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智能生产时代的人工光植物工厂技术展望 人工光植物工厂发展现状 人工光利用型植物工厂（以下简称“植物工厂” ）是使 用保温不透光材料作为围护结构，采用荧光灯、 LED等人工 光源为植物提供光照，并配备有多层栽培架、循环风机、空 调、 CO2 施肥系统、营养液循环系统等设备的一种密闭式园 艺栽培设施 [1-2] （图1）。与普通的连栋温室、日光温室或塑 料大棚相比，植物工厂室内环境封闭程度较高，不仅有利于 温湿度和 CO2 浓度的精准控制， 还可防止室外气候变化对室 内环境产生不良影响，从而使植物工厂可以像工厂一样进行 周年批量生产。除此之外，植物工厂还具有农产品品质高、 安全无农药、室内作业自动化水平高、劳动强度低、不占用 耕地、资源利用效率高等优点，被誉为设施农业的最高形式 [2] 。 日本是较早进行植物工厂商业化的国家。在 2009 年， 日本农林水产省和经济产业省分别拨出专项资金在大阪府 立大学、千叶大学、明治大学等机构进行植物工厂技术研发 和示范，掀起了一场植物工厂建设热潮 [3] 。中国植物工厂起 步较晚，但发展快速。目前已有多座植物工厂投入运营。 工业 4.0 的提出 植物工厂最初发展的动机是希望能像工厂一样批量化 地进行农业生产。随着物联网技术和制造业服务化的兴起， 德国在 2013 年正式推出了工业 4.0 的概念，即工业生产在经 历了机械化、流水线生产、自动化之后，将进入以互联网、 物联网和大数据等新一代信息技术为驱动的智能生产时代 [4-5] 。在该模式下，人力、设备、资源等生产要素之间将互 通互联，机、电、自动化、信息与通信技术以及企业制造管 理流程将深度融合，传统产业链中研发与设计制造、生产与 制造、营销与服务之间的界限被打破，企业可在保证生产效 率的前提下实现大规模个性化定制，并达到减小资源消耗， 加快对消费者需求的反应速度等目的 [6-7] 。该模式一经推出 即在世界范围内引起了广泛关注。目前，西门子、海尔等厂 家已经开始践行这一理念， 并取得了巨大成功。 中国在 2015 年 3 月推出了中国版的工业 4.0 计划―― 《中国制造 2025 》， 要求企业通过强化信息化管理， 实现制造业 “三效”（效率、 效益、效果） 、“三力”（创造力、生产力、竞争力）和“三 降” （降低成本、能耗、物耗） [8] 。在 2016 年政府报告中， 李克强总理指出要鼓励企业开展个性化定制、柔性化生产， 培育精益求精的工匠精神， 增品种、 提品质、 创品牌。 因此， 未来智能化生产将成为工业领域的新常态，并将对社会的各 行各业产生深刻的影响。 本文的目的是探讨植物工厂是否可借鉴工业 4.0 理念进 行技术升级，推动植物工厂由大批量规模化生产向定制化规 模生产转变，同时产业链条则向生产、销售和服务全生命周 期延伸，从而拓展植物工厂功能，提高植物工厂效益，并尽 可能满足我国消费者对农产品日趋多样化的需求。 工业 4.0 时代智能生产的主要内容 智能生产的主要内容体现在数字化、信息化和智能化技 术在设计、生产、管理和集成制造等方面的应用。在设计方 面，企业采用面向产品全生命周期的数字化智能化设计系统， 进行虚拟设计、制造、装配，可有效缩短生产周期，提高产 品设计质量和一次研发成功率 [9-10] 。在生产制造方面， 利用 信息物理系统对生产设备进行智能升级，使设备、人力、资 源等生产要素互联，组成高柔性的智