الملخص: في السنوات الأخيرة ، مع الاستكشاف المستمر للتكنولوجيا الزراعية الحديثة ، تطورت صناعة المصانع بسرعة أيضًا.تقدم هذه الورقة الوضع الراهن ، والمشاكل الحالية وإجراءات التطوير المضادة لتكنولوجيا المصنع وتطوير الصناعة ، وتتطلع إلى اتجاه التنمية وآفاق المصانع في المستقبل.

1. الوضع الحالي لتطور التكنولوجيا في مصانع المصانع في الصين والخارج

1.1 الوضع الراهن لتطوير التكنولوجيا الأجنبية

منذ القرن الحادي والعشرين ، ركزت أبحاث المصانع بشكل أساسي على تحسين كفاءة الإضاءة ، وإنشاء معدات نظام زراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات ، والبحث والتطوير للإدارة والتحكم الذكي.في القرن الحادي والعشرين ، أحرز ابتكار مصادر إضاءة LED الزراعية تقدمًا ، حيث قدم دعمًا تقنيًا مهمًا لتطبيق مصادر الإضاءة الموفرة للطاقة LED في مصانع المصانع.حققت جامعة تشيبا في اليابان عددًا من الابتكارات في مصادر الإضاءة عالية الكفاءة ، والتحكم البيئي الموفر للطاقة ، وتقنيات الزراعة.تستخدم جامعة Wageningen في هولندا محاكاة بيئة المحاصيل وتكنولوجيا التحسين الديناميكي لتطوير نظام معدات ذكي لمصانع المصانع ، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل ويحسن بشكل كبير إنتاجية العمالة.

في السنوات الأخيرة ، أدركت المصانع النباتية تدريجياً الأتمتة شبه الآلية لعمليات الإنتاج من البذر ، وتربية الشتلات ، والغرس ، والحصاد.اليابان وهولندا والولايات المتحدة في الطليعة ، بدرجة عالية من الميكنة والأتمتة والذكاء ، وهي تتطور في اتجاه الزراعة العمودية والعمليات غير المأهولة.

1.2 وضع تطوير التكنولوجيا في الصين

1.2.1 مصدر ضوء LED متخصص ومعدات تكنولوجيا تطبيق موفرة للطاقة للضوء الاصطناعي في مصنع المصنع

تم تطوير مصادر إضاءة LED خاصة باللونين الأحمر والأزرق لإنتاج أنواع نباتية مختلفة في مصانع النباتات واحدة تلو الأخرى.تتراوح الطاقة من 30 إلى 300 واط ، وشدة ضوء الإشعاع من 80 إلى 500 ميكرولتر / (م 2 • ث) ، والتي يمكن أن توفر شدة ضوء مع نطاق عتبة مناسب ، ومعلمات جودة الضوء ، لتحقيق تأثير الكفاءة العالية توفير الطاقة والتكيف مع احتياجات نمو النبات والإضاءة.فيما يتعلق بإدارة تبديد الحرارة بمصدر الضوء ، تم تقديم تصميم تشتيت الحرارة النشط لمروحة مصدر الضوء ، مما يقلل من معدل انحلال الضوء لمصدر الضوء ويضمن عمر مصدر الضوء.بالإضافة إلى ذلك ، يتم اقتراح طريقة لتقليل حرارة مصدر ضوء LED من خلال محلول المغذيات أو دوران الماء.فيما يتعلق بإدارة مساحة مصدر الضوء ، وفقًا لقانون تطور حجم النبات في مرحلة الشتلات والمرحلة اللاحقة ، من خلال إدارة حركة الفضاء الرأسية لمصدر ضوء LED ، يمكن إضاءة مظلة النبات على مسافة قريبة وهدف توفير الطاقة هو حقق.في الوقت الحاضر ، يمكن أن يمثل استهلاك الطاقة من مصدر ضوء مصنع الإضاءة الاصطناعية 50٪ إلى 60٪ من إجمالي استهلاك الطاقة التشغيلية لمصنع المصنع.على الرغم من أن LED يمكن أن يوفر طاقة بنسبة 50٪ مقارنة بمصابيح الفلورسنت ، إلا أنه لا تزال هناك إمكانية وضرورة البحث عن توفير الطاقة وتقليل الاستهلاك.

1.2.2 تكنولوجيا ومعدات الزراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات

يتم تقليل فجوة الطبقة في الزراعة ثلاثية الأبعاد متعددة الطبقات لأن LED يحل محل المصباح الفلوري ، مما يحسن كفاءة استخدام الفضاء ثلاثي الأبعاد لزراعة النبات.هناك العديد من الدراسات حول تصميم قاع فراش الزراعة.تم تصميم الخطوط المرتفعة لتوليد تدفق مضطرب ، والذي يمكن أن يساعد جذور النباتات على امتصاص العناصر الغذائية في محلول المغذيات بالتساوي وزيادة تركيز الأكسجين المذاب.باستخدام لوحة الاستعمار ، هناك طريقتان للاستعمار ، أي أكواب الاستعمار البلاستيكية بأحجام مختلفة أو وضع استعمار محيط الإسفنج.ظهر نظام أحواض الزراعة القابلة للانزلاق ، ويمكن دفع لوح الزراعة والنباتات الموجودة عليه يدويًا من طرف إلى آخر ، مما يحقق طريقة الإنتاج للزراعة في أحد طرفي فراش الزراعة والحصاد في الطرف الآخر.في الوقت الحاضر ، تم تطوير مجموعة متنوعة من تكنولوجيا ومعدات الاستزراع متعدد الطبقات بدون تربة على أساس تكنولوجيا الأفلام السائلة المغذية وتكنولوجيا التدفق العميق للسائل ، والتكنولوجيا والمعدات لزراعة الركيزة للفراولة ، وزراعة الهباء الجوي للخضروات الورقية والزهور انتشرت.التكنولوجيا المذكورة تطورت بسرعة.

1.2.3 تكنولوجيا ومعدات تداول المحاليل المغذية

بعد استخدام محلول المغذيات لفترة من الوقت ، من الضروري إضافة الماء والعناصر المعدنية.بشكل عام ، يتم تحديد كمية محلول المغذيات المحضر حديثًا وكمية محلول الحمض القاعدي عن طريق قياس EC ودرجة الحموضة.يجب إزالة الجزيئات الكبيرة من الرواسب أو تقشير الجذور في محلول المغذيات بواسطة مرشح.يمكن إزالة الإفرازات الجذرية في محلول المغذيات باستخدام طرق التحفيز الضوئي لتجنب عقبات المحاصيل المستمرة في الزراعة المائية ، ولكن هناك بعض المخاطر في توافر المغذيات.

1.2.4 تكنولوجيا ومعدات التحكم البيئي

تعد نظافة الهواء في مساحة الإنتاج من المؤشرات المهمة لجودة الهواء في مصنع المصنع.يجب التحكم في نظافة الهواء (مؤشرات الجسيمات العالقة والبكتيريا المستقرة) في مساحة الإنتاج في مصنع المصنع في ظل ظروف ديناميكية إلى مستوى أعلى من 100000.تعد مدخلات تطهير المواد ، ومعالجة دش الهواء للموظفين الوافدين ، ونظام تنقية الهواء لدوران الهواء النقي (نظام تنقية الهواء) كلها ضمانات أساسية.تعتبر درجة الحرارة والرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون وسرعة تدفق الهواء للهواء في مساحة الإنتاج محتوى مهمًا آخر للتحكم في جودة الهواء.وفقًا للتقارير ، فإن إعداد المعدات مثل صناديق خلط الهواء ومجاري الهواء ومداخل الهواء ومنافذ الهواء يمكن أن يتحكم بالتساوي في درجة الحرارة والرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون وسرعة تدفق الهواء في مساحة الإنتاج ، وذلك لتحقيق التوحيد المكاني العالي وتلبية احتياجات المصنع في مواقع مكانية مختلفة.تم دمج نظام التحكم في درجة الحرارة والرطوبة وتركيز ثاني أكسيد الكربون ونظام الهواء النقي عضوياً في نظام الهواء الدوراني.تحتاج الأنظمة الثلاثة إلى مشاركة مجرى الهواء ومدخل الهواء ومخرج الهواء ، وتوفير الطاقة من خلال المروحة لتحقيق دوران تدفق الهواء ، والترشيح والتطهير ، وتحديث وتوحيد جودة الهواء.يضمن خلو الإنتاج النباتي في المصنع من الآفات والأمراض ، ولا يلزم استخدام المبيدات.في الوقت نفسه ، يضمن توحيد درجة الحرارة والرطوبة وتدفق الهواء وتركيز ثاني أكسيد الكربون لعناصر بيئة النمو في المظلة تلبية احتياجات نمو النبات.

2. وضع تطور صناعة المصنع النباتي

2.1 الوضع الراهن لصناعة المصانع الأجنبية

في اليابان ، يعتبر البحث والتطوير والتصنيع لمصانع الإضاءة الاصطناعية سريعًا نسبيًا ، وهم في المستوى الرائد.في عام 2010 ، أطلقت الحكومة اليابانية 50 مليار ين لدعم البحث التكنولوجي والتطوير والعرض الصناعي.شاركت ثماني مؤسسات بما في ذلك جامعة تشيبا ورابطة أبحاث المصانع اليابانية.قامت شركة Japan Future Company بتنفيذ وتشغيل أول مشروع تجريبي للتصنيع لمصنع يبلغ إنتاجه اليومي 3000 مصنع.في عام 2012 بلغت تكلفة إنتاج المصنع 700 ين / كجم.في عام 2014 ، تم الانتهاء من مصنع المصنع الحديث في قلعة تاغا ، محافظة مياجي ، ليصبح أول مصنع لمصنع LED في العالم بإنتاج يومي يبلغ 10000 مصنع.منذ عام 2016 ، دخلت مصانع مصنع LED في المسار السريع للتصنيع في اليابان ، وظهرت الشركات المتكافئة أو المربحة واحدة تلو الأخرى.في عام 2018 ، ظهرت مصانع المصانع واسعة النطاق التي تبلغ طاقتها الإنتاجية اليومية من 50000 إلى 100000 مصنع الواحدة تلو الأخرى ، وكانت مصانع المصانع العالمية تتطور نحو تطوير واسع النطاق ومهني وذكي.في الوقت نفسه ، بدأت شركة Tokyo Electric Power و Okinawa Electric Power وغيرها من المجالات في الاستثمار في مصانع المصانع.في عام 2020 ، ستشكل الحصة السوقية للخس الذي تنتجه مصانع النباتات اليابانية حوالي 10 ٪ من سوق الخس بأكمله.من بين أكثر من 250 مصنع نباتات من النوع الخفيف الصناعي قيد التشغيل حاليًا ، هناك 20٪ في مرحلة خسارة ، و 50٪ عند مستوى التعادل ، و 30٪ في مرحلة مربحة ، بما في ذلك الأنواع النباتية المزروعة مثل الخس والأعشاب والشتلات.

هولندا هي شركة رائدة في العالم الحقيقي في مجال تكنولوجيا التطبيقات المدمجة للضوء الشمسي والضوء الاصطناعي لمصنع المصنع ، بدرجة عالية من الميكنة والأتمتة والذكاء وعدم وجود طيار ، وقد قامت الآن بتصدير مجموعة كاملة من التقنيات والمعدات بقوة منتجات إلى الشرق الأوسط وأفريقيا والصين ودول أخرى.تقع مزرعة American AeroFarms في نيوارك ، نيو جيرسي ، الولايات المتحدة الأمريكية ، وتبلغ مساحتها 6500 متر مربع.تزرع الخضار والتوابل بشكل أساسي ، ويبلغ إنتاجها حوالي 900 طن / سنة.

الزراعة العمودية في AeroFarms

يعتمد مصنع الزراعة العمودية لشركة Plenty في الولايات المتحدة على إضاءة LED وإطار زراعة عمودي بارتفاع 6 أمتار.تنمو النباتات من جوانب المزارعون.بالاعتماد على الري بالجاذبية ، لا تتطلب طريقة الزراعة هذه مضخات إضافية وهي أكثر كفاءة في استخدام المياه من الزراعة التقليدية.يدعي بلنتي أن مزرعته تنتج 350 ضعف إنتاج مزرعة تقليدية بينما تستخدم 1٪ فقط من المياه.

مصنع الزراعة العمودية ، شركة بلينتي

2.2 صناعة مصنع حالة مصنع في الصين

في عام 2009 ، تم بناء أول مصنع إنتاج في الصين مع التحكم الذكي حيث تم بناء القلب وتشغيله في حديقة Changchun Agricultural Expo Park.تبلغ مساحة المبنى 200 متر مربع ، ويمكن مراقبة العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة والضوء وتركيز ثاني أكسيد الكربون ومحلول المغذيات في مصنع المصنع تلقائيًا في الوقت الفعلي لتحقيق إدارة ذكية.

في عام 2010 ، تم بناء مصنع Tongzhou Plant Factory في بكين.يعتمد الهيكل الرئيسي على هيكل فولاذي خفيف أحادي الطبقة بمساحة بناء إجمالية تبلغ 1289 متر مربع.إنها على شكل حاملة طائرات ، وترمز إلى أن الزراعة الصينية تأخذ زمام المبادرة في الإبحار إلى أكثر التقنيات تقدمًا في الزراعة الحديثة.تم تطوير المعدات الأوتوماتيكية لبعض عمليات إنتاج الخضروات الورقية ، مما أدى إلى تحسين مستوى التشغيل الآلي للإنتاج وكفاءة الإنتاج لمصنع المصنع.يعتمد مصنع المصنع على نظام مضخة حرارية من مصدر أرضي ونظام لتوليد الطاقة الشمسية ، مما يحل بشكل أفضل مشكلة تكاليف التشغيل المرتفعة لمصنع المصنع.

منظر داخلي وخارجي لمصنع Tongzhou

في عام 2013 ، تم تأسيس العديد من شركات التكنولوجيا الزراعية في منطقة عرض التكنولوجيا الفائقة الزراعية Yangling ، مقاطعة شنشي.تقع معظم مشاريع المصانع قيد الإنشاء والتشغيل في حدائق توضيحية زراعية ذات تقنية عالية ، والتي تُستخدم بشكل أساسي في العروض العلمية الشعبية ومشاهدة المعالم الترفيهية.نظرًا لقيودها الوظيفية ، يصعب على هذه المصانع العلمية الشهيرة تحقيق الإنتاجية العالية والكفاءة العالية التي يتطلبها التصنيع ، وسيكون من الصعب عليها أن تصبح الشكل السائد للتصنيع في المستقبل.

في عام 2015 ، تعاونت شركة كبرى لتصنيع شرائح LED في الصين مع معهد علم النبات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم للبدء بشكل مشترك في تأسيس شركة مصنع المصنع.لقد انتقلت من صناعة الإلكترونيات الضوئية إلى صناعة "الضوئية" ، وأصبحت سابقة لمصنعي LED الصينيين للاستثمار في بناء مصانع المصانع في التصنيع.يلتزم مصنعها باستثمار صناعي في البيولوجيا الضوئية الناشئة ، والتي تدمج البحث العلمي والإنتاج والتظاهر والحضانة وغيرها من الوظائف ، برأس مال مسجل قدره 100 مليون يوان.في يونيو 2016 ، تم الانتهاء من تشغيل هذا المصنع المكون من 3 طوابق على مساحة 3000 متر مربع ومساحة زراعة أكثر من 10000 متر مربع.بحلول مايو 2017 ، سيكون مقياس الإنتاج اليومي 1500 كجم من الخضار الورقية ، أي ما يعادل 15000 نبتة خس يوميًا.

وجهات نظر هذه الشركة

3. المشكلات والإجراءات المضادة التي تواجه تطوير المصانع النباتية

3.1 المشاكل

3.1.1 تكلفة بناء عالية

تحتاج المصانع النباتية إلى إنتاج المحاصيل في بيئة مغلقة.لذلك ، من الضروري بناء مشاريع ومعدات داعمة بما في ذلك هياكل الصيانة الخارجية وأنظمة تكييف الهواء ومصادر الضوء الاصطناعي وأنظمة الزراعة متعددة الطبقات وتداول محلول المغذيات وأنظمة التحكم في الكمبيوتر.تكلفة البناء مرتفعة نسبيًا.

3.1.2 تكلفة تشغيل عالية

تأتي معظم مصادر الإضاءة المطلوبة من قبل المصانع من مصابيح LED ، والتي تستهلك الكثير من الكهرباء مع توفير أطياف مقابلة لنمو المحاصيل المختلفة.المعدات مثل التكييف والتهوية ومضخات المياه في عملية إنتاج مصانع المصانع تستهلك الكهرباء أيضًا ، لذا فإن فواتير الكهرباء هي تكلفة ضخمة.وفقًا للإحصاءات ، من بين تكاليف إنتاج المصانع ، تمثل تكاليف الكهرباء 29٪ ، وتكاليف العمالة 26٪ ، واستهلاك الأصول الثابتة 23٪ ، والتعبئة والنقل 12٪ ، ومواد الإنتاج 10٪.

انهيار تكلفة الإنتاج لمصنع المصنع

3.1.3 انخفاض مستوى الأتمتة

يتمتع مصنع المصنع المطبق حاليًا بمستوى منخفض من الأتمتة ، ولا تزال العمليات مثل الشتلات ، والزرع ، والغرس الميداني ، والحصاد تتطلب عمليات يدوية ، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف العمالة.

3.1.4 أصناف محدودة من المحاصيل التي يمكن زراعتها

في الوقت الحاضر ، أنواع المحاصيل المناسبة لمصانع النباتات محدودة للغاية ، وخاصة الخضار الورقية الخضراء التي تنمو بسرعة ، وتتقبل بسهولة مصادر الضوء الاصطناعي ، ولها مظلة منخفضة.لا يمكن إجراء الزراعة على نطاق واسع لمتطلبات الزراعة المعقدة (مثل المحاصيل التي تحتاج إلى التلقيح ، وما إلى ذلك).

3.2 استراتيجية التنمية

في ضوء المشاكل التي تواجه صناعة المصنع ، من الضروري إجراء البحوث من مختلف الجوانب مثل التكنولوجيا والتشغيل.استجابةً للمشاكل الحالية ، فإن الإجراءات المضادة هي كما يلي.

(1) تعزيز البحث في التكنولوجيا الذكية للمصانع النباتية وتحسين مستوى الإدارة المكثفة والمكررة.يساعد تطوير نظام إدارة وتحكم ذكي على تحقيق إدارة مكثفة ومكررة لمصانع المصانع ، والتي يمكن أن تقلل إلى حد كبير من تكاليف العمالة وتوفير العمالة.

(2) تطوير المعدات التقنية للمصنع المكثف والفعال لتحقيق الجودة العالية والعائد السنوي.إن تطوير مرافق ومعدات الزراعة عالية الكفاءة ، وتكنولوجيا ومعدات الإضاءة الموفرة للطاقة ، وما إلى ذلك ، لتحسين المستوى الذكي لمصانع المصانع ، يفضي إلى تحقيق إنتاج سنوي عالي الكفاءة.

(3) إجراء البحوث حول تكنولوجيا الزراعة الصناعية للنباتات ذات القيمة المضافة العالية مثل النباتات الطبية ونباتات الرعاية الصحية والخضروات النادرة ، وزيادة أنواع المحاصيل المزروعة في مصانع النباتات ، وتوسيع قنوات الربح ، وتحسين نقطة البداية للربح .

(4) إجراء البحوث على المصانع النباتية للاستخدام المنزلي والتجاري وإثراء أنواع المصانع النباتية وتحقيق الربحية المستمرة بوظائفها المختلفة.

4. اتجاه التنمية وآفاق مصنع النبات

4.1 اتجاه تطوير التكنولوجيا

4.1.1 عقلانية عملية كاملة

استنادًا إلى آلية اندماج فن الماكينة ومنع الخسارة لنظام روبوت المحاصيل ، ومؤثرات الزراعة والحصاد المرنة وغير المدمرة عالية السرعة ، والمواضع الدقيقة متعددة الأبعاد الموزعة ، وطرق التحكم التعاونية متعددة الآلات ، البذر غير المأهول والفعال وغير المدمر في المصانع الشاهقة - يجب إنشاء روبوتات ذكية ومعدات داعمة مثل الزراعة والحصاد والتعبئة ، وبالتالي تحقيق التشغيل غير المأهول للعملية بأكملها.

4.1.2 جعل التحكم في الإنتاج أكثر ذكاءً

بناءً على آلية الاستجابة لنمو المحاصيل وتطورها للإشعاع الخفيف ، ودرجة الحرارة ، والرطوبة ، وتركيز ثاني أكسيد الكربون ، وتركيز المغذيات لمحلول المغذيات ، و EC ، يجب بناء نموذج كمي للتغذية المرتدة بين المحاصيل والبيئة.يجب إنشاء نموذج أساسي استراتيجي لتحليل معلومات الحياة النباتية المورقة ومعلمات بيئة الإنتاج ديناميكيًا.يجب أيضًا إنشاء نظام تشخيص التحديد الديناميكي عبر الإنترنت ونظام التحكم في العمليات للبيئة.يجب إنشاء نظام صنع القرار التعاوني متعدد الأجهزة بالذكاء الاصطناعي لعملية الإنتاج الكاملة لمصنع زراعي عمودي كبير الحجم.

4.1.3 إنتاج منخفض الكربون وتوفير الطاقة

إنشاء نظام لإدارة الطاقة يستخدم مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لإكمال نقل الطاقة والتحكم في استهلاك الطاقة لتحقيق أهداف إدارة الطاقة المثلى.التقاط وإعادة استخدام انبعاثات ثاني أكسيد الكربون للمساعدة في إنتاج المحاصيل.

4.1.3 القيمة العالية للأصناف المتميزة

يجب اتخاذ استراتيجيات مجدية لتربية أنواع مختلفة ذات قيمة مضافة عالية لتجارب الزراعة ، وبناء قاعدة بيانات لخبراء تكنولوجيا الزراعة ، وإجراء البحوث حول تكنولوجيا الزراعة ، واختيار الكثافة ، وترتيب القش ، والتنوع والتكيف مع المعدات ، وتشكيل المواصفات الفنية القياسية للزراعة.

4.2 آفاق تطوير الصناعة

يمكن للمصانع النباتية التخلص من قيود الموارد والبيئة ، وتحقيق الإنتاج الصناعي للزراعة ، وجذب الجيل الجديد من القوى العاملة للانخراط في الإنتاج الزراعي.أصبح الابتكار التكنولوجي الرئيسي والتصنيع لمصانع المصانع في الصين رائدًا عالميًا.مع التطبيق المتسارع لمصدر ضوء LED ، والرقمنة ، والأتمتة ، والتقنيات الذكية في مجال مصانع المصانع ، ستجذب مصانع المصانع المزيد من الاستثمار الرأسمالي ، وجمع المواهب ، واستخدام المزيد من الطاقة الجديدة والمواد الجديدة والمعدات الجديدة.بهذه الطريقة ، يمكن تحقيق التكامل المتعمق لتكنولوجيا المعلومات والمرافق والمعدات ، ويمكن تحسين المستوى الذكي وغير المأهول للمرافق والمعدات ، والتقليل المستمر لاستهلاك طاقة النظام وتكاليف التشغيل من خلال الابتكار المستمر ، والتدرج التدريجي. زراعة الأسواق المتخصصة ، ستدخل المصانع الذكية في فترة ذهبية من التطور.

وفقًا لتقارير أبحاث السوق ، يبلغ حجم سوق الزراعة العمودية العالمية في عام 2020 2.9 مليار دولار أمريكي فقط ، ومن المتوقع أنه بحلول عام 2025 ، سيصل حجم سوق الزراعة الرأسية العالمية إلى 30 مليار دولار أمريكي.باختصار ، تتمتع مصانع المصانع بآفاق تطبيق واسعة ومساحة تطوير.

المؤلف: Zengchan Zhou ، Weidong ، إلخ

معلومات الاقتباس:الوضع الحالي وآفاق تطوير صناعة المصانع [J].تكنولوجيا الهندسة الزراعية ، 2022 ، 42 (1): 18-23.بواسطة Zengchan Zhou و Wei Dong و Xiugang Li وآخرون.