fā)動機的設計、仿真、控制等過程。上述通用的例子說明在工業(yè)4.0時代，制造業(yè)和消費者之間的溝通不再局限于售后服務，其產業(yè)鏈在通過物聯(lián)網延伸的同時還獲取了新的產業(yè)價值[9]。

植物工廠由于采用人工光源為植物提供光照，其能耗非常大，運行成本較高。為了降低成本，必須合理調配資源，科學管理，盡可能的提高植物對電力、肥料等資源的利用效率，進而實現(xiàn)較低的生產成本[15-17]。為此，在植物工廠領域也可打造一個咨詢服務平臺，將植物工廠研究、咨詢和實際運營等環(huán)節(jié)有機結合起來，實現(xiàn)植物工廠產業(yè)鏈的延伸。首先對植物工廠的設備進行改造，實現(xiàn)對植物工廠的全方位監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)源源

不斷地上傳到云端。其次，由專業(yè)技術人員對數(shù)據(jù)進行分析，提供合理栽培管理方案，找出栽培管理中的問題，確保投入的資源得到了高效利用。此外，在植物工廠運行中出現(xiàn)的問題，可通過相關研究來解決，也就是以實際問題來指導科學研究，提高科研成果轉化效率。

開展“互聯(lián)網+植物工廠”

在工業(yè)4.0時代，制造企業(yè)和消費者可以實現(xiàn)無縫對接，在滿足消費者個性需求的同時實行零庫存生產。如紅領集團推出的個性化生產模式中，智能化生產系統(tǒng)可根據(jù)客戶訂單自動形成設計方案，并將其分解到各工序。布料跟隨電子標簽流轉到車間每個工位進行生產。這種生產方式的成本僅比批量制造高10%，但回報至少是2倍以上[9]。

對植物工廠來說，蔬菜的保鮮時間較短，減少庫存或零庫存對植物工廠的正常運營非常重要。如生菜在采收之后，其失重率和亞硝酸鹽會逐漸上升，其品質會隨貯藏時間的延長而下降?；谠搯栴}，可利用互聯(lián)網發(fā)展“互聯(lián)網+植物工廠”，即生產者與消費者通過網絡平臺進行信息共享，并利用現(xiàn)代化的物流手段加速植物工廠蔬菜流通，保證蔬菜品質。另外，對于具有高柔性生產設備的植物工廠，其經營模式還可由以往基于蔬菜品種和產量進行市場銷售的舊模式，轉向由顧客提出要求，下訂單，然后制定生產計劃的新模式，進一步打破市場與生產之間的隔閡，實現(xiàn)零庫存生產。

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*項目支持：“十二五”農村領域國家科技計劃課題（2014BAD08B020101）。

作者簡介：李明（1983-），男，山西長治人，工程師，博士，主要從事設施園藝工程研究。