设施数字化生产

近年来，计算机技术、自动化装备技术、互联网技术及人工智能技术的飞速发展，极大地推动了设施农业生产技术的发展，与大田农业生产相比，设施农业具有生产空间固定、生产环境相对稳定、作业条件人为干预便利的特点，有利于推广使用先进的工业装备技术和计算机技术，这已被以荷兰为代表的设施农业生产先进国家所证明。设施数字化生产中的数字化代表的是利用计算机对设施生产进行自动控制，并对生产过程进行计算机管理，如图 1 所示，设施数字化生产主要包含作业控制数字化、生产管理数字化和品质管理数字化。其中作业控制数字化是核心执行内容，其含义是利用先进的生产装备进行生产，在计算机的控制下进行环境调控、水肥供给、作业对象搬运等作业；生产管理数字化是对生产对象、生产人员及环境条件等生产要素进行计算机管理，目的是快速掌握生产装备的运行合理性、准确核算生产成本、扩大生产的可预见性；品质管理数字化是数字化生产对传统生产模式的重要改变内容，其目的是针对种植对象的成品甚至是种植过程中的表型形态和品质进行检测、存储、比对，结合实际实施的种植环境、水肥条件等的生产效果，合理修改环境、水肥等生产要素，力求达到高产、高品质生产，最终达到生产、效益最优化。

图 1 设施数字化生产的基本构成

图 2 进一步说明了设施生产的作业控制数字化，该图表明其主要控制对象是针对种植对象实施的温湿度、光照、水肥、二氧化碳气调、病虫害植保等重要生产要素。根据图 2的流程，设施数字化生产作业是在种植对象生长模型的指导下，合理管控各个生产要素，力求达到生产产品的高产、高品质生产。另外，对于设施数字化生产，通过生产产品数字化品质管理，向植物生长模型反馈生产结果数据，配合生产要素的数字化控制，使系统具备对生产模型合理性监测、环境因素自调节等功能。对于设施生产数字化作业，必须具有一个关键条件，即种植对象的生长模型，先进设施作业装备系统中，如果没有植物生长模型或是模型不合理，生产虽可进行，但是都将无法达到理想效果。传统设施生产都是依靠种植者的经验进行生产，但是，近年植物表型研究的各类成果表明，人工的经验难以深达植物生长机理的优化层面，需通过数字化的表型研究获取植物生长模型才能达到生产效果，这也正是国内大部分温室生产的产量难以比拟国外高水平种植模式下产量的原因。因此，结构合理的设施、先进的装备系统仅仅是设施生产数字化的基础，而高产、高品质生产的灵魂是要具备优化、合理的种植对象生长模型，这还需要大量的深入研究工作。

图 2 设施生产数字化作业的基本流程

数字化生产植物工厂的构建

智能植物工厂的构架

基于以上设施数字化生产的基本理念，华南农业大学结合温室生产构建了植物工厂立体栽培叶菜 - 种苗智能生产系统（图 3），该智能系统可进行温度、湿度、光照、营养液供给、品质检测、操作人员作业管理、种植板自动立体输送、精量播种等调节和作业，智能系统主要由植物工厂结构单元、温湿度控制单元、光环境控制单元、水肥一体化供给单元、品质检测单元、操作人员管理单元、自动化生产装备单元、控制系统远程监控管理单元构成。

图 3 数字化生产植物工厂构架

智能植物工厂主要设施装备

根据以上植物工厂数字化生产的构架，目前华南农业大学植物工厂在逐步实施各项数字化生产内容，已开始进行水培叶菜及蔬菜种苗的生产试验及相关科学研究（图 4），具体实施结果如下：