日本植物工場古在豐樹：植物工場智慧LED照明及環(huán)境控制

　　“不久的未來，智能技術(shù)、傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)三方面相結(jié)合，將帶來全新的生產(chǎn)模式?！鼻岸螘r間，在“2017阿拉丁論壇-思索照明論壇”的園藝照明專場上，日本植物工場研究會主席古在豐樹教授表達(dá)了自身對于植物工廠的未來的美好的愿景。他圍繞“植物工場智慧LED照明及環(huán)境控制”這一主題在現(xiàn)場發(fā)表了精彩的演講。以下是編者整理的古在豐樹教授的演講內(nèi)容。

　　資源和效率的問題以及帶來成本控制的問題

　　現(xiàn)今日本擁有植物內(nèi)部照明系統(tǒng)的企業(yè)達(dá)兩百多家，并且每年植物工廠的數(shù)量還在不斷增加，同時這一類植物工廠在中國、美國、歐洲也都在蓬勃發(fā)展的階段。

　　理論上，人工照明可利用最少量的資源來實現(xiàn)植物的最高產(chǎn)量和質(zhì)量，從而降低成本，及降低污染物的排放。但實際上目前很少植物工廠真正實現(xiàn)持續(xù)性盈利，原因何在?在于其真正實現(xiàn)的產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論上的潛力，因為供應(yīng)能力、利用率較低，導(dǎo)致了生產(chǎn)成本較高。

　　在運作方面，植物工廠對于技能要求較高，操作較復(fù)雜，需要軟件的配置，并且每個單元面積生產(chǎn)投入成本高，而可持續(xù)的生產(chǎn)目前尚未實現(xiàn)，意味著還需要進(jìn)一步的研究。但從技術(shù)潛力來講，植物工廠在商業(yè)上還大有可為。

　　在此過程中涉及很多尖端的智能技術(shù)，包括人工智能、ICT、機器人技術(shù)等。從另外一個角度看，還需要結(jié)合傳統(tǒng)的植物學(xué)和農(nóng)業(yè)知識，尤其是生物學(xué)方面的指標(biāo)甚至是一些基因方面的知識都要深入了解。

　　環(huán)境控制方面的復(fù)雜性如何克服

　　基于人工智能的管理系統(tǒng)，與感應(yīng)器連接在一起，感應(yīng)器可了解到周邊的生產(chǎn)環(huán)境，而且將會傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，包括植物生長表型分析、環(huán)境狀況分析等各方面的數(shù)據(jù)。其中控制元器件、云計算、機器人技術(shù)是不可缺少的部分，人工智能核心管理系統(tǒng)在各方面的智能設(shè)定都能完成預(yù)期的目標(biāo)，但其中的難點是植物生長的影響因素非常復(fù)雜。

　　植物生長過程中光到底發(fā)揮什么作用?第一，從能源角度來講，可促進(jìn)光合作用，輻射出光熱;第二，從信息源角度來講，可知道植物生長過程中新陳代謝的狀況，以及在此過程中光形態(tài)的表現(xiàn)。

　　在植物生長的光環(huán)境方面需要考慮PPFD光合光通量光密度、光照的方向和光的周期。其中，光的方向，光從上往下還是從下往上照射，都還是泛光，這些變量都是根據(jù)時間動態(tài)變化，而且最讓人頭疼的是上述變量中一個變量會受到其他變量的影響。葉片的溫度、二氧化碳的濃度或者濕度，其他肥料的組成、植物灌裝等等都會受光環(huán)境影響。另外還有一些傳導(dǎo)，如病菌的傳導(dǎo)、疾病的感染都會造成影響。光環(huán)境與植物共同的成長周期相關(guān)。

　　“單價×總和的值盡可能大，這是我們要達(dá)到的一個理想目標(biāo)”，LED技術(shù)實現(xiàn)從電能到光能的轉(zhuǎn)化，將會起到很大作用。而我們要做的事情不僅僅是完成光能到電能的轉(zhuǎn)化，整個植株后期的生長也要考慮。

　　種植蔬菜要考慮經(jīng)濟(jì)價值，其中有哪些影響因素?首先要看重量、大小、形狀、顏色、紋理，還要看組成的營養(yǎng)成分、維生素C、抗氧化等，我們要盡可能減少生理性原因造成的植物不良狀況，如微量元素缺乏引起植物表面有白色或者黑色斑點。同時蔬菜的口感、味道對于他的經(jīng)濟(jì)價值影響非常大。另外保質(zhì)期也是一個影響因素。上述因素與周邊的生產(chǎn)、環(huán)境、植物本身的品種密切相關(guān)。所以在尋找解決方案的時候，不需要既有的經(jīng)驗，而是需要大膽的想象和展望，因為這個系統(tǒng)過于復(fù)雜。

　　要實現(xiàn)最佳PPFD方案、最佳光解質(zhì)需要通過大量的測量、精確的計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等等。光環(huán)境為此提供了絕佳的環(huán)境，如LED燈可具有大內(nèi)存的高速微處理器，大數(shù)據(jù)人工智能，開放式數(shù)據(jù)平臺的物聯(lián)網(wǎng)，或者DNA測試功能的Omics。

　　現(xiàn)在白光LED含有的綠光越來越多，此前有人提出綠光并不是植物生長所需要的。但密集植物灌層的光合作用，如果不考慮綠光，可能這部分的效果會打折扣。同時在對單片植物葉子光合作用的研究中可發(fā)現(xiàn)綠光是有用，而且較密集的植物灌層、光合作用會更加密集?？茖W(xué)家指出，綠光對于植物的抗病能力有所提升，一些研究表明綠光對于植物灌層會有所改變，但這部分的知識還非常少。

　　雙重植物工廠體系

　　首先LED智能化照明體系，基于表型環(huán)境、基本模塊、硬件和軟件，而且有一個雙模模式，即一部分實體存在的植物工廠，另一部分虛擬的植物工廠，因為其中會大量運用虛擬數(shù)字化技術(shù)。

　　在環(huán)境控制過程中的表層分析方面，表型分析考慮因素非常多，包括植物本身的特異性、性狀，所含的水、氮、葉綠素化合物，植物的表情分析等，我們需要把基因及環(huán)境兩方面的信息結(jié)合起來。植物表型是怎樣定義?我們通過一些方法和方案來測量植物的特異性，如植物細(xì)胞層面的特征、灌層的特征及相關(guān)功能。

　　植物表型圖象傳感設(shè)備包括一般的相機、光譜輻射測量、遠(yuǎn)紅外、熒光3D掃描、三色傳感器等等。LED彩色相機能夠了解到植物的三維數(shù)據(jù)，并輸入到電腦，集成其他通用數(shù)據(jù)和周邊環(huán)境數(shù)據(jù)。

　　這種技術(shù)可培育適用于內(nèi)部封閉型植物工廠的特殊植物品種，可根據(jù)自己的需要來特別強化生產(chǎn)作物其中的成分含量，如定制化維C含量特別高的植株，可生產(chǎn)出抗病的植株。這樣生產(chǎn)出來的植株對于周邊造成的壓力很小，因為是相對封閉的環(huán)境，無需使用殺蟲劑之類的東西。

　　與傳統(tǒng)生產(chǎn)模式相比，這種模塊具有很高的可拓展性。眾所周知，研究與應(yīng)用之間存在一道鴻溝，實驗室體量小，沒有辦法規(guī)?；?，所以在大環(huán)境中往往行不通，同樣小批量生產(chǎn)和商業(yè)生產(chǎn)之間也存在鴻溝。

　　在這樣一個環(huán)境之中，我們生產(chǎn)出來的基本模塊具有上述特性，一個是可拓展性，一個是可適應(yīng)性。目前使用這種植物工廠生產(chǎn)方式包括很多變化，植株特性、周邊環(huán)境、植物本身的基因信息管理細(xì)節(jié)等相關(guān)，所以要真正為植物工廠帶來更多品種則要改進(jìn)環(huán)境控制計劃。因為現(xiàn)在育種和商業(yè)化發(fā)展是分開的，下一步育種和商業(yè)化發(fā)展是共同的。

　　我們其實要做的事情就是數(shù)據(jù)整合，每分每秒、方方面面的數(shù)據(jù)，基因組學(xué)的數(shù)據(jù)和管理的數(shù)據(jù)，并植入到機器學(xué)習(xí)體系中，通過人工智能基于上述深層學(xué)習(xí)，提出更多的信息，這個信息可以通過育種環(huán)境控制。

　　雙重的植物工廠，一方面是實體的植物工廠，一方面是虛擬的植物工廠，即數(shù)字化管理體系。所以這中間存在虛擬世界和實體世界的連接，大量信息從感應(yīng)設(shè)備傳向世界。而基于全部處理的數(shù)據(jù)，虛擬的系統(tǒng)可以對未來做出計算和預(yù)測，如未來的生產(chǎn)狀況、環(huán)境變量以及可能帶來的成本。而且我們可以做對比，這個虛擬設(shè)備對于未來所做的預(yù)測數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。若有問題，可及時對虛擬計算中的一些算法進(jìn)行調(diào)整。

　　“我們有一個美好愿景：不久的未來，智能技術(shù)、傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)三方面相結(jié)合，帶來全新的生產(chǎn)模式。”真正實現(xiàn)雙重植物生長體系，需要一整套的軟件配置，另外數(shù)據(jù)還需要開放性的平臺，可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一個植物工廠需要有分布式、無處不在的網(wǎng)絡(luò)。

　　而且植物工廠體系還可跟其他生物體系結(jié)合起來，像養(yǎng)漁場、種植蘑菇場所等，為城市提供新鮮的糧食。我并非在描述一個美好夢境，現(xiàn)今已經(jīng)成為了現(xiàn)實。