季涵涵,辜 松(華南農(nóng)業(yè)大學(xué),廣州 510642)
20世紀(jì)90 年代,日本千葉大學(xué)和大阪府立大學(xué)開(kāi)始推動(dòng)植物工廠(chǎng)的生產(chǎn)應(yīng)用,隨后,一些企業(yè)開(kāi)始進(jìn)行植物工廠(chǎng)建設(shè),形成了一個(gè)利用植物工廠(chǎng)立體生產(chǎn)葉菜的小熱潮。21 世紀(jì)初,北美和歐洲也開(kāi)始利用廢棄工業(yè)廠(chǎng)房建造植物工廠(chǎng),主要是水培生產(chǎn)葉菜。北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司建成了中國(guó)第一座植物工廠(chǎng),以中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所為代表的多家科研單位開(kāi)展了植物工廠(chǎng)種植環(huán)境方面的研究。
植物工廠(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境條件理想,作物生產(chǎn)周期短、周年生產(chǎn)循環(huán)次數(shù)多。因此,生產(chǎn)中種植單元立體輸送作業(yè)量大,人工搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高。為此,隨著植物工廠(chǎng)規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,種植單元的立體輸送模式由人工搬運(yùn)開(kāi)始經(jīng)歷了不同的技術(shù)時(shí)期,其主要發(fā)展順序?yàn)槿斯だ锰葑踊蚺_(tái)階輸送、人工使用剪刀式升降車(chē)輸送、機(jī)械升降機(jī)自動(dòng)輸送、升降車(chē)自動(dòng)輸送、鏈?zhǔn)揭苿?dòng)輸送系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)物流升降機(jī)自動(dòng)輸送、升降機(jī)加穿梭車(chē)自動(dòng)輸送等形式。規(guī)?;a(chǎn)是植物工廠(chǎng)效益的來(lái)源,也是植物工廠(chǎng)發(fā)展的方向,依靠人工進(jìn)行和參與植物工廠(chǎng)種植單元立體輸送的作業(yè)模式是無(wú)法完成大批量種植單元立體輸送的。本文以植物工廠(chǎng)規(guī)?;a(chǎn)為目標(biāo),對(duì)目前可進(jìn)行植物工廠(chǎng)種植單元機(jī)械化立體輸送裝備和技術(shù)進(jìn)行分析討論。
許多植物可以在植物工廠(chǎng)種植,如葉菜、蔬菜幼苗和藥用植物等,由于葉菜生長(zhǎng)周期短、銷(xiāo)售市場(chǎng)范圍大,目前植物工廠(chǎng)以生產(chǎn)葉菜的情況居多。為使研究對(duì)象具有代表性,本研究針對(duì)水培葉菜的生產(chǎn)模式進(jìn)行分析,其典型葉菜生產(chǎn)流程如圖1 所示。植物工廠(chǎng)葉菜立體種植的生產(chǎn)過(guò)程主要包括:育苗盤(pán)精量播種、育苗室催芽及育苗、將葉菜種苗由育苗盤(pán)向種植單元稀植、立體輸送種植單元進(jìn)入立體種植區(qū)、立體種植區(qū)葉菜種植、將成菜的種植單元輸送出立體種植區(qū)、采收成菜、成菜包裝輸出、清洗種植單元。生產(chǎn)期間每天循環(huán)以上整個(gè)作業(yè)過(guò)程。
圖1 植物工廠(chǎng)葉菜生產(chǎn)作業(yè)流程
如圖2 所示,該種植單元為一種可移動(dòng)的種植載體。為了將種植單元放置在垂直栽培架上,設(shè)置種植單元外部尺寸適合栽培架的栽培位置,種植單元數(shù)量根據(jù)種植規(guī)模確定,通過(guò)改變立體種植架的層數(shù)與長(zhǎng)度以達(dá)到放置不同數(shù)量的種植單元的能力。一般層數(shù)8~12 為宜,層數(shù)過(guò)多會(huì)對(duì)環(huán)境調(diào)控造成困難;長(zhǎng)度20 m 左右為宜,過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響種植單元的輸送效率,并降低立體種植架適應(yīng)種植批次的靈活性。種植單元考慮到葉菜的運(yùn)輸效率、人工處理的方便性等因素,一般尺寸設(shè)定為596 mm×954 mm。葉菜的種植載體可選用巖棉、海綿或基質(zhì),不過(guò)后者對(duì)生產(chǎn)作業(yè)各環(huán)節(jié)中遺落基質(zhì)清理的工作量大。
圖2 植物工廠(chǎng)葉菜種植單元/mm
為實(shí)現(xiàn)植物工廠(chǎng)種植單元高效機(jī)械化及自動(dòng)化的立體輸送,世界各地的植物工廠(chǎng)開(kāi)展了多方面的嘗試與引用。
20 世紀(jì)90 年代的日本開(kāi)始推動(dòng)植物工廠(chǎng)生產(chǎn)葉菜,大阪府立大學(xué)開(kāi)始在立體種植形勢(shì)下針對(duì)種植單元機(jī)械輸送進(jìn)行了嘗試。圖3a 所示為一種在立體種植架間采用升降車(chē),針對(duì)左右兩邊種植架不同層、不同位置的種植單元進(jìn)行取放的作業(yè)系統(tǒng)。輸送作業(yè)為往復(fù)輸送形式的倉(cāng)儲(chǔ)物流輸送模式,優(yōu)點(diǎn)是取放位置靈活,可以對(duì)立體種植架任何位置實(shí)施輸送作業(yè);缺點(diǎn)是左右取放機(jī)構(gòu)較復(fù)雜,往復(fù)運(yùn)動(dòng)路程大、輸送作業(yè)效率不高,需適應(yīng)多組立體種植架情況升降車(chē)軌道復(fù)雜。另一種模式如圖3b 所示,在立體種植架端頭設(shè)置種植單元輸送線(xiàn)與升降機(jī)相連,針對(duì)每個(gè)立體種植架形成一組種植單元立體輸送線(xiàn),每個(gè)立體種植架上種植單元的輸送與取放依靠1 臺(tái)穿梭車(chē)及1 臺(tái)升降機(jī),在立體種植架地面端頭與各層不同種植位置之間往來(lái)取放,輸送為先進(jìn)后出的遞進(jìn)輸送形式,只能在每層的端頭輸入和輸出,不能在任意位置取放。
圖3 大阪府立大學(xué)植物工廠(chǎng)
如圖4 所示,日本松下公司的立體種植植物工廠(chǎng)利用兩臺(tái)升降車(chē),在立體種植架的兩端各層分別放入和取出種植單元,一端輸入,另一端輸出,兩臺(tái)輸入與輸出升降車(chē)可移動(dòng),依據(jù)其輸送能力可為多個(gè)立體種植架進(jìn)行種植單元的立體輸送,輸送采用一端先進(jìn)、另一端先出的遞進(jìn)輸送形式。
圖4 松下植物工廠(chǎng)
如圖5 所示,上海大地園藝種苗有限公司依托荷蘭大型移動(dòng)苗床物流輸送技術(shù),以大型移動(dòng)苗床為種植單元,構(gòu)建了立體種植植物工廠(chǎng)。通過(guò)2 臺(tái)大型移動(dòng)苗床升降車(chē)在立體植物工廠(chǎng)種植架兩端分別輸入輸出種植單元,與日本松下模式類(lèi)似,輸送也是采用一端先進(jìn)、另一端先出的遞進(jìn)輸送形式。
圖5 上海大地植物工廠(chǎng)
如圖6 所示,加拿大Urban Barns Farming模式采用鏈條輸送形式,整體移動(dòng)所有種植單元,在垂直面內(nèi)行成蛇形軌跡,種植單元固定在整體運(yùn)動(dòng)的鏈條上,根據(jù)鏈條上種植單元的間距,鏈條可進(jìn)行脈動(dòng)式移動(dòng)。葉菜采收一般也是采用先入先出的遞進(jìn)模式,此種模式也可以進(jìn)行跳躍式種植和采收。此種模式原理不復(fù)雜,控制簡(jiǎn)單,驅(qū)動(dòng)動(dòng)力要求也不大。但是,由于運(yùn)動(dòng)部件多,故障率會(huì)相應(yīng)提高,并且一旦其中一個(gè)小環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題,需要停止生產(chǎn)作業(yè),并且檢修空間不大。另外,與自動(dòng)化播種與采收裝備對(duì)接不太方便。
圖6 Urban Barns Farming 植物工廠(chǎng)
如圖7 示,美國(guó)Urban Produce 的輸送模式與加拿大Urban Barns Farming 類(lèi)似,整體移動(dòng)所有種植單元,不過(guò)美國(guó)Urban Produce是在水平面面內(nèi)行成蛇形軌跡,這種輸送模式限制了種植單元尺寸不宜過(guò)大。種植單元被放置在整體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的豎直垂吊的載物架上,整體輸送機(jī)構(gòu)可進(jìn)行連續(xù)或是脈動(dòng)式移動(dòng)。作業(yè)特性與前者類(lèi)似。
圖7 Urban Produce 植物工廠(chǎng)
如圖8 所示,美國(guó)Bowery 的種植單元輸送模式與上海大地采用大型移動(dòng)苗床的立體輸送模式類(lèi)似,只不過(guò)為便于生產(chǎn)和減少輸送系統(tǒng)占據(jù)過(guò)大空間,對(duì)其種植單元的尺寸規(guī)格做了縮減。移動(dòng)苗床作為種植單元,輸送效率高,但是,由于苗床規(guī)格普遍比常規(guī)水培葉菜種植單元的尺寸大很多,其輸送系統(tǒng)的占地面積也會(huì)相應(yīng)增加。另外,移動(dòng)苗床與自動(dòng)化播種環(huán)節(jié)以及成菜采收作業(yè)環(huán)節(jié)的對(duì)接還需要做專(zhuān)門(mén)的銜接處理。
圖8 Bowery 植物工廠(chǎng)
如圖9 所示,珠海益品農(nóng)業(yè)科技有限公司針對(duì)植物工廠(chǎng)種植單元立體種植的自動(dòng)化輸送,采用了種植單元輸送穿梭車(chē)與升降機(jī)相結(jié)合的形式,實(shí)現(xiàn)將種植單元輸送到目標(biāo)立體種植架上的作業(yè)。每一個(gè)立體種植架端頭設(shè)置一臺(tái)升降機(jī),負(fù)責(zé)將種植單元輸送穿梭車(chē)送至目標(biāo)層,穿梭車(chē)再將種植單元送至該層的目標(biāo)位置,輸送為先進(jìn)后出的形式,因此,每個(gè)種植層應(yīng)為同一批次的種植植物。穿梭車(chē)在層間運(yùn)送種植單元為往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。目前珠海益品的立體種植植物工廠(chǎng)生產(chǎn)與輸送裝備系統(tǒng)已在澳大利亞、南非、美國(guó)及加拿大等海外市場(chǎng)得到生產(chǎn)應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)也構(gòu)建了多家大型自動(dòng)化立體種植植物工廠(chǎng)。
圖9 珠海益品植物工廠(chǎng)
如圖10 所示,福建省中科生物股份有限公司針對(duì)植物工廠(chǎng)立體種植需求,基于倉(cāng)儲(chǔ)物流輸送模式,構(gòu)建了一套自動(dòng)化程度非常高的種植單元輸送系統(tǒng)。種植單元立體輸送采用無(wú)線(xiàn)引導(dǎo)車(chē)、物流升降車(chē)、立體種植架間穿梭車(chē)等高自動(dòng)化水平設(shè)備。穿梭車(chē)在立體種植架間運(yùn)動(dòng),可對(duì)左右兩邊立體種植架進(jìn)行種植單元的取放作業(yè),物流升降車(chē)負(fù)責(zé)將穿梭車(chē)放置目標(biāo)立體種植架中的目標(biāo)層,種植單元依靠無(wú)線(xiàn)引導(dǎo)車(chē)完成在立體種植架與其他作業(yè)環(huán)節(jié)之間的輸送,不設(shè)固定輸送線(xiàn),設(shè)備占地小。穿梭車(chē)在立體種植架層間運(yùn)送種植單元為往復(fù)式運(yùn)動(dòng),可在目標(biāo)層取放任意位置的種植單元,輸送靈活性大。該植物工廠(chǎng)的種植單元輸送系統(tǒng)自動(dòng)化水平在世界內(nèi)屬于頂尖水平。
圖10 中科三安植物工廠(chǎng)
如圖11 所示,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)立體種植植物工廠(chǎng)的種植單元輸送系統(tǒng)采用2 臺(tái)立體種植架端頭升降車(chē)及1 臺(tái)穿梭推送車(chē)。向立體種植架輸入種植單元時(shí),種植單元升降車(chē)將種植單元送至目標(biāo)立體種植架,并升至目標(biāo)層,接著將種植單元推送入目標(biāo)層;由立體種植架輸出種植單元時(shí),種植單元升降車(chē)將目標(biāo)層端頭第一個(gè)種植單元取出并送出立體種植區(qū),當(dāng)取立體種植架目標(biāo)層距離端頭第二個(gè)或更遠(yuǎn)的種植單元時(shí),需要種植架另一端穿梭推送車(chē)升降車(chē),將穿梭推送車(chē)送入目標(biāo)層,穿梭車(chē)由目標(biāo)層的另一端頭開(kāi)始輔助推送種植單元至第一個(gè)種植單元位置,種植單元升降車(chē)重復(fù)上面輸出作業(yè)。該種植單元輸送系統(tǒng)采用先進(jìn)后出模式,輸送形式為遞進(jìn)式,設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度不高,但是遞進(jìn)式的輸送形式可獲得很高輸送效率。不過(guò),此種植模式適合規(guī)?;笈糠N植并且要求每層需是同批次的種植植物。
圖11 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物工廠(chǎng)
如圖12 所示,比利時(shí)Urban Crop Solution立體種植植物工廠(chǎng)種植單元的輸送形式與日本松下的輸送原理完全相同。與前者相比增設(shè)了地面輸送線(xiàn),另外,輸送系統(tǒng)采用更加先進(jìn)的控制與傳動(dòng)器件,這也是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
圖12 Urban Crop Solution 植物工廠(chǎng)
如圖13 所示,英國(guó)Jones Food 立體種植植物工廠(chǎng)種植單元的立體輸送方法選擇了一條與眾不同的模式。該植物工廠(chǎng)種植單元也是采用與上海大地類(lèi)似的大型移動(dòng)苗床,其立體種植架高達(dá)16 層,未掛接任何輸送設(shè)備,種植單元的在立體種植架與播種、采收區(qū)之間的立體輸送,采用了超高叉車(chē)取放和搬運(yùn)種植單元。此方法僅依靠叉車(chē)搬運(yùn)種植單元,大大簡(jiǎn)化了物流輸送環(huán)節(jié),免去了龐大立體輸送設(shè)備的投資。但是,這種輸送方法不僅需要高技術(shù)的叉車(chē)操作人員,在取放高層種植單元作業(yè)時(shí),還需人工在高空觀(guān)察叉車(chē)作業(yè)情況,輔助叉車(chē)對(duì)接立體種植架,作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)大。
圖13 Jones Food 植物工廠(chǎng)
如圖14所示,澳大利亞Vertical Farm Systems 立體種植植物工廠(chǎng)種植單元的輸送形式與中國(guó)上海大地的輸送原理完全一樣,但是,將移動(dòng)苗床的尺寸做了縮減,并以整個(gè)苗床作為種植單元。另外,適應(yīng)移動(dòng)苗床的規(guī)格開(kāi)發(fā)了配套的播種與采收裝備,大大提高了作業(yè)效率和自動(dòng)化程度。
圖14 Vertical Farm Systems 植物工廠(chǎng)
如圖15 所示,美國(guó)Iron Ox 植物工廠(chǎng)種植單元的輸送形式稱(chēng)不上立體種植,因?yàn)?,種植單元只是布置在地面層,沒(méi)有充分利用立體空間。其輸送作業(yè)形式是,利用龍門(mén)式種植單元搬運(yùn)車(chē)在地面搬運(yùn)種植單元,種植單元搬運(yùn)車(chē)采用麥迪遜輪可實(shí)現(xiàn)車(chē)體原地不旋轉(zhuǎn)的換向運(yùn)動(dòng),種植單元地面擺放密度高。該系統(tǒng)自動(dòng)化作業(yè)程度雖然很高,但是,對(duì)于生產(chǎn)空間與面積的利用率低,設(shè)計(jì)的裝備的作業(yè)形式與水培葉菜生產(chǎn)農(nóng)藝不配套。
圖15 Iron Ox 植物工廠(chǎng)
以上各類(lèi)植物工廠(chǎng)種植單元輸送裝備類(lèi)型主要可以分類(lèi)成以下3 組模式,3 組類(lèi)型之間相互交融。①往復(fù)式輸送類(lèi)型與遞進(jìn)式輸送類(lèi)型,往復(fù)式輸送類(lèi)型是在立體種植架間或架內(nèi)以往復(fù)穿梭的形式來(lái)輸送種植單元,如圖3a、圖9和圖10;遞進(jìn)式輸送類(lèi)型是在立體種植架端頭輸送種植單元,如圖3b,圖4、圖5、圖11、圖12、圖13 和圖14;②以大型移動(dòng)苗床為單位的群體輸送類(lèi)型與以種植單元為單位的個(gè)體輸送類(lèi)型,大型移動(dòng)苗床群體輸送類(lèi)型主要是為了提高輸送效率,如圖5、圖11、圖13、圖14 和圖15,其他均屬于個(gè)體輸送類(lèi)型;③整體輸送類(lèi)型與局部輸送類(lèi)型,整體輸送類(lèi)型是采用整體移動(dòng)立體種植系統(tǒng)內(nèi)種植單元的輸送形式,在固定點(diǎn)輸入或輸出種植單元,如圖6 和圖7。除此之外,其他系統(tǒng)均屬于局部輸送類(lèi)型,即僅對(duì)要被輸入或輸出的種植單元進(jìn)行移動(dòng)輸送。
以上類(lèi)型各有特點(diǎn),分別適用不同生產(chǎn)場(chǎng)景,因此在選用時(shí)要依據(jù)具體種植模式、生產(chǎn)規(guī)模、日產(chǎn)規(guī)模及投資能力等因素來(lái)綜合考慮。
目前,植物工廠(chǎng)種植單元的立體輸送模式多種多樣,主要目的是在適應(yīng)種植農(nóng)藝的情況下,降低高層輸送作業(yè)危險(xiǎn)性,減少人工作業(yè)量,提高作業(yè)效率,同時(shí)降低立體輸送裝備的投資成本。然而,通過(guò)分析目前建成的植物工廠(chǎng)案例,構(gòu)建立體種植單元輸送裝備系統(tǒng)應(yīng)考慮以下幾方面的問(wèn)題。
構(gòu)建種植單元立體輸送裝備系統(tǒng)的主要目的是為了提高作業(yè)速度,但是,盲目追求高速度會(huì)拉高投資成本。因此,在構(gòu)建輸送裝備系統(tǒng)時(shí)要依據(jù)種植農(nóng)藝特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般種植單元輸送系統(tǒng)上游要和葉菜種苗移植裝備連接,下游要和收菜裝備連接,以每個(gè)種植單元種植32 株菜為例,葉菜種苗移植作業(yè)生產(chǎn)率為高速情況下,每個(gè)種植單元需要1 min;為保證較低的破損率,成菜收菜作業(yè)生產(chǎn)率高速情況下,每個(gè)種植單元需要2 min。如果是人工進(jìn)行移植和收菜,作業(yè)速度會(huì)慢10 倍以上。每個(gè)種植單元1~2 min 的移植與收菜速度相對(duì)于物流輸送速度,是非常慢的了,因此,輸送裝備系統(tǒng)對(duì)輸送效率沒(méi)必要要求過(guò)高。
植物工廠(chǎng)效益來(lái)源于規(guī)?;a(chǎn),規(guī)?;a(chǎn)不存在一個(gè)種植架上有多個(gè)品種的作物,也不會(huì)存在一個(gè)種植架上隨機(jī)多次取放種植單元。植物工廠(chǎng)常規(guī)的生產(chǎn)模式是一個(gè)批次的葉菜在一層或多層種植架中進(jìn)行種植,放入的是同一批次,取出也是同一批次。植物工廠(chǎng)生產(chǎn)流程的以上特點(diǎn),適合于百貨倉(cāng)庫(kù)或零件倉(cāng)庫(kù)的那種可以在任意位置、任意時(shí)刻進(jìn)行取放的倉(cāng)儲(chǔ)物流形式,在植物工廠(chǎng)種植流程中并不適用。當(dāng)然,這里我們排除掉了,非生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的小規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)性種植的形式。另外,倉(cāng)儲(chǔ)式輸送屬于往復(fù)式搬運(yùn)模式,相較于遞進(jìn)式搬運(yùn)模式其輸送生產(chǎn)率并不高,當(dāng)每層種植單元容量為20 個(gè)時(shí),遞進(jìn)式運(yùn)輸生產(chǎn)率比往復(fù)式高115%~200%;當(dāng)每層種植單元容量為40 個(gè)時(shí),高130%~250%。
植物工廠(chǎng)的一個(gè)特點(diǎn)是高密度、規(guī)?;a(chǎn),因此同樣面積情況下,種植層數(shù)越多,種植容量就越大。但是,植物工廠(chǎng)的層數(shù)受多方面因素制約,不宜過(guò)高,在層間距0.5 m 情況下,適宜層數(shù)應(yīng)為8~12 層。層數(shù)過(guò)低會(huì)降低植物工廠(chǎng)的規(guī)模化生產(chǎn)能力,導(dǎo)致植物工廠(chǎng)單位容積產(chǎn)出高;層數(shù)過(guò)高會(huì)出現(xiàn)以下幾方面的問(wèn)題:①導(dǎo)致通風(fēng)均勻性不佳,出現(xiàn)葉菜品質(zhì)的區(qū)域性差異,對(duì)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)會(huì)導(dǎo)投資致成本提高;②種植單元的提升輸送難以分流,因此,層數(shù)過(guò)高會(huì)使種植單元的輸送效率下降;③植物工廠(chǎng)立體種植架及地基需要特殊處理,以承載超高層立體種植架帶來(lái)的負(fù)荷壓力,造成物流輸送作業(yè)條件出現(xiàn)差異,增加了設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)營(yíng)難度,最終,還是帶來(lái)投資成本的增加;④超高層立體種植架給其本身與輸送裝備系統(tǒng)在安裝和維護(hù)上帶來(lái)困難。所以,植物工廠(chǎng)建設(shè)中不宜追求最大、最高、最長(zhǎng),一定要符合種植生產(chǎn)作業(yè)流程的特性要求。
植物工廠(chǎng)規(guī)模化生產(chǎn)離不開(kāi)種植單元物流輸送系統(tǒng),依靠人工是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在植物工廠(chǎng)的物流輸送裝備的選擇上,物流輸送裝備的作業(yè)速度不是首要考慮要素,植物工廠(chǎng)生產(chǎn)流程與物流輸送裝備融合與匹配才是關(guān)鍵的考慮因素。依據(jù)植物工廠(chǎng)種植流程特點(diǎn)、自動(dòng)化作業(yè)環(huán)節(jié)特性,開(kāi)發(fā)作業(yè)速度合理、生產(chǎn)率適當(dāng)?shù)纫蛩貋?lái)選擇物流輸送裝備,是今后植物工廠(chǎng)種植單元物流輸送裝備開(kāi)發(fā)需要重點(diǎn)考慮的方向。