季涵涵，辜 松（华南农业大学，广州 510642）

20世纪90 年代，日本千叶大学和大阪府立大学开始推动植物工厂的生产应用，随后，一些企业开始进行植物工厂建设，形成了一个利用植物工厂立体生产叶菜的小热潮。21 世纪初，北美和欧洲也开始利用废弃工业厂房建造植物工厂，主要是水培生产叶菜。北京京鹏环球科技股份有限公司建成了中国第一座植物工厂，以中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所为代表的多家科研单位开展了植物工厂种植环境方面的研究。

植物工厂生产环境条件理想，作物生产周期短、周年生产循环次数多。因此，生产中种植单元立体输送作业量大，人工搬运劳动强度大、危险性高。为此，随着植物工厂规模化生产技术的发展，种植单元的立体输送模式由人工搬运开始经历了不同的技术时期，其主要发展顺序为人工利用梯子或台阶输送、人工使用剪刀式升降车输送、机械升降机自动输送、升降车自动输送、链式移动输送系统、仓储物流升降机自动输送、升降机加穿梭车自动输送等形式。规模化生产是植物工厂效益的来源，也是植物工厂发展的方向，依靠人工进行和参与植物工厂种植单元立体输送的作业模式是无法完成大批量种植单元立体输送的。本文以植物工厂规模化生产为目标，对目前可进行植物工厂种植单元机械化立体输送装备和技术进行分析讨论。

植物工厂生产作业流程

许多植物可以在植物工厂种植，如叶菜、蔬菜幼苗和药用植物等，由于叶菜生长周期短、销售市场范围大，目前植物工厂以生产叶菜的情况居多。为使研究对象具有代表性，本研究针对水培叶菜的生产模式进行分析，其典型叶菜生产流程如图1 所示。植物工厂叶菜立体种植的生产过程主要包括：育苗盘精量播种、育苗室催芽及育苗、将叶菜种苗由育苗盘向种植单元稀植、立体输送种植单元进入立体种植区、立体种植区叶菜种植、将成菜的种植单元输送出立体种植区、采收成菜、成菜包装输出、清洗种植单元。生产期间每天循环以上整个作业过程。

图1 植物工厂叶菜生产作业流程

如图2 所示，该种植单元为一种可移动的种植载体。为了将种植单元放置在垂直栽培架上，设置种植单元外部尺寸适合栽培架的栽培位置，种植单元数量根据种植规模确定，通过改变立体种植架的层数与长度以达到放置不同数量的种植单元的能力。一般层数8～12 为宜，层数过多会对环境调控造成困难；长度20 m 左右为宜，过长会影响种植单元的输送效率，并降低立体种植架适应种植批次的灵活性。种植单元考虑到叶菜的运输效率、人工处理的方便性等因素，一般尺寸设定为596 mm×954 mm。叶菜的种植载体可选用岩棉、海绵或基质，不过后者对生产作业各环节中遗落基质清理的工作量大。

图2 植物工厂叶菜种植单元/mm

植物工厂种植单元输送装备类型

为实现植物工厂种植单元高效机械化及自动化的立体输送，世界各地的植物工厂开展了多方面的尝试与引用。

大阪府立大学

20 世纪90 年代的日本开始推动植物工厂生产叶菜，大阪府立大学开始在立体种植形势下针对种植单元机械输送进行了尝试。图3a 所示为一种在立体种植架间采用升降车，针对左右两边种植架不同层、不同位置的种植单元进行取放的作业系统。输送作业为往复输送形式的仓储物流输送模式，优点是取放位置灵活，可以对立体种植架任何位置实施输送作业；缺点是左右取放机构较复杂，往复运动路程大、输送作业效率不高，需适应多组立体种植架情况升降车轨道复杂。另一种模式如图3b 所示，在立体种植架端头设置种植单元输送线与升降机相连，针对每个立体种植架形成一组种植单元立体输送线，每个立体种植架上种植单元的输送与取放依靠1 台穿梭车及1 台升降机，在立体种植架地面端头与各层不同种植位置之间往来取放，输送为先进后出的递进输送形式，只能在每层的端头输入和输出，不能在任意位置取放。

图3 大阪府立大学植物工厂

松下植物工厂

如图4 所示，日本松下公司的立体种植植物工厂利用两台升降车，在立体种植架的两端各层分别放入和取出种植单元，一端输入，另一端输出，两台输入与输出升降车可移动，依据其输送能力可为多个立体种植架进行种植单元的立体输送，输送采用一端先进、另一端先出的递进输送形式。

图4 松下植物工厂

上海大地

如图5 所示，上海大地园艺种苗有限公司依托荷兰大型移动苗床物流输送技术，以大型移动苗床为种植单元，构建了立体种植植物工厂。通过2 台大型移动苗床升降车在立体植物工厂种植架两端分别输入输出种植单元，与日本松下模式类似，输送也是采用一端先进、另一端先出的递进输送形式。

图5 上海大地植物工厂

Urban Barns Farming

如图6 所示，加拿大Urban Barns Farming模式采用链条输送形式，整体移动所有种植单元，在垂直面内行成蛇形轨迹，种植单元固定在整体运动的链条上，根据链条上种植单元的间距，链条可进行脉动式移动。叶菜采收一般也是采用先入先出的递进模式，此种模式也可以进行跳跃式种植和采收。此种模式原理不复杂，控制简单，驱动动力要求也不大。但是，由于运动部件多，故障率会相应提高，并且一旦其中一个小环节出现问题，需要停止生产作业，并且检修空间不大。另外，与自动化播种与采收装备对接不太方便。

图6 Urban Barns Farming 植物工厂

Urban Produce

如图7 示，美国Urban Produce 的输送模式与加拿大Urban Barns Farming 类似，整体移动所有种植单元，不过美国Urban Produce是在水平面面内行成蛇形轨迹，这种输送模式限制了种植单元尺寸不宜过大。种植单元被放置在整体运动系统的竖直垂吊的载物架上，整体输送机构可进行连续或是脉动式移动。作业特性与前者类似。

图7 Urban Produce 植物工厂

Bowery

如图8 所示，美国Bowery 的种植单元输送模式与上海大地采用大型移动苗床的立体输送模式类似，只不过为便于生产和减少输送系统占据过大空间，对其种植单元的尺寸规格做了缩减。移动苗床作为种植单元，输送效率高，但是，由于苗床规格普遍比常规水培叶菜种植单元的尺寸大很多，其输送系统的占地面积也会相应增加。另外，移动苗床与自动化播种环节以及成菜采收作业环节的对接还需要做专门的衔接处理。

图8 Bowery 植物工厂

珠海益品

如图9 所示，珠海益品农业科技有限公司针对植物工厂种植单元立体种植的自动化输送，采用了种植单元输送穿梭车与升降机相结合的形式，实现将种植单元输送到目标立体种植架上的作业。每一个立体种植架端头设置一台升降机，负责将种植单元输送穿梭车送至目标层，穿梭车再将种植单元送至该层的目标位置，输送为先进后出的形式，因此，每个种植层应为同一批次的种植植物。穿梭车在层间运送种植单元为往复式运动。目前珠海益品的立体种植植物工厂生产与输送装备系统已在澳大利亚、南非、美国及加拿大等海外市场得到生产应用，在国内也构建了多家大型自动化立体种植植物工厂。

图9 珠海益品植物工厂

中科三安

如图10 所示，福建省中科生物股份有限公司针对植物工厂立体种植需求，基于仓储物流输送模式，构建了一套自动化程度非常高的种植单元输送系统。种植单元立体输送采用无线引导车、物流升降车、立体种植架间穿梭车等高自动化水平设备。穿梭车在立体种植架间运动，可对左右两边立体种植架进行种植单元的取放作业，物流升降车负责将穿梭车放置目标立体种植架中的目标层，种植单元依靠无线引导车完成在立体种植架与其他作业环节之间的输送，不设固定输送线，设备占地小。穿梭车在立体种植架层间运送种植单元为往复式运动，可在目标层取放任意位置的种植单元，输送灵活性大。该植物工厂的种植单元输送系统自动化水平在世界内属于顶尖水平。

图10 中科三安植物工厂

华南农业大学

如图11 所示，华南农业大学立体种植植物工厂的种植单元输送系统采用2 台立体种植架端头升降车及1 台穿梭推送车。向立体种植架输入种植单元时，种植单元升降车将种植单元送至目标立体种植架，并升至目标层，接着将种植单元推送入目标层；由立体种植架输出种植单元时，种植单元升降车将目标层端头第一个种植单元取出并送出立体种植区，当取立体种植架目标层距离端头第二个或更远的种植单元时，需要种植架另一端穿梭推送车升降车，将穿梭推送车送入目标层，穿梭车由目标层的另一端头开始辅助推送种植单元至第一个种植单元位置，种植单元升降车重复上面输出作业。该种植单元输送系统采用先进后出模式，输送形式为递进式，设备运转速度不高，但是递进式的输送形式可获得很高输送效率。不过，此种植模式适合规模化大批量种植并且要求每层需是同批次的种植植物。

图11 华南农业大学植物工厂

Urban Crop Solution

如图12 所示，比利时Urban Crop Solution立体种植植物工厂种植单元的输送形式与日本松下的输送原理完全相同。与前者相比增设了地面输送线，另外，输送系统采用更加先进的控制与传动器件，这也是技术发展的趋势。

图12 Urban Crop Solution 植物工厂

Jones Food

如图13 所示，英国Jones Food 立体种植植物工厂种植单元的立体输送方法选择了一条与众不同的模式。该植物工厂种植单元也是采用与上海大地类似的大型移动苗床，其立体种植架高达16 层，未挂接任何输送设备，种植单元的在立体种植架与播种、采收区之间的立体输送，采用了超高叉车取放和搬运种植单元。此方法仅依靠叉车搬运种植单元，大大简化了物流输送环节，免去了庞大立体输送设备的投资。但是，这种输送方法不仅需要高技术的叉车操作人员，在取放高层种植单元作业时，还需人工在高空观察叉车作业情况，辅助叉车对接立体种植架，作业危险系数大。

图13 Jones Food 植物工厂

Vertical Farm Systems

如图14所示，澳大利亚Vertical Farm Systems 立体种植植物工厂种植单元的输送形式与中国上海大地的输送原理完全一样，但是，将移动苗床的尺寸做了缩减，并以整个苗床作为种植单元。另外，适应移动苗床的规格开发了配套的播种与采收装备，大大提高了作业效率和自动化程度。

图14 Vertical Farm Systems 植物工厂

Iron Ox

如图15 所示，美国Iron Ox 植物工厂种植单元的输送形式称不上立体种植，因为，种植单元只是布置在地面层，没有充分利用立体空间。其输送作业形式是，利用龙门式种植单元搬运车在地面搬运种植单元，种植单元搬运车采用麦迪逊轮可实现车体原地不旋转的换向运动，种植单元地面摆放密度高。该系统自动化作业程度虽然很高，但是，对于生产空间与面积的利用率低，设计的装备的作业形式与水培叶菜生产农艺不配套。

图15 Iron Ox 植物工厂

以上各类植物工厂种植单元输送装备类型主要可以分类成以下3 组模式，3 组类型之间相互交融。①往复式输送类型与递进式输送类型，往复式输送类型是在立体种植架间或架内以往复穿梭的形式来输送种植单元，如图3a、图9和图10；递进式输送类型是在立体种植架端头输送种植单元，如图3b，图4、图5、图11、图12、图13 和图14；②以大型移动苗床为单位的群体输送类型与以种植单元为单位的个体输送类型，大型移动苗床群体输送类型主要是为了提高输送效率，如图5、图11、图13、图14 和图15，其他均属于个体输送类型；③整体输送类型与局部输送类型，整体输送类型是采用整体移动立体种植系统内种植单元的输送形式，在固定点输入或输出种植单元，如图6 和图7。除此之外，其他系统均属于局部输送类型，即仅对要被输入或输出的种植单元进行移动输送。

以上类型各有特点，分别适用不同生产场景，因此在选用时要依据具体种植模式、生产规模、日产规模及投资能力等因素来综合考虑。

种植单元输送装备应用讨论

目前，植物工厂种植单元的立体输送模式多种多样，主要目的是在适应种植农艺的情况下，降低高层输送作业危险性，减少人工作业量，提高作业效率，同时降低立体输送装备的投资成本。然而，通过分析目前建成的植物工厂案例，构建立体种植单元输送装备系统应考虑以下几方面的问题。

作业速度应适当

构建种植单元立体输送装备系统的主要目的是为了提高作业速度，但是，盲目追求高速度会拉高投资成本。因此，在构建输送装备系统时要依据种植农艺特性进行设计。一般种植单元输送系统上游要和叶菜种苗移植装备连接，下游要和收菜装备连接，以每个种植单元种植32 株菜为例，叶菜种苗移植作业生产率为高速情况下，每个种植单元需要1 min；为保证较低的破损率，成菜收菜作业生产率高速情况下，每个种植单元需要2 min。如果是人工进行移植和收菜，作业速度会慢10 倍以上。每个种植单元1～2 min 的移植与收菜速度相对于物流输送速度，是非常慢的了，因此，输送装备系统对输送效率没必要要求过高。

取放模式应适应种植模式

植物工厂效益来源于规模化生产，规模化生产不存在一个种植架上有多个品种的作物，也不会存在一个种植架上随机多次取放种植单元。植物工厂常规的生产模式是一个批次的叶菜在一层或多层种植架中进行种植，放入的是同一批次，取出也是同一批次。植物工厂生产流程的以上特点，适合于百货仓库或零件仓库的那种可以在任意位置、任意时刻进行取放的仓储物流形式，在植物工厂种植流程中并不适用。当然，这里我们排除掉了，非生产运营的小规模生产和实验性种植的形式。另外，仓储式输送属于往复式搬运模式，相较于递进式搬运模式其输送生产率并不高，当每层种植单元容量为20 个时，递进式运输生产率比往复式高115%～200%；当每层种植单元容量为40 个时，高130%～250%。

种植层数不宜过高

植物工厂的一个特点是高密度、规模化生产，因此同样面积情况下，种植层数越多，种植容量就越大。但是，植物工厂的层数受多方面因素制约，不宜过高，在层间距0.5 m 情况下，适宜层数应为8～12 层。层数过低会降低植物工厂的规模化生产能力，导致植物工厂单位容积产出高；层数过高会出现以下几方面的问题：①导致通风均匀性不佳，出现叶菜品质的区域性差异，对环境调节系统进行优化改进会导投资致成本提高；②种植单元的提升输送难以分流，因此，层数过高会使种植单元的输送效率下降；③植物工厂立体种植架及地基需要特殊处理，以承载超高层立体种植架带来的负荷压力，造成物流输送作业条件出现差异，增加了设计、安装、运营难度，最终，还是带来投资成本的增加；④超高层立体种植架给其本身与输送装备系统在安装和维护上带来困难。所以，植物工厂建设中不宜追求最大、最高、最长，一定要符合种植生产作业流程的特性要求。

总结

植物工厂规模化生产离不开种植单元物流输送系统，依靠人工是无法实现的。在植物工厂的物流输送装备的选择上，物流输送装备的作业速度不是首要考虑要素，植物工厂生产流程与物流输送装备融合与匹配才是关键的考虑因素。依据植物工厂种植流程特点、自动化作业环节特性，开发作业速度合理、生产率适当等因素来选择物流输送装备，是今后植物工厂种植单元物流输送装备开发需要重点考虑的方向。