日本植物工場(chǎng)古在豐樹：植物工場(chǎng)智慧LED照明及環(huán)境控制

　　“不久的未來(lái)，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(lái)全新的生產(chǎn)模式?！鼻岸螘r(shí)間，在“2017阿拉丁論壇-思索照明論壇”的園藝照明專場(chǎng)上，日本植物工場(chǎng)研究會(huì)主席古在豐樹教授表達(dá)了自身對(duì)于植物工廠的未來(lái)的美好的愿景。他圍繞“植物工場(chǎng)智慧LED照明及環(huán)境控制”這一主題在現(xiàn)場(chǎng)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(lái)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(shí)這一類植物工廠在中國(guó)、美國(guó)、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(lái)實(shí)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(shí)際上目前很少植物工廠真正實(shí)現(xiàn)持續(xù)性盈利，原因何在?在于其真正實(shí)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?yàn)楣?yīng)能力、利用率較低，導(dǎo)致了生產(chǎn)成本較高。

　　在運(yùn)作方面，植物工廠對(duì)于技能要求較高，操作較復(fù)雜，需要軟件的配置，并且每個(gè)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(shí)現(xiàn)，意味著還需要進(jìn)一步的研究。但從技術(shù)潛力來(lái)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(jī)器人技術(shù)等。從另外一個(gè)角度看，還需要結(jié)合傳統(tǒng)的植物學(xué)和農(nóng)業(yè)知識(shí)，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(shí)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(huì)傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括植物生長(zhǎng)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(jì)算、機(jī)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(diǎn)是植物生長(zhǎng)的影響因素非常復(fù)雜。

　　植物生長(zhǎng)過程中光到底發(fā)揮什么作用?第一，從能源角度來(lái)講，可促進(jìn)光合作用，輻射出光熱;第二，從信息源角度來(lái)講，可知道植物生長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)間動(dòng)態(tài)變化，而且最讓人頭疼的是上述變量中一個(gè)變量會(huì)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(huì)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(huì)造成影響。光環(huán)境與植物共同的成長(zhǎng)周期相關(guān)。

　　“單價(jià)×總和的值盡可能大，這是我們要達(dá)到的一個(gè)理想目標(biāo)”，LED技術(shù)實(shí)現(xiàn)從電能到光能的轉(zhuǎn)化，將會(huì)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(gè)植株后期的生長(zhǎng)也要考慮。

　　種植蔬菜要考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)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(yíng)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(diǎn)。同時(shí)蔬菜的口感、味道對(duì)于他的經(jīng)濟(jì)價(jià)值影響非常大。另外保質(zhì)期也是一個(gè)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(shí)候，不需要既有的經(jīng)驗(yàn)，而是需要大膽的想象和展望，因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)過于復(fù)雜。

　　要實(shí)現(xiàn)最佳PPFD方案、最佳光解質(zhì)需要通過大量的測(cè)量、精確的計(jì)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(tái)的物聯(lián)網(wǎng)，或者DNA測(cè)試功能的Omics。

　　現(xiàn)在白光LED含有的綠光越來(lái)越多，此前有人提出綠光并不是植物生長(zhǎng)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(huì)打折扣。同時(shí)在對(duì)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(huì)更加密集。科學(xué)家指出，綠光對(duì)于植物的抗病能力有所提升，一些研究表明綠光對(duì)于植物灌層會(huì)有所改變，但這部分的知識(shí)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(gè)雙模模式，即一部分實(shí)體存在的植物工廠，另一部分虛擬的植物工廠，因?yàn)槠渲袝?huì)大量運(yùn)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(lái)。植物表型是怎樣定義?我們通過一些方法和方案來(lái)測(cè)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(jī)、光譜輻射測(cè)量、遠(yuǎn)紅外、熒光3D掃描、三色傳感器等等。LED彩色相機(jī)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(lái)特別強(qiáng)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(lái)的植株對(duì)于周邊造成的壓力很小，因?yàn)槭窍鄬?duì)封閉的環(huán)境，無(wú)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(shí)驗(yàn)室體量小，沒有辦法規(guī)?；栽诖蟓h(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(gè)環(huán)境之中，我們生產(chǎn)出來(lái)的基本模塊具有上述特性，一個(gè)是可拓展性，一個(gè)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(lái)更多品種則要改進(jìn)環(huán)境控制計(jì)劃。因?yàn)楝F(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(shí)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(jī)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(gè)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(shí)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(shí)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(duì)未來(lái)做出計(jì)算和預(yù)測(cè)，如未來(lái)的生產(chǎn)狀況、環(huán)境變量以及可能帶來(lái)的成本。而且我們可以做對(duì)比，這個(gè)虛擬設(shè)備對(duì)于未來(lái)所做的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。若有問題，可及時(shí)對(duì)虛擬計(jì)算中的一些算法進(jìn)行調(diào)整。

　　“我們有一個(gè)美好愿景：不久的未來(lái)，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(lái)全新的生產(chǎn)模式?！闭嬲龑?shí)現(xiàn)雙重植物生長(zhǎng)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(tái)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一個(gè)植物工廠需要有分布式、無(wú)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(lái)，像養(yǎng)漁場(chǎng)、種植蘑菇場(chǎng)所等，為城市提供新鮮的糧食。我并非在描述一個(gè)美好夢(mèng)境，現(xiàn)今已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。