農(nóng)業(yè)科學(xué) 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2021 Vol 41 No 09 植物工廠作物栽培微環(huán)境及數(shù)字化平臺(tái)技術(shù)構(gòu)建 袁方 高青 劉良好 李佳 陳金星 中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 上海 200032 摘 要 植物工廠是未來設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工業(yè)化的重要形式之一 其發(fā)展依賴于植物學(xué)研究的新技術(shù) 設(shè)施環(huán)境與 植物互作 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與物聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)應(yīng)用 人工智能與數(shù)據(jù)服務(wù)等 研發(fā)新型低能耗植物工廠作物高效 栽培系統(tǒng)與環(huán)境智能控制技術(shù)集成系統(tǒng) 建立基于互聯(lián)網(wǎng)的植物工廠數(shù)字化平臺(tái)加人工模擬氣候環(huán)境下設(shè)施作物 栽培所需的溫濕度 氣流組織 二氧化碳 LED 人工補(bǔ)光模組 肥水精灌一體化結(jié)合作物需水量及營養(yǎng)成分分 析 形成作物微環(huán)境和作物生長機(jī)理互作專家決策數(shù)字模型 有效解決設(shè)施作物生長過程中的水 肥 氣 光同 補(bǔ)技術(shù)關(guān)鍵和實(shí)時(shí)監(jiān)控 最大限度地發(fā)揮植物的生長潛能 關(guān)鍵詞 植物工廠 微氣候栽培環(huán)境 數(shù)字化平臺(tái) 規(guī)模與產(chǎn)業(yè)化 中圖分類號(hào) S 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A DOI 10 19754 j nyyjs 20210515002 收稿日期 2021 04 21 基金項(xiàng)目 互聯(lián)網(wǎng) 植物工廠蔬果立體栽培環(huán)境智能控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 項(xiàng)目編號(hào) 17391901000 作者簡介 袁方 1985 男 本科 高級(jí)工程師 研究方向 人工氣候環(huán)境調(diào)控 通訊作者陳金星 1956 男 碩士生導(dǎo)師 正高 級(jí)工程師 研究方向 設(shè)施農(nóng)業(yè) 植物工廠 人工氣候室 1 概述 建立植物工廠蔬果高效栽培 1 智能化調(diào)控決策數(shù) 字模型及微環(huán)境數(shù)字化平臺(tái) 以期達(dá)到設(shè)施作物高效 栽培 周年不間斷連續(xù)規(guī)?；a(chǎn)且系統(tǒng)運(yùn)行低能 耗 實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)過程數(shù)字精準(zhǔn)作業(yè)進(jìn)一步量化和提升 運(yùn)作效率 提高蔬果品質(zhì)和勞動(dòng)生產(chǎn)率 有效保護(hù)生 態(tài)環(huán)境 植物工廠數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多種技術(shù)集成 使設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；?產(chǎn)業(yè)化 可控化 精 準(zhǔn)化 網(wǎng)絡(luò)化 多功能化融為一體 把生存 生產(chǎn) 生活 生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展融為一體 把物質(zhì)文明和精 神文明建設(shè)融為一體 植物工廠創(chuàng)新了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 栽培環(huán)境設(shè)施化 微氣候環(huán)境化 工藝流程數(shù)字化 操作系統(tǒng)管理智能化 資源節(jié)能化 技術(shù)集成化 的 嶄新模式 由于植物工廠蔬果栽培區(qū)域氣候生態(tài)環(huán)境條件各 不相同 相對(duì)的控制環(huán)境策略和精準(zhǔn)控制也應(yīng)各有特 點(diǎn) 與當(dāng)前植物工廠的大規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐相比 該領(lǐng)域 的理論研究相對(duì)欠缺 深入研究用于支撐植物工廠微 環(huán)境的作物設(shè)計(jì)系統(tǒng)理論 在對(duì)微環(huán)境溫度 相對(duì)濕 度 混合風(fēng)量 光模組 CO 2 氣調(diào) 水肥精準(zhǔn)灌溉 營養(yǎng)吸收狀態(tài)等生長環(huán)境的智能化控制基礎(chǔ)上 優(yōu)化 作物在可控環(huán)境下的生長及營養(yǎng)物質(zhì)積累 解決作物 生長過程中的共性問題 在基于 互聯(lián)網(wǎng) 植物工廠微環(huán)境系統(tǒng) 數(shù)字化 平臺(tái)運(yùn)作的同時(shí) 以植物工廠環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為 系統(tǒng)控制的主要依據(jù)并結(jié)合作物生長狀況 通過作物 生長最適環(huán)境模型及控制程序處理 完成終端遠(yuǎn)程驅(qū) 動(dòng) 并在此基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)機(jī)器再學(xué)習(xí)歸納推理和決 策能力 最終將系統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái)函數(shù)的預(yù)測分析能力 推向更高的層次 從而使植物工廠生產(chǎn) 管理更加科 學(xué) 精確 尤其對(duì)具有區(qū)域規(guī)?；参锕S而言 促 進(jìn)設(shè)施作物的增產(chǎn) 優(yōu)質(zhì) 減少無效環(huán)境功能損失 形成年周期規(guī)模化生產(chǎn)能力效果極其明顯 應(yīng)用前景 非常廣闊 依賴大數(shù)據(jù) 人工智能將植物工廠蔬果高效生產(chǎn) 數(shù)字化 算法化 智能化 通過大數(shù)據(jù)和算法建立植 物工廠微環(huán)境蔬果生長模型 人工模擬最適栽培環(huán)境 和作物生長數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲取 長勢的預(yù)測判斷 傳感 器與終端信息實(shí)時(shí)交互及作物生長最適環(huán)境各要素 持續(xù)優(yōu)化過程函數(shù) 用算法逐步替代經(jīng)驗(yàn) 并通過機(jī) 器再學(xué)習(xí)系統(tǒng)迭代超越經(jīng)驗(yàn) 算法確認(rèn)最佳組合模 型 完成運(yùn)算和執(zhí)行 基于物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)模 式 在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域形成一個(gè)真正的智慧服務(wù)平臺(tái)體 系 結(jié)合 互聯(lián)網(wǎng) 植物工廠系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)數(shù)據(jù) 信息同步監(jiān)控系統(tǒng) AI 終將成為植物工廠的實(shí)際管理 5 2021 Vol 41 No 09 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 農(nóng)業(yè)科學(xué) 者 2 植物工廠系統(tǒng)及數(shù)字化平臺(tái)構(gòu)建 構(gòu)建植物工廠蔬果高效栽培技術(shù)集成系統(tǒng)及植物 工廠系統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái) 完成對(duì)基于特定數(shù)字模型的植 物工廠蔬果栽培過程 實(shí)施形態(tài)分類 環(huán)境溫濕度 循環(huán)混合風(fēng)量 二氧化碳濃度 高光效 LED 光模組 作物需水量及生長習(xí)性 立體結(jié)構(gòu)栽培水肥一體化精 準(zhǔn)灌溉 復(fù)合營養(yǎng)液成分分析等信息作出實(shí)時(shí)調(diào)控和 相應(yīng)預(yù)測 結(jié)合植物工廠系統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái)大數(shù)據(jù)的精 準(zhǔn)描述 為作物最適生長建立相應(yīng)的植物工廠微氣候 環(huán)境及種植過程動(dòng)態(tài)管理決策模型 形成一個(gè)植物工 廠系統(tǒng)數(shù)字化作物生長操作平臺(tái) 從而滿足作物正常 生長所需的各項(xiàng)環(huán)境因子可控且不受自然氣候條件制 約 實(shí)現(xiàn)蔬果等周年不間斷連續(xù)生產(chǎn) 以期達(dá)到系統(tǒng) 栽培環(huán)境精準(zhǔn)可控智能化 設(shè)施生產(chǎn)規(guī)?；?系統(tǒng)技 術(shù)集成產(chǎn)業(yè)化等多功能化融為一體的植物工廠作物栽 培微環(huán)境數(shù)字化平臺(tái) 進(jìn)一步量化和提升運(yùn)作效率 提高品質(zhì)和勞動(dòng)生產(chǎn)率 有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境 隨著植物工廠實(shí)施規(guī)模的擴(kuò)大 業(yè)內(nèi)迫切需要針 對(duì)植物工廠的系統(tǒng)軟硬件 蔬果品種最適種植環(huán)境需 求進(jìn)行優(yōu)化 在植物工廠的實(shí)際運(yùn)作中 將直接提升 蔬果產(chǎn)量和品質(zhì) 目前 蔬果種植高效率工廠化運(yùn) 作 能耗和人工成本仍然是制約植物工廠性價(jià)比的主 要瓶頸 根據(jù)目前植物工廠環(huán)境熱負(fù)荷 植物蒸騰與 光合作用的整合計(jì)算模型 微環(huán)境調(diào)控技術(shù)的發(fā)展及 應(yīng)用 特別是高效 LED 人工光源性價(jià)比的大幅提升 為發(fā)展植物工廠可持續(xù)提供了可行性 然而 要系統(tǒng) 解決這些問題 實(shí)現(xiàn)植物工廠蔬果生長最適環(huán)境參數(shù) 設(shè)置 構(gòu)建植物工廠作物栽培微環(huán)境數(shù)字化平臺(tái)是一 種必然選擇 2 1 植物工廠系統(tǒng)及數(shù)字化平臺(tái)模塊結(jié)構(gòu) 構(gòu)建植物工廠作物栽培微環(huán)境及數(shù)字化平臺(tái) 其 功能模塊包括作物生長 環(huán)境互作數(shù)字模型的微環(huán)境 智能調(diào)控 物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)應(yīng)用 生物傳感器技術(shù)和 AI 技術(shù)應(yīng)用 實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠蔬果生長微環(huán)境溫度 相對(duì)濕度 混合風(fēng)量 光模組 CO 2 氣調(diào) 水肥精準(zhǔn) 灌溉 營養(yǎng)吸收狀態(tài)等不同生長環(huán)境的精確模擬 最 大限度地發(fā)揮植物生長潛能 針對(duì)植物工廠作物生長數(shù)字模型 研究作物生長 過程及環(huán)境因子對(duì)生長的影響規(guī)律 形成系統(tǒng)數(shù)字建 模基本理論 方法 實(shí)現(xiàn)植物工廠智能控制系統(tǒng)微環(huán) 境調(diào)控 其中 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集 植床冷熱量傳導(dǎo) 模式 水培根系半導(dǎo)體精準(zhǔn)控溫 植物紅光受體與遠(yuǎn) 紅光受體的生理調(diào)節(jié)功能的機(jī)制及誘導(dǎo) 微環(huán)境調(diào)控 時(shí)段的研究與數(shù)字模型控制技術(shù)應(yīng)用 復(fù)合營養(yǎng)液水 肥一體化灌溉等系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用增效顯著 具 體結(jié)構(gòu)見圖 1 圖 1 植物工廠系統(tǒng)及數(shù)字化平臺(tái)模塊結(jié)構(gòu) 2 2 植物工廠的關(guān)鍵技術(shù) 建立植物生長最適環(huán)境模型 在構(gòu)建植物工廠系 統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái)基礎(chǔ)上 研發(fā)一種植物工廠微氣候環(huán)境 智能控制系統(tǒng) 通過 互聯(lián)網(wǎng) 設(shè)施 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng) 用 人工模擬最適栽培環(huán)境和植物數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集 低功耗 5G 終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸增強(qiáng) 完成實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng) 業(yè)設(shè)施生產(chǎn)要素 設(shè)施達(dá)到真正的數(shù)據(jù)可視化 以穩(wěn) 定的工業(yè)級(jí)現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)控制加數(shù)據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)通訊 通過自組織結(jié)構(gòu)控制信息互遞 NB Lot 技術(shù)應(yīng)用 確保系統(tǒng)長時(shí)間低功耗穩(wěn)定運(yùn)行 通過網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)系 統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析支撐 實(shí)現(xiàn)區(qū)域無線同步監(jiān)視作物生長 狀況并對(duì)異常信息進(jìn)行及時(shí)預(yù)警提示 PDA 等移動(dòng)終 端遠(yuǎn)程監(jiān)控及專家系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù) 將植物工廠高效生 產(chǎn)數(shù)字化 算法化 智能化 可視化 結(jié)合數(shù)據(jù)分析 和機(jī)器深度學(xué)習(xí) 并以組態(tài)軟件為操作應(yīng)用系統(tǒng) JAVA 為人機(jī)界面 形成一個(gè)數(shù)據(jù)化植物生長操作標(biāo) 準(zhǔn)體系的智慧種植服務(wù)平臺(tái) 2 2 1 作物生長核心參數(shù)研究 系統(tǒng)研究營養(yǎng)液配比對(duì)蔬果生長發(fā)育及營養(yǎng)物質(zhì) 含量的影響 研究土壤 基質(zhì)物理參數(shù)對(duì)蔬果生長發(fā) 育及營養(yǎng)物質(zhì)含量的影響 研究控制蔬果生長發(fā)育的 營養(yǎng)物質(zhì)關(guān)鍵因素 研究光源關(guān)鍵參數(shù) 尤其是光 譜 對(duì)蔬果生長發(fā)育的影響 獲取環(huán)境因子與作物互 作核心動(dòng)態(tài)參數(shù) 為構(gòu)建作物生長數(shù)字模型奠定基 礎(chǔ) 2 2 2 作物生長數(shù)字模型構(gòu)建系統(tǒng)研究 以作物生長發(fā)育模型為基礎(chǔ) 充分利用植物工廠 環(huán)境因子影響蔬果生長發(fā)育過程的系統(tǒng)數(shù)據(jù) 針對(duì)特 定的設(shè)施蔬果品系 建立作物生長發(fā)育數(shù)字模型 實(shí) 現(xiàn)針對(duì)不同微環(huán)境溫度 相對(duì)濕度 CO 2 人工光誘 6 農(nóng)業(yè)科學(xué) 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2021 Vol 41 No 09 導(dǎo)及營養(yǎng)物質(zhì)關(guān)鍵元素吸收及營養(yǎng)物質(zhì)積累 2 水肥 精準(zhǔn)灌溉及最佳營養(yǎng)配方的系統(tǒng)管理 開展不同時(shí)段 的優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 最終獲得實(shí)際可增產(chǎn)增效的數(shù)字模型 在整體數(shù)據(jù)采集與分析結(jié)果的基礎(chǔ)上 形成大數(shù)據(jù)支 撐下控制不同作物生長發(fā)育過程的精確模擬 2 2 3 基于作物生長數(shù)字模型 人工智能的植物工 廠數(shù)字化平臺(tái)構(gòu)建 基于植物工廠蔬果生長數(shù)字模型 建立環(huán)境與作 物互作智能化調(diào)控系統(tǒng) 依據(jù)生長過程數(shù)據(jù)形成人工 智能機(jī)器識(shí)別再學(xué)習(xí)和算法 解決不同作物生長階段 數(shù)字模型預(yù)測與實(shí)際效果之間的比對(duì) 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)信 息技術(shù)應(yīng)用 建立植物工廠蔬果生長過程各類環(huán)境參 數(shù)的優(yōu)化及越限預(yù)警 實(shí)時(shí) 精準(zhǔn)調(diào)控植物工廠蔬果 生產(chǎn)狀態(tài)及環(huán)境因子干預(yù) 真正實(shí)現(xiàn)在數(shù)字化平臺(tái)下 植物工廠蔬果增產(chǎn)增量和優(yōu)質(zhì) 生產(chǎn)目標(biāo)定制化和標(biāo) 準(zhǔn)化 3 植物工廠數(shù)字化相關(guān)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上 的應(yīng)用 植物工廠數(shù)字化平臺(tái)相關(guān)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)對(duì)人工光源 光譜 營養(yǎng)液配方等關(guān)鍵參數(shù)的配置及智能控制 實(shí) 現(xiàn)對(duì)特定微環(huán)境下的作物生長過程的精確預(yù)測 其中 關(guān)鍵的栽培微環(huán)境氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng) 表型高光譜測量系 統(tǒng)獲得作物生長參數(shù)結(jié)合圖像 AI 比對(duì)識(shí)別 為植物 工廠大規(guī)模應(yīng)用提供數(shù)字化技術(shù)支撐 為實(shí)際生產(chǎn)建 立量化監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù)平臺(tái) 該項(xiàng)目將整合當(dāng)前植物學(xué)研究最前沿 有效利用 各類表型組學(xué)技術(shù) 遠(yuǎn)程成像技術(shù) 植物生長發(fā)育模 型構(gòu)建技術(shù) 建立針對(duì)植物生長發(fā)育過程的機(jī)理模 型 從而為動(dòng)態(tài) 實(shí)時(shí)調(diào)控環(huán)境因子 實(shí)現(xiàn)植物工廠 蔬果最佳生長提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)支持 這將為植物 工廠數(shù)字化發(fā)展提供核心 芯片 在未來競爭中提 供具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟硬件系統(tǒng)平臺(tái) 開展植物工廠蔬果栽培微環(huán)境數(shù)字化平臺(tái)關(guān)鍵技 術(shù)集成研究與應(yīng)用 降低植物工廠能耗是最直接的手 段 已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)資源高效利用和數(shù)字精準(zhǔn)作業(yè)技 術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分 提高產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì) 降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度 是農(nóng)業(yè)數(shù)字精準(zhǔn)作業(yè)技術(shù) 領(lǐng)域得以發(fā)展的重要手段和措施 同時(shí) 結(jié)合作物生 長數(shù)字建模 在現(xiàn)有植物工廠實(shí)踐基礎(chǔ)上 逐步完善 建模數(shù)據(jù)庫 并形成相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 最大限度地優(yōu)化 使用各項(xiàng)農(nóng)業(yè)資源和投入 促成優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和最大經(jīng)濟(jì) 效益 從而推動(dòng)行業(yè)成熟 4 植物工廠發(fā)展亟需解決的問題 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連棟溫室設(shè)施的蔬菜周年穩(wěn)定生產(chǎn) 均可稱其為植物工廠 其特征在于規(guī)模大 周年生 產(chǎn) 產(chǎn)量穩(wěn)定 品質(zhì)保障 采用人工補(bǔ)光或不補(bǔ)光 工廠化的控制管理模式達(dá)到預(yù)期目標(biāo) 由于自然光型 植物工廠可以建在一般農(nóng)田上 因此大大降低了土地 使用費(fèi)用和用電費(fèi)用 使得成本中固定資產(chǎn)投資分?jǐn)?成本和能耗成本大幅降低 這也是植物工廠產(chǎn)業(yè)化應(yīng) 用的重要突破口 但是 所謂中國特有的日光溫室生 產(chǎn)則不能稱其為植物工廠 因?yàn)槿展鉁厥业沫h(huán)境管理 粗放 可控性差 難以維持一定品質(zhì)的穩(wěn)定生產(chǎn) 到 目前為止還有很多問題 如土壤連作 病蟲害防治 等 盡管中國的日光溫室有近 70 萬 hm 2 并已成為北 方的主流方向 但這并不代表未來的主流方向 而這 些年建設(shè)的連棟溫室為何沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用 值得 國內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界人士反思 在國外 雖人工補(bǔ)光全封閉型植物工廠已具有一 定的發(fā)展規(guī)模且部分商業(yè)化 但真正能盈利的工廠還 是少數(shù) 很多企業(yè)投資建設(shè)植物工廠是為了轉(zhuǎn)型而進(jìn) 行技術(shù)積累 因此 人工光環(huán)境植物工廠技術(shù)仍然處 于發(fā)展階段 商業(yè)化的人工補(bǔ)光全封閉型植物工廠只 要能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn) 并達(dá)到預(yù)定產(chǎn)量 且有一定的銷 售保障并實(shí)現(xiàn)一定盈利是有可能的 無論是蔬果 種 苗和藥草 在多長時(shí)間內(nèi)能夠生產(chǎn)出多少產(chǎn)量的農(nóng)產(chǎn) 品是完全可以調(diào)控和核算的 只要這個(gè)數(shù)據(jù)能夠得到 保障 投入產(chǎn)出比的核算就是合理而可行的 但高端 蔬果和高附加值作物的生產(chǎn)仍是人工補(bǔ)光全封閉型植 物工廠的主題 可控環(huán)境下生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品必須在品質(zhì) 和價(jià)格上 與常規(guī)露地和溫室生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品有質(zhì)的飛 躍 否則 市場定位和占有率都將無法具備競爭優(yōu) 勢 發(fā)展人工補(bǔ)光全封閉型植物工廠技術(shù)不是要取代 常規(guī)的溫室生產(chǎn)和露地生產(chǎn) 而是要在蔬果多樣性市 場上占領(lǐng)高端市場 近期內(nèi)人工光型植物工廠在中國 必將有較大的商業(yè)化產(chǎn)業(yè)需求 只要有技術(shù)保障 在 低風(fēng)險(xiǎn)下實(shí)現(xiàn)高投入和高產(chǎn)出是可以預(yù)見的 4 1 植物工廠發(fā)展相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題 植物工廠實(shí)現(xiàn)了多種技術(shù)集成 其規(guī)?；?產(chǎn)業(yè) 化 可控化 精準(zhǔn)化 網(wǎng)絡(luò)化 多功能化融為一體 實(shí)現(xiàn)了水 肥 氣同補(bǔ)問題 在基于數(shù)字模型 作物 實(shí)際生長過程比對(duì) 實(shí)時(shí) 精準(zhǔn)調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境控 制參數(shù) 通過環(huán)境 作物生長狀態(tài)監(jiān)控以及環(huán)境因子 干預(yù) 實(shí)現(xiàn)植物工廠特定蔬果品系生長目標(biāo)的定制 化 標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn) 因而 所有的無線傳感總線接口 通訊協(xié)議都應(yīng)具有國家標(biāo)準(zhǔn) 由于各行業(yè)相關(guān)軟硬件 產(chǎn)品都擁有各自不同技術(shù)及工藝標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)植物工廠的 系統(tǒng)技術(shù)集成 目前尚未形成國內(nèi)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 范 也成為了植物工廠可持續(xù)發(fā)展的障礙之一 7 2021 Vol 41 No 09 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 農(nóng)業(yè)科學(xué) 4 2 核心技術(shù)問題 植物工廠的作物生長數(shù)字化建模 3 其信息決策 系統(tǒng)的構(gòu)建 已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸 目前我國植 物工廠行業(yè)已經(jīng)獲得一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù) 隨著植物工廠相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品性價(jià)比的提升 有效整 合信息技術(shù) 生物傳感器技術(shù)和 AI V 技術(shù) 結(jié)合 植物的遺傳信息和環(huán)境因子的適應(yīng)性 建立植物工廠 主要作物生長發(fā)育 栽培環(huán)境的數(shù)字化模型 將為實(shí) 現(xiàn)設(shè)施作物適合特定環(huán)境的優(yōu)良品種培育及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn) 提供核心技術(shù)支撐 為此 解決關(guān)鍵科學(xué)問題是在基 于大數(shù)據(jù)的植物生長模型基礎(chǔ)上 形成機(jī)器再學(xué)習(xí)和 優(yōu)化 是構(gòu)建平臺(tái)的重要手段之一 4 3 產(chǎn)業(yè)鏈及商業(yè)模式完善 構(gòu)建基于蔬果生長數(shù)字模型的植物工廠智能控制 系統(tǒng)數(shù)字化平臺(tái) 對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全控制領(lǐng)域的應(yīng)用 和價(jià)值起到了相當(dāng)大的作用 是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量 安全監(jiān)控的必要需求 明確精準(zhǔn)灌溉施肥技術(shù)需求必 要性定位 確定核心技術(shù)監(jiān)控對(duì)象的感知與監(jiān)控內(nèi) 容 這就必須建立以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的科技創(chuàng)新體系 發(fā) 現(xiàn)有價(jià)值要求 實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品價(jià)值 從而有效解決農(nóng) 產(chǎn)品質(zhì)量安全全程監(jiān)控 驗(yàn)證與應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn) 實(shí)現(xiàn) 市場需求 5 總結(jié)與展望 隨著植物工廠示范規(guī)模的擴(kuò)大 行業(yè)內(nèi)迫切需要 提供相應(yīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的依據(jù) 而這個(gè)依據(jù)需要立足于植 物工廠常用各種蔬果品種的種植工藝需求的優(yōu)化 甚 至到種源及環(huán)境因子的數(shù)字建模 這個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)化提 升 將直接促進(jìn)產(chǎn)量和品質(zhì)的提升 另外 植物工廠 系統(tǒng)環(huán)境的設(shè)計(jì) 涉及多個(gè)學(xué)科 綜合性非常強(qiáng) 目 前 能耗和人工成本仍然是制約植物工廠性價(jià)比的瓶 頸 植物工廠熱負(fù)荷的計(jì)算與微環(huán)境技術(shù)的應(yīng)用 特 別是植物工廠信息技術(shù) 生物傳感器技術(shù)和 AI 技術(shù) 的應(yīng)用和發(fā)展 針對(duì)作物的基因范式和環(huán)境因子的適 應(yīng)性選擇特性進(jìn)行植物工廠數(shù)字化平臺(tái)設(shè)計(jì)的數(shù)字化 建模 建立主要農(nóng)作物的基于基因和環(huán)境因子的表型 數(shù)字模型建模方法和理論體系 并能夠利用該模型實(shí) 現(xiàn)設(shè)施蔬果適合特定環(huán)境的優(yōu)良品種培育及優(yōu)質(zhì)高 產(chǎn) 構(gòu)建可支撐植物生長精細(xì)調(diào)控的生長數(shù)字化平 臺(tái) 結(jié)合高效 LED 人工光源性價(jià)比的大幅提升 都會(huì) 明顯影響系統(tǒng)的能耗水平 而初期的設(shè)計(jì)又影響到后 期運(yùn)行能耗的 50 70 可見植物工廠本身的性價(jià) 比進(jìn)入穩(wěn)定成長階段的重要性 因此 植物生長的數(shù) 字化建模與植物工廠本身建設(shè)建模 已經(jīng)到了行業(yè)發(fā) 展必要階段 經(jīng)過近 10a 的快速發(fā)展 我國植物工廠行業(yè)已經(jīng) 獲得一定的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù) 隨著植物工廠相 關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品的性價(jià)比的提升 預(yù)計(jì)在未來 3 5a 會(huì)與有機(jī)蔬果出現(xiàn)一個(gè)性價(jià)比的交點(diǎn) 屆時(shí) 植物工 廠出產(chǎn)的蔬果 將成為一類安全營養(yǎng)蔬果首選 參考文獻(xiàn) 1 賀冬仙 植物工廠的概念與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 J 農(nóng)業(yè)工程技 術(shù) 2016 10 36 11 13 2 張宇 肖玉蘭 人工光植物工廠生產(chǎn)成本構(gòu)成和經(jīng)濟(jì)效益分析 J 長江蔬菜 2017 04 34 40 3 趙春江 陸聲鏈 郭新宇 等 數(shù)字植物及其技術(shù)體系探討 J 中國農(nóng)業(yè)科學(xué) 2010 43 10 2023 2030 責(zé)任編輯 常佳琪 8