如何將一只20尺的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱改造成產(chǎn)量高、品質(zhì)好、能耗少、成本低的植物工廠？近日，在2024光明多多垂直農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)賽暨第四屆“多多農(nóng)研科技大賽”的初賽現(xiàn)場(chǎng)，16支參賽隊(duì)伍、142位不同學(xué)科背景的國(guó)內(nèi)外青年專家通過(guò)線上路演、答辯的方式展示、較量各自精心準(zhǔn)備的“施工圖紙”與種植方案。
經(jīng)過(guò)激烈角逐，最終，賽博農(nóng)人隊(duì)（Cyberfarmer）、上海農(nóng)科院植物工廠隊(duì)、墨泉隊(duì)、葉菜俠隊(duì)（Leafyman）、綠葉先鋒隊(duì)、室墨司源隊(duì)6支隊(duì)伍成功闖入決賽，其中既有往屆“多多農(nóng)研科技大賽”的獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)，也有不少首次參賽但種植經(jīng)驗(yàn)豐富的新面孔。部分團(tuán)隊(duì)還擁有來(lái)自法國(guó)、加拿大等地的外籍科研力量。由于初賽團(tuán)隊(duì)整體水平較高，為探討植物工廠建設(shè)、生產(chǎn)的更多可能性，本屆大賽將決賽晉級(jí)團(tuán)隊(duì)從4支增加至6支。
△2024光明多多垂直農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)賽暨第四屆“多多農(nóng)研科技大賽”。
“國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)和歸國(guó)優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)積極參與，把國(guó)際先進(jìn)技術(shù)與理念引入國(guó)內(nèi)植物工廠建設(shè)。”本屆大賽評(píng)委、中國(guó)工程院院士、國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心主任趙春江表示，賽事吸引了浙江大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等985名校的研究力量踴躍參與，知名科研院所如北京市農(nóng)林科學(xué)院國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心也組隊(duì)參加。“參賽隊(duì)伍的方案基本都實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、農(nóng)業(yè)工程、設(shè)施園藝等多學(xué)科交叉融合。”
按照賽制，6支晉級(jí)隊(duì)伍下一步將根據(jù)各自的方案，改建集裝箱，開(kāi)展AI種植。賽事選定的種植品種是日本植物工廠常見(jiàn)的生菜“優(yōu)雅”。“生菜是植物工廠的模式植物。”大賽評(píng)委、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院教授賀冬仙表示，“期待參賽團(tuán)隊(duì)能與代表行業(yè)先進(jìn)水平的日本植物工廠在生產(chǎn)與能效上一競(jìng)高低。”
△2024光明多多垂直農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)賽初賽比賽現(xiàn)場(chǎng)。
“比賽不僅要比拼水培生菜AI種植，還要較量集裝箱式植物工廠的制造水平，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝備制造、安裝調(diào)試能力、種植水平等方面進(jìn)行全方位技能考核，全面體現(xiàn)了工學(xué)、農(nóng)學(xué)乃至商學(xué)的學(xué)科交叉與跨界融合。”賀冬仙表示。
全球不同技術(shù)流派同臺(tái)競(jìng)技
這是光明多多垂直農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)賽第二次比拼集裝箱種生菜。去年，參賽隊(duì)伍在已配備硬件模塊設(shè)施的集裝箱內(nèi)展開(kāi)生菜增產(chǎn)降能的比拼。今年的賽事難度升級(jí)，首次將集裝箱改裝設(shè)計(jì)方案與建設(shè)成本納入比賽內(nèi)容。
目前，世界各國(guó)對(duì)集裝箱式植物工廠的構(gòu)造設(shè)計(jì)并未形成統(tǒng)一范式，較為主流的構(gòu)造形式包括日本的層架式、新加坡和加拿大的旋轉(zhuǎn)式、美國(guó)的垂直式等，各有優(yōu)勢(shì)。其中，日本層架式栽培架的應(yīng)用較為廣泛。
△國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已投入使用的集裝箱式植物工廠。 莫斯提｜攝
來(lái)自上海交通大學(xué)的室墨司源隊(duì)便在日本層架式栽培架的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新——讓栽培架移動(dòng)起來(lái)。該團(tuán)隊(duì)引入動(dòng)態(tài)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，在空間不變的情況下，栽培架從常規(guī)的兩排變?yōu)槿牛N植面積可以提升130%。
此外，通過(guò)在栽培架上設(shè)置高度可調(diào)節(jié)的燈板，可根據(jù)生菜長(zhǎng)勢(shì)遠(yuǎn)程調(diào)整光源高度，匹配不同生長(zhǎng)周期，防止生菜灼傷。“用目前的方案再種一遍去年的‘翠恬’生菜，理想狀態(tài)的年均產(chǎn)能可提升2-3倍。”曾參與上一屆比賽的室墨司源隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)熊元科表示。
除了優(yōu)化后的“日式”設(shè)計(jì)，“加拿大流派”的方案也賺足評(píng)委眼球。墨泉隊(duì)是一支國(guó)際化團(tuán)隊(duì)，隊(duì)長(zhǎng)秦楚漢畢業(yè)于加拿大的西安大略大學(xué)，如今專注于將農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到莓果、葉菜、牧草、中藥材等作物種植中，擁有植物工廠設(shè)計(jì)、搭建的豐富經(jīng)驗(yàn)。
通過(guò)引入加拿大的旋轉(zhuǎn)式栽培理念，墨泉隊(duì)讓栽培架可以如工廠流水線般移動(dòng)——所有種植槽通過(guò)傳輸鏈條形成閉合大環(huán)，共享一套灌溉系統(tǒng)。
據(jù)秦楚漢介紹，旋轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)在空間利用、成本降低、蔬菜品質(zhì)、局部氣候改善上均有優(yōu)勢(shì)。“首先，動(dòng)態(tài)環(huán)境使蔬菜生長(zhǎng)更加穩(wěn)定，避免局部溫度過(guò)高等情況，降低整體散熱能耗和成本；其次，每個(gè)種植槽均會(huì)旋轉(zhuǎn)至管理人員面前，可節(jié)省走廊空間，增加栽培空間；再者，在種植槽不斷移動(dòng)的小幅抖動(dòng)中，水肥利用率得以提升，同時(shí)刺激生菜生長(zhǎng)。”
此外，硒綠仙子隊(duì)采用的立體管架加合金支架的結(jié)構(gòu)亦別具一格。為改變傳統(tǒng)水培帶來(lái)的蔬菜生長(zhǎng)空間有限、受光不均、易爛根等問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)使用多層管道加合金支架的設(shè)計(jì)，“合金支架可顯著降低用材成本，且PVC管架回收率高，可模塊化再利用；相較盤(pán)架，管架為生菜留足了生長(zhǎng)空間，受光更均勻。此外，由于管架可調(diào)節(jié)傾斜角度，在防止?fàn)€根的同時(shí)也提高了水肥利用率。”團(tuán)隊(duì)成員劉宇杰表示。
在賀冬仙看來(lái)，參賽隊(duì)伍對(duì)植物工廠的生產(chǎn)與能源效率都有很強(qiáng)的認(rèn)知，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段便提出效率與效益的目標(biāo)，將技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐緊密相連，是本屆比賽的一大亮點(diǎn)。
“盡管植物工廠使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫了對(duì)自然環(huán)境的依賴，但倘若建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本昂貴，所產(chǎn)蔬果無(wú)法走入尋常百姓家，那農(nóng)業(yè)‘靠天吃飯’的現(xiàn)狀便不會(huì)改變。這也是我們連續(xù)舉辦多多農(nóng)研科技大賽的原因，希望面向農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際痛點(diǎn)、難點(diǎn)，廣泛集結(jié)一線青年科學(xué)家，利用最前沿的農(nóng)業(yè)、生物科學(xué)等技術(shù)攻堅(jiān)克難。”拼多多高級(jí)副總裁、首席發(fā)展官朱政表示。
“學(xué)院派”對(duì)陣“產(chǎn)業(yè)派”
與往屆相比，本次比賽探索解決植物工廠產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的難點(diǎn)，吸引了更多“產(chǎn)業(yè)派”隊(duì)伍的加盟。為期兩天的初賽中，人工智能綠色農(nóng)人隊(duì)、葉菜俠隊(duì)、河北普蘭特生物科技有限公司隊(duì)、墨泉隊(duì)等由現(xiàn)代農(nóng)業(yè)企業(yè)牽頭的隊(duì)伍展現(xiàn)了出色水準(zhǔn)。其中，葉菜俠隊(duì)、墨泉隊(duì)挺進(jìn)決賽。
△本次比賽種植的生菜品種“優(yōu)雅”。 莫斯提｜攝
葉菜俠隊(duì)的核心成員來(lái)自農(nóng)業(yè)高科技企業(yè)葉菜俠，該企業(yè)目前已在韓國(guó)、俄羅斯等7個(gè)國(guó)家落地植物工廠項(xiàng)目。隊(duì)長(zhǎng)解曉巍大膽提出，植物工廠所使用的集裝箱可用快速裝配房替換，“疫情期間，大量方艙就以快裝房模式建造而成。其造價(jià)大約每個(gè)1萬(wàn)-1.5萬(wàn)元，比起每個(gè)6萬(wàn)-7萬(wàn)元的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，投建成本低，且不影響運(yùn)行。”
除了把造價(jià)降下來(lái)，還有企業(yè)隊(duì)帶來(lái)了創(chuàng)新的節(jié)能方案。墨泉隊(duì)提出，在種植環(huán)境保持合適溫、濕度的前提下，在植物燈中集成液冷系統(tǒng)，將多余熱量及時(shí)導(dǎo)入收集管道，可以在夏季將廢熱排到室外以降低制冷能耗，在冬季導(dǎo)入地暖、墻暖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)利用。這一“液冷系統(tǒng)環(huán)控方案”引得多名評(píng)委期待落地效果。
“產(chǎn)業(yè)派”實(shí)力強(qiáng)勁，“學(xué)院派”的表現(xiàn)同樣可圈可點(diǎn)。例如，綠葉先鋒隊(duì)所依托的北京市農(nóng)林科學(xué)院國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，在光熱環(huán)控和精準(zhǔn)感知領(lǐng)域有著深入研究。決賽期間，該團(tuán)隊(duì)將采用自主設(shè)計(jì)的葉菜專用LED生長(zhǎng)光源，光源成本和能耗均預(yù)計(jì)可降低20%。
上屆“多多農(nóng)研科技大賽”一等獎(jiǎng)獲得者上海農(nóng)科院植物工廠隊(duì)此次帶來(lái)了兩套集裝箱設(shè)計(jì)方案，其中，方案一通過(guò)優(yōu)化風(fēng)道、風(fēng)管布局，節(jié)省縱向空間，可搭建更高層數(shù)的種植架。“方案一可實(shí)現(xiàn)種植面積拓展至34.8㎡，高于行業(yè)平均水平。”團(tuán)隊(duì)成員苗辰表示。
而多次參賽并屢獲佳績(jī)的賽博農(nóng)人隊(duì)準(zhǔn)備采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)圖像識(shí)別，自動(dòng)學(xué)習(xí)圖像特征，更加精準(zhǔn)地判斷植物生長(zhǎng)狀態(tài)。“這為三次分栽、分階段調(diào)控光環(huán)境提供了決策依據(jù)。”隊(duì)長(zhǎng)楊浩表示，團(tuán)隊(duì)將應(yīng)用基于冠層覆蓋度的生菜分栽工藝，通過(guò)三次分栽，提升水培生菜的光能利用率，進(jìn)而提升產(chǎn)量。
“本次比賽通過(guò)集裝箱設(shè)計(jì)建設(shè)和現(xiàn)場(chǎng)種植實(shí)驗(yàn)等方式，讓跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)直面實(shí)際種植生產(chǎn)問(wèn)題。不僅展現(xiàn)了參賽團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力，也使團(tuán)隊(duì)更好地理解和解決實(shí)際生產(chǎn)中的挑戰(zhàn)和難題，從而為行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更具針對(duì)性的解決方案。”上海花卉園藝（集團(tuán)）有限公司光明花博邨總經(jīng)理袁偉表示。
“學(xué)院派”和“產(chǎn)業(yè)派”的對(duì)決，究竟誰(shuí)能更勝一籌？賀冬仙認(rèn)為，墨泉隊(duì)與葉菜俠隊(duì)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)為本次大賽增加了濃厚的產(chǎn)業(yè)色彩，上海農(nóng)科院植物工廠隊(duì)和賽博農(nóng)人隊(duì)作為上屆比賽的第一和第二名再次晉級(jí)決賽，綠葉先鋒隊(duì)和室墨司源隊(duì)則展現(xiàn)了優(yōu)秀的技術(shù)方案和生產(chǎn)效率預(yù)估。“產(chǎn)學(xué)研用齊上陣，植物工廠桂落誰(shuí)家，值得期待”。
