数字化生产植物工厂的构建 ——以华南农业大学植物工厂为例.pdf

温室园艺 2020 03 9 数字温室 本 划 期 Special Planning 温室设备与 执行机构 环境控制计算机 Greenhouse actuators sensors setpoints AI 植物护理 AI 算法 输入 关于气候 灌溉与植物 的控制设置 输出 现实的气候 灌溉 测量的作物参数等 屋顶通风 人工光源 黄瓜植株 传感 器与 信息 灌溉 CO 2 加热 幕布 温室园艺 2020 03 10 本 期 策 划 Special Planning 数字温室 数字化生产植物工厂的构建 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 07 001 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 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 设施数字化作业 作业控制数字化 生产管理数字化 品质管理数字化 设施生产数字化作业 数字化作业控制 高产高品质生产 数字化品质管理 植物生长模型 温湿度 光照 水肥 气调 植保 图 1 设施数字化生产的基本构成 图 2 设施生产数字化作业的基本流程 温室园艺 2020 03 11 农业工程技术 温室园艺 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 数字化生产植物工厂的 构建 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 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 植物工厂内部环境通过 工业空调自动调节内部温度与 相对湿度 调节介质采用侧墙 横向通风形式 内部不同位置 及不同层高设置多点温 湿度 传感器 数据通过环境参数无 线发射器发送到控制系统 为 便于生产人员及时监控 快速 反应控制环境 控制系统采用 手机 APP 监控 图 5 为温湿 度监控系统装置及控制界面 该 APP 监控系统可实时通过 Wi Fi 上网查看植物工厂内部 各点的温 湿度情况 具有远 程报警功能 并且系统通过云 端记录的温 湿度历史参数 可便捷地绘制 显示各时段的 温 湿度变化曲线 为分析生 产状况提供了有效历史数据 如图6 所示 营养液参 数监控同样采用 APP 监 控 图 4 种植工厂中种植的叶菜和蔬菜种苗 奶油生菜 芥蓝 红脚芥蓝 辣椒种苗 植物工厂基本功能 植物工厂立体育苗对象 植物工厂立体栽培种苗智能生产系统 控温 控湿 营养液 人工光 人工光 通风机 清水灌 母液灌 水肥一体化系统 计算机智能装备控制与生产管理系统 温度传感器 湿度传感器 蔬菜种苗 水果种苗 花卉种苗 通风 种苗移植机 种苗品质 检测相机 长势检测相机 穴盘 自动 输出机 穴盘 自动 输入机 穴盘信息 采集相机 输出输送带 输入输送带 精量播种机 劳动力条码管理 图 3 数字化生产植物工厂构架 温室园艺 2020 03 12 本 期 策 划 Special Planning 数字温室 通过 Wi Fi 上网查看植物工厂 营养液参数情况 营养液监控 也采用多点参数监控 具有远 程报警功能 系统实时在手机 APP 上显示营养液的 EC pH 和营养液温度 具有依据云端 记录数据绘制 显示各时段的 EC pH 以及营养液温度变化 曲线功能 光源是植物工厂进行栽培 生产的重要因素 该植物工厂 光源为红 蓝 白 3 通道 如 图 7 所示 光源系统可通过手 机 APP 监控光源的光照强度 并可依据不同的栽培单元 分 别设定 3 通道的光照强度和光 照时间 植物工厂为合理利用栽培 空间 提高运营效益 多采用 高密度立体栽培 当立体栽培 达到一定规模 依靠人工搬运 种植板已无法满足规模化生产 需求 该植物工厂采用种植板 自动输送装备系统 完成种植 板的立体输送 该输送系统主 要由种植板输入输出升降机和 种植板推送升降机组成 如图 8 所示 种植板输入时 由输 入输出升降机端送入不同立体 栽培架不同层 种植板输出时 首先推送机在欲输出的立体栽 培架的层内将种植板推送至输 入输出端 配合种植板输入输 出升降机将种植板输出 通过 设定输入 输出种植板数量及 位置 可实现种植板的自动输 入输出作业 图 9 为通过机器视觉考察 不同光照条件下该植物工厂种 植对象的表型特征 可用来建 立种植对象的光照模型 进行 种植对象的品质监测 图 5 环境参数监控 环境参数无线发射器 环境参数监控界面 单点温度变化曲线 单点相对湿度变化曲线 图 6 营养液参数监控 营养液监控界面 单点 EC 变化曲线 单点 pH 变化曲线 单点夜温变化曲线 温室园艺 2020 03 13 农业工程技术 温室园艺 核算生产成本 力求高产 高 品质生产 实现生产 效益最 优化 最终达到与露地 温室 相比具有效益优势的水平 据 此 我国植物工厂数字化生产 还有很长的路要走 本文植物 工厂也仅仅探索了一些数字化 生产的基本功能 并且在各单 元控制系统整合与单元间数字 文件传输协调方面还需要进一 步探索与努力 项目支持 国家十三五重点 研发计划项目 温室水培叶菜 智能化生产技术与设备研发 2017YFD0701504 广东省重点领域研发计划项 目 植物工厂立体育苗生 产智能装备研究与示范 2019B020222004 广 东省现代农业产业共性关键 技术研发创新团队建设项目 2019KJ131 作者简介 辜松 男 教授 研 究方向 设施园艺智能装备 图 7 光照参数监控 红 蓝 白三色光条同时照射的状况 光照参数监控界面 光照通道设定界面 图 8 种植板立体输送装备 种植板输出入输出升降机 种植板推送升降机 种植板输出 种植板输入 图 9 种植对象品质检测 品质检测对象 基于机器视觉检测不同光环境下表型特征 结束语 植物工厂常被认为是在密 闭空调维护内 植物在人工给 予生长所需温湿度 光照及营 养等条件下进行的生产 这仅 仅是早期植物工厂 摆脱自然 生长环境的最基本要求 这样 的生产条件仅适用于科学研究 与试验 无法在竞争激烈的商 业市场下生产运营 植物工厂 利用数字化人工智能技术 基 于自动化生产装备实现高效规 模化生产 基于植物生长模型 通过计算机智能技术进行生产 环境因素控制 优化生产管理